不同型号测氡仪器在宁德一号井观测效能分析＊

黎己余 郑辰禾 林稚颖 程庆斌

（福建省地震局，福州 350001）

引言

氡（Rn）观测在地震监测预测领域发挥着积极作用，长期的观测和实验研究均表明：氡等流体地球化学成分的地震预报效能更优于流体物理量，具有“异常幅度大、震前异常时间短、短临特征显著、可能量化”等优势，具体表现有震前氡含量出现显著上升趋势或临震突跳的现象。氡观测技术现已相对成熟，近年来测氡仪从模拟向数字化转变，观测仪器也在不断更新，从模拟仪器（FD-125、FD-105K）到“九五”仪器（SD-3A 测氡仪），再到“十五”仪器（BG2015 系列测氡仪）转变。在观测仪器技术不断进步过程中，有多位学者对测氡仪器进行了对比观测研究：赵卫罗等[1]在2017 年对SD-3A 与DDL-1 测氡仪进行了对比分析；王敏等[2]在2014 年对SD-3A 与BL2015 测氡仪监测效能进行了对比分析；其中BG2015 系列测氡仪作为新型仪器逐步推广至地震行业，目前仅肖健等[3]在不同井实验分析了BG2015R测氡仪的稳定性、连续性和可靠性，明确了BG2015系列测氡仪在地震行业中的可行性。本文在宁德一号井开展了BG2015R 测氡仪与SD-3A 测氡仪串网同步观测，探索BG2015R 测氡仪在同井氡含量观测过程中是否具有一致性或存在分析偏差，为今后其他台站引进BG2015R 测氡仪在安装、观测和数据分析等方面提供参考。

1 宁德一号井概况

宁德地震台位于我国东南沿海地区，台站北侧为北东东向丘陵，南侧为海滩，台站海拔高程约7 m，地处长乐—诏安断裂带北端，台站所在地区在漫长的地质发展史中经历了多次地壳运动，形成了一系列北北东和北东向展布的构造行迹。宁德一号井位于宁德地震台院内，成井于1998 年，井深63 m，井孔孔径127 mm，终孔孔径110 mm，裸眼段为39.25—52.97 m，含水层主要分布在42.70—52.20 m，涌水量为1.5 L/s，观测井表层岩石主要由以花岗岩为主的侵入岩和以中酸性为主的喷出岩组成，含水层为燕山早期花岗岩，基岩裂隙水的矿化度为1.5 g/L，详见钻孔柱状图（图1）。

图1 宁德一号井钻孔柱状图Fig.1 Borehole histogram of Ningde No.1 well

2 宁德一号井观测系统简介

宁德一号井自2004 年2 月起开展流体数字化观测至今，主要使用了自主研发的井口程控定量“脱气—集气”装置开展单井综合观测，现在运行的有LN-3A 水位仪、SZW-2 水温仪、SD-3A 测氡仪和BG2015R 测氡仪等仪器。为保障宁德一号井多测项观测系统正常运行，井口装置和供电系统是必不可少的两个部分。

（1）井口装置：宁德一号井的井口装置由改进型恒流泵（大、小2 个恒流泵）和自主研发的程控定量“脱气—集齐”装置两部分组成。大恒流泵流量控制在200 mL/min，主要采集深层水用于气氡观测，小恒流泵流量控制在100 mL/min，主要是循环地下表层部分井水，确保井水处于较为新鲜状态[4]。“脱气—集气”装置将大恒流泵抽送的水样进行“鼓泡—脱气—集气”，实现了将“观测气”自动送往测氡仪闪烁室进行测量。整个过程中的恒流泵与“脱气—集气”装置的稳定是宁德一号井实现单井综合观测的关键。

（2）供电系统：宁德地震台观测供电采取市电、UPS 稳压电源、蓄电池与备用发电机四级保障。在正常供电情况下，由市电对UPS 配置蓄电池在线充电同时为观测仪器供电，一旦出现市电中断，UPS 逆变蓄电池（直流）为观测仪器在线提供稳定的220 V 交流电供电（至少续航8 h），可根据停电时长（依据电力公司停电通知）决定是否启用台站备用发电机接入转换盒，再经UPS 电源供电。若停电时间短，UPS 与蓄电池容量可确保观测仪器续航10 h，有足够时间在巡检时发现停电现象，确保台站观测仪器处于正常运行状态。台站四级供电保障系统不仅能保证台站观测仪器不间断供电，还能提供稳定的工作电源。

（3）测氡系统：宁德一号井2016 年度进行了台站优化改造，2018 年度进行台站标准化改造，进一步完善了台站地下流体综合观测系统，台站供电、防雷等保障系统稳定健全。宁德一号井在尚未安装BG2015R 测氡仪时，在宁德一号井观测的SD-3A 测氡仪一直运行稳定可靠，受周边场地环境、人为干扰及自然环境（降雨、雷电、气压等）等因素干扰较小，观测资料在全国质量评比中多次获得前三的好成绩。但随着SD-3A 测氡仪服役时间不断增加，配套设施逐渐老化，SD-3A 测氡仪观测数据逐渐开始出现背景噪声大、数据突跳、存在台阶等影响数据内在质量的现象。为提高宁德一号井气氡观测数据质量，更好地为地震监测预报服务，宁德地震台于2019 年1 月30 日新增了BG2105R 测氡仪，开始与SD-3A 测氡仪串联组网同步观测试运行，2020 年1 月1 日开始正式入网观测运行，图2 是串联同步观测系统连接示意图。

图2 SD-3A 与BG2015R 测氡仪连接脱气装置串联同步观测示意图Fig.2 Schematic diagram of synchronous observation of SD-3A and BG2015R radon detector connected to degassing device in series

（4）氡观测原理：无论SD-3A 型还是BG2015R 型数字式测氡仪的核心都是氡探测器，它由ZnS（Ag）闪烁室和光电倍增管组成，与模拟测氡仪FD-125 原理相似（图3）。氡气进入闪烁室后，氡及其子体衰变发出的α 粒子使得闪烁室采样器壁上的“荧光体”ZnS（Ag）产生微弱的闪光，仪器内部的光电倍增管收集到这些闪光，并把这种闪光信号变成电脉冲，经电子线路把电脉冲放大，最后处理器记录下相应的电脉冲信号，再根据单位时间内记录到的电脉冲数（脉冲计数率）与氡浓度成正比原理，计算出被测气（或土壤）体中的氡含量（浓度）。

图3 氡探测器结构图Fig.3 Structure diagram of radon detector

3 数据质量分析

3.1 试运行期数据质量及分析

（1）数据质量：BG2015R 测氡仪从2019 年8 月1 日—10 月31 日在宁德一号井试运行期间，仪器运行稳定，受外界干扰较小，从数据采集、预处理、入库工作流程上看，各项操作步骤均比较流畅合规，未出现卡机、死机等现象，产出数据连续可靠。仪器在进行季度检查和年度标定时出现的错误数据，可按照学科要求做缺数预处理，检查及标定结果符合学科要求。通过SD-3A 测氡仪与BG2015R 测氡仪的同步观测数据对比，结果显示两台测氡仪观测同一量测值相当，在时间轴上呈同步变化形态，可以认为：两台不同型号测氡仪同井观测数据相对是可信的。通过快速傅里叶变化得到两测氡仪观测数据的频谱特征（图4），B2015R 测氡仪、SD-3A 测氡仪观测数据的高频分别为2.314 81×10−6Hz、1.157 41×10−5Hz，幅频图显示BG2015R 测氡仪能较好的记录到日潮、半日潮及三分之一潮信号，而SD-3A 数据受噪声影响，不能清晰记录到日潮、半日潮及三分之一潮等频段信号。利用傅里叶低通滤波器对测氡仪数据高频信号进行滤波处理，滤波后数据曲线具有较好的一致性（图5）。

图4 BG2015R 与SD-3A 测氡仪数据频谱分析Fig.4 Spectral analysis of data from BG2015R and SD-3A radon detectors

图5 BG2015R 与SD-3A 测氡仪去趋势后测值对比Fig.5 Comparison between BG2015R and SD-3A radon detectors after detrending

3 个月试运行期统计：BG2015R 测氡仪数据观测连续率100.0%、仪器运行率100.0%，达到氡观测相关技术规范要求（表1）。

（2）数据质量评价：BG2015R 测氡仪在宁德一号井试运行期内，观测数据动态曲线规律清晰，背景噪声达标，计算一阶差分值的标准差为0.002 4，远小于0.2；一阶差分序列中“超3σ数据个数”为16 个，占0.7%，小于2%。结果表明，3 个月试运行中，BG2015R测氡仪观测资料内在质量及数据精度指标均值，符合学科观测技术规范要求（表1）。

表1 试运行期（2019-08-01—10-31）测氡仪观测数据内在质量评价表Table 1 Evaluation table for internal quality of radon detector observation data during trial operation（2019-08-01—10-31）

3.2 正式运行期数据质量及分析

（1）BG2015 数据质量：BG2015R 测氡仪2020 年1 月1 日—12 月31 日为正式运行期，我们对正式运行期间观测数据分析表明：仪器运行稳定，受外界干扰较小，从数据采集、预处理、入库等各项操作均较顺利顺畅，未出现卡机、死机现象，产出数据连续。但仪器季度检查和年度标定中有出现数据出错，可按照学科要求进行缺数预处理，检查及标定结果符合学科观测技术规范要求。作为辅助测项的气压与气温在仪器标定中未受影响，缺数较少。

统计结果：正式运行期间BG2015R 测氡仪观测连续率99.82%、仪器运行率97.88%，达到学科规定的相关技术规范要求（表2）。

（2）BG2015R 数据质量评价：BG2015R 测氡仪在正式运行期，观测数据动态规律清晰，背景噪声达标，一阶差分值的标准差为0.005，远小于0.2；一阶差分序列中“超3σ 数据个数”为103，占1.17%小于2%，各项精度指标均值符合学科要求（表2）。

表2 正式运行期（2020-01-01—12-31）测氡仪观测数据内在质量评价表Table 2 Evaluation table for internal quality of radon detector observation data during formal operation（2020-01-01—12-31）

（3）SD-3A 数据质量：SD-3A 测氡仪在2020 年1 月1 日—12 月31 日观测运行总体上稳定，但受“脱气装置”运行不稳的影响，导致个别观测数据出错；SD-3A 测氡仪存在与主机间有钟差，导致观测数据出现台阶现象，但经时钟校正可消除数据台阶；SD-3A 仪器季度检查和年度标定有数据出错，也可按照学科要求进行缺数处理，上述情况总体上符合学科要求（表3）。正式运行期间统计分析SD-3A 测氡仪观测数据连续率99.95%、仪器运行率97.62%（表2）。

表3 测氡仪观测日志统计表Table 3 Statistical table of radon detector observation logs

（4）SD-3A 数据质量评价：SD-3A 测氡仪在正式运行期间，观测数据动态规律清晰，背景噪声达标，一阶差分值的标准差为0.006 2，远小于0.2；一阶差分序列中“超3σ数据个数”为37 个，占0.4%小于2%，各项精度指标均值符合学科要求（表2）。

3.3 BG2015R 与SD-3A 测氡仪运行比较

SD-3A 测氡仪在宁德一号井投入观测运行已有15 年，从观测数据内在精度指标分析仍能满足地下流体学科技术规范要求；而BG2015R 测氡仪为2018年生产设备，2019 年刚在台站安装投入使用，经试运行和1 年时间正式运行，我们对观测数据分析，BG2015R 测氡仪在宁德一号井的观测数据内在质量符合地下流体学科规范要求。通过两套观测仪器2020 年在台站同一井口串联同步运行情况与观测数据分析（图6，图7），发现以下几个问题：

图6 宁德一号井BG2015R 观测数据（2020-02-01—05-01）Fig.6 Observation data of BG2015R in Ningde No.1 well（2020-02-01—05-01）

图7 宁德一号井SD-3A 观测数据（2020-02-01—05-01）Fig.7 Observation data of SD-3A in Ningde No.1 well（2020-02-01—05-01）

（1）同步观测数据连续率：SD-3A 测氡仪缺测数为4 个，低于BG2015R 测氡仪的15 个，初步认为SD-3A 运行时间长，稳定性好，受外界电源波动、人工重启等干扰相对较小；

（2）仪器运行率比较：SD-3A 测氡仪缺测数为209 个，高于BG2015R 测氡仪187 个，认为SD-3A 测氡仪产出观测数据的完整性略低于BG2015R 测氡仪；

（3）数据精度指标表（表2）中“超3σ 数据个数”比较：SD-3A 测氡仪为37 个，低于BG2015R 测氡仪的103 个，认为SD-3A 测氡仪观测数据波动幅度相对较大，一阶差分值的标准差为0.0062，稍大于BG2015R 测氡仪0.005，导致前者观测数据变化控制线区间增大；

两台仪器日志统计记录（表3）比较分析，较好证实了出现上述问题原因如下：

（1）SD-3A 产出数据受井口“脱气装置”状态影响较大，“脱气装置”输出波动会导致多时段数据突跳，造成数据不可用，作缺数预处理后，出现运行率降低现象。

（2）SD-3A 观测数据易受到“脱气装置”和SD-3A主机间钟差同步影响，导致数据出现台阶，造成计算均方差 σ偏大，而 3σ控制线幅阈也增加，使得超差个数也变少。

（3）日志统计显示BG2015R 受外界干扰相对较小。“脱气装置”出现短时段故障时，对SD-3A 影响较大而对BG2015R 基本无影响；而出现长时段故障时，BG2105R 与SD-3A 同时受到影响，导致观测数据出现低值。也可以认为SD-3A 对外界观测环境更敏感些，更易于捕捉外界宏观出现突跳、巨变信息。进一步说明了SD-3A 数据噪声大，日潮、半日潮及三分之一潮信号无法清晰记录的原因。宁德一号井“脱气装置”是台站早期自行研发的自流井溢出氡观测辅助设施，运行使用很长时间，已出现装置材料老化、零配件缺失，维修维护跟不上，导致“脱气装置”故障频繁情况，一定程度上影响到了两台仪器测氡数据的内在质量。

4 总结与讨论

通过在宁德一号井两台测氡仪观测数据及仪器运行比较分析，说明了BG2015R、SD-3A 测氡仪运行较为稳定，观测数据可靠可信，能较为真实地反映待测气体的真实氡浓度。从该观测系统日志统计分析，认为宁德一号井氡观测系统主要受“脱气装置”工作不稳定影响，其中BG2015R 测氡仪受“脱气装置”影响程度较SD-3A 测氡仪小，但若“脱气装置”长时间故障频发，两套仪器均会有较明显反应。

因此，“脱气装置”作为测氡仪观测水中溶解气氡的最核心的前端单元装置，在开展水中溶解氡的观测时，除了选择性能较好的观测仪器外，对井口“脱气装置”的选择与设计同等重要。目前，全国地下水化学观测中的测氡点有百余台套测氡仪，大多数测氡仪都涉及到井口“脱气装置”。“脱气装置”虽然是作为地球化学量观测的辅助设施，但在地下水化学氡浓度观测中具有十分重要的位置，多位学者在自主研发“脱气装置”和对“脱气装置”进行优化升级与应用方面做了不少分析改进工作[5-7]。一定要根据各自台站观测井实际状况与环境条件，设计最优化的井口“脱气装置”，才能与仪器适配性更好，脱气性能更稳定，使得观测数据内在质量得到较好的提高。