洋縣地震臺三種測氡儀的對比分析＊

姚 晨，岳 鵬，劉芷余

（陜西省地震局，陜西 西安 710068）

氡是天然放射性元素，來自鐳（Ra）放射性衰變。氡可溶于水中，溶解度大小與水的溫度、壓力、礦化度等因素有關。氡在地下水中表現出遷移性，與巖土之間還表現出吸附與解附作用。當地殼中孕育地震，特別是到了臨近發震的階段，巖段附帶有滲流場擾動時，巖土空隙中的自由氡含量或地下水中溶解氡的含量都將發生顯著的變化，甚至地下水中出現氡的過飽和而自由逸出的現象。因此，連續觀測地下水中溶解氡與逸出氡的變化，有可能捕捉到地震孕育與發生的前兆異常信息[1]。

隨著科學技術的發展，地震系統所使用的測氡儀器也在不斷更新。陜西省洋縣地震臺目前有3套氡觀測儀器，分別為FD-125、SD-3A及BG2015R型測氡儀。FD-125為模擬水氡觀測，SD-3A為氣氡觀測，2臺儀器自安裝以來工作穩定，所得數據連續可靠；2018年11月，BG2015R在洋縣地震臺開始試運行，已取得一定的觀測資料。本文主要對這3套測氡儀的觀測數據進行對比分析，掌握各自的動態變化特點，從一致性和穩定性等角度比較儀器的差異性，從而更加科學正確地進行今后的觀測工作和資料分析。

1 洋縣臺觀測概況

洋縣地震臺的觀測泉為上升裂隙泉，有大量泉眼向外涌水，泉眼分布不均勻，有大量逸出氣體，主要接受大氣降水滲入補給。泉點周圍為農田，不受周圍開采等環境變化的影響。2007年進行了測點勘選，同年投入FD-125與SD-3A型測氡儀進行觀測。2018年11月，BG2015R型測氡儀在洋縣地震臺開始試運行，已取得一定的觀測資料。

2 觀測儀器

2.1 FD-125型測氡儀

FD-125型氡釷分析器是FD-125型測氡儀的主體，與自動定標器配套使用。它由閃爍室、旋轉式工作臺（含光電倍增管和前置放大器）構成。當氡氣引入閃爍室后，氡衰變過程中產生的α粒子沖擊到閃爍室內壁的硫化鋅晶體上，引起硫化鋅原子激發而閃光放出光子，通過光電倍增管產生光電子，受電場作用形成一脈動電流而輸出一負脈沖電壓，通過記錄脈沖頻率得知閃爍室內的氡濃度。

2.2 SD-3A型自動測氡儀

SD-3A型自動測氡儀主要由主機和氡探測裝置2部分組成，主機以CPU89C52單片微機芯片為控制系統，配備IP板，實現了通信網絡化，對氡進行全自動測量、打印、顯示、傳輸的智能化設備，它把鍵盤功能、LCD顯示、打印、傳輸功能組成一個系統，通過良好的人機界面，實現了測氡智能化的目標；氡探測裝置的核心是氡探測器，它由ZnS（Ag）閃爍室和光電倍增管組成，其工作原理與FD-125型測氡儀相同。

2.3 BG2015R型測氡儀

BG2015R型測氡儀是貝谷公司同東華理工大學共同完成的核輻射檢測類儀器；其主要特點是采用可更換型閃爍室采樣器，可對空氣（或土壤）氡進行快速采樣和測量。在采樣筒受到氡子體污染時，可現場更換采樣器，無需長時間等待[2]。該儀器較SD-3A智能數字化程度更高，其應用范圍、測量模式等功能都有所提高。

3 資料選取

3.1 原始觀測曲線對比

如圖1所示，選取2019年10月至2020年3月3套儀器的日均值進行分析對比，發現FD-125波動較小，波動變化為24.7～27.8 Bq/L；其次是BG2015R，波動變化為68.7～83.7 Bq/L；SD-3A波動變化為85～239 Bq/L，波動相對較大。3套儀器記錄的數據變化趨勢存在一定的一致性，且趨勢變化多為同向。

圖1 BG2015R、FD-125與SD-3A日均值曲線對比

3.2 一階差分分析

一階差分就是離散函數中連續相鄰兩項之差，是一種壓制較長周期、突出較短周期變化的線性濾波方法[3]，反映數據的離散程度，是一種常用分析方法。計算公式為：

式（1）中：ΔXi為差分值；Xi為第i天日測值，i=1，2，…，n。

如圖2所示，選取2019年10月至2020年3月3套儀器同期觀測數據進行對比分析，結果顯示：SD-3A觀測數據整體波動性較大，數值在-13.7～15.2 Bq/L；FD-125觀測數據整體波動性較小，數值在-2.1～2.0Bq/L；BG2015R波動最小，數值在-1.23～0.85Bq/L。

圖2 BG2015R、FD-125與SD-3A日均值一階差分曲線

3.3 數據一致性分析

選取2019年10月至2020年3月3套儀器同期觀測數據進行一致性分析。

3.3.1 相關系數檢驗法

由相關系數推斷總體相關系數的參數檢驗方法，是統計分析方法中的重要內容之一，是考察2個變量之間線性關系的一種統計分析方法。相關系數是用以反映變量之間相關關系密切程度的統計指標[4]。將3套儀器的觀測數據兩兩對比，令Xi、Yi表示第i天觀測日值（i=1，2，…，n），相關系數用符號r表示，其計算公式為：

式（2）中的r值越趨近于1，說明2套儀器記錄的變化趨勢一致。取顯著性水平α=0.01，自由度f=n-2，通過查詢相關系數臨界值表，得到最小相關系數r0，若r＞r0，說明趨勢存在一致性，反之，趨勢不存在一致性。

采用相關系數檢驗法通過SPSS軟件對3套儀器日均值進行計算，FD-125與SD-3A相關系數為0.564，FD-125與BG2015R相關系數為0.703，SD-3A與BG2015R相關系數為0.758。取顯著性水平α=0.01，查詢相關系數檢驗表，日均值最小相關系數為0.190（對應數據個數n=183）。所計算r值均大于其最小相關系數，說明3套測氡儀觀測數據存在顯著相關性，數據動態變化趨勢較一致，SD-3A與BG2015R相關性最好，FD-125與SD-3A相關性略差。

3.3.2 樣本方差一致性檢驗

有關方差分析的理論和方法最早由英國統計學家Fisher RA等提出。該方法又稱為變異數檢驗和F檢驗，是檢驗2個或者多個樣本均數間差異是否具有統計意義的一種方法。令Xi、Yi表示第i天觀測日均值（i=1，2，…，n）。樣本數為nx、ny，X、Y的樣本方差比值（大方差與小方差的比值）即為F值[4]，可定義為：

式（3）中：分子、分母為2組數據的樣本方差，取顯著性水平α=0.05，自由度f1、f2分別為nx-1、ny-1。

根據各自對應的自由度查F分布臨界值表。若計算得出的F值大于臨界值，則否定一致性假設，認為差異性顯著，并認為樣本方差變化不一致，反之認為二者方差一致。計算結果如表1—表3所示，可以看出，BG2015R與FD-125型在2019年12月至2020年3月期間F檢驗值小于其臨界值，但在2019年10月至2019年11月期間F檢驗值大于其臨界值，數據變化較大，可能與儀器當月穩定性有關；表2、表3計算結果F檢驗值均大于其臨界值，說明觀測數據差異性顯著，即BG2015R與SD-3A、SD-3A與FD-125不屬于等精度觀測。

表1 BG2015R與FD-125日值F檢驗結果

表2 BG2015R與SD-3A日值F檢驗結果

表3 SD-3A與FD-125日值F檢驗結果

3.3.3 均值一致性檢驗

一致性檢驗是指對不同樣本計算的平均值或方差進行檢驗，對2組數據（數據個數相同）的平均數作比較時，需要考慮其平均數差值是否具有顯著差異。采用t檢驗法對2組數據進行差異顯著性檢驗，計算公式如下：

式（4）中：、為平均值；、為樣本方差，取顯著性水平α=0.05，自由度f=nx+ny-2。

根據自由度查t檢驗臨界值表。若計算得出的t值（t取絕對值）大于臨界值，認為檢驗不能通過，二者均值不一致，反之認為二者均值一致。t檢驗計算結果如表4—表6所示。

從表4—表6可以看出，3套儀器檢驗值t與臨界值差值較大，說明3套儀器記錄的均值不一致，即觀測值變化本底值（儀器背景值）不一致。鑒于3套儀器的本底值標定均符合規范要求，可見本底值大小與儀器類型有關。

表4 BG2015R與FD-125日值t檢驗結果

表6 SD-3A與FD-125日值t檢驗結果

表5 BG2015R與SD-3A日值t檢驗結果

4 結論

綜上所述，可以得出以下結論：①3套儀器主樣數據觀測曲變化趨勢較為一致，且多為同向變化。其中SD-3A測氡儀波動較大，分析認為是其工作時間太長，各元器件老化嚴重所導致，亟需更換新儀器；一階差分分析表明，BG2015R數據波動性及數據離散程度較小，相較其余2套儀器穩定性最好。②3套儀器相關系數r都大于最小臨界值，表明3套儀器存在顯著相關性與一致性，數據可靠都能應用于日常觀測工作中。F檢驗法表明觀測數據差異性顯著，即3套儀器不屬于等精度觀測，臨界值和檢驗值相差較大，可能與儀器裝置原理及設置不同有關。t檢驗法表明，3套測氡儀均值不一致，即觀測值的變化本底值（儀器背景值）不一致，可能與儀器裝置原理及設置不同有關。