BG2015閃爍室測氡儀器應(yīng)用于地震氣氡測試運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

肖 健，黃仁桂，姚玉霞，應(yīng)驍睿，趙 影，劉耀煒

BG2015閃爍室測氡儀器應(yīng)用于地震氣氡測試運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

肖 健1，黃仁桂1，姚玉霞2，應(yīng)驍睿3，趙 影1，劉耀煒4

（1．九江地震臺，江西 九江 332006；2．平?jīng)鲋行牡卣鹋_，甘肅 平?jīng)?744000; 3．云南省地震局監(jiān)測中心，云南 昆明 650000；4．中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085）

對BG2015閃爍室測氡儀器在江西九江地震臺2號井、甘肅平?jīng)龅卣鹋_安國井和云南省開遠(yuǎn)地震局滇18井不同井水條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，針對不同井條件下氣氡測值的穩(wěn)定性、連續(xù)性和可靠性進(jìn)行比較分析，得到BG2015閃爍室測氡儀器應(yīng)用于地震行業(yè)的可行性。

BG2015閃爍室測氡儀；氡測值；對比分析；可行性

0 引言

作為目前地震觀測的四大學(xué)科之一——地震地下流體學(xué)科在全國震情監(jiān)視跟蹤工作中起著重要的作用。1944年日本西南海岸的8.3級地震和1966年塔什干的5.3級地震，震前觀察到氡的突變，引發(fā)科學(xué)家開展氡與地震之間關(guān)系的研究。此后，在日本、蘇聯(lián)、美國、歐洲、中國等許多國家和地區(qū)便開展了氡觀測與地震預(yù)測以及構(gòu)造活動關(guān)系的研究[1-5]。長期的觀測研究表明，氡等流體地球化學(xué)組分確實(shí)存在顯著的震前與震后異常變化[6-14]，發(fā)現(xiàn)“震級大、異常時(shí)間長、異常幅度大、反映距離遠(yuǎn)” 的概念[6]、震前氡含量出現(xiàn)上升趨勢和臨震突跳的現(xiàn)象[13-15]。然而氣氡數(shù)字化觀測儀器，最早一批是九五期間技術(shù)改造的，儀器運(yùn)行已經(jīng)數(shù)年；十五期間上線運(yùn)行的數(shù)字化儀器運(yùn)行也已近十年。整個(gè)數(shù)字化氣氡觀測臺網(wǎng)面臨儀器老化、故障頻發(fā)、維修滯后的困境，亟待對這些儀器進(jìn)行優(yōu)化改造。面對嚴(yán)峻的震情形勢，地下流體學(xué)科迫切需要推進(jìn)新觀測儀器和新觀測技術(shù)等研究工作，氡觀測數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性是監(jiān)測預(yù)報(bào)工作的基礎(chǔ)，對氡觀測儀器整體性能技術(shù)要求較高。

本文依托中國地震局新型國產(chǎn)氣氡觀測儀器穩(wěn)定性與適應(yīng)性評價(jià)研究項(xiàng)目，引進(jìn)江西省貝谷公司研制的BG2015儀器，在多地不同井條件部署儀器進(jìn)行氣氡觀測實(shí)驗(yàn)，對該儀器應(yīng)用在地震行業(yè)氣氡觀測的可行性進(jìn)行判斷。

1 運(yùn)行臺站介紹

1.1 九江臺2井簡介

九江臺位于江西省九江市廬山區(qū)前進(jìn)東路，測試井為自流井，井深71.0m，流量3×107～4×107Kg/d，水溫18℃左右，無明顯干擾源，屬于氡觀測理想場地[16]，下圖1為九江地震臺新流體井地層結(jié)構(gòu)柱狀結(jié)構(gòu)圖，井水為裂隙水，同井有氣氡觀測和氣汞觀測，為參與國家評比測項(xiàng)，不參與實(shí)驗(yàn)。氣氡觀測實(shí)驗(yàn)使用脫氣裝置為新疆局許秋龍主任研制的XⅢ脫氣裝置[17]和九江地震臺自主研制的電動鼓泡脫氣集氣裝置[18]。BG2015閃爍室測氡儀自2015年6月投入觀測以來，一直進(jìn)行連續(xù)觀測。

1.2 平?jīng)雠_安國井簡介

平?jīng)霭矅挥卺轻紖^(qū)安國鄉(xiāng)頡河村，測試井為自流井，井深301.07m，流量常年穩(wěn)定在0.026～0.030L/s，水溫25℃左右，氡含量背景值在35.0Bq/L，無明顯干擾源，屬于氡觀測理想場地，如下表1和表2所示。脫氣裝置為新疆局許秋龍最新研制的XⅢ脫氣裝置[17]。BG2015閃爍室測氡儀自2015年11月11日投入觀測以來，已經(jīng)連續(xù)觀測多月。

圖1 九江地震臺新流體井地層結(jié)構(gòu)柱狀結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Stratigraphic column structure in the new fluid well of Jiujiang Seismic Station

表1 安國井基本情況

表2 安國井基本情況表

1.3 開遠(yuǎn)市地震局滇18井簡介

開遠(yuǎn)市地震局滇18井為開遠(yuǎn)市地震局的觀測井，該觀測井不是自流井，且空水位在8m左右，井深224m，溫度范圍25～27℃，套管169.5m，深灰黑色灰?guī)r，偶見石英中充填其中，中至厚層狀結(jié)構(gòu)致密，如圖2所示。BG2015閃爍室測氡儀于2015年11月10日完成安裝，儀器的進(jìn)氣口接一根導(dǎo)氣管至井下距離水面1m，且在井下裝有一個(gè)簡易的集氣罩，如圖3為開遠(yuǎn)市地震局滇18井井口圖。

圖2 開遠(yuǎn)地?zé)嵊^測井孔情況Fig.2 The situation in geothermal observation well of Kaiyuan

圖3 開遠(yuǎn)市地震局滇18井井口圖Fig.3 The wellhead picture of Dian 18 in Earthquake Administration of Kaiyuan

2 BG2015閃爍室測氡儀

2.1 BG2015閃爍室測氡儀簡介

BG2015閃爍室測氡儀是貝谷科技股份有限公司生產(chǎn)研制的，公司自2005年開始與東華理工大學(xué)進(jìn)行系列核輻射檢測儀器的產(chǎn)業(yè)化合作，由學(xué)校委派科技人員進(jìn)行產(chǎn)品合作研發(fā)，公司投入產(chǎn)業(yè)化資金，共同完成核輻射檢測類儀器的規(guī)模化生產(chǎn)和銷售。該儀器采用可更換型閃爍室采樣器，可對空氣（或土壤）氡進(jìn)行快速采樣和測量。在采樣筒受到氡子體污染時(shí)，可現(xiàn)場更換采樣器，無需長時(shí)間等待，圖4為BG2015閃爍室測氡儀圖。

圖4 BG2015閃爍室測氡儀Fig.4 The BG2015 scintillation chamber of radon measurement instrument

2.2 儀器工作原理

氡進(jìn)入閃爍室后，氡及其子體衰變發(fā)出的α粒子使閃爍室采樣器壁上的ZnS產(chǎn)生微弱的閃光，儀器內(nèi)部的光電倍增管收集到閃光，并把這種光信號變成電脈沖，經(jīng)過電子學(xué)線路把電脈沖放大，最后被處理器記錄下來。根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)（脈沖計(jì)數(shù)率）與氡濃度成正比的理論，可以換算出被測空氣（或土壤）中的氡濃度。BG2015閃爍室測氡儀技術(shù)規(guī)范和特點(diǎn)如表3所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 九江臺實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 BG2015測氡儀運(yùn)行情況分析

表3 BG2015閃爍室測氡儀技術(shù)規(guī)范和特點(diǎn)

圖5為BG2015閃爍室測氡儀2015年9月28日—2016年3月28日在九江地震臺運(yùn)行曲線圖。從觀測曲線可以看出，數(shù)據(jù)有幾次大的變化，以下分別進(jìn)行描述：

（1）2015年10月18日14時(shí)21分，調(diào)節(jié)水流量，流量變小，導(dǎo)致測值從260.03Bq/L下降到170.40Bq/L，2015年10月23日 15時(shí)20分將流量再次調(diào)小，測值153.5Bq/L，到平穩(wěn)測量；2016年2月23日 08時(shí)10分將水流量再次調(diào)小，測值達(dá)到124.08 Bq/L，并趨于穩(wěn)定。

（2）2015年10月31日16時(shí)20分由于氣溫驟降，水汽凝結(jié)，脫氣裝置氣路堵塞，測值偏低，2015年11月1日11時(shí)10分進(jìn)行處理，氡值迅速恢復(fù)；2015年11月21日8時(shí)30分又出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象，數(shù)據(jù)下降，2015年11月23日11時(shí)40分對其進(jìn)行了疏通清理后，測值回升[19]。目前正在先用物理方法冷凝水蒸氣，再使用Ca2CO3干燥劑進(jìn)行化學(xué)吸收水蒸氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。同時(shí)從圖中可以看出氡濃度小幅突跳后趨于穩(wěn)定，可能是由于水流量變化導(dǎo)致。

3.1.2 測氡儀對比實(shí)驗(yàn)

圖6是BG2015閃爍室測氡儀與Alpha GUARDP2000[7]于2015年12月5日—2015年12月21日進(jìn)行串聯(lián)實(shí)驗(yàn)，從觀測曲線可以看出，兩臺測氡儀器數(shù)據(jù)穩(wěn)定，趨勢一致。

圖7為BG2015閃爍室測氡儀2015年6月7日—2016年6月15日進(jìn)行串聯(lián)實(shí)驗(yàn)曲線圖。從觀測曲線可以看出，數(shù)據(jù)有幾次大的變化，從觀測曲線可以看出，兩臺測氡儀器數(shù)據(jù)穩(wěn)定，趨勢一致，只是數(shù)值存在差異，可能是由于兩儀器標(biāo)定方式差異造成。

圖5 BG2015閃爍室測氡儀整點(diǎn)觀測曲線Fig.5 The integral point observation curve of the BG2015 scintillation chamber instrument for measuring radon

圖6 BG2015閃爍室測氡儀、P2000串聯(lián)實(shí)驗(yàn)觀測曲線Fig.6 The experimental observation curve in the series of BG2015 scintillation chamber and P2000 radon measurement

圖8 BG2015閃爍室測氡儀觀測曲線Fig.8 The observation curve of BG2015 scintillation chamber instrument for measuring radon

3.2 平?jīng)鲋行呐_實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 BG2015測氡儀運(yùn)行情況分析

圖8為BG2015閃爍室測氡儀2015年11月1日—2016年3月31日在平?jīng)鲋行牡卣鹋_運(yùn)行曲線圖。從觀測曲線可以看出，數(shù)據(jù)有幾次大的變化，下面分別進(jìn)行描述。

圖7 BG2015閃爍室測氡儀、SD-3A閃爍室測氡儀串聯(lián)實(shí)驗(yàn)觀測曲線Fig.7 The experimental observation curve in the series of BG2015 scintillation chamber and SD-3A scintillation chamber

（1） 2015年11月13日16時(shí)40分開關(guān)閥門后，流量變小，導(dǎo)致測值從33.03Bq/L下降到24.00Bq/L，2015年11月13日15時(shí)34分將流量再次調(diào)大，測值開始回升，到2015年11月21日19時(shí)23分，測值達(dá)到40.08Bq/L，基本穩(wěn)定下來。

（2）2015年12月28日9時(shí)左右停電，測值隨著電壓的降低而減小，到2015年12月29日0時(shí)35分，電瓶電壓耗盡而停測，符合前面“技術(shù)規(guī)范和特點(diǎn)”中內(nèi)置鋰電池可連續(xù)工作36小時(shí)（不使用泵）或18小時(shí)（使用泵）的指標(biāo)。2015年12月30日15時(shí)52分重啟儀器后開始工作，但測值一直偏低。

（3）2016年1月16日12時(shí)30分調(diào)大流量，測值恢復(fù)到40Bq/L，并將采樣頻率從10min改為60min。

（4） 2016年1月28日6時(shí)30分由于氣溫驟降，水汽凝結(jié)，脫氣裝置氣路堵塞，測值偏低，2016年1月28日16時(shí)對其進(jìn)行了疏通清理后，測值回升。

（5）2016年3月6日7時(shí)45分因停電測值再次出現(xiàn)下降，到2016年3月8日9時(shí)電瓶電壓耗盡，造成3月8日9時(shí)至14時(shí)數(shù)據(jù)缺測，2016年3月8日15時(shí)32分重啟儀器恢復(fù)觀測，測值隨電壓緩慢升高，呈現(xiàn)緩慢回升的過程。

3.2.2 SD-3A測氡儀和BG2015測氡儀對比實(shí)驗(yàn)

圖9是SD-3A測氡儀和BG2015測氡儀于2015年12月5日—2015年12月25日對比曲線圖。SD-3A測氡儀架設(shè)在安國1號井（為臺站流體測項(xiàng)參與國家評比），距離架設(shè)BG-2015測氡儀的安國2號井（為臺站進(jìn)行人工實(shí)驗(yàn)取水和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)相關(guān)項(xiàng)目）直線距離80m，兩井水源為同一來源。用2套儀器產(chǎn)出一整月數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)都趨于穩(wěn)定，只是數(shù)值存在差異，可能是由于兩臺儀器標(biāo)定方式差異造成。

3.3 開遠(yuǎn)市地震局滇18井實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2015年9月3日，云南省地震監(jiān)測中心在開遠(yuǎn)市地震局觀測井安裝貝谷科技股份有限公司生產(chǎn)的BG2015型閃爍室測氡儀一套。截至2016年2月10日，儀器觀測數(shù)據(jù)連續(xù)正常，沒有出現(xiàn)過硬件故障和軟件故障。圖10為開遠(yuǎn)市地震局BG2015閃爍室測氡儀部分時(shí)段的觀測數(shù)據(jù)，由于該井是進(jìn)行逸出氡觀測，故測量值在背景值附近，氣氡固體潮明顯，有部分高值疑是前兆異常，有待進(jìn)一步研究。

圖9 SD-3A測氡儀與BG-2015測氡儀對比曲線圖Fig.9 The contrast curve about SD-3A radon measuring instrument and BG-2015 radon measuring instrument

圖10 開遠(yuǎn)市地震局BG2015閃爍室測氡儀觀測曲線圖Fig.10 The observation curve in BG2015 scintillation chamber instrument for measuring radon in Earthquake Administration of Kaiyuan

4 討論與結(jié)論

從三個(gè)臺站目前使用BG2015閃爍室測氡儀情況上看， BG2015閃爍室測氡儀運(yùn)行情況而言，總體數(shù)據(jù)穩(wěn)定、調(diào)節(jié)參數(shù)響應(yīng)時(shí)間迅速和采樣率較高，連續(xù)性和可靠性較好，適合地震行業(yè)臺站氣氡數(shù)字化觀測要求。

使用過程中產(chǎn)生的問題：

（1）BG2015閃爍室測氡儀該版本儀器沒有Web服務(wù)器，無法登陸網(wǎng)頁來設(shè)置參數(shù)；

（2）儀器應(yīng)該安裝FTP軟件，并設(shè)置登陸密碼，便于使用FTP客戶端登陸和管理；設(shè)置IP地址只能在儀器面板設(shè)置，且需要退出到WinCE的桌面再進(jìn)入到網(wǎng)絡(luò)管理界面來設(shè)置才會生效，給操作人員帶來一些不便；

（3）BG2015閃爍室測氡儀電瓶電壓問題，從平?jīng)雠_使用該儀器的兩次停電前后，測值變化較大，儀器無法實(shí)現(xiàn)自主進(jìn)行交直流電。

經(jīng)與貝谷公司溝通后，整改方案如下：

（1）目前貝谷公司BG2015-R型測氡儀在BG2015閃爍室測氡儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)結(jié)合地震系統(tǒng)的實(shí)際需求，改為機(jī)架式的結(jié)構(gòu)；

（2）配置了經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的可更換型閃爍室采樣器，克服了一般測氡儀受濕度影響大，采樣器易受氡子體污染等缺陷，使之成為了一款非常適合地震氣氡觀測的測氡儀產(chǎn)品；

（3）根據(jù)地震氣氡觀測的采樣時(shí)間、數(shù)據(jù)傳輸格式等要求，調(diào)整儀器內(nèi)部軟件系統(tǒng)，使其具備長期自動監(jiān)測和自動遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽?/p>

（4）后續(xù)BG2015-R型測氡儀隨主機(jī)配備UPS電源出廠，解決交直流電源問題。

[1]李宣瑚.水氡異常的擴(kuò)散收縮現(xiàn)象[J].地震，1981，1（5）：41-43.

[2] King C Y. Gas geochemistry applied to earthquake prediction[J]. Geophys. Res，1986，（91）：12269-12281.

[3] Thomas D. Geochemical precursors to seismic activity. Pure Appli [J]. Geophys， 1988， 126：241-266.

[4] Kingslel S P， Bi P E， Piccolo R， et al. Hydrogeochemical precursors of strong earthquake: A realistic possibility in Kamachatka[J]. Phys. Chem. Eurrh（C），2001，26（10）：769-774.

[5]張煒，李宣瑚，王吉易.水文地球化學(xué)預(yù)報(bào)地震的原理與方法[M].北京：地震出版杜，1988.

[6]張煒，林頤躍.地震前兆水化特征及討論[J].地震戰(zhàn)線，1978，（6）.

[7]杉崎隆一，田公興譯.地球化學(xué)方面的地震預(yù)報(bào)問題——日本地震預(yù)報(bào)的態(tài)勢[J].國外地震，1979，（5）．

[8]蔡祖煌，石慧馨.地震流體地質(zhì)學(xué)概論[M].北京：地震出版杜，1980.

[9]蔣風(fēng)亮，李桂如，王基華，等.地震地球化學(xué)[M].北京：地震出版社， 1989.

[10]ГМ瓦爾抄爾，張煒，等譯.地震水文地球化學(xué)前兆[M].北京：地震出版社， 1989．

[11]劉耀煒，施錦.強(qiáng)震地下流體前兆信息特征[J].地震學(xué)報(bào)，2000，22（1），59-64.

[12] Г.М.Баршал. Гидро-геохимическе предвестникиэемлетрясений. М о с к в а， “Н а у к а”，1985.

[13]張煒.地下水化學(xué)組價(jià)變化與地震關(guān)系的初步討論[J].地震，1983，（5）:13-16.

[14]張煒，鄂秀滿.強(qiáng)震的地下水化學(xué)前兆特征，地下流體預(yù)報(bào)地震論文集[J].北京：地震出版社，1987.

[15]王長嶺，唐豐年，楊玉榮， 等.地下水含氡量觀測與地震預(yù)報(bào)探索[M].國家地震局監(jiān)測處與教育處出版發(fā)行，1982.

[16]王敏，李雨澤，黃仁桂， 等.淺析九江地震臺SD-3A與BL2015測氡儀監(jiān)測效能對比[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014，（29），28-29.

[17]許秋龍，劉耀煒，楊朋濤，等.自然脫氣裝置.中國：ZL201520104644.5[P]. 2015-02-12.

[18]黃仁桂，肖健，趙影， 等.新氣氡觀測方法實(shí)驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器，2016（1），103-107.

[19]劉耀煒，任宏微，張磊， 等.魯?shù)?.5級地震地下流體典型異常與前兆機(jī)理分析[J].地震地質(zhì)，2015，37（1）：1-12.

Application of BG2015 Scintilation Chamber Radon Measuring Instrument in the Test of Earthquake Gas Radon

XIAO Jian1，HUANG Ren-gui1，YAO Yu-xia2，YING Xiao-rui3，ZHAO Ying1，LIU Yao-wei4
（1. Jiujiang Seismic Station，Jiangxi Jiujiang 332006, China；2. Pingliang Seismic Station，Gansu Pingliang 74000, China；3. Earthquake Administration of Yunnan Province, Yunnan Kunming 650000, China；4. Institute of Crustal Dynamics of China Earthquake Administration, Beijing 100085, China）

This paper aims to discuss the experiments on BG2015 measuring radon instrument in No.2 well of Jiujiang Seismic Station, Anguo well of Pingliang Seismic Station and No.18 well of Earthquake Administration of Kaiyuan City in Yunnan Province, which has different well water conditions. Comparative analysis is made according to stability, continuity and reliability of gas radon value in different well water conditions. The results show that BG2015 measuring radon instrument is feasible in earthquake industry.

BG2015 scintillation chamber radon measuring instrument; radon value; comparative analysis; feasibility

P315.62

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.01.008

1674-8565（2017）01-0044-08

東華理工大學(xué)核技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心開放基金《水氡自動化裝置研制》（HJSJYB2015-8）；江西省地震局新世紀(jì)優(yōu)秀人才《氣氡觀測的水氣比研究》（JXDZ-YXRC20163）；中國地震局三結(jié)合《氡無源傳遞標(biāo)定方法與規(guī)程研究》（CEAJC/3JH-161401）

2016-09-21

2017-01-13

肖?。?975-），男，江西省九江市人，畢業(yè)于防災(zāi)科技學(xué)院，高級工程師，現(xiàn)主要從事地震監(jiān)測預(yù)報(bào)工作。

E-mail：5946721990@qq.com