兩種不同類型測汞儀對比觀測實驗結果分析

0引言

汞作為一種敏感的地震前兆指標，其觀測數據在地震前會出現不同程度的異常變化，尤其在短臨預報方面有著重要作用（張素欣等，2006）。因此，汞是地下流體預報地震的靈敏組分之一，在地震監測預報方面受到了廣泛的重視。全國很多地震臺站開展汞觀測，汞觀測點主要集中在南北地震帶、華北、東北等主要地震監視地區，密度最高的為川滇和華北地區，監測點最多的省份是云南省。

全國汞觀測主要經歷了模擬和數字化汞觀測兩個階段。模擬水汞觀測始于20世紀90年代初，主要觀測儀器有XG-3型、XG-4型、XG-5型測汞儀與XG-5Z型塞曼測汞儀等，目前在臺站應用最為廣泛的是北京地質儀器廠早期研制的XG-4型測汞儀。隨著測汞技術的飛速發展以及汞濃度連續自動化觀測的現實需求，汞觀測的技術和設備不斷向數字化觀測推進。在“九五”與“十五”期間，實現了數字化連續觀測，主要的觀測儀器是DFG-B型和RG-BQZ型數字化智能測汞儀。由于這兩種數字化觀測儀器都是在10年前研制生產的，儀器老化現象嚴重，穩定性能差，抗干擾能力變弱，經常出現故障，導致數據缺數，加之研制單位的解散，老化儀器得不到維修、維護和更換，長期使用導致靈敏度下降，這些問題嚴重影響了觀測數據的連續性與質量（中國地震局監測預報司，2007；劉耀煒等，2006；王鐵城等，1994）。

為了進一步提高地震監測預報水平和汞觀測數據質量，必須選取靈敏度更高、抗干擾能力更強、性能更加穩定的新型汞觀測儀器。本文所選取的ATG-6138M型痕量汞在線自動分析儀就是一款最新研發的高精度數字化汞測量儀器。在該款儀器投入使用前，有必要將其與現階段地震監測中常用的數字化智能測汞儀器進行對比研究，以確定其使用功能、成果質量、穩定性及抗干擾能力等各方面的優劣性。

1測汞儀現狀與發展

11DFG-B型和RG-BQZ型數字化智能測汞儀

DFG-B型和RG-BQZ型數字化智能測汞儀是目前數字化汞測量的主要觀測儀器，這類數字化測汞儀由單光束光路系統、氣路系統、光電轉換系統、檢測電路、計算機控制電路、顯示和鍵盤電路及響應軟件組成。它是根據基態汞原子對于汞原子被激發所產生的2537A°特征譜線選擇吸收原理工作的。透射光的強度與基態汞原子的濃度成正比，即服從比耳-朗伯定律：

I=I0e-KCL.（1）

其中：I為透射光強度，I0為入射光強度，K為吸收系數，C為基態汞原子濃度，L為吸收層長度（中國地震局監測預報司，2007；張素欣等，2006）。該類型儀器精確度為25%～30%，檢出限為0008 ng（汞），靈敏度為0008 ng（汞），基線穩定度為0000 8～0001 ng/30 min。儀器適用溫度為10℃～40 ℃，供電電壓為AC220±15%、DC11～135 V。

DFG-B型數字化智能測汞儀為中國地震局分析預報中心研制，該儀器在實際觀測過程中，由于電路發生短路或其他原因，經常發生顯示屏字符混亂等情況，其抗干擾能力與自身穩定性較差，儀器故障率較高。由于儀器的原研制生產單位已經停產或解散，相關儀器配件也已不再生產，導致一些觀測臺站的DFG-B型數字化智能測汞儀得不到養護和維修，一旦出現故障或元件損壞，無法購買到相應的配件，致使儀器設備無法恢復到正常工作狀態。RG-BQZ型數字化智能測汞儀故障率也較高，且靈敏度偏低，觀測數據曲線多有毛刺，動態規律性差。

12ATG-6138M型痕量汞在線自動分析儀

ATG-6138M型痕量汞在線自動分析儀是杭州超距科技有限公司最新研發的汞測量儀器。該儀器對汞具有極高的靈敏度，檢出限高達5×10-13 g（汞），可以直接測量，無需富集，在儀器最低檢出限時，基線零點漂移<2 mV/8 h，電壓要求為AC220 V、50 Hz，溫度范圍在0～50 ℃之間，濕度范圍在10%～95%之間（非冷凝）。在運行時，其內置氣泵會通過電磁閥精確地抽取一定體積的空氣樣品，通過專制的金絲捕汞線圈吸收樣品中的汞，儀器自動控制系統自動對吸收了樣品中汞氣的金絲捕汞線圈通電加熱，將捕集的汞蒸氣瞬時釋放出來，被黃金薄膜傳感器測定，然后通過計算，將最終濃度值顯示在液晶屏幕上。ATG -6138M型痕量汞在線自動分析儀中的黃金薄膜傳感器對于汞元素具有良好的穩定性和選擇性。此外，該儀器自身還配有環境溫度傳感器和氣壓傳感器，可同步進行環境溫度和環境氣壓的輔助觀測。

2對比觀測方法

21觀測井的選取

本次對比觀測實驗所選用的觀測井為彌勒彌東哨井，該觀測井位于彌勒—師宗斷裂帶上，其地理位置為（2441°N，103.40°E），測點高程1 4230 m。該井于2003年12月下旬完工成井，終孔深度61440 m，孔徑216 mm。花管安裝至35504 m處，自35504 m以下為裸孔，過水段管徑121～168 mm。根據鉆探資料，含水層地層巖性為層狀砂巖及白云巖。其中10216 m以上為白云巖，該段地層節理裂隙及巖溶管道極為發育。根據地質資料及地下水情況分析，該觀測井井水為沿彌勒—師宗斷裂帶上涌的深循環地下熱水與淺層基巖裂隙承壓水的混合水，井水溫度隨深度逐漸升高，表現為正梯度。該觀測井數字化、輔助測項齊全，陸續開展了水位、水溫、氣氡、氣汞、水汞、流量、水電流、氦氣、氣溫、氣壓、降水量等十幾個模擬觀測和數字化觀測項目。

22對比觀測儀器布置

在同一井孔的相同觀測深度，同時放置3套獨立測汞儀進行連續對比觀測，見圖1。從圖1中可以看出，兩套數字化智能測汞儀沿用以往氣路觀測方式，并列連接在“九五”SD-3測氡儀的排氣口上，測氡儀不抽氣，只是作為通氣管路使用；ATG-6138M型痕量汞在線自動分析儀為在井口下方新鋪設的一條單獨管路，與兩套數字化智能測汞儀形成并聯模式。為了避免3套測汞儀同時抽氣對彼此的測量值造成影響，3套儀器的抽氣開始時間先后間隔5 min，以保證足夠的氣量。3套測汞儀采樣率設置相同，均為1次/h。

3觀測數據及儀器參數對比分析

31觀測數據分析

對2015年4月11日至5月20日3套測汞儀的整點值觀測數據曲線進行對比分析。由圖2可見，DFG-B型和RG-BQZ型數字化智能測汞儀的測值變化幅度較大，觀測數據曲線均有較大的突跳或起伏，且形成較多毛刺，觀測數據曲線動態規律性不強。而ATG-6138M型痕量汞在線自動分析儀觀測數據曲線可以看到明顯的日變形態，且無毛刺。由此可見，DFG-B型和RG-BQZ型數字化智能測汞儀的數據質量和觀測穩定性較ATG-6138M型痕量汞在線自動分析儀差。從圖中還可以看出，在2015年4月25日尼泊爾MS81大地震前后，ATG-6138M型痕量汞在線自動分析儀清晰地記錄到了同震變化，這也是國內首次觀測到了地下流體汞的同震效應，而DFG-B型和RG-BQZ型數字化智能測汞儀未能記錄到同震響應，也進一步證實了ATG-6138M型痕量汞在線自動分析儀比DFG-B型和RG-BQZ型數字化智能測汞儀靈敏度更高，且痕量汞還能記錄到地震波引起的深部流體中汞含量變化的異常信息。

32儀器參數對比分析

測汞儀的主要技術指標和參數能夠反映該臺儀器性能優劣，主要包括儀器的檢出限、靈敏度、精密度、穩定度和準確度等。根據出廠時主要技術指標和參數標準對比，ATG-6138M 型痕量汞在線自動分析儀的檢出限、靈敏度比DFG-B型和RG-BQZ型數字化智能測汞儀高出一個數量級。

進一步對這3套測汞儀的觀測數據進行數學處理，一方面利用軟件對兩個多月的觀測整點值進行一階差分分析，如圖3所示；另一方面計算觀測日均值的標準偏差，DFG-B型和RG-BQZ型數字化智能測汞儀的日均值標準偏差分別為0023和0102，而ATG-6138M 型痕量汞在線自動分析儀的日均值標準偏差為0008。通過對觀測數據做差分分析，并結合計算出的標準偏差結果不難看出，DFG-B型和RG-BQZ型數字化智能測汞儀觀測數據的離散程度較ATG-6138M 型痕量汞在線自動分析儀的離散程度大，尤其RG-BQZ型數字化智能測汞儀的日均值標準偏差達到了0102，其測值較為分散，表現出較多大的突跳。而ATG -6138M 型痕量汞在線自動分析儀的測值相對集中，觀測數據曲線平滑，沒有大的突跳、毛刺，呈現出日變動態。

33動力加載作用信息分析

2015年4月25日尼泊爾MS81大地震，彌勒彌東哨井的水位、水溫、痕量汞清晰記錄到了階變上升的同震響應，如圖4所示。水位從3282 m上升至3843 m后到達井口，直至溢出，水溫升高了01 ℃，氣汞上升了009 ng·L-1。但是DFG-B型和RG -BQZ型數字化智能測汞儀卻未能記錄到同震響應。尼泊爾 MS81大地震后，該井水位一直上升，并從井口上方逸出，4月26日臺站人員不得不人為加大了泄流口的泄流量，導致水位急劇下降；由于人為干擾泄流口流量，水位的下降引起了水溫、汞的同時刻急劇變化。

對于水位、水溫同震響應機理，前人已有一定的研究。水位同震變化可分為振蕩和階變（包括上升和下降），均是地震波與含水層交互作用的結果，即含水層對地震波的彈性響應（楊竹轉等，2010，2007，2012）。水溫的同震效應，有上升和下降變化，但沒有觀測到振蕩現象。目前水溫下降響應居多，主要歸為冷水下滲、氣體逸出說以及井內水體熱彌散效應3種觀點（繆阿麗等，2014；周紅艷等，2012）。劉耀煒等（2005）提出水位振蕩有可能導致上部冷水下泄，低溫水快速混入觀測含水層中，從而造成溫度下降。魚金子等（1997）觀察到水溫的同震突降是由于井水氣體的釋放造成的。陳大慶等（2007）建立氣泡脫逸模型，也指出在氣泡脫逸上升過程中，對外做功吸熱，以及氣泡本身攜帶熱量的散失最終導致地下水溫度下降。石耀霖等（2007）通過有限單元法模型計算，認為熱彌散效應是造成同震水溫變化的主要原因，后續的熱傳導作用可以解釋水溫的復原過程。對于水溫同震上升型，楊竹轉（2012）對一井多震的研究結果表明，水溫同震變化與水位變化關系密切，水位同震上升是水溫同震上升的直接原因，水溫探頭附近為隨深度增加的正梯度區，地震波過后井水沿斷層外泄減少，而含水層中的熱水繼續流向井內，井水位上升，溫度上升。綜觀前人的研究成果，各觀點的提出都是基于一定的觀測事實和分析方法，都具有其合理性，但各類機理只能解釋特定的觀測現象。無論從熱力學角度，還是水動力學角度等，都顯示出不同井同一含水層觀測系統對地震的同震響應特征各不相同，它主要受井孔及周邊介質的構造環境和水文地質條件影響，隨著井—含水層系統狀態的變化，響應特征也會不相同，同震響應機理十分復雜，也可能是不同機理綜合作用的結果。

在本次對比觀測試驗中，水位、水溫、汞記錄到的均為上升型的同震響應，結合前人井水位、水溫同震響應機理的研究經驗，筆者認為：彌勒彌東哨井水位、水溫、痕量汞的同震變化，可能是由于該井周圍介質的應力環境發生了一定程度的變化，當作用于井孔周圍介質的作用力使其發生塑（脆）性變形時，含水層介質的孔隙度發生了變化，從而導致含水層中的地下水進入井孔內，就出現了井水位的上升，同時深部含水層溫度較高的深循環地下熱水上涌，使水溫探頭測試的溫度同步上升；隨著深部含水層水的不斷上涌，把深部流體介質中的汞帶出，新型痕量汞儀器靈敏度較高，監測到了汞含量的異常變化，即同震上升響應。

4結論

通過對彌勒彌東哨井ATG-6138M 型痕量汞在線自動分析儀與DFG-B型和RG-BQZ型數字化智能測汞儀觀測數據的對比觀測實驗分析，得到以下認識：

（1）從儀器出廠時主要技術指標和參數標準對比及對儀器的實測數據進行數學處理結果可見，ATG-6138M型痕量汞在線自動分析儀檢出限高出DFG-B型和RG-BQZ型數字化智能測汞儀一個數量級單位，且ATG-6138M型痕量汞在線自動分析儀的測值較DFG-B型和RG-BQZ型數字化智能測汞儀的測值離散度小，儀器穩定性好。

（2）從觀測數據曲線上來看，ATG-6138M 型痕量汞在線自動分析儀可以看到明顯的規律性的日變形態，同時記錄到了尼泊爾MS81地震的同震變化，靈敏度較DFG-B型和RG-BQZ型數字化智能測汞儀高。

（3）結合前人對井水位、水溫的同震響應機理研究經驗，筆者認為：地震波使彌勒彌東哨井周圍介質的應力環境發生變化，含水層孔隙度改變，導致含水層中水進入井孔，水位上升；同時深部含水層水溫呈正梯度的水上涌，使水溫探頭測試的溫度同步上升；隨著深部含水層的水上涌，把深部流體介質中的汞帶出，汞濃度發生變化。