怀4 井ATG-6138M 气汞仪干扰因素及质量评价

张 帆，王 江，池海江，姜佳宁，宋晓冰

（1.河北省地震局张家口中心台，河北 张家口 075400；2.河北省地震局监测网络中心，石家庄 050021）

0 引言

汞作为一种敏感的地震前兆指标，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[1-2]。因此，汞是地下流体预报地震的灵敏组分之一，在地震监测预报方面受到了广泛的重视[3]。全国很多地震台站开展汞观测，怀4 井由2008 年开始运行DFG-B 型气汞仪观测，至今10 年有余。目前仪器老化现象严重，造成内在质量较低及曲线动态特征不明显，抗干扰能力变弱，并且经常出现故障。为了进一步提高怀4 井气汞观测质量，必须选取灵敏度更高、性能更加稳定的新型汞观测仪器。2019 年9 月开始试运行ATG-6138M 型气汞仪，该仪器对汞具有极高的灵敏度，检出限高达0.5 ng/m3，可以直接测量，无需富集。ATG-6138M 型气汞仪中的黄金薄膜传感器对于汞元素具有良好的稳定性和选择性。此外，该仪器自身还配有环境温度传感器和气压传感器，可同步进行环境温度和环境气压的辅助观测。本文研究思路主要针对出现的干扰因素进行分类总结，通过研究分析找出其相互间的关系，对分析地震前兆异常、剔除干扰因素有积极的意义。

1 怀4 井概况

1.1 观测井水文地质条件

怀4 井地面海拔高程为487.0 m，井深500.34 m，位于后郝窑热田区，热田分布为NW 向，观测含水层是顶板埋深为278.5 m 的太古界片麻岩破碎带热水层（图1），揭露含水层厚度＞221 m。其构造处于燕山褶断带与祁吕贺兰山字型构造东翼、反射弧复合部位，怀来-蔚县大断裂从本区东南穿过，其北部还有祁吕系歪头山-万家窑断裂，NW 向的施庄大断裂（图2）。怀4 井成井于1972 年，该井为高温热水自流井，水化学类型为SO4-Na 型[4]，矿化度为0.962 g/L，为大气降水渗入地下后经深循环上涌成因的地下热水，是热田区内最深、水温最高的井孔。2001 年在首都圈数字化改造后，怀4 井成为集水氡、水汞、气体、数字水位、数字气氡、数字气汞为一体的多测项观测井。由于受到周边温泉区生活用水开发的影响，水位严重下降，2015 年水位已降至地面以下7.0 m，水温由88 ℃降到73.0 ℃。为了延长该井的观测年限，2007 年对怀4 井进行了降低取水口的改造，保证了数字化及模拟观测资料的连续性。该井水汞在1989 年大同6.1 级地震、1997 年怀安4.7 级地震、1998 年张北6.2 级地震、2002 年沙城4.4 级地震、2014 年涿鹿4.3 级地震前均有较好的短临异常出现。

图1 河北怀来后郝窑地震台怀4 柱状图

图2 怀4 井井区地质构造背景图

1.2 怀4 井水化学观测系统

怀4 井是河北省流体观测手段较完善的高温自流井。2007 年9 月对怀4 井进行了开挖深10 m 的竖井、降低观测井泄流口高程为核心的井孔改造[5-6]（图3）；对于热水井，脱气和脱气后的气体干燥是井口装置的2 个关键环节[7]，脱气桶由桶体、进水管、出气管、双层溅水盘、底座、泄水管等组成。其中，脱气桶利用不锈钢板氩弧焊焊接而成。第一层为使热水较充分的溅落，溅水盘用扁钢和桶体壁固定制作为筛状溅水盘；第二层溅水盘用钢管和底座固定，使高温热水二次脱气。泄水管制成弯形，以免产生虹吸现象，确保在井自流的条件下开展气氡、气汞、水位数字化观测。

图3 怀4 井水化学观测系统图

2 怀4 井ATG-6138M 气汞观测影响因素分析

2.1 观测仪器概况

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在约30 s 内释放出来，被黄金薄膜传感器测定，得出最终汞浓度[8]。ATG-6138M 型气汞仪灵敏度较高，检出限为0.5 ng/m3，可进行气汞的连续观测（表1），每次测量富集5 min，流量约315 mL/min。

表1 ATG-6138M 型痕量汞在线自动分析仪仪器性能指标

2.2 干扰因素分析

通过分析怀4 井逸出气汞仪观测数据，系统归纳分类整理主要存在6 种干扰因素。

2.2.1 脱气-集气装置的影响

对于热水井而言，捕汞管在高温、潮湿的环境下易锈蚀，造成捕汞管吸附率逐渐下降，所以脱气后的气体干燥是仪器正常观测的重要环节。2020 年4 月11 日6—9 时气汞测值阶升是由于脱气-集气装置连接缓冲器漏气引起（图4），变化幅度为0.137 049 ng/L。当缓冲器存在部分漏气时，汞值有逐渐偏低现象，故障修复后造成气汞测值阶升。

图4 管路部分漏气干扰

2.2.2 人为取气样的影响

每天6 时左右人工采集气相色谱实验所需气体，造成气汞测值变化。在采集气体过程中，由于利用排水集气法，造成进入气汞仪中的气体含量减少，06 时后测值突降（图5），变化幅度为0.144 ng/L。

图5 人为取气样干扰

2.2.3 井水位变化的影响

由于怀4 井周边经常受到华电2 井抽水及温泉开发区生活用水干扰，2020 年4 月2 日15 时—17 时，由于华电2 井停止抽水，水位突然上升（图6），气汞测值相应发生变化幅度为0.524 69 ng/L。

图6 水位升高造成气汞测值升高

2.2.4 电调系数的干扰

电压不稳定造成测值不稳定的情况很多。而保证数据稳定，电调系数（ER）在ATG-6138M 型气汞仪运行观测时是重要环节。由于数字化测汞仪器加热方式的限制，造成电调系数会随着电压变化，导致电调系数随之改变，对于ATG-6138M 测汞仪最佳电调系数在1 000～1 200 之间。2020 年2 月23 日1—3 时，由于电调系数变化，造成数据突跳（图7）。

图7 电调系数造成干扰

2.2.5 更换捕汞管干扰

捕汞管是测汞仪非常重要的元件之一，它的作用是吸附气样中被还原为游离态的汞，然后经过高温又将汞释放，得到汞浓度测值。按照《地下流体观测规范》，每季度进行捕汞管更换及校准工作。3 月27—28 日造成数据缺测，同时测值出现升高（图8），变化幅度为0.194 796 ng/L。

图8 更换捕汞管干扰

2.2.6 更换滤膜干扰

在实际观测工作中干燥处理是气汞测项连续稳定，提高记录地下信息灵敏性的关键环节。因此对于热水观测井而言，被测气体应做干燥处理，由于汞具有很强的穿透性和蒸发性，在脱气之后，仍然包含有大量的水蒸汽[9]。怀4 井自2020 年因受到当地热水资源保护政策，水流量变大，水位上升较快，导致仪器内干燥滤膜受潮。2020 年5 月28 日10 时发现测值降低，11 时进行更换滤膜之后，测值升高（图9），变化幅度为 0.8 ng/L。

图9 更换滤膜干扰

3 怀4 井ATG-6138M 型测汞仪运行质量评价

怀4 井ATG-6138M 型 测 汞 仪2020 年1 月1 日正式入省局数据库，将原怀4 井DFG-B 测汞仪进行替换，选取相同时间段内数据进行对比分析。按照《专业设备观测数据质量评价标准》分析DFG-B 测汞仪与ATG-6138M 测汞仪之间的动态稳定性及内在质量，要求动态稳定性：一阶差分值的标准差小于等于0.2；同时保证内在质量：一阶差分序列超过3 倍均方差的百分比小于等于2%。

选取2019 年10 月1 日至2020 年5 月31 日DFGB 型气汞仪ATG-6138M 型测汞仪数据进行对比分析（表2）。由表中可看出，DFG-B 型气汞仪整点值一阶差分值平均标准差为0.049，ATG-6138M 型测汞仪整点值一阶差分值平均标准差为0.028；DFGB 型气汞仪一阶差分值超过其3 倍均方差的平均次数为24 次，所占百分比为3.20%，ATG-6138M 型测汞仪一阶差分值超过其3 倍均方差的平均次数为6 次，所占百分比为0.89%。其中4 月份，由于仪器无法进行直流供电，原仪器寄送厂家检修，启用备机仪器，造成超差数相对其他月份升高。通过数据对比得到ATG-6138M 型测汞仪动态稳定性及内在质量都优于DFG-B 型气汞仪。

表2 DFG-B 测汞仪与ATG-6138M 测汞仪运行质量评价对比

由于两台仪器测量原理不同，造成测值数据变化较大。从图10 中发现，DFG-B 型气汞仪测量逸出气汞浓度值较低，受仪器老化原因，测值在检出限附近，动态曲线不明显，于2019 年怀4 井进行脱气桶更换后造成测值升高，而其他数字化测项并未发现同步变化。而ATG-6138M 型测汞仪灵敏度较高，有较为明显的动态特征变化（图11），与观测室温度、动水位变化均有清晰的同步变化。

图10 2019 年1—12 月DFG-B 型气汞仪测值整点值图

图11 2020 年1—4 月ATG-6138M 型测汞仪与观测室温度及水位对比图

4 怀4 井ATG-6138M 型气汞仪与温度、气压、水位之间的关系

由图看出，ATG-6138M 型测汞仪观测较稳定，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[10]。通过与同一井口其他数字化测项进行对比分析，气汞浓度与水位有同步升高的趋势。与此同时，利用origin数据分析计算，气汞浓度与观测室温度相关系数为0.689 65，与水位相关系数为0.452 93，而与气压只有0.106 71。通过曲线对比和数据分析相关系数对比，说明观测室温度和观测井水位变化对气汞浓度变化呈正相关（表3，图12～13），而气压影响作用相对较弱（图14）。但是，鉴于仪器使用时间较短，未能观测到其年变动态，还需要进行较长时间的实际观测应用，才能更好地判定该仪器给出的性能指标；同时在排除各种干扰因素的前提下，更好地提取地下流体观测孕育的信息[11-12]。

图12 气汞浓度与观测室温度散点图

图13 气汞浓度与水位散点图

图14 气汞浓度与观测室气压散点图

表3 气汞浓度与温度、气压、水位之间相关性计算结果

5 结论与认识

2020 年1 月怀4 井ATG-6138M 型测汞仪正式入网观测，由于仪器使用时间较短，现阶段干扰因素主要包括：脱气-集气装置漏气、更换滤膜和捕汞管、电调系数不稳，人为取气样（气相色谱化验所需气体）干扰以及动水位的影响。通过对怀来后郝窑地震台怀4 井ATG-6138M 型测汞仪干扰因素及运行质量分析得出以下结论与认识。

1）脱气装置故障干扰引起气汞测值变化的原因主要包括两方面：一方面气路连接缓冲器松动引起；另一方面脱气桶在高温热水井观测应用中易腐蚀，造成脱气效果减弱，对于高温热水井水化学观测应固定检查及更换脱气桶。因此脱气-集气装置是实现气汞数字化观测的最基础环节，该装置的稳定性和合理性对于获取可靠的观测结果具有重要的作用。

2）通过两台仪器对比观测，从运行率、一阶差分相对标准差及内在质量对比分析可知，ATG-6138M 测汞仪观测较为稳定，动态稳定性符合《地下流体专业技术设备评价》，实验过程中未见明显的数据突跳现象，认为ATG-6138M 型测汞仪性能优于老化的DFG-B 型测汞仪。

3）运用气汞观测资料分析异常与地震的关系时，排除干扰因素是前提，应将地下水开采、人为干扰予以识别和排除；同时对脱气-集气装置和缓冲器进行合理性设计，运用origin 数据分析软件计算可得，怀4 井气汞观测浓度值与观测室温度与水位有一定程度的相关性，而观测室气压影响很小。因此，保持观测室温度相对稳定，有利于提高气汞观测资料的内在质量。