水源污染對姑咱海子泉氣汞和氣氡觀測的干擾分析

劉仕錦，田思留，李志鵬，李學川，趙 冬，袁 梅，陳 超

(四川省地震局康定地震中心站，四川 姑咱 626001)

隨著對地震前兆研究的不斷深入，研究人員開展了與深部信息有關的、反映地震的新靈敏組分的探索, 試圖獲取來自深部或是來自震源的地球化學信息, 擴大研究領域(張煒等，1989)。由于地下水中逸出氣對地下深處的應力—應變反應靈敏，攜帶的信息量也較為豐富(武建華等，2002)，氣汞、氣氡、二氧化碳等地球化學測項在很多強震前異常十分顯著，具有很強的映震靈敏性，而且井孔逸出氣較溶解氣更加靈敏(車用太等，1995；郭麗爽等，2016；魏家珍等，1992)。我國氣氡觀測始于1986年(李祥等，2012)，1985年首次將汞測量應用于地震監測預測(張煒等，1989)。“九五”和“十五”期間對氡和汞的觀測完成了由模擬觀測向數字化觀測的轉變。觀測技術更新，數據產出量成倍增加，無疑對開展地震預測預報具有積極作用。但數字化觀測為連續觀測，要求儀器有較高的穩定性和較強的環境適應性(郭麗爽等，2016)。因此如何保障觀測系統正常運行，產出連續、可靠的觀測數據，就成為實際觀測中亟需解決的技術問題。另外幾十年的地震監測實踐表明，前兆儀器觀測得到的是多種成因、多種頻帶與幅度不等的綜合信息，通常比較復雜，既有地殼異常活動的信息及地震活動信息，也有觀測系統變化及人類活動干擾的信息(車用太等，2000)，如何排除干擾，識別異常是地震預測預報中常常面臨的難題。2018年12月姑咱海子泉氣汞和氣氡出現較為明顯的異常，本文對開展的異常調查情況進行梳理，綜合分析判定異常性質，為今后開展日常監測工作和地震分析預報提供參考。

1 姑咱海子泉概況

姑咱海子泉地處北西向鮮水河斷裂帶、北東向龍門山斷裂帶和南北向安寧河斷裂帶的復合部位靠北地段，位于雞心梁子背斜的核部第三期中性江咀閃長巖和第四期的酸性瓦斯溝斜長花崗巖體的接觸部位。臺站所在的康定地區構造運動十分強烈，巖石破碎，地下水發育充分，有一系列泉點出露。泉點分為姑咱南泉和姑咱海子兩個泉點，南泉出露于姑咱海子南5 m遠的坡腳下，屬于下降泉；姑咱海子泉出露處是一個面積為11.9×9.2 m2,水深為3.6 m的橢圓型水池，屬天然上升冷泉，水溫9.5～12.0℃,流量220～400 L/s，水質類型HCO3-Ca型(姑咱水氡站綜合清理專題研究小組，1984)。姑咱海子泉距離觀測室20多米，觀測水源用3根直經25 mm鍍鋅鋼管引入儀器房進行觀測。氣汞和氣氡觀測水源不在同一引水管。姑咱氣氡觀測于2007年8月安裝投入觀測，觀測儀器為SD-3A型自動測氡儀，靈敏度≥0.5 Bq/L。前后使用了兩種獲得氣體的脫氣-集氣裝置，通過濺落式集氣-脫氣裝置和自吸式脫氣-集氣裝置兩種對比觀測后，2015年改造成自吸式脫氣裝置，同時在泉水引水管和脫氣裝置之間增設了一個恒流箱的裝置。氣汞觀測于2016年11月安裝ATG-6138M痕量汞在線分析儀，所用脫氣裝置為濺落式脫氣裝置，2017年1月開始正式運行。該儀器靈敏度較高，絕對和相對檢出限低，滿足井泉水中低含量汞的監測需求；采樣量為300～400 mL/min，能滿足氣汞監測中氣量小的需求(郭麗爽等，2016)。該泉1970年開始水氡觀測。歷史資料表明，甘孜藏族自治州及鄰區多次發生5.0級以上地震前，姑咱水氡和氣氡均有不同程度的短臨異常和趨勢異常，特別是1973年爐霍MS7.9級和1976年松平MS7.2級地震前，姑咱水氡所表現出的臨震突跳異常，說明姑咱海子泉位于地下應力較強的敏感地段，其水氡變化能間接反映地下應力情況，有較強映震能力(車用太等，2002；李志鵬等，2011，2015)。

2 異常調查與分析

2.1 異常特征及現場核實

2018年12月18日姑咱水化綜合臺觀測員檢查儀器時，發現姑咱海子泉氣汞從2018年12月18日09點開始上升，11時達到0.11 ng/L；12月19日同泉點的氣氡出現上升趨勢，測值高于同期背景值，12月24日大幅突升，最高值達23.6 Bq/L，在2018年12月初也曾出現類似異常變化(見圖1)。對于此次異常變化康定地震中心站高度重視，成立異常核實小組，開展了為期8天的異常現場核實工作。核實工作分成了兩個階段，第一階段主要針對氣汞異常核實(12月19-24日)，第二階段是氣氡出現異常后的核實(25-26日)。通過多次對觀測儀器工作狀態、儀器的檢查、校準和標定以及觀測工作日志等檢查，排除了儀器故障和人為原因造成異常的可能。另外，姑咱地區近期基本沒有降雨，氣溫和氣壓與往年相比也無大的變化，排除了氣象因素的影響。

圖1 姑咱海子泉氣汞和氣氡整點值數據曲線

(1)脫氣裝置系統調查

脫氣裝置系統包括水路、氣路、恒流箱、集-脫氣裝置等。兩個階段的現場異常核實都表明氣汞脫氣裝置系統正常。第一階段多次檢查氣氡脫氣裝置系統正常。2018年12月24日氣氡出現大幅突升后，25日檢查氣氡氣路時發現玻璃轉子流量計小球處于40 mL上下跳動，正常情況下玻璃轉子流量計小球應處于220 mL上下，對比說明進入流量計氣體總量相對正常時有較大幅度減少。查看氣路時發現脫氣裝置進氣口前的恒流箱過濾網上有一層黑色附著物，顏色與以往脫氣裝置故障(氣路阻塞)時明顯不同。對恒流箱和過濾網進行清洗后玻璃轉子流量計測值明顯上升(見圖2)，氣氡測值也下降明顯。從氣路檢查來看，氣氡大幅度上升是由于脫氣裝置氣路不暢所致。

圖2 氣氡脫氣裝置氣路進氣口的阻塞情況和恒流箱清洗前后流量對比

(2)觀測環境調查

第一階段調查：泉點附近無地下水開采；姑咱海子泉、姑咱南泉屬于同一含水層，并有相似成因的淺循環水系，水質均較為清澈，水位、流量無明顯變化，泉眼周圍保持自然狀態，當時認為泉點地表環境沒有遭受明顯的破壞。

圖3 姑咱海子泉周圍環境平面示意圖

第二階段調查：2018年12月25日，發現氣氡氣路進氣口有堵塞現象后，再次對周圍環境進行了仔細查看，發現觀測室院墻外的泉點泄流水道的水面上漂浮著大量泡沫，水坑邊還沉積著一些飯菜之類的東西，于是調查組對泉點附近居民點進行走訪，在走訪中發現姑咱南泉點原有堆放建筑材料的空地已改建成農家樂，人員較多。經了解原有住戶只有幾口人，用水量較小，生活污水原是隨意排放；2018年12月初開辦農家樂，承辦婚宴、酒席之類的，生活用水量較大，按政府要求生活污水不能亂排放，于是將生活污水通過埋設的管道，沿公路引到姑咱海子泉和南泉泉點出水口附近排放。由于排水管道埋入地下，從南泉內有一個管道口和觀測房后面出水溝道的污染情況和要求農家樂對排污進行整改后的情況調查來看，原其排放位置距離姑咱海子泉不到1 m，就在泉點自然泄流口附近(見圖3)。從農家樂老板處了解到，開張后至今承辦了2次宴席，一次宴席所需時間在4～5天，承辦宴席期間，因清洗東西較多，洗衣粉、肥皂和洗潔精之類的洗滌用品用量較大，污水排放就會增大。污水被排到泉點附近，可能存在滲透入泉點，與觀測水源混合的可能，造成觀測水源的污染。宴席承辦時間點與該泉點氣汞和氣氡2018年12月來的兩次大幅上升時間相吻合。

觀測室環境汞污染檢測：12月25日，調查人員對儀器觀測房是否受汞污染進行了檢測。首先拔掉氣汞觀測儀器進氣管，直接測量空氣中的汞含量，經過3次空測，測值均為0，說明觀測室未受汞污染。

2.2 異常分析

(1)主要干擾因素分析

在現場核實調查的基礎上，通過查閱儀器運行工作日志、與臺站觀測人員的交流，對姑咱海子泉和四川地區其它臺站同類觀測儀器的資料主要干擾因素和數據近期變化情況進行了調查分析。

姑咱海子泉主要干擾因素分析。姑咱海子泉逸出氣體觀測中主要影響因素是脫氣裝置系統的穩定性，脫氣裝置系統中的水路、氣路堵塞與集-脫氣裝置故障為主要干擾源。氣氡觀測數據2017～2018年有7次出現大幅上升或下降的異常變化，經檢查均為氣路或脫氣裝置故障引起，干擾形態為突升或突降，排除故障后測值較快恢復正常值。氣汞觀測系統自2017年正式運行以來，有3次典型干擾情況：2次脫氣裝置故障，1次觀測房汞污染，干擾形態均為大幅突升。這3次異常變化出現后進行觀測系統檢查時都找到了明確的干擾源，本次異常出現后現場核實過程中未發現明顯的脫氣裝置系統故障。兩套儀器在此次異常前只在2017年6月下旬出現過先氣氡上升，后氣汞上升的準同步變化，這是由于脫氣裝置故障和清洗脫氣裝置造成的(見圖4)。2018年12月姑咱海子泉氣汞和氣氡出現2次大幅異常的形態和變化過程與歷史集-脫氣裝置故障造成的干擾相似。

圖4 姑咱海子泉氣汞和氣氡觀測干擾圖

四川地區其它臺站主要干擾因素分析。四川地區現有4個井泉點(姑咱海子泉、昭覺、西昌川32井和攀枝花川05井)使用同類型儀器進行逸出氣觀測(SD-3A型自動測氡儀和ATG-6138M痕量汞在線分析儀)，ATG-6138M測汞儀2016年開始觀測。從運行情況來看，氣氡觀測中主要干擾為脫氣裝置的穩定性問題，數據大幅度變化基本是氣路堵塞引起的；而氣汞觀測則是有較多的單點突跳，數據穩定性較差。查閱相關文獻，認為可能是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(陳華靜等，1999；張文男等，2013；任佳等，2005；張素欣等，2006；周利萍等，2004)，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(郭麗爽等，2015)。2015年經過李志鵬等(2013)的反復試驗，重新對氣氡脫氣裝置進行改造后，觀測系統的穩定性和數據質量有了較大提高。相對而言，姑咱海子逸出氣觀測系統在四川地區中還算比較穩定的，觀測中出現數據大幅單點突跳的次數明顯少于其它幾套儀器。

圖5 四川地區同類測點同類儀器氣氡和氣汞整點值對比曲線圖

對比了四川地區4個井泉點2018年10月以來的氣汞和氣氡觀測資料，并未出現同步多點高值現象(見圖5)，其它臺站的數據變化多數是由于氣路堵塞和儀器校準或標定造成的(工作日志上標注)。姑咱海子泉2018年12月出現的異常變化為單測點變化，而一般認為地震引起的異常主要表現為多測點異常，在空間分布范圍和異常出現時間上都具有相對的集中性(康春麗等，1999；中國地震局監測預報司，2000；金仰芬等，1987；張煒等，1988)，因此姑咱海子泉2018年12月出現的異常變化作為地震前兆異常的可能性較小。

(2)脫氣裝置和環境調查分析

2018年12月姑咱海子泉氣汞和氣氡測項出現了2次準同步大幅異常變化：2018年12月8-9日和2018年12月18-24日，兩次對脫氣裝置系統檢查，發現氣氡氣路都有堵塞現象，但氣汞脫氣裝置系統正常。根據現場調查來看，測值大幅變化期間，正是泉點附近的農家樂承辦宴席期間，承辦時間持續幾天，期間洗衣粉、肥皂和洗滌精用量較多，這些污水順著下水管道排到觀測泉點附近，可能會滲入泉點造成觀測水源的污染，水源污染易造成氣路堵塞，引起脫氣裝置系統故障，從而引起數據變化。依據有：(1)2018年6月28日觀測室出現的汞污染現象，當時調查只在觀測室周圍有過撒洗衣粉的行為，沒有找到其它汞污染源，造成儀器無法校準，測值出現高值變化，因此推測洗衣粉之類的洗滌品可能含極其微量的重金屬，由于ATG-6138M測汞儀的靈敏度較高，能檢測出泉水中低含量的汞；(2)時間上的重合：兩次準同步異常變化都是承辦宴席期間；(3)兩次都出現了氣氡進氣口處過濾網上有黑色附著物，造成堵塞氣路；(4)兩次異常變化過程相似：氣汞測值先出現大幅上升，幾天之后氣氡出現大幅上升，檢查氣氡脫氣裝置，結果進氣口堵塞，脫氣裝置清洗后氣氡測值很快恢復正常。

通過多次現場核實和相關分析，初步認為姑咱海子泉2018年12月出現的兩次氣汞先突升，后氣氡也大幅上升的異常變化，原因可能是：(1)不排除洗滌用品中含有極微量重金屬的可能(依據2017年6～7月觀測室汞污染事件推測)，由于汞是常溫下唯一呈液態的金屬, 化學性質穩定, 常溫下具有明顯的蒸氣壓, 而且汞的蒸氣壓、蒸發速度和濃度隨溫度升高而迅速增高, 試驗證明汞蒸氣還具有極強的穿透能力(魏家珍等，1992)，因此由于天氣冷，洗滌中會加入熱水，如果洗滌用品中有重金屬、放射性物質的話，由于其極強的穿透能力就會快速滲透入泉點，污染觀測水源，因此率先觀測到氣汞測值的上升變化。(2)兩套觀測儀器所用的脫氣系統(方式)不同，氣氡氣路在泉水引水管和脫氣裝置之間增設了一個恒流箱，實際觀測中表明氣氡氣路較氣汞氣路更容易堵塞。由于觀測水源被污染，其中可能有油污和泡沫混入，恒流箱內進氣口過濾網

圖6 許氏脫氣裝置示意圖

上容易附著雜質，阻塞氣路，引起脫氣裝置故障，但其堵塞不是一蹴而就，而是需要一個積累的過程；對觀測系統進行檢查過程中，發現氣氡空氣流量計中小球位置下降明顯，對比說明進入流量計氣體總量相對正常時有較大幅度減少。氣氡觀測采用的是許氏脫氣裝置(參見圖6)，由于脫氣裝置②進氣孔有堵塞，使進入脫氣裝置空氣含量減少，那么脫氣裝置脫氣時帶入⑤出氣口的空氣含量減少，使得進入氣路中的氣氡濃度上升，從而導致氡測值大幅上升。同樣污水對氣汞脫氣裝置可能也存在一定影響。因此本次異常變化中，汞可能是直接的干擾，氣氡是氣路堵塞的干擾；由于汞蒸氣還具有極強的穿透能力，而氣路堵塞是有一個形成過程，因此造成了2018年12月姑咱海子泉氣汞和氣氡變化時間不一樣，又具有準同步突升的特征。本次異常變化是觀測水源受到污染造成的，是一次典型的干擾案例，并不是地震前兆異常。

3 結論與討論

(1)通過對氣體觀測的脫氣裝置系統和觀測環境的調查，觀測室環境汞污染檢測和相關分析，認為2018年12月姑咱海子泉氣汞和氣氡準同步突升異常變化是由于觀測水源被污染，污染的水源又致儀器脫氣裝置系統中氣路堵塞或不暢這兩個干擾因素共同造成的，這是一次典型的干擾案例，并不是地震前兆異常。(2)從姑咱海子泉氣氡和氣汞觀測系統的運行情況來看，脫氣裝置的系統穩定性是關鍵，特別是姑咱海子泉這類天然出露的冷泉，有眾多涌水點，泉水溫度低，逸出氣量小(國家地震局科技監測司編，1992)，如何保障脫氣裝置穩定，特別是氣路的暢通成為汞觀測亟需解決的問題。(3)姑咱海子泉氣汞出現異常后，為判定異常可信度，康定地震中心站立即開展系列工作，除了按異常進行現場核實外，還對距離姑咱海子泉約20 km的龍頭溝和二道橋這兩個較好具有短臨預測效果的“敏感泉點”的氣體(楊賢和等，2001；劉仕錦等，2006)和水質進行加密觀測，3天的加密觀測未出現異常。對比分析了四川地區其它臺站同類測項資料，從異常的配套性來看，無論同泉點水氡、水質等測項，還是四川地區其它臺站同類測項，龍頭溝與二道橋加密觀測以及距姑咱海子泉1.5 km的姑咱變形臺5套形變儀器，近期都沒有同步異常出現。這對異常性質的判定有一定的參考價值。(4)觀測環境的保護任重而道遠。2018年12月25日現場核實時發現干擾后，立即要求房屋承租人將排污管道進行改造，排水口要遠離泉點。(5)通過本次異常現場核實和分析得到的一些初步認識，希望能為今后開展日常監測工作和地震分析預報提供參考。