測氡儀K值變化對水氡測值的影響及校正

蘇鶴軍， 曹玲玲, 李春燕

(1.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000； 2.中國地震局地震預(yù)測研究所蘭州創(chuàng)新基地，甘肅 蘭州 730000;3.甘肅省地震局,甘肅 蘭州 730000)

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測氡儀K值變化對水氡測值的影響及校正

蘇鶴軍1，2， 曹玲玲3, 李春燕3

(1.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000； 2.中國地震局地震預(yù)測研究所蘭州創(chuàng)新基地，甘肅 蘭州 730000;3.甘肅省地震局,甘肅 蘭州 730000)

目前對測氡儀閃爍室K值變化引起水氡測值變化的校正方法存在明顯的不合理性。利用曲線擬合方法擬合12個閃爍室K值變化的曲線方程,結(jié)果顯示K值按二次曲線模型變化。采用該方法對甘肅武山22號井水氡進(jìn)行重新校正,與之前的校正結(jié)果相比,重新校正的曲線連貫性和穩(wěn)定性更好,且更趨于合理。分別分析武山22號井水氡新校正曲線、原始測值曲線和去臺階處理曲線與地震的對應(yīng)關(guān)系,結(jié)果顯示新校正的水氡曲線不僅在大地震前異常具有重現(xiàn)性特征,且在同一地震前與震中一定范圍內(nèi)其他臺站的水氡異常具有同步性特性。這進(jìn)一步表明,根據(jù)K值的變化機(jī)理對水氡測值進(jìn)行重新校正是非常必要的。

水氡誤差;K值; 曲線擬合; 數(shù)據(jù)校正; 映震效果

0 引言

無論對水氡進(jìn)行模擬觀測還是數(shù)字化觀測,對觀測儀器的標(biāo)定都是一個不可或缺的環(huán)節(jié)。對模擬水氡而言,目前采用的儀器主要為FD-125型水氡觀測儀,采用閃爍室閃爍脈沖計數(shù)。閃爍室在使用過程中,由于參與計算水氡的K值不斷發(fā)生變化,導(dǎo)致水氡的測量值偏離真實值,為了減小兩者之間的誤差,需要對K值進(jìn)行標(biāo)定?！兜卣鹚牡厍蚧瘜W(xué)觀測技術(shù)規(guī)范》[1]中規(guī)定,每年4月和9月需對閃爍室K值進(jìn)行標(biāo)定。9月標(biāo)定的K值主要是檢驗使用K值是否在誤差允許范圍內(nèi)。在1993—2011年間,只有當(dāng)4月份標(biāo)定的K值與使用K值相差大于5%時,才能啟用,而其他年份則無此規(guī)定。但在實際使用中發(fā)現(xiàn),更換閃爍室K值會引起水氡測值出現(xiàn)“臺階”變化。學(xué)者研究認(rèn)為應(yīng)該每年更換新標(biāo)定的K值,才能消除或減小水氡測值的臺階式變化[2-3]。但即使每年更換新標(biāo)定的閃爍室K值,當(dāng)新舊K值相差較大,特別是更換閃爍室時,水氡測值前后無法銜接的臺階依然顯著。

目前對閃爍室K值變化引起的水氡變化,只對臺階變化進(jìn)行對接處理。然而K值雖然在使用期間一直當(dāng)常數(shù)使用,但它實際是一個變量,因此去臺階法并不能真正達(dá)到校正水氡值誤差的目的。鑒于此,本文除重點(diǎn)分析目前使用的校正方法存在的問題外,還根據(jù)K值變化的機(jī)理對水氡測值進(jìn)行校正,進(jìn)而通過與地震的對應(yīng)關(guān)系對新校正的水氡數(shù)據(jù)實用性進(jìn)行檢驗。

1 K值變化引起水氡出現(xiàn)誤差的原因

(1) 測氡儀測氡原理

目前我國地震系統(tǒng)用于水氡觀測的儀器主要是FD-125型測氡儀。測氡儀閃爍室內(nèi)有硫化鋅(銀)涂層,當(dāng)水樣中氡經(jīng)脫氣被鼓入閃爍室時,氡及其子體的a離子沖擊閃爍室內(nèi)壁的硫化鋅(銀)閃爍體,激發(fā)出光子,經(jīng)光電倍增管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,成為電子,并在陽極負(fù)載上形成一脈動電流,輸出負(fù)壓脈沖,再經(jīng)電子線路放大、鑒別、整形后被自動定標(biāo)器記錄下來,根據(jù)在單位時間內(nèi)的脈沖計數(shù)(脈沖/分)計算出水氡濃度*陳有發(fā),等.《地震觀測技術(shù)》(試用).1994.。

(2) 測氡儀閃爍室K值標(biāo)定

K值是閃爍室標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)的簡稱,是水氡測量中的換算系數(shù)。測氡儀閃爍室標(biāo)定就是對K值的重新確定,指在正常工作環(huán)境下,用一已知氡含量的放射性標(biāo)準(zhǔn)源,按測定樣品的相同方法和操作步驟進(jìn)行測量,由此求得閃爍室的K值。作為計算未知樣品中氡濃度的衡量標(biāo)準(zhǔn),其表達(dá)式為:

(1)其中:K為閃爍室的標(biāo)定值;N為標(biāo)定讀數(shù);N0為本底讀數(shù);Bq為氡氣源裝置上標(biāo)氡射氣計量配置①。

(3) 水氡值誤差形成的原因

由于閃爍室在使用過程中,氡及其子體的a離子對閃爍室內(nèi)壁不斷沖擊,使硫化鋅(銀)閃爍體涂層變薄或局部脫落,或有灰塵附著,導(dǎo)致記錄到的脈沖數(shù)減小,K值增大。而閃爍室在使用中,K值通常最短一年更換一次,以致參與水氡計算的K值小于真實值,進(jìn)而使計算的水氡值小于真實值,從而出現(xiàn)誤差。為了能掌握真實的水中氡值的變化,在無法直接獲得每次參與水氡計算的K值的現(xiàn)狀下,需要對水氡測值誤差進(jìn)行校正。

2 現(xiàn)有K值變化引起水氡測值變化的處理方法及存在的問題

2.1 K值變化引起水氡變化的處理方式

目前對K值變化引起的水氡測值的變化采用的基本處理方式是:(1)保持原始的觀測值;(2)去臺階處理,即對臺階之前的所有數(shù)據(jù)增加或減小一個常數(shù),進(jìn)而將臺階前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行平穩(wěn)對接,常數(shù)的大小就是臺階上下值的差。

2.2 K值變化引起水氡變化處理方法存在的問題

圖1給出了甘肅武山22號井水氡原始測值和去臺階處理后的水氡測值曲線。對比兩圖可以看出它們存在著顯著的差異:(1)從曲線長趨勢變化來看,原始測值成水平變化,經(jīng)過去臺階處理后,從2002年下降轉(zhuǎn)平后一直在低值水平變化;(2)從趨勢的穩(wěn)定性來看,整個觀測期間,由于階梯的存在導(dǎo)致原始測值穩(wěn)定性和連貫性變差,而去臺階處理后的數(shù)據(jù)連貫性和穩(wěn)定性好;(3)從水氡測值變化幅度來看,觀測以來,原始測值的最大變化幅度為100 Bq/L左右,而去臺階變化的最大幅度達(dá)到230 Bq/L左右;(4)從兩條曲線水氡絕對數(shù)值來看,觀測初期原始測值為310 Bq/L左右,而去臺階處理后變?yōu)?70 Bq/L左右,兩者相差達(dá)到160 Bq/L左右。

圖1 甘肅武山22號井水氡月均值曲線圖Fig.1 The monthly mean value curves of water radon of No.22 well in Wushan county,Gansu province

以上對比結(jié)果可以看出,同一測點(diǎn)、同一時段的同一水氡觀測值經(jīng)過去臺階處理后,曲線趨勢發(fā)生了很大變化,這表明目前采用的對K值變化引起水氡變化的處理方法存在著明顯的不足,主要表現(xiàn)在:

(1) 保持原始觀測值

水氡的原始觀測值能夠真實地反映數(shù)據(jù)多年的長趨勢變化,但更換K值導(dǎo)致水氡出現(xiàn)的臺階變化會使數(shù)據(jù)使用者難將其與地震異常區(qū)分,也使數(shù)據(jù)的連貫性變差。同時由于是原始觀測值,所以起不到校正的作用。

(2) 去臺階變化處理方法

去臺階處理除能增加數(shù)據(jù)的連貫性和穩(wěn)定性外,不僅不能對水氡測值起到校正作用,而且還會使水氡測值更加偏離真實值。這是因為去臺階處理的前提是認(rèn)定K值在使用期間是一個常量,并且新更換K值引起水氡變化是K值標(biāo)定誤差引起的。因此,就出現(xiàn)校正次數(shù)越多,校正之前的水氡值越來越大或之后的值越來越小的現(xiàn)象。這種校正方法使更換新K值完全失去意義,也使閃爍室的標(biāo)定僅起到判斷閃爍室能否繼續(xù)使用的作用。

事實上,在標(biāo)準(zhǔn)源相對固定,且嚴(yán)格按規(guī)范標(biāo)定的前提下,K值的準(zhǔn)確性能達(dá)到誤差要求,因此更換新K值造成的臺階并不是由K值的標(biāo)定誤差引起的,而是因為K值雖然在使用中當(dāng)作常數(shù),但實際上是一個變量,新舊標(biāo)定K值差就是閃爍室使用期間K值變化的累計量。因此K值變化引起的水氡變化是個緩慢的過程,更換K值出現(xiàn)的水氡臺階變化只是K值未及時更換的體現(xiàn),它是水氡變化的累積量。更換K值可引起水氡測值出現(xiàn)明顯的臺階變化進(jìn)一步說明這種緩慢下降是不可忽略的。更為重要的是,K值誤差產(chǎn)生在其使用到下次標(biāo)定之間,因此水氡測值的校正應(yīng)該限于這期間,而不是之前所有的測值。

綜合以上分析可以看出,目前采用的對閃爍室K值變化引起水氡變化的處理方法僅起到使數(shù)據(jù)連貫的作用,非但起不到校正的作用,反而使水氡數(shù)值更加偏離真實值,也沒有對K值引起的水氡測值的趨勢變化進(jìn)行校正。因此從閃爍室K值變化的機(jī)理出發(fā),定量地分析閃爍室K值的變化過程,得出更為真實的水中氡的含量對地震前兆觀測手段的選擇及有效監(jiān)測地震都具有重要的意義。

3 測氡閃爍室K值變化的定量分析

3.1 使用方法及數(shù)據(jù)的選擇

對閃爍室K值變化過程的定量分析采用SPSS(Statistical Product and Service Solutions)統(tǒng)計軟件,利用曲線回歸中的曲線估計方法對K值的變化過程進(jìn)行曲線擬合。

通過對前人研究中提及的閃爍室[2-3]和甘肅水氡觀測使用的閃爍室K值進(jìn)行的細(xì)致梳理,選出使用時間長、標(biāo)準(zhǔn)源相對固定、標(biāo)定K值達(dá)到4個及以上且使用方式?jīng)]有改變(由于有些閃爍室使用一段時間后,改為備用閃爍室,雖然每年仍進(jìn)行K值標(biāo)定,但使用情況發(fā)生了變化)的12個閃爍室,對其K值進(jìn)行擬合分析。遵循K值變化逐步增大的規(guī)律,擬合曲線模型選擇直線、平方、立方、對數(shù)、指數(shù)等方法(只有4個K值的閃爍室不做立方分析)。

3.2 結(jié)果分析

對比分析每組K值選用的各種曲線模型擬合方程的決定系數(shù)和模型顯著性檢驗參數(shù),發(fā)現(xiàn)二次方程擬合效果最好。12組K值數(shù)據(jù)二次擬合方程的決定系數(shù)Rsq都大于0.95。從模型的顯著性(P<0.05為顯著)來看,9組數(shù)據(jù)二次方程擬合結(jié)果P小于0.05,擬合度很好,但有3組數(shù)據(jù)P大于0.05,擬合模型沒有達(dá)到顯著。從表1可以看出,這三組數(shù)據(jù)正好是標(biāo)定K值只有4個的閃爍室。從擬合方程的二次項系數(shù)來看,12個閃爍室中有6個二次項系數(shù)為正,6個二次項系數(shù)為負(fù)。

表1 閃爍室標(biāo)定K值及擬合方程參數(shù)表

綜合以上分析,閃爍室在使用中其K值按二次曲線模型變化,變化速率是使用初期快還是使用后期快,不同的閃爍室并不相同。這究竟是閃爍室的使用差別決定的,還是標(biāo)定誤差引起的,還需以后進(jìn)行深入的實驗分析來判定。閃爍室標(biāo)定K值樣本量越多,其變化的擬合效果越好,越能真實地反映K值的變化過程。

從擬合曲線的形態(tài)(圖2)和二次項系數(shù)來看,12條曲線的彎曲度都不大,且有3條接近于直線,因此相鄰兩個K值之間的變化可以近似地看作直線。依此,當(dāng)閃爍室使用期間只有不超過3個標(biāo)定K值而無法擬合時,可以將相鄰兩個值之間的變化近似看成直線。

4 實例分析

甘肅武山22號井自1984年開始進(jìn)行水氡觀測,距今已有30年以上的連續(xù)觀測資料,觀測質(zhì)量良好。觀測以來使用的閃爍室標(biāo)定K值都有完整的記錄。觀測期間其控制范圍內(nèi)發(fā)生了多次5級以上地震,特別是2008年的汶川8.0級地震距離該點(diǎn)僅440 km,2013年7月的岷縣漳縣地震更近,只有68 km,這為水氡測值校正結(jié)果映震效果的檢驗提供了條件。因此本文選擇該井水氡進(jìn)行實例分析。

圖2 閃爍室K值變化擬合曲線圖Fig.2 The fitting curves of K-value change

4.1 曲線校正

水氡曲線的校正步驟是:首先根據(jù)每年標(biāo)定的K值擬合出K值變化方程,然后用擬合方程計算出每天的K值,最后用新K值重新計算每天的水氡值。

曲線校正中對更換閃爍室K值的銜接:閃爍室更換通常是原閃爍室K值太大或出現(xiàn)故障而無法準(zhǔn)確測量,據(jù)此判斷這時的K值標(biāo)定值也不準(zhǔn)確,需要用更換的新閃爍室測量的氡值計算出原閃爍室的K值,并且用計算值代替標(biāo)定值參與曲線擬合。

對于閃爍室使用期間只有不超過三個標(biāo)定K值的,根據(jù)本文第三部分的分析結(jié)果,將相鄰兩個K值之間看作直線變化。

圖1給出了甘肅武山22號井水氡校正值曲線。對圖1的3條曲線進(jìn)行對比可以看出,它們之間存在明顯的差別:(1)與原始觀測值曲線相比,新校正的曲線穩(wěn)定性和連續(xù)性明顯增加。從曲線整體變化趨勢來看,兩者相差不大,但局部差異明顯,最顯著的是1999年以來的下降,新校正曲線在2003年1月達(dá)到最低點(diǎn),而原始值曲線在2001年3月達(dá)到最低點(diǎn)。原始值曲線2006年1月—2009年4月存在明顯的低值過程,但經(jīng)過校正后為緩慢的上升過程；(2)與經(jīng)過去臺階處理曲線相比,去臺階導(dǎo)致的早期水氡數(shù)據(jù)越來越大的現(xiàn)象在新校正曲線中并沒有出現(xiàn)。對于1999年以來的下降,去臺階處理的曲線在2006年9月才結(jié)束,比新校正曲線晚了3年零8個月,并且新校正曲線下降結(jié)束后成轉(zhuǎn)折上升變化,而去臺階處理的曲線為轉(zhuǎn)平變化。

綜合分析發(fā)現(xiàn),新校正的水氡曲線既增加了數(shù)據(jù)的連貫性和穩(wěn)定性,也避免了校正次數(shù)越多早期水氡值越來越大的現(xiàn)象。

4.2 水氡三種曲線與地震的對應(yīng)關(guān)系

武山22號井水氡觀測期間,2013年甘東南發(fā)生了岷縣6.6級地震,2008年在距離測點(diǎn)不到500 km的距離發(fā)生了汶川8.0級地震,2001年昆侖山8.1級地震雖然距離測點(diǎn)超過1 000 km,但這次地震震級很大,對甘東南地區(qū)影響明顯[7]。本文以這三次地震為例,分析震前三條曲線的變化特征。

(1) 新校正的曲線

從圖1可以看出,昆侖山8.1級地震前,1996年(震前5年)水氡上升速率加快,1998年8月(震前3年)改變原有趨勢呈快速下降變化,地震發(fā)生在下降過程中。汶川8.0級地震前,曲線從2003年(震前5年)改變原有下降趨勢轉(zhuǎn)折上升,2005年11月(震前接近3年)開始轉(zhuǎn)折下降,地震發(fā)生在低值階段。岷縣6.6級地震前,2012年4月(震前1年3個月)水氡出現(xiàn)快速的上升變化,2012年8月(震前11個月)轉(zhuǎn)平,地震發(fā)生在高值階段。從以上的對比可以看出,在異常變化形態(tài)上,三次地震前曲線最初都為加速上升變化,雖然地震發(fā)生階段兩次8級地震曲線狀態(tài)與6.6級地震的不同,但6.6級地震發(fā)生在快速上升結(jié)束以后,為相對低值。在異常變化時間上,震級越大,距離越遠(yuǎn),異常轉(zhuǎn)折的時間越早,這與其他大震前水氡的典型變化一致[4-8]。

(2) 去臺階處理的曲線

從去臺階處理曲線的變化形態(tài)來看(圖1),昆侖山8.1級地震發(fā)生在曲線平穩(wěn)變化轉(zhuǎn)為趨勢下降的過程中;汶川8.0級地震發(fā)生在曲線由趨勢下降轉(zhuǎn)為水平變化后;岷縣6.6級地震發(fā)生在曲線快速上升后的轉(zhuǎn)平過程中。由此可見,去臺階處理的曲線在三次地震前變化形態(tài)各不相同。

(3) 原始觀測值曲線

從圖1可以看出,昆侖山8.1級地震前,曲線從1996年就開始呈下降變化,地震發(fā)生在轉(zhuǎn)折上升階段。汶川8.0級地震前,曲線最初為上升變化,地震發(fā)生在2005年底階降后的緩慢下降階段。岷縣6.6級地震發(fā)生在2012年快速上升后的轉(zhuǎn)平高值階段。對比結(jié)果顯示,水氡原始值曲線在三次地震前的異常不具備重現(xiàn)性特征。

綜合以上分析結(jié)果,武山22號井水氡在不小于6.6級地震前,經(jīng)過擬合校正的水氡前兆異常具有很好的重現(xiàn)性特征,而原始測值和去臺階處理后的水氡并不具備這種特征。

范雪芳等[9]對汶川8.0級地震震中770 km范圍內(nèi)的水氡典型異常做了分析,確認(rèn)甘肅武都、四川康定姑咱、西昌新村井和云南景東井四個臺站水氡存在典型異常。這些臺站月均值曲線最初的異常變化都是趨勢上升,地震都發(fā)生在轉(zhuǎn)折變化后,這與武山22號井新校正的曲線非常相似。

根據(jù)以上分析可以判斷,根據(jù)K值的變化機(jī)理,利用擬合方程重新校正的水氡值更接近于真實值,也表明水氡值的變化能夠反映強(qiáng)震的孕育過程。

5 討論與結(jié)論

本文通過對甘肅武山22號井水氡原始測值和去臺階處理后的數(shù)值對比發(fā)現(xiàn),兩組數(shù)據(jù)存在很大的差別,由此可以判定K值變化引起的水氡變化并不是可以忽略不記的。因此,選取了甘肅省內(nèi)外12個閃爍室的K值,應(yīng)用擬合方法定量分析了其變化過程,并用甘肅武山22號井水氡重新校正數(shù)據(jù)的變化與地震的對應(yīng)關(guān)系對校正結(jié)果進(jìn)行了檢驗。主要得出以下結(jié)論:

(1) 目前使用的對K值變化引起的水氡變化的處理方法存在明顯的缺陷,它沒有考慮K值的變化是個連續(xù)的過程,因此,不但沒有起到校正的作用,而且還造成去臺階變化次數(shù)越多之前的水氡數(shù)據(jù)越大,扭曲了數(shù)據(jù)的真實性。

(2) 從閃爍室K值變化的機(jī)理出發(fā),對12個閃爍室K值變化進(jìn)行了曲線擬合,結(jié)果顯示它們按二次曲線模型變化。閃爍室使用期間只有不超過3個標(biāo)定K值的,相鄰兩個K值之間可看作直線變化。

(3) 根據(jù)K值變化擬合結(jié)果對武山22號井水氡進(jìn)行了重新校正,結(jié)果顯示新校正的曲線不僅可去除K值更換引起的水氡數(shù)據(jù)的臺階變化,而且還會避免校正次數(shù)越多之前水氡測值越偏離真實值的現(xiàn)象。

(4)對比分析了武山22號井水氡新校正的曲線、原始曲線和去臺階處理三條曲線與地震的對應(yīng)關(guān)系,結(jié)果顯示新校正的曲線對應(yīng)地震的能力明顯優(yōu)于其他兩條,主要表現(xiàn)在多次地震前異常的重現(xiàn)性和在一次地震中與震中一定范圍內(nèi)其他臺站水氡異常變化形態(tài)的相似性和時間的同步性。

雖然在理論上閃爍室K值是逐步增大的,但對甘肅1984年以來使用的部分閃爍室K值進(jìn)行梳理時發(fā)現(xiàn),標(biāo)定K值變小的現(xiàn)象普遍存在。這除了與標(biāo)定誤差有關(guān)外,可能還與目前使用的新K值的確定有關(guān)。目前新K值的確定方法是:先利用標(biāo)準(zhǔn)氡源測出3個K值,然后取其平均值作為新標(biāo)定的K值。如果3次測值中有一次偏差較大,則平均值也會有較大偏差。

這種利用K值變化對水氡重新校正的方法在時間上比較滯后,但通過武山22號井水氡原始測值曲線、去臺階處理測值曲線和新校正曲線的對比發(fā)現(xiàn),在長趨勢上原始測值曲線更接近于新校正曲線,因此在地震跟蹤中趨勢異常的分析可選擇原始測值曲線。

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Influence of EmanometerK-value Change on Water Radon Value and Correction Method

SU He-jun1，2, CAO Ling-ling3, LI Chun-yan3

(1.LanzhouInstituteofSeismology,ChinaEarthquakeAdministration,Lanzhou730000,Gansu,China; 2.LanzhouBaseofInstituteofEarthquakePrediction,CEA,Lanzhou730000,Gansu,China; 3.EarthquakeAdministrationofGansuProvince,Lanzhou730000,Gansu,China)

This study aimed to develop an accurate correction method of errors in the water radon value caused by a change in the emanometerKvalue.First,we investigated current methods used to correct radon values and found obvious differences among them.This is because none of these methods capture the real change in theKvalue.Therefore,in this study,we adopted the curve fitting method to investigate changes in theKvalue.Fitting models examined in this study include linear,quadratic,logarithmic,cubic,and exponential models.We performed curve fitting for 12K-value groups and obtained their curve fitting equations.Results revealed that the fitting degree of the quadratic curve was the best.Therefore, we adopted the quadratic curve method for correcting the radon values of No.22 well,which is located in Wushan county,Gansu province.To test the accuracy of the corrected radon value results after curve fitting,we determined the correspondence among changes in the radon value from all types of correction methods and earthquakes.Results revealed that the shape of the corrected radon value curve using the curve fitting method not only has good reproducibility prior to strong earthquakes but also well synchronizes with the curve shapes of water radon values obtained from other stations around the epicenter before a strong earthquake.Furthermore,these results show that it is necessary to correct the water radon error using theK-value change mechanism.The use of the curve fitting method to correct the radon value error caused by a change in theKvalue is an innovative technique and a significant contribution to the field.

the water radon error;Kvalue; curve fitting method; data correction; earthquake-reflecting effect

References)

2015-04-01

甘肅省地震局地震科技發(fā)展基金(2013M04)

蘇鶴軍 (1973-)，男，甘肅通渭人，高級工程師，碩士，主要從事地震地下流體和地震預(yù)報研究。E-mail:suhejun@126.com。

P315.9

A

1000-0844(2016)05-0795-07

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.05.0795