常 姣，李曉銳，楊 靜，劉國俊，李 民

(1.山西省地震局夏縣中心地震臺，山西 夏縣 044400；2.山西省地震局臨汾中心地震臺，山西 臨汾 041000；3.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，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)測預(yù)測和活斷層探測方面得到廣泛應(yīng)用[2-3]。汞作為一種敏感的地震短臨異常指標，其觀測數(shù)據(jù)在地震前會出現(xiàn)不同程度的異常變化，尤其在短臨預(yù)報方面有著重要作用[4-5]。我國從20世紀80年代開始了汞與地震前兆的相關(guān)研究，目前，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。

夏縣中心地震臺(以下簡稱夏縣臺)斷層氣汞測量屬“十五”項目，采用RG-BQZ智能測汞儀(以下簡稱RG-BQZ)進行測量，于2008年1月1日正式觀測。觀測以來，多次因標定后數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅突跳，觀測曲線無明顯年變形態(tài)，分析原因可能與標定過程汞源污染有關(guān)(見圖1)。為進一步提高該測項的監(jiān)測能力，2016年11月臺站在同一測點新增一臺ATG-6138M痕量汞在線分析儀(以下簡稱ATG-6138M)，與RG-BQZ進行同步對比觀測。

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

1 觀測資料與儀器

1.1 觀測臺站

夏縣臺地質(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城盆地的主要構(gòu)造，氣汞觀測取氣孔布設(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熱異常區(qū)，觀測孔設(shè)在臺站山洞洞口觀測室內(nèi)，距臺站約200 m(見第14頁圖2)。

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

氣汞觀測孔設(shè)在臺站山洞洞口觀測室內(nèi)，測孔深度為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，用長度為8.0 m、直徑160 mm和長度1.5 m、直徑40 mm的PVC管進行變徑連接，深部為粗管，上部為細管，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即可，由一根細導(dǎo)管連接儀器進氣口，集氣裝置的氣體靜容積約1.4 m3[6](見圖3)。

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

1.2 觀測儀器

RG-BQZ測汞儀用汞齊化作用，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 ℃。測量富集時間1 min，流量為1 L/min。

ATG-6138M測汞儀采用納米級金膜傳感器技術(shù)，運行時，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，被黃金薄膜傳感器測定，得出最終汞濃度[7]。ATG-6138M靈敏度較高，檢出限為5×10-4ng(汞)，可進行氣汞的連續(xù)觀測，儀器適用溫度為0～50 ℃，濕度在10%～95%之間。ATG-6138M采用每次測量富集8 min，流量約330 mL/min。

1.3 觀測條件

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

圖4 夏縣臺斷層氣汞觀測孔簡易圖Fig.4 Simple diagram of fault gas mercury observation hole in Xiaxian station

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 儀器運行情況對比

利用《中國地震評價系統(tǒng)2011版》軟件對RG-BQZ與ATG-6138M兩臺儀器2017年觀測資料逐月進行計算，得出儀器運行效率及曲線內(nèi)在質(zhì)量(見第16頁表1)。結(jié)果表明，RG-BQZ與ATG-6138M兩臺儀器運行效率相當，對比相對標準偏差與超標個數(shù)結(jié)果顯示，ATG-6138M測汞儀數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量較好。

2.2 觀測實驗結(jié)果對比

2.2.1 斷層氣觀測結(jié)果對比

如第16頁圖5所示，RG-BQZ與ATG-6138M兩臺儀器的并行觀測測試數(shù)據(jù)結(jié)果偏差較大，曲線的變化趨勢也不一致。RG-BQZ數(shù)據(jù)呈多點突跳變化，測值變化范圍為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。因兩臺儀器每次測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 觀測室汞含量觀測對比

2017年8月15日，氣汞觀測氣路不慎斷開長達20 d，實測為室內(nèi)汞蒸氣含量，因之前對觀測氣路進行過保溫，考慮到保溫材料中帶有刺鼻味，經(jīng)查詢可能是酚醛泡沫，原料加工時會經(jīng)工業(yè)處理易含有汞。因此，測量值偏大可能是因為保溫材料中含汞所致。如第16頁圖6所示，在此期間，ATG-6138M測汞儀數(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測汞儀數(shù)據(jù)則無明顯變化。

2.2.3 相對偏差計算結(jié)果對比

針對RG-BQZ與ATG-6138M兩臺儀器測值的不同情況，依次對兩臺儀器進行準確性分析，分別向兩臺儀器注入100 μL汞進行測量，測量參數(shù)與日常自動測量相同，按照如下公式進行計算：

式中：飽和汞密度為汞發(fā)生器中自動記錄；RG-BQZ流量為1 L/min；富集時間1 min；ATG-6138M流量為330 mL/min；富集時間8 min。理論濃度由公式計算得出，相對偏差即為理論濃度與實測濃度的相對標準偏差。由第17頁的檢測結(jié)果表2看出，ATG-6138M較RG-BQZ相對偏差較小。

2.2.4 儀器參數(shù)對比

測汞儀的主要技術(shù)指標和參數(shù)能夠反映該臺儀器性能優(yōu)劣，主要包括儀器的檢出限、靈敏度、精密度、穩(wěn)定度和準確度等。兩臺儀器出廠時主要技術(shù)指標和參數(shù)標準如第17頁表3所示。ATG-6138M型痕量汞在線自動分析儀的檢出限比RG-BQZ型數(shù)字化智能測汞儀高出一個數(shù)量級，因兩臺儀器校準參數(shù)計算方法不同，其余校準參數(shù)不易比較。

3 結(jié)論與認識

通過對夏縣臺ATG-6138M與RG-BQZ兩臺測汞儀對比實驗，得出以下結(jié)論與認識。

(1) 根據(jù)兩臺儀器2017年斷層氣汞觀測結(jié)果以及運行率、相對標準偏差等內(nèi)在質(zhì)量對比分析結(jié)果，認為ATG-6138M測汞儀性能明顯優(yōu)于RG-BQZ智能測汞儀。

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

(3) 注入已知劑量汞源實驗的實測數(shù)據(jù)與理論測值對比結(jié)果，ATG-6138M測汞儀數(shù)據(jù)相對偏差較小。

(4) 上述實驗結(jié)果以及兩臺儀器同步觀測結(jié)果不一致的原因可能有以下幾點：①兩臺儀器觀測原理不同，數(shù)據(jù)計算方法不同。RG-BQZ測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定汞量；ATG-6138M測汞儀采用納米級金膜傳感器技術(shù)，氣體富集在捕汞管，加熱將捕集的汞蒸氣瞬時釋放出來，被黃金薄膜傳感器測定，測得汞量[8]。②氣路進氣口粗細不同可能導(dǎo)致儀器測量數(shù)據(jù)不同(見第17頁圖7)，兩臺儀器連接管路在三通口后粗細有所差異，因連接管路是橡膠管，可能會吸附氣體，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測量時富集1 min，流量為1 L/min；ATG-6138M采用每次測量富集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)對比Table 1 Comparison of instrument parameters between RG-BQZ and ATG-6138M

圖5 RG-BQZ與ATG-6138M測汞儀觀測曲線對比Fig.5 Observation comparison curve of RG-BQZ and ATG-6138M mercury meter

圖6 RG-BQZ與ATG-6138M測汞儀觀測曲線對比Fig.6 Observation comparison curve of RG-BQZ and ATG-6138M mercury meter

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

表2 RG-BQZ與ATG-6138M測汞儀觀測對比測定表Table 2 Observation comparison of RG-BQZ and ATG-6138M mercury meter

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