地震地下流體汞前兆監測現狀與發展方向①

郭麗爽, 劉耀煒, 張　磊, 劉冬英, 李旖雯

(1.中國地震局地殼應力研究所(地殼動力學重點實驗室),北京 100085；2.南京農業大學,江蘇 南京 210095)

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報道綜述

地震地下流體汞前兆監測現狀與發展方向①

郭麗爽1, 劉耀煒1, 張磊1, 劉冬英1, 李旖雯2

(1.中國地震局地殼應力研究所(地殼動力學重點實驗室),北京 100085；2.南京農業大學,江蘇 南京 210095)

摘要:汞是地震地下流體化學量前兆監測中的重要測項之一,在地震監測預測和活斷層探測方面得到廣泛應用。自1985年把測汞技術引用到地震監測預測中以來,建成了以水汞和氣汞為對象的汞前兆監測網,并獲得了較好的震例。本文闡述地震行業汞觀測發展歷程,概述測汞儀類型和典型技術,同時也提出汞觀測中亟需解決的問題,并對汞監測技術的發展方向提出了建議。

關鍵詞:地震地下流體； 汞； 前兆監測； 汞觀測技術； 發展方向

0引言

在地震行業中,汞的前兆監測起步較晚。1985年開始,我國才首次將汞測量應用于地震監測預測[1]。經過二十多年的觀測以及室內模擬與野外觀測實驗的開展,發現土壤氣汞不僅可以用來開展城市活斷層探測[2-4],而且汞的動態異常變化與地震活動在時空分布上也密切相關,特別是在地震短臨監測預測中可以發揮顯著作用[4-11]。因此,汞是繼氡之后的又一項水化學預測地震的重要前兆指標。

既然汞觀測是地震監測預測的一項重要手段,那么對汞進行準確、穩定的觀測顯得尤為關鍵。為此,本文在查閱前人研究成果的基礎上,概述我國地震行業汞觀測發展歷程,介紹國內外測汞儀的技術特點,通過對地震地下流體汞前兆監測現狀的梳理,總結目前汞觀測中出現的問題,并提出可能的解決方案,以期對今后汞觀測儀器的發展方向提出新的建議。

1汞觀測的發展歷程

在我國,地下流體觀測網按照觀測功能和技術指標要求,分為固定觀測網和流動觀測網兩類[12]。固定觀測中的汞濃度測量,包括水汞(水中化合汞和單質汞的總和)和氣汞(水的溶解氣和逸出氣中的汞，或斷層土壤(巖石)氣中的汞)兩種觀測對象，通過觀測汞濃度隨時間的變化,來獲得地震前兆信息;流動觀測中的汞濃度觀測主要是氣汞濃度。

1.1固定觀測

1984年在首都圈地區開始進行地下水中水汞濃度與地震關系的研究。爆破試驗和水壓致裂實驗表明,汞作為地震前兆的靈敏觀測項目具有獨特的優越性,并獲得了一些很好的震例[4-11]。1988年開始,以華北、云南、西北地區為主,在全國建立了一定規模的水汞和氣汞觀測站,主要使用XG-4型測汞儀和XG-5Z型塞曼測汞儀進行水汞濃度的固定觀測,使用JM-4型金膜測汞儀開展氣汞濃度觀測[2]。研究者希望通過追蹤捕捉到在地震孕育過程中甚至發震時汞濃度的連續變化,為此提出了對汞濃度實現連續自動觀測的要求。“九五”期間研制成功的DFG-B型數字化測汞儀真正實現了氣汞的數字化連續觀測,并在我國地震地下流體觀測網中推廣使用。“十五”期間中國地震局地震預測研究所研制了RG-BS型智能數字測汞儀,供全國地下流體水汞監測臺使用。目前,根據地下流體學科技術管理組統計,全國30個省市地震局和4個京區地震系統研究所共有67個地下流體觀測井(點),包括23個水汞測項和54個氣汞測項，共85套觀測儀器。全國汞觀測臺點的分布圖見圖1。由圖可見,地下流體汞的觀測,不僅觀測站(點)少,而且存在東密西疏的現象,影響強震震前信息的捕捉。

圖1　我國汞觀測臺網分布圖Fig.1　Mercury observation netwotk of China

1.2流動觀測

在1978年唐山7.8級地震等強震區,以及1998年張北—尚義6.2級地震前后,開展了流動觀測并取得了重要的異常信息,為地震短期預測和震后趨勢判定提供了重要依據[13]。因此,“九五”期間首都圈防震減災示范區工程,把地下流體流動觀測正式列為建設項目,在京津冀地區建立了由12個觀測井(泉)組成的地下流體流動觀測網,進行了背景動態觀測。“十五”期間,我國在華北、西北、西南建設了3個技術先進的流動觀測技術系統,主要任務是進行主要固定觀測站的背景值觀測；在強震危險區或危險區進入短期階段開展加密觀測；在出現宏微觀異常時進行現場監測,評估異常的可靠性；在強震發生后開展現場監測,承擔震后震情判定任務。

2汞觀測儀器

2.1地震監測中的測汞儀

目前我國地震地下流體前兆觀測中使用的水汞測汞儀主要為XG-4測汞儀和RG-BS測汞儀,氣汞測汞儀主要為DFG-B測汞儀和RG-BQZ測汞儀,以及少量的ATG-6138M測汞儀。

XG-4型測汞儀是汞監測中最早開始使用的儀器,但該儀器已經停產,不能滿足已有儀器的維修。RG-BS測汞儀是“十五”期間地震系統自行研發的儀器,在全國9個省市有12套儀器正在使用。DFG-B測汞儀是1996年研制成功的智能測汞儀,“九五”期間中國地震局開展了前兆數字觀測技術研究,對DFG-B型智能測汞儀進行了較大的改進和完善,使得儀器可以連續自動地監測氣汞,目前全國7個省市有12套儀器正在運行觀測。RG-BQZ測汞儀作為數字化氣汞分析儀,在“十五”期間開始運行使用,目前在全國11個省市有36套儀器正在運行。ATG-6138M測汞儀從2012年開始進行實驗觀測，目前有13套儀器在8個省市地震局開展觀測。

2.2國內外測汞技術的發展

汞的測試方法有:冷原子吸收光譜法、原子熒光光譜法、金膜傳感器法(表1)、分光光度法、電熱原子吸收光譜法、電感耦合等離子體質譜法、X射線熒光光譜法和同位素稀釋質譜法等。冷原子吸收光譜法是目前痕量汞分析中應用最廣泛的方法之一;原子熒光光譜法是一種獨特的痕量分析技術,兼有原子發射和原子吸收光譜法的優點;金膜傳感器法是近幾年來國內迅速發展起來的一種測試方法。本文主要對這三種測試方法相對應的測汞儀發展現狀進行闡述。

表1　各類測汞儀的相關參數

(1) 冷原子吸收光譜型測汞儀

目前地震前兆監測中使用的主要是冷原子吸收光譜型測汞儀,如XG-4測汞儀、RG-BS測汞儀、DFG-B測汞儀和RG-BQZ測汞儀(表1)。這四種測汞儀的測試原理相同,都采用金絲捕汞法進行汞的預富集,定期用飽和汞蒸汽法對儀器進行校準,區別在于DFG-B測汞儀和RG-BQZ測汞儀可以自動連續觀測氣汞，XG-4測汞儀和RG-BS測汞儀用來進行人工水汞觀測。這幾種測汞儀的檢出限為0.08 ng,但穩定性較差,不能滿足地震觀測的需求。中國地質科學院地球物理地球化學勘察研究所研發生產的XG-7Z測汞儀,在冷原子吸收技術的基礎上增加了塞曼效應抗干擾技術,可以克服樣品中少量硫化物和有機物的干擾,增加了熱解爐,可以獲得不同賦存狀態汞的含量[14]。

國際上的冷原子吸收光譜型測汞儀有俄羅斯劉梅克斯公司生產的RA-915AM測汞儀。該儀器在冷原子吸收光譜的技術上增加了塞曼效應高頻調制偏振光[15]、多通道吸收池(光程10 m)和樣品熱解技術,有效地消除了非選擇性的背景干擾,分析準確度和重現性大幅度提高。該儀器能夠直接對環境空氣和氣體樣品中的汞進行連續監測；具有內置汞校準池,能自動進行基線漂移和量程校正以及系統自檢,保證測試結果穩定可靠。但該儀器需要大流量采樣,最小采樣量為4 L/min,不能滿足地震監測站點氣量小的需求。德國邁爾斯通公司生產的DMA80全自動測汞儀、日本株式會社生產的MA-2000測汞儀和美國Leco公司生產的AMA254汞分析儀等都增加了樣品熱解技術,均可直接測試固態和液態樣品,從而避免了汞在樣品處理中的揮發損失、相互沾污和污染環境等問題,確保分析數據的正確性。DMA80全自動測汞儀檢出限較高(質量檢出限為0.02 ng,濃度檢出限為0.2 ng/g),MA-2000測汞儀(檢出限0.005 ng)和AMA254汞分析儀(氣體濃度檢出限為0.06 ng/m3,固體濃度檢出限為0.02 ng/g)的檢出限相對較低,但進口儀器購買和維修成本高,不適合在臺站進行大范圍使用。

(2) 冷原子熒光光譜型測汞儀

冷原子熒光光譜型測汞儀有加拿大生產的Tekran2537A測汞儀。該儀器采用雙金管采樣,與現在使用的金絲捕汞管相比大大提高了分析速度,可實時在線連續監測環境大氣中的各種形態汞,該儀器對大氣氣態總汞的測定已經獲得了全球學者的統一認可[16]。

(3) 金膜型測汞儀

金膜型測汞儀主要有國內生產的ATG-6138M痕量汞在線分析儀、ATL-2000半自動水汞儀以及ATG-200M便攜式測汞儀(表1)。ATG-6138M痕量汞在線分析儀主要用來對氣汞進行連續監測[4],ATL-2000半自動水汞儀主要用來進行水汞觀測,而ATG-200M便攜式測汞儀主要用來進行氣汞的流動測量。這三種儀器靈敏度較高,絕對檢出限低至5×10-4ng汞,相對檢出限分別為0.1 ng/m3和0.1×10-3ng/L,滿足井泉水中低含量汞的測試需求。采樣量為300～400mL/min,能滿足氣汞監測中氣量小的需求。目前該類型測汞儀正在河北懷來臺、安徽廬江臺、中國地震局地殼應力研究所地下流體動力學實驗室、中國地震臺網中心流動觀測實驗室等場地進行對比觀測,也有一些臺站已經開始用這類儀器進行日常觀測,如新疆局地下流體中心、山東聊城臺、江西九江臺等。它的觀測結果與其他儀器有一定的可比性,且儀器穩定性好,滿足地震前兆監測中長期連續觀測的需要。

(4) 小結

綜上所述,不同類型測汞儀都具有其自身特點和優勢,但從地震監測預報的需求來看,有幾個技術特點是值得地震地下流體前兆觀測中所使用的測汞儀借鑒和具備的。首先,極低的檢出限和較寬的線性范圍,滿足地下流體中極低的汞背景值以及較大變化范圍的觀測需求；其次,高效捕汞器,提高捕汞效率,減少了采樣量,滿足氣汞監測中氣量小的需求；第三,增加塞曼效應高頻調制偏振光技術,有效地消除了非選擇性的背景干擾,提高分析準確度；第四,內置汞校準池,不僅能進行自動基線漂移和量程校正以及系統自檢,保證儀器結果穩定可靠,同時也避免了外置汞源存放帶來的環境污染和人身傷害。

3汞觀測亟需解決的問題

地下流體汞監測具有以下特點:(1)地下流體中汞濃度變化范圍大,從極低的汞背景值到異常時的異常高值,要求儀器有極低的檢出限和較寬的線性范圍；(2)地下流體樣品的濕度大,要求儀器有較強的抗干擾能力；(3)地下流體汞的監測為連續觀測,要求儀器有較高的穩定性和較強的環境適應性。因此,影響汞的固定觀測效果的因素也就比較多,主要包括環境因素、觀測系統的影響以及儀器校準和儀器老化等,這些影響因素也是汞觀測中亟需解決的技術問題。

3.1背景干擾

汞觀測環境存在的一些問題,如蒸餾水和化學試劑中較高的汞濃度、氣汞觀測中氣體的干燥程度等,都影響到儀器測值的準確性[17-23]。張文男等[20]通過改變水汞觀測中化學試劑的用量來分析水汞觀測的干擾因素,發現硫酸是影響水汞觀測結果穩定性的主要因素之一。

3.2觀測系統

觀測系統中硅膠管的吸附作用、捕汞管的銹蝕老化、脫氣裝置等是影響儀器測值準確性和穩定性的主要因素。

人工測汞儀氣路中硅膠管對汞的吸附水平受其本身溫度及長度的影響[17],硅膠管對汞較強的吸附作用和氣路的記憶效應等,可能造成測量結果偏高[19,22],數字化氣汞儀也存在同樣的問題[23]。氣汞觀測中測汞儀的捕汞管在高溫、潮濕的環境下易銹蝕,導致捕汞效率逐漸降低,造成測值的突跳或持續高值現象[24]。另外,不同批次不同廠家的捕汞管的捕汞能力也有一定的差異,影響捕汞能力大小的主要原因是捕汞管進氣的孔徑大小及其內部金膜面積的大小[23]。井口脫氣裝置是數字化氣汞觀測系統的一個重要技術環節,在觀測過程中,各觀測(井)泉的實際情況不同,按水溫高低分類有熱水井和冷水井,按流量大小分類有大流量井、小流量井、抽水井和非抽水井等,井口裝置應因井而異,不同類型的觀測井應采用不同類型的井口裝置,包括脫氣裝置的材料、大小與形狀、排水口設計等方面[23]。

3.3儀器校準

全國臺站使用的測汞儀都是使用飽和汞蒸氣法對儀器進行校準。但該校準方法存在一些缺點,比如,汞在常溫下具有明顯的蒸氣壓力,且蒸氣壓力、蒸發速度和蒸氣濃度均隨著溫度的升高而急劇增加,在室溫條件下,溫度每增加1 ℃,飽和汞蒸氣濃度大體增高9%左右,所以溫度與汞的測量結果密切相關,因此,飽和汞蒸氣溫度的穩定和濃度的均一對測汞儀校準的準確性非常重要。采用簡易汞源存放液態汞,造成液態汞的泄露并污染觀測室,使空氣中汞濃度升高,直接影響到觀測結果的可靠性。因此,安全精確的汞蒸氣校準方法對測汞儀的準確測試至關重要。另外,純液體汞如果保存不當,其強烈揮發可造成實驗室的污染以及對人體健康的危害。

3.4儀器老化

地震系統目前使用的測汞儀老化嚴重[24],穩定性比較差,而且部分儀器如XG-4型測汞儀和DFG-B測汞儀已經停產,出現故障后不能維修。目前臺站所使用的氣汞觀測儀的故障率較高,全年運行率低,造成觀測數據的不連續,給前兆信息異常提取帶來困難。因此亟待更新改造,需要更換為高靈敏度和高穩定性的測汞儀,進而保證觀測數據的穩定性和連續性。

4結果與展望

(1) 汞觀測臺站較少,且分布不均,存在東密西疏的現象,影響了強震震前信息的捕捉。

(2) 隨著科技進步,國內外測汞儀的測試技術都有顯著提高,內置汞源自動校準保證儀器結果穩定可靠,塞曼效應高頻調制偏振光技術有效地消除了非選擇性的背景干擾,無需預富集的全自動測量徹底避免了汞在樣品處理中的揮發損失、相互沾污和污染環境等問題。這些測汞技術的提高也為汞在地震預報中重要作用的發揮帶來了新的希望。

(3) 目前,我國地震地下流體汞前兆監測中的測汞儀還是使用“九五”、“十五”期間研發生產的儀器以及更老的XG-4測汞儀。這些儀器在背景干擾、儀器觀測系統、儀器校準等方面存在的缺點和不足都嚴重影響著觀測數據質量。在現有條件下,應盡量改善觀測環境,提高觀測技術,引進其他行業質量可靠、觀測技術符合地震行業需求的新儀器,更新改造嚴重老化和故障頻發的儀器,提升地下流體汞觀測儀器的技術指標,才能更好地保證汞在地震預測中的重要作用。

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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

中圖分類號:P315.72+4

文獻標志碼:A

文章編號:1000-0844(2016)02-0303-06

作者簡介:郭麗爽(1983-)，女，助理研究員，現從事地下流體地球化學研究。E-mail:guolsh02@163.com。

基金項目:地震行業科研專項(201308006)

收稿日期:①2015-04-21