李滔,丁寧霞,王永剛
(青海省地震局西寧地震臺,青海 西寧 810008)
氡是地殼中放射性元素鈾和鐳衰變的產物,是氣體元素中比重最大一個元素,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?shù)貧ぶ心骋惶幵杏卣饡r,特別到了臨震階段,隨著其應力狀態(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,我國從20世紀70年代起將氡觀測正式作為地震前兆測項[2]。初期主要以模擬觀測為主,觀測水中溶解的氡氣的含量。隨著“十五”項目數(shù)字化改造的進行,以SD-3A數(shù)據(jù)測氡儀逐漸代替了原來的FD-105K和FD-125型模擬測氡儀。2020年12月,由于西寧地震臺(以下簡稱“西寧臺”)原有的SD-3A型測氡儀老化,于儀器前端安裝了一臺DDL-1型數(shù)字測氡儀進行對比觀測。希望通過對比觀測,檢測新儀器的穩(wěn)定性,為新舊儀器的切換做好準備。截止2021年3月31日,已經(jīng)取得了三個多月的對比觀測資料。
西寧臺位于祁連山構造帶的西寧盆地內。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。臺站水氡觀測始于1974年,在上升泉的藥王泉泉口取水樣,進行模擬水氡觀測。水氡觀測數(shù)據(jù)對東經(jīng)99~104°、北緯35~38.5°范圍內的地震有很好的對應關系[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。施工結束后,原泉水已經(jīng)無法進行觀測。海湖新區(qū)管委會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。經(jīng)協(xié)商,于2015年在藥王井的出水口分出部分井水進行數(shù)字氣氡觀測,安裝了SD-3A型數(shù)字氣氡觀測儀。2020年12月,由于SD-3A型測氡儀老化,于儀器前端安裝了一臺DDL-1型數(shù)字測氡儀進行對比觀測。
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 ℃。井孔上部主要以細砂巖為主,中下部主要以粉砂質泥巖、粉砂巖為主。井孔含水層有三層。井內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 西寧臺藥王井井孔及巖性
表1 藥王井含水層情況統(tǒng)計
2 觀測儀器及裝置
SD-3A型測氡儀由中國地震局分析預報中心研制,采用閃爍法測氡技術,其探測過程是在內壁涂有ZnS(Ag)的閃爍室中進行。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,因而通過對脈沖數(shù)的頻次測量實現(xiàn)對氡濃度的相對測定。SD-3A測氡儀采用連續(xù)自動觀測,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型測氡儀由鄭州晶微電子科技有限公司研制,采用電離法測氡技術。利用氡氣具有放射作用可以將周圍介質電離的特性,當氡氣鼓入電離室后,氡衰變產生α粒子和RaA氣子體,使電離電流得以積累。當氡氣從進氣口不斷進入電離室中,在一定正電場作用下將這些雜散離子形成圓心流動的電離離子流,在電離室中心的接收極上進行累積。接收極上累積的離子數(shù)與電離室中氡氣含量成正比關系,也與井水中氡氣的濃度直接相關。DDL-1型測氡儀采用連續(xù)自動觀測,采樣率為1次/min,探測下限為≤0.1 Bq/L固有本底≤0.05 Bq/L。
圖2 西寧臺氣氡脫氣裝置
西寧地震臺氣氡觀測采用的是本臺職工邱鵬成研制的脫氣裝置。該裝置是針對青海省大部分氣氡觀測井的實際情況而設計的,具有運行穩(wěn)定、井孔適應性強等特點[4]。
西寧臺氣氡觀測點,從藥王泉分出一部分泉水到觀測室,首先進入脫氣裝置。經(jīng)脫氣裝置脫氣后,氡氣從出氣口經(jīng)冷凝瓶,首先進入DDL-1 型測氡儀進氣口—排氣口,之后進入SD-3A型測氡儀進氣口—排氣口排出(圖3)。
圖3 西寧臺氣氡對比觀測裝置
由于SD-3A型測氡儀采樣率為1次/h,DDL-1型測氡儀采樣率為1次/min,為了進行直觀對比,對DDL-1型測氡儀數(shù)據(jù)采用抽取整點值和計算時均值兩種方法進行了處理,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)和趨勢基本一致,但SD-3A型測氡儀較DDL-1型測氡儀的數(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SD-3A型和DDL-1 型測氡儀原始數(shù)據(jù)對比觀測曲線(20210101~20210331)
分析認為可能是由于SD-3A型測氡儀投入運行多年,閃爍室內本底殘留污染,無法去除,底數(shù)偏高。而DDL-1型測氡儀采用的電離法,其傳感器受污染的程度遠遠小于閃爍法,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。
為了對兩套儀器觀測數(shù)據(jù)進行直觀比較,將每組中每個數(shù)據(jù)逐一減去本組中第1個數(shù)據(jù),使得每組數(shù)據(jù)第一個值為零。
設觀測值為N,2021年1月1日00時的數(shù)據(jù)為N0,設歸零計算值N1=N-N0
按照以上公式,對每組數(shù)據(jù)進行了計算,得出歸零化結果如圖5所示。
圖5 西寧地震臺SD-3A型和DDL-1 型測氡儀歸零數(shù)據(jù)對比觀測曲線(20210101~20210331)
從圖5中可知,除安裝之初DDL-1型測氡儀安裝之初數(shù)據(jù)上升并趨于穩(wěn)定外,兩套儀器的觀測數(shù)據(jù)變化形態(tài)和趨勢基本一致,其小幅度的起伏變化均同步。SD-3A型測氣儀的數(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 型測氡儀觀測數(shù)據(jù)噪聲較小,變化也較為靈敏,對一些較小幅度的起伏反映得較為清晰。
設當日觀測值為Ni,前一日觀測值為Ni-1,一階差分值為Mi,則Mi=Ni-Ni-1
按照以上公式,對每組數(shù)據(jù)進行了計算,得出一階差分值如圖6所示。
圖6 西寧地震臺SD-3A型和DDL-1 型測氡儀對比觀測一階差分數(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型測氡儀的數(shù)據(jù)噪聲較大,約在±6Bq/L之間,而DDL-1型測氡儀數(shù)據(jù)的噪聲則明顯較小,約在±3Bq/L之間。表明DDL-1型測氡儀較SD-3A型測氡儀數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性較好,觀測精度較高。
對于一對數(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)計關系,具體表達式如下:
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
r為反映y與x之間相關程度的相關系數(shù)[5]。
采用以上公式,計算了SD-3A型與DDL-1型測氡儀觀測數(shù)據(jù)之間的相關系數(shù)。得出結果如表2所示。
表2 SD-3A與DDL-1型測氡儀觀測數(shù)據(jù)相關系數(shù)
從表中看,兩套儀器的觀測數(shù)據(jù)為正相關,但兩者的相關系數(shù)并不高。表明其變化趨勢基本一致,但變化形態(tài)的相似程度不高。
從以上各項對比分析中可以看出,兩套儀器的觀測數(shù)據(jù)變化趨勢和形態(tài)基本一致,但靈敏度和噪聲等有所差異,但是對于一些短期數(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)生了由下降轉為上升的趨勢轉折,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。這可能就是導致兩者相關系數(shù)不高的原因之一。
圖7 西寧地震臺SD-3A型和DDL-1 型測氡儀 對比觀測數(shù)據(jù)曲線
(1)SD-3A型和DDL-1型測氡儀觀測數(shù)據(jù)具有基本相同的變化形態(tài)和變化趨勢,但兩者之間存在一定的差異。兩者為正相關,但相關系數(shù)并不高。
(2)分析二者差異的原因,一方面可能是由于SD-3A型測氡儀工作時間較長,本底污染而導致數(shù)據(jù)偏高,由于老化而導致噪聲較大;另一方面也可能是由于兩套儀器采用的工作原理不同,導致觀測的數(shù)據(jù)存在一定的差異。
(3)DDL-1型較SD-3A型測氡儀,存在明顯的優(yōu)勢。其本底污染小,采樣率和靈敏度高,噪聲低,儀器穩(wěn)定性好,對于一些短期的數(shù)據(jù)變化觀測得更加清晰。經(jīng)過一段時間的對比觀測,認為完全可以用DDL-1型測氡儀取代已經(jīng)老化的SD-3A型測氡儀。但DDL-1型測氡儀附帶的氣壓觀測值一直不太正常。可能是氣壓測量模塊存在問題,建議處理之后,再進行儀器的切換。
(4)2021年2月18日,兩套儀器的觀測數(shù)據(jù)變化形態(tài)都發(fā)生了明顯的變化。事后,經(jīng)過檢查觀測系統(tǒng)和周邊觀測環(huán)境,均沒有發(fā)現(xiàn)明顯的異常。2021年5月22日,青?,敹喟l(fā)生7.4級地震。這次數(shù)據(jù)變化是否與此次地震有關,有待進一步探討。