洋縣地震臺(tái)三種測(cè)氡儀的對(duì)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(lái)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(guān)。氡在地下水中表現(xiàn)出遷移性，與巖土之間還表現(xiàn)出吸附與解附作用。當(dāng)?shù)貧ぶ性杏卣穑貏e是到了臨近發(fā)震的階段，巖段附帶有滲流場(chǎng)擾動(dòng)時(shí)，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(fā)生顯著的變化，甚至地下水中出現(xiàn)氡的過(guò)飽和而自由逸出的現(xiàn)象。因此，連續(xù)觀測(cè)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(fā)生的前兆異常信息[1]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，地震系統(tǒng)所使用的測(cè)氡儀器也在不斷更新。陜西省洋縣地震臺(tái)目前有3套氡觀測(cè)儀器，分別為FD-125、SD-3A及BG2015R型測(cè)氡儀。FD-125為模擬水氡觀測(cè)，SD-3A為氣氡觀測(cè)，2臺(tái)儀器自安裝以來(lái)工作穩(wěn)定，所得數(shù)據(jù)連續(xù)可靠；2018年11月，BG2015R在洋縣地震臺(tái)開(kāi)始試運(yùn)行，已取得一定的觀測(cè)資料。本文主要對(duì)這3套測(cè)氡儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，掌握各自的動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)，從一致性和穩(wěn)定性等角度比較儀器的差異性，從而更加科學(xué)正確地進(jìn)行今后的觀測(cè)工作和資料分析。

1 洋縣臺(tái)觀測(cè)概況

洋縣地震臺(tái)的觀測(cè)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(bǔ)給。泉點(diǎn)周圍為農(nóng)田，不受周圍開(kāi)采等環(huán)境變化的影響。2007年進(jìn)行了測(cè)點(diǎn)勘選，同年投入FD-125與SD-3A型測(cè)氡儀進(jìn)行觀測(cè)。2018年11月，BG2015R型測(cè)氡儀在洋縣地震臺(tái)開(kāi)始試運(yùn)行，已取得一定的觀測(cè)資料。

2 觀測(cè)儀器

2.1 FD-125型測(cè)氡儀

FD-125型氡釷分析器是FD-125型測(cè)氡儀的主體，與自動(dòng)定標(biāo)器配套使用。它由閃爍室、旋轉(zhuǎn)式工作臺(tái)（含光電倍增管和前置放大器）構(gòu)成。當(dāng)氡氣引入閃爍室后，氡衰變過(guò)程中產(chǎn)生的α粒子沖擊到閃爍室內(nèi)壁的硫化鋅晶體上，引起硫化鋅原子激發(fā)而閃光放出光子，通過(guò)光電倍增管產(chǎn)生光電子，受電場(chǎng)作用形成一脈動(dòng)電流而輸出一負(fù)脈沖電壓，通過(guò)記錄脈沖頻率得知閃爍室內(nèi)的氡濃度。

2.2 SD-3A型自動(dòng)測(cè)氡儀

SD-3A型自動(dòng)測(cè)氡儀主要由主機(jī)和氡探測(cè)裝置2部分組成，主機(jī)以CPU89C52單片微機(jī)芯片為控制系統(tǒng)，配備IP板，實(shí)現(xiàn)了通信網(wǎng)絡(luò)化，對(duì)氡進(jìn)行全自動(dòng)測(cè)量、打印、顯示、傳輸?shù)闹悄芑O(shè)備，它把鍵盤功能、LCD顯示、打印、傳輸功能組成一個(gè)系統(tǒng)，通過(guò)良好的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了測(cè)氡智能化的目標(biāo)；氡探測(cè)裝置的核心是氡探測(cè)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(cè)氡儀相同。

2.3 BG2015R型測(cè)氡儀

BG2015R型測(cè)氡儀是貝谷公司同東華理工大學(xué)共同完成的核輻射檢測(cè)類儀器；其主要特點(diǎn)是采用可更換型閃爍室采樣器，可對(duì)空氣（或土壤）氡進(jìn)行快速采樣和測(cè)量。在采樣筒受到氡子體污染時(shí)，可現(xiàn)場(chǎng)更換采樣器，無(wú)需長(zhǎng)時(shí)間等待[2]。該儀器較SD-3A智能數(shù)字化程度更高，其應(yīng)用范圍、測(cè)量模式等功能都有所提高。

3 資料選取

3.1 原始觀測(cè)曲線對(duì)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(jìn)行分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)FD-125波動(dòng)較小，波動(dòng)變化為24.7～27.8 Bq/L；其次是BG2015R，波動(dòng)變化為68.7～83.7 Bq/L；SD-3A波動(dòng)變化為85～239 Bq/L，波動(dòng)相對(duì)較大。3套儀器記錄的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)存在一定的一致性，且趨勢(shì)變化多為同向。

圖1 BG2015R、FD-125與SD-3A日均值曲線對(duì)比

3.2 一階差分分析

一階差分就是離散函數(shù)中連續(xù)相鄰兩項(xiàng)之差，是一種壓制較長(zhǎng)周期、突出較短周期變化的線性濾波方法[3]，反映數(shù)據(jù)的離散程度，是一種常用分析方法。計(jì)算公式為：

式（1）中：ΔXi為差分值；Xi為第i天日測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示：SD-3A觀測(cè)數(shù)據(jù)整體波動(dòng)性較大，數(shù)值在-13.7～15.2 Bq/L；FD-125觀測(cè)數(shù)據(jù)整體波動(dòng)性較小，數(shù)值在-2.1～2.0Bq/L；BG2015R波動(dòng)最小，數(shù)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(shù)據(jù)一致性分析

選取2019年10月至2020年3月3套儀器同期觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性分析。

3.3.1 相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)法

由相關(guān)系數(shù)推斷總體相關(guān)系數(shù)的參數(shù)檢驗(yàn)方法，是統(tǒng)計(jì)分析方法中的重要內(nèi)容之一，是考察2個(gè)變量之間線性關(guān)系的一種統(tǒng)計(jì)分析方法。相關(guān)系數(shù)是用以反映變量之間相關(guān)關(guān)系密切程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)[4]。將3套儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)兩兩對(duì)比，令Xi、Yi表示第i天觀測(cè)日值（i=1，2，…，n），相關(guān)系數(shù)用符號(hào)r表示，其計(jì)算公式為：

式（2）中的r值越趨近于1，說(shuō)明2套儀器記錄的變化趨勢(shì)一致。取顯著性水平α=0.01，自由度f(wàn)=n-2，通過(guò)查詢相關(guān)系數(shù)臨界值表，得到最小相關(guān)系數(shù)r0，若r＞r0，說(shuō)明趨勢(shì)存在一致性，反之，趨勢(shì)不存在一致性。

采用相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)法通過(guò)SPSS軟件對(duì)3套儀器日均值進(jìn)行計(jì)算，F(xiàn)D-125與SD-3A相關(guān)系數(shù)為0.564，F(xiàn)D-125與BG2015R相關(guān)系數(shù)為0.703，SD-3A與BG2015R相關(guān)系數(shù)為0.758。取顯著性水平α=0.01，查詢相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)表，日均值最小相關(guān)系數(shù)為0.190（對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)n=183）。所計(jì)算r值均大于其最小相關(guān)系數(shù)，說(shuō)明3套測(cè)氡儀觀測(cè)數(shù)據(jù)存在顯著相關(guān)性，數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)較一致，SD-3A與BG2015R相關(guān)性最好，F(xiàn)D-125與SD-3A相關(guān)性略差。

3.3.2 樣本方差一致性檢驗(yàn)

有關(guān)方差分析的理論和方法最早由英國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家Fisher RA等提出。該方法又稱為變異數(shù)檢驗(yàn)和F檢驗(yàn)，是檢驗(yàn)2個(gè)或者多個(gè)樣本均數(shù)間差異是否具有統(tǒng)計(jì)意義的一種方法。令Xi、Yi表示第i天觀測(cè)日均值（i=1，2，…，n）。樣本數(shù)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(shù)據(jù)的樣本方差，取顯著性水平α=0.05，自由度f(wàn)1、f2分別為nx-1、ny-1。

根據(jù)各自對(duì)應(yīng)的自由度查F分布臨界值表。若計(jì)算得出的F值大于臨界值，則否定一致性假設(shè)，認(rèn)為差異性顯著，并認(rèn)為樣本方差變化不一致，反之認(rèn)為二者方差一致。計(jì)算結(jié)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(yàn)值小于其臨界值，但在2019年10月至2019年11月期間F檢驗(yàn)值大于其臨界值，數(shù)據(jù)變化較大，可能與儀器當(dāng)月穩(wěn)定性有關(guān)；表2、表3計(jì)算結(jié)果F檢驗(yàn)值均大于其臨界值，說(shuō)明觀測(cè)數(shù)據(jù)差異性顯著，即BG2015R與SD-3A、SD-3A與FD-125不屬于等精度觀測(cè)。

表1 BG2015R與FD-125日值F檢驗(yàn)結(jié)果

表2 BG2015R與SD-3A日值F檢驗(yàn)結(jié)果

表3 SD-3A與FD-125日值F檢驗(yàn)結(jié)果

3.3.3 均值一致性檢驗(yàn)

一致性檢驗(yàn)是指對(duì)不同樣本計(jì)算的平均值或方差進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)2組數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)相同）的平均數(shù)作比較時(shí)，需要考慮其平均數(shù)差值是否具有顯著差異。采用t檢驗(yàn)法對(duì)2組數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，計(jì)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(wàn)=nx+ny-2。

根據(jù)自由度查t檢驗(yàn)臨界值表。若計(jì)算得出的t值（t取絕對(duì)值）大于臨界值，認(rèn)為檢驗(yàn)不能通過(guò)，二者均值不一致，反之認(rèn)為二者均值一致。t檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果如表4—表6所示。

從表4—表6可以看出，3套儀器檢驗(yàn)值t與臨界值差值較大，說(shuō)明3套儀器記錄的均值不一致，即觀測(cè)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(biāo)定均符合規(guī)范要求，可見(jiàn)本底值大小與儀器類型有關(guān)。

表4 BG2015R與FD-125日值t檢驗(yàn)結(jié)果

表6 SD-3A與FD-125日值t檢驗(yàn)結(jié)果

表5 BG2015R與SD-3A日值t檢驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

綜上所述，可以得出以下結(jié)論：①3套儀器主樣數(shù)據(jù)觀測(cè)曲變化趨勢(shì)較為一致，且多為同向變化。其中SD-3A測(cè)氡儀波動(dòng)較大，分析認(rèn)為是其工作時(shí)間太長(zhǎng)，各元器件老化嚴(yán)重所導(dǎo)致，亟需更換新儀器；一階差分分析表明，BG2015R數(shù)據(jù)波動(dòng)性及數(shù)據(jù)離散程度較小，相較其余2套儀器穩(wěn)定性最好。②3套儀器相關(guān)系數(shù)r都大于最小臨界值，表明3套儀器存在顯著相關(guān)性與一致性，數(shù)據(jù)可靠都能應(yīng)用于日常觀測(cè)工作中。F檢驗(yàn)法表明觀測(cè)數(shù)據(jù)差異性顯著，即3套儀器不屬于等精度觀測(cè)，臨界值和檢驗(yàn)值相差較大，可能與儀器裝置原理及設(shè)置不同有關(guān)。t檢驗(yàn)法表明，3套測(cè)氡儀均值不一致，即觀測(cè)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(shè)置不同有關(guān)。