DFG-B型和RG-BQZ型数字化智能测汞仪是目前数字化汞测量的主要观测仪器,这类数字化测汞仪由单光束光路系统、气路系统、光电转换系统、检测电路、计算机控制电路、显示和键盘电路及响应软件组成。它是根据基态汞原子对于汞原子被激发所产生的2537A°特征谱线选择吸收原理工作的。透射光的强度与基态汞原子的浓度成正比,即服从比耳-朗伯定律:

I=I₀e^-KCL.(1)

其中:I为透射光强度,I₀为入射光强度,K为吸收系数,C为基态汞原子浓度,L为吸收层长度(中国地震局监测预报司,2007; 张素欣等,2006)。该类型仪器精确度为2.5%～3.0%,检出限为0.008 ng(汞),灵敏度为0.008 ng(汞),基线稳定度为0.000 8～0.001 ng/30 min。仪器适用温度为10℃～40 ℃,供电电压为AC220±15%、DC11～13.5 V。

DFG-B型数字化智能测汞仪为中国地震局分析预报中心研制,该仪器在实际观测过程中,由于电路发生短路或其他原因,经常发生显示屏字符混乱等情况,其抗干扰能力与自身稳定性较差,仪器故障率较高。由于仪器的原研制生产单位已经停产或解散,相关仪器配件也已不再生产,导致一些观测台站的DFG-B型数字化智能测汞仪得不到养护和维修,一旦出现故障或元件损坏,无法购买到相应的配件,致使仪器设备无法恢复到正常工作状态。RG-BQZ型数字化智能测汞仪故障率也较高,且灵敏度偏低,观测数据曲线多有毛刺,动态规律性差。

ATG-6138M型痕量汞在线自动分析仪是杭州超距科技有限公司最新研发的汞测量仪器。该仪器对汞具有极高的灵敏度,检出限高达5×10^-13 g(汞),可以直接测量,无需富集,在仪器最低检出限时,基线零点漂移<2 mV/8 h,电压要求为AC220 V、50 Hz,温度范围在0～50 ℃之间,湿度范围在10%～95%之间(非冷凝)。在运行时,其内置气泵会通过电磁阀精确地抽取一定体积的空气样品,通过专制的金丝捕汞线圈吸收样品中的汞,仪器自动控制系统自动对吸收了样品中汞气的金丝捕汞线圈通电加热,将捕集的汞蒸气瞬时释放出来,被黄金薄膜传感器测定,然后通过计算,将最终浓度值显示在液晶屏幕上。ATG -6138M型痕量汞在线自动分析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。

本次对比观测实验所选用的观测井为弥勒弥东哨井,该观测井位于弥勒—师宗断裂带上,其地理位置为(24.41°N,103.40°E),测点高程1 423.0 m。该井于2003年12月下旬完工成井,终孔深度614.40 m,孔径216 mm。花管安装至355.04 m处,自355.04 m以下为裸孔,过水段管径121～168 mm。根据钻探资料,含水层地层岩性为层状砂岩及白云岩。其中102.16 m以上为白云岩,该段地层节理裂隙及岩溶管道极为发育。根据地质资料及地下水情况分析,该观测井井水为沿弥勒—师宗断裂带上涌的深循环地下热水与浅层基岩裂隙承压水的混合水,井水温度随深度逐渐升高,表现为正梯度。该观测井数字化、辅助测项齐全,陆续开展了水位、水温、气氡、气汞、水汞、流量、水电流、氦气、气温、气压、降水量等十几个模拟观测和数字化观测项目。

在同一井孔的相同观测深度,同时放置3套独立测汞仪进行连续对比观测,见图1。从图1中可以看出,两套数字化智能测汞仪沿用以往气路观测方式,并列连接在“九五”SD-3测氡仪的排气口上,测氡仪不抽气,只是作为通气管路使用; ATG-6138M型痕量汞在线自动分析仪为在井口下方新铺设的一条单独管路,与两套数字化智能测汞仪形成并联模式。为了避免3套测汞仪同时抽气对彼此的测量值造成影响,3套仪器的抽气开始时间先后间隔5 min,以保证足够的气量。3套测汞仪采样率设置相同,均为1次/h。

图1 3套测汞仪器气路连接示意图
Fig.1 Gas circuit connection diagram of

对2015年4月11日至5月20日3套测汞仪的整点值观测数据曲线进行对比分析。由图2可见,DFG-B型和RG-BQZ型数字化智能测汞仪的测值变化幅度较大,观测数据曲线均有较大的突跳或起伏,且形成较多毛刺,观测数据曲线动态规律性不强。而ATG-6138M型痕量汞在线自动分析仪观测数据曲线可以看到明显的日变形态,且无毛刺。由此可见,DFG-B型和RG-BQZ型数字化智能测汞仪的数据质量和观测稳定性较ATG-6138M型痕量汞在线自动分析仪差。从图中还可以看出,在2015年4月25日尼泊尔M_S8.1大地震前后,ATG-6138M型痕量汞在线自动分析仪清晰地记录到了同震变化,这也是国内首次观测到了地下流体汞的同震效应,而DFG-B型和RG-BQZ型数字化智能测汞仪未能记录到同震响应,也进一步证实了ATG-6138M型痕量汞在线自动分析仪比DFG-B型和RG-BQZ型数字化智能测汞仪灵敏度更高,且痕量汞还能记录到地震波引起的深部流体中汞含量变化的异常信息。

图2 3套测汞仪的同步观测数据曲线
(a)DFG-B气汞整点值;(b)RG-BQZ气汞整点值;(c)ATG-6138M痕量汞整点值
Fig.2 The synchronous observation data curve of three sets of mercury detectors(a)integral point value of DFG-B;(b)integral point value of RG-BQZ; (c)integral point value of ATG-6138M Trace Mercury

测汞仪的主要技术指标和参数能够反映该台仪器性能优劣,主要包括仪器的检出限、灵敏度、精密度、稳定度和准确度等。根据出厂时主要技术指标和参数标准对比,ATG-6138M 型痕量汞在线自动分析仪的检出限、灵敏度比DFG-B型和RG-BQZ型数字化智能测汞仪高出一个数量级,具体见表1。

表1 仪器出厂时的技术指标和参数标准
Tab.1 Technical index and parameter standard of mercury detectors given by their manufacturers

进一步对这3套测汞仪的观测数据进行数学处理,一方面利用软件对两个多月的观测整点值进行一阶差分分析,如图3所示; 另一方面计算观测日均值的标准偏差,DFG-B型和RG-BQZ型数字化智能测汞仪的日均值标准偏差分别为0.023和0.102,而ATG-6138M 型痕量汞在线自动分析仪的日均值标准偏差为0.008。通过对观测数据做差分分析,并结合计算出的标准偏差结果不难看出,DFG-B型和RG-BQZ型数字化智能测汞仪观测数据的离散程度较ATG-6138M 型痕量汞在线自动分析仪的离散程度大,尤其RG-BQZ型数字化智能测汞仪的日均值标准偏差达到了0.102,其测值较为分散,表现出较多大的突跳。而ATG -6138M 型痕量汞在线自动分析仪的测值相对集中,观测数据曲线平滑,没有大的突跳、毛刺,呈现出日变动态。

图3 3套测汞仪的整点观测数据一阶差分图
(a)ATG-6138M痕量汞一阶差分;(b)DFG-B气汞一阶差分;(c)RG-BQZ气汞一阶差分
Fig.3 The first order difference diagram of the integral point value of three sets of mercury detectors(a)the first order difference diagram of ATG-6138M Trace Mercury;(b)the first order difference diagram of DFG-B;(c)the first order difference diagram of RG-BQZ

2015年4月25日尼泊尔M_S8.1大地震,弥勒弥东哨井的水位、水温、痕量汞清晰记录到了阶变上升的同震响应,如图4所示。水位从3.282 m上升至3.843 m后到达井口,直至溢出,水温升高了0.1 ℃,气汞上升了0.09 ng·L^-1。但是DFG-B型和RG -BQZ型数字化智能测汞仪却未能记录到同震响应。尼泊尔 M_S8.1大地震后,该井水位一直上升,并从井口上方逸出,4月26日台站人员不得不人为加大了泄流口的泄流量,导致水位急剧下降; 由于人为干扰泄流口流量,水位的下降引起了水温、汞的同时刻急剧变化。

图4 弥勒弥东哨井水位、水温、痕量汞同震变化图
(a)ZKGD3000水位分钟值;(b)ZKGD3000水温分钟值;(c)ATG-6138M痕量汞整点值
Fig.4 The co-seismic variation of water level, water temperature and trace mercury in Midongshao Well in Mile(a)minute-value of ZKGD3000 water level;(b)minute-value of ZKGD3000 water temperature; (c)integral point value of ATG-6138M Trace Mercury

对于水位、水温同震响应机理,前人已有一定的研究。水位同震变化可分为振荡和阶变(包括上升和下降),均是地震波与含水层交互作用的结果,即含水层对地震波的弹性响应(杨竹转等,2010,2007,2012)。水温的同震效应,有上升和下降变化,但没有观测到振荡现象。目前水温下降响应居多,主要归为冷水下渗、气体逸出说以及井内水体热弥散效应3种观点(缪阿丽等,2014; 周红艳等,2012)。刘耀炜等(2005)提出水位振荡有可能导致上部冷水下泄,低温水快速混入观测含水层中,从而造成温度下降。鱼金子等(1997)观察到水温的同震突降是由于井水气体的释放造成的。陈大庆等(2007)建立气泡脱逸模型,也指出在气泡脱逸上升过程中,对外做功吸热,以及气泡本身携带热量的散失最终导致地下水温度下降。石耀霖等(2007)通过有限单元法模型计算,认为热弥散效应是造成同震水温变化的主要原因,后续的热传导作用可以解释水温的复原过程。对于水温同震上升型,杨竹转(2012)对一井多震的研究结果表明,水温同震变化与水位变化关系密切,水位同震上升是水温同震上升的直接原因,水温探头附近为随深度增加的正梯度区,地震波过后井水沿断层外泄减少,而含水层中的热水继续流向井内,井水位上升,温度上升。综观前人的研究成果,各观点的提出都是基于一定的观测事实和分析方法,都具有其合理性,但各类机理只能解释特定的观测现象。无论从热力学角度,还是水动力学角度等,都显示出不同井同一含水层观测系统对地震的同震响应特征各不相同,它主要受井孔及周边介质的构造环境和水文地质条件影响,随着井—含水层系统状态的变化,响应特征也会不相同,同震响应机理十分复杂,也可能是不同机理综合作用的结果。

在本次对比观测试验中,水位、水温、汞记录到的均为上升型的同震响应,结合前人井水位、水温同震响应机理的研究经验,笔者认为:弥勒弥东哨井水位、水温、痕量汞的同震变化,可能是由于该井周围介质的应力环境发生了一定程度的变化,当作用于井孔周围介质的作用力使其发生塑(脆)性变形时,含水层介质的孔隙度发生了变化,从而导致含水层中的地下水进入井孔内,就出现了井水位的上升,同时深部含水层温度较高的深循环地下热水上涌,使水温探头测试的温度同步上升; 随着深部含水层水的不断上涌,把深部流体介质中的汞带出,新型痕量汞仪器灵敏度较高,监测到了汞含量的异常变化,即同震上升响应。