夏縣中心地震臺(tái)ATG-6138M型痕量汞儀觀測(cè)數(shù)據(jù)干擾因素分析

常 姣，張淑亮，李 民，薛 亮

(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，山西 太原 030021；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

汞測(cè)值作為一種地震短臨異常指標(biāo)，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[1]。汞具有極強(qiáng)的揮發(fā)性和穿透性，可以沿裂隙向地表擴(kuò)散，在土壤中形成吸收暈。深部條件下形成的汞蒸氣，在溫度和壓力的作用下，沿?cái)嗔哑扑閹Ш烷_(kāi)啟的孔隙裂隙向上滲透、遷移，是汞運(yùn)移的主要方式。根據(jù)汞的這種特點(diǎn)，在地震活動(dòng)區(qū)，不同介質(zhì)中汞的含量會(huì)比外圍地區(qū)高，對(duì)于各種介質(zhì)中的汞進(jìn)行定期和連續(xù)觀測(cè)，有可能了解地震孕育過(guò)程中汞的分布特征，從中找出地震前兆信息[2-3]。我國(guó)從20世紀(jì)80年代起開(kāi)始了汞與地震前兆的相關(guān)研究，在地震活動(dòng)過(guò)程中汞的空間異常分布特征不僅與震級(jí)、震中距有關(guān)，還與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)及震源與測(cè)點(diǎn)之間的介質(zhì)環(huán)境有關(guān)，華北地區(qū)汞異常時(shí)波及范圍較近，持續(xù)時(shí)間較短。土壤中氣汞量的動(dòng)態(tài)變化，可以較客觀地反映地殼深部斷裂構(gòu)造活動(dòng)的情況[4-5]，除此之外，研究人員對(duì)汞的地震前兆異常也進(jìn)行過(guò)分析[6-8]。王基華等人曾從地震短臨預(yù)報(bào)的角度對(duì)土壤中氣汞量測(cè)量影響因素進(jìn)行研究，提出影響因素識(shí)別和排除方法[9-10]。雖然汞含量觀測(cè)在地震預(yù)測(cè)研究中具有重要的價(jià)值，但由于汞的穿透性和揮發(fā)性極強(qiáng)，在觀測(cè)中勢(shì)必會(huì)受到各種因素的干擾而影響觀測(cè)質(zhì)量。目前對(duì)汞與地震之間關(guān)系研究比較多，對(duì)汞觀測(cè)過(guò)程中受到的影響因素涉及較少，特別是在山西地區(qū)。

2016年11月前，夏縣中心地震臺(tái)斷層氣汞含量觀測(cè)采用RG-BQZ智能測(cè)汞儀進(jìn)行測(cè)量，因儀器老化，11月臺(tái)站儀器更新改造，更換為ATG-6138M痕量汞在線分析儀(以下簡(jiǎn)稱測(cè)汞儀)，2017年1月1日正式投入觀測(cè)。目前已積累了近4年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，為開(kāi)展斷層氣汞干擾因素研究提供了條件。該文以夏縣中心地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱夏縣臺(tái))斷層氣汞觀測(cè)為例，對(duì)引起觀測(cè)數(shù)據(jù)顯著變化的各類干擾因素進(jìn)行分析，得出主要的干擾源以及不同干擾影響下的數(shù)據(jù)變化特征，為震情跟蹤工作的異?？焖僮R(shí)別提供參考依據(jù)。

1 臺(tái)站觀測(cè)背景及儀器概況

1.1 臺(tái)站觀測(cè)背景

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)，距離臺(tái)站約200 m(見(jiàn)第34頁(yè)圖1)。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，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2.5 m以下打有若干透氣小孔，集得7.5 m以下深處的氣體，在管子周?chē)褂没靥钔翂簩?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[11](見(jiàn)第34頁(yè)圖2)。

1.2 觀測(cè)儀器

ATG-6138M測(cè)汞儀采用納米級(jí)金膜傳感器技術(shù)，靈敏度較高，檢出限為5×10-4ng(汞)，適用溫度為(0～50)℃，濕度在10%～95%之間，可進(jìn)行氣汞的連續(xù)觀測(cè)。儀器測(cè)量時(shí)，其內(nèi)置氣泵抽取一定體積的樣品，通過(guò)金絲捕汞管富集吸收樣品中汞，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[12]。夏縣臺(tái)日常觀測(cè)采用每次測(cè)量富集時(shí)間8 min，流量設(shè)定330 ml/min，電調(diào)系數(shù)設(shè)定1 200左右。

圖1 夏縣臺(tái)周邊地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Geological structure map around Xiaxian station

圖2 夏縣臺(tái)斷層氣汞觀測(cè)孔簡(jiǎn)易圖Fig.2 A simplified diagram of the fault gas mercury observation hole at Xiaxian station

2 數(shù)據(jù)干擾因素分析

ATG-6138M測(cè)汞儀自2017年觀測(cè)以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)出觀測(cè)數(shù)據(jù)較為平穩(wěn)，具有一定規(guī)律的年周期變化，曲線呈明顯的夏高冬低的年變形態(tài)。對(duì)汞觀測(cè)數(shù)據(jù)跟蹤結(jié)果表明，氣象、環(huán)境、人為、儀器等多種因素均會(huì)對(duì)汞測(cè)值造成一定的影響。運(yùn)用與臺(tái)站觀測(cè)日志對(duì)比的方法，對(duì)不同干擾因素影響下觀測(cè)數(shù)據(jù)變化特征進(jìn)行如下分析。

2.1 氣象因素

將汞觀測(cè)數(shù)據(jù)與觀測(cè)日志對(duì)比發(fā)現(xiàn)，ATG-6138M測(cè)汞儀受溫度、降雨氣象因素影響較為明顯。

2.1.1 溫度影響

汞在常溫下具有明顯的蒸汽壓，且蒸汽壓力、蒸發(fā)速度和蒸汽濃度均隨溫度的升高而急劇增加，同某些金屬元素相比，具有較高的揮發(fā)能力。液態(tài)汞的蒸汽壓力、蒸發(fā)速度與絕對(duì)溫度(T)之間的關(guān)系為:

logPHg=7.913-3 162.505/T，logVHg=8.30-2 207.09/T。

在室溫條件下，每增加1度，飽和汞蒸汽濃度約增高9%左右，表明溫度與汞的測(cè)量結(jié)果密切相關(guān)[13]。夏縣臺(tái)痕量汞自觀測(cè)以來(lái)常年受氣溫影響明顯，當(dāng)溫度升高時(shí)，觀測(cè)數(shù)據(jù)升高，反之則下降，數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)與氣溫同步(見(jiàn)圖3)。

圖3 痕量汞與室溫日均值對(duì)比曲線Fig.3 Comparison curve between trace mercury and daily average value of room temperature

2.1.2 降雨干擾

汞數(shù)據(jù)自觀測(cè)以來(lái)受連續(xù)降雨干擾現(xiàn)象明顯。連續(xù)降雨，觀測(cè)室內(nèi)濕度增加，觀測(cè)氣體中含有水汽，水汽進(jìn)入捕汞管致使測(cè)值增大[14]。

每年6月、9月汞觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)臺(tái)階上升變化，經(jīng)調(diào)查，該現(xiàn)象與觀測(cè)儀器、觀測(cè)環(huán)境以及溫度無(wú)明顯關(guān)系，與當(dāng)?shù)亟涤炅康拇笮〈嬖诿黠@的關(guān)系。強(qiáng)降雨或連續(xù)降雨一般會(huì)造成汞值大幅度上升，幅度約0.003～0.001 ng/L，高于背景值約1～2倍(見(jiàn)第35頁(yè)圖4)。

2.2 觀測(cè)系統(tǒng)

ATG-6138M測(cè)汞儀因觀測(cè)汞濃度的不同而設(shè)定不同的富集時(shí)間。為獲取適合夏縣臺(tái)痕量汞觀測(cè)的富集時(shí)間，進(jìn)行下述實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)第35頁(yè)圖5)。

(1) 2018年12月在痕量汞儀器數(shù)據(jù)校準(zhǔn)與檢查后，富集時(shí)間設(shè)定1 min進(jìn)行觀測(cè)。結(jié)果顯示，觀測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，數(shù)據(jù)在0～0.021 8 ng/L范圍變化，均值約0.008 ng/L，較校準(zhǔn)前高約15倍。

圖4 痕量汞與降雨量觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比曲線Fig.4 Trace mercury and rainfall data comparison curve

(2) 2019年1月17日調(diào)整富集時(shí)間為8 min，觀測(cè)數(shù)據(jù)持續(xù)顯示在10-5～10-4ng/L數(shù)量級(jí)變化，測(cè)量值低于校準(zhǔn)前數(shù)據(jù)。

(3) 2019年2月13日調(diào)整富集時(shí)間為5 min，測(cè)得數(shù)據(jù)在0～0.003 ng/L范圍變化，高于富集時(shí)間為8 min的測(cè)值。

(4) 2019年2月25日恢復(fù)富集時(shí)間8 min，觀測(cè)數(shù)據(jù)也隨之恢復(fù)至正常背景。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明富集時(shí)間對(duì)痕量汞測(cè)值影響較大，富集時(shí)間不同，測(cè)值不同。夏縣臺(tái)痕量汞年變數(shù)據(jù)變化范圍為0～0.015 ng/L，宜選用富集時(shí)間8 min。

圖5 富集時(shí)間對(duì)痕量汞觀測(cè)影響Fig.5 The effect of enrichment time on the observation of trace mercury

2.3 人為干擾

(1) 儀器校準(zhǔn)。

汞測(cè)項(xiàng)每季度末要更換捕汞管進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，在第四季度校準(zhǔn)后還需進(jìn)行儀器檢測(cè)。ATG-6138M測(cè)汞儀正式投入運(yùn)行以來(lái)，在每次校準(zhǔn)結(jié)束后，觀測(cè)數(shù)據(jù)均會(huì)出現(xiàn)大幅臺(tái)階上升后再轉(zhuǎn)為趨勢(shì)下降，變幅0.001～0.01 ng/L，高于背景值約10～100倍，經(jīng)過(guò)幾至十幾天后，數(shù)據(jù)逐漸恢復(fù)至正常值(見(jiàn)圖6)。由于儀器穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，影響數(shù)據(jù)正常使用。為減少數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)間，每次新更換的捕汞管再使用時(shí)需手動(dòng)測(cè)量空氣至少5次，富集時(shí)間為1 min，直至數(shù)據(jù)降為0左右。除此之外，每次校準(zhǔn)完畢，還須按照上述操作程序清洗捕汞管，盡量減少氣路污染。

圖6 儀器校準(zhǔn)對(duì)痕量汞觀測(cè)影響Fig.6 The influence of instrument calibration on the observation of trace mercury

(2) 觀測(cè)人員進(jìn)出觀測(cè)室。

汞觀測(cè)裝置安放于觀測(cè)室門(mén)口，當(dāng)人員進(jìn)入觀測(cè)室，均會(huì)引起室內(nèi)溫度驟變，出現(xiàn)測(cè)值大幅變化。圖7為觀測(cè)人員進(jìn)入觀測(cè)室后引起的汞變化曲線，觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯單點(diǎn)突跳變化，變幅一般在0.000 5～0.005 ng/L，高于背景值約2～150倍。

圖7 人為干擾對(duì)痕量汞觀測(cè)影響Fig.7 The impact of human interference on the observation of trace mercury

3 結(jié)論與討論

對(duì)夏縣臺(tái)ATG-6138M測(cè)汞儀2017年以來(lái)觀測(cè)資料的分析，找出影響觀測(cè)數(shù)據(jù)正常動(dòng)態(tài)的干擾因素。其中溫度與降雨是主要因素，干擾形態(tài)表現(xiàn)為趨勢(shì)性年變和臺(tái)階變化；觀測(cè)系統(tǒng)主要受觀測(cè)富集時(shí)間設(shè)定的影響，富集時(shí)間越長(zhǎng)數(shù)據(jù)越小，穩(wěn)定性越好，反之越差，根據(jù)年變幅確定適宜的富集時(shí)間為8 min；人為干擾主要為校準(zhǔn)儀器造成的臺(tái)階上升再轉(zhuǎn)為趨勢(shì)下降，恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。當(dāng)觀測(cè)人員進(jìn)出觀測(cè)室會(huì)引起室內(nèi)溫度驟變，觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯突跳變化。

分析日常資料時(shí)，為獲取觀測(cè)對(duì)象較為真實(shí)的變化，需要識(shí)別并去除觀測(cè)曲線中的干擾。不同臺(tái)站、不同觀測(cè)系統(tǒng)裝置對(duì)于不同干擾會(huì)出現(xiàn)不同程度的反應(yīng)[15-16]。雖然，該文對(duì)痕量汞觀測(cè)的干擾因素進(jìn)行了分析，但如何正確判別干擾與震兆工作尚未開(kāi)展，需采用定量分析的方法對(duì)異常原因進(jìn)行深入的研究，提高其在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中的作用。