沂水臺(tái)RG-BS水汞觀測(cè)儀使用與維護(hù)探討

劉海剛　王西寶　胡子超　閆萬(wàn)曉　公續(xù)升　杜德凱

摘? 要：水汞觀測(cè)是我國(guó)地震地下流體中最基本的項(xiàng)目之一。通過(guò)總結(jié)RG-BS水汞觀測(cè)儀的使用方法、試驗(yàn)試劑配制使用，分析影響水汞觀測(cè)數(shù)據(jù)的因素。對(duì)日常工作中所遇到的儀器故障等各種問(wèn)題進(jìn)行梳理，找出解決問(wèn)題的方法，排除故障，保證儀器正常運(yùn)行，生產(chǎn)出準(zhǔn)確、可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：RG-BS水汞觀測(cè)? 干擾因素? 故障分析

中圖分類號(hào)：P315 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）09（a）-0039-04

近年來(lái)觀測(cè)資料和震例表明，水汞作為一項(xiàng)短臨預(yù)報(bào)指標(biāo)，是地下流體預(yù)報(bào)地震的重要組成部分，一直備受各國(guó)地震專家學(xué)者的重視。但是由于汞元素在地下水中含量很少，并且在具體的檢測(cè)過(guò)程中環(huán)節(jié)較為復(fù)雜，受到的干擾因素也相對(duì)較多。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)在實(shí)際操作中，實(shí)驗(yàn)試劑的配制、觀測(cè)環(huán)境的變化、儀器的觀測(cè)精度及儀器是否正常運(yùn)行都對(duì)汞量觀測(cè)的準(zhǔn)確度有著直接的影響。

RG-BS水汞觀測(cè)儀的投入使用使得水汞觀測(cè)有了更大的跨越，因此在工作中掌握水汞儀器的工作原理、使用方法，做好儀器的維護(hù)保障工作，生產(chǎn)出連續(xù)可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

1? 沂水臺(tái)觀測(cè)點(diǎn)簡(jiǎn)介以及水汞觀測(cè)儀工作原理

1.1 沂水臺(tái)觀測(cè)點(diǎn)簡(jiǎn)介

沂水地震臺(tái)地處丘陵地區(qū)，臺(tái)基巖性為灰?guī)r，周圍為居民區(qū)，環(huán)境較好，無(wú)較大干擾源。在構(gòu)造上處在沂沭斷裂帶北段，東距沂水-湯頭主干斷裂僅1km，現(xiàn)在的觀測(cè)手段主要有測(cè)震、水化、形變、深井水位、水溫等。

水汞觀測(cè)所采取的水樣采自于沂水六和泉，該泉位于沂水-湯頭斷裂帶東測(cè)，為自流泉，泉東為太古界片麻巖，泉西為白堊系王氏組頁(yè)巖。地形東高西低，處在北西向的自然沖溝內(nèi)，為風(fēng)化殼內(nèi)裂隙水，水質(zhì)型為亞碳酸、硫酸—鈣鎂型，是理想的采取水樣的井點(diǎn)。

1.2 RG-BS水汞觀測(cè)儀日常故障

RG—BS型智能數(shù)字測(cè)汞儀的工作原理是根據(jù)基態(tài)汞原子對(duì)汞燈的特征輻射光選擇吸收的冷蒸汽原子吸收分析方法工作。該方法的原理是，被測(cè)元素（汞）的基態(tài)原子蒸汽同種元素（低壓汞燈）發(fā)射的253.7A特征輻射光選擇吸收，在一定濃度范圍內(nèi)，均勻吸收介質(zhì)中透射光的強(qiáng)度和基態(tài)原子濃度的關(guān)系服從朗伯-比爾定律，即

I=I0e-KvLC? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式（1）中，I為透射光強(qiáng)度;I0為入射光強(qiáng)度;K為吸收系數(shù);L為吸收層長(zhǎng)度;C為基態(tài)汞原子濃度。整理上式可得：

C=KA，A=log I0/I=logl/T? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式（2）中，A為吸光度;T為透光率（T=I/I0）;K為比例系數(shù)（K=2.3/Kv·L）。上式表明，吸收室中汞原子濃度與吸光度成正比，若K值確定，測(cè)量吸光度即可得到汞原子濃度值[1]。

2? 化學(xué)試劑對(duì)水汞觀測(cè)值的影響分析

2.1 RG-BS水汞觀測(cè)儀觀測(cè)所需試劑以及配制

在水汞觀測(cè)中需要多種試劑，幾種試劑相互反應(yīng)，缺一不可。觀測(cè)水樣在消解及還原過(guò)程中需要的化學(xué)試劑有：濃硫酸（98%H2SO4）、5%高錳酸鉀溶液（5%KMnO4）、5%草酸溶液（5%H2C2O4）、5%氯化亞錫（5%SnCl2）。

地震臺(tái)工作人員每天定時(shí)在取樣井點(diǎn)采取檢測(cè)水樣，在觀測(cè)前要把觀測(cè)樣本進(jìn)行還原。配制過(guò)程如下：首先量取50mL水樣，分別加入0.5mL 5%的高錳酸鉀和1.25mL的濃硫酸作為保護(hù)劑，再加入1.5mL 5%的草酸溶液輕輕晃動(dòng)，靜止約20nim直至水樣由紅色變?yōu)闊o(wú)色。向還原器中加入10mL經(jīng)還原的無(wú)色水樣，然后再加入2.5mL 5%的氯化亞錫溶液。

2.2 觀測(cè)中化學(xué)試劑對(duì)水汞數(shù)值的影響分析

2.2.1 濃硫酸（98%H2SO4）

觀測(cè)水樣在取后加入濃硫酸（98%H2SO4）的目的是，將水樣中的低價(jià)汞變?yōu)楦邇r(jià)汞，保護(hù)水樣中的汞含量[2]。

量取50mL蒸餾水，加入不同生產(chǎn)廠家、批次的1.25mL濃硫酸（分析純）進(jìn)行試驗(yàn)分析，其他試劑量以及觀測(cè)環(huán)境、觀測(cè)條件均保持不變，按照觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，使用不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的濃硫酸所得試驗(yàn)結(jié)果差異很大，有的硫酸中含汞量很高，究其原因，不同廠家由于生產(chǎn)過(guò)程中采用的工藝水平、原材料來(lái)源不同等，從而使得各個(gè)廠家的產(chǎn)品所含汞量有差別。而因其不超過(guò)允許的雜質(zhì)含量，一般視為是合格產(chǎn)品，但是對(duì)汞這一對(duì)于微量元素的測(cè)定，造成了干擾。

2.2.2 高錳酸鉀溶液（5%KMnO4）

水樣中加入5%KMnO4汞保護(hù)劑的目的是將水中的汞離子和KMnO4分解形成的二氧化錳共沉淀，汞被富集在固定氧化物中而不宜揮發(fā)，并破壞水中大還原菌，達(dá)到保護(hù)水中汞的目的。

各量取50mL蒸餾水，加入不同劑量的同一生產(chǎn)廠家5%KMnO4溶液，其他試劑量以及觀測(cè)環(huán)境、觀測(cè)條件均保持不變，按照觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2中可以看出，隨著所加高錳酸鉀試劑量的增大，觀測(cè)出的汞的含量沒(méi)有明顯變化，基本可以排除高錳酸鉀試劑對(duì)水汞觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響。同時(shí)需注意，在配制5%KMnO4溶液時(shí)，必須完全溶解，在每次加樣時(shí)須手搖，以便沉淀物能重新溶解。

2.2.3 氯化亞錫溶液（5%SnCl2）

SnCl2是一種還原劑，具有較強(qiáng)的還原性，其能將還原器中的高價(jià)汞以及其他化合價(jià)的汞還原為零價(jià)汞。而在配制5%SnCl2時(shí)需用1MH2SO4作為溶劑，同時(shí)因?yàn)?%SnCl2試劑具有不穩(wěn)定行，在與空氣接觸中被氧化為不溶性的鋁氯氧化物，故需要在冰箱中低溫保存，并且使用周期不能超過(guò)15d。

各量取50mL蒸餾水，加入不同劑量的同一生產(chǎn)廠家5%SnCl2溶液，其他試劑量以及觀測(cè)環(huán)境、觀測(cè)條件均保持不變，按照觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

如表3所示，所測(cè)汞含量隨著5%SnCl2劑量的增加略有變化，但此汞量變化是在誤差范圍內(nèi)，屬于系統(tǒng)誤差。因?yàn)槠淙芤涸谂渲茣r(shí)采用了1MH2SO4作為溶劑，而硫酸中存在汞，引起變化的主要原因還是硫酸中的汞本底含量。

3? 觀測(cè)環(huán)境及條件對(duì)水汞觀測(cè)數(shù)值的影響分析

3.1 觀測(cè)室溫度的變化對(duì)水汞觀測(cè)數(shù)據(jù)影響

汞在常溫下是以液態(tài)形式存在，具有蒸發(fā)性，其蒸發(fā)速度、蒸汽濃度會(huì)隨著氣溫的上升而增加。

通過(guò)對(duì)2012年全年以及2013年1～9月份的水汞數(shù)據(jù)和觀測(cè)室溫度做相關(guān)分析，結(jié)果如圖1所示。

通過(guò)圖1可知，通過(guò)分析觀測(cè)室溫度變化曲線和水汞觀測(cè)值變化曲線可知，二者具有同比變動(dòng)的關(guān)系，即水汞值和溫度成正相關(guān)。圖1中，在2012年5～10月和2013年5～9月隨著溫度的升高，水汞觀測(cè)值也比其他月份溫度低的月份高。這說(shuō)明水汞觀測(cè)值隨著溫度的升高而升高，故在實(shí)際操作中應(yīng)該嚴(yán)格控制觀測(cè)室的溫度變化，以確保觀測(cè)數(shù)值的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.2 觀測(cè)室的氣壓變化對(duì)水汞觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響

大陸氣壓一般表現(xiàn)為冬季高，夏季最低，而海洋相反。

通過(guò)對(duì)2012年全年以及2013年1～9月份的水汞數(shù)據(jù)和觀測(cè)室氣壓做相關(guān)分析，結(jié)果如圖2所示。

由圖2（a）曲線可知，氣壓的年動(dòng)態(tài)變化呈現(xiàn)夏低冬高趨勢(shì);對(duì)溫度和水汞觀測(cè)值可知，水汞觀測(cè)值呈現(xiàn)為夏高冬低。由此可知?dú)鈮号c水汞觀測(cè)值沒(méi)有特殊關(guān)聯(lián)性，其主要收到室溫的影響，所以控制室溫可以減少汞值的波動(dòng)，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

4? RG-BS水汞觀測(cè)儀的檢查、標(biāo)定和常見故障

4.1 RG-BS水汞觀測(cè)儀的檢查、標(biāo)定

RG-BS水汞觀測(cè)儀在使用過(guò)程中需每個(gè)季度做一次檢查和標(biāo)定，以保證儀器的準(zhǔn)確度和精密度。主要技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)能夠反映該臺(tái)儀器性能優(yōu)劣，檢查和標(biāo)定包括儀器的檢出限、靈敏度、精密度、穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度。

檢出限指儀器信號(hào)（在測(cè)量汞的情況下是指由汞所引起的儀器響應(yīng)）的檢出下限。精密度指的是測(cè)量值的隨機(jī)不確定性，即各次測(cè)量值之間互相接近的程度，用統(tǒng)計(jì)測(cè)量結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。穩(wěn)定度指儀器的讀數(shù)隨時(shí)間的穩(wěn)定程度，用零點(diǎn)漂移表示。準(zhǔn)確度是測(cè)定值和理論值之間的符合程度，一般要求l實(shí)測(cè)值l—l理論值l≤理論值的10%，用實(shí)測(cè)誤差表示[3]。

地震臺(tái)工作人員嚴(yán)格按照規(guī)范要求，每個(gè)季度對(duì)RG-BS測(cè)汞儀進(jìn)行檢查和標(biāo)定，2013年讀RG-BS型測(cè)汞儀的各項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果及標(biāo)定儀器K值如表4所示。

對(duì)比儀器測(cè)汞儀出廠時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)和參數(shù)，可知儀器實(shí)測(cè)的各項(xiàng)參數(shù)和指標(biāo)都在儀器誤差允許的范圍之內(nèi)，故此臺(tái)儀器保持在一個(gè)較好的狀態(tài)，觀測(cè)到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備可靠。

4.2 RG-BS水汞觀測(cè)儀常見故障分析

經(jīng)過(guò)多年的使用，沂水臺(tái)工作人員對(duì)在日常工作中遇到的儀器故障進(jìn)行了歸納總結(jié)，主要有以下幾方面。

（1）電爐電阻絲斷裂。在水汞的日常觀測(cè)過(guò)程中，捕汞管經(jīng)過(guò)鼓泡后，在測(cè)量時(shí)需要通過(guò)電爐加熱，而加熱所需的電爐是用的電阻絲。電阻絲經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的加熱后，容易老化、斷裂，使得儀器不能正常工作，所以要及時(shí)更換電爐電阻絲，保證觀測(cè)的正常進(jìn)行。

（2）測(cè)量時(shí)儀器透過(guò)率變動(dòng)過(guò)快。在觀測(cè)時(shí)儀器的透過(guò)率保持穩(wěn)定是汞量正常測(cè)量的重要保證。在日常工作中，透過(guò)率會(huì)在段時(shí)間內(nèi)變?yōu)榱慊蛘呤秋@示為EEE，使得觀測(cè)不能正常進(jìn)行。在這種情況下，可以通過(guò)重啟儀器來(lái)調(diào)節(jié)，或者是在測(cè)量時(shí)旋轉(zhuǎn)透過(guò)率調(diào)節(jié)器，使其保證透過(guò)率的穩(wěn)定性。

（3）儀器的重測(cè)樣一致性不穩(wěn)定。如果測(cè)量的主樣和副樣之間數(shù)據(jù)相差較大，那么就表明其一致性不穩(wěn)定。造成觀測(cè)樣之間的一致性不好，可能是與儀器的觀測(cè)氣路汞污染或儀器性能有關(guān)。因?yàn)槲降墓跍囟取饬?、濕度等條件變化下，釋放的汞量不一致，使得測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大誤差，因此要及時(shí)清洗或者更換膠管。

5? 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析影響水汞觀測(cè)質(zhì)量的因素發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)。

（1）觀測(cè)環(huán)境尤其是觀測(cè)室溫度的變化會(huì)影響水汞觀測(cè)數(shù)據(jù)。

（2）水汞觀測(cè)受試驗(yàn)試劑的影響較大，盡量選擇含汞量少的濃硫酸，試劑需定期配制更換，加入的試劑必須準(zhǔn)確、定量。

（3）通過(guò)定期對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定和檢查可以使儀器的狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，減少系統(tǒng)誤差。

（4）通過(guò)匯總?cè)粘９ぷ髦械膬x器故障，找出問(wèn)題解決辦法，確保儀器的正常運(yùn)行，可以使地震分析預(yù)報(bào)人員更好地工作，保證水汞觀測(cè)數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1] 車用太，陳建明.地震地下流體觀測(cè)技術(shù)[M].北京：地震出版社，1995：150-165.

[2] 魏家珍，申春生，劉升禮.汞量測(cè)量方法講義[R].國(guó)家地震局科技監(jiān)測(cè)司，1992.

[3] 陳其峰，趙杰峰，魏汝慶.水汞觀測(cè)資料對(duì)比分析[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2011，32（4）：111-114.