地震气氡浓度监测影响因素分析——以九江中心站3次气氡浓度异常为例

王良俊 黄仁桂 朱国伟 赵爱平 肖孟仁 李雨泽 袁 俊

1）中国江西332006 江西九江扬子块体东部地球动力学野外科学观测研究站

2）中国南昌 330039 江西省地震局

0 引言

氡浓度观测是国际上公认的地震监测手段之一，也是我国地震地下流体观测台网中重要测项，在地震趋势分析与短临震情研判中发挥着重要作用（Wang et al，2014，2018；Zhou et al，2020；Alam et al，2021；Muto et al，2021；Zhao et al，2021）。测氡仪对深层地下水（或温泉）中溶解气、逸出气及断裂带土壤气体中的氡气浓度进行连续观测，从而捕捉地震信息（刘仕锦等，2019；刘春国等，2021）。氡被岩石、土壤颗粒表面吸附与解附，或溶解于地下水并随地下水迁移。在地震孕育与发生过程中，岩石应力与热力状态的变化及深部物质运移，可能会导致岩石氡射气系数改变、氡溶解度变化。但不可否定，气氡观测中也存在许多影响观测资料质量的因素（赵冬等，2018；刘仕锦等，2019），如井水流量、脱气系统、观测室温度、湿度、气压等环境因素，以及水井周边环境的干扰因素等（徐长银等，2017）。因此，利用气氡浓度资料进行地震分析预测时，必须对异常信息开展充分的核实，以判断异常是地震前兆还是干扰所致（刘磊等，2017）。本文以九江2 井气氡浓度异常为例，对非深部地下介质变化气氡浓度异常信息进行分析，以期为气氡浓度异常核实过程提供实例，为其他地震地下流体异常核实拓宽思路。

1 概述

九江中心站位于江西庐山西北侧，地理位置为29.65°N、116.01°E，海拔110 m，构造上属于扬子陆块下扬子地块中部，区域构造位于庐山西北缘边缘剪切带上的夏家－威家岭左行走滑断裂带，该断裂带呈NE 走向。九江中心站内的九江1 井主要用于物理量观测，九江2 井主要用于化学量观测（赵爱平等，2015）。九江2 井成井于2008 年，观测含水层为构造裂隙水，属于承压自流井，详细的井孔剖面特征如图1 所示。该井深71 m，套管11.9 m，地表至6.2 m 为第四系联圩组亚黏土、砂砾石，6.2—11.9 m 为震旦系皮园村组强风化碳质灰岩，11.9—71.0 m 均为下元古代碳质灰岩，含水层分别在 17.0—22.5 m、55.0—63.5 m，目前日流量约为300 t（图1）。距该井约1 km处有天花井水库，50 m 处有1 条溪流，溪流源头为庐山马尾水泉水。

图1 九江2 号观测井井孔柱状图Fig.1 Column diagram of hole of Jiujiang No.2 observation well

近年来，九江2 井气氡浓度3 次出现异常，出现异常后均对脱气装置、气路等进行排查处理，3 次排查均为氡浓度上升异常：①2014 年7 月22 日气氡浓度异常。九江2 井气氡浓度从7 月21 日11 时开始增大，之前背景值为30—40 Bq/L，15 时增大到170 Bq/L 以上，之后持续上升，7 月22 日16 时达512.4 Bq/L，7 月27 日气氡浓度回至40 Bq/L 左右。②2015 年6 月24 日气氡浓度异常。九江2 井气氡浓度从6 月22 日11 时开始增大，23 日由均值360 Bq/L 升高到480 Bq/L。③2021 年4 月5 日气氡异常。4 月5 日起九江2 井气氡浓度持续升高，日变化幅度约为10 Bq/L，6 日内累积上升84 Bq/L，气氡浓度上升幅度达43%。

2 异常分析

2.1 水位变化的影响

2014年7月21日九江2井气氡浓度异常如图2所示。九江中心站各观测仪器运行正常，观测环境未发生变化，对同测点其他流体测项和同台形变测项等资料进行综合分析，未发现与气氡浓度同步异常测项，基本可排除是构造运动引起的气氡浓度异常，即异常属干扰类型。由图2 可见，2014 年7 月15—16 日，九江中心站区域出现强降雨，降雨量达78 mm，7 月24 日再次降雨52 mm，九江静水位明显上升，达80—100 mm。九江井气氡脱气装置为传统的溅落式脱气装置，容积约1.25 L，被置放于下沉式池内，靠近主井管，极易受井管喷溢出水的影响。由于区域强降雨使水位上升，井管出水口泄流速率增大，增强了井管溢出水喷溅能力，井管溢出水强烈的喷溅打破了SD-3A 型测氡仪脱气装置的平稳状态，改变了脱气装置内部水—气环境的平衡（高小其等，2021）。受此影响，7 月21 日起，氡气浓度出现大幅异常变化，异常持续4 天左右后开始下降，异常期间水位处于较高水平，即水位较大幅度的变化对气氡浓度有影响。此次异常主要影响机制为水位大幅升高导致主井管溢流速率增大，溢出井水直接溅落到脱气装置，从而影响脱气装置内水—气平衡，进而影响气氡浓度变化。为改变脱气装置内水—气平衡，2015 年1 月1 日九江中心站采用自然吸气脱气装置进行鼓泡脱出氡气。

图2 2014 年九江降雨量（a）、静水位（b）、2 井气氡浓度异常数据（c）Fig.2 Fluid observation data of Jiujiang in 2014 (a) rainfall,(b) static water level,and (c) abnormal radon concentration of well 2

2.2 降雨的影响

2015 年6 月24 日九江2 井气氡浓度异常如图3 所示。在异常期间，中心站观测仪器、观测环境正常，流体、形变、测震等观测资料均未出现同步变化，即此次异常为非深部地下介质变化引起的气氡浓度异常，属于干扰类型。由图3 可见，2015 年6 月20—21 日九江地区发生强降雨，降雨量达74 mm，水位明显上升，井水喷出井口，气氡浓度升高滞后于水位上升，水位上升滞后于降雨。分析认为，主要影响机制如下：①大量降雨增加含水层荷载，挤压含水层孔隙、裂隙，使其中地下深处含水层部分氡组分随水进入井孔；②水位上升增加井孔水压，进而增加水中氡气的溶解度；③井口喷水增大出水流速，含水层内水流速度在一定程度上也增大，水流冲刷含水层能力增强，将含水层中更多的氡成分带入井孔；④井水自井口溅落，观测室内混合气体中的氡气浓度升高，自然吸气脱气装置吸收该气体鼓泡，使氡气浓度测值进一步增大。九江中心站气氡浓度此次在原背景值水平下升高幅度达30%，其主要干扰因素为强降雨直接导致气氡浓度的升高。

图3 2015 年九江降雨量（a）、静水位（b）、2 井气氡浓度异常数据（c）Fig.3 Fluid observation data of Jiujiang in 2015 (a) rainfall,(b) static water level,(c) abnormal radon concentration of well 2

2.3 观测系统的影响

2021 年4 月5 日九江2 井气氡浓度异常如图4 所示。对九江中心站九江1 井、中心站周边环境进行调查，未发现较大的施工工程开工、打井、抽水等明显干扰源。此次气氡浓度异常可能涉及到的地下水化学组分、水位埋深、地倾斜、应变等均没有明显变化。由图4 可见，九江2 井气氡浓度与观测室室内温度、室外温度之间存在缓慢同步上升现象，特别是4 月28 至5 月10 日室内温度与气氡浓度出现间断性同步突跳变化现象。分析认为，气氡浓度变化的另一主要影响因素为观测系统的影响。图5 为九江2 井观测系统供水管道图及示意图。由于氡气观测仪器检测平台管道（3 路）与气氡供水管道从主井观测室出发，沿室外地埋沟（管槽）一直进入到氡气观测仪器检测平台室内（观测房），4 路管道相邻安置。此次气氡浓度异常之前6 个月，检测平台一直处于满管实验状态，2021 年3 月下旬起停止实验，把检测平台水路管道和恒流水箱水排空，4 月初气氡浓度出现异常。随着夏季到来，气温不断升高，管道出现热胀冷缩，流水管道内形成部分间隙，同时氡气浓度随温度升高会产生更多的逸出气体，逸出气氡混合到地下水的量缓慢达到最高，而后缓慢降低，恢复到正常的状态，即温度升高，水路管道挤压导致压力变化，气氡浓度缓慢变化。

图4 2021 年九江室外温度（a）、室内温度（b）、2 井气氡浓度异常数据（c）Fig.4 Fluid observation data of Jiujiang in 2021 (a) outdoor temperature,(b) indoor temperature,(c) abnormal radon concentration of well 2

图5 九江2 井观测系统供水管道Fig.5 Water supply pipeline diagram of Jiujiang Well 2 observation system

3 影响因素分析

3.1 气氡浓度与水位、降雨变化关联性分析

表1 是九江中心站7 次降雨、水位变化、气氡浓度异常统计表。在一定范围内九江中心站气氡浓度与水流量呈正相关，气氡浓度高值异常由水位变化、降雨量所引起。如2015 年6 月21—22 日（B 时段）气氡浓度异常与降雨量、水位上升间为直接相关，气氡浓度变化率为43.68%；2021 年4 月1—14 日（G 时段）降雨量75 mm，水位变化0.089 m，氡值变化率为43.68%，与2015 年6 月21—22 日（B 时段）类似，从九江中心站气氡值变化率、水位和降雨对应图3 来看，相关性较好。但从A、C、D、E、F 时间段看，这些时段的降雨量和水位变化均大于B、G 时间段，而气氡浓度变化率较低。这说明，气氡浓度异常变化与九江中心站降雨量、水位变化间不是简单的线性关系，需要分别作具体分析，才能搞清楚三者间的关联性。

表1 九江中心站总降雨量、水位变化、气氡浓度异常Table 1 The rainfall,change of the water level and radon concentration anomaly in Jiujiang Central Station

3.2 化学量关联性分析

2021年4月1—14日（G深度）气氡浓度异常期间，采集九江中心站3个位置（1—井口；2—氡检测平台；3—站内废井）的3 次水样送至中国地震局地震预测研究所进行水化组分测试，测试结果如图6 所示。由图6 可见，Piper 图显示常量离子的含量较接近，说明补给源一致。Schoeller 图清晰地显示主要离子成分的含量基本接近，说明是同一补给来源（张磊等，2016，2019），与Piper 图的结果一致。同时可见，除Cl-离子有微小变化外，其他基本没有变化，这进一步证实异常是由观测系统所致。

4 讨论和结论

在实际观测中，气氡浓度受水位、降雨量、温度、水温、压力、矿化度等多种因素的影响，在核实气氡浓度3 次异常变化时发现，九江中心站其他地球物理测项均无异常，可排除相关影响。研究结论如下：①水位上升，脱气装置进水流量增大，单位时间内吸入的空气也随之增加，进而提升水中溶解氡的脱气效率，同时，水位上升导致的主井管地下水溢流可直接影响脱气装置的水—气平衡，也导致气氡浓度上升；②大量降雨增加九江2 井含水层荷载，挤压含水层孔隙、裂隙，含水层内水流速度在一定程度上也增大，水流冲刷含水层能力增强，将含水层中更多的气氡带入井孔，多重因素的共同作用导致气氡浓度增大；③气氡观测系统受温度的影响，水路管道热胀冷缩，水路挤压形成间隙，导致脱气压力缓慢变化，气氡浓度随之出现缓慢上升。

为进一步分析九江2 井气氡浓度3 次出现异常的原因，后续将开展加密实验，建立完整的水位、水流量与气氡浓度整体观测系统，分析气氡浓度与水位、降雨量、水流量间的关系及其变化特征，为后期对气氡浓度观测资料进行分析、干扰排查、脱气装置改造等提供参考。必要时还应充分利用异常测项本身的物理、化学性质及水井的基础资料进行综合判定，以期为气氡浓度异常核实跟踪提供实验支撑，从而提高九江中心站气氡浓度观测效能。