地震地下流体汞前兆监测现状与发展方向①

郭丽爽, 刘耀炜, 张　磊, 刘冬英, 李旖雯

(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.南京农业大学,江苏 南京 210095)



报道综述

地震地下流体汞前兆监测现状与发展方向①

郭丽爽1, 刘耀炜1, 张磊1, 刘冬英1, 李旖雯2

(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.南京农业大学,江苏 南京 210095)

摘要:汞是地震地下流体化学量前兆监测中的重要测项之一,在地震监测预测和活断层探测方面得到广泛应用。自1985年把测汞技术引用到地震监测预测中以来,建成了以水汞和气汞为对象的汞前兆监测网,并获得了较好的震例。本文阐述地震行业汞观测发展历程,概述测汞仪类型和典型技术,同时也提出汞观测中亟需解决的问题,并对汞监测技术的发展方向提出了建议。

关键词:地震地下流体； 汞； 前兆监测； 汞观测技术； 发展方向

0引言

在地震行业中,汞的前兆监测起步较晚。1985年开始,我国才首次将汞测量应用于地震监测预测[1]。经过二十多年的观测以及室内模拟与野外观测实验的开展,发现土壤气汞不仅可以用来开展城市活断层探测[2-4],而且汞的动态异常变化与地震活动在时空分布上也密切相关,特别是在地震短临监测预测中可以发挥显著作用[4-11]。因此,汞是继氡之后的又一项水化学预测地震的重要前兆指标。

既然汞观测是地震监测预测的一项重要手段,那么对汞进行准确、稳定的观测显得尤为关键。为此,本文在查阅前人研究成果的基础上,概述我国地震行业汞观测发展历程,介绍国内外测汞仪的技术特点,通过对地震地下流体汞前兆监测现状的梳理,总结目前汞观测中出现的问题,并提出可能的解决方案,以期对今后汞观测仪器的发展方向提出新的建议。

1汞观测的发展历程

在我国,地下流体观测网按照观测功能和技术指标要求,分为固定观测网和流动观测网两类[12]。固定观测中的汞浓度测量,包括水汞(水中化合汞和单质汞的总和)和气汞(水的溶解气和逸出气中的汞，或断层土壤(岩石)气中的汞)两种观测对象，通过观测汞浓度随时间的变化,来获得地震前兆信息;流动观测中的汞浓度观测主要是气汞浓度。

1.1固定观测

1984年在首都圈地区开始进行地下水中水汞浓度与地震关系的研究。爆破试验和水压致裂实验表明,汞作为地震前兆的灵敏观测项目具有独特的优越性,并获得了一些很好的震例[4-11]。1988年开始,以华北、云南、西北地区为主,在全国建立了一定规模的水汞和气汞观测站,主要使用XG-4型测汞仪和XG-5Z型塞曼测汞仪进行水汞浓度的固定观测,使用JM-4型金膜测汞仪开展气汞浓度观测[2]。研究者希望通过追踪捕捉到在地震孕育过程中甚至发震时汞浓度的连续变化,为此提出了对汞浓度实现连续自动观测的要求。“九五”期间研制成功的DFG-B型数字化测汞仪真正实现了气汞的数字化连续观测,并在我国地震地下流体观测网中推广使用。“十五”期间中国地震局地震预测研究所研制了RG-BS型智能数字测汞仪,供全国地下流体水汞监测台使用。目前,根据地下流体学科技术管理组统计,全国30个省市地震局和4个京区地震系统研究所共有67个地下流体观测井(点),包括23个水汞测项和54个气汞测项，共85套观测仪器。全国汞观测台点的分布图见图1。由图可见,地下流体汞的观测,不仅观测站(点)少,而且存在东密西疏的现象,影响强震震前信息的捕捉。

图1　我国汞观测台网分布图Fig.1　Mercury observation netwotk of China

1.2流动观测

在1978年唐山7.8级地震等强震区,以及1998年张北—尚义6.2级地震前后,开展了流动观测并取得了重要的异常信息,为地震短期预测和震后趋势判定提供了重要依据[13]。因此,“九五”期间首都圈防震减灾示范区工程,把地下流体流动观测正式列为建设项目,在京津冀地区建立了由12个观测井(泉)组成的地下流体流动观测网,进行了背景动态观测。“十五”期间,我国在华北、西北、西南建设了3个技术先进的流动观测技术系统,主要任务是进行主要固定观测站的背景值观测；在强震危险区或危险区进入短期阶段开展加密观测；在出现宏微观异常时进行现场监测,评估异常的可靠性；在强震发生后开展现场监测,承担震后震情判定任务。

2汞观测仪器

2.1地震监测中的测汞仪

目前我国地震地下流体前兆观测中使用的水汞测汞仪主要为XG-4测汞仪和RG-BS测汞仪,气汞测汞仪主要为DFG-B测汞仪和RG-BQZ测汞仪,以及少量的ATG-6138M测汞仪。

XG-4型测汞仪是汞监测中最早开始使用的仪器,但该仪器已经停产,不能满足已有仪器的维修。RG-BS测汞仪是“十五”期间地震系统自行研发的仪器,在全国9个省市有12套仪器正在使用。DFG-B测汞仪是1996年研制成功的智能测汞仪,“九五”期间中国地震局开展了前兆数字观测技术研究,对DFG-B型智能测汞仪进行了较大的改进和完善,使得仪器可以连续自动地监测气汞,目前全国7个省市有12套仪器正在运行观测。RG-BQZ测汞仪作为数字化气汞分析仪,在“十五”期间开始运行使用,目前在全国11个省市有36套仪器正在运行。ATG-6138M测汞仪从2012年开始进行实验观测，目前有13套仪器在8个省市地震局开展观测。

2.2国内外测汞技术的发展

汞的测试方法有:冷原子吸收光谱法、原子荧光光谱法、金膜传感器法(表1)、分光光度法、电热原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法、X射线荧光光谱法和同位素稀释质谱法等。冷原子吸收光谱法是目前痕量汞分析中应用最广泛的方法之一;原子荧光光谱法是一种独特的痕量分析技术,兼有原子发射和原子吸收光谱法的优点;金膜传感器法是近几年来国内迅速发展起来的一种测试方法。本文主要对这三种测试方法相对应的测汞仪发展现状进行阐述。

表1　各类测汞仪的相关参数

(1) 冷原子吸收光谱型测汞仪

目前地震前兆监测中使用的主要是冷原子吸收光谱型测汞仪,如XG-4测汞仪、RG-BS测汞仪、DFG-B测汞仪和RG-BQZ测汞仪(表1)。这四种测汞仪的测试原理相同,都采用金丝捕汞法进行汞的预富集,定期用饱和汞蒸汽法对仪器进行校准,区别在于DFG-B测汞仪和RG-BQZ测汞仪可以自动连续观测气汞，XG-4测汞仪和RG-BS测汞仪用来进行人工水汞观测。这几种测汞仪的检出限为0.08 ng,但稳定性较差,不能满足地震观测的需求。中国地质科学院地球物理地球化学勘察研究所研发生产的XG-7Z测汞仪,在冷原子吸收技术的基础上增加了塞曼效应抗干扰技术,可以克服样品中少量硫化物和有机物的干扰,增加了热解炉,可以获得不同赋存状态汞的含量[14]。

国际上的冷原子吸收光谱型测汞仪有俄罗斯刘梅克斯公司生产的RA-915AM测汞仪。该仪器在冷原子吸收光谱的技术上增加了塞曼效应高频调制偏振光[15]、多通道吸收池(光程10 m)和样品热解技术,有效地消除了非选择性的背景干扰,分析准确度和重现性大幅度提高。该仪器能够直接对环境空气和气体样品中的汞进行连续监测；具有内置汞校准池,能自动进行基线漂移和量程校正以及系统自检,保证测试结果稳定可靠。但该仪器需要大流量采样,最小采样量为4 L/min,不能满足地震监测站点气量小的需求。德国迈尔斯通公司生产的DMA80全自动测汞仪、日本株式会社生产的MA-2000测汞仪和美国Leco公司生产的AMA254汞分析仪等都增加了样品热解技术,均可直接测试固态和液态样品,从而避免了汞在样品处理中的挥发损失、相互沾污和污染环境等问题,确保分析数据的正确性。DMA80全自动测汞仪检出限较高(质量检出限为0.02 ng,浓度检出限为0.2 ng/g),MA-2000测汞仪(检出限0.005 ng)和AMA254汞分析仪(气体浓度检出限为0.06 ng/m3,固体浓度检出限为0.02 ng/g)的检出限相对较低,但进口仪器购买和维修成本高,不适合在台站进行大范围使用。

(2) 冷原子荧光光谱型测汞仪

冷原子荧光光谱型测汞仪有加拿大生产的Tekran2537A测汞仪。该仪器采用双金管采样,与现在使用的金丝捕汞管相比大大提高了分析速度,可实时在线连续监测环境大气中的各种形态汞,该仪器对大气气态总汞的测定已经获得了全球学者的统一认可[16]。

(3) 金膜型测汞仪

金膜型测汞仪主要有国内生产的ATG-6138M痕量汞在线分析仪、ATL-2000半自动水汞仪以及ATG-200M便携式测汞仪(表1)。ATG-6138M痕量汞在线分析仪主要用来对气汞进行连续监测[4],ATL-2000半自动水汞仪主要用来进行水汞观测,而ATG-200M便携式测汞仪主要用来进行气汞的流动测量。这三种仪器灵敏度较高,绝对检出限低至5×10-4ng汞,相对检出限分别为0.1 ng/m3和0.1×10-3ng/L,满足井泉水中低含量汞的测试需求。采样量为300～400mL/min,能满足气汞监测中气量小的需求。目前该类型测汞仪正在河北怀来台、安徽庐江台、中国地震局地壳应力研究所地下流体动力学实验室、中国地震台网中心流动观测实验室等场地进行对比观测,也有一些台站已经开始用这类仪器进行日常观测,如新疆局地下流体中心、山东聊城台、江西九江台等。它的观测结果与其他仪器有一定的可比性,且仪器稳定性好,满足地震前兆监测中长期连续观测的需要。

(4) 小结

综上所述,不同类型测汞仪都具有其自身特点和优势,但从地震监测预报的需求来看,有几个技术特点是值得地震地下流体前兆观测中所使用的测汞仪借鉴和具备的。首先,极低的检出限和较宽的线性范围,满足地下流体中极低的汞背景值以及较大变化范围的观测需求；其次,高效捕汞器,提高捕汞效率,减少了采样量,满足气汞监测中气量小的需求；第三,增加塞曼效应高频调制偏振光技术,有效地消除了非选择性的背景干扰,提高分析准确度；第四,内置汞校准池,不仅能进行自动基线漂移和量程校正以及系统自检,保证仪器结果稳定可靠,同时也避免了外置汞源存放带来的环境污染和人身伤害。

3汞观测亟需解决的问题

地下流体汞监测具有以下特点:(1)地下流体中汞浓度变化范围大,从极低的汞背景值到异常时的异常高值,要求仪器有极低的检出限和较宽的线性范围；(2)地下流体样品的湿度大,要求仪器有较强的抗干扰能力；(3)地下流体汞的监测为连续观测,要求仪器有较高的稳定性和较强的环境适应性。因此,影响汞的固定观测效果的因素也就比较多,主要包括环境因素、观测系统的影响以及仪器校准和仪器老化等,这些影响因素也是汞观测中亟需解决的技术问题。

3.1背景干扰

汞观测环境存在的一些问题,如蒸馏水和化学试剂中较高的汞浓度、气汞观测中气体的干燥程度等,都影响到仪器测值的准确性[17-23]。张文男等[20]通过改变水汞观测中化学试剂的用量来分析水汞观测的干扰因素,发现硫酸是影响水汞观测结果稳定性的主要因素之一。

3.2观测系统

观测系统中硅胶管的吸附作用、捕汞管的锈蚀老化、脱气装置等是影响仪器测值准确性和稳定性的主要因素。

人工测汞仪气路中硅胶管对汞的吸附水平受其本身温度及长度的影响[17],硅胶管对汞较强的吸附作用和气路的记忆效应等,可能造成测量结果偏高[19,22],数字化气汞仪也存在同样的问题[23]。气汞观测中测汞仪的捕汞管在高温、潮湿的环境下易锈蚀,导致捕汞效率逐渐降低,造成测值的突跳或持续高值现象[24]。另外,不同批次不同厂家的捕汞管的捕汞能力也有一定的差异,影响捕汞能力大小的主要原因是捕汞管进气的孔径大小及其内部金膜面积的大小[23]。井口脱气装置是数字化气汞观测系统的一个重要技术环节,在观测过程中,各观测(井)泉的实际情况不同,按水温高低分类有热水井和冷水井,按流量大小分类有大流量井、小流量井、抽水井和非抽水井等,井口装置应因井而异,不同类型的观测井应采用不同类型的井口装置,包括脱气装置的材料、大小与形状、排水口设计等方面[23]。

3.3仪器校准

全国台站使用的测汞仪都是使用饱和汞蒸气法对仪器进行校准。但该校准方法存在一些缺点,比如,汞在常温下具有明显的蒸气压力,且蒸气压力、蒸发速度和蒸气浓度均随着温度的升高而急剧增加,在室温条件下,温度每增加1 ℃,饱和汞蒸气浓度大体增高9%左右,所以温度与汞的测量结果密切相关,因此,饱和汞蒸气温度的稳定和浓度的均一对测汞仪校准的准确性非常重要。采用简易汞源存放液态汞,造成液态汞的泄露并污染观测室,使空气中汞浓度升高,直接影响到观测结果的可靠性。因此,安全精确的汞蒸气校准方法对测汞仪的准确测试至关重要。另外,纯液体汞如果保存不当,其强烈挥发可造成实验室的污染以及对人体健康的危害。

3.4仪器老化

地震系统目前使用的测汞仪老化严重[24],稳定性比较差,而且部分仪器如XG-4型测汞仪和DFG-B测汞仪已经停产,出现故障后不能维修。目前台站所使用的气汞观测仪的故障率较高,全年运行率低,造成观测数据的不连续,给前兆信息异常提取带来困难。因此亟待更新改造,需要更换为高灵敏度和高稳定性的测汞仪,进而保证观测数据的稳定性和连续性。

4结果与展望

(1) 汞观测台站较少,且分布不均,存在东密西疏的现象,影响了强震震前信息的捕捉。

(2) 随着科技进步,国内外测汞仪的测试技术都有显著提高,内置汞源自动校准保证仪器结果稳定可靠,塞曼效应高频调制偏振光技术有效地消除了非选择性的背景干扰,无需预富集的全自动测量彻底避免了汞在样品处理中的挥发损失、相互沾污和污染环境等问题。这些测汞技术的提高也为汞在地震预报中重要作用的发挥带来了新的希望。

(3) 目前,我国地震地下流体汞前兆监测中的测汞仪还是使用“九五”、“十五”期间研发生产的仪器以及更老的XG-4测汞仪。这些仪器在背景干扰、仪器观测系统、仪器校准等方面存在的缺点和不足都严重影响着观测数据质量。在现有条件下,应尽量改善观测环境,提高观测技术,引进其他行业质量可靠、观测技术符合地震行业需求的新仪器,更新改造严重老化和故障频发的仪器,提升地下流体汞观测仪器的技术指标,才能更好地保证汞在地震预测中的重要作用。

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Present Situation and Future Development of the Mercury Precursory Monitoring in China

GUO Li-shuang1, LIU Yao-wei1, ZHANG Lei1, LIU Dong-ying1, LI Yi-wen2

(1.KeyLaboratoryofCrustalDynamics,InstituteofCrustalDynamics,CEA,Beijing100085,China;2.NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,Jiangsum,China)

Abstract:Mercury is important for seismic underground fluid precursory monitoring and thus is widely used in earthquake monitoring and prediction and surveying of active faults.Mercury observation techniques have been used in seismic monitoring and prediction since 1985,and since then a mercury precursory monitoring network has been established to monitor mercury in groundwater and escape gas from groundwater and soil.This has enabled the prediction of a number of earthquakes.In this study,we outline the development course of mercury monitoring,conduct a summary of mercury analysis,and determine urgent issues related to mercury monitoring.

Key words:seismic underground fluid; mercury; precursory monitoring; mercury observation techniques; developing direction

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.02.0303

中图分类号:P315.72+4

文献标志码:A

文章编号:1000-0844(2016)02-0303-06

作者简介:郭丽爽(1983-)，女，助理研究员，现从事地下流体地球化学研究。E-mail:guolsh02@163.com。

基金项目:地震行业科研专项(201308006)

收稿日期:①2015-04-21