劉兆友，李桂清，彭淑麗，張鳳萍，郭 杰

（河南省濮陽(yáng)市地震臺(tái)，河南 濮陽(yáng) 457000）

濮陽(yáng)臺(tái)土氡數(shù)字化觀測(cè)資料動(dòng)態(tài)特征研究

劉兆友，李桂清，彭淑麗，張鳳萍，郭 杰

（河南省濮陽(yáng)市地震臺(tái)，河南 濮陽(yáng) 457000）

濮陽(yáng)市地震臺(tái)經(jīng)過(guò)觀測(cè)儀器的數(shù)字化技術(shù)改造，使用SD－3A型數(shù)字化測(cè)氡儀開(kāi)展了土氡數(shù)字化觀測(cè)。觀測(cè)結(jié)果顯示，土氡集氣裝置的好壞對(duì)觀測(cè)結(jié)果影響很大。對(duì)集氣室裝置存在的問(wèn)題進(jìn)行了改造，觀測(cè)結(jié)果更好地反映了地下土氡的變化情況。研究了濮陽(yáng)臺(tái)土氡數(shù)字化觀測(cè)資料的動(dòng)態(tài)特征，結(jié)果表明：觀測(cè)資料表現(xiàn)出明顯的氣壓效應(yīng)，土氡觀測(cè)值與氣壓的影響成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

地震前兆；土氡；數(shù)字化觀測(cè)；動(dòng)態(tài)特征；氣壓效應(yīng)

0 引言

氡作為地下流體的映震敏感組分，在我國(guó)的地震預(yù)報(bào)中起著比較重要的作用［1］①。隨著數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，觀測(cè)儀器也正在向著數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展。與模擬觀測(cè)相比，數(shù)字化觀測(cè)儀器具有采樣率高，數(shù)字傳輸、保存和資料處理快捷方便，人為觀測(cè)誤差少的優(yōu)點(diǎn)，從而使觀測(cè)結(jié)果的信息量大大增加，為捕捉地震短臨異常信息提供了有利條件。

目前，開(kāi)展數(shù)字化氣氡觀測(cè)的臺(tái)站多為由水氡觀測(cè)改造后開(kāi)展的氣氡數(shù)字化觀測(cè)［2－5］。但在水資源過(guò)度開(kāi)采的形勢(shì)下，發(fā)展斷層土壤氣觀測(cè)成為必然趨勢(shì)［6－7］。因此，進(jìn)行土氡含量數(shù)字化觀測(cè)資料動(dòng)態(tài)特征研究，為今后開(kāi)展斷層土壤氣土氡數(shù)字化觀測(cè)具有重要意義［8－9］。

2003年9月，濮陽(yáng)市地震臺(tái)對(duì)觀測(cè)儀器進(jìn)行了數(shù)字化觀測(cè)技術(shù)改造，開(kāi)展了土氡數(shù)字化前兆觀測(cè)，取得了連續(xù)、完整的觀測(cè)資料。本文對(duì)濮陽(yáng)臺(tái)土氡數(shù)字化觀測(cè)資料的氣壓效應(yīng)動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行了研究，對(duì)集氣室裝置存在的問(wèn)題進(jìn)行了改造［10－13］。集氣室裝置改造后，土氡觀測(cè)結(jié)果不再出現(xiàn)0值，土氡值的變化表現(xiàn)出了明顯的氣壓效應(yīng)動(dòng)態(tài)特征，更好地反映了地下土氡的變化情況。

1 濮陽(yáng)臺(tái)土氡數(shù)字化觀測(cè)體系

數(shù)字化土氡觀測(cè)系統(tǒng)包含SD－3A型數(shù)字化自動(dòng)測(cè)氡儀、氣氡探測(cè)裝置、數(shù)據(jù)通訊微機(jī)及數(shù)據(jù)通訊軟件等，數(shù)字化土氡觀測(cè)孔選在前兆觀測(cè)室樓前1.5m處，根據(jù)地下地層情況和地下水位埋深22m，設(shè)計(jì)打孔16m，并下內(nèi)直徑150mm的PVC管，其中篩管長(zhǎng)度5m，PVC管外用紗窗包裹，下管后用砂填實(shí)。2003年8月29日進(jìn)行鉆井，鉆井深17m，其井孔柱狀圖見(jiàn)圖1，下管16m，其中篩管5m。篩管位置選擇在粉細(xì)砂層位，透氣性較好。抽氣管放在觀測(cè)孔篩管位置內(nèi)的下部，管口用橡膠塞塞緊，抽氣管連接到SD－3A氡探測(cè)裝置的進(jìn)氣口，井孔到觀測(cè)室的橡膠導(dǎo)氣管用PVC管進(jìn)行了保護(hù)。

圖1 濮陽(yáng)臺(tái)土氡觀測(cè)孔柱狀圖

2 土氡的氣壓效應(yīng)動(dòng)態(tài)特征及變化原因分析

2.1 集氣室改造前土氡氣壓效應(yīng)動(dòng)態(tài)特征及變化原因分析

圖2是濮陽(yáng)臺(tái)2008年前土氡觀測(cè)值曲線。由圖2（a）可知，土氡含量觀測(cè)值的變化表現(xiàn)為突然升高或突然降低，并在高值和低值處有波動(dòng)。低值時(shí)為0Bq／L，波動(dòng)范圍為0～2Bq／L；高值時(shí)達(dá)到6Bq／L，波動(dòng)范圍為4～6Bq／L。這樣的動(dòng)態(tài)特征變化在地震前兆觀測(cè)中并不多見(jiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，氣壓的變化是引起土氡含量變化的直接原因。

圖2 濮陽(yáng)臺(tái)土氡數(shù)字化觀測(cè)曲線

圖3是土氡與氣壓觀測(cè)值關(guān)系曲線。由圖3可知，土氡觀測(cè)值隨著氣壓的變化而變化，氣壓下降，土氡值升高，氣壓值在下降過(guò)程中波動(dòng)時(shí)，土氡值在高值區(qū)波動(dòng)；氣壓上升時(shí)，土氡值下降，氣壓值在上升過(guò)程中波動(dòng)時(shí)，土氡值在低值區(qū)波動(dòng)。土氡出現(xiàn)的高值和低值滯后氣壓變化1～2h，但土氡的變化更劇烈、快速，很快達(dá)到高值和低值，而沒(méi)有表現(xiàn)出氣壓變化的過(guò)程。這種變化表現(xiàn)出了土氡對(duì)氣壓變化的敏感性。

圖3 濮陽(yáng)臺(tái)土氡與氣壓數(shù)字化觀測(cè)整點(diǎn)值曲線圖（2008年2月）

我們知道，深井水位普遍存在氣壓效應(yīng)的微動(dòng)態(tài)特征［14］。井孔水位的氣壓效應(yīng)機(jī)理，一般認(rèn)為是當(dāng)大氣壓力同時(shí)作用在井區(qū)大地表面與井孔水面上時(shí)，由于作用在大地表面上的力是通過(guò)含水層頂板以上的覆蓋層傳遞到含水層巖體上，其過(guò)程中大氣壓力將被衰減，因此導(dǎo)致井－含水層之間出現(xiàn)壓差并引起水流運(yùn)動(dòng)。當(dāng)大氣壓力增大時(shí)，井內(nèi)水向含水層流動(dòng)，導(dǎo)致井孔水位下降，而大氣壓力減小時(shí)，含水層內(nèi)的水向井孔流動(dòng)，導(dǎo)致井孔水位上升。因此，氣壓與井孔水位的關(guān)系表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)。

濮陽(yáng)臺(tái)土氡觀測(cè)值表現(xiàn)出與氣壓變化的負(fù)相關(guān)關(guān)系。根據(jù)上述機(jī)理，氣壓直接作用到了土氡觀測(cè)系統(tǒng)的集氣室（相當(dāng)于水位觀測(cè)的井孔）中，氣壓升高時(shí)觀測(cè)結(jié)果出現(xiàn)0值，這是與土氡觀測(cè)系統(tǒng)集氣室安裝要求不相符的（集氣室裝置應(yīng)為密封狀態(tài)）。為此，我們對(duì)集氣室進(jìn)行了檢查。檢查發(fā)現(xiàn)，作為集氣室的PVC管上口端有2個(gè)吊裝時(shí)打的穿孔，安裝后沒(méi)有進(jìn)行密封，這就造成了集氣室和大氣相通。因而出現(xiàn)了土氡觀測(cè)值與氣壓的負(fù)相關(guān)關(guān)系。之后，我們對(duì)集氣室進(jìn)行了改造，采取了封堵措施，使觀測(cè)層的集氣室完全封閉，和大氣完全隔離，并在集氣室內(nèi)安放了兩端封閉、直徑110mm的PVC管，減少了集氣室有效體積，提高了集氣室采氣率，達(dá)到了觀測(cè)技術(shù)要求［12－13］。

2.2 集氣室改造封閉后土氡氣壓效應(yīng)動(dòng)態(tài)特征及變化原因分析

2008年10月集氣室改造封閉后，土氡測(cè)值顯著升高，但測(cè)值隨之逐漸降低，2個(gè)月后，土氡值趨于穩(wěn)定（圖4）。土氡觀測(cè)值仍顯示有氣壓效應(yīng)，但氣壓效應(yīng)的作用性質(zhì)發(fā)生了變化，由原來(lái)的負(fù)相關(guān)關(guān)系變?yōu)檎嚓P(guān)關(guān)系（圖5（a））。土氡觀測(cè)值在原來(lái)的高值范圍，變化幅度變小，觀測(cè)誤差變小，不再出現(xiàn)0值，集氣室封閉改造后取得良好觀測(cè)效果（圖4）。

圖4 濮陽(yáng)臺(tái)土氡觀測(cè)日均值曲線

2008年10月至2009年6月，土氡觀測(cè)值表現(xiàn)為隨氣壓升高而升高，氣壓降低而降低的正相關(guān)關(guān)系（圖5（a））。但是隨著觀測(cè)時(shí)間的推移，氣壓效應(yīng)越來(lái)越小，并逐漸消失（圖5（b））。2009年10月下旬后，氣壓效應(yīng)再次出現(xiàn)，但其作用表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖5（c））。

為什么在集氣室密封后氣壓對(duì)土氡觀測(cè)結(jié)果的作用性質(zhì)發(fā)生了變化呢？對(duì)此，我們進(jìn)行了分析研究。

圖5 濮陽(yáng)臺(tái)土氡與氣壓關(guān)系曲線圖

在開(kāi)展土壤氣觀測(cè)時(shí)，需用真空泵抽取地下土壤中的氣體進(jìn)行觀測(cè)。SD－3A型數(shù)字化測(cè)氡儀本身帶有微型真空泵，可按設(shè)定程序自動(dòng)抽氣進(jìn)行土氡觀測(cè)。由于地下土壤中氣體含量較少，在開(kāi)始觀測(cè)時(shí)，抽出的氣體較多，因此，土氡測(cè)值較高。但隨著觀測(cè)時(shí)間的推移，土壤中氣體量變少，抽出的氣體變少，土氡測(cè)值就越低。由于抽氣產(chǎn)生負(fù)壓作用，在負(fù)壓作用下，周?chē)鷼怏w對(duì)集氣室進(jìn)行補(bǔ)充，直至抽取氣體與補(bǔ)充氣體達(dá)到平衡，土氡觀測(cè)結(jié)果變得平穩(wěn)。開(kāi)始觀測(cè)時(shí)，土氡觀測(cè)結(jié)果與氣壓效應(yīng)作用表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，這與氣壓對(duì)地表產(chǎn)生的作用是相符的。氣壓越高，進(jìn)入集氣室的氣體越多，氣壓越低，進(jìn)入集氣室的氣體越少，因此，開(kāi)始觀測(cè)時(shí)，土氡觀測(cè)結(jié)果與氣壓效應(yīng)作用表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。但隨著觀測(cè)的進(jìn)行，集氣室及周?chē)寥罋怏w被抽出而產(chǎn)生負(fù)壓作用，抵消了氣壓對(duì)地面產(chǎn)生的壓力作用，氣壓效應(yīng)減弱，直到消失。由于觀測(cè)工作持續(xù)不斷的進(jìn)行，集氣室將長(zhǎng)期處于負(fù)壓狀態(tài)。氣壓效應(yīng)的正相關(guān)關(guān)系消失而且發(fā)生轉(zhuǎn)變，變成了負(fù)相關(guān)關(guān)系。這也許是土壤氣土氡觀測(cè)的正常動(dòng)態(tài)特征。

經(jīng)測(cè)量，SD－3A型測(cè)氡儀真空泵的真空度只有106hPa，而大氣壓的日變化可達(dá)35hPa以上，其變化達(dá)到了真空泵真空度的三分之一，因此，氣壓的變化將嚴(yán)重影響真空泵的抽氣量，使觀測(cè)結(jié)果也會(huì)發(fā)生變化。在集氣室－測(cè)量室－真空泵－大氣壓這個(gè)土氡取氣測(cè)量系統(tǒng)中（圖6），真空泵需克服大氣壓的阻力抽取地下土壤氣。大氣壓越高阻力越大，抽出的氣體就越少，土氡測(cè)值也越低。反之，大氣壓越低阻力越小，抽出的氣體就越多，土氡測(cè)值就越高。因此，土氡長(zhǎng)期觀測(cè)后，其氣壓效應(yīng)表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖6 斷層土壤氣土氡取氣測(cè)量系統(tǒng)

圖7 濮陽(yáng)臺(tái)2～6m深度集氣室土氡與氣壓數(shù)字化觀測(cè)整點(diǎn)值曲線圖（2008年10月3—12日）

為驗(yàn)證上述分析，我們做了對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選用較小的集氣室，使集氣室體積為5L，埋深6m，觀測(cè)層為2～6m。由于儀器每小時(shí)抽氣1L，因此，集氣室很快就處于負(fù)壓狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，土氡觀測(cè)結(jié)果與氣壓效應(yīng)應(yīng)為負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖7）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了上述分析的正確性。由此可知，土壤氣土氡觀測(cè)結(jié)果與氣壓效應(yīng)有負(fù)相關(guān)關(guān)系。集氣室體積較大時(shí)，開(kāi)始可表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，而后氣壓效應(yīng)消失，又表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)集氣室體積較小時(shí)，土氡觀測(cè)結(jié)果直接表現(xiàn)為與氣壓的負(fù)相關(guān)關(guān)系。這應(yīng)是土壤氣土氡觀測(cè)的正常動(dòng)態(tài)特征。同時(shí)也說(shuō)明，集氣室大小對(duì)土壤氣土氡觀測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，因此，在安裝土氡觀測(cè)裝置時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)合理、實(shí)用的集氣室裝置［10－13］。

3 結(jié)論

（1）濮陽(yáng)臺(tái)土氡數(shù)字化觀測(cè)結(jié)果表現(xiàn)出明顯的氣壓效應(yīng)，土氡值與氣壓的影響成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

（2）濮陽(yáng)臺(tái)土氡觀測(cè)裝置改造后，觀測(cè)結(jié)果不再出現(xiàn)0值，更好地反映了地下土氡的變化情況。

（3）土氡集氣裝置的好壞，對(duì)觀測(cè)結(jié)果影響很大。

（4）在日常觀測(cè)工作中，要精心設(shè)置集氣裝置并保持觀測(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，以便獲得高質(zhì)量的土氡觀測(cè)資料，并運(yùn)用于地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作中。

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Study on Digital Soil Rn Observation Data of Puyang Seismic Station

LIU Zhao－you，LI Gui－qing，PENG Shu－li，ZHANG Feng－ping，GUO Jie
（Puyang Seismic Station，Henan Province，Puyang 457000，China）

Digital soil Rn observation data recorded using SD－3Ainstrument in Puyang seismic station arestudied.The result shows that：soil radon gas－collecting device have a great influence to observation re－sult.The gas－collecting device was reformed to solve the existing problems.After reforming，the quantityof the observation data is greatly improved.There is a negative correlation between observations of soil ra－don and air pressure.

seismic precursor；soil Rn；digital observation；dynamic characteristics；atmospheric effect

P315.72

A

1003－1375（2012）01－0018－04