沂水臺RG-BS水汞觀測儀使用與維護探討

劉海剛　王西寶　胡子超　閆萬曉　公續升　杜德凱

摘? 要：水汞觀測是我國地震地下流體中最基本的項目之一。通過總結RG-BS水汞觀測儀的使用方法、試驗試劑配制使用，分析影響水汞觀測數據的因素。對日常工作中所遇到的儀器故障等各種問題進行梳理，找出解決問題的方法，排除故障，保證儀器正常運行，生產出準確、可靠的觀測數據。

關鍵詞：RG-BS水汞觀測? 干擾因素? 故障分析

中圖分類號：P315 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）09（a）-0039-04

近年來觀測資料和震例表明，水汞作為一項短臨預報指標，是地下流體預報地震的重要組成部分，一直備受各國地震專家學者的重視。但是由于汞元素在地下水中含量很少，并且在具體的檢測過程中環節較為復雜，受到的干擾因素也相對較多。觀測發現在實際操作中，實驗試劑的配制、觀測環境的變化、儀器的觀測精度及儀器是否正常運行都對汞量觀測的準確度有著直接的影響。

RG-BS水汞觀測儀的投入使用使得水汞觀測有了更大的跨越，因此在工作中掌握水汞儀器的工作原理、使用方法，做好儀器的維護保障工作，生產出連續可靠的觀測數據。

1? 沂水臺觀測點簡介以及水汞觀測儀工作原理

1.1 沂水臺觀測點簡介

沂水地震臺地處丘陵地區，臺基巖性為灰巖，周圍為居民區，環境較好，無較大干擾源。在構造上處在沂沭斷裂帶北段，東距沂水-湯頭主干斷裂僅1km，現在的觀測手段主要有測震、水化、形變、深井水位、水溫等。

水汞觀測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，為自流泉，泉東為太古界片麻巖，泉西為白堊系王氏組頁巖。地形東高西低，處在北西向的自然沖溝內，為風化殼內裂隙水，水質型為亞碳酸、硫酸—鈣鎂型，是理想的采取水樣的井點。

1.2 RG-BS水汞觀測儀日常故障

RG—BS型智能數字測汞儀的工作原理是根據基態汞原子對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，被測元素（汞）的基態原子蒸汽同種元素（低壓汞燈）發射的253.7A特征輻射光選擇吸收，在一定濃度范圍內，均勻吸收介質中透射光的強度和基態原子濃度的關系服從朗伯-比爾定律，即

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

式（1）中，I為透射光強度;I0為入射光強度;K為吸收系數;L為吸收層長度;C為基態汞原子濃度。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（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，測量吸光度即可得到汞原子濃度值[1]。

2? 化學試劑對水汞觀測值的影響分析

2.1 RG-BS水汞觀測儀觀測所需試劑以及配制

在水汞觀測中需要多種試劑，幾種試劑相互反應，缺一不可。觀測水樣在消解及還原過程中需要的化學試劑有：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）。

地震臺工作人員每天定時在取樣井點采取檢測水樣，在觀測前要把觀測樣本進行還原。配制過程如下：首先量取50mL水樣，分別加入0.5mL 5%的高錳酸鉀和1.25mL的濃硫酸作為保護劑，再加入1.5mL 5%的草酸溶液輕輕晃動，靜止約20nim直至水樣由紅色變為無色。向還原器中加入10mL經還原的無色水樣，然后再加入2.5mL 5%的氯化亞錫溶液。

2.2 觀測中化學試劑對水汞數值的影響分析

2.2.1 濃硫酸（98%H2SO4）

觀測水樣在取后加入濃硫酸（98%H2SO4）的目的是，將水樣中的低價汞變為高價汞，保護水樣中的汞含量[2]。

量取50mL蒸餾水，加入不同生產廠家、批次的1.25mL濃硫酸（分析純）進行試驗分析，其他試劑量以及觀測環境、觀測條件均保持不變，按照觀測標準進行。試驗結果如表1所示。

從表1中可以看出，使用不同生產廠家生產的濃硫酸所得試驗結果差異很大，有的硫酸中含汞量很高，究其原因，不同廠家由于生產過程中采用的工藝水平、原材料來源不同等，從而使得各個廠家的產品所含汞量有差別。而因其不超過允許的雜質含量，一般視為是合格產品，但是對汞這一對于微量元素的測定，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，并破壞水中大還原菌，達到保護水中汞的目的。

各量取50mL蒸餾水，加入不同劑量的同一生產廠家5%KMnO4溶液，其他試劑量以及觀測環境、觀測條件均保持不變，按照觀測標準進行。試驗結果如表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，觀測出的汞的含量沒有明顯變化，基本可以排除高錳酸鉀試劑對水汞觀測數據的影響。同時需注意，在配制5%KMnO4溶液時，必須完全溶解，在每次加樣時須手搖，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，具有較強的還原性，其能將還原器中的高價汞以及其他化合價的汞還原為零價汞。而在配制5%SnCl2時需用1MH2SO4作為溶劑，同時因為5%SnCl2試劑具有不穩定行，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15d。

各量取50mL蒸餾水，加入不同劑量的同一生產廠家5%SnCl2溶液，其他試劑量以及觀測環境、觀測條件均保持不變，按照觀測標準進行。試驗結果如表3所示。

如表3所示，所測汞含量隨著5%SnCl2劑量的增加略有變化，但此汞量變化是在誤差范圍內，屬于系統誤差。因為其溶液在配制時采用了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? 觀測環境及條件對水汞觀測數值的影響分析

3.1 觀測室溫度的變化對水汞觀測數據影響

汞在常溫下是以液態形式存在，具有蒸發性，其蒸發速度、蒸汽濃度會隨著氣溫的上升而增加。

通過對2012年全年以及2013年1～9月份的水汞數據和觀測室溫度做相關分析，結果如圖1所示。

通過圖1可知，通過分析觀測室溫度變化曲線和水汞觀測值變化曲線可知，二者具有同比變動的關系，即水汞值和溫度成正相關。圖1中，在2012年5～10月和2013年5～9月隨著溫度的升高，水汞觀測值也比其他月份溫度低的月份高。這說明水汞觀測值隨著溫度的升高而升高，故在實際操作中應該嚴格控制觀測室的溫度變化，以確保觀測數值的準確性和可靠性。

3.2 觀測室的氣壓變化對水汞觀測數據的影響

大陸氣壓一般表現為冬季高，夏季最低，而海洋相反。

通過對2012年全年以及2013年1～9月份的水汞數據和觀測室氣壓做相關分析，結果如圖2所示。

由圖2（a）曲線可知，氣壓的年動態變化呈現夏低冬高趨勢;對溫度和水汞觀測值可知，水汞觀測值呈現為夏高冬低。由此可知氣壓與水汞觀測值沒有特殊關聯性，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，提高觀測數據的質量。

4? RG-BS水汞觀測儀的檢查、標定和常見故障

4.1 RG-BS水汞觀測儀的檢查、標定

RG-BS水汞觀測儀在使用過程中需每個季度做一次檢查和標定，以保證儀器的準確度和精密度。主要技術指標和參數能夠反映該臺儀器性能優劣，檢查和標定包括儀器的檢出限、靈敏度、精密度、穩定度和準確度。

檢出限指儀器信號（在測量汞的情況下是指由汞所引起的儀器響應）的檢出下限。精密度指的是測量值的隨機不確定性，即各次測量值之間互相接近的程度，用統計測量結果的相對標準偏差表示。穩定度指儀器的讀數隨時間的穩定程度，用零點漂移表示。準確度是測定值和理論值之間的符合程度，一般要求l實測值l—l理論值l≤理論值的10%，用實測誤差表示[3]。

地震臺工作人員嚴格按照規范要求，每個季度對RG-BS測汞儀進行檢查和標定，2013年讀RG-BS型測汞儀的各項主要技術指標參數實測結果及標定儀器K值如表4所示。

對比儀器測汞儀出廠時的標準指標和參數，可知儀器實測的各項參數和指標都在儀器誤差允許的范圍之內，故此臺儀器保持在一個較好的狀態，觀測到的數據準備可靠。

4.2 RG-BS水汞觀測儀常見故障分析

經過多年的使用，沂水臺工作人員對在日常工作中遇到的儀器故障進行了歸納總結，主要有以下幾方面。

（1）電爐電阻絲斷裂。在水汞的日常觀測過程中，捕汞管經過鼓泡后，在測量時需要通過電爐加熱，而加熱所需的電爐是用的電阻絲。電阻絲經過長時間的加熱后，容易老化、斷裂，使得儀器不能正常工作，所以要及時更換電爐電阻絲，保證觀測的正常進行。

（2）測量時儀器透過率變動過快。在觀測時儀器的透過率保持穩定是汞量正常測量的重要保證。在日常工作中，透過率會在段時間內變為零或者是顯示為EEE，使得觀測不能正常進行。在這種情況下，可以通過重啟儀器來調節，或者是在測量時旋轉透過率調節器，使其保證透過率的穩定性。

（3）儀器的重測樣一致性不穩定。如果測量的主樣和副樣之間數據相差較大，那么就表明其一致性不穩定。造成觀測樣之間的一致性不好，可能是與儀器的觀測氣路汞污染或儀器性能有關。因為吸附的汞在溫度、氣流、濕度等條件變化下，釋放的汞量不一致，使得測量數據出現較大誤差，因此要及時清洗或者更換膠管。

5? 結語

通過分析影響水汞觀測質量的因素發現以下幾點。

（1）觀測環境尤其是觀測室溫度的變化會影響水汞觀測數據。

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

（3）通過定期對儀器進行標定和檢查可以使儀器的狀態相對穩定，減少系統誤差。

（4）通過匯總日常工作中的儀器故障，找出問題解決辦法，確保儀器的正常運行，可以使地震分析預報人員更好地工作，保證水汞觀測數據的完整性和可靠性。

參考文獻

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

[2] 魏家珍，申春生，劉升禮.汞量測量方法講義[R].國家地震局科技監測司，1992.

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