张家口渤海地震带P2000与RAD7型测氡仪野外观测对比实验

张志相，陈 志，李 营，赵建明，荣伟健

（1.唐山地震监测中心站，河北 唐山 063000；2.中国地震局地震预测重点实验室，北京 100036）

0 引言

断层气体氡是揭示构造活动的重要元素，经测氡仪长期观测所得数据分析研究，氡浓度异常能为地震短临预报提供依据已经为世界所认可[1-2]。断层气体氡的分布特征与断裂构造密切相关，李营等[3]利用RAD7 型测氡仪所得数据研究发现延怀盆地断层气体氡浓度地球化学背景场在空间分布上呈现东部高、西部低（以延怀盆地北缘断裂为界）的特征，与东部区域地震活动较活跃相对应。此外，测氡仪通过浓度值与溢出速率测量客观的反映断裂带的活跃程度[4-5]。随着断层土壤气体观测不断发展，测氡仪被广泛应用于全国各个地区的地震监测，断层气体地震前兆异常资料总结发现，地震震级越大距离震中越近断层气地震前兆异常幅度越大，异常数目也越多，异常往往发生在震前几天至几个月的时间内[6-9]，震例总结也发现氡浓度异常通常映震效能高[10-14]，例如Yang等[15]用台湾西南地区的活动断裂带断层气观测数据，对监测点附近30个ML≥4.5地震进行异常识别，发现其中26 次地震前的1～20 天观测到氡异常高值。2020 年7 月12 日唐山5.1 级地震发生前6 天记录到断层气体氡的异常高值。这种异常变化的原因可能是地应力变化引起岩石微破裂，氡被载气CO2和CH4等从地壳深部携带至地表，导致浓度上升，出现震前异常[16-18]。因此，张家口渤海地震带断层气体地球化学特征可以反映断裂带活动情况和地震危险性[19]。

目前地震行业在野外进行断层气体氡观测的主要仪器为P2000、RAD7、ATG 与BG 等系列型号，其中P2000 和RAD7 型测氡仪因体积小便携及直流供电方式，主要用于野外流动观测。已有研究发现，法国SAPHYMO GMBH 公司生产的AlphaGUARD 系列P2000 测氡仪与美国Durridge 公司生产的RAD7 型ɑ 能谱测氡仪在相同条件下氡浓度观测值存在一定差异[20]。然而，目前针对测氡仪的研究主要是原理与实验室分析[21-24]，而对两种测氡仪氡浓度观测值差异未提供对比方法，尤其缺少野外观测对比实验研究。综上所述，本文选择在张家口渤海地震带野外进行断层气体氡的两种仪器对比实验，尝试分析观测值差异的原因，并提出一种用于野外降低差异的方法，为两种仪器观测值直接对比提供可能。

1 地震地质概况

张家口渤海地震带贯穿首都圈地区，西起太行山隆起北部，向北至燕山—阴山隆起，向南延伸至华北平原北部，向东一直延伸至渤海湾，总体走向为NWW，分布着众多全新世及晚更新世的活动断裂，分属于NE—ENE，MW—WNW 向断裂（见图1）。张渤地震带内分布有多个晚第三纪—第四纪隐伏断陷盆地，是全国中强地震活动的重要区域，自公元前780 年至今，该地区共发生M≥6.0地震26 次，包括M6.0～6.9 地震21 次，M7.0～7.9地震1 次，在历史上有8 次M≥7 大地震记录，其中包括1626 年灵丘M7，1679 年三河—平谷M8.0，1976年河北唐山M7.8地震，最近的一次是1998年张北M6.2地震。

图1 张家口渤海地震带断裂和地震分布图Fig.1 Distribution of faults and earthquakes in the Zhangjiakou-Bohai seismic zone

2 对比实验及结果

2.1 观测仪器原理

2.1.1 P2000型测氡仪及观测原理

法国SAPHYMO GMBH公司生产的AlphaGUARD系列P2000测氡仪基于最优化脉冲电离室原理，气泵将含Rn 气体抽进电离室（V=0.62 L），Rn 释放的ɑ 粒子使空气电离产生大量游离的正负粒子，在电离室内壁与收集电极间的电场作用下，正负粒子反向移动，从而在收集电极上形成电脉冲，由于正粒子质量大于电子，运动速度慢，收集电极主要是正离子产生的慢脉冲，这些脉冲经电子学测量单元放大后由计数电路记录，记录的脉冲数与ɑ 粒子数成正比，即与氡浓度成正比。该仪器具有高探测效率、快速浓度梯度反应以及长期免于维护等特点，即使在极端大气湿度条件下，也可以传输可靠的测量值并且不受震动冲击的影响；具有自动扣除本底污染的功能：在一个测量序列进行过程中，自动本底修正不工作，只有开始一个新的测量序列才工作；量程：2～2 000 000 Bq/m3，采样周期：可每1 min 也可每10 min，线性误差保证±3 %以内，可连续记录；仪器操作范围温度：-10℃～15 ℃；气压：700～1100 Mbar；湿度：（没有凝结）0%～95% rH，灵敏度：100 Bq/m³

2.1.2 RAD7型测氡仪及观测原理

美国Durridge 公司生产的RAD7 型ɑ 能谱测氡仪是应用半导体探测器原理，其特殊之处是受湿度影响明显，湿度控制在10 %以内，经干燥处理的Rn 气进入包含有2500 V 电压的金硅面垒半导体探测器的探测室（V=0.7 L），Rn（222Rn）发生ɑ 衰变产生的钋（Po）原子核和218Po 原子（离子）在静电场的作用力下聚集在半导体探测器表面，218Po 原子（离子）衰变时ɑ粒子的激发作用致使探测器产生电脉冲信号，产生同ɑ粒子损失的能量成正比的输出脉冲信号，从而可探测射线的强度。即入射粒子在灵敏区内损失的能量转变为与其能量成正比的脉冲信号，经放大并由多道分析器测出幅度分布，从而给出带电粒子的能谱。通过能谱分析确定222Rn 或220Rn 含量，222Rn 浓度主要通过218po 信号确定，220Rn 含量由216Po 信号确定。量程：0.1～20 000 pCi/L（3.7～740 000 Bq/m3），采样周期：5 min，测量精度在±5%以内，温度：3 ℃～40 ℃，湿度：1%～100%（不凝结），嗅探模式灵敏度为：0.25 pCi/L。

氡的衰变链：

2.2 野外实验观测点及结果

野外观测点分为固定观测点和流动观测点两种。固定点选取张家口渤海地震带内10 个气体观测井，观测井氡浓度范围分别为0～10 000 Bq/m3、10 000～20 000 Bq/m3、20 000～30 000 Bq/m3、30 000～40 000 Bq/m3。流动观测点布设于唐山巍峰山—南坡断裂和丰南—王兰庄西支断裂。

2.2.1 野外固定点观测及结果

对断层气固定点进行氡浓度测量，气泵将埋在地下5 m 深处容积15 L的半球形腔体内的聚集气体通过气路管导至地表（见图2），将三叉导气管接测量井抽气管用胶皮管分别依次连接干燥管、灰尘过滤器、RAD7；灰尘过滤器、抽气泵、P2000，最后通过三叉导气管连接测量井进气管，形成两个闭合的循环回路。P2000 为主动泵吸模式，泵速1 L/min，采样周期为1 min；RAD7 为嗅探模式，采样周期为5 min，湿度低于10%rH。各固定点实验的气路连接方式相同，工作模式相同，观测时段相近（上午9∶00～11∶00），工作温度、气压和湿度相当。

图2 测量井结构示意图Fig.2 Structure diagram of measuring well

测量完毕后立即对井下气体采集，检查气袋（2 L）有无破损，确认完好后使用P2000 仪器的抽气泵将井下管路与气袋连接，对气袋进行洗气2～3 次，过程中需反复轻轻的挤压气袋的四个角确保气袋内的气体都被洗掉。气路连接完毕，打开气泵进行采集，采集完毕时先拧紧气袋的气阀，再关闭气泵，记号笔标记采集完毕时间和测点编号后静置，静置5 min、10 min、30 min、60 min、180 min 后在进行测量，测量时将气袋的两个气阀分别与仪器和气泵连接起来，行成闭合循环，测量设置同上，设置完毕后开始测量，连续记录十五个数据；测量完毕待本底值＜1000 Bq/m3 后方可测量下一个。P2000 采集的十五个数据，去除前三个不稳定值，采用SPASS软件K-S检验测值是否符合正态分布，剔除高值后的测值平均值作为该点最终测值。RAD7 连续采集三个数据，选取第三个稳定值作为该点的最终测值（见表1）。

表1 固定点断层气体氡、钍射气实测数据Table 1 Measured data of radon and thorium emanation at fixed point faults

2.2.2 野外流动观测点及结果

流动点测量采用不等间距布设测点，依据地形实际情况避开新填土和垃圾腐败物堆放地。通过前人物探资料确定断点位置后，以断点为中心对称依次间隔5 m、10 m、20 m、20 m、40 m、40 m、40 m 布设16 个测点，测线L1（见图3a），巍峰山剖面因断点恰位于乡道中间未测；丰南剖面测线以断点为中心垂直于断裂走向依次间0 m、5 m、10 m、20 m、20 m、40 m、40 m、40 m 对称布设15 个测点测线L2（见图3b）。测量时首先用钢钎在土壤中打两个深度在70 cm 间距为10 cm 左右的导向孔，之后将空心探杆插入导向孔，然后插入取样器，用橡皮管将仪器与取样器连接，排除残余气体后开始测量，P2000 测氡仪设定为泵吸模式，测量周期为1 min，1 L/min 抽气速率，连续测量十五个数据（见表2），每次观测下一点前要清洗管路和仪器。

表2 测线L1、L2断层气体氡浓度Table 2 Radon concentration of fault gas at measuring lines L1 and L2

图3 巍峰山、丰南L1、L2测线布设示意图Fig.3 Lyout diagram of L1 and L2 survey lines in Weifeng Mountain and Fengnan

3 讨论

张家口渤海地震带断层气体固定观测点的测量时间均为6 月，观测时段相近（9∶00～11∶00），气象条件（气温、气压和湿度）相对稳定。固定点土壤类型主要以石灰性始成土为主，土壤结构为壤土，结构类型基本一致。由表1固定点观测结果可知，氡浓度在张家口渤海地震带呈现东南高、西北低的分布特征，与图1中地震分布密集程度基本一致。因此，氡浓度的高低变化与地震活动密切相关。

Ishikawa 最早发现P2000 对220Rn 有响应，事实上，流气模式下220Rn 更容易进入。气体进入P2000 探测腔体前经子体过滤，测量对象为纯Rn释放的ɑ 粒子产生的脉冲计数，不能分辨222Rn和220Rn。当把离子植入硅探测器型测氡仪设为快速模式时，用α 谱只测量218Po 的计数，灵敏度为慢速模式的一半。使得P2000在保证低浓度测量准确性方面，以及以1 min 为周期测量土壤气方面和以10 min为周期测量水氡方面占绝对优势。

表1 可知，陡河、孩儿屯、四王庄、上皇庄、羊窖沟、东疃村、榆林口和华北理工8个固定点探测到了钍射气。由表1 得知RAD7 测量所得钍射气的浓度值与氡浓度值之和小于P2000 直接观测值，氡仪器的标准在测量误差计算中有较大的权重，不同氡室标准的仪器刻度因子是观测差值产生的主要原因之一，两套仪器在同源测量前的刻度因子为厂家在同一国家标定产生，故排除不同氡室标准的仪器刻度因子产生的误差。分析认为由于钍射气进入仪器前经过地下5 m 路径，产生采样延滞，致使部分钍射气在到达RAD7 测氡仪之前衰变。其次，地下地表存在压力差，气泵流速设置的1 L/min 显著减少，经过测量，实际流速为0.5～0.8 L/min。且观测气路较长，高浓度氡衰变子体堵塞滤膜，易造成氡浓度测值小于实际值。因此，判定这是造成RAD7 测量所得钍射气的浓度值与氡浓度值之和小于P2000直接观测值的主要原因。当路径的全部体积大于5 L，流速为0.5 L/min，样品延滞时间为10 min。钍射气半衰期为54.5 s，10 min 后浓度大约为地下土壤中浓度的1/11。此外，RAD7 测氡仪受湿度影响，湿度过大Rn 及其子体溶于水，造成测值低，有研究表明RAD7 测氡仪的大体积干燥剂测量钍射气（220Rn）时存在明显的测量延迟，导致测量结果偏低[25]。檀峪村和大同火山固定点钍射气测值为0，静置测量后对比浓度值变化不大（见图4），两仪器的测值基本重合。综上所述，造成两种仪器氡浓度观测值差异的主要原因可能是钍射气。

图4 固定点断层气a（静置0 min）、b（静置5 min）Rn浓度曲线Fig.4 Rn concentration curves of fault gas at fixed point a（standing for 0 min）and b（standing for 5 min）

由图5 可知，前5 min 浓度值快速下降，20 min 后期缓慢下降。依据Rn 半衰期为3.8 天，钍射气即220Rn 半衰期为55.6 s，其子体216Po 的半衰期为150 s，分析认为前5 min 快速下降主要是钍射气的衰变造成。

图5 不同氡浓度范围气袋静置衰减曲线Fig.5 Static attenuation curves of air bags in different radon concentration ranges

表3 中J2、J3、J4、J6、J7、J8、J9、J10 误差在10%以内，误差超过10%的样品仅两个，其中J1 误差达到55.31%可能是因为气袋封闭不严漏气造成。

表3 固定点误差Table 3 Error of fixed points

图6中巍峰山剖面a1、a2氡浓度测线断点附近为低谷，两侧具有明显双峰曲线特征，远处则趋于平缓。丰南剖面b1、b2 氡浓度曲线则表现为多峰曲线特征。P2000 与RAD7 断层气体氡浓度曲线变化趋势一致，结果显示低浓度时两仪器测值相差较小，浓度越高测值相差越大，静置5 min 后探测曲线基本重合。分析认为浓度越高测值相差越大是因为钍射气占一定比例，浓度值越高钍射气含量越大。

图6 流动点P2000与RAD7测量氡浓度对比曲线Fig.6 Comparison curve of radon concentration measured by P2000 and RAD7 at flow point

表4 中，L1 测线50 %的观测点（8 个）误差在10 %以内，L2 测线40 %的观测点（6 个）误差在10 %以内。分析认为流动点测量气体流经路径相比于固定点短，结合图6 中a2、b2 可知5 min 静置时间不足，气体经过固定点地下5 m 路径的时间约为3 至5 min。因此流动点静置时间相较于固定点应延长至10 min。

表4 流动点误差Table 4 Error of flow points

4 结语

张家口渤海地震带野外断层气体氡测量条件基本相同的情况下P2000 与RAD7 型测氡仪对比实验过程反映出P2000测氡仪具有自动本地补偿、无湿度效应等特点，但无法分辨222Rn、220Rn。RAD7测氡仪能够分辨222Rn、220Rn，但受湿度影响大，需对所测气体进行干燥以确保测量结果准确性。由固定点对比实验结果并结合图1中地震分布密集程度可知张家口渤海地震带断层气体氡浓度具有西北低，东南高的空间分布特征，这与地震带内东南唐山地区地震活动较活跃相对应。P2000 与RAD7 型测氡仪野外对比实验结果表明，不同的观测仪器原理是造成相同测量条件下氡浓度差异的主要原因。P2000 型测氡仪在使用气袋采集气体样品并静置一段时间后，观测值与RAD7 直接观测值相近。在＜10 000 Bq/m3、10 000～20 000 Bq/m3、200 000～30 000 Bq/m3、＞30 000 Bq/m3等不同氡浓度的对比实验后，本文认为P2000型测氡仪观测前气袋最佳静置时间为5～10 min。