水樣鼓泡水溫對寧德一號井水氡測值影響的實驗研究

朱繼承，林苗祿，鄧 聰，楊鼎鴻

（福州地震監測中心站，福建福州）

引言

氡作為地下流體的敏感組分，該觀測可以獲得地球深部信息，氡（Rn）是自然界非常稀有的無聲、無嗅、無色的氣體元素，也是鐳在蛻變過程中產生的一種弱放射性氣體，氡本身是一種惰性氣體，不與其他元素結合，質量比空氣重，易溶于水、油、脂肪中，更易溶于空氣。氡的半衰期為3.825 天，衰變之后放射性減少。廣泛存在于上地殼中，具有流動性，對上地殼中發生的各種地殼動力作用的響應具有靈敏性，在我國的地震分析預報中起差十分重要的作用，隨著科學技術的發展地震系統所使用的測氡儀器不斷更新，向著數字化、智能化的方向發展。在對寧德一號井水氡觀測資料進行整理和分析中，發現水樣水溫的變化對氡濃度測值存在一定影響，特別在夏冬季節，受室外溫度變化較大的影響，水溫變化也相對較大，對氡濃度測值的影響更為明顯。水溫與氡濃度測值呈正相關，為了進一步研究水溫變化對氡濃度測值的影響，采用恒溫水浴儀控制水樣溫度的方法，進行一系列比測實驗，分析水溫與氡濃度測值之間的相關性及其變化規律[1]。

1 觀測井概況

寧德地震臺位于我國東南丘陵地帶海邊。臺站西側為北東東丘陵山脈，南側為海灘，地殼厚度約為35 km，臺站往西北山區的地殼有變厚趨勢，地殼表層巖石為以花崗巖為主入侵和以中酸性為主的噴出巖。臺基為以花崗巖為主的侵入巖和以中酸性為主的巖漿巖。寧德地震臺一號井位于寧德地震臺院內，該井成井于1998 年，井深63 m，井孔孔徑127 mm，終孔孔徑110 mm，裸眼段為39.25 m～52.97 m，含水層巖性為燕山早期花崗巖，涌水量1.5 L/s，是一低礦化度的基巖裂隙水，詳見鉆孔柱狀(圖1)。2004 年2 月進行流體數字化觀測至今，觀測儀器從“九五”設備向“十五”、“背景場”儀器以及其他行業引進準接入的地震前兆觀測儀器的轉變，但觀測模式仍未改變，始終為單井綜合觀測，SD-3A 測氡儀于2004 年2 月安裝并試運行，2005 年4 月3 日通過驗收并啟用正式觀測。現有前兆觀測儀器有SD-3A 測氡儀、LN-3A 水位儀和SWY-2 水溫儀。

圖1 寧德一號井鉆孔柱狀圖

2 資料分析

在日常工作對寧德一號井水氡觀測歷史資料的整理和分析過程中，發現水氡觀測資料年動態變化總體呈夏低冬高的趨勢，常年水樣溫度在22.2 ℃左右。由圖2 可見，每年的5-9 月鼓泡水溫呈逐漸上升趨勢，氡濃度測值上升至全年最高值，而后鼓泡水溫呈下降趨勢變化，至次年2 月前后達全年最低值。氡濃度測值與水樣鼓泡水溫之間關系明顯，可見該井的氡濃度測值明顯受鼓泡水溫影響[2]。這類水點水氡與水溫關系密切，水溫高時水氡測值高，水溫低時水氡測值低。發現烏鴉嘴泉的水氡水樣鼓泡水溫相對高，氡值也相對高，反之氡值也低，水樣鼓泡水溫與氡值呈正相關。特別在夏季和冬季室外溫度變化比較大，水樣鼓泡水溫變化也較大，對水氡測值影響也較大。水樣鼓泡水溫對水氡觀測存在觀測誤差。從理論上解釋，水樣鼓泡溫度的不同，直接改變了氡氣在水中的溶解系數，使脫氣效率發生變化(國家地震局地下水影響因素研究組，1985)，從而影響到氡的最終觀測結果。

圖2 寧德一井水氡、鼓泡水溫原始曲線圖

3 比測實驗

3.1 恒溫水浴觀測方法

使用恒溫水浴儀進行恒溫水浴觀測[3]，具體步驟如下：向恒溫水浴儀內注水加滿，開啟電源通電，設置恒溫水浴溫度，將水樣真空擴散器放入恒溫水浴儀，靜置約5 min，待溫度穩定后，進行水樣鼓泡脫氣操作，時長10 min±1 min，脫氣結束后，靜置1 h，進行觀測并計算氡濃度[4]。

3.2 實驗結果

對于同一水樣，采用恒溫水浴儀來控制水溫，水溫設定為20.0 ℃、22.5 ℃、25.0 ℃、27.5 ℃、30.0 ℃，均進行為期15 天的水氡觀測實驗，分析實驗數據，統計氡濃度的最低值、最高值和平均值，結果見表1，并繪制15 天內不同溫度的水樣水氡測值變化曲線，結果見圖3。由表1 和圖3 可知，在25.0 ℃～27.5 ℃的恒溫條件下，氡濃度測值較其他溫度條件下變化平穩，日變化幅度相對較小[5-6]。

表1 比測實驗氡濃度最低值、最高值和平均值

圖3 寧德一號井正常水氡觀測與恒溫水氡觀測對比

4 結論與討論

(1) 通過比測實驗，結果表明：水氡水樣鼓泡水溫相對高，氡值也相對高，反之氡值也低。在相同水樣在不同的溫度條件下，進行鼓泡脫氣，對水氡測值變化存在著一定的影響。從理論上解釋，因水樣鼓泡溫度的不同，直接改變了氡氣在水中的溶解系數，使脫氣效率發生變化，從而影響到氡的最終觀測結果。因此，日常水氡觀測時，應盡可能保持脫氣水溫與觀測室室溫相對穩定，避免溫度變化范圍大對水氡觀測產生不穩定的影響。

(2) 寧德一號井采用恒溫水浴控溫在25.0 ℃和27.5 ℃條件下，觀測的水氡測值跟空調觀測室水氡測值相比，整個變化形態，基本是一致，采用恒溫水浴控制水樣溫度在一個相對恒定溫度內鼓泡脫氣，這樣可以減少或避免因水樣鼓泡水溫的不同對水氡測值變化干擾影響。這種方法觀測的水氡測值變化更為穩定。

(3) 采用恒溫水浴來控制水樣的溫度進行鼓泡脫氣水氡觀測方法是可行的，而且恒溫水浴在控溫方面，比觀測室的空調控溫，時間更快、更精確、更穩定。