夏縣中心地震臺ATG-6138M型痕量汞儀觀測數據干擾因素分析

常 姣，張淑亮，李 民，薛 亮

(1.山西省地震局夏縣中心地震臺，山西 夏縣 044400； 2.山西省地震局，山西 太原 030021；3.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

汞測值作為一種地震短臨異常指標，在地震前會出現不同程度的異常變化，尤其在短臨預報方面有著重要作用[1]。汞具有極強的揮發性和穿透性，可以沿裂隙向地表擴散，在土壤中形成吸收暈。深部條件下形成的汞蒸氣，在溫度和壓力的作用下，沿斷裂破碎帶和開啟的孔隙裂隙向上滲透、遷移，是汞運移的主要方式。根據汞的這種特點，在地震活動區，不同介質中汞的含量會比外圍地區高，對于各種介質中的汞進行定期和連續觀測，有可能了解地震孕育過程中汞的分布特征，從中找出地震前兆信息[2-3]。我國從20世紀80年代起開始了汞與地震前兆的相關研究，在地震活動過程中汞的空間異常分布特征不僅與震級、震中距有關，還與區域構造應力場及震源與測點之間的介質環境有關，華北地區汞異常時波及范圍較近，持續時間較短。土壤中氣汞量的動態變化，可以較客觀地反映地殼深部斷裂構造活動的情況[4-5]，除此之外，研究人員對汞的地震前兆異常也進行過分析[6-8]。王基華等人曾從地震短臨預報的角度對土壤中氣汞量測量影響因素進行研究，提出影響因素識別和排除方法[9-10]。雖然汞含量觀測在地震預測研究中具有重要的價值，但由于汞的穿透性和揮發性極強，在觀測中勢必會受到各種因素的干擾而影響觀測質量。目前對汞與地震之間關系研究比較多，對汞觀測過程中受到的影響因素涉及較少，特別是在山西地區。

2016年11月前，夏縣中心地震臺斷層氣汞含量觀測采用RG-BQZ智能測汞儀進行測量，因儀器老化，11月臺站儀器更新改造，更換為ATG-6138M痕量汞在線分析儀(以下簡稱測汞儀)，2017年1月1日正式投入觀測。目前已積累了近4年的觀測數據，為開展斷層氣汞干擾因素研究提供了條件。該文以夏縣中心地震臺(以下簡稱夏縣臺)斷層氣汞觀測為例，對引起觀測數據顯著變化的各類干擾因素進行分析，得出主要的干擾源以及不同干擾影響下的數據變化特征，為震情跟蹤工作的異常快速識別提供參考依據。

1 臺站觀測背景及儀器概況

1.1 臺站觀測背景

夏縣臺地質構造上處于山西南部中條山北麓的山前斷裂帶上，中條山山前大斷裂為控制運城盆地的主要構造，氣汞觀測取氣孔布設在中條山山前大斷裂與NW向隱狀斷裂交匯處的夏縣溫泉地熱異常區，觀測孔設在臺站山洞洞口觀測室內，距離臺站約200 m(見第34頁圖1)。測孔深度為8.6 m，直徑為0.8 m，底部使用磚塊砌成倒漏斗狀收集氣體，導氣管采用PVC管材，長度為8.0 m、直徑160 mm和長度1.5 m、直徑40 mm的PVC管進行變徑連接，深部為粗管，上部為細管，利于集氣，并在底部2.5 m以下打有若干透氣小孔，集得7.5 m以下深處的氣體，在管子周圍使用回填土壓實即可，由一根細導管連接儀器進氣口，集氣裝置的氣體靜容積約1.4 m3[11](見第34頁圖2)。

1.2 觀測儀器

ATG-6138M測汞儀采用納米級金膜傳感器技術，靈敏度較高，檢出限為5×10-4ng(汞)，適用溫度為(0～50)℃，濕度在10%～95%之間，可進行氣汞的連續觀測。儀器測量時，其內置氣泵抽取一定體積的樣品，通過金絲捕汞管富集吸收樣品中汞，靜置1 min，加熱將捕集的汞蒸氣約30 s內釋放出來，被黃金薄膜傳感器測定，得出最終汞濃度[12]。夏縣臺日常觀測采用每次測量富集時間8 min，流量設定330 ml/min，電調系數設定1 200左右。

圖1 夏縣臺周邊地質構造圖Fig.1 Geological structure map around Xiaxian station

圖2 夏縣臺斷層氣汞觀測孔簡易圖Fig.2 A simplified diagram of the fault gas mercury observation hole at Xiaxian station

2 數據干擾因素分析

ATG-6138M測汞儀自2017年觀測以來，運行穩定，產出觀測數據較為平穩，具有一定規律的年周期變化，曲線呈明顯的夏高冬低的年變形態。對汞觀測數據跟蹤結果表明，氣象、環境、人為、儀器等多種因素均會對汞測值造成一定的影響。運用與臺站觀測日志對比的方法，對不同干擾因素影響下觀測數據變化特征進行如下分析。

2.1 氣象因素

將汞觀測數據與觀測日志對比發現，ATG-6138M測汞儀受溫度、降雨氣象因素影響較為明顯。

2.1.1 溫度影響

汞在常溫下具有明顯的蒸汽壓，且蒸汽壓力、蒸發速度和蒸汽濃度均隨溫度的升高而急劇增加，同某些金屬元素相比，具有較高的揮發能力。液態汞的蒸汽壓力、蒸發速度與絕對溫度(T)之間的關系為:

logPHg=7.913-3 162.505/T，logVHg=8.30-2 207.09/T。

在室溫條件下，每增加1度，飽和汞蒸汽濃度約增高9%左右，表明溫度與汞的測量結果密切相關[13]。夏縣臺痕量汞自觀測以來常年受氣溫影響明顯，當溫度升高時，觀測數據升高，反之則下降，數據變化趨勢與氣溫同步(見圖3)。

圖3 痕量汞與室溫日均值對比曲線Fig.3 Comparison curve between trace mercury and daily average value of room temperature

2.1.2 降雨干擾

汞數據自觀測以來受連續降雨干擾現象明顯。連續降雨，觀測室內濕度增加，觀測氣體中含有水汽，水汽進入捕汞管致使測值增大[14]。

每年6月、9月汞觀測數據出現臺階上升變化，經調查，該現象與觀測儀器、觀測環境以及溫度無明顯關系，與當地降雨量的大小存在明顯的關系。強降雨或連續降雨一般會造成汞值大幅度上升，幅度約0.003～0.001 ng/L，高于背景值約1～2倍(見第35頁圖4)。

2.2 觀測系統

ATG-6138M測汞儀因觀測汞濃度的不同而設定不同的富集時間。為獲取適合夏縣臺痕量汞觀測的富集時間，進行下述實驗(見第35頁圖5)。

(1) 2018年12月在痕量汞儀器數據校準與檢查后，富集時間設定1 min進行觀測。結果顯示，觀測數據波動較大，數據在0～0.021 8 ng/L范圍變化，均值約0.008 ng/L，較校準前高約15倍。

圖4 痕量汞與降雨量觀測數據對比曲線Fig.4 Trace mercury and rainfall data comparison curve

(2) 2019年1月17日調整富集時間為8 min，觀測數據持續顯示在10-5～10-4ng/L數量級變化，測量值低于校準前數據。

(3) 2019年2月13日調整富集時間為5 min，測得數據在0～0.003 ng/L范圍變化，高于富集時間為8 min的測值。

(4) 2019年2月25日恢復富集時間8 min，觀測數據也隨之恢復至正常背景。

實驗結果表明富集時間對痕量汞測值影響較大，富集時間不同，測值不同。夏縣臺痕量汞年變數據變化范圍為0～0.015 ng/L，宜選用富集時間8 min。

圖5 富集時間對痕量汞觀測影響Fig.5 The effect of enrichment time on the observation of trace mercury

2.3 人為干擾

(1) 儀器校準。

汞測項每季度末要更換捕汞管進行儀器校準，在第四季度校準后還需進行儀器檢測。ATG-6138M測汞儀正式投入運行以來，在每次校準結束后，觀測數據均會出現大幅臺階上升后再轉為趨勢下降，變幅0.001～0.01 ng/L，高于背景值約10～100倍，經過幾至十幾天后，數據逐漸恢復至正常值(見圖6)。由于儀器穩定時間較長，影響數據正常使用。為減少數據恢復時間，每次新更換的捕汞管再使用時需手動測量空氣至少5次，富集時間為1 min，直至數據降為0左右。除此之外，每次校準完畢，還須按照上述操作程序清洗捕汞管，盡量減少氣路污染。

圖6 儀器校準對痕量汞觀測影響Fig.6 The influence of instrument calibration on the observation of trace mercury

(2) 觀測人員進出觀測室。

汞觀測裝置安放于觀測室門口，當人員進入觀測室，均會引起室內溫度驟變，出現測值大幅變化。圖7為觀測人員進入觀測室后引起的汞變化曲線，觀測數據出現明顯單點突跳變化，變幅一般在0.000 5～0.005 ng/L，高于背景值約2～150倍。

圖7 人為干擾對痕量汞觀測影響Fig.7 The impact of human interference on the observation of trace mercury

3 結論與討論

對夏縣臺ATG-6138M測汞儀2017年以來觀測資料的分析，找出影響觀測數據正常動態的干擾因素。其中溫度與降雨是主要因素，干擾形態表現為趨勢性年變和臺階變化；觀測系統主要受觀測富集時間設定的影響，富集時間越長數據越小，穩定性越好，反之越差，根據年變幅確定適宜的富集時間為8 min；人為干擾主要為校準儀器造成的臺階上升再轉為趨勢下降，恢復時間較長。當觀測人員進出觀測室會引起室內溫度驟變，觀測數據出現明顯突跳變化。

分析日常資料時，為獲取觀測對象較為真實的變化，需要識別并去除觀測曲線中的干擾。不同臺站、不同觀測系統裝置對于不同干擾會出現不同程度的反應[15-16]。雖然，該文對痕量汞觀測的干擾因素進行了分析，但如何正確判別干擾與震兆工作尚未開展，需采用定量分析的方法對異常原因進行深入的研究，提高其在地震監測預報中的作用。