DFG-B测汞仪与ATG-6138M测汞仪对比观测结果分析1

郭丽爽 刘耀炜 张 磊 丁风和 梁 莹



DFG-B测汞仪与ATG-6138M测汞仪对比观测结果分析1

郭丽爽1）刘耀炜1）张 磊1，2）丁风和3）梁 莹3）

1）中国地震局地壳应力研究所，地壳动力学重点实验室，北京 100085 2）中国地震局地球物理研究所，北京 100081 3）内蒙古自治区地震局，呼和浩特 010010

为了核实赤峰1号井2014年初气汞异常现象，安装ATG-6138M测汞仪与原DFG-B测汞仪进行对比观测。ATG-6138M测汞仪观测到赤峰1号井房内空气汞浓度明显高于井孔内逸出汞浓度，表明观测井房可能存在汞污染问题。两台仪器同步观测井孔内逸出气汞浓度结果表明，ATG-6138M测汞仪测试结果稳定，动态清晰，而DFG-B测汞仪观测误差较大。对比DFG-B测汞仪与ATG-6138M测汞仪校准结果认为，DFG-B测汞仪已不能正常观测汞浓度的变化，存在捕汞管老化等仪器问题。综合分析表明，赤峰1号井DFG-B测汞仪存在环境汞污染和仪器老化等因素，且集气装置不符合地震行业标准技术要求，2014年初出现的气汞浓度异常信度不高，不能作为与地震孕育有关的前兆异常信息。

气汞异常 DFG-B测汞仪 ATG-6138M测汞仪 对比观测 地震前兆

前言

由于地壳的连续性破坏，来自地下深部的汞蒸气会沿着断裂和裂隙向地表迁移，形成地下水和土壤气中汞浓度的异常，通常这种异常出现在地震孕育过程的中短期和临震阶段（金仰芬等，1987；康春丽等，1999）。由于汞的这种特殊地震地球化学性质，我国从20世纪80年代起开始了汞与地震前兆的相关研究，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（张凤秋等，2005；刘耀炜，2006；刘翔等，2014）。

目前，我国汞观测台网是地震地下流体四大前兆台网之一，有观测站83个，测项主要包括人工观测地下水溶解汞（总汞）和自动观测地下水逸出气汞（零价汞）2。观测水中汞浓度主要使用XG-4、RG-BS和XG-5Z型测汞仪；观测逸出气汞浓度主要使用RG-BQZ、JM-4和DFG-B型测汞仪（刘耀炜，2006）。这些仪器均是20世纪80或90年代研制的，大部分仪器老化严重，尤其是数字化观测仪器的稳定性较差，严重影响到对汞浓度变化动态特征以及地震前兆信息的分析。近年来，由于国内外汞观测技术在环境监测中的广泛应用，基于光谱原理和齐金原理的高分辨率、高稳定性汞观测仪器相继研发成功，如俄罗斯Lumex RA915+塞曼效应测汞仪、意大利Milestone DMA-80和我国杭州超距科技有限公司生产的ATG-6138M测汞仪等，为分析低浓度汞的正常动态，获取稳定性观测数据提供了技术保障。如何使用稳定和灵敏的汞观测仪分析汞异常资料，提高异常现场核实工作的科学性、准确性是目前地震监测预报工作中面临的重要问题。

在2014年华北地震强化跟踪工作中，内蒙古赤峰地震台1号井逸出气汞浓度出现高值异常（图1），尤其是2014年2月9日到10日的2天时间内逸出气汞浓度上升了1.824 ng/L，引起了相关部门的高度重视。为了现场核实汞浓度异常的可靠性，笔者于2014年3月末在赤峰地震台1号井安装了1台ATG-6138M测汞仪（以下简称ATG-6138M），用于与该井原DFG-B型智能测汞仪（以下简称DFG-B）进行对比观测，分析观测仪器的稳定性和可靠性，判定汞异常是否为地震孕育过程的前兆信息。

1 资料与方法

1.1 观测台站

赤峰1号静水位观测井，井水位埋深约21m，井深约106m，观测井口密封性差。井口内进行观测的项目有数字氡、汞、水位和水温，各个探头和取气口隔开，以避免干扰。其中气汞取样口位于井下约5m处，使用管线和观测仪器DFG-B连接。观测井房面积约10m2（图2）。

图1 赤峰1号井DFG-B测汞仪观测数据（校准情况依据赤峰地震台记录）

Fig. 1 Hg concentrations from #1well, Chifeng (the calibration time after the record of Chifeng seismic station)

图2 赤峰1号井观测示意图

1.2 观测仪器

我国地震地下流体前兆观测中，地下水逸出汞使用的DFG-B测汞仪是利用汞齐化作用，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。观测系统中的硅胶管的吸附作用、捕汞管的锈蚀、电压稳定性、脱气装置等影响着仪器测值准确性和稳定性（张素欣等，2006；任佳等，2005）。DFG-B测汞仪以冷原子吸收技术为基础，仪器绝对检出限为8×10-3ng（汞），精确度为2.5%—3%，每年定期使用自制饱和汞蒸气源进行校准。目前观测台站使用的自制饱和汞蒸气标准源，由于温度测定的精度不够，会造成对K值校准的误差，而汞瓶内的液态汞泄露严重，会直接影响到气汞仪器校准结果的客观性和观测结果的可靠性。

如今国内外测汞仪的测试技术和校准技术都取得了显著的进展。例如，ATG-6138M是国家科技支撑计划课题“基于数字化观测技术的强震短临预测关键技术研究（2012BAK19B02）”下属专题“氢和汞传感器技术研发和示范性应用（2012BAK19B02-06）”研发的地震观测仪器，已通过课题测试与验收。该仪器采用纳米级金膜传感器技术，灵敏度较高，绝对检出限优于5×10-4ng（汞），可进行气汞的连续观测，配置的鼓气装置可测量水中溶解汞的浓度，测试水汞的进气流量约1.3L/min。使用计量部门认证的标准汞蒸气发生装置进行校准，可提高校准精度和准确度。

1.3 测试条件

在现场异常核实过程中，使用ATG-6138M测汞仪测试了井房外大气和井房内空气中汞的浓度，主要是为了检验井房内是否存在汞污染。随后，利用三通将送气管分流连接DFG-B和ATG-6138M测汞仪，进行井孔内气汞的连续观测。其中DFG-B与ATG-6138M相差半小时采样，富集流量～0.5L/min，两套仪器采样互不影响。DFG-B的数据单位为ng/L，ATG-6138M的为ng/m3，根据国际气体汞浓度惯用单位，以下将ng/L换算成ng/m3。

2 结果与讨论

2.1 观测井房气汞浓度

ATG-6138M测得的井房外大气中的汞浓度为3.66±0.33ng/m3（测量2次），井房内空气的汞浓度为84.99±12.51ng/m3（测量3次）。观测井房具有如此高的气汞浓度，表明井房内存在较严重的汞污染。为了确定井房内汞的污染来源，经现场检查，用于DFG-B仪器季度检查和校准的自制液体汞保存在密封的塑料水杯中，杯盖处打细孔用于抽取汞蒸气，平时使用塑料胶布封闭细孔。自制汞源存放在离观测井口约2m的金属柜子里，现场检查时汞源密封胶布脱落，经询问观测人员，证明当前汞瓶中的液态汞比2013年12月底校准时有明显减少，推断汞源中液态汞的挥发可能造成了井房内汞的污染。为了减少继续对观测井房的污染，异常现场核实过程中将汞源移走并重新进行密封。

2.2 井孔内逸出气汞浓度

本次对比观测获得了2014年4月1日至5月25日井孔内逸出气汞整点值数据（表1和图3）。结果显示，ATG-6138M数据变化范围为9.52—105.70ng/m3，有日变特征；DFG-B数据变化范围为0—206 ng/m3；ATG-6138M测得的数据较DFG-B偏小。

表1 ATG-6138M和DFG-B测汞仪对比数据

在观测井房内，由于存在汞污染，汞的挥发与吸附作用与温度密切相关（伍宗华等，1994）。ATG-6138M观测的4月21日前的汞数据与室内温度呈现出正相关性（图3），当温度升高时，附着的汞挥发到井房空气中，导致ATG-6138M观测数据的升高。4月21日后ATG-6138M测得的汞数据相对稳定，与室内温度相关性较弱（图3），可能与移走汞源后空气和室内墙壁附着的汞浓度减少有关。ATG-6138M对井房内汞污染反映较为灵敏，但是DFG-B观测数据与井房内温度变化相关性较弱（图3）。

根据地震行业标准《地震台站建设规范——地下流体台站第2部分：气氡和气汞台站》，非自流井宜采用浮动罩式集气装置，集气罩与水面直接接触，以保证井水位发生变化时罩内的体积不变。赤峰1号井井水位埋深21m，而气汞取气口在井管中距井口5m处，距离水面有16m（图2），笔者分析认为，仪器所采集的气体为水中逸出气和空气的混合气体。如果空气受到了汞源的污染，仪器就会观测到较高的汞浓度变化。

为了对比两种仪器的稳定性，笔者对观测的汞数据进行了一阶差分，并计算出差分值的2倍标准偏差。结果表明：ATG-6138M的一阶差分数据主要分布在-7—7ng/m3之间，测汞数值较为稳定；而DFG-B的一阶差分数据主要分布在-35—35ng/m3之间，测汞数据存在较大范围的随机波动，观测误差较大（图4）。

图3 ATG-6138M测汞仪、DFG-B测汞仪和室温观测数据图

图中红线为一阶差分数据的2倍标准偏差

2.3 仪器校准

ATG-6138M校准注入的汞量与仪器电压值（mv）具有较高的线性关系，线性相关系数2为0.9998（图5），表明仪器观测结果准确性较高。2014年2月7日对DFG-B进行季度检查时，仪器校准注入的汞量与仪器吸光值呈现出负相关性，表明仪器灵敏度降低，对汞浓度变化响应不灵敏。DFG-B测汞仪在每年的2、5、8、11月分别进行季度检查，12月仪器校准更换校准系数K，校准系数不稳定，变化范围较大1。因此，DFG-B仪器测试结果相对不稳定。

自2011年以来，DFG-B未更换或清洗过捕汞管，经过长时间使用的捕汞管会在金丝表面形成金汞齐，降低了捕汞管效率。因此，DFG-B测汞仪对汞的波动不灵敏，存在着捕汞管污染和老化。当大量的汞附着在捕汞管上时，极易造成测值的突跳或持续高值现象。而且当空气中汞的浓度较高时，对仪器的传感器也会造成一定的损害，易引起测值的不稳定性。

3 结论

为了核实2014年2月9日内蒙古赤峰地震台1号井的井口逸出气汞浓度出现高值突生的异常现象，笔者通过ATG-6138M与DFG-B测汞仪的对比观测结果，得到了以下一些认识：

（1）此次气汞浓度的异常是由于观测井房内汞源泄露和DFG-B测汞仪捕汞管污染和老化造成的。建议在气汞的观测中，汞源要与仪器分别放置，以避免汞源泄露对观测环境造成污染；其次要定期更换捕汞管，对于非自流井宜采用浮动罩式集气装置，以确保观测数据的准确。

（2）ATG-6138M测汞仪观测较为稳定，测试过程中未见明显的数据突跳现象，而且其采气量较小，适合井口逸出气体量小的特点。但是，鉴于仪器使用时间较短，还需要进行较大范围的仪器试验与实际观测应用，才能更好地判定该仪器给出的性能指标。

（3）我国地震地下流体台站所使用的气汞观测仪器，普遍存在使用时间较长、仪器老化严重、测试精度不高的问题，容易出现数据突跳等干扰异常，给震情判定工作带来一定的困扰和误导。建议使用更加稳定可靠的新型汞观测仪器对现有设备进行升级和改造。

致谢：感谢内蒙古自治区地震局高立新研究员和赤峰地震台孔祥福工程师以及杭州超距科技有限公司周超技术员为本文提供的帮助。

金仰芬，伍宗华，黄宏库等，1987．汞量测量监测预报地震的前景．地震，7（5）：6—11.

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刘翔，付虹，吴国华等，2014．2011年盈江5.8级地震前近场流体异常初探. 地震研究，37（3）：354—361.

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伍宗华，金仰芬，古平等，1994. 汞的勘查地球化学. 北京：地质出版社.

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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

地震行业科研专项（201308006）资助

2高小其，郭丽爽，任宏微等，2013. 地下流体化学量观测技术发展动态调研报告.

1梁莹，2014. 异常核实——2014年3月29日内蒙古赤峰台气汞.

2015-12-23

郭丽爽，女，生于1983年。2011年获得理学博士，中国地震局地壳应力研究所助理研究员。主要从事地下流体地球化学研究。E-mail: guolsh02@163.com

刘耀炜，男，生于1957年。研究员。主要研究方向：地下流体动力学与地震监测预报。E-mail：liuyw20080512@126.com