夏县中心地震台ATG-6138M型痕量汞仪观测数据干扰因素分析
2020-12-24张淑亮
常 姣，张淑亮，李 民，薛 亮
(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，山西 太原 030021；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
汞测值作为一种地震短临异常指标，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[1]。汞具有极强的挥发性和穿透性，可以沿裂隙向地表扩散，在土壤中形成吸收晕。深部条件下形成的汞蒸气，在温度和压力的作用下，沿断裂破碎带和开启的孔隙裂隙向上渗透、迁移，是汞运移的主要方式。根据汞的这种特点，在地震活动区，不同介质中汞的含量会比外围地区高，对于各种介质中的汞进行定期和连续观测，有可能了解地震孕育过程中汞的分布特征，从中找出地震前兆信息[2-3]。我国从20世纪80年代起开始了汞与地震前兆的相关研究，在地震活动过程中汞的空间异常分布特征不仅与震级、震中距有关，还与区域构造应力场及震源与测点之间的介质环境有关，华北地区汞异常时波及范围较近，持续时间较短。土壤中气汞量的动态变化，可以较客观地反映地壳深部断裂构造活动的情况[4-5]，除此之外，研究人员对汞的地震前兆异常也进行过分析[6-8]。王基华等人曾从地震短临预报的角度对土壤中气汞量测量影响因素进行研究，提出影响因素识别和排除方法[9-10]。虽然汞含量观测在地震预测研究中具有重要的价值，但由于汞的穿透性和挥发性极强，在观测中势必会受到各种因素的干扰而影响观测质量。目前对汞与地震之间关系研究比较多，对汞观测过程中受到的影响因素涉及较少，特别是在山西地区。
2016年11月前，夏县中心地震台断层气汞含量观测采用RG-BQZ智能测汞仪进行测量，因仪器老化，11月台站仪器更新改造，更换为ATG-6138M痕量汞在线分析仪(以下简称测汞仪)，2017年1月1日正式投入观测。目前已积累了近4年的观测数据，为开展断层气汞干扰因素研究提供了条件。该文以夏县中心地震台(以下简称夏县台)断层气汞观测为例，对引起观测数据显著变化的各类干扰因素进行分析，得出主要的干扰源以及不同干扰影响下的数据变化特征，为震情跟踪工作的异常快速识别提供参考依据。
1 台站观测背景及仪器概况
1.1 台站观测背景
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，距离台站约200 m(见第34页图1)。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，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2.5 m以下打有若干透气小孔，集得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[11](见第34页图2)。
1.2 观测仪器
ATG-6138M测汞仪采用纳米级金膜传感器技术，灵敏度较高，检出限为5×10-4ng(汞)，适用温度为(0～50)℃，湿度在10%～95%之间，可进行气汞的连续观测。仪器测量时，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[12]。夏县台日常观测采用每次测量富集时间8 min，流量设定330 ml/min，电调系数设定1 200左右。
图1 夏县台周边地质构造图Fig.1 Geological structure map around Xiaxian station
图2 夏县台断层气汞观测孔简易图Fig.2 A simplified diagram of the fault gas mercury observation hole at Xiaxian station
2 数据干扰因素分析
ATG-6138M测汞仪自2017年观测以来，运行稳定，产出观测数据较为平稳，具有一定规律的年周期变化，曲线呈明显的夏高冬低的年变形态。对汞观测数据跟踪结果表明，气象、环境、人为、仪器等多种因素均会对汞测值造成一定的影响。运用与台站观测日志对比的方法，对不同干扰因素影响下观测数据变化特征进行如下分析。
2.1 气象因素
将汞观测数据与观测日志对比发现，ATG-6138M测汞仪受温度、降雨气象因素影响较为明显。
2.1.1 温度影响
汞在常温下具有明显的蒸汽压，且蒸汽压力、蒸发速度和蒸汽浓度均随温度的升高而急剧增加，同某些金属元素相比，具有较高的挥发能力。液态汞的蒸汽压力、蒸发速度与绝对温度(T)之间的关系为:
logPHg=7.913-3 162.505/T，logVHg=8.30-2 207.09/T。
在室温条件下，每增加1度，饱和汞蒸汽浓度约增高9%左右，表明温度与汞的测量结果密切相关[13]。夏县台痕量汞自观测以来常年受气温影响明显，当温度升高时，观测数据升高，反之则下降，数据变化趋势与气温同步(见图3)。
图3 痕量汞与室温日均值对比曲线Fig.3 Comparison curve between trace mercury and daily average value of room temperature
2.1.2 降雨干扰
汞数据自观测以来受连续降雨干扰现象明显。连续降雨，观测室内湿度增加，观测气体中含有水汽，水汽进入捕汞管致使测值增大[14]。
每年6月、9月汞观测数据出现台阶上升变化，经调查，该现象与观测仪器、观测环境以及温度无明显关系，与当地降雨量的大小存在明显的关系。强降雨或连续降雨一般会造成汞值大幅度上升，幅度约0.003～0.001 ng/L，高于背景值约1～2倍(见第35页图4)。
2.2 观测系统
ATG-6138M测汞仪因观测汞浓度的不同而设定不同的富集时间。为获取适合夏县台痕量汞观测的富集时间，进行下述实验(见第35页图5)。
(1) 2018年12月在痕量汞仪器数据校准与检查后，富集时间设定1 min进行观测。结果显示，观测数据波动较大，数据在0～0.021 8 ng/L范围变化，均值约0.008 ng/L，较校准前高约15倍。
图4 痕量汞与降雨量观测数据对比曲线Fig.4 Trace mercury and rainfall data comparison curve
(2) 2019年1月17日调整富集时间为8 min，观测数据持续显示在10-5～10-4ng/L数量级变化，测量值低于校准前数据。
(3) 2019年2月13日调整富集时间为5 min，测得数据在0～0.003 ng/L范围变化，高于富集时间为8 min的测值。
(4) 2019年2月25日恢复富集时间8 min，观测数据也随之恢复至正常背景。
实验结果表明富集时间对痕量汞测值影响较大，富集时间不同，测值不同。夏县台痕量汞年变数据变化范围为0～0.015 ng/L，宜选用富集时间8 min。
图5 富集时间对痕量汞观测影响Fig.5 The effect of enrichment time on the observation of trace mercury
2.3 人为干扰
(1) 仪器校准。
汞测项每季度末要更换捕汞管进行仪器校准，在第四季度校准后还需进行仪器检测。ATG-6138M测汞仪正式投入运行以来，在每次校准结束后，观测数据均会出现大幅台阶上升后再转为趋势下降，变幅0.001～0.01 ng/L，高于背景值约10～100倍，经过几至十几天后，数据逐渐恢复至正常值(见图6)。由于仪器稳定时间较长，影响数据正常使用。为减少数据恢复时间，每次新更换的捕汞管再使用时需手动测量空气至少5次，富集时间为1 min，直至数据降为0左右。除此之外，每次校准完毕，还须按照上述操作程序清洗捕汞管，尽量减少气路污染。
图6 仪器校准对痕量汞观测影响Fig.6 The influence of instrument calibration on the observation of trace mercury
(2) 观测人员进出观测室。
汞观测装置安放于观测室门口，当人员进入观测室，均会引起室内温度骤变，出现测值大幅变化。图7为观测人员进入观测室后引起的汞变化曲线，观测数据出现明显单点突跳变化，变幅一般在0.000 5～0.005 ng/L，高于背景值约2～150倍。
图7 人为干扰对痕量汞观测影响Fig.7 The impact of human interference on the observation of trace mercury
3 结论与讨论
对夏县台ATG-6138M测汞仪2017年以来观测资料的分析，找出影响观测数据正常动态的干扰因素。其中温度与降雨是主要因素，干扰形态表现为趋势性年变和台阶变化；观测系统主要受观测富集时间设定的影响，富集时间越长数据越小，稳定性越好，反之越差，根据年变幅确定适宜的富集时间为8 min；人为干扰主要为校准仪器造成的台阶上升再转为趋势下降，恢复时间较长。当观测人员进出观测室会引起室内温度骤变，观测数据出现明显突跳变化。
分析日常资料时，为获取观测对象较为真实的变化，需要识别并去除观测曲线中的干扰。不同台站、不同观测系统装置对于不同干扰会出现不同程度的反应[15-16]。虽然，该文对痕量汞观测的干扰因素进行了分析，但如何正确判别干扰与震兆工作尚未开展，需采用定量分析的方法对异常原因进行深入的研究，提高其在地震监测预报中的作用。
