青海東部地區(qū)淺井氣氡值淺析

羅賓生,白永禎,李延峰,魏兆邦

(青海省地震局,青海 西寧 810005)

0 引 言

氡作為地下流體映震的靈敏組分,經(jīng)過長期的觀察和研究,是目前國內(nèi)外研究最多的一種。我國氡觀測(cè)歷史悠久,積累了豐富的觀測(cè)手段[1]。青海地區(qū)的氣氡觀測(cè)也經(jīng)歷了多個(gè)震例的驗(yàn)證,對(duì)地震短、臨震預(yù)測(cè)起到了很好的效果[2-5]。氡濃度觀測(cè)是我國現(xiàn)有的地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)的主要測(cè)量內(nèi)容,對(duì)地震短臨預(yù)測(cè)具有重要意義[6]。如何從氣氡氣中精確地提取出地震的異常信息,對(duì)預(yù)測(cè)地震具有十分重要的意義。在日常的監(jiān)測(cè)中,都是長期使用同一型號(hào)的測(cè)氡儀進(jìn)行測(cè)量,如果發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)異常,很難判定是地震前兆異常還是觀測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障,因此需要采集青海地區(qū)的氡背景數(shù)值,在數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常后可以在需要的情況下對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣,并對(duì)其進(jìn)行短臨異常的研究。因此,氣氡背景值作為一個(gè)區(qū)域內(nèi)環(huán)境本底值可為今后的相關(guān)研究提供依據(jù)[7]。

圖1 青海東部地區(qū)構(gòu)造

1 井孔選取和觀測(cè)裝置

本項(xiàng)目利用青海省自然資源廳地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站提供的青海東部地區(qū)34口井,獲取該井最底部氣氡值地球化學(xué)背景值,本次測(cè)量包括氣氡值、水溫及地理位置。根據(jù)各個(gè)水井實(shí)際情況,排除存在明顯干擾、不方便測(cè)量的井,最終從34個(gè)井中選取26個(gè)井進(jìn)行測(cè)量。本次選取的井深為20～50 m,在井底部進(jìn)行電動(dòng)鼓泡的方式將井水中的氣體進(jìn)行溢出,井水表面和空氣接觸,會(huì)受氣溫影響,井水往下,和空氣接觸面積小,不容易受到地表氣溫變化的影響。

觀測(cè)室配置溫濕度監(jiān)控器,保證觀測(cè)室溫度在20±3 ℃,濕度在50%RH±5>。購買微型氣泵,氣泵將外界空氣由進(jìn)氣管引入水井底部處,進(jìn)氣管下端的鼓泡頭產(chǎn)生的微小氣泡將水中的氡氣脫出,匯集在井口處集氣罩內(nèi),并通過出氣管最終收集在集氣箱內(nèi)。集氣箱中的氣體由出氣口輸出,并由氣氡儀進(jìn)行采集(圖2)。集氣罩直接罩在有逸出氣的觀測(cè)井的水面上,集氣罩外側(cè)加裝助浮器,保證集氣室的體積不隨水位的漲落而發(fā)生變化。逸出氣體富集在集氣室內(nèi),集氣室中的氣體通過出氣口輸出。

圖2 氣氡樣品采集過程

2 氣氡背景值分析

2.1 氣氡測(cè)量結(jié)果

本次測(cè)量用SZW-II型數(shù)字式溫度計(jì)測(cè)量井最低部溫度,DDL-1型測(cè)氡儀測(cè)量井中氣氡濃度值,利用SZW-II型數(shù)字式溫度計(jì)自帶的GPS測(cè)量測(cè)點(diǎn)位置信息。為了保證儀器測(cè)量的穩(wěn)定性,在測(cè)量之前使用Alpha-GUARD P2000測(cè)氡儀,利用水中溶解氡對(duì)DDL-1性電離法氣氡儀進(jìn)行了儀器校測(cè)。于2023年5月～2023年7月期間內(nèi)對(duì)所選取的井進(jìn)行采樣測(cè)量.每個(gè)井孔分別連續(xù)測(cè)量3～4小時(shí),采樣頻率為分鐘,對(duì)每個(gè)井孔的測(cè)量結(jié)果分別計(jì)算了平均值和標(biāo)準(zhǔn)差,如表1所示,26口井氡平均值±標(biāo)準(zhǔn)差總體在7.404±0.045～91.354±0.367 Bq/L。對(duì)青海東部地區(qū)實(shí)地調(diào)查結(jié)果顯示:

表1 海東地區(qū)井調(diào)查參數(shù)(-表示數(shù)據(jù)不可用)

(1)從表1可以看出26個(gè)有效樣本中平均值差別比較大,最大為:91.354;最小為:7.404。最大值和最小值差別比較大,下面章節(jié)對(duì)其分布規(guī)律作進(jìn)一步分析討論。

(2)從表1可以看出每口井的標(biāo)準(zhǔn)差差別較大,考慮到平均值也有較大差別因此用變異系數(shù)衡量每口井氡值分布的離散程度。從變異系數(shù)可以看出27號(hào)井氡值分布最離散。

(3)根據(jù)上述平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的特點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析,分析方法采用單因素方差分析F檢驗(yàn)、相關(guān)性分析和多元線性回歸。

2.2 單因素方差分析

為了研究氡值的影響因子,選擇井編號(hào)、井深度、井水溫度等因素對(duì)氡值變化進(jìn)行單因素方差分析。由于每個(gè)因子存在26個(gè)維度,本次只對(duì)氡值做初步研究所以沒有更精準(zhǔn)的維度劃分標(biāo)準(zhǔn),因此差異分析做簡化處理,只采用因子(井標(biāo)號(hào))對(duì)數(shù)據(jù)做單因素方差分析。其分析模型[8]為:

SST=SSA+SSE

(1)

式中,SST為觀測(cè)變量的總離差平方和;SSA為組間離差平方和,是由控制變量的不同水平所造成的變差;SSE為組內(nèi)離差平方和,是由于抽樣誤差所引起的變差。其中:

(2)

(3)

(4)

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可以看出,總離差平方和1 497 974.980,組間離差平方和1 495 007.710,組內(nèi)離差平方和2 967.271;方差檢驗(yàn)104 273.196,對(duì)應(yīng)的顯著性水平P=0.000,在95%置信區(qū)間下顯著性水平均小于0.05,因此認(rèn)為26組之間至少有一組與另外一組存在顯著性差異,需要作進(jìn)一步分析(多重比較)。

表2 單因素方差分析

表3 相關(guān)性分析

經(jīng)過多重比較發(fā)現(xiàn)任意一口井和其他的井之間P值均小于0.05,說明在95%的置信區(qū)間下任意一口井和其他井的氡值均存在顯著性差異。根據(jù)上述結(jié)果可以判定樣本中的26口井分布不均勻。

2.3 相關(guān)性分析

在進(jìn)行回歸前,首先需要相關(guān)性反應(yīng)的是兩個(gè)變量之間的相關(guān)程度,通常用Pearson相關(guān)系數(shù)來表示,其檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚9]為:

(5)

其中:

(6)

(7)

分別對(duì)水溫、井深和氡值進(jìn)行雙變量相關(guān)性分析,結(jié)果如下表所示。結(jié)果顯示,氡值與井深度、水溫的Pearson相關(guān)性系數(shù)分別為-0.402、0.098,說明本次選取的青海東部地區(qū)淺井水中氡含量與井深度、水溫的關(guān)系并不大。

2.4 線性回歸

為了進(jìn)一步研究井深與水溫變化對(duì)氡的線性影響,本文構(gòu)建了二元線性方程:

y=β0+β1x1+β2x2

(8)

其中,x1為水溫,x2為井深,y為氡值。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS中進(jìn)行二元回歸(表4、5)。結(jié)果顯示:預(yù)測(cè)回歸方程的相關(guān)系數(shù)R達(dá)到0.835,說明自變量與因變量之間的相關(guān)程度較大[10],R2為方程決定系數(shù),用于映射解釋方差占氡值方差的百分比,調(diào)整后的R2是考慮了水溫與深度之間的相關(guān)影響之后對(duì)決定系數(shù)R2的校正,表示總體的回歸結(jié)果,根據(jù)數(shù)據(jù)顯示,此方程調(diào)整后的R2值為0.697>0.25,說明擬合程度較好[11]。

表4 模型匯總

(1)根據(jù)表5“未標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)B”構(gòu)建因變量氡值模型,模型如下:

表5 回歸系數(shù)與顯著性

y=-389.911+65.449x1+-1.23x2+殘差

(9)

考慮到此次樣本選取受到觀測(cè)井本身分布的局限性和樣本量數(shù)量的局限性綜合考量該模型進(jìn)作為解釋型模型進(jìn)行氡值分布的初步解釋,不作為預(yù)測(cè)性模型進(jìn)行專業(yè)預(yù)測(cè)。

(2)根據(jù)“標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)Beta”可以看出水溫對(duì)氡值影響較大,且為正向影響。

(3)水溫和井深度顯著性均小于0.05說明兩個(gè)自變量對(duì)因變量氡值的影響在95%的置信區(qū)間下顯著。

圖3為等方差性驗(yàn)證,從圖中可以看出回歸標(biāo)準(zhǔn)化殘差與標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)測(cè)值散點(diǎn)圖,數(shù)據(jù)點(diǎn)大部分在±2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差之類,但也存在個(gè)別奇異點(diǎn),說明總體效果較好,無異常點(diǎn),但數(shù)據(jù)點(diǎn)并沒有在0上下全部對(duì)稱分布,自右向左有放大趨勢(shì),說明等方差性基本滿足線性模型,可用于定性預(yù)測(cè)。

圖3 等方差性驗(yàn)證

3 結(jié)果分析

氣氡觀測(cè)中存在著多種外部干擾,既有規(guī)律性又有不規(guī)則性,產(chǎn)生這種變化的影響因素稱為干擾因素[12]。氣氡的干擾因素較多,其影響機(jī)制也比較復(fù)雜,主要有降水、抽水和地表水摻混[13]。

通過觀測(cè)和計(jì)算結(jié)果均表明,井水中氡含量背景值,與井的深度、水溫等的關(guān)系并不明顯。筆者認(rèn)為,造成這種現(xiàn)象的原因,與地下水中氡的來源有關(guān)系。

氡是天然放射性元素,來自鐳(Ra)放射性衰變 ,巖土中的氡與含鐳巖石的土壤中的氡,多以吸附狀態(tài)存在。地下水中氡含量變化反映地震物理學(xué)機(jī)制主要是基于強(qiáng)震孕育的動(dòng)力學(xué)原理,即在區(qū)域應(yīng)力作用下,當(dāng)?shù)貧そ橘|(zhì)受到力的作用而發(fā)生變形破壞時(shí),地震破壞程度的大小與賦存于介質(zhì)中的流體的動(dòng)力作用、化學(xué)作用均有關(guān)。地殼巖石處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),氡濃度處于平穩(wěn)變化狀態(tài)。如果巖石處于水飽和狀態(tài)時(shí),一旦受到應(yīng)力改變,則吸附在地殼巖石中的氡會(huì)擴(kuò)散到水中[14]。氡可以較容易地離開巖石和土壤,進(jìn)入巖石裂縫,氡可溶于水中,溶解度大小與井周圍的壓力、礦化度以及井周圍的裂縫深淺、走向等因素有關(guān),氡在地下水中還因?yàn)閿U(kuò)散、彌散和對(duì)流等作用而產(chǎn)生遷移,同時(shí)氡被巖石、土壤顆粒表面吸附與解附、溶解于地下水并隨地下水遷移等過程,都受其影響,隨著環(huán)境周圍外界的變化而變化。因此,受壓力、礦化度以及井周圍的裂縫深淺、走位等多種因素的影響,地下水中氡的含量,會(huì)有溶解、遷移、吸附、解附等多種變化,而導(dǎo)致不同地下水中氡含量的不同。

當(dāng)其他條件均相同時(shí),氡的溶解度隨溫度與礦化度的升高而變小,但與井溫沒有明顯的關(guān)系。而這批觀測(cè)井分別位于不同的位置,井孔情況各不相同,井水的來源、流經(jīng)的通道、井溫、礦化度、環(huán)境壓力等均不相同,因此,各井中氡背景值分布也就呈現(xiàn)不均勻性。

4 結(jié) 論

(1)研究顯示,青海東部地區(qū)淺井水中氡含量呈現(xiàn)出不均勻分布特征,同時(shí)整體氡含量水平偏低,氡平均值總體在50 Bq/L以下。

(2)青海東部地區(qū)淺井氡含量與井的深度和溫度沒有明顯的相關(guān)性。井水中氡氣的含量,應(yīng)該與井水的來源、流經(jīng)的通道、井溫、礦化度、環(huán)境壓力等多種因素有關(guān)。

(3)雖然多個(gè)井中氡含量背景值沒有呈現(xiàn)出規(guī)律性,但是這項(xiàng)研究為以后地震異常的核實(shí)積累了背景觀測(cè)資料,是非常有意義的。