張家口渤海地震帶P2000與RAD7型測氡儀野外觀測對比實驗

張志相，陳 志，李 營，趙建明，榮偉健

（1.唐山地震監(jiān)測中心站，河北 唐山 063000；2.中國地震局地震預(yù)測重點實驗室，北京 100036）

0 引言

斷層氣體氡是揭示構(gòu)造活動的重要元素，經(jīng)測氡儀長期觀測所得數(shù)據(jù)分析研究，氡濃度異常能為地震短臨預(yù)報提供依據(jù)已經(jīng)為世界所認(rèn)可[1-2]。斷層氣體氡的分布特征與斷裂構(gòu)造密切相關(guān)，李營等[3]利用RAD7 型測氡儀所得數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)延懷盆地斷層氣體氡濃度地球化學(xué)背景場在空間分布上呈現(xiàn)東部高、西部低（以延懷盆地北緣斷裂為界）的特征，與東部區(qū)域地震活動較活躍相對應(yīng)。此外，測氡儀通過濃度值與溢出速率測量客觀的反映斷裂帶的活躍程度[4-5]。隨著斷層土壤氣體觀測不斷發(fā)展，測氡儀被廣泛應(yīng)用于全國各個地區(qū)的地震監(jiān)測，斷層氣體地震前兆異常資料總結(jié)發(fā)現(xiàn)，地震震級越大距離震中越近斷層氣地震前兆異常幅度越大，異常數(shù)目也越多，異常往往發(fā)生在震前幾天至幾個月的時間內(nèi)[6-9]，震例總結(jié)也發(fā)現(xiàn)氡濃度異常通常映震效能高[10-14]，例如Yang等[15]用臺灣西南地區(qū)的活動斷裂帶斷層氣觀測數(shù)據(jù)，對監(jiān)測點附近30個ML≥4.5地震進行異常識別，發(fā)現(xiàn)其中26 次地震前的1～20 天觀測到氡異常高值。2020 年7 月12 日唐山5.1 級地震發(fā)生前6 天記錄到斷層氣體氡的異常高值。這種異常變化的原因可能是地應(yīng)力變化引起巖石微破裂，氡被載氣CO2和CH4等從地殼深部攜帶至地表，導(dǎo)致濃度上升，出現(xiàn)震前異常[16-18]。因此，張家口渤海地震帶斷層氣體地球化學(xué)特征可以反映斷裂帶活動情況和地震危險性[19]。

目前地震行業(yè)在野外進行斷層氣體氡觀測的主要儀器為P2000、RAD7、ATG 與BG 等系列型號，其中P2000 和RAD7 型測氡儀因體積小便攜及直流供電方式，主要用于野外流動觀測。已有研究發(fā)現(xiàn)，法國SAPHYMO GMBH 公司生產(chǎn)的AlphaGUARD 系列P2000 測氡儀與美國Durridge 公司生產(chǎn)的RAD7 型ɑ 能譜測氡儀在相同條件下氡濃度觀測值存在一定差異[20]。然而，目前針對測氡儀的研究主要是原理與實驗室分析[21-24]，而對兩種測氡儀氡濃度觀測值差異未提供對比方法，尤其缺少野外觀測對比實驗研究。綜上所述，本文選擇在張家口渤海地震帶野外進行斷層氣體氡的兩種儀器對比實驗，嘗試分析觀測值差異的原因，并提出一種用于野外降低差異的方法，為兩種儀器觀測值直接對比提供可能。

1 地震地質(zhì)概況

張家口渤海地震帶貫穿首都圈地區(qū)，西起太行山隆起北部，向北至燕山—陰山隆起，向南延伸至華北平原北部，向東一直延伸至渤海灣，總體走向為NWW，分布著眾多全新世及晚更新世的活動斷裂，分屬于NE—ENE，MW—WNW 向斷裂（見圖1）。張渤地震帶內(nèi)分布有多個晚第三紀(jì)—第四紀(jì)隱伏斷陷盆地，是全國中強地震活動的重要區(qū)域，自公元前780 年至今，該地區(qū)共發(fā)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，在歷史上有8 次M≥7 大地震記錄，其中包括1626 年靈丘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年張北M6.2地震。

圖1 張家口渤海地震帶斷裂和地震分布圖Fig.1 Distribution of faults and earthquakes in the Zhangjiakou-Bohai seismic zone

2 對比實驗及結(jié)果

2.1 觀測儀器原理

2.1.1 P2000型測氡儀及觀測原理

法國SAPHYMO GMBH公司生產(chǎn)的AlphaGUARD系列P2000測氡儀基于最優(yōu)化脈沖電離室原理，氣泵將含Rn 氣體抽進電離室（V=0.62 L），Rn 釋放的ɑ 粒子使空氣電離產(chǎn)生大量游離的正負粒子，在電離室內(nèi)壁與收集電極間的電場作用下，正負粒子反向移動，從而在收集電極上形成電脈沖，由于正粒子質(zhì)量大于電子，運動速度慢，收集電極主要是正離子產(chǎn)生的慢脈沖，這些脈沖經(jīng)電子學(xué)測量單元放大后由計數(shù)電路記錄，記錄的脈沖數(shù)與ɑ 粒子數(shù)成正比，即與氡濃度成正比。該儀器具有高探測效率、快速濃度梯度反應(yīng)以及長期免于維護等特點，即使在極端大氣濕度條件下，也可以傳輸可靠的測量值并且不受震動沖擊的影響；具有自動扣除本底污染的功能：在一個測量序列進行過程中，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：2～2 000 000 Bq/m3，采樣周期：可每1 min 也可每10 min，線性誤差保證±3 %以內(nèi)，可連續(xù)記錄；儀器操作范圍溫度：-10℃～15 ℃；氣壓：700～1100 Mbar；濕度：（沒有凝結(jié)）0%～95% rH，靈敏度：100 Bq/m3

2.1.2 RAD7型測氡儀及觀測原理

美國Durridge 公司生產(chǎn)的RAD7 型ɑ 能譜測氡儀是應(yīng)用半導(dǎo)體探測器原理，其特殊之處是受濕度影響明顯，濕度控制在10 %以內(nèi)，經(jīng)干燥處理的Rn 氣進入包含有2500 V 電壓的金硅面壘半導(dǎo)體探測器的探測室（V=0.7 L），Rn（222Rn）發(fā)生ɑ 衰變產(chǎn)生的釙（Po）原子核和218Po 原子（離子）在靜電場的作用力下聚集在半導(dǎo)體探測器表面，218Po 原子（離子）衰變時ɑ粒子的激發(fā)作用致使探測器產(chǎn)生電脈沖信號，產(chǎn)生同ɑ粒子損失的能量成正比的輸出脈沖信號，從而可探測射線的強度。即入射粒子在靈敏區(qū)內(nèi)損失的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榕c其能量成正比的脈沖信號，經(jīng)放大并由多道分析器測出幅度分布，從而給出帶電粒子的能譜。通過能譜分析確定222Rn 或220Rn 含量，222Rn 濃度主要通過218po 信號確定，220Rn 含量由216Po 信號確定。量程：0.1～20 000 pCi/L（3.7～740 000 Bq/m3），采樣周期：5 min，測量精度在±5%以內(nèi)，溫度：3 ℃～40 ℃，濕度：1%～100%（不凝結(jié)），嗅探模式靈敏度為：0.25 pCi/L。

氡的衰變鏈：

2.2 野外實驗觀測點及結(jié)果

野外觀測點分為固定觀測點和流動觀測點兩種。固定點選取張家口渤海地震帶內(nèi)10 個氣體觀測井，觀測井氡濃度范圍分別為0～10 000 Bq/m3、10 000～20 000 Bq/m3、20 000～30 000 Bq/m3、30 000～40 000 Bq/m3。流動觀測點布設(shè)于唐山巍峰山—南坡斷裂和豐南—王蘭莊西支斷裂。

2.2.1 野外固定點觀測及結(jié)果

對斷層氣固定點進行氡濃度測量，氣泵將埋在地下5 m 深處容積15 L的半球形腔體內(nèi)的聚集氣體通過氣路管導(dǎo)至地表（見圖2），將三叉導(dǎo)氣管接測量井抽氣管用膠皮管分別依次連接干燥管、灰塵過濾器、RAD7；灰塵過濾器、抽氣泵、P2000，最后通過三叉導(dǎo)氣管連接測量井進氣管，形成兩個閉合的循環(huán)回路。P2000 為主動泵吸模式，泵速1 L/min，采樣周期為1 min；RAD7 為嗅探模式，采樣周期為5 min，濕度低于10%rH。各固定點實驗的氣路連接方式相同，工作模式相同，觀測時段相近（上午9∶00～11∶00），工作溫度、氣壓和濕度相當(dāng)。

圖2 測量井結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of measuring well

測量完畢后立即對井下氣體采集，檢查氣袋（2 L）有無破損，確認(rèn)完好后使用P2000 儀器的抽氣泵將井下管路與氣袋連接，對氣袋進行洗氣2～3 次，過程中需反復(fù)輕輕的擠壓氣袋的四個角確保氣袋內(nèi)的氣體都被洗掉。氣路連接完畢，打開氣泵進行采集，采集完畢時先擰緊氣袋的氣閥，再關(guān)閉氣泵，記號筆標(biāo)記采集完畢時間和測點編號后靜置，靜置5 min、10 min、30 min、60 min、180 min 后在進行測量，測量時將氣袋的兩個氣閥分別與儀器和氣泵連接起來，行成閉合循環(huán)，測量設(shè)置同上，設(shè)置完畢后開始測量，連續(xù)記錄十五個數(shù)據(jù)；測量完畢待本底值＜1000 Bq/m3 后方可測量下一個。P2000 采集的十五個數(shù)據(jù)，去除前三個不穩(wěn)定值，采用SPASS軟件K-S檢驗測值是否符合正態(tài)分布，剔除高值后的測值平均值作為該點最終測值。RAD7 連續(xù)采集三個數(shù)據(jù)，選取第三個穩(wěn)定值作為該點的最終測值（見表1）。

表1 固定點斷層氣體氡、釷射氣實測數(shù)據(jù)Table 1 Measured data of radon and thorium emanation at fixed point faults

2.2.2 野外流動觀測點及結(jié)果

流動點測量采用不等間距布設(shè)測點，依據(jù)地形實際情況避開新填土和垃圾腐敗物堆放地。通過前人物探資料確定斷點位置后，以斷點為中心對稱依次間隔5 m、10 m、20 m、20 m、40 m、40 m、40 m 布設(shè)16 個測點，測線L1（見圖3a），巍峰山剖面因斷點恰位于鄉(xiāng)道中間未測；豐南剖面測線以斷點為中心垂直于斷裂走向依次間0 m、5 m、10 m、20 m、20 m、40 m、40 m、40 m 對稱布設(shè)15 個測點測線L2（見圖3b）。測量時首先用鋼釬在土壤中打兩個深度在70 cm 間距為10 cm 左右的導(dǎo)向孔，之后將空心探桿插入導(dǎo)向孔，然后插入取樣器，用橡皮管將儀器與取樣器連接，排除殘余氣體后開始測量，P2000 測氡儀設(shè)定為泵吸模式，測量周期為1 min，1 L/min 抽氣速率，連續(xù)測量十五個數(shù)據(jù)（見表2），每次觀測下一點前要清洗管路和儀器。

表2 測線L1、L2斷層氣體氡濃度Table 2 Radon concentration of fault gas at measuring lines L1 and L2

圖3 巍峰山、豐南L1、L2測線布設(shè)示意圖Fig.3 Lyout diagram of L1 and L2 survey lines in Weifeng Mountain and Fengnan

3 討論

張家口渤海地震帶斷層氣體固定觀測點的測量時間均為6 月，觀測時段相近（9∶00～11∶00），氣象條件（氣溫、氣壓和濕度）相對穩(wěn)定。固定點土壤類型主要以石灰性始成土為主，土壤結(jié)構(gòu)為壤土，結(jié)構(gòu)類型基本一致。由表1固定點觀測結(jié)果可知，氡濃度在張家口渤海地震帶呈現(xiàn)東南高、西北低的分布特征，與圖1中地震分布密集程度基本一致。因此，氡濃度的高低變化與地震活動密切相關(guān)。

Ishikawa 最早發(fā)現(xiàn)P2000 對220Rn 有響應(yīng)，事實上，流氣模式下220Rn 更容易進入。氣體進入P2000 探測腔體前經(jīng)子體過濾，測量對象為純Rn釋放的ɑ 粒子產(chǎn)生的脈沖計數(shù)，不能分辨222Rn和220Rn。當(dāng)把離子植入硅探測器型測氡儀設(shè)為快速模式時，用α 譜只測量218Po 的計數(shù)，靈敏度為慢速模式的一半。使得P2000在保證低濃度測量準(zhǔn)確性方面，以及以1 min 為周期測量土壤氣方面和以10 min為周期測量水氡方面占絕對優(yōu)勢。

表1 可知，陡河、孩兒屯、四王莊、上皇莊、羊窖溝、東疃村、榆林口和華北理工8個固定點探測到了釷射氣。由表1 得知RAD7 測量所得釷射氣的濃度值與氡濃度值之和小于P2000 直接觀測值，氡儀器的標(biāo)準(zhǔn)在測量誤差計算中有較大的權(quán)重，不同氡室標(biāo)準(zhǔn)的儀器刻度因子是觀測差值產(chǎn)生的主要原因之一，兩套儀器在同源測量前的刻度因子為廠家在同一國家標(biāo)定產(chǎn)生，故排除不同氡室標(biāo)準(zhǔn)的儀器刻度因子產(chǎn)生的誤差。分析認(rèn)為由于釷射氣進入儀器前經(jīng)過地下5 m 路徑，產(chǎn)生采樣延滯，致使部分釷射氣在到達RAD7 測氡儀之前衰變。其次，地下地表存在壓力差，氣泵流速設(shè)置的1 L/min 顯著減少，經(jīng)過測量，實際流速為0.5～0.8 L/min。且觀測氣路較長，高濃度氡衰變子體堵塞濾膜，易造成氡濃度測值小于實際值。因此，判定這是造成RAD7 測量所得釷射氣的濃度值與氡濃度值之和小于P2000直接觀測值的主要原因。當(dāng)路徑的全部體積大于5 L，流速為0.5 L/min，樣品延滯時間為10 min。釷射氣半衰期為54.5 s，10 min 后濃度大約為地下土壤中濃度的1/11。此外，RAD7 測氡儀受濕度影響，濕度過大Rn 及其子體溶于水，造成測值低，有研究表明RAD7 測氡儀的大體積干燥劑測量釷射氣（220Rn）時存在明顯的測量延遲，導(dǎo)致測量結(jié)果偏低[25]。檀峪村和大同火山固定點釷射氣測值為0，靜置測量后對比濃度值變化不大（見圖4），兩儀器的測值基本重合。綜上所述，造成兩種儀器氡濃度觀測值差異的主要原因可能是釷射氣。

圖4 固定點斷層氣a（靜置0 min）、b（靜置5 min）Rn濃度曲線Fig.4 Rn concentration curves of fault gas at fixed point a（standing for 0 min）and b（standing for 5 min）

由圖5 可知，前5 min 濃度值快速下降，20 min 后期緩慢下降。依據(jù)Rn 半衰期為3.8 天，釷射氣即220Rn 半衰期為55.6 s，其子體216Po 的半衰期為150 s，分析認(rèn)為前5 min 快速下降主要是釷射氣的衰變造成。

圖5 不同氡濃度范圍氣袋靜置衰減曲線Fig.5 Static attenuation curves of air bags in different radon concentration ranges

表3 中J2、J3、J4、J6、J7、J8、J9、J10 誤差在10%以內(nèi)，誤差超過10%的樣品僅兩個，其中J1 誤差達到55.31%可能是因為氣袋封閉不嚴(yán)漏氣造成。

表3 固定點誤差Table 3 Error of fixed points

圖6中巍峰山剖面a1、a2氡濃度測線斷點附近為低谷，兩側(cè)具有明顯雙峰曲線特征，遠處則趨于平緩。豐南剖面b1、b2 氡濃度曲線則表現(xiàn)為多峰曲線特征。P2000 與RAD7 斷層氣體氡濃度曲線變化趨勢一致，結(jié)果顯示低濃度時兩儀器測值相差較小，濃度越高測值相差越大，靜置5 min 后探測曲線基本重合。分析認(rèn)為濃度越高測值相差越大是因為釷射氣占一定比例，濃度值越高釷射氣含量越大。

圖6 流動點P2000與RAD7測量氡濃度對比曲線Fig.6 Comparison curve of radon concentration measured by P2000 and RAD7 at flow point

表4 中，L1 測線50 %的觀測點（8 個）誤差在10 %以內(nèi)，L2 測線40 %的觀測點（6 個）誤差在10 %以內(nèi)。分析認(rèn)為流動點測量氣體流經(jīng)路徑相比于固定點短，結(jié)合圖6 中a2、b2 可知5 min 靜置時間不足，氣體經(jīng)過固定點地下5 m 路徑的時間約為3 至5 min。因此流動點靜置時間相較于固定點應(yīng)延長至10 min。

表4 流動點誤差Table 4 Error of flow points

4 結(jié)語

張家口渤海地震帶野外斷層氣體氡測量條件基本相同的情況下P2000 與RAD7 型測氡儀對比實驗過程反映出P2000測氡儀具有自動本地補償、無濕度效應(yīng)等特點，但無法分辨222Rn、220Rn。RAD7測氡儀能夠分辨222Rn、220Rn，但受濕度影響大，需對所測氣體進行干燥以確保測量結(jié)果準(zhǔn)確性。由固定點對比實驗結(jié)果并結(jié)合圖1中地震分布密集程度可知張家口渤海地震帶斷層氣體氡濃度具有西北低，東南高的空間分布特征，這與地震帶內(nèi)東南唐山地區(qū)地震活動較活躍相對應(yīng)。P2000 與RAD7 型測氡儀野外對比實驗結(jié)果表明，不同的觀測儀器原理是造成相同測量條件下氡濃度差異的主要原因。P2000 型測氡儀在使用氣袋采集氣體樣品并靜置一段時間后，觀測值與RAD7 直接觀測值相近。在＜10 000 Bq/m3、10 000～20 000 Bq/m3、200 000～30 000 Bq/m3、＞30 000 Bq/m3等不同氡濃度的對比實驗后，本文認(rèn)為P2000型測氡儀觀測前氣袋最佳靜置時間為5～10 min。