郭麗爽 劉耀煒 張 磊 丁風(fēng)和 梁 瑩

?

DFG-B測汞儀與ATG-6138M測汞儀對比觀測結(jié)果分析1

郭麗爽1）劉耀煒1）張 磊1，2）丁風(fēng)和3）梁 瑩3）

1）中國地震局地殼應(yīng)力研究所，地殼動力學(xué)重點(diǎn)實驗室，北京 100085?2）中國地震局地球物理研究所，北京 100081?3）內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，呼和浩特 010010

為了核實赤峰1號井2014年初氣汞異常現(xiàn)象，安裝ATG-6138M測汞儀與原DFG-B測汞儀進(jìn)行對比觀測。ATG-6138M測汞儀觀測到赤峰1號井房內(nèi)空氣汞濃度明顯高于井孔內(nèi)逸出汞濃度，表明觀測井房可能存在汞污染問題。兩臺儀器同步觀測井孔內(nèi)逸出氣汞濃度結(jié)果表明，ATG-6138M測汞儀測試結(jié)果穩(wěn)定，動態(tài)清晰，而DFG-B測汞儀觀測誤差較大。對比DFG-B測汞儀與ATG-6138M測汞儀校準(zhǔn)結(jié)果認(rèn)為，DFG-B測汞儀已不能正常觀測汞濃度的變化，存在捕汞管老化等儀器問題。綜合分析表明，赤峰1號井DFG-B測汞儀存在環(huán)境汞污染和儀器老化等因素，且集氣裝置不符合地震行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，2014年初出現(xiàn)的氣汞濃度異常信度不高，不能作為與地震孕育有關(guān)的前兆異常信息。

氣汞異常 DFG-B測汞儀 ATG-6138M測汞儀 對比觀測 地震前兆

前言

由于地殼的連續(xù)性破壞，來自地下深部的汞蒸氣會沿著斷裂和裂隙向地表遷移，形成地下水和土壤氣中汞濃度的異常，通常這種異常出現(xiàn)在地震孕育過程的中短期和臨震階段（金仰芬等，1987；康春麗等，1999）。由于汞的這種特殊地震地球化學(xué)性質(zhì)，我國從20世紀(jì)80年代起開始了汞與地震前兆的相關(guān)研究，主要觀測斷裂帶井（泉）水、井口逸出氣和斷層帶土壤氣中的汞濃度（張鳳秋等，2005；劉耀煒，2006；劉翔等，2014）。

目前，我國汞觀測臺網(wǎng)是地震地下流體四大前兆臺網(wǎng)之一，有觀測站83個，測項主要包括人工觀測地下水溶解汞（總汞）和自動觀測地下水逸出氣汞（零價汞）2。觀測水中汞濃度主要使用XG-4、RG-BS和XG-5Z型測汞儀；觀測逸出氣汞濃度主要使用RG-BQZ、JM-4和DFG-B型測汞儀（劉耀煒，2006）。這些儀器均是20世紀(jì)80或90年代研制的，大部分儀器老化嚴(yán)重，尤其是數(shù)字化觀測儀器的穩(wěn)定性較差，嚴(yán)重影響到對汞濃度變化動態(tài)特征以及地震前兆信息的分析。近年來，由于國內(nèi)外汞觀測技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的廣泛應(yīng)用，基于光譜原理和齊金原理的高分辨率、高穩(wěn)定性汞觀測儀器相繼研發(fā)成功，如俄羅斯Lumex RA915+塞曼效應(yīng)測汞儀、意大利Milestone DMA-80和我國杭州超距科技有限公司生產(chǎn)的ATG-6138M測汞儀等，為分析低濃度汞的正常動態(tài)，獲取穩(wěn)定性觀測數(shù)據(jù)提供了技術(shù)保障。如何使用穩(wěn)定和靈敏的汞觀測儀分析汞異常資料，提高異?，F(xiàn)場核實工作的科學(xué)性、準(zhǔn)確性是目前地震監(jiān)測預(yù)報工作中面臨的重要問題。

在2014年華北地震強(qiáng)化跟蹤工作中，內(nèi)蒙古赤峰地震臺1號井逸出氣汞濃度出現(xiàn)高值異常（圖1），尤其是2014年2月9日到10日的2天時間內(nèi)逸出氣汞濃度上升了1.824 ng/L，引起了相關(guān)部門的高度重視。為了現(xiàn)場核實汞濃度異常的可靠性，筆者于2014年3月末在赤峰地震臺1號井安裝了1臺ATG-6138M測汞儀（以下簡稱ATG-6138M），用于與該井原DFG-B型智能測汞儀（以下簡稱DFG-B）進(jìn)行對比觀測，分析觀測儀器的穩(wěn)定性和可靠性，判定汞異常是否為地震孕育過程的前兆信息。

1 資料與方法

1.1 觀測臺站

赤峰1號靜水位觀測井，井水位埋深約21m，井深約106m，觀測井口密封性差。井口內(nèi)進(jìn)行觀測的項目有數(shù)字氡、汞、水位和水溫，各個探頭和取氣口隔開，以避免干擾。其中氣汞取樣口位于井下約5m處，使用管線和觀測儀器DFG-B連接。觀測井房面積約10m2（圖2）。

圖1 赤峰1號井DFG-B測汞儀觀測數(shù)據(jù)（校準(zhǔn)情況依據(jù)赤峰地震臺記錄）

Fig. 1 Hg concentrations from #1well, Chifeng (the calibration time after the record of Chifeng seismic station)

圖2 赤峰1號井觀測示意圖

1.2 觀測儀器

我國地震地下流體前兆觀測中，地下水逸出汞使用的DFG-B測汞儀是利用汞齊化作用，采用金絲捕汞管富集汞，熱解析后用冷原子吸收法測定汞量。觀測系統(tǒng)中的硅膠管的吸附作用、捕汞管的銹蝕、電壓穩(wěn)定性、脫氣裝置等影響著儀器測值準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性（張素欣等，2006；任佳等，2005）。DFG-B測汞儀以冷原子吸收技術(shù)為基礎(chǔ)，儀器絕對檢出限為8×10-3ng（汞），精確度為2.5%—3%，每年定期使用自制飽和汞蒸氣源進(jìn)行校準(zhǔn)。目前觀測臺站使用的自制飽和汞蒸氣標(biāo)準(zhǔn)源，由于溫度測定的精度不夠，會造成對K值校準(zhǔn)的誤差，而汞瓶內(nèi)的液態(tài)汞泄露嚴(yán)重，會直接影響到氣汞儀器校準(zhǔn)結(jié)果的客觀性和觀測結(jié)果的可靠性。

如今國內(nèi)外測汞儀的測試技術(shù)和校準(zhǔn)技術(shù)都取得了顯著的進(jìn)展。例如，ATG-6138M是國家科技支撐計劃課題“基于數(shù)字化觀測技術(shù)的強(qiáng)震短臨預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)研究（2012BAK19B02）”下屬專題“氫和汞傳感器技術(shù)研發(fā)和示范性應(yīng)用（2012BAK19B02-06）”研發(fā)的地震觀測儀器，已通過課題測試與驗收。該儀器采用納米級金膜傳感器技術(shù)，靈敏度較高，絕對檢出限優(yōu)于5×10-4ng（汞），可進(jìn)行氣汞的連續(xù)觀測，配置的鼓氣裝置可測量水中溶解汞的濃度，測試水汞的進(jìn)氣流量約1.3L/min。使用計量部門認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)汞蒸氣發(fā)生裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，可提高校準(zhǔn)精度和準(zhǔn)確度。

1.3 測試條件

在現(xiàn)場異常核實過程中，使用ATG-6138M測汞儀測試了井房外大氣和井房內(nèi)空氣中汞的濃度，主要是為了檢驗井房內(nèi)是否存在汞污染。隨后，利用三通將送氣管分流連接DFG-B和ATG-6138M測汞儀，進(jìn)行井孔內(nèi)氣汞的連續(xù)觀測。其中DFG-B與ATG-6138M相差半小時采樣，富集流量～0.5L/min，兩套儀器采樣互不影響。DFG-B的數(shù)據(jù)單位為ng/L，ATG-6138M的為ng/m3，根據(jù)國際氣體汞濃度慣用單位，以下將ng/L換算成ng/m3。

2 結(jié)果與討論

2.1 觀測井房氣汞濃度

ATG-6138M測得的井房外大氣中的汞濃度為3.66±0.33ng/m3（測量2次），井房內(nèi)空氣的汞濃度為84.99±12.51ng/m3（測量3次）。觀測井房具有如此高的氣汞濃度，表明井房內(nèi)存在較嚴(yán)重的汞污染。為了確定井房內(nèi)汞的污染來源，經(jīng)現(xiàn)場檢查，用于DFG-B儀器季度檢查和校準(zhǔn)的自制液體汞保存在密封的塑料水杯中，杯蓋處打細(xì)孔用于抽取汞蒸氣，平時使用塑料膠布封閉細(xì)孔。自制汞源存放在離觀測井口約2m的金屬柜子里，現(xiàn)場檢查時汞源密封膠布脫落，經(jīng)詢問觀測人員，證明當(dāng)前汞瓶中的液態(tài)汞比2013年12月底校準(zhǔn)時有明顯減少，推斷汞源中液態(tài)汞的揮發(fā)可能造成了井房內(nèi)汞的污染。為了減少繼續(xù)對觀測井房的污染，異?，F(xiàn)場核實過程中將汞源移走并重新進(jìn)行密封。

2.2 井孔內(nèi)逸出氣汞濃度

本次對比觀測獲得了2014年4月1日至5月25日井孔內(nèi)逸出氣汞整點(diǎn)值數(shù)據(jù)（表1和圖3）。結(jié)果顯示，ATG-6138M數(shù)據(jù)變化范圍為9.52—105.70ng/m3，有日變特征；DFG-B數(shù)據(jù)變化范圍為0—206 ng/m3；ATG-6138M測得的數(shù)據(jù)較DFG-B偏小。

表1 ATG-6138M和DFG-B測汞儀對比數(shù)據(jù)

在觀測井房內(nèi)，由于存在汞污染，汞的揮發(fā)與吸附作用與溫度密切相關(guān)（伍宗華等，1994）。ATG-6138M觀測的4月21日前的汞數(shù)據(jù)與室內(nèi)溫度呈現(xiàn)出正相關(guān)性（圖3），當(dāng)溫度升高時，附著的汞揮發(fā)到井房空氣中，導(dǎo)致ATG-6138M觀測數(shù)據(jù)的升高。4月21日后ATG-6138M測得的汞數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，與室內(nèi)溫度相關(guān)性較弱（圖3），可能與移走汞源后空氣和室內(nèi)墻壁附著的汞濃度減少有關(guān)。ATG-6138M對井房內(nèi)汞污染反映較為靈敏，但是DFG-B觀測數(shù)據(jù)與井房內(nèi)溫度變化相關(guān)性較弱（圖3）。

根據(jù)地震行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地震臺站建設(shè)規(guī)范——地下流體臺站第2部分：氣氡和氣汞臺站》，非自流井宜采用浮動罩式集氣裝置，集氣罩與水面直接接觸，以保證井水位發(fā)生變化時罩內(nèi)的體積不變。赤峰1號井井水位埋深21m，而氣汞取氣口在井管中距井口5m處，距離水面有16m（圖2），筆者分析認(rèn)為，儀器所采集的氣體為水中逸出氣和空氣的混合氣體。如果空氣受到了汞源的污染，儀器就會觀測到較高的汞濃度變化。

為了對比兩種儀器的穩(wěn)定性，筆者對觀測的汞數(shù)據(jù)進(jìn)行了一階差分，并計算出差分值的2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差。結(jié)果表明：ATG-6138M的一階差分?jǐn)?shù)據(jù)主要分布在-7—7ng/m3之間，測汞數(shù)值較為穩(wěn)定；而DFG-B的一階差分?jǐn)?shù)據(jù)主要分布在-35—35ng/m3之間，測汞數(shù)據(jù)存在較大范圍的隨機(jī)波動，觀測誤差較大（圖4）。

圖3 ATG-6138M測汞儀、DFG-B測汞儀和室溫觀測數(shù)據(jù)圖

圖中紅線為一階差分?jǐn)?shù)據(jù)的2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差

2.3 儀器校準(zhǔn)

ATG-6138M校準(zhǔn)注入的汞量與儀器電壓值（mv）具有較高的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)2為0.9998（圖5），表明儀器觀測結(jié)果準(zhǔn)確性較高。2014年2月7日對DFG-B進(jìn)行季度檢查時，儀器校準(zhǔn)注入的汞量與儀器吸光值呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性，表明儀器靈敏度降低，對汞濃度變化響應(yīng)不靈敏。DFG-B測汞儀在每年的2、5、8、11月分別進(jìn)行季度檢查，12月儀器校準(zhǔn)更換校準(zhǔn)系數(shù)K，校準(zhǔn)系數(shù)不穩(wěn)定，變化范圍較大1。因此，DFG-B儀器測試結(jié)果相對不穩(wěn)定。

自2011年以來，DFG-B未更換或清洗過捕汞管，經(jīng)過長時間使用的捕汞管會在金絲表面形成金汞齊，降低了捕汞管效率。因此，DFG-B測汞儀對汞的波動不靈敏，存在著捕汞管污染和老化。當(dāng)大量的汞附著在捕汞管上時，極易造成測值的突跳或持續(xù)高值現(xiàn)象。而且當(dāng)空氣中汞的濃度較高時，對儀器的傳感器也會造成一定的損害，易引起測值的不穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

為了核實2014年2月9日內(nèi)蒙古赤峰地震臺1號井的井口逸出氣汞濃度出現(xiàn)高值突生的異?，F(xiàn)象，筆者通過ATG-6138M與DFG-B測汞儀的對比觀測結(jié)果，得到了以下一些認(rèn)識：

（1）此次氣汞濃度的異常是由于觀測井房內(nèi)汞源泄露和DFG-B測汞儀捕汞管污染和老化造成的。建議在氣汞的觀測中，汞源要與儀器分別放置，以避免汞源泄露對觀測環(huán)境造成污染；其次要定期更換捕汞管，對于非自流井宜采用浮動罩式集氣裝置，以確保觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。

（2）ATG-6138M測汞儀觀測較為穩(wěn)定，測試過程中未見明顯的數(shù)據(jù)突跳現(xiàn)象，而且其采氣量較小，適合井口逸出氣體量小的特點(diǎn)。但是，鑒于儀器使用時間較短，還需要進(jìn)行較大范圍的儀器試驗與實際觀測應(yīng)用，才能更好地判定該儀器給出的性能指標(biāo)。

（3）我國地震地下流體臺站所使用的氣汞觀測儀器，普遍存在使用時間較長、儀器老化嚴(yán)重、測試精度不高的問題，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)突跳等干擾異常，給震情判定工作帶來一定的困擾和誤導(dǎo)。建議使用更加穩(wěn)定可靠的新型汞觀測儀器對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行升級和改造。

致謝：感謝內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局高立新研究員和赤峰地震臺孔祥福工程師以及杭州超距科技有限公司周超技術(shù)員為本文提供的幫助。

金仰芬，伍宗華，黃宏庫等，1987．汞量測量監(jiān)測預(yù)報地震的前景．地震，7（5）：6—11.

康春麗，杜建國，李圣強(qiáng)，1999．中強(qiáng)地震活動中汞的異常特征．地震，19（4）：352—358.

劉耀煒，2006．我國地震地下流體科學(xué)40年探索歷程回顧. 中國地震，22（3）：222—235.

劉翔，付虹，吳國華等，2014．2011年盈江5.8級地震前近場流體異常初探. 地震研究，37（3）：354—361.

任佳，張鳳秋，王長江，張納莉，馬利軍，2005. 懷4井氣汞觀測井口裝置設(shè)計及其氣汞固體潮汐效應(yīng)分析. 地震研究，28（4）：330—333.

伍宗華，金仰芬，古平等，1994. 汞的勘查地球化學(xué). 北京：地質(zhì)出版社.

張鳳秋，任佳，李海孝等，2005. 懷4井地下流體異常與地震的關(guān)系. 地震地質(zhì)，27（1）：123—130.

張素欣，王寶坤，翟彥忠，孫佩卿，張子廣，2006. 熱水井?dāng)?shù)字化氣汞觀測影響因素討論. 華北地震科學(xué)，24（1）：23—26.

Comparative Study of Mercury Measurements from DFG-B and ATG-6138M Instruments

Guo Lishuang1), Liu Yaowei1), Zhang Lei1, 2), Ding Fenghe3)and Liang Ying3)

1) Key Laboratory of Crustal Dynamics, Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China?2) Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China?3) Earthquake Administration of Inner Mongolia Autonomous Region, Hohhot 010010, China

In order to verify gas mercury anomaly in early 2014 from #1 well in Chifeng，we installed the ATG-6138Mmercury analyzer and compared the observations with the DFG-B mercury analyzer. The results of ATG-6138M mercury analyzer showed that the air mercury concentration in the well room was significantly higher than the mercuryconcentration escaping from borehole，indicating that there may be mercury pollution problems. The two simultaneous observation instruments showed that ATG-6138M mercury analyzer test results were stable and dynamic clearly，while DFG-B mercury analyzer produced more observation errors. The calibration of the two mercury analyzers showed DFG-B mercury analyzer could not properly measured the change of mercury concentration with the aging of mercury captured tube. Comprehensive analysis suggested that there exist mercury pollution and aging of DFG-B mercury analyzer, and the gas collecting device failed to meet the seismic standard technical requirement. The abnormal reliability of gas mercury concentrations anomalies in early 2014 may not be reliable，which could not be conceived as the earthquake precursory information.

Gas mercury anomaly; DFG-B mercury analyzer; ATG-6138M mercury analyzer; Comparative observation; Earthquake precursor

地震行業(yè)科研專項（201308006）資助

2高小其，郭麗爽，任宏微等，2013. 地下流體化學(xué)量觀測技術(shù)發(fā)展動態(tài)調(diào)研報告.

1梁瑩，2014. 異常核實——2014年3月29日內(nèi)蒙古赤峰臺氣汞.

2015-12-23

郭麗爽，女，生于1983年。2011年獲得理學(xué)博士，中國地震局地殼應(yīng)力研究所助理研究員。主要從事地下流體地球化學(xué)研究。E-mail: guolsh02@163.com

劉耀煒，男，生于1957年。研究員。主要研究方向：地下流體動力學(xué)與地震監(jiān)測預(yù)報。E-mail：liuyw20080512@126.com