DFG-B測汞儀與ATG-6138M測汞儀對比觀測結果分析1

郭麗爽 劉耀煒 張 磊 丁風和 梁 瑩

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DFG-B測汞儀與ATG-6138M測汞儀對比觀測結果分析1

郭麗爽1）劉耀煒1）張 磊1，2）丁風和3）梁 瑩3）

1）中國地震局地殼應力研究所，地殼動力學重點實驗室，北京 100085?2）中國地震局地球物理研究所，北京 100081?3）內蒙古自治區地震局，呼和浩特 010010

為了核實赤峰1號井2014年初氣汞異常現象，安裝ATG-6138M測汞儀與原DFG-B測汞儀進行對比觀測。ATG-6138M測汞儀觀測到赤峰1號井房內空氣汞濃度明顯高于井孔內逸出汞濃度，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逸出氣汞濃度結果表明，ATG-6138M測汞儀測試結果穩定，動態清晰，而DFG-B測汞儀觀測誤差較大。對比DFG-B測汞儀與ATG-6138M測汞儀校準結果認為，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測汞儀存在環境汞污染和儀器老化等因素，且集氣裝置不符合地震行業標準技術要求，2014年初出現的氣汞濃度異常信度不高，不能作為與地震孕育有關的前兆異常信息。

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性質，我國從20世紀80年代起開始了汞與地震前兆的相關研究，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，我國汞觀測臺網是地震地下流體四大前兆臺網之一，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80或90年代研制的，大部分儀器老化嚴重，尤其是數字化觀測儀器的穩定性較差，嚴重影響到對汞濃度變化動態特征以及地震前兆信息的分析。近年來，由于國內外汞觀測技術在環境監測中的廣泛應用，基于光譜原理和齊金原理的高分辨率、高穩定性汞觀測儀器相繼研發成功，如俄羅斯Lumex RA915+塞曼效應測汞儀、意大利Milestone DMA-80和我國杭州超距科技有限公司生產的ATG-6138M測汞儀等，為分析低濃度汞的正常動態，獲取穩定性觀測數據提供了技術保障。如何使用穩定和靈敏的汞觀測儀分析汞異常資料，提高異常現場核實工作的科學性、準確性是目前地震監測預報工作中面臨的重要問題。

在2014年華北地震強化跟蹤工作中，內蒙古赤峰地震臺1號井逸出氣汞濃度出現高值異常（圖1），尤其是2014年2月9日到10日的2天時間內逸出氣汞濃度上升了1.824 ng/L，引起了相關部門的高度重視。為了現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）進行對比觀測，分析觀測儀器的穩定性和可靠性，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。井口內進行觀測的項目有數字氡、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測汞儀觀測數據（校準情況依據赤峰地震臺記錄）

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。觀測系統中的硅膠管的吸附作用、捕汞管的銹蝕、電壓穩定性、脫氣裝置等影響著儀器測值準確性和穩定性（張素欣等，2006；任佳等，2005）。DFG-B測汞儀以冷原子吸收技術為基礎，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行校準。目前觀測臺站使用的自制飽和汞蒸氣標準源，由于溫度測定的精度不夠，會造成對K值校準的誤差，而汞瓶內的液態汞泄露嚴重，會直接影響到氣汞儀器校準結果的客觀性和觀測結果的可靠性。

如今國內外測汞儀的測試技術和校準技術都取得了顯著的進展。例如，ATG-6138M是國家科技支撐計劃課題“基于數字化觀測技術的強震短臨預測關鍵技術研究（2012BAK19B02）”下屬專題“氫和汞傳感器技術研發和示范性應用（2012BAK19B02-06）”研發的地震觀測儀器，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，靈敏度較高，絕對檢出限優于5×10-4ng（汞），可進行氣汞的連續觀測，配置的鼓氣裝置可測量水中溶解汞的濃度，測試水汞的進氣流量約1.3L/min。使用計量部門認證的標準汞蒸氣發生裝置進行校準，可提高校準精度和準確度。

1.3 測試條件

在現場異常核實過程中，使用ATG-6138M測汞儀測試了井房外大氣和井房內空氣中汞的濃度，主要是為了檢驗井房內是否存在汞污染。隨后，利用三通將送氣管分流連接DFG-B和ATG-6138M測汞儀，進行井孔內氣汞的連續觀測。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的數據單位為ng/L，ATG-6138M的為ng/m3，根據國際氣體汞濃度慣用單位，以下將ng/L換算成ng/m3。

2 結果與討論

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，表明井房內存在較嚴重的汞污染。為了確定井房內汞的污染來源，經現場檢查，用于DFG-B儀器季度檢查和校準的自制液體汞保存在密封的塑料水杯中，杯蓋處打細孔用于抽取汞蒸氣，平時使用塑料膠布封閉細孔。自制汞源存放在離觀測井口約2m的金屬柜子里，現場檢查時汞源密封膠布脫落，經詢問觀測人員，證明當前汞瓶中的液態汞比2013年12月底校準時有明顯減少，推斷汞源中液態汞的揮發可能造成了井房內汞的污染。為了減少繼續對觀測井房的污染，異常現場核實過程中將汞源移走并重新進行密封。

2.2 井孔內逸出氣汞濃度

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

表1 ATG-6138M和DFG-B測汞儀對比數據

在觀測井房內，由于存在汞污染，汞的揮發與吸附作用與溫度密切相關（伍宗華等，1994）。ATG-6138M觀測的4月21日前的汞數據與室內溫度呈現出正相關性（圖3），當溫度升高時，附著的汞揮發到井房空氣中，導致ATG-6138M觀測數據的升高。4月21日后ATG-6138M測得的汞數據相對穩定，與室內溫度相關性較弱（圖3），可能與移走汞源后空氣和室內墻壁附著的汞濃度減少有關。ATG-6138M對井房內汞污染反映較為靈敏，但是DFG-B觀測數據與井房內溫度變化相關性較弱（圖3）。

根據地震行業標準《地震臺站建設規范——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，以保證井水位發生變化時罩內的體積不變。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定性，筆者對觀測的汞數據進行了一階差分，并計算出差分值的2倍標準偏差。結果表明：ATG-6138M的一階差分數據主要分布在-7—7ng/m3之間，測汞數值較為穩定；而DFG-B的一階差分數據主要分布在-35—35ng/m3之間，測汞數據存在較大范圍的隨機波動，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據圖

圖中紅線為一階差分數據的2倍標準偏差

2.3 儀器校準

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

自2011年以來，DFG-B未更換或清洗過捕汞管，經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。當大量的汞附著在捕汞管上時，極易造成測值的突跳或持續高值現象。而且當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，易引起測值的不穩定性。

3 結論

為了核實2014年2月9日內蒙古赤峰地震臺1號井的井口逸出氣汞濃度出現高值突生的異常現象，筆者通過ATG-6138M與DFG-B測汞儀的對比觀測結果，得到了以下一些認識：

（1）此次氣汞濃度的異常是由于觀測井房內汞源泄露和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，以確保觀測數據的準確。

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

（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、儀器老化嚴重、測試精度不高的問題，容易出現數據突跳等干擾異常，給震情判定工作帶來一定的困擾和誤導。建議使用更加穩定可靠的新型汞觀測儀器對現有設備進行升級和改造。

致謝：感謝內蒙古自治區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員為本文提供的幫助。

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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. 地下流體化學量觀測技術發展動態調研報告.

1梁瑩，2014. 異常核實——2014年3月29日內蒙古赤峰臺氣汞.

2015-12-23

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

劉耀煒，男，生于1957年。研究員。主要研究方向：地下流體動力學與地震監測預報。E-mail：liuyw20080512@126.com