P2000與SD-3A測氡儀串聯(lián)平行觀測分析

邱永平

（中國浙江315029寧波地震臺）

P2000與SD-3A測氡儀串聯(lián)平行觀測分析

邱永平

（中國浙江315029寧波地震臺）

為測試P2000測氡儀工作性能，利用寧波地震臺ZK03井原氣氡觀測系統(tǒng)，將SD-3A型測氡儀排氣管接入P2000型測氡儀進(jìn)氣口，2套儀器作串聯(lián)并行觀測。通過對1年觀測數(shù)據(jù)整點(diǎn)值做相關(guān)系數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)存在顯著相關(guān)性。P2000型測氡儀具有自動扣除本底污染的功能，觀測值平均僅為SD-3A儀約60%，但能記錄到氣氡潮汐現(xiàn)象，能真實(shí)反映地下流體中氣氡的動態(tài)變化過程，認(rèn)為可以在地震流體氣氡連續(xù)觀測中應(yīng)用，只是收數(shù)軟件需進(jìn)一步改進(jìn)。

氣氡儀串聯(lián)平行觀測；P2000型測氡儀；SD-3A型測氡儀；對比分析

0 引言

1966年邢臺地震以后，中國開展了以氡、汞為主的水文地球化學(xué)觀測研究。早期氡觀測主要是人工模擬水氡測試，觀測儀器有FD-105（K）、FD-125等，20世紀(jì)80年代以來，特別是“九五”以后，使用數(shù)字化SD-3A型自動測氡儀進(jìn)行氣氡連續(xù)觀測。經(jīng)過近50年的發(fā)展，已初步形成通過觀測水氡（李瓊等，2012）、氣氡(楊鼎鴻等，2011)、水汞、氣汞的動態(tài)獲取地震孕育、發(fā)生以及成災(zāi)過程中地球化學(xué)場變化的觀測網(wǎng)絡(luò)，在防震減災(zāi)工作中發(fā)揮著重要作用。

長期以來，受觀測條件限制，地震流體觀測主要以單手段為主，很少開展比測研究，觀測資料的客觀性和科學(xué)性無法驗(yàn)證（劉耀煒等，2006），特別是不同型號、不同測試原理的數(shù)字化地球化學(xué)觀測儀器進(jìn)行平行比測的案例更加少見。2011年中國地震局流體臺網(wǎng)儀器優(yōu)化改造項(xiàng)目組從國外引進(jìn)新的地震流體前兆觀測儀器P2000型測氡儀。該儀器由德國設(shè)計(jì)、法國制造，優(yōu)點(diǎn)在于高穩(wěn)定性和領(lǐng)先的算法①北京瑞恒聯(lián)合科技有限公司，2010，德國SAPHYMO GMBH公司測氡儀ALPHGUARD系列中文操作手冊。浙江省寧波地震臺為全國首批8個試測臺站之一，該臺在氣氡連續(xù)觀測試驗(yàn)中，把P2000型與SD-3A型測氡儀（下述簡稱P2000和SD-3A）作串聯(lián)平行觀測記錄，獲得較理想的觀測數(shù)據(jù)。

1 井孔及觀測儀器

1.1 井孔概況

寧波地震臺ZK03井在臺站院內(nèi)，1979年4月成井，井深83.06 m，井孔巖性為白堊紀(jì)紫灰色凝灰?guī)r，地下水類型為山前補(bǔ)給基巖構(gòu)造裂隙水，2個主要含水層在16.5—25.0 m和44.5—48.5 m處，水質(zhì)屬低礦化度HCO3—Ca型水，2014年日均自流量小于1 t，井口水溫約17.9 ℃。

1.2 P2000型儀器特性

P2000使用先進(jìn)的3D α譜脈沖電離室技術(shù)，具備高精度、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，響應(yīng)速度快，具有自動扣除本底污染的功能（在一個測量序列進(jìn)行過程中，自動本底修正不工作，只有開始一個新的測量序列才工作）。量程范圍2—200 000 Bq/m3，可每分鐘或每10 min記錄1個數(shù)據(jù)，可以連續(xù)記錄。

1.3 SD-3A型儀器特性

該儀器以CPU89C52為控制系統(tǒng)，對氡進(jìn)行全自動測量、顯示、傳輸?shù)闹悄芑瘍x器，SD-3A的閃爍室采用創(chuàng)新技術(shù)，攻克ZnS(Ag)屏探測器不能在高溫、高濕、高腐蝕環(huán)境下長期穩(wěn)定測量的技術(shù)難題，從而拓寬應(yīng)用范圍，對溶解氡（自流井、泉）、土壤斷層逸出氡均可定時定量穩(wěn)定連續(xù)的自動長期監(jiān)測（中國地震局，2001）。

2 測試方法及效率

2.1 測試方法

寧波地震臺引進(jìn)P2000儀進(jìn)行氡氣測量，為驗(yàn)證其性能，與SD-3A測氡儀進(jìn)行對比觀測試驗(yàn)。本次試驗(yàn)是利用寧波臺原有氣氡觀測系統(tǒng)（邱永平，2014），在進(jìn)水管中引入氣泵輸出氣體，使集氣室內(nèi)進(jìn)水，同時進(jìn)行自動連續(xù)鼓泡，把水中氣體脫出，及時有效地將脫出和集得的新鮮氣體快速傳送到觀測儀器。為保證氣泵輸出的氣體連續(xù)穩(wěn)定，在輸氣管中接入玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)，控制氣體流量，進(jìn)行恒流鼓泡。將集氣室出氣口與SD-3A進(jìn)氣口連接，排氣管接入P2000的進(jìn)氣口，從其出氣口排氣，即2套儀器作串聯(lián)并行觀測。SD-3A儀器設(shè)置為每60 min記錄一個數(shù)據(jù)，P2000儀器設(shè)置為每10 min記錄一個數(shù)據(jù)，2014年1—5月每月本底校正數(shù)據(jù)更改2次，6—12月每月本底校正數(shù)據(jù)更改1次。該氣氡觀測系統(tǒng)安裝在井位下游約22 m處一間儀器專用觀測室內(nèi)，用20 mm不銹鋼管道件引水連接井口與脫氣—集氣裝置進(jìn)水口（管道埋地），用直徑8 mm、長度50 cm橡皮管連接集氣室出氣口與SD-3A儀器閃爍室進(jìn)氣孔。試驗(yàn)裝置見圖1。

圖1 SD-3A與P2000脫氣—集氣裝置連接Fig.1 The connection of SD-3A and P2000 degassing and gas collecting device

2.2 觀測效率

如果按該井每天自流量1 t計(jì)算，從井口到集氣室管道長22 m×20 mm（管道內(nèi)徑），體積約為0.007 m3，則管道內(nèi)流水每天可更換約143次，即6次/小時，約10 min井口水就能自流到集氣室內(nèi)。玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的空氣流量設(shè)置為0.5 L/min，集氣室內(nèi)液面以上空間約1.5 L，則集氣室內(nèi)氣體每3 min即可更換1次；而SD-3A儀器的閃爍室體積為0.37 L，閃爍室內(nèi)氣體每3 min不到可更換4次； P2000電離室體積為0.56 L，電離室內(nèi)氣體每3 min可更換2次以上，觀測氣體的及時性有了基本保證。

3 觀測資料對比分析

3.1 全年曲線對比

對寧波臺ZK03井2014年1—12月P2000儀和SD-3A儀氣氡比測值進(jìn)行對比，并分析當(dāng)年降雨影響，見圖2，其中P2000儀選取10 min值、SD-3A儀選取整點(diǎn)值。從圖2可見，P2000和SD-3A儀的記錄曲線形態(tài)相似，1—9月均趨勢性上升，10月以后向下變化，與當(dāng)年的降雨量變化較一致，說明測值的動態(tài)變化主要受降雨量影響，也就是受到井水流量的變化影響，流量增加，測值上升，反之測值下降。這是因?yàn)?，井水流量太小，該脫氣—集氣裝置沒有控制進(jìn)水量所致。通過對P2000與SD-3A儀整點(diǎn)值觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)二者存在顯著相關(guān)性。

圖2 2014年寧波臺ZK03井氣氡測值與降雨曲線Fig.2 Hourly values of gas radon at ZK03 well and rainfall at Ningbo Seismic Station in 2014

從定量分析，P2000儀1—12月平均值為6.1 Bq/L，最大值出現(xiàn)在8月22日，為9.54 Bq/L，最小值出現(xiàn)在2月4日，為2.93 Bq/L，最大波動幅度達(dá)6.61 Bq/L，接近年平均值。SD-3A儀1—12月平均值為10.2 Bq/L，最大值（突跳點(diǎn)除外）出現(xiàn)在8月22日，為14.5 Bq/L，最小值出現(xiàn)在3月25日，為6.9 Bq/L，最大波動幅度達(dá)7.6 Bq/L，明顯小于年平均值。

由測試結(jié)果可知，P2000儀年平均測值是SD-3A儀約60%，絕對差為4.1 Bq/L。這是因?yàn)?，P2000儀有自動扣除本底污染的功能，而SD-3A無此功能，所以P2000測值更接近實(shí)際值。假設(shè)SD-3A儀的全年平均本底污染值為4.1 Bq/L，將最大和最小值扣除本底值，則分別為10.4 Bq/L和2.8 Bq/L，與P2000儀觀測結(jié)果基本一致，說明SD-3A儀器閃爍室受到污染后，其本底值動態(tài)變化基本穩(wěn)定。

3.2 干擾曲線對比

2014年4月P2000和SD-3A儀測值受到干擾，動態(tài)變化曲線見圖3，從曲線變化可看出，在氣路阻滯時，測值出現(xiàn)同步上升，排除后，同步恢復(fù)正常。

圖3 2014年4月 P2000和SD-3A儀測值干擾動態(tài)變化曲線Fig.3 The dynamic curve of measured value interference of P2000 and SD-3A in April 2014

3.3 異常曲線對比

2014年9月P2000和SD-3A儀測值出現(xiàn)異常，動態(tài)變化曲線見圖4。從圖4可見，二者異常形態(tài)不完全相同，SD-3A儀測值以脈沖形式出現(xiàn)，P2000儀以持續(xù)相對高位形式出現(xiàn)，可能與2套儀器測試原理有關(guān)。P2000儀設(shè)置為每10 min記錄1個數(shù)據(jù)，是10 min內(nèi)內(nèi)部計(jì)算因子的均值（氣體連續(xù)流動），可以理解為10 min的平均值，而SD-3A儀是每個整點(diǎn)值的測值（測量時氣路中斷2 min）。因儀器時鐘精度存在一定誤差（＜3 min），2套儀器不可能同時測量。由于以上原因，異常形態(tài)一般不同。

圖4 2014年9月P2000和SD-3A儀測值異常動態(tài)變化曲線Fig.4 The dynamic changes curves of the measured value anomaly of P2000 and SD-3A in Sep.,2014

3.4 日變形態(tài)曲線對比

2014年11月P2000和SD-3A儀測值不同日變形態(tài)典型動態(tài)變化曲線見圖5。從圖5可看出，P2000儀測值的日變動態(tài)清楚，即呈現(xiàn)規(guī)律的固體潮形態(tài)（邱永平，2015）（一般降水量較少季節(jié)，井水流量平穩(wěn)，氣氡測值動態(tài)清晰），圖5中（c）圖是11月7日—9日P2000儀固體潮形態(tài)放大曲線，SD-3A儀測值日變動態(tài)為隨機(jī)波動形態(tài)。

圖5 2014年11月P2000和SD-3A測值不同日變形態(tài)變化曲線Fig.5 The dynamic change curves of different diurnal variation of P2000 and SD-3 A measured value in November,2014

4 結(jié)論

（1）通過連續(xù)1年的串聯(lián)平行觀測試驗(yàn)，并對全年整點(diǎn)值數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)P2000與SD-3A儀記錄的動態(tài)曲線存在顯著相關(guān)性，2套儀器記錄的觀測資料的客觀性和科學(xué)性得到相互驗(yàn)證。

（2）通過觀測試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)SD-3A型測氡儀觀測效果顯著，儀器閃爍室受到污染后，其本底值動態(tài)變化基本穩(wěn)定，對氣氡濃度高低動態(tài)的波動程度響應(yīng)速度較快。

（3）P2000型測氡儀具有自動扣除本底污染的功能，觀測值平均僅為SD-3A型測氡儀的約60%，但能記錄到氣氡潮汐現(xiàn)象，更能真實(shí)反映地下流體中氣氡的動態(tài)變化過程，認(rèn)為可以在地震地下流體氣氡連續(xù)觀測中應(yīng)用，但其收數(shù)軟件與現(xiàn)行的“十五”地震前兆臺網(wǎng)不一致，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

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Analysis on the radon series parallel observation data measured by P2000 type and SD-3A type instruments

Qiu Yongping
(Ningbo Seismic Station，Zhejiang Province 315029，China)

In order to test the performance of P2000 emanometer,using ZK03 wells gas radon observation system at Ningbo Seismic Station,connected exhaust pipe of the SD-3A radon detector of type exhaust pipe to type P2000 emanometer inlet,the series parallel observation of 2 sets of instruments experiment has carried out.Through the analysis of correlation coefficient on the whole point data of 1 year,it is found that there is signifi cant correlation between data from the two instruments.The P2000 emanometer has the function of automatically deducting ambient pollution.Its observations on average are only about 60% of SD-3A,but can record the gas radon tide phenomenon and can refl ect the dynamic change process of underground fl uid gas radon.The experiment shows that P2000 emanometer can be used in gas radon continuous observation of earthquake fl uid,while the data acquisition software need to be further improved.

gas radon apparatus series parallel observation，P2000 emanometer，SD-3A emanometer，comparative analysis

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.05.018

邱永平（1959—），男，高級工程師，長期從事地震監(jiān)測工作

2015年度中國地震局“監(jiān)測、預(yù)報、科研”三結(jié)合課題（編號：151101）

本文收到日期：2015-11-18