濮阳台土氡数字化观测资料动态特征研究

刘兆友，李桂清，彭淑丽，张凤萍，郭 杰

（河南省濮阳市地震台，河南 濮阳 457000）

濮阳台土氡数字化观测资料动态特征研究

刘兆友，李桂清，彭淑丽，张凤萍，郭 杰

（河南省濮阳市地震台，河南 濮阳 457000）

濮阳市地震台经过观测仪器的数字化技术改造，使用SD－3A型数字化测氡仪开展了土氡数字化观测。观测结果显示，土氡集气装置的好坏对观测结果影响很大。对集气室装置存在的问题进行了改造，观测结果更好地反映了地下土氡的变化情况。研究了濮阳台土氡数字化观测资料的动态特征，结果表明：观测资料表现出明显的气压效应，土氡观测值与气压的影响成负相关关系。

地震前兆；土氡；数字化观测；动态特征；气压效应

0 引言

氡作为地下流体的映震敏感组分，在我国的地震预报中起着比较重要的作用［1］①。随着数字化技术的应用，观测仪器也正在向着数字化、智能化的方向发展。与模拟观测相比，数字化观测仪器具有采样率高，数字传输、保存和资料处理快捷方便，人为观测误差少的优点，从而使观测结果的信息量大大增加，为捕捉地震短临异常信息提供了有利条件。

目前，开展数字化气氡观测的台站多为由水氡观测改造后开展的气氡数字化观测［2－5］。但在水资源过度开采的形势下，发展断层土壤气观测成为必然趋势［6－7］。因此，进行土氡含量数字化观测资料动态特征研究，为今后开展断层土壤气土氡数字化观测具有重要意义［8－9］。

2003年9月，濮阳市地震台对观测仪器进行了数字化观测技术改造，开展了土氡数字化前兆观测，取得了连续、完整的观测资料。本文对濮阳台土氡数字化观测资料的气压效应动态特征进行了研究，对集气室装置存在的问题进行了改造［10－13］。集气室装置改造后，土氡观测结果不再出现0值，土氡值的变化表现出了明显的气压效应动态特征，更好地反映了地下土氡的变化情况。

1 濮阳台土氡数字化观测体系

数字化土氡观测系统包含SD－3A型数字化自动测氡仪、气氡探测装置、数据通讯微机及数据通讯软件等，数字化土氡观测孔选在前兆观测室楼前1.5m处，根据地下地层情况和地下水位埋深22m，设计打孔16m，并下内直径150mm的PVC管，其中筛管长度5m，PVC管外用纱窗包裹，下管后用砂填实。2003年8月29日进行钻井，钻井深17m，其井孔柱状图见图1，下管16m，其中筛管5m。筛管位置选择在粉细砂层位，透气性较好。抽气管放在观测孔筛管位置内的下部，管口用橡胶塞塞紧，抽气管连接到SD－3A氡探测装置的进气口，井孔到观测室的橡胶导气管用PVC管进行了保护。

图1 濮阳台土氡观测孔柱状图

2 土氡的气压效应动态特征及变化原因分析

2.1 集气室改造前土氡气压效应动态特征及变化原因分析

图2是濮阳台2008年前土氡观测值曲线。由图2（a）可知，土氡含量观测值的变化表现为突然升高或突然降低，并在高值和低值处有波动。低值时为0Bq／L，波动范围为0～2Bq／L；高值时达到6Bq／L，波动范围为4～6Bq／L。这样的动态特征变化在地震前兆观测中并不多见。研究发现，气压的变化是引起土氡含量变化的直接原因。

图2 濮阳台土氡数字化观测曲线

图3是土氡与气压观测值关系曲线。由图3可知，土氡观测值随着气压的变化而变化，气压下降，土氡值升高，气压值在下降过程中波动时，土氡值在高值区波动；气压上升时，土氡值下降，气压值在上升过程中波动时，土氡值在低值区波动。土氡出现的高值和低值滞后气压变化1～2h，但土氡的变化更剧烈、快速，很快达到高值和低值，而没有表现出气压变化的过程。这种变化表现出了土氡对气压变化的敏感性。

图3 濮阳台土氡与气压数字化观测整点值曲线图（2008年2月）

我们知道，深井水位普遍存在气压效应的微动态特征［14］。井孔水位的气压效应机理，一般认为是当大气压力同时作用在井区大地表面与井孔水面上时，由于作用在大地表面上的力是通过含水层顶板以上的覆盖层传递到含水层岩体上，其过程中大气压力将被衰减，因此导致井－含水层之间出现压差并引起水流运动。当大气压力增大时，井内水向含水层流动，导致井孔水位下降，而大气压力减小时，含水层内的水向井孔流动，导致井孔水位上升。因此，气压与井孔水位的关系表现出负相关。

濮阳台土氡观测值表现出与气压变化的负相关关系。根据上述机理，气压直接作用到了土氡观测系统的集气室（相当于水位观测的井孔）中，气压升高时观测结果出现0值，这是与土氡观测系统集气室安装要求不相符的（集气室装置应为密封状态）。为此，我们对集气室进行了检查。检查发现，作为集气室的PVC管上口端有2个吊装时打的穿孔，安装后没有进行密封，这就造成了集气室和大气相通。因而出现了土氡观测值与气压的负相关关系。之后，我们对集气室进行了改造，采取了封堵措施，使观测层的集气室完全封闭，和大气完全隔离，并在集气室内安放了两端封闭、直径110mm的PVC管，减少了集气室有效体积，提高了集气室采气率，达到了观测技术要求［12－13］。

2.2 集气室改造封闭后土氡气压效应动态特征及变化原因分析

2008年10月集气室改造封闭后，土氡测值显著升高，但测值随之逐渐降低，2个月后，土氡值趋于稳定（图4）。土氡观测值仍显示有气压效应，但气压效应的作用性质发生了变化，由原来的负相关关系变为正相关关系（图5（a））。土氡观测值在原来的高值范围，变化幅度变小，观测误差变小，不再出现0值，集气室封闭改造后取得良好观测效果（图4）。

图4 濮阳台土氡观测日均值曲线

2008年10月至2009年6月，土氡观测值表现为随气压升高而升高，气压降低而降低的正相关关系（图5（a））。但是随着观测时间的推移，气压效应越来越小，并逐渐消失（图5（b））。2009年10月下旬后，气压效应再次出现，但其作用表现为负相关关系（图5（c））。

为什么在集气室密封后气压对土氡观测结果的作用性质发生了变化呢？对此，我们进行了分析研究。

图5 濮阳台土氡与气压关系曲线图

在开展土壤气观测时，需用真空泵抽取地下土壤中的气体进行观测。SD－3A型数字化测氡仪本身带有微型真空泵，可按设定程序自动抽气进行土氡观测。由于地下土壤中气体含量较少，在开始观测时，抽出的气体较多，因此，土氡测值较高。但随着观测时间的推移，土壤中气体量变少，抽出的气体变少，土氡测值就越低。由于抽气产生负压作用，在负压作用下，周围气体对集气室进行补充，直至抽取气体与补充气体达到平衡，土氡观测结果变得平稳。开始观测时，土氡观测结果与气压效应作用表现为正相关关系，这与气压对地表产生的作用是相符的。气压越高，进入集气室的气体越多，气压越低，进入集气室的气体越少，因此，开始观测时，土氡观测结果与气压效应作用表现为正相关关系。但随着观测的进行，集气室及周围土壤气体被抽出而产生负压作用，抵消了气压对地面产生的压力作用，气压效应减弱，直到消失。由于观测工作持续不断的进行，集气室将长期处于负压状态。气压效应的正相关关系消失而且发生转变，变成了负相关关系。这也许是土壤气土氡观测的正常动态特征。

经测量，SD－3A型测氡仪真空泵的真空度只有106hPa，而大气压的日变化可达35hPa以上，其变化达到了真空泵真空度的三分之一，因此，气压的变化将严重影响真空泵的抽气量，使观测结果也会发生变化。在集气室－测量室－真空泵－大气压这个土氡取气测量系统中（图6），真空泵需克服大气压的阻力抽取地下土壤气。大气压越高阻力越大，抽出的气体就越少，土氡测值也越低。反之，大气压越低阻力越小，抽出的气体就越多，土氡测值就越高。因此，土氡长期观测后，其气压效应表现为负相关关系。

图6 断层土壤气土氡取气测量系统

图7 濮阳台2～6m深度集气室土氡与气压数字化观测整点值曲线图（2008年10月3—12日）

为验证上述分析，我们做了对比观测实验。实验选用较小的集气室，使集气室体积为5L，埋深6m，观测层为2～6m。由于仪器每小时抽气1L，因此，集气室很快就处于负压状态。在这种状态下，土氡观测结果与气压效应应为负相关关系（图7）。实验结果证实了上述分析的正确性。由此可知，土壤气土氡观测结果与气压效应有负相关关系。集气室体积较大时，开始可表现为正相关关系，而后气压效应消失，又表现为负相关关系。当集气室体积较小时，土氡观测结果直接表现为与气压的负相关关系。这应是土壤气土氡观测的正常动态特征。同时也说明，集气室大小对土壤气土氡观测结果产生影响，因此，在安装土氡观测装置时应设计合理、实用的集气室装置［10－13］。

3 结论

（1）濮阳台土氡数字化观测结果表现出明显的气压效应，土氡值与气压的影响成负相关关系。

（2）濮阳台土氡观测装置改造后，观测结果不再出现0值，更好地反映了地下土氡的变化情况。

（3）土氡集气装置的好坏，对观测结果影响很大。

（4）在日常观测工作中，要精心设置集气装置并保持观测系统的长期稳定性，以便获得高质量的土氡观测资料，并运用于地震预测预报工作中。

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［14］ 汪成民，车用太，万迪堃，等.地下水微动态研究［M］.北京：地震出版社，1988.

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