西寧臺(tái)氣氡對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

李滔，丁寧霞，王永剛

(青海省地震局西寧地震臺(tái)，青海 西寧 810008)

0 引 言

氡是地殼中放射性元素鈾和鐳衰變的產(chǎn)物，是氣體元素中比重最大一個(gè)元素，具有放射性。在地下水中，氡主要以溶解氡和氣氡的形式存在。當(dāng)?shù)貧ぶ心骋惶幵杏卣饡r(shí)，特別到了臨震階段，隨著其應(yīng)力狀態(tài)的變化，地下水中氡的含量將發(fā)生顯著的變化[1]，所以觀測(cè)溫泉水中氡含量的變化有可能捕捉到地震孕育與發(fā)生的前兆信息。由于氡的這一特性，我國(guó)從20世紀(jì)70年代起將氡觀測(cè)正式作為地震前兆測(cè)項(xiàng)[2]。初期主要以模擬觀測(cè)為主，觀測(cè)水中溶解的氡氣的含量。隨著“十五”項(xiàng)目數(shù)字化改造的進(jìn)行，以SD-3A數(shù)據(jù)測(cè)氡儀逐漸代替了原來的FD-105K和FD-125型模擬測(cè)氡儀。2020年12月，由于西寧地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱“西寧臺(tái)”)原有的SD-3A型測(cè)氡儀老化，于儀器前端安裝了一臺(tái)DDL-1型數(shù)字測(cè)氡儀進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)。希望通過對(duì)比觀測(cè)，檢測(cè)新儀器的穩(wěn)定性，為新舊儀器的切換做好準(zhǔn)備。截止2021年3月31日，已經(jīng)取得了三個(gè)多月的對(duì)比觀測(cè)資料。

1 井孔情況

西寧臺(tái)位于祁連山構(gòu)造帶的西寧盆地內(nèi)。盆地周邊受祁連山斷隆帶、日月山斷隆帶和拉脊山斷隆帶所控制。臺(tái)站水氡觀測(cè)始于1974年，在上升泉的藥王泉泉口取水樣，進(jìn)行模擬水氡觀測(cè)。水氡觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)東經(jīng)99～104°、北緯35～38.5°范圍內(nèi)的地震有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[3]。在2007年后，隨著泉口所在的西寧市海湖新區(qū)開工，泉水受到干擾，模擬水氡數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，無法觀測(cè)。施工結(jié)束后，原泉水已經(jīng)無法進(jìn)行觀測(cè)。海湖新區(qū)管委會(huì)在原泉口附近新打了一口263 m深的自流井(藥王井)用于景觀建設(shè)。經(jīng)協(xié)商，于2015年在藥王井的出水口分出部分井水進(jìn)行數(shù)字氣氡觀測(cè)，安裝了SD-3A型數(shù)字氣氡觀測(cè)儀。2020年12月，由于SD-3A型測(cè)氡儀老化，于儀器前端安裝了一臺(tái)DDL-1型數(shù)字測(cè)氡儀進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)。

藥王井成井于2010年，井深261 m，為自流井。自流涌水量為4.459 L/s，井孔水溫24.7 ℃。井孔上部主要以細(xì)砂巖為主，中下部主要以粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主。井孔含水層有三層。井內(nèi)地下水類型為古近系碎屑巖裂隙孔隙水。含水層采用濾水管與井孔接通。

圖1 西寧臺(tái)藥王井井孔及巖性

表1 藥王井含水層情況統(tǒng)計(jì)

2 觀測(cè)儀器及裝置

2.1 觀測(cè)儀器

SD-3A型測(cè)氡儀由中國(guó)地震局分析預(yù)報(bào)中心研制，采用閃爍法測(cè)氡技術(shù)，其探測(cè)過程是在內(nèi)壁涂有ZnS(Ag)的閃爍室中進(jìn)行。氡衰變放出的α粒子轟擊ZnS(Ag)晶體，引起ZnS(Ag)原子激發(fā)而放出光子，光子被光電倍增管接收后，在其陰極產(chǎn)生光電子，最終輸出脈沖電壓。α粒子的數(shù)目與氡深度成正比，即光電脈沖數(shù)的頻次與氡深度成正比，因而通過對(duì)脈沖數(shù)的頻次測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)氡濃度的相對(duì)測(cè)定。SD-3A測(cè)氡儀采用連續(xù)自動(dòng)觀測(cè)，采樣率為1次/h，靈敏度≥90脈沖/Bq/L/min，固有本底≤20 Bq/min。

DDL-1型測(cè)氡儀由鄭州晶微電子科技有限公司研制，采用電離法測(cè)氡技術(shù)。利用氡氣具有放射作用可以將周圍介質(zhì)電離的特性，當(dāng)氡氣鼓入電離室后，氡衰變產(chǎn)生α粒子和RaA氣子體，使電離電流得以積累。當(dāng)氡氣從進(jìn)氣口不斷進(jìn)入電離室中，在一定正電場(chǎng)作用下將這些雜散離子形成圓心流動(dòng)的電離離子流，在電離室中心的接收極上進(jìn)行累積。接收極上累積的離子數(shù)與電離室中氡氣含量成正比關(guān)系，也與井水中氡氣的濃度直接相關(guān)。DDL-1型測(cè)氡儀采用連續(xù)自動(dòng)觀測(cè)，采樣率為1次/min，探測(cè)下限為≤0.1 Bq/L固有本底≤0.05 Bq/L。

圖2 西寧臺(tái)氣氡脫氣裝置

2.2 脫氣裝置

西寧地震臺(tái)氣氡觀測(cè)采用的是本臺(tái)職工邱鵬成研制的脫氣裝置。該裝置是針對(duì)青海省大部分氣氡觀測(cè)井的實(shí)際情況而設(shè)計(jì)的，具有運(yùn)行穩(wěn)定、井孔適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[4]。

2.3 對(duì)比觀測(cè)裝置

西寧臺(tái)氣氡觀測(cè)點(diǎn)，從藥王泉分出一部分泉水到觀測(cè)室，首先進(jìn)入脫氣裝置。經(jīng)脫氣裝置脫氣后，氡氣從出氣口經(jīng)冷凝瓶，首先進(jìn)入DDL-1 型測(cè)氡儀進(jìn)氣口—排氣口，之后進(jìn)入SD-3A型測(cè)氡儀進(jìn)氣口—排氣口排出(圖3)。

圖3 西寧臺(tái)氣氡對(duì)比觀測(cè)裝置

3 對(duì)比數(shù)據(jù)分析

3.1 原始數(shù)據(jù)分析

由于SD-3A型測(cè)氡儀采樣率為1次/h，DDL-1型測(cè)氡儀采樣率為1次/min，為了進(jìn)行直觀對(duì)比，對(duì)DDL-1型測(cè)氡儀數(shù)據(jù)采用抽取整點(diǎn)值和計(jì)算時(shí)均值兩種方法進(jìn)行了處理，使得兩套儀器的數(shù)據(jù)具有了相同的采樣率。圖4為兩套儀器原始數(shù)據(jù)的對(duì)比曲線。從圖中看，兩套儀器的數(shù)據(jù)整體變化形態(tài)和趨勢(shì)基本一致，但SD-3A型測(cè)氡儀較DDL-1型測(cè)氡儀的數(shù)據(jù)整體偏高約13 Bq/L，DDL-1型數(shù)據(jù)的變化形態(tài)較SD-3A更為清晰。

圖4 西寧地震臺(tái)SD-3A型和DDL-1 型測(cè)氡儀原始數(shù)據(jù)對(duì)比觀測(cè)曲線(20210101～20210331)

分析認(rèn)為可能是由于SD-3A型測(cè)氡儀投入運(yùn)行多年，閃爍室內(nèi)本底殘留污染，無法去除，底數(shù)偏高。而DDL-1型測(cè)氡儀采用的電離法，其傳感器受污染的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于閃爍法，且其剛剛投入使用，本底污染尚未形成，因此造成SD-3A型較DDL-1型數(shù)據(jù)整體偏高。

3.2 歸零分析

為了對(duì)兩套儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀比較，將每組中每個(gè)數(shù)據(jù)逐一減去本組中第1個(gè)數(shù)據(jù)，使得每組數(shù)據(jù)第一個(gè)值為零。

設(shè)觀測(cè)值為N，2021年1月1日00時(shí)的數(shù)據(jù)為N0，設(shè)歸零計(jì)算值N1=N-N0

按照以上公式，對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算，得出歸零化結(jié)果如圖5所示。

圖5 西寧地震臺(tái)SD-3A型和DDL-1 型測(cè)氡儀歸零數(shù)據(jù)對(duì)比觀測(cè)曲線(20210101～20210331)

從圖5中可知，除安裝之初DDL-1型測(cè)氡儀安裝之初數(shù)據(jù)上升并趨于穩(wěn)定外，兩套儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)變化形態(tài)和趨勢(shì)基本一致，其小幅度的起伏變化均同步。SD-3A型測(cè)氣儀的數(shù)據(jù)本身噪聲較大，部分幅度較小的變化被淹沒在了噪聲之中。DDL-1 型測(cè)氡儀觀測(cè)數(shù)據(jù)噪聲較小，變化也較為靈敏，對(duì)一些較小幅度的起伏反映得較為清晰。

3.3 一階差分分析

設(shè)當(dāng)日觀測(cè)值為Ni，前一日觀測(cè)值為Ni-1，一階差分值為Mi，則Mi=Ni-Ni-1

按照以上公式，對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算，得出一階差分值如圖6所示。

圖6 西寧地震臺(tái)SD-3A型和DDL-1 型測(cè)氡儀對(duì)比觀測(cè)一階差分?jǐn)?shù)據(jù)曲線(20210101～20210331)

從圖中看，兩組數(shù)據(jù)的噪聲有著明顯的差別。SD-3A型測(cè)氡儀的數(shù)據(jù)噪聲較大，約在±6Bq/L之間，而DDL-1型測(cè)氡儀數(shù)據(jù)的噪聲則明顯較小，約在±3Bq/L之間。表明DDL-1型測(cè)氡儀較SD-3A型測(cè)氡儀數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性較好，觀測(cè)精度較高。

3.4 相關(guān)性分析

對(duì)于一對(duì)數(shù)據(jù)序列{xi}、{yi}(I=1,2……,n)若變量x,y之間服從 y=a+bx統(tǒng)計(jì)關(guān)系，具體表達(dá)式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

r為反映y與x之間相關(guān)程度的相關(guān)系數(shù)[5]。

采用以上公式，計(jì)算了SD-3A型與DDL-1型測(cè)氡儀觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)。得出結(jié)果如表2所示。

表2 SD-3A與DDL-1型測(cè)氡儀觀測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)

從表中看，兩套儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)為正相關(guān)，但兩者的相關(guān)系數(shù)并不高。表明其變化趨勢(shì)基本一致，但變化形態(tài)的相似程度不高。

3.5 短期變化分析

從以上各項(xiàng)對(duì)比分析中可以看出，兩套儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)和形態(tài)基本一致，但靈敏度和噪聲等有所差異，但是對(duì)于一些短期數(shù)據(jù)變化記錄，兩者也存在著區(qū)別。如2021年2月18日，兩套儀器的數(shù)據(jù)均發(fā)生了由下降轉(zhuǎn)為上升的趨勢(shì)轉(zhuǎn)折，且短期變化形態(tài)也發(fā)生了明顯的變化。數(shù)據(jù)變化的頻率降低，幅度增大。從圖7中看，兩者的短期變化形態(tài)也存在著一定的差異。這可能就是導(dǎo)致兩者相關(guān)系數(shù)不高的原因之一。

圖7 西寧地震臺(tái)SD-3A型和DDL-1 型測(cè)氡儀 對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線

4 結(jié) 論

(1)SD-3A型和DDL-1型測(cè)氡儀觀測(cè)數(shù)據(jù)具有基本相同的變化形態(tài)和變化趨勢(shì)，但兩者之間存在一定的差異。兩者為正相關(guān)，但相關(guān)系數(shù)并不高。

(2)分析二者差異的原因，一方面可能是由于SD-3A型測(cè)氡儀工作時(shí)間較長(zhǎng)，本底污染而導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏高，由于老化而導(dǎo)致噪聲較大；另一方面也可能是由于兩套儀器采用的工作原理不同，導(dǎo)致觀測(cè)的數(shù)據(jù)存在一定的差異。

(3)DDL-1型較SD-3A型測(cè)氡儀，存在明顯的優(yōu)勢(shì)。其本底污染小，采樣率和靈敏度高，噪聲低，儀器穩(wěn)定性好，對(duì)于一些短期的數(shù)據(jù)變化觀測(cè)得更加清晰。經(jīng)過一段時(shí)間的對(duì)比觀測(cè)，認(rèn)為完全可以用DDL-1型測(cè)氡儀取代已經(jīng)老化的SD-3A型測(cè)氡儀。但DDL-1型測(cè)氡儀附帶的氣壓觀測(cè)值一直不太正常?？赡苁菤鈮簻y(cè)量模塊存在問題，建議處理之后，再進(jìn)行儀器的切換。

(4)2021年2月18日，兩套儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)變化形態(tài)都發(fā)生了明顯的變化。事后，經(jīng)過檢查觀測(cè)系統(tǒng)和周邊觀測(cè)環(huán)境，均沒有發(fā)現(xiàn)明顯的異常。2021年5月22日，青海瑪多發(fā)生7.4級(jí)地震。這次數(shù)據(jù)變化是否與此次地震有關(guān)，有待進(jìn)一步探討。