徐立鵬 葛良全 羅耀耀 鄒功江

1（成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動化工程學(xué)院 成都 610059）

2（四川省輻射環(huán)境管理監(jiān)測中心站 成都 610031）

3（地學(xué)核技術(shù)四川省重點實驗室 成都 610059）

軸向應(yīng)力對紅砂巖氡氣析出量影響的探究

徐立鵬1,2葛良全1,3羅耀耀1,3鄒功江1

1（成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動化工程學(xué)院 成都 610059）

2（四川省輻射環(huán)境管理監(jiān)測中心站 成都 610031）

3（地學(xué)核技術(shù)四川省重點實驗室 成都 610059）

針對不同軸向應(yīng)力下的紅砂巖試件，進行試件軸向應(yīng)變實驗與氡氣析出量測量實驗。進而探討了軸向應(yīng)力與試件軸向應(yīng)變的相關(guān)性，研究了軸向應(yīng)力與試件氡氣析出量之間的關(guān)系。實驗結(jié)果表明，Burgers蠕變模型能表征實驗試件瞬時加載應(yīng)變、衰減蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變等蠕變特征；根據(jù)瞬時和累積兩種測氡方法的測量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)二者的相關(guān)性系數(shù)達到0.97 (p＜0.05)；實驗證實軸向應(yīng)力與紅砂巖的氡析出量呈負相關(guān)性。這一結(jié)果為孕震過程中巖石受壓導(dǎo)致自由氡析出的減少提供了有力的證據(jù)，對氡氣預(yù)報地震具有積極的指導(dǎo)意義。

軸向應(yīng)力，紅砂巖，氡析出量

氡氣在地震預(yù)報中的作用越來越受到地震工作者的廣泛關(guān)注。國內(nèi)外的許多學(xué)者不僅從理論上探討應(yīng)用氡氣預(yù)報地震的可行性，而且對地下氡氣監(jiān)測預(yù)報地震的效能進行了大量的研究[1]。如地震前后檢測點的氡濃度異?，F(xiàn)象[1-2]。羅光偉等[3]發(fā)現(xiàn)軸向應(yīng)力下巖樣破裂后氡氣明顯增加的現(xiàn)象。印度學(xué)者Houlub[4]證實軸向應(yīng)力下的氡氣噴出效應(yīng)。韓學(xué)輝等[5-6]根據(jù)地震前后出現(xiàn)氡濃度的負異?，F(xiàn)象，探討了孕震過程中巖石受壓對自由氡析出的影響機制，提出受壓巖石孔隙度的減小最終造成氡濃度析出量的下降。但是現(xiàn)有的遷移理論并未考慮孕震過程中巖石物理條件變化對氡遷移能力的影響，更少涉及孕震過程中地質(zhì)體對氡氣析出能力的影響，但是這些因素卻對地震氡異常的形成具有重大的意義，而且可以提高地下氡預(yù)報地震的能力，為地震區(qū)劃、地震烈度評估等提供理論和科學(xué)依據(jù)。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 紅砂巖氡的產(chǎn)生與遷移模式

氡原子離開紅砂巖介質(zhì)的晶格進入地質(zhì)體孔隙和裂隙的前提條件是鐳原子在α衰變時，衰變產(chǎn)物氡原子需獲得86 keV的反沖能。在反沖動能的作用下，氡原子將離開衰變前的位置而運動一段距離，其可能會逃逸出固體晶格而進入孔隙或微裂隙成為自由氡氣。眾所周知，自由氡氣在地質(zhì)體孔隙中的運移是一個復(fù)雜的過程，目前最重要的氡氣遷移理論模式依然是擴散作用和對流作用。因為此次實驗是在常溫、常壓穩(wěn)態(tài)條件下的無對流密封裝置內(nèi)進行的，擴散介質(zhì)為凈化過的空氣，所以可初步判斷擴散作用起主導(dǎo)作用。

1.2 軸向應(yīng)力對紅砂巖結(jié)構(gòu)的影響

干燥地質(zhì)體中的自由氡氣主要是經(jīng)過地質(zhì)體的空隙和微裂隙向外界擴散遷移。所以地質(zhì)體內(nèi)部孔隙度的變化將會干擾氡氣的運移，影響氡氣的測量結(jié)果。胡昕等[7]對軸向壓縮的紅砂巖顯著性微結(jié)構(gòu)進行了分析研究，指出紅砂巖空隙分布的不均勻是導(dǎo)致試件負載軸向應(yīng)力前、后孔隙度變化的主要原因。在加載初期，紅砂巖內(nèi)部原有的空隙部分將會閉合，各斷面的受力面增加，然而伴隨著軸向荷載的持續(xù)增加，顆粒集聚體之間的聯(lián)接開始斷裂，造成空隙及微裂隙重新擴展，導(dǎo)致孔隙度變大。本次試驗利用CR-39固體徑跡探測器(Solid State Nuclear Track Detector, SSNTD)和金硅面壘半導(dǎo)體探測器對軸向應(yīng)力下紅砂巖的氡氣析出量的濃度進行測量，研究它們之間的關(guān)系。

2 實驗

2.1 測量裝置

實驗使用成都理工大學(xué)自行研發(fā)的IED-3000F測氡儀對樣品氡析出量進行瞬時測量，儀器電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該儀器由探頭、數(shù)據(jù)處理電路兩部分組成。其中探頭組件包括金硅面壘半導(dǎo)體探測器和電荷靈敏前置放大器；數(shù)據(jù)處理部分選擇嵌入式ARM7，并外配I2C非易失只讀存儲器，大大簡化了硬件電路，提高了儀器的抗干擾能力以及對數(shù)據(jù)的處理能力。IED-3000F測氡儀在核工業(yè)公司第六研究所標準氡室完成測試標定，結(jié)果表明該測氡儀測量所得的數(shù)據(jù)準確可靠，測量計數(shù)與氡氣濃度呈線性關(guān)系[8-9]。根據(jù)實驗要求和具體情況，對儀器裝置和軟件進行改進，在只需得到測量計數(shù)值的前提下，確保該儀器在設(shè)定的測量時間內(nèi)能夠?qū)﹄睔獠杉b置中的氡及子體直接快速測量。

圖1 IED-3000F測氡儀電路結(jié)構(gòu)框架圖Fig.1 Circuit structure of radon measure instrument (IED-3000F).

固體徑跡探測器采用CR-39探測氡衰變釋放的α粒子。CR-39是規(guī)格為1 cm×1 cm×1 mm選用新型材料的聚丙烯二甘醇碳酸脂。CR-39固體徑跡探測器具有操作簡單、重現(xiàn)性好、靈敏度高和測量能力強等優(yōu)點[10-11]。本次所用CR-39固體徑跡探測器經(jīng)過核工業(yè)公司第六研究所標準氡室刻度，氡濃度相對誤差為2.9%，刻度系數(shù)為0.0356。通過實驗得到的徑跡密度代入式(1)可以計算相應(yīng)氡氣濃度：

式中，F(xiàn)R為刻度系數(shù)，(Tc·cm-2)/(Bq·h·m-3)；NR為徑跡密度，Tc·cm-2；CRn為氡氣濃度，Bq·m-3；T為照射時間，h。

2.2 實驗?zāi)Ｐ?/p>

實驗所用巖石樣品是產(chǎn)于四川盆地的泥質(zhì)粉砂巖，主要成分包括長石、石英，由鈣、鐵質(zhì)膠結(jié)，顆粒大小為0.25-0.5 mm。依據(jù)GBT50266-1999《工程巖體實驗方法標準》由成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室切樣室的專業(yè)人員將紅砂巖樣品切割加工成?50 mm×100 mm圓柱體試件，再經(jīng)24 h的烘干處理。使用巖石三軸蠕變試驗機對樣品試件做軸向應(yīng)變實驗，最大荷載為500 t。實驗要求應(yīng)變試驗機在恒定荷載下運作，采用動態(tài)應(yīng)變儀測量巖石應(yīng)變過程中的荷載值與應(yīng)變量。應(yīng)變實驗前使用該儀器對砂巖的最大抗壓性進行檢測。結(jié)果表明，該砂巖在20.37 MPa軸向應(yīng)力條件下出現(xiàn)裂隙，破裂程度明顯。根據(jù)單軸抗壓強度的結(jié)果，設(shè)計紅砂巖試件的實驗軸向應(yīng)力分別為5 MPa、10 MPa和15 MPa。

測量實驗在成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室內(nèi)完成（室溫(25±2)°C）。圖2是實驗測量模型的俯視圖(a)和側(cè)視圖(b)，該模型被由支架支撐的雙層密封袋(30 cm×20 cm×15 cm)密封，巖石試件、CR-39探測器和IED-3000F測氡儀的探頭置于長方形密封袋內(nèi)部。實驗過程中試驗機通過密封袋將軸向應(yīng)力施于巖石試件，由于巖石軸向應(yīng)變量很小，因而密封袋的整體形變可以忽略。要求在240 h的實驗測量周期內(nèi)，各測量裝置的相對位置保持不變且密封袋密閉防止對流作用。

在密閉空間內(nèi)距離試件10 cm的一側(cè)放置3片CR-39固體徑跡探測器，探測時間為240 h，計算得到凈計數(shù)均值借助式(1)求出紅砂巖試件析出的氡氣濃度。與此同時，在密閉空間的另一側(cè)距離試件10 cm處使用IED-3000F測氡儀對樣品試件氡析出量進行瞬時測量，測量周期為10 min。

實驗中兩種探測器距離樣品試件10 cm處的原因有兩點：(1) 試件中含有微量的鈾、釷等放射性元素，試件表面的放射性元素衰變發(fā)出的α粒子可能會被探測器記錄，造成測量值較實際值偏大。而天然放射性元素的α粒子在空氣中的最大射程小于10 cm[12]，所以10 cm的間距將避免試件表面α粒子的干擾；(2) 兩種探測器均距離試件10 cm，且測量時間相同，這為兩種實驗方法的參照和對比提供了條件。

圖2 實驗測量模型Fig.2 Experimental measurement model.

3 結(jié)果

3.1 軸向壓縮實驗

按照要求將內(nèi)置有紅砂巖試件的測量模型放置于液壓式應(yīng)力機上，對試件分別施加5 MPa、10 MPa和15 MPa軸向應(yīng)力，觀測軸向應(yīng)力對樣品試件軸向應(yīng)變的影響。對測量得到的軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變數(shù)據(jù)進行處理，得到應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系曲線如圖3所示。從圖3中可以明顯發(fā)現(xiàn)，在穩(wěn)定的軸向應(yīng)力下應(yīng)變曲線呈多級階梯狀增長的趨勢，曲線在增長后出現(xiàn)一段平穩(wěn)期，而后隨著軸向應(yīng)力的持續(xù)又出現(xiàn)階梯式增長。當所加軸向荷載持續(xù)穩(wěn)定時，試件的軸向應(yīng)變不斷變化，巖石中原先存在的張開性結(jié)構(gòu)面和微裂隙逐漸閉合，試件被漸漸地壓密。當試件壓縮達到一定程度，軸向荷載對試件持續(xù)變形的作用將不再繼續(xù)，表現(xiàn)為應(yīng)變將不再繼續(xù)增大。如15MPa軸向應(yīng)力下的應(yīng)變曲線，在192 h前一直保持增長趨勢，之后趨于穩(wěn)定。

圖4是紅砂巖試件在不同軸向應(yīng)力下的應(yīng)變率曲線圖，對比發(fā)現(xiàn)試件所受的軸向應(yīng)力越大，其應(yīng)變率也越大。說明紅砂巖在較高的應(yīng)力下更易產(chǎn)生蠕變，孔隙度將變得更小。

本文對初期蠕變和穩(wěn)定蠕變階段的應(yīng)變曲線作對數(shù)擬合，見式(2)。同時采用Burgers蠕變模型[13]利用MATLAB軟件擬合蠕變曲線，模型見式(3)，得到的擬合結(jié)果見表1。從表1中發(fā)現(xiàn)，各應(yīng)力條件下Burgers模型擬合系數(shù)的平方(R2)均大于0.90，優(yōu)于對數(shù)擬合。所以，Burgers蠕變模型能較好地表征此次試驗過程中巖石蠕變的瞬時加載應(yīng)變、衰減蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變等流變特征。

式中，ε為軸向應(yīng)變量；A、B均為常數(shù)；t為實驗時間；σ0為應(yīng)力；E1、E2為彈性系數(shù)；η1、η2為黏滯系數(shù)。

圖3 紅砂巖試件的軸向應(yīng)變曲線Fig.3 Axial strain curves of red sandstone.

圖4 紅砂巖試件的軸向應(yīng)變率曲線Fig.4 Axial strain rate curves of red sandstone.

表1 紅砂巖的擬合結(jié)果Table 1 Fitting curve results of red sandstone.

壓縮實驗的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，試件在不同的穩(wěn)定持續(xù)軸向應(yīng)力作用下產(chǎn)生軸向收縮，表現(xiàn)出應(yīng)變量隨時間呈現(xiàn)先增長后穩(wěn)定的規(guī)律，經(jīng)歷瞬時加載應(yīng)變、衰減應(yīng)變和穩(wěn)態(tài)應(yīng)變?nèi)齻€階段[14]；在加載初期，試件的軸向應(yīng)變量和應(yīng)變速率均較大，說明試件原有的一些開張性結(jié)構(gòu)面和“原生”裂隙開始閉合；試件的應(yīng)變速率與應(yīng)力值呈正相關(guān)性，并且軸向應(yīng)力越大，應(yīng)變達到穩(wěn)定所需時間越短；對軸向應(yīng)變量ε和軸向應(yīng)力σ做相關(guān)性分析，得到相關(guān)性系數(shù)為1.00 (p＜0.05)，線性擬合函數(shù)為ε=1.686σ+0.3317，存在顯著性相關(guān)。綜上所述，紅砂巖軸向負載越大，巖石軸向應(yīng)變越明顯，巖石內(nèi)部孔隙度變得越小。

3.2 瞬時測量氡氣的結(jié)果

圖5展示了IED-3000F測氡儀對試件氡析出量進行瞬時測量的計數(shù)曲線，其中10 MPa條件下瞬時測量數(shù)據(jù)丟失。觀察發(fā)現(xiàn)，瞬時測量得到的曲線呈波動變化，進一步驗證了氡氣的陣發(fā)性和自發(fā)性特征。0 MPa應(yīng)力條件下的瞬時測量計數(shù)曲線高于其他應(yīng)力條件下的曲線，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力越大計數(shù)曲線越低，這與之前論述軸向應(yīng)力對氡氣析出影響的理論假設(shè)相符[6]。

將測量24 h得到的144個瞬時測量結(jié)果數(shù)據(jù)疊加處理，得到不同應(yīng)力條件下試件240 h內(nèi)瞬時測量數(shù)據(jù)的積累結(jié)果如表2所示。

通過比較表2中每種應(yīng)力下瞬時測量的均值發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)力的增大，計數(shù)均值反而減?。涣褬铀矔r測量均值大于0 MPa條件下巖石的瞬時測量均值，說明試件的斷裂面對氡的析出量有直接的影響，表面積變大氡氣的析出量會增高。在實驗過程中，試件除斷裂面不同外在其他實驗條件相同的情況下，得出巖石斷裂面對氡氣的析出亦有貢獻。

圖5 氡濃度瞬時測量曲線Fig.5 Instantaneous measurement curve of radon concentration.

表2 瞬時測量氡氣的積累量Table 2 Accumulation of instantaneous measured of radon.

3.3 累積測量氡氣的結(jié)果

使用固體核徑跡探測器CR-39對試件的氡氣析出量進行240 h累積測量，在實驗的過程中徑跡探測器的位置始終保持不變，確保了實驗結(jié)果的準確性和可比性。為了使實驗數(shù)據(jù)能表達測量環(huán)境中的真實性，左(L)中(M)右(R)三個徑跡探測器的正面(P)和背面(B)都用以探測，即每次累積測量的結(jié)果有6組數(shù)據(jù)，借助式(1)，可求出每種應(yīng)力條件下試件析出氡氣的濃度值N，如表3所示。

表3 氡濃度累積測量值Table 3 Measured value of radon concentration accumulation.

從表3中可以明顯地發(fā)現(xiàn)，CR-39探測器正面的計數(shù)均大于背面，主要原因在于徑跡探測器的正面正對巖石試件，說明正對試件面氡氣濃度高于背對面，進一步驗證擴散遷移的過程中氡暈的存在。紅砂巖裂樣中析出的氡氣濃度最大，達到(183.55±33.95) Bq·m-3。其中除裂樣出現(xiàn)了斷裂面外，其他實驗條件均和0 MPa條件下的實驗條件相同，斷裂面的出現(xiàn)會增大紅砂巖的表面積，增強氡氣與空氣的接觸能力，氡氣能更加通暢地經(jīng)過通道向外部遷移和擴散；在未壓裂試件的前提下，隨著軸向荷載的增大，試件軸向應(yīng)變量增加，氡氣從試件內(nèi)部析出的通道陸續(xù)關(guān)閉，氡氣析出量不斷地減少，表現(xiàn)出徑跡探測器的徑跡密度在不斷地減小，氡濃度不斷降低，這與之前瞬時測量得到的結(jié)果一致。對瞬時測量法得到的積累均值與累積測量法的氡濃度值做相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)二者的相關(guān)系數(shù)達到0.97 (p＜0.05)，相關(guān)性顯著，證實此次實驗運用瞬時測量法的可行性和實驗結(jié)果的準確性。對表2中的氡濃度值N與軸向應(yīng)力σ做相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)二者的相關(guān)性達到0.95 (p＜0.05)，相關(guān)性顯著，二者的線性擬合函數(shù)為N=-1.6847σ+148.58，擬合度達到0.85，二次擬合函數(shù)為N=-0.0743σ2+0.5451σ+ 141.14，擬合度達到 0.99。在軸向應(yīng)變實驗中紅砂巖氡氣析出量與軸向應(yīng)力呈負相關(guān)性，與花崗巖的實驗結(jié)論完全一致[15-16]。因此，在孕震過程中當巖石處于壓縮狀態(tài)時，巖石中氡的析出量會減少；當巖石被壓縮或拉伸出現(xiàn)斷裂面后，氡濃度會顯著升高，這一結(jié)果將對地震的預(yù)報具有積極的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)語

以實驗為基礎(chǔ)，采用固體核徑跡累積和半導(dǎo)體瞬時測氡方法，對氡氣在不同軸向應(yīng)力作用下的析出量和變化規(guī)律進行研究，結(jié)果表明：

(1) 使用IED-3000F測氡儀對紅砂巖試件的氡析出量瞬時測量，試件中釋放的氡氣具有陣發(fā)性和自發(fā)性特征。

(2) 軸向應(yīng)變曲線呈現(xiàn)多級階梯增長的趨勢，試件的應(yīng)變速率與應(yīng)力值呈正相關(guān)性，并且應(yīng)力越大應(yīng)變達到穩(wěn)定所需時間越短，巖石內(nèi)部孔隙度變得越小；Burgers蠕變模型能較好地表征此次實驗巖石蠕變的流變特征。

(3) 對瞬時測量法得到的積累均值與累積測量法的氡濃度值做相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)二者的相關(guān)性達到0.97 (p＜0.05)，相關(guān)性非常顯著。在一定的軸向應(yīng)力范圍內(nèi)，試件氡的析出量與所承受的軸向應(yīng)力呈負相關(guān)性，這也與前人關(guān)于地震前出現(xiàn)氡濃度異常的推論相符合。

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16 徐立鵬. 單軸壓力下花崗巖氡氣析出量與擴散遷移的實驗研究[D]. 四川: 成都理工大學(xué), 2013 XU Lipeng. An experimental study of granite radon in precipitates quantity and diffusion transfer under axial pressure[D]. Sichuan: Chengdu University of Technology, 2013

CLCTL8, TU458

110201-7

A study of granite radon in the precipitation quantity under axial stress

XU Lipeng1,2GE Liangquan1,3LUO Yaoyao1,3ZOU Gongjiang1
1(College of Nuclear Technology and Automation Engineering, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)
2(Sichuan Radiation Environment Managing & Monitoring Center, Chengdu 610031, China)
3(Key Laboratory of Application Nuclear Technology of Sichuan Province, Chengdu 610059, China)

Background:Many scholars at home and abroad had engaged in the research of underground radon in the earthquake.Purpose:The aim is to discuss the relationship between axial stress and radon precipitation quantity.MethodsAim at red sandstone specimen under different axial stress, this paper made the axial strain experiment and the radon precipitation quantity measurement experiment.Results:The results show that the Burgers creep model can represent the creep characteristics such as instantaneous loading strain, decay creep and steady creep; according to the results of instantaneous radon measurement method and cumulative radon measurement method, the correlation coefficient between the axial stress and red sandstone radon precipitation quantity is up to 0.97 (p＜0.05); the experimental result confirmed that the axial stress has a negative correlation with radon precipitation quantity.Conclusion:This result provides a strong evidence for the rock radon precipitation reduces under stress in the process of earthquake preparation, it has a positive guiding significance for using radon to forecast the earthquake.

Axial stress, Red sandstone, Radon precipitation quantity

TL8，TU458

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.110201

國家“863計劃”項目(No.2012AA06A61803)、國家自然科學(xué)基金項目(No.41374136)資助

徐立鵬，男，1987年生，2010年于成都理工大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為在讀博士研究生，研究領(lǐng)域為核技術(shù)應(yīng)用與輻射環(huán)境監(jiān)測

葛良全，E-mail: glq@cdut.edu.cn

2014-08-20，

2014-09-17