張 帆，王 江，池海江，姜佳寧，宋曉冰

（1.河北省地震局張家口中心臺(tái)，河北 張家口 075400；2.河北省地震局監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中心，石家莊 050021）

0 引言

汞作為一種敏感的地震前兆指標(biāo)，其觀測(cè)數(shù)據(jù)在地震前會(huì)出現(xiàn)不同程度的異常變化，尤其在短臨預(yù)報(bào)方面有著重要作用[1-2]。因此，汞是地下流體預(yù)報(bào)地震的靈敏組分之一，在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)方面受到了廣泛的重視[3]。全國很多地震臺(tái)站開展汞觀測(cè)，懷4 井由2008 年開始運(yùn)行DFG-B 型氣汞儀觀測(cè)，至今10 年有余。目前儀器老化現(xiàn)象嚴(yán)重，造成內(nèi)在質(zhì)量較低及曲線動(dòng)態(tài)特征不明顯，抗干擾能力變?nèi)?，并且?jīng)常出現(xiàn)故障。為了進(jìn)一步提高懷4 井氣汞觀測(cè)質(zhì)量，必須選取靈敏度更高、性能更加穩(wěn)定的新型汞觀測(cè)儀器。2019 年9 月開始試運(yùn)行ATG-6138M 型氣汞儀，該儀器對(duì)汞具有極高的靈敏度，檢出限高達(dá)0.5 ng/m3，可以直接測(cè)量，無需富集。ATG-6138M 型氣汞儀中的黃金薄膜傳感器對(duì)于汞元素具有良好的穩(wěn)定性和選擇性。此外，該儀器自身還配有環(huán)境溫度傳感器和氣壓傳感器，可同步進(jìn)行環(huán)境溫度和環(huán)境氣壓的輔助觀測(cè)。本文研究思路主要針對(duì)出現(xiàn)的干擾因素進(jìn)行分類總結(jié)，通過研究分析找出其相互間的關(guān)系，對(duì)分析地震前兆異常、剔除干擾因素有積極的意義。

1 懷4 井概況

1.1 觀測(cè)井水文地質(zhì)條件

懷4 井地面海拔高程為487.0 m，井深500.34 m，位于后郝窯熱田區(qū)，熱田分布為NW 向，觀測(cè)含水層是頂板埋深為278.5 m 的太古界片麻巖破碎帶熱水層（圖1），揭露含水層厚度＞221 m。其構(gòu)造處于燕山褶斷帶與祁呂賀蘭山字型構(gòu)造東翼、反射弧復(fù)合部位，懷來-蔚縣大斷裂從本區(qū)東南穿過，其北部還有祁呂系歪頭山-萬家窯斷裂，NW 向的施莊大斷裂（圖2）。懷4 井成井于1972 年，該井為高溫?zé)崴粤骶?，水化學(xué)類型為SO4-Na 型[4]，礦化度為0.962 g/L，為大氣降水滲入地下后經(jīng)深循環(huán)上涌成因的地下熱水，是熱田區(qū)內(nèi)最深、水溫最高的井孔。2001 年在首都圈數(shù)字化改造后，懷4 井成為集水氡、水汞、氣體、數(shù)字水位、數(shù)字氣氡、數(shù)字氣汞為一體的多測(cè)項(xiàng)觀測(cè)井。由于受到周邊溫泉區(qū)生活用水開發(fā)的影響，水位嚴(yán)重下降，2015 年水位已降至地面以下7.0 m，水溫由88 ℃降到73.0 ℃。為了延長(zhǎng)該井的觀測(cè)年限，2007 年對(duì)懷4 井進(jìn)行了降低取水口的改造，保證了數(shù)字化及模擬觀測(cè)資料的連續(xù)性。該井水汞在1989 年大同6.1 級(jí)地震、1997 年懷安4.7 級(jí)地震、1998 年張北6.2 級(jí)地震、2002 年沙城4.4 級(jí)地震、2014 年涿鹿4.3 級(jí)地震前均有較好的短臨異常出現(xiàn)。

圖1 河北懷來后郝窯地震臺(tái)懷4 柱狀圖

圖2 懷4 井井區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景圖

1.2 懷4 井水化學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)

懷4 井是河北省流體觀測(cè)手段較完善的高溫自流井。2007 年9 月對(duì)懷4 井進(jìn)行了開挖深10 m 的豎井、降低觀測(cè)井泄流口高程為核心的井孔改造[5-6]（圖3）；對(duì)于熱水井，脫氣和脫氣后的氣體干燥是井口裝置的2 個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)[7]，脫氣桶由桶體、進(jìn)水管、出氣管、雙層濺水盤、底座、泄水管等組成。其中，脫氣桶利用不銹鋼板氬弧焊焊接而成。第一層為使熱水較充分的濺落，濺水盤用扁鋼和桶體壁固定制作為篩狀濺水盤；第二層濺水盤用鋼管和底座固定，使高溫?zé)崴蚊摎?。泄水管制成彎形，以免產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象，確保在井自流的條件下開展氣氡、氣汞、水位數(shù)字化觀測(cè)。

圖3 懷4 井水化學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)圖

2 懷4 井ATG-6138M 氣汞觀測(cè)影響因素分析

2.1 觀測(cè)儀器概況

ATG-6138M 測(cè)汞儀采用納米級(jí)金膜傳感器技術(shù)，運(yùn)行時(shí)，其內(nèi)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的汞，靜置1 min，加熱將捕集的汞蒸氣在約30 s 內(nèi)釋放出來，被黃金薄膜傳感器測(cè)定，得出最終汞濃度[8]。ATG-6138M 型氣汞儀靈敏度較高，檢出限為0.5 ng/m3，可進(jìn)行氣汞的連續(xù)觀測(cè)（表1），每次測(cè)量富集5 min，流量約315 mL/min。

表1 ATG-6138M 型痕量汞在線自動(dòng)分析儀儀器性能指標(biāo)

2.2 干擾因素分析

通過分析懷4 井逸出氣汞儀觀測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)歸納分類整理主要存在6 種干擾因素。

2.2.1 脫氣-集氣裝置的影響

對(duì)于熱水井而言，捕汞管在高溫、潮濕的環(huán)境下易銹蝕，造成捕汞管吸附率逐漸下降，所以脫氣后的氣體干燥是儀器正常觀測(cè)的重要環(huán)節(jié)。2020 年4 月11 日6—9 時(shí)氣汞測(cè)值階升是由于脫氣-集氣裝置連接緩沖器漏氣引起（圖4），變化幅度為0.137 049 ng/L。當(dāng)緩沖器存在部分漏氣時(shí)，汞值有逐漸偏低現(xiàn)象，故障修復(fù)后造成氣汞測(cè)值階升。

圖4 管路部分漏氣干擾

2.2.2 人為取氣樣的影響

每天6 時(shí)左右人工采集氣相色譜實(shí)驗(yàn)所需氣體，造成氣汞測(cè)值變化。在采集氣體過程中，由于利用排水集氣法，造成進(jìn)入氣汞儀中的氣體含量減少，06 時(shí)后測(cè)值突降（圖5），變化幅度為0.144 ng/L。

圖5 人為取氣樣干擾

2.2.3 井水位變化的影響

由于懷4 井周邊經(jīng)常受到華電2 井抽水及溫泉開發(fā)區(qū)生活用水干擾，2020 年4 月2 日15 時(shí)—17 時(shí)，由于華電2 井停止抽水，水位突然上升（圖6），氣汞測(cè)值相應(yīng)發(fā)生變化幅度為0.524 69 ng/L。

圖6 水位升高造成氣汞測(cè)值升高

2.2.4 電調(diào)系數(shù)的干擾

電壓不穩(wěn)定造成測(cè)值不穩(wěn)定的情況很多。而保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定，電調(diào)系數(shù)（ER）在ATG-6138M 型氣汞儀運(yùn)行觀測(cè)時(shí)是重要環(huán)節(jié)。由于數(shù)字化測(cè)汞儀器加熱方式的限制，造成電調(diào)系數(shù)會(huì)隨著電壓變化，導(dǎo)致電調(diào)系數(shù)隨之改變，對(duì)于ATG-6138M 測(cè)汞儀最佳電調(diào)系數(shù)在1 000～1 200 之間。2020 年2 月23 日1—3 時(shí)，由于電調(diào)系數(shù)變化，造成數(shù)據(jù)突跳（圖7）。

圖7 電調(diào)系數(shù)造成干擾

2.2.5 更換捕汞管干擾

捕汞管是測(cè)汞儀非常重要的元件之一，它的作用是吸附氣樣中被還原為游離態(tài)的汞，然后經(jīng)過高溫又將汞釋放，得到汞濃度測(cè)值。按照《地下流體觀測(cè)規(guī)范》，每季度進(jìn)行捕汞管更換及校準(zhǔn)工作。3 月27—28 日造成數(shù)據(jù)缺測(cè)，同時(shí)測(cè)值出現(xiàn)升高（圖8），變化幅度為0.194 796 ng/L。

圖8 更換捕汞管干擾

2.2.6 更換濾膜干擾

在實(shí)際觀測(cè)工作中干燥處理是氣汞測(cè)項(xiàng)連續(xù)穩(wěn)定，提高記錄地下信息靈敏性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此對(duì)于熱水觀測(cè)井而言，被測(cè)氣體應(yīng)做干燥處理，由于汞具有很強(qiáng)的穿透性和蒸發(fā)性，在脫氣之后，仍然包含有大量的水蒸汽[9]。懷4 井自2020 年因受到當(dāng)?shù)責(zé)崴Y源保護(hù)政策，水流量變大，水位上升較快，導(dǎo)致儀器內(nèi)干燥濾膜受潮。2020 年5 月28 日10 時(shí)發(fā)現(xiàn)測(cè)值降低，11 時(shí)進(jìn)行更換濾膜之后，測(cè)值升高（圖9），變化幅度為 0.8 ng/L。

圖9 更換濾膜干擾

3 懷4 井ATG-6138M 型測(cè)汞儀運(yùn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)

懷4 井ATG-6138M 型 測(cè) 汞 儀2020 年1 月1 日正式入省局?jǐn)?shù)據(jù)庫，將原懷4 井DFG-B 測(cè)汞儀進(jìn)行替換，選取相同時(shí)間段內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。按照《專業(yè)設(shè)備觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》分析DFG-B 測(cè)汞儀與ATG-6138M 測(cè)汞儀之間的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性及內(nèi)在質(zhì)量，要求動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性：一階差分值的標(biāo)準(zhǔn)差小于等于0.2；同時(shí)保證內(nèi)在質(zhì)量：一階差分序列超過3 倍均方差的百分比小于等于2%。

選取2019 年10 月1 日至2020 年5 月31 日DFGB 型氣汞儀ATG-6138M 型測(cè)汞儀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析（表2）。由表中可看出，DFG-B 型氣汞儀整點(diǎn)值一階差分值平均標(biāo)準(zhǔn)差為0.049，ATG-6138M 型測(cè)汞儀整點(diǎn)值一階差分值平均標(biāo)準(zhǔn)差為0.028；DFGB 型氣汞儀一階差分值超過其3 倍均方差的平均次數(shù)為24 次，所占百分比為3.20%，ATG-6138M 型測(cè)汞儀一階差分值超過其3 倍均方差的平均次數(shù)為6 次，所占百分比為0.89%。其中4 月份，由于儀器無法進(jìn)行直流供電，原儀器寄送廠家檢修，啟用備機(jī)儀器，造成超差數(shù)相對(duì)其他月份升高。通過數(shù)據(jù)對(duì)比得到ATG-6138M 型測(cè)汞儀動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性及內(nèi)在質(zhì)量都優(yōu)于DFG-B 型氣汞儀。

表2 DFG-B 測(cè)汞儀與ATG-6138M 測(cè)汞儀運(yùn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)對(duì)比

由于兩臺(tái)儀器測(cè)量原理不同，造成測(cè)值數(shù)據(jù)變化較大。從圖10 中發(fā)現(xiàn)，DFG-B 型氣汞儀測(cè)量逸出氣汞濃度值較低，受儀器老化原因，測(cè)值在檢出限附近，動(dòng)態(tài)曲線不明顯，于2019 年懷4 井進(jìn)行脫氣桶更換后造成測(cè)值升高，而其他數(shù)字化測(cè)項(xiàng)并未發(fā)現(xiàn)同步變化。而ATG-6138M 型測(cè)汞儀靈敏度較高，有較為明顯的動(dòng)態(tài)特征變化（圖11），與觀測(cè)室溫度、動(dòng)水位變化均有清晰的同步變化。

圖10 2019 年1—12 月DFG-B 型氣汞儀測(cè)值整點(diǎn)值圖

圖11 2020 年1—4 月ATG-6138M 型測(cè)汞儀與觀測(cè)室溫度及水位對(duì)比圖

4 懷4 井ATG-6138M 型氣汞儀與溫度、氣壓、水位之間的關(guān)系

由圖看出，ATG-6138M 型測(cè)汞儀觀測(cè)較穩(wěn)定，測(cè)試過程中未見明顯的數(shù)據(jù)突跳現(xiàn)象，而且其采氣量較小，適合井口逸出氣體量小的特點(diǎn)[10]。通過與同一井口其他數(shù)字化測(cè)項(xiàng)進(jìn)行對(duì)比分析，氣汞濃度與水位有同步升高的趨勢(shì)。與此同時(shí)，利用origin數(shù)據(jù)分析計(jì)算，氣汞濃度與觀測(cè)室溫度相關(guān)系數(shù)為0.689 65，與水位相關(guān)系數(shù)為0.452 93，而與氣壓只有0.106 71。通過曲線對(duì)比和數(shù)據(jù)分析相關(guān)系數(shù)對(duì)比，說明觀測(cè)室溫度和觀測(cè)井水位變化對(duì)氣汞濃度變化呈正相關(guān)（表3，圖12～13），而氣壓影響作用相對(duì)較弱（圖14）。但是，鑒于儀器使用時(shí)間較短，未能觀測(cè)到其年變動(dòng)態(tài)，還需要進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)際觀測(cè)應(yīng)用，才能更好地判定該儀器給出的性能指標(biāo)；同時(shí)在排除各種干擾因素的前提下，更好地提取地下流體觀測(cè)孕育的信息[11-12]。

圖12 氣汞濃度與觀測(cè)室溫度散點(diǎn)圖

圖13 氣汞濃度與水位散點(diǎn)圖

圖14 氣汞濃度與觀測(cè)室氣壓散點(diǎn)圖

表3 氣汞濃度與溫度、氣壓、水位之間相關(guān)性計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

2020 年1 月懷4 井ATG-6138M 型測(cè)汞儀正式入網(wǎng)觀測(cè)，由于儀器使用時(shí)間較短，現(xiàn)階段干擾因素主要包括：脫氣-集氣裝置漏氣、更換濾膜和捕汞管、電調(diào)系數(shù)不穩(wěn)，人為取氣樣（氣相色譜化驗(yàn)所需氣體）干擾以及動(dòng)水位的影響。通過對(duì)懷來后郝窯地震臺(tái)懷4 井ATG-6138M 型測(cè)汞儀干擾因素及運(yùn)行質(zhì)量分析得出以下結(jié)論與認(rèn)識(shí)。

1）脫氣裝置故障干擾引起氣汞測(cè)值變化的原因主要包括兩方面：一方面氣路連接緩沖器松動(dòng)引起；另一方面脫氣桶在高溫?zé)崴^測(cè)應(yīng)用中易腐蝕，造成脫氣效果減弱，對(duì)于高溫?zé)崴瘜W(xué)觀測(cè)應(yīng)固定檢查及更換脫氣桶。因此脫氣-集氣裝置是實(shí)現(xiàn)氣汞數(shù)字化觀測(cè)的最基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，該裝置的穩(wěn)定性和合理性對(duì)于獲取可靠的觀測(cè)結(jié)果具有重要的作用。

2）通過兩臺(tái)儀器對(duì)比觀測(cè)，從運(yùn)行率、一階差分相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差及內(nèi)在質(zhì)量對(duì)比分析可知，ATG-6138M 測(cè)汞儀觀測(cè)較為穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性符合《地下流體專業(yè)技術(shù)設(shè)備評(píng)價(jià)》，實(shí)驗(yàn)過程中未見明顯的數(shù)據(jù)突跳現(xiàn)象，認(rèn)為ATG-6138M 型測(cè)汞儀性能優(yōu)于老化的DFG-B 型測(cè)汞儀。

3）運(yùn)用氣汞觀測(cè)資料分析異常與地震的關(guān)系時(shí)，排除干擾因素是前提，應(yīng)將地下水開采、人為干擾予以識(shí)別和排除；同時(shí)對(duì)脫氣-集氣裝置和緩沖器進(jìn)行合理性設(shè)計(jì)，運(yùn)用origin 數(shù)據(jù)分析軟件計(jì)算可得，懷4 井氣汞觀測(cè)濃度值與觀測(cè)室溫度與水位有一定程度的相關(guān)性，而觀測(cè)室氣壓影響很小。因此，保持觀測(cè)室溫度相對(duì)穩(wěn)定，有利于提高氣汞觀測(cè)資料的內(nèi)在質(zhì)量。