河北怀来地震台不同型号气氡仪干扰因素及质量评价

王志敏，张 帆，宋晓煜，只 楠，程德庆

（1．河北红山巨厚沉积与地震灾害国家野外科学观测研究站，河北邢台 054000；2．张家口地震监测中心站，河北张家口 075000）

氡作为地下流体的敏感组分，是地壳中放射性元素铀和镭蜕变的产物，存在于土壤和地下水中，是地球深层信息的指示剂，它能从地下深部运移到地表，可反映地下介质状态的信息（张昱等，2010）。利用数字化测氡仪对由井（泉）口通过脱气与集气装置析出的气体进行测量观测。其观测的原理、映震机理等与水氡基本类似，但观测量不完全相同，水氡观测的主要是溶解氡，而气氡观测的主要是游离氡，两者观测技术上的主要区别是“脱气”，气氡正在成为我国地震水文地球化学观测的重要测项之一。地壳运动过程中，地下水中氡的含量会出现不同程度的异常变化（刘菁华等，2007）。观测的目的是为了能及时、准确地在地质构造发生变化时，通过氡的变化来反映其自然变化的动态，在多次中强震前后能够观测到氡的显著变化，所以在地震监测预报方面得到了广泛的重视。

河北怀4井于2010年安装了SD-3A 型数字化自动气氡仪，通过多年观测，台站已经积累了丰富的资料，观测数据的稳定性和可靠性均达到地下流体学科要求。但由于仪器的长期使用导致仪器老化现象严重，灵敏度下降，稳定性比较差，从2018—2021年每年夏季都会出现数据突跳且持续时间较长。为了进一步提高气氡观测质量，必须选取灵敏度更高、性能更加稳定的新型气氡观测仪器，以保证气氡观测数据的完整率和观测质量，于2021年3月试运行郑州晶微科技公司研发的DDL-1型测氡仪。本研究主要对上述两种不同型号测氡仪器的动态稳定性、内在质量及观测曲线对比分析，验证DDL-1型测氡仪在怀4井观测的可行性，同时针对运行观测中出现的干扰因素进行分类总结，其研究结果对分析地震前兆异常、剔除干扰因素有积极的意义（张帆等，2021a）。

1 怀4井概况

怀4井热水出露于蓟县系雾迷山组燧石白云岩中，自片麻岩和张家口组熔结凝灰岩溢出，并赋存于新生界松散层中。构造上位于祁吕系东翼广灵—狼山大断裂带的北侧，在祁吕系歪头山—万家窑断裂带的交会处（图1），裂隙发育，岩石破碎，热水沿构造破碎带涌出基岩（李泓泉等，2020）。怀4井成井于1972年，地面高程为487．0 m，井深500．34 m，观测水层是顶板埋深为278．5 m 的太古界片麻岩破碎带热水层，该井为高温热水自流井，水温达到78．0 ℃，水化学类型为SO4-Na型，矿化度为0．962 g／L，井水为大气降水渗入地下后经深循环上涌成因的地下热水（张凤秋等，2005；宋晓冰等，2018）。由于受周边温泉区生活用水开发的影响，该井水位严重下降，为了延长该井的观测年限，2007年首都圈“奥运”保障项目对怀4井进行了降低取水口的改造，保证了数字化及模拟观测资料的连续性（张常慧等，2011），成为集水氡、水汞、气体、数字水位、数字气氡、数字气汞等观测为一体的多测项观测井。该井水汞测项在1989年山西大同阳高6．1级、1997年河北怀安4．7级、1998年河北张北6．2级、2014年河北涿鹿4．3级等地震前均有短临异常。

图1 怀4井地质构造简图

2 怀4井气氡观测影响因素分析

2．1 不同型号观测仪器概况及原理

目前，测氡仪主要有DDL-1型和SD-3A型两类仪器，测氡仪性能参数包括仪器灵敏度、固有本底、采样率等见表1，电离法仪器的稳定性因电子元器件自然老化而降低，而闪烁法仪器的稳定性除了受电子元器件的自然老化影响外，更主要的是受光电倍增管的不稳定老化影响。DDL-1型测氡仪适用于自流井（泉）中的逸出气、断层土壤氡气的长期观测，该类型仪器利用电离法对水中溶解气中的氡气含量进行检测，其性能优于闪烁法的仪器。DDL-1型测氡仪为分钟值采样，观测数据曲线光滑，有一定动态变化规律，能够记录更多的变化过程，便于提取更多地下流体信息。SD-3A 型测氡仪工作原理为闪烁法原理，即氡衰变过程中产生的α粒子轰击闪烁室内ZnS（Ag）晶体，引起ZnS（Ag）原子激发而放出光子，光子被光电倍增管接收后，在光电阴极上产生电子，完成光电转换（国家地震局监测预报司，2002）。测量过程中，闪烁室内α粒子的数目与氡气的浓度成正比，即与闪光的频率成正比，因此记录光电倍增管输出的脉冲频率就可以得到闪烁室内的氡浓度。随着运行时间的增加，闪烁室易受到污染，影响仪器测值及灵敏度。而DDL-1测氡仪具有本底污染小的特点，较好地解决了闪烁法测氡仪的闪烁室容易污染等问题，其传感器受污染的程度远远小于闪烁法。

表1 DDL-1型与SD-3A测氡仪仪器性能指标

2．2 干扰因素分析

通过DDL-1与SD-3A型测氡仪同步观测对比发现，对于干扰类事件，两套仪器观测数据具有同步性变化特征（张朝明等，2003）。

2．2．1 集气装置漏气干扰

在2021年7月1日15∶29，DDL-1型和SD-3A型测氡仪记录的测值均出现了降低的现象，其原因是脱气-集气装置连接缓冲器漏气，DDL-1型测氡仪的变化幅度为24．0 Bq／L（见图2a），SD-3A 型测氡仪的变化幅度为30．8 Bq／L（见图2b）。经台站人员检查后发现，当缓冲器存在部分漏气时，进入仪器中的气体含量减少，测值降低，曲线变化形态表现为“急剧”下降；在故障修复后，两台气氡仪的测值逐渐恢复正常。通过两台仪器同步观测发现：采样率以及仪器的灵敏度不同，记录到的曲线变化范围也不同。由于DDL-1型测氡仪采样率为分钟，对干扰类事件能够清楚地记录到干扰前后的变化曲线，DDL-1型测氡仪在16∶45开始缓慢上升，而SD-3A型测氡仪却在21∶00才开始缓慢上升，故DDL-1型测氡仪的动态变化较SD-3A型测氡仪的更为灵敏。

图2 2021年7月1～2日DDL-1（a）与SD-3A（b）测氡仪集气装置漏气干扰曲线

2．2．2 人为取气样干扰

2021年8月3日9时至8月4日11时，由于气泵抽取气样造成进入DDL-1和SD-3A测氡仪器的气体含量减少，两种测氡仪器在3日至4日记录的数据明显下降，DDL-1型测氡仪的最大变化幅度为80．0 Bq／L（见图3a），SD-3A型测氡仪的最大变化幅度为75．0 Bq／L（见图3b）。按照学科规范要求，台站人员在8月3日对SD-3A 型测氡仪进行季度检查，发现怀4井水温高达77．0℃，高温含氟，闪烁室内部已受到了污染，SD-3A型测氡仪记录数据明显低于DDL-1型测氡仪观测数据；在清洗闪烁室后，SD-3A 型仪器灵敏度提高，数据明显上升。

图3 2021年8月3日至4日DDL-1（a）与SD-3A（b）测氡仪人为取气样干扰曲线

2．2．3 更换冷凝水管干扰

对于热水井而言，脱气集气装置在高温、潮湿的环境下易锈蚀，所以脱气后的气体干燥是仪器正常观测的重要环节。2021年8月22日07∶30～23日07∶45接入两台仪器的三通冷凝水管堵塞，影响气体收集，造成观测值逐渐降低，DDL-1型测氡仪变化幅度为51．2 Bq／L（图4a），SD-3A 型测氡仪变化幅度57．5 Bq／L（图4b），曲线形态均表现为“缓慢下降”。2021年8月23日8时进行更换冷凝水管，观测值恢复正常。

图4 DDL-1（a）与SD-3A（b）测氡仪气路堵塞干扰曲线

3 不同型号测氡仪运行质量评价

按照《地下流体专业技术设备评价》分析测氡仪之间的动态稳定性及内在质量，数据选取不少于1个月。动态稳定性要求一阶差分值的相对标准差小于等于0．2；内在质量要求一阶差分序列超过3倍均方差的百分比小于等于2%。

3．1 动态稳定性

以月观测数据整点值为依据，计算其一阶差分值的标准差（σ）和平均值（V），以相对标准差（σ／V）作为衡量标准。由表2可看出，DDL-1型仪动态稳定性优于老化的SD-3A型仪动态稳定性。两台仪器8月相对标准差较大的原因是P2000测氡仪人为气泵抽取气样干扰；SD-3A测氡仪记录数据在6月和7月出现了多次突跳，联系厂家进行检查后，发现造成数据不稳定的主要原因是仪器内部电磁阀工作状态不正常（造成进入仪器内的气体量不稳定）、仪器老化严重和电源的输出电压不稳定。在8月3日清洗闪烁室和更换电磁阀后，SD-3A测氡仪记录数据的突跳次数明显减少，9～10月的相对标准差趋于稳定（见表2）。

表2 SD-3A与DDL-1测氡仪动态稳定性对比

3．2 内在质量

在2021年6～7月，由于SD-3A测氡仪电源的输出电压不稳定，数据出现多次突跳，造成数据完整率降低（进行缺数处理，见表3），从而影响内在质量。选取2021年3月1日至10月31日SD-3A 型测氡仪与DDL-1型测氡仪记录数据进行对比分析，以月整点值数据为依据，计算整点值一阶差分序列的标准差（σ），进行逐月超差（超过3倍σ的值）数统计，从而分析观测数据内在质量。由表3可以看出，DDL-1型测氡仪的3倍均方差值均小于SD-3A 型测氡仪的3倍均方差值，说明DDL-1型测氡仪的稳定性更好；厂家在8月3日清洗闪烁室和更换电磁阀后，SD-3A测氡仪的超差次数明显减少，内在质量有所提升。

表3 2021年3月1日至10月31日SD-3A与DDL-1型测氡仪数据内在质量

4 数据分析

4．1 原始观测曲线分析

选取2021年5月1日至8月31日两台同步观测的测氡仪进行对比，DDL-1型测氡仪观测数据曲线光滑，有一定的动态变化规律，呈现规律的日变形态。造成8月3日、8月24日数据下降的原因为集气装置漏气（见图5a）；SD-3A型测氡仪由于仪器原因在6月至7月出现较长时间的数据突跳（见图5b），动态曲线不太明显，观测质量不高，经厂家清洗闪烁室，灵敏度有所提高，观测值回升。由图5看出，两台仪器产出数据具有同步性变化特征，观测数据真实可靠，能客观反映怀4井地下流体中气氡的浓度变化（张帆等，2021b）。测值出现差异的原因：一方面仪器工作原理不同，另一方面SD-3A测氡仪元件老化导致观测数据不稳定。

图5 DDL-1（a）与SD-3A（b）测氡仪观测值曲线

4．2 一阶差分分析

为了更好地对比两种仪器的稳定性，选取2021年7月1日至9月30日两台测氡仪整点值数据进行一阶差分分析，由图6可知，两种仪器的一阶差分值变化范围存在明显的差别；DDL-1型测氡仪的数据变化范围较小，位于±0．84 Bq／L之间（见图6a）；SD-3A型测氡仪的数据变化范围较大，位于±23．2 Bq／L之间（见图6b），观测误差较大，其原因在于仪器元件的老化，造成数据突跳较多，稳定性较差；综上表明DDL-1型测氡仪较老化的SD-3A型测氡仪数据的稳定性更好。

图6 DDL-1（a）与SD-3A（b）测氡仪观测数据一阶差分计算结果曲线

4．3 小波分析

小波变换在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，被誉为分析信号的“显微镜”（任佳等，2005a，2005b）。使用Matlab软件时，应选用正则性较好的Daubechies小波进行分析，该小波是离散正交小波，可表示为dbN，其中N是小波的阶（樊春燕等，2012）。故本研究对怀4井DDL-1和SD-3A测氡仪2021年5月原始数据进行小波分析时，选取db4小波对怀4井气氡资料进行分析。通过对比分析发现：由于SD-3A使用年限较久，部分元件老化，电源的输出电压不稳定，日变形态不明显；DDL-1型测氡仪的性能好，小波分析清晰地记录到明显的日变形态（见图7）。

图7 DDL-1（a）与SD-3A（b）测氡仪观测数据小波分析结果曲线

5 结论与认识

通过对怀4井不同型号测氡仪干扰因素及运行质量分析得出四点结论与认识：（1）集气装置故障干扰的主要原因是由气路连接装置松动造成的，这说明了测氡仪脱气-集气装置的稳定性对获取高质量观测数据具有重要的作用；（2）DDL-1型和SD-3A型测氡仪的观测值都能够客观地反映怀4井地下流体中气氡的浓度变化，对干扰类事件具有基本相同的变化形态和变化趋势；（3）DDL-1型和SD-3A型测氡仪的观测值存在差异的原因主要有：一是仪器测量原理不同，二是SD-3A 型测氡仪元件老化造成电磁阀工作不稳定；（4）DDL-1型测氡仪能够捕捉到更多更完整的地下流体信息，能清晰地记录到明显的日变形态。