夏縣中心地震臺(tái)兩臺(tái)測(cè)汞儀觀測(cè)對(duì)比分析

常 姣，李曉銳，楊 靜，劉國(guó)俊，李 民

(1.山西省地震局夏縣中心地震臺(tái)，山西 夏縣 044400；2.山西省地震局臨汾中心地震臺(tái)，山西 臨汾 041000；3.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

0 引言

汞元素在揭示斷裂帶流體與地震孕育發(fā)生的關(guān)系中發(fā)揮了重要作用[1]。在流體的攜帶或者壓力梯度作用下，汞易沿地殼破碎帶及巖石的裂隙、孔隙向上遷移擴(kuò)散，沿著斷裂或巖石裂隙向地表遷移，在斷裂帶上方形成巖石、土壤和地下水中汞濃度異常，由此汞在地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)和活斷層探測(cè)方面得到廣泛應(yīng)用[2-3]。汞作為一種敏感的地震短臨異常指標(biāo)，其觀測(cè)數(shù)據(jù)在地震前會(huì)出現(xiàn)不同程度的異常變化，尤其在短臨預(yù)報(bào)方面有著重要作用[4-5]。我國(guó)從20世紀(jì)80年代開始了汞與地震前兆的相關(guān)研究，目前，主要觀測(cè)斷裂帶井(泉)水、井口逸出氣和斷層帶土壤氣中的汞濃度。

夏縣中心地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱夏縣臺(tái))斷層氣汞測(cè)量屬“十五”項(xiàng)目，采用RG-BQZ智能測(cè)汞儀(以下簡(jiǎn)稱RG-BQZ)進(jìn)行測(cè)量，于2008年1月1日正式觀測(cè)。觀測(cè)以來(lái)，多次因標(biāo)定后數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅突跳，觀測(cè)曲線無(wú)明顯年變形態(tài)，分析原因可能與標(biāo)定過程汞源污染有關(guān)(見圖1)。為進(jìn)一步提高該測(cè)項(xiàng)的監(jiān)測(cè)能力，2016年11月臺(tái)站在同一測(cè)點(diǎn)新增一臺(tái)ATG-6138M痕量汞在線分析儀(以下簡(jiǎn)稱ATG-6138M)，與RG-BQZ進(jìn)行同步對(duì)比觀測(cè)。

圖1 RG-BQZ型氣汞觀測(cè)曲線圖Fig.1 RG-BQZ gas mercury observation curve

1 觀測(cè)資料與儀器

1.1 觀測(cè)臺(tái)站

夏縣臺(tái)地質(zhì)構(gòu)造上處于山西南部中條山北麓的山前斷裂帶上。中條山山前大斷裂為控制運(yùn)城盆地的主要構(gòu)造，氣汞觀測(cè)取氣孔布設(shè)在中條山山前大斷裂與NW向隱狀斷裂交匯處的夏縣溫泉地?zé)岙惓^(qū)，觀測(cè)孔設(shè)在臺(tái)站山洞洞口觀測(cè)室內(nèi)，距臺(tái)站約200 m(見第14頁(yè)圖2)。

圖2 夏縣臺(tái)周邊地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.2 Geological structure around Xiaxian station

氣汞觀測(cè)孔設(shè)在臺(tái)站山洞洞口觀測(cè)室內(nèi)，測(cè)孔深度為8.6 m，直徑為0.8 m，底部使用磚塊砌成倒漏斗狀收集氣體，導(dǎo)氣管采用PVC管材，用長(zhǎng)度為8.0 m、直徑160 mm和長(zhǎng)度1.5 m、直徑40 mm的PVC管進(jìn)行變徑連接，深部為粗管，上部為細(xì)管，利于集氣，并在底部1.5 m以下打有若干透氣小孔，收集7.5 m以下深處的氣體，在管子周圍使用回填土壓實(shí)即可，由一根細(xì)導(dǎo)管連接儀器進(jìn)氣口，集氣裝置的氣體靜容積約1.4 m3[6](見圖3)。

圖3 夏縣臺(tái)斷層氣觀測(cè)孔地質(zhì)剖面圖Fig.3 Geological profile of fault gas observation hole in Xiaxian station

1.2 觀測(cè)儀器

RG-BQZ測(cè)汞儀用汞齊化作用，采用金絲捕汞管富集汞，熱解析后用冷原子吸收法測(cè)定汞量。該儀器精確度為3%，檢出限為0.008 ng(汞)，靈敏度為0.008 ng(汞)，基線穩(wěn)定度0.000 8～0.001 ng/30 min，儀器適用溫度為10 ℃～40 ℃。測(cè)量富集時(shí)間1 min，流量為1 L/min。

ATG-6138M測(cè)汞儀采用納米級(jí)金膜傳感器技術(shù)，運(yùn)行時(shí)，其內(nèi)置氣泵抽取一定體積的樣品，通過金絲捕汞管富集吸收樣品中的汞，靜置1 min，加熱將捕集的汞蒸氣約30 s內(nèi)釋放出來(lái)，被黃金薄膜傳感器測(cè)定，得出最終汞濃度[7]。ATG-6138M靈敏度較高，檢出限為5×10-4ng(汞)，可進(jìn)行氣汞的連續(xù)觀測(cè)，儀器適用溫度為0～50 ℃，濕度在10%～95%之間。ATG-6138M采用每次測(cè)量富集8 min，流量約330 mL/min。

1.3 觀測(cè)條件

在同一觀測(cè)孔內(nèi)，利用三通將送氣管分流連接RG-BQZ和ATG-6138M測(cè)汞儀，進(jìn)行井孔內(nèi)氣汞的連續(xù)觀測(cè)(見圖4)。其中，RG-BQZ與ATG-6138M相差半小時(shí)采樣，兩套儀器采樣互不影響。

圖4 夏縣臺(tái)斷層氣汞觀測(cè)孔簡(jiǎn)易圖Fig.4 Simple diagram of fault gas mercury observation hole in Xiaxian station

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 儀器運(yùn)行情況對(duì)比

利用《中國(guó)地震評(píng)價(jià)系統(tǒng)2011版》軟件對(duì)RG-BQZ與ATG-6138M兩臺(tái)儀器2017年觀測(cè)資料逐月進(jìn)行計(jì)算，得出儀器運(yùn)行效率及曲線內(nèi)在質(zhì)量(見第16頁(yè)表1)。結(jié)果表明，RG-BQZ與ATG-6138M兩臺(tái)儀器運(yùn)行效率相當(dāng)，對(duì)比相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差與超標(biāo)個(gè)數(shù)結(jié)果顯示，ATG-6138M測(cè)汞儀數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量較好。

2.2 觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2.2.1 斷層氣觀測(cè)結(jié)果對(duì)比

如第16頁(yè)圖5所示，RG-BQZ與ATG-6138M兩臺(tái)儀器的并行觀測(cè)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果偏差較大，曲線的變化趨勢(shì)也不一致。RG-BQZ數(shù)據(jù)呈多點(diǎn)突跳變化，測(cè)值變化范圍為0.008～1.68 ng/L；ATG-6138M數(shù)據(jù)與儀器自記溫度呈正相關(guān)性，變化范圍為0.005～0.016 ng/L。因兩臺(tái)儀器每次測(cè)量抽取氣體體積不同，轉(zhuǎn)換系數(shù)相差約3倍左右，分析數(shù)據(jù)變化不一致可能與此有關(guān)。

2.2.2 觀測(cè)室汞含量觀測(cè)對(duì)比

2017年8月15日，氣汞觀測(cè)氣路不慎斷開長(zhǎng)達(dá)20 d，實(shí)測(cè)為室內(nèi)汞蒸氣含量，因之前對(duì)觀測(cè)氣路進(jìn)行過保溫，考慮到保溫材料中帶有刺鼻味，經(jīng)查詢可能是酚醛泡沫，原料加工時(shí)會(huì)經(jīng)工業(yè)處理易含有汞。因此，測(cè)量值偏大可能是因?yàn)楸夭牧现泻?。如?6頁(yè)圖6所示，在此期間，ATG-6138M測(cè)汞儀數(shù)據(jù)明顯呈大幅突跳變化，重新連接氣路，數(shù)據(jù)恢復(fù)；RG-BQZ測(cè)汞儀數(shù)據(jù)則無(wú)明顯變化。

2.2.3 相對(duì)偏差計(jì)算結(jié)果對(duì)比

針對(duì)RG-BQZ與ATG-6138M兩臺(tái)儀器測(cè)值的不同情況，依次對(duì)兩臺(tái)儀器進(jìn)行準(zhǔn)確性分析，分別向兩臺(tái)儀器注入100 μL汞進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量參數(shù)與日常自動(dòng)測(cè)量相同，按照如下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：飽和汞密度為汞發(fā)生器中自動(dòng)記錄；RG-BQZ流量為1 L/min；富集時(shí)間1 min；ATG-6138M流量為330 mL/min；富集時(shí)間8 min。理論濃度由公式計(jì)算得出，相對(duì)偏差即為理論濃度與實(shí)測(cè)濃度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。由第17頁(yè)的檢測(cè)結(jié)果表2看出，ATG-6138M較RG-BQZ相對(duì)偏差較小。

2.2.4 儀器參數(shù)對(duì)比

測(cè)汞儀的主要技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)能夠反映該臺(tái)儀器性能優(yōu)劣，主要包括儀器的檢出限、靈敏度、精密度、穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度等。兩臺(tái)儀器出廠時(shí)主要技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)如第17頁(yè)表3所示。ATG-6138M型痕量汞在線自動(dòng)分析儀的檢出限比RG-BQZ型數(shù)字化智能測(cè)汞儀高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，因兩臺(tái)儀器校準(zhǔn)參數(shù)計(jì)算方法不同，其余校準(zhǔn)參數(shù)不易比較。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

通過對(duì)夏縣臺(tái)ATG-6138M與RG-BQZ兩臺(tái)測(cè)汞儀對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論與認(rèn)識(shí)。

(1) 根據(jù)兩臺(tái)儀器2017年斷層氣汞觀測(cè)結(jié)果以及運(yùn)行率、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差等內(nèi)在質(zhì)量對(duì)比分析結(jié)果，認(rèn)為ATG-6138M測(cè)汞儀性能明顯優(yōu)于RG-BQZ智能測(cè)汞儀。

(2) 斷層氣、空氣中汞量對(duì)比觀測(cè)結(jié)果顯示，ATG-6138M測(cè)汞儀數(shù)據(jù)較為靈敏。

(3) 注入已知?jiǎng)┝抗磳?shí)驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論測(cè)值對(duì)比結(jié)果，ATG-6138M測(cè)汞儀數(shù)據(jù)相對(duì)偏差較小。

(4) 上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及兩臺(tái)儀器同步觀測(cè)結(jié)果不一致的原因可能有以下幾點(diǎn)：①兩臺(tái)儀器觀測(cè)原理不同，數(shù)據(jù)計(jì)算方法不同。RG-BQZ測(cè)汞儀用冷原子吸收法，利用金汞齊作用，采用金絲捕汞管富集汞，熱解析后用冷原子吸收法測(cè)定汞量；ATG-6138M測(cè)汞儀采用納米級(jí)金膜傳感器技術(shù)，氣體富集在捕汞管，加熱將捕集的汞蒸氣瞬時(shí)釋放出來(lái)，被黃金薄膜傳感器測(cè)定，測(cè)得汞量[8]。②氣路進(jìn)氣口粗細(xì)不同可能導(dǎo)致儀器測(cè)量數(shù)據(jù)不同(見第17頁(yè)圖7)，兩臺(tái)儀器連接管路在三通口后粗細(xì)有所差異，因連接管路是橡膠管，可能會(huì)吸附氣體，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)不同。③采樣方式不同，采氣量不同，RG-BQZ測(cè)量時(shí)富集1 min，流量為1 L/min；ATG-6138M采用每次測(cè)量富集8 min，流量約330 mL/min?？偛蓺饬坎煌?，RG-BQZ一次采集1 L氣量，ATG-6138M采集約2.4 L，轉(zhuǎn)換系數(shù)相差約3倍左右，分析認(rèn)為數(shù)據(jù)變化不一致可能與此有關(guān)。

表1 RG-BQZ與ATG-6138M儀器參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of instrument parameters between RG-BQZ and ATG-6138M

圖5 RG-BQZ與ATG-6138M測(cè)汞儀觀測(cè)曲線對(duì)比Fig.5 Observation comparison curve of RG-BQZ and ATG-6138M mercury meter

圖6 RG-BQZ與ATG-6138M測(cè)汞儀觀測(cè)曲線對(duì)比Fig.6 Observation comparison curve of RG-BQZ and ATG-6138M mercury meter

(5) ATG-6138M測(cè)汞儀觀測(cè)較為穩(wěn)定，測(cè)試過程中未見明顯的數(shù)據(jù)突跳現(xiàn)象。由于儀器使用時(shí)間較短，還需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)數(shù)據(jù)積累和較大范圍的儀器試驗(yàn)，才能更好地確定該儀器的性能指標(biāo)。

表2 RG-BQZ與ATG-6138M測(cè)汞儀觀測(cè)對(duì)比測(cè)定表Table 2 Observation comparison of RG-BQZ and ATG-6138M mercury meter

圖7 氣汞觀測(cè)裝置氣路圖Fig.7 Gas circuit diagram of gas mercury observation device