西宁台气氡对比观测数据分析

李滔，丁宁霞，王永刚

(青海省地震局西宁地震台，青海 西宁 810008)

0 引 言

氡是地壳中放射性元素铀和镭衰变的产物，是气体元素中比重最大一个元素，具有放射性。在地下水中，氡主要以溶解氡和气氡的形式存在。当地壳中某一处孕育地震时，特别到了临震阶段，随着其应力状态的变化，地下水中氡的含量将发生显著的变化[1]，所以观测温泉水中氡含量的变化有可能捕捉到地震孕育与发生的前兆信息。由于氡的这一特性，我国从20世纪70年代起将氡观测正式作为地震前兆测项[2]。初期主要以模拟观测为主，观测水中溶解的氡气的含量。随着“十五”项目数字化改造的进行，以SD-3A数据测氡仪逐渐代替了原来的FD-105K和FD-125型模拟测氡仪。2020年12月，由于西宁地震台(以下简称“西宁台”)原有的SD-3A型测氡仪老化，于仪器前端安装了一台DDL-1型数字测氡仪进行对比观测。希望通过对比观测，检测新仪器的稳定性，为新旧仪器的切换做好准备。截止2021年3月31日，已经取得了三个多月的对比观测资料。

1 井孔情况

西宁台位于祁连山构造带的西宁盆地内。盆地周边受祁连山断隆带、日月山断隆带和拉脊山断隆带所控制。台站水氡观测始于1974年，在上升泉的药王泉泉口取水样，进行模拟水氡观测。水氡观测数据对东经99～104°、北纬35～38.5°范围内的地震有很好的对应关系[3]。在2007年后，随着泉口所在的西宁市海湖新区开工，泉水受到干扰，模拟水氡数据不稳定，无法观测。施工结束后，原泉水已经无法进行观测。海湖新区管委会在原泉口附近新打了一口263 m深的自流井(药王井)用于景观建设。经协商，于2015年在药王井的出水口分出部分井水进行数字气氡观测，安装了SD-3A型数字气氡观测仪。2020年12月，由于SD-3A型测氡仪老化，于仪器前端安装了一台DDL-1型数字测氡仪进行对比观测。

药王井成井于2010年，井深261 m，为自流井。自流涌水量为4.459 L/s，井孔水温24.7 ℃。井孔上部主要以细砂岩为主，中下部主要以粉砂质泥岩、粉砂岩为主。井孔含水层有三层。井内地下水类型为古近系碎屑岩裂隙孔隙水。含水层采用滤水管与井孔接通。

图1 西宁台药王井井孔及岩性

表1 药王井含水层情况统计

2 观测仪器及装置

2.1 观测仪器

SD-3A型测氡仪由中国地震局分析预报中心研制，采用闪烁法测氡技术，其探测过程是在内壁涂有ZnS(Ag)的闪烁室中进行。氡衰变放出的α粒子轰击ZnS(Ag)晶体，引起ZnS(Ag)原子激发而放出光子，光子被光电倍增管接收后，在其阴极产生光电子，最终输出脉冲电压。α粒子的数目与氡深度成正比，即光电脉冲数的频次与氡深度成正比，因而通过对脉冲数的频次测量实现对氡浓度的相对测定。SD-3A测氡仪采用连续自动观测，采样率为1次/h，灵敏度≥90脉冲/Bq/L/min，固有本底≤20 Bq/min。

DDL-1型测氡仪由郑州晶微电子科技有限公司研制，采用电离法测氡技术。利用氡气具有放射作用可以将周围介质电离的特性，当氡气鼓入电离室后，氡衰变产生α粒子和RaA气子体，使电离电流得以积累。当氡气从进气口不断进入电离室中，在一定正电场作用下将这些杂散离子形成圆心流动的电离离子流，在电离室中心的接收极上进行累积。接收极上累积的离子数与电离室中氡气含量成正比关系，也与井水中氡气的浓度直接相关。DDL-1型测氡仪采用连续自动观测，采样率为1次/min，探测下限为≤0.1 Bq/L固有本底≤0.05 Bq/L。

图2 西宁台气氡脱气装置

2.2 脱气装置

西宁地震台气氡观测采用的是本台职工邱鹏成研制的脱气装置。该装置是针对青海省大部分气氡观测井的实际情况而设计的，具有运行稳定、井孔适应性强等特点[4]。

2.3 对比观测装置

西宁台气氡观测点，从药王泉分出一部分泉水到观测室，首先进入脱气装置。经脱气装置脱气后，氡气从出气口经冷凝瓶，首先进入DDL-1 型测氡仪进气口—排气口，之后进入SD-3A型测氡仪进气口—排气口排出(图3)。

图3 西宁台气氡对比观测装置

3 对比数据分析

3.1 原始数据分析

由于SD-3A型测氡仪采样率为1次/h，DDL-1型测氡仪采样率为1次/min，为了进行直观对比，对DDL-1型测氡仪数据采用抽取整点值和计算时均值两种方法进行了处理，使得两套仪器的数据具有了相同的采样率。图4为两套仪器原始数据的对比曲线。从图中看，两套仪器的数据整体变化形态和趋势基本一致，但SD-3A型测氡仪较DDL-1型测氡仪的数据整体偏高约13 Bq/L，DDL-1型数据的变化形态较SD-3A更为清晰。

图4 西宁地震台SD-3A型和DDL-1 型测氡仪原始数据对比观测曲线(20210101～20210331)

分析认为可能是由于SD-3A型测氡仪投入运行多年，闪烁室内本底残留污染，无法去除，底数偏高。而DDL-1型测氡仪采用的电离法，其传感器受污染的程度远远小于闪烁法，且其刚刚投入使用，本底污染尚未形成，因此造成SD-3A型较DDL-1型数据整体偏高。

3.2 归零分析

为了对两套仪器观测数据进行直观比较，将每组中每个数据逐一减去本组中第1个数据，使得每组数据第一个值为零。

设观测值为N，2021年1月1日00时的数据为N0，设归零计算值N1=N-N0

按照以上公式，对每组数据进行了计算，得出归零化结果如图5所示。

图5 西宁地震台SD-3A型和DDL-1 型测氡仪归零数据对比观测曲线(20210101～20210331)

从图5中可知，除安装之初DDL-1型测氡仪安装之初数据上升并趋于稳定外，两套仪器的观测数据变化形态和趋势基本一致，其小幅度的起伏变化均同步。SD-3A型测气仪的数据本身噪声较大，部分幅度较小的变化被淹没在了噪声之中。DDL-1 型测氡仪观测数据噪声较小，变化也较为灵敏，对一些较小幅度的起伏反映得较为清晰。

3.3 一阶差分分析

设当日观测值为Ni，前一日观测值为Ni-1，一阶差分值为Mi，则Mi=Ni-Ni-1

按照以上公式，对每组数据进行了计算，得出一阶差分值如图6所示。

图6 西宁地震台SD-3A型和DDL-1 型测氡仪对比观测一阶差分数据曲线(20210101～20210331)

从图中看，两组数据的噪声有着明显的差别。SD-3A型测氡仪的数据噪声较大，约在±6Bq/L之间，而DDL-1型测氡仪数据的噪声则明显较小，约在±3Bq/L之间。表明DDL-1型测氡仪较SD-3A型测氡仪数据的稳定性较好，观测精度较高。

3.4 相关性分析

对于一对数据序列{xi}、{yi}(I=1,2……,n)若变量x,y之间服从 y=a+bx统计关系，具体表达式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

r为反映y与x之间相关程度的相关系数[5]。

采用以上公式，计算了SD-3A型与DDL-1型测氡仪观测数据之间的相关系数。得出结果如表2所示。

表2 SD-3A与DDL-1型测氡仪观测数据相关系数

从表中看，两套仪器的观测数据为正相关，但两者的相关系数并不高。表明其变化趋势基本一致，但变化形态的相似程度不高。

3.5 短期变化分析

从以上各项对比分析中可以看出，两套仪器的观测数据变化趋势和形态基本一致，但灵敏度和噪声等有所差异，但是对于一些短期数据变化记录，两者也存在着区别。如2021年2月18日，两套仪器的数据均发生了由下降转为上升的趋势转折，且短期变化形态也发生了明显的变化。数据变化的频率降低，幅度增大。从图7中看，两者的短期变化形态也存在着一定的差异。这可能就是导致两者相关系数不高的原因之一。

图7 西宁地震台SD-3A型和DDL-1 型测氡仪 对比观测数据曲线

4 结 论

(1)SD-3A型和DDL-1型测氡仪观测数据具有基本相同的变化形态和变化趋势，但两者之间存在一定的差异。两者为正相关，但相关系数并不高。

(2)分析二者差异的原因，一方面可能是由于SD-3A型测氡仪工作时间较长，本底污染而导致数据偏高，由于老化而导致噪声较大；另一方面也可能是由于两套仪器采用的工作原理不同，导致观测的数据存在一定的差异。

(3)DDL-1型较SD-3A型测氡仪，存在明显的优势。其本底污染小，采样率和灵敏度高，噪声低，仪器稳定性好，对于一些短期的数据变化观测得更加清晰。经过一段时间的对比观测，认为完全可以用DDL-1型测氡仪取代已经老化的SD-3A型测氡仪。但DDL-1型测氡仪附带的气压观测值一直不太正常。可能是气压测量模块存在问题，建议处理之后，再进行仪器的切换。

(4)2021年2月18日，两套仪器的观测数据变化形态都发生了明显的变化。事后，经过检查观测系统和周边观测环境，均没有发现明显的异常。2021年5月22日，青海玛多发生7.4级地震。这次数据变化是否与此次地震有关，有待进一步探讨。