河北懷來地震臺不同型號氣氡儀干擾因素及質量評價

王志敏，張 帆，宋曉煜，只 楠，程德慶

（1．河北紅山巨厚沉積與地震災害國家野外科學觀測研究站，河北邢臺 054000；2．張家口地震監測中心站，河北張家口 075000）

氡作為地下流體的敏感組分，是地殼中放射性元素鈾和鐳蛻變的產物，存在于土壤和地下水中，是地球深層信息的指示劑，它能從地下深部運移到地表，可反映地下介質狀態的信息（張昱等，2010）。利用數字化測氡儀對由井（泉）口通過脫氣與集氣裝置析出的氣體進行測量觀測。其觀測的原理、映震機理等與水氡基本類似，但觀測量不完全相同，水氡觀測的主要是溶解氡，而氣氡觀測的主要是游離氡，兩者觀測技術上的主要區別是“脫氣”，氣氡正在成為我國地震水文地球化學觀測的重要測項之一。地殼運動過程中，地下水中氡的含量會出現不同程度的異常變化（劉菁華等，2007）。觀測的目的是為了能及時、準確地在地質構造發生變化時，通過氡的變化來反映其自然變化的動態，在多次中強震前后能夠觀測到氡的顯著變化，所以在地震監測預報方面得到了廣泛的重視。

河北懷4井于2010年安裝了SD-3A 型數字化自動氣氡儀，通過多年觀測，臺站已經積累了豐富的資料，觀測數據的穩定性和可靠性均達到地下流體學科要求。但由于儀器的長期使用導致儀器老化現象嚴重，靈敏度下降，穩定性比較差，從2018—2021年每年夏季都會出現數據突跳且持續時間較長。為了進一步提高氣氡觀測質量，必須選取靈敏度更高、性能更加穩定的新型氣氡觀測儀器，以保證氣氡觀測數據的完整率和觀測質量，于2021年3月試運行鄭州晶微科技公司研發的DDL-1型測氡儀。本研究主要對上述兩種不同型號測氡儀器的動態穩定性、內在質量及觀測曲線對比分析，驗證DDL-1型測氡儀在懷4井觀測的可行性，同時針對運行觀測中出現的干擾因素進行分類總結，其研究結果對分析地震前兆異常、剔除干擾因素有積極的意義（張帆等，2021a）。

1 懷4井概況

懷4井熱水出露于薊縣系霧迷山組燧石白云巖中，自片麻巖和張家口組熔結凝灰巖溢出，并賦存于新生界松散層中。構造上位于祁呂系東翼廣靈—狼山大斷裂帶的北側，在祁呂系歪頭山—萬家窯斷裂帶的交會處（圖1），裂隙發育，巖石破碎，熱水沿構造破碎帶涌出基巖（李泓泉等，2020）。懷4井成井于1972年，地面高程為487．0 m，井深500．34 m，觀測水層是頂板埋深為278．5 m 的太古界片麻巖破碎帶熱水層，該井為高溫熱水自流井，水溫達到78．0 ℃，水化學類型為SO4-Na型，礦化度為0．962 g／L，井水為大氣降水滲入地下后經深循環上涌成因的地下熱水（張鳳秋等，2005；宋曉冰等，2018）。由于受周邊溫泉區生活用水開發的影響，該井水位嚴重下降，為了延長該井的觀測年限，2007年首都圈“奧運”保障項目對懷4井進行了降低取水口的改造，保證了數字化及模擬觀測資料的連續性（張常慧等，2011），成為集水氡、水汞、氣體、數字水位、數字氣氡、數字氣汞等觀測為一體的多測項觀測井。該井水汞測項在1989年山西大同陽高6．1級、1997年河北懷安4．7級、1998年河北張北6．2級、2014年河北涿鹿4．3級等地震前均有短臨異常。

圖1 懷4井地質構造簡圖

2 懷4井氣氡觀測影響因素分析

2．1 不同型號觀測儀器概況及原理

目前，測氡儀主要有DDL-1型和SD-3A型兩類儀器，測氡儀性能參數包括儀器靈敏度、固有本底、采樣率等見表1，電離法儀器的穩定性因電子元器件自然老化而降低，而閃爍法儀器的穩定性除了受電子元器件的自然老化影響外，更主要的是受光電倍增管的不穩定老化影響。DDL-1型測氡儀適用于自流井（泉）中的逸出氣、斷層土壤氡氣的長期觀測，該類型儀器利用電離法對水中溶解氣中的氡氣含量進行檢測，其性能優于閃爍法的儀器。DDL-1型測氡儀為分鐘值采樣，觀測數據曲線光滑，有一定動態變化規律，能夠記錄更多的變化過程，便于提取更多地下流體信息。SD-3A 型測氡儀工作原理為閃爍法原理，即氡衰變過程中產生的α粒子轟擊閃爍室內ZnS（Ag）晶體，引起ZnS（Ag）原子激發而放出光子，光子被光電倍增管接收后，在光電陰極上產生電子，完成光電轉換（國家地震局監測預報司，2002）。測量過程中，閃爍室內α粒子的數目與氡氣的濃度成正比，即與閃光的頻率成正比，因此記錄光電倍增管輸出的脈沖頻率就可以得到閃爍室內的氡濃度。隨著運行時間的增加，閃爍室易受到污染，影響儀器測值及靈敏度。而DDL-1測氡儀具有本底污染小的特點，較好地解決了閃爍法測氡儀的閃爍室容易污染等問題，其傳感器受污染的程度遠遠小于閃爍法。

表1 DDL-1型與SD-3A測氡儀儀器性能指標

2．2 干擾因素分析

通過DDL-1與SD-3A型測氡儀同步觀測對比發現，對于干擾類事件，兩套儀器觀測數據具有同步性變化特征（張朝明等，2003）。

2．2．1 集氣裝置漏氣干擾

在2021年7月1日15∶29，DDL-1型和SD-3A型測氡儀記錄的測值均出現了降低的現象，其原因是脫氣-集氣裝置連接緩沖器漏氣，DDL-1型測氡儀的變化幅度為24．0 Bq／L（見圖2a），SD-3A 型測氡儀的變化幅度為30．8 Bq／L（見圖2b）。經臺站人員檢查后發現，當緩沖器存在部分漏氣時，進入儀器中的氣體含量減少，測值降低，曲線變化形態表現為“急劇”下降；在故障修復后，兩臺氣氡儀的測值逐漸恢復正常。通過兩臺儀器同步觀測發現：采樣率以及儀器的靈敏度不同，記錄到的曲線變化范圍也不同。由于DDL-1型測氡儀采樣率為分鐘，對干擾類事件能夠清楚地記錄到干擾前后的變化曲線，DDL-1型測氡儀在16∶45開始緩慢上升，而SD-3A型測氡儀卻在21∶00才開始緩慢上升，故DDL-1型測氡儀的動態變化較SD-3A型測氡儀的更為靈敏。

圖2 2021年7月1～2日DDL-1（a）與SD-3A（b）測氡儀集氣裝置漏氣干擾曲線

2．2．2 人為取氣樣干擾

2021年8月3日9時至8月4日11時，由于氣泵抽取氣樣造成進入DDL-1和SD-3A測氡儀器的氣體含量減少，兩種測氡儀器在3日至4日記錄的數據明顯下降，DDL-1型測氡儀的最大變化幅度為80．0 Bq／L（見圖3a），SD-3A型測氡儀的最大變化幅度為75．0 Bq／L（見圖3b）。按照學科規范要求，臺站人員在8月3日對SD-3A 型測氡儀進行季度檢查，發現懷4井水溫高達77．0℃，高溫含氟，閃爍室內部已受到了污染，SD-3A型測氡儀記錄數據明顯低于DDL-1型測氡儀觀測數據；在清洗閃爍室后，SD-3A 型儀器靈敏度提高，數據明顯上升。

圖3 2021年8月3日至4日DDL-1（a）與SD-3A（b）測氡儀人為取氣樣干擾曲線

2．2．3 更換冷凝水管干擾

對于熱水井而言，脫氣集氣裝置在高溫、潮濕的環境下易銹蝕，所以脫氣后的氣體干燥是儀器正常觀測的重要環節。2021年8月22日07∶30～23日07∶45接入兩臺儀器的三通冷凝水管堵塞，影響氣體收集，造成觀測值逐漸降低，DDL-1型測氡儀變化幅度為51．2 Bq／L（圖4a），SD-3A 型測氡儀變化幅度57．5 Bq／L（圖4b），曲線形態均表現為“緩慢下降”。2021年8月23日8時進行更換冷凝水管，觀測值恢復正常。

圖4 DDL-1（a）與SD-3A（b）測氡儀氣路堵塞干擾曲線

3 不同型號測氡儀運行質量評價

按照《地下流體專業技術設備評價》分析測氡儀之間的動態穩定性及內在質量，數據選取不少于1個月。動態穩定性要求一階差分值的相對標準差小于等于0．2；內在質量要求一階差分序列超過3倍均方差的百分比小于等于2%。

3．1 動態穩定性

以月觀測數據整點值為依據，計算其一階差分值的標準差（σ）和平均值（V），以相對標準差（σ／V）作為衡量標準。由表2可看出，DDL-1型儀動態穩定性優于老化的SD-3A型儀動態穩定性。兩臺儀器8月相對標準差較大的原因是P2000測氡儀人為氣泵抽取氣樣干擾；SD-3A測氡儀記錄數據在6月和7月出現了多次突跳，聯系廠家進行檢查后，發現造成數據不穩定的主要原因是儀器內部電磁閥工作狀態不正常（造成進入儀器內的氣體量不穩定）、儀器老化嚴重和電源的輸出電壓不穩定。在8月3日清洗閃爍室和更換電磁閥后，SD-3A測氡儀記錄數據的突跳次數明顯減少，9～10月的相對標準差趨于穩定（見表2）。

表2 SD-3A與DDL-1測氡儀動態穩定性對比

3．2 內在質量

在2021年6～7月，由于SD-3A測氡儀電源的輸出電壓不穩定，數據出現多次突跳，造成數據完整率降低（進行缺數處理，見表3），從而影響內在質量。選取2021年3月1日至10月31日SD-3A 型測氡儀與DDL-1型測氡儀記錄數據進行對比分析，以月整點值數據為依據，計算整點值一階差分序列的標準差（σ），進行逐月超差（超過3倍σ的值）數統計，從而分析觀測數據內在質量。由表3可以看出，DDL-1型測氡儀的3倍均方差值均小于SD-3A 型測氡儀的3倍均方差值，說明DDL-1型測氡儀的穩定性更好；廠家在8月3日清洗閃爍室和更換電磁閥后，SD-3A測氡儀的超差次數明顯減少，內在質量有所提升。

表3 2021年3月1日至10月31日SD-3A與DDL-1型測氡儀數據內在質量

4 數據分析

4．1 原始觀測曲線分析

選取2021年5月1日至8月31日兩臺同步觀測的測氡儀進行對比，DDL-1型測氡儀觀測數據曲線光滑，有一定的動態變化規律，呈現規律的日變形態。造成8月3日、8月24日數據下降的原因為集氣裝置漏氣（見圖5a）；SD-3A型測氡儀由于儀器原因在6月至7月出現較長時間的數據突跳（見圖5b），動態曲線不太明顯，觀測質量不高，經廠家清洗閃爍室，靈敏度有所提高，觀測值回升。由圖5看出，兩臺儀器產出數據具有同步性變化特征，觀測數據真實可靠，能客觀反映懷4井地下流體中氣氡的濃度變化（張帆等，2021b）。測值出現差異的原因：一方面儀器工作原理不同，另一方面SD-3A測氡儀元件老化導致觀測數據不穩定。

圖5 DDL-1（a）與SD-3A（b）測氡儀觀測值曲線

4．2 一階差分分析

為了更好地對比兩種儀器的穩定性，選取2021年7月1日至9月30日兩臺測氡儀整點值數據進行一階差分分析，由圖6可知，兩種儀器的一階差分值變化范圍存在明顯的差別；DDL-1型測氡儀的數據變化范圍較小，位于±0．84 Bq／L之間（見圖6a）；SD-3A型測氡儀的數據變化范圍較大，位于±23．2 Bq／L之間（見圖6b），觀測誤差較大，其原因在于儀器元件的老化，造成數據突跳較多，穩定性較差；綜上表明DDL-1型測氡儀較老化的SD-3A型測氡儀數據的穩定性更好。

圖6 DDL-1（a）與SD-3A（b）測氡儀觀測數據一階差分計算結果曲線

4．3 小波分析

小波變換在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率，在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率，被譽為分析信號的“顯微鏡”（任佳等，2005a，2005b）。使用Matlab軟件時，應選用正則性較好的Daubechies小波進行分析，該小波是離散正交小波，可表示為dbN，其中N是小波的階（樊春燕等，2012）。故本研究對懷4井DDL-1和SD-3A測氡儀2021年5月原始數據進行小波分析時，選取db4小波對懷4井氣氡資料進行分析。通過對比分析發現：由于SD-3A使用年限較久，部分元件老化，電源的輸出電壓不穩定，日變形態不明顯；DDL-1型測氡儀的性能好，小波分析清晰地記錄到明顯的日變形態（見圖7）。

圖7 DDL-1（a）與SD-3A（b）測氡儀觀測數據小波分析結果曲線

5 結論與認識

通過對懷4井不同型號測氡儀干擾因素及運行質量分析得出四點結論與認識：（1）集氣裝置故障干擾的主要原因是由氣路連接裝置松動造成的，這說明了測氡儀脫氣-集氣裝置的穩定性對獲取高質量觀測數據具有重要的作用；（2）DDL-1型和SD-3A型測氡儀的觀測值都能夠客觀地反映懷4井地下流體中氣氡的濃度變化，對干擾類事件具有基本相同的變化形態和變化趨勢；（3）DDL-1型和SD-3A型測氡儀的觀測值存在差異的原因主要有：一是儀器測量原理不同，二是SD-3A 型測氡儀元件老化造成電磁閥工作不穩定；（4）DDL-1型測氡儀能夠捕捉到更多更完整的地下流體信息，能清晰地記錄到明顯的日變形態。