夏县中心地震台两台测汞仪观测对比分析

2019-12-23李晓锐刘国俊

山西地震 2019年4期

常姣，李晓锐，杨静，刘国俊，李民

(1.山西省地震局夏县中心地震台，山西夏县 044400；2.山西省地震局临汾中心地震台，山西临汾 041000；3.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西太原 030025)

0 引言

汞元素在揭示断裂带流体与地震孕育发生的关系中发挥了重要作用[1]。在流体的携带或者压力梯度作用下，汞易沿地壳破碎带及岩石的裂隙、孔隙向上迁移扩散，沿着断裂或岩石裂隙向地表迁移，在断裂带上方形成岩石、土壤和地下水中汞浓度异常，由此汞在地震监测预测和活断层探测方面得到广泛应用[2-3]。汞作为一种敏感的地震短临异常指标，其观测数据在地震前会出现不同程度的异常变化，尤其在短临预报方面有着重要作用[4-5]。我国从20世纪80年代开始了汞与地震前兆的相关研究，目前，主要观测断裂带井(泉)水、井口逸出气和断层带土壤气中的汞浓度。

夏县中心地震台(以下简称夏县台)断层气汞测量属“十五”项目，采用RG-BQZ智能测汞仪(以下简称RG-BQZ)进行测量，于2008年1月1日正式观测。观测以来，多次因标定后数据出现大幅突跳，观测曲线无明显年变形态，分析原因可能与标定过程汞源污染有关(见图1)。为进一步提高该测项的监测能力，2016年11月台站在同一测点新增一台ATG-6138M痕量汞在线分析仪(以下简称ATG-6138M)，与RG-BQZ进行同步对比观测。

图1 RG-BQZ型气汞观测曲线图Fig.1 RG-BQZ gas mercury observation curve

1 观测资料与仪器

1.1 观测台站

夏县台地质构造上处于山西南部中条山北麓的山前断裂带上。中条山山前大断裂为控制运城盆地的主要构造，气汞观测取气孔布设在中条山山前大断裂与NW向隐状断裂交汇处的夏县温泉地热异常区，观测孔设在台站山洞洞口观测室内，距台站约200 m(见第14页图2)。

图2 夏县台周边地质构造图Fig.2 Geological structure around Xiaxian station

气汞观测孔设在台站山洞洞口观测室内，测孔深度为8.6 m，直径为0.8 m，底部使用砖块砌成倒漏斗状收集气体，导气管采用PVC管材，用长度为8.0 m、直径160 mm和长度1.5 m、直径40 mm的PVC管进行变径连接，深部为粗管，上部为细管，利于集气，并在底部1.5 m以下打有若干透气小孔，收集7.5 m以下深处的气体，在管子周围使用回填土压实即可，由一根细导管连接仪器进气口，集气装置的气体静容积约1.4 m3[6](见图3)。

图3 夏县台断层气观测孔地质剖面图Fig.3 Geological profile of fault gas observation hole in Xiaxian station

1.2 观测仪器

RG-BQZ测汞仪用汞齐化作用，采用金丝捕汞管富集汞，热解析后用冷原子吸收法测定汞量。该仪器精确度为3%，检出限为0.008 ng(汞)，灵敏度为0.008 ng(汞)，基线稳定度0.000 8～0.001 ng/30 min，仪器适用温度为10 ℃～40 ℃。测量富集时间1 min，流量为1 L/min。

ATG-6138M测汞仪采用纳米级金膜传感器技术，运行时，其内置气泵抽取一定体积的样品，通过金丝捕汞管富集吸收样品中的汞，静置1 min，加热将捕集的汞蒸气约30 s内释放出来，被黄金薄膜传感器测定，得出最终汞浓度[7]。ATG-6138M灵敏度较高，检出限为5×10-4ng(汞)，可进行气汞的连续观测，仪器适用温度为0～50 ℃，湿度在10%～95%之间。ATG-6138M采用每次测量富集8 min，流量约330 mL/min。

1.3 观测条件

在同一观测孔内，利用三通将送气管分流连接RG-BQZ和ATG-6138M测汞仪，进行井孔内气汞的连续观测(见图4)。其中，RG-BQZ与ATG-6138M相差半小时采样，两套仪器采样互不影响。

图4 夏县台断层气汞观测孔简易图Fig.4 Simple diagram of fault gas mercury observation hole in Xiaxian station

2 数据分析

2.1 仪器运行情况对比

利用《中国地震评价系统2011版》软件对RG-BQZ与ATG-6138M两台仪器2017年观测资料逐月进行计算，得出仪器运行效率及曲线内在质量(见第16页表1)。结果表明，RG-BQZ与ATG-6138M两台仪器运行效率相当，对比相对标准偏差与超标个数结果显示，ATG-6138M测汞仪数据内在质量较好。

2.2 观测实验结果对比

2.2.1 断层气观测结果对比

如第16页图5所示，RG-BQZ与ATG-6138M两台仪器的并行观测测试数据结果偏差较大，曲线的变化趋势也不一致。RG-BQZ数据呈多点突跳变化，测值变化范围为0.008～1.68 ng/L；ATG-6138M数据与仪器自记温度呈正相关性，变化范围为0.005～0.016 ng/L。因两台仪器每次测量抽取气体体积不同，转换系数相差约3倍左右，分析数据变化不一致可能与此有关。

2.2.2 观测室汞含量观测对比

2017年8月15日，气汞观测气路不慎断开长达20 d，实测为室内汞蒸气含量，因之前对观测气路进行过保温，考虑到保温材料中带有刺鼻味，经查询可能是酚醛泡沫，原料加工时会经工业处理易含有汞。因此，测量值偏大可能是因为保温材料中含汞所致。如第16页图6所示，在此期间，ATG-6138M测汞仪数据明显呈大幅突跳变化，重新连接气路，数据恢复；RG-BQZ测汞仪数据则无明显变化。

2.2.3 相对偏差计算结果对比

针对RG-BQZ与ATG-6138M两台仪器测值的不同情况，依次对两台仪器进行准确性分析，分别向两台仪器注入100 μL汞进行测量，测量参数与日常自动测量相同，按照如下公式进行计算：

式中：饱和汞密度为汞发生器中自动记录；RG-BQZ流量为1 L/min；富集时间1 min；ATG-6138M流量为330 mL/min；富集时间8 min。理论浓度由公式计算得出，相对偏差即为理论浓度与实测浓度的相对标准偏差。由第17页的检测结果表2看出，ATG-6138M较RG-BQZ相对偏差较小。

2.2.4 仪器参数对比

测汞仪的主要技术指标和参数能够反映该台仪器性能优劣，主要包括仪器的检出限、灵敏度、精密度、稳定度和准确度等。两台仪器出厂时主要技术指标和参数标准如第17页表3所示。ATG-6138M型痕量汞在线自动分析仪的检出限比RG-BQZ型数字化智能测汞仪高出一个数量级，因两台仪器校准参数计算方法不同，其余校准参数不易比较。

3 结论与认识

通过对夏县台ATG-6138M与RG-BQZ两台测汞仪对比实验，得出以下结论与认识。

(1) 根据两台仪器2017年断层气汞观测结果以及运行率、相对标准偏差等内在质量对比分析结果，认为ATG-6138M测汞仪性能明显优于RG-BQZ智能测汞仪。

(2) 断层气、空气中汞量对比观测结果显示，ATG-6138M测汞仪数据较为灵敏。

(3) 注入已知剂量汞源实验的实测数据与理论测值对比结果，ATG-6138M测汞仪数据相对偏差较小。

(4) 上述实验结果以及两台仪器同步观测结果不一致的原因可能有以下几点：①两台仪器观测原理不同，数据计算方法不同。RG-BQZ测汞仪用冷原子吸收法，利用金汞齐作用，采用金丝捕汞管富集汞，热解析后用冷原子吸收法测定汞量；ATG-6138M测汞仪采用纳米级金膜传感器技术，气体富集在捕汞管，加热将捕集的汞蒸气瞬时释放出来，被黄金薄膜传感器测定，测得汞量[8]。②气路进气口粗细不同可能导致仪器测量数据不同(见第17页图7)，两台仪器连接管路在三通口后粗细有所差异，因连接管路是橡胶管，可能会吸附气体，从而导致数据不同。③采样方式不同，采气量不同，RG-BQZ测量时富集1 min，流量为1 L/min；ATG-6138M采用每次测量富集8 min，流量约330 mL/min。总采气量不同，RG-BQZ一次采集1 L气量，ATG-6138M采集约2.4 L，转换系数相差约3倍左右，分析认为数据变化不一致可能与此有关。