AlphaGUARD P2000便攜測氡儀在地震觀測中的應用與實驗研究

AlphaGUARDP2000便攜測氡儀在地震觀測中的應用與實驗研究

姜薇薇1， 馬城城2， 王玲玲1， 汪世仙2， 劉川琴3

(1.安徽省地震局，安徽 合肥230031; 2.安徽省地震局廬江地震臺，安徽 合肥230061;

3.安徽省地震局大蜀山地震臺，安徽 合肥230001)

摘要：目前用于地下水中氡濃度觀測的儀器，特別是模擬氡觀測儀器的更新換代相當緩慢，且普遍采用的FD-105K型靜電計和FD-125型氡釷分析器均采用人工鼓泡、讀數，存在一定的人為誤差。經實驗研究認為AlphaGUARD P2000便攜測氡儀完全采用自動鼓泡和讀數，可避免人工操作帶來的誤差，提高水氡觀測質量，利于捕捉地震異常信息。同時，AlphaGUARAD P2000便攜測氡儀攜帶方便、自帶電源、操作簡單，可用于野外觀測、異常核實和土壤氡的測量，拓展地震地下流體中氡的觀測范圍。

關鍵詞：氡; 實驗; 測氡儀

收稿日期：2014-10-16

作者簡介：姜薇薇(1982-)，女，助理工程師，主要從事地震監測工作。E-mail:604557911@qq.com。

中圖分類號:P315.72文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.03.0901

ApplicationoftheAlphaGUARDP2000PortableRadon

MonitorinEarthquakePrediction

JIANGWei-wei1, MA Cheng-cheng2, WANG Ling-ling1, WANG Shi-xian2, LIU Chuan-qin3

(1.Earthquake Administration of Anhui Province, Hefei 230031, Anhui，China;

2.Lujiang Seismic Station, Hefei 230061,Anhui，China; 3. Dashushan Seismic Station, Hefei 230001, Anhui，China)

Abstract：The technique of monitoring radon concentrations in groundwater has been used for earthquake prediction for nearly half a century. However, the upgrading of radon-monitoring devices has been very slow. Currently, the FD-105K electrometer and FD-125 radon-thorium analyzer are the most commonly used devices for measuring radon concentrations in water, but measurement errors may occur because the bubbling process is artificially conducted and the measured data are read by visual observation. This study presents an experimental study of the AlphaGUARD P2000 portable radon monitor, a more advanced device that can automatically perform the bubbling process and read data, avoiding errors caused by manual operation. The improved accuracy of this radon monitor helps to better detect radon anomalies prior to earthquakes. The AlphaGUARD P2000 is portable, battery-powered, and easy to use. It can be used in field observations, verification of anomalies, and measurements of radon concentration in soil for the observation of seismic subsurface fluids.

Keywords：radon;experiment;radonmonitor

0引言

地下流體觀測是地震監測預報的重要手段，而氡的觀測是地震監測預報中前兆觀測的重要測項。國內外為數眾多的水氡震例都證明水氡是映震效能較強的地下流體測項。地下水中氡濃度的觀測在地震監測預報中的應用已近半個世紀，但其觀測儀器特別是模擬氡觀測儀器的更新換代卻相當緩慢，多采用人工鼓泡和讀數，存在一定的人為誤差。

AlphaGUARDP2000便攜測氡儀基于經標定的脈沖電離室原理，具有高探測效率、快速濃度梯度反映以及長期使用免于維護的特點，特別適宜于野外觀測和異常落實。

1井泉概況

1.1臺站介紹

廬江地震臺位于安徽省廬江縣湯池鎮，地處(山東)郯城—(安徽)廬江斷裂帶的南段西側約10km。其北側10km左右有梅山—龍河口深斷裂(南港—龍門沖)、南側10km左右有青山—曉天深斷裂(磨子潭—曉天)，東面是揚子板塊，北面是華北板塊，西面是大別山造山帶和揚子破碎帶(圖1)，是一個地質構造比較復雜的地區。

圖1　湯池一號井地質構造圖 Fig.1　Geological structure map of No.1 well in Tangchi

1.2氡觀測介紹

廬江地震臺1號井為自流井，氫氧同位素分析結果表明，井水系大氣降水補給。廬江臺從1986年1月使用FD-105K儀器開始對水氡測項進行觀測，1992年1月開始換用FD-125氡釷分析器，現已積累了26年的觀測資料。湯池1號井水氡值背景清晰，自開始觀測以來一直較為平穩，為(10.0±0.5)Bq/L。根據觀測經驗總結，該井水氡值的變化對臺灣等地區的遠大地震有很強的指示意義，對山東、江蘇等周邊省份的中強震也有過明顯的映震效應，與該臺附近的小震活動也有一定的對應。從以往的震例來看，該臺的水氡異常特征基本表現為上升型，幅度為(1～2)Bq/L，持續時間一般不超過6個月。

2AlphaGUARDP2000測氡儀介紹

2.1產品介紹及工作原理

AlphaGUARDP2000是簡潔便攜檢測系統的中心組件，可用于連續測量氡及氡子體的濃度、環境參數和α劑量率。儀器基于經標定的脈沖電離室原理(α能譜儀)(進入電離室的氡氣衰變產生子體，氣體和子體衰變時放出的α粒子在高壓場內形成脈沖或電流)，具有高探測效率、快速濃度梯度反映以及長期使用免于維護的特點，即使在極端大氣濕度條件下也可傳輸可靠的測量值且不受振動沖擊的影響。該儀器操作范圍：氡濃度為2～2 000 000Bq/m3；溫度為：-10～+50 ℃(+14～+122 ℉);氣壓為700～1 100 mbar;濕度(沒有凝結)為0%～95% rH。

AlphaPUMP是一個便攜式的電子氣泵，由電池供電，氣流量可以從0.03L/min調節到1L/min，用以進行采樣(將氣體抽進電離室)以及測量氡氣擴散的桶或容器(盛放含有鐳物質的容器、廢物材料、揮發設備等)。

2.2儀器組成

儀器包括主機、抽氣泵、3個取樣瓶、便攜式溫度計、2個充電器、硅膠管、氡子體過濾器、分子篩、水氣分離過濾塞及RS232數據線等零配件(圖2)。

圖2　AlphaGUARD P2000測氡儀 Fig.2　AlphaGUARD P2000 radon monitor

3相關實驗

3.1觀測條件選擇試驗

3.1.1不同取樣方式對測值的影響實驗

取樣方式對測量的正確性和精確性有很大影響，通過對三種不同的取樣方式進行觀測，結果表明，方式二容易進水損壞儀器，方式三會造成氡的損失過大，且操作繁瑣，宜選取方式一作為取樣方式。

(1) 方式一：由瓶口直接取樣至250mL，用止水夾封閉取樣瓶兩端乳膠管。觀測完立刻測量水溫(表1)。采樣時間：08:27；本底：(48±30)Bq/m3；水溫：20 ℃。

表 1　方式一取水

(2) 方式二：用取樣瓶進氣口一端直接接入井口取樣管，再用止水夾封閉取樣瓶兩端乳膠管，取樣體積為250 mL。觀測完立刻測量水溫(表2)。采樣時間：15:10；本底：(61±51) Bq/m3；水溫：15 ℃。

表 2　方式二取水

方式一、方式二這兩種取水方式對結果影響不大，但是方式二容易使水進入儀器，造成損壞，所以采用方式一取樣。

(3) 方式三：儀器手冊中描述的直接取樣法，即使用3只100 mL注射器或1支500 mL注射器取樣，用硅膠管連接，然后軟管到底注入排氣瓶里將250 mL液體從頂部連接嘴直接注入排氣瓶，并開始測量。

根據觀測經驗和湯池1號井的實際情況，認為此方法會造成氡的損失過大，且操作繁瑣。由于只有1只100 mL注射器，所以取樣100 mL和方式一進行對比(表3)。對比結果表明，宜選取方式一進行取樣。

表 3　方式一與方式三取樣結果對比

3.1.2取水靜置時間實驗

取250 mL水樣，將取樣瓶放入水中靜置0、5、10、15、20、25及30 min后進行觀測，試驗結果見表4和圖3。結果顯示，測值的相對偏差絕對值均不大于10%，靜置時間對觀測數據的影響較低，但在運算過程中水樣溫度參與計算。由于湯池1號井溫度較高(63 ℃)，如不進行降溫處理，容易在連接管中聚集水蒸氣，長期測試水蒸氣可能進入儀器，從而影響儀器的使用壽命。

表 4　靜置不同時間水氡值

圖3　不同靜置時間水氡測值曲線 Fig.3　Observation curve of water radon after different standing time

3.1.3 抽氣流量的選擇實驗

AlphaGUARD P2000便攜測氡儀的抽氣速率有1、0.5、0.3、0.1、0.05及0.03 L/min六個檔，前三檔為連續抽氣，后三檔為周期性抽氣。采用不同檔進行實驗，并對比試驗結果。

試驗結果顯示，抽氣速率為0.3、0.1、0.05及0.03 L/min時，水中氣體很難充分鼓出，從而使測值過低。使用1及0.5 L/min的抽氣速率進行測試，結果如圖4。這表明抽氣速率選在1.0 L/min能充分鼓出水中氣體，測量時抽氣速率應選在1.0 L/min，但在開始測試水氡時，先開較小的抽氣速率以防連接錯誤使水進入儀器，從而損壞儀器，連接正確后立刻開到1.0 L/min檔。

圖4　不同抽氣速率水氡對比曲線圖 Fig.4　Comparative observation curves of water radon 　　　 with different gas extraction rates

3.1.4水樣測量時間的選取試驗

按照AlphaGUARD P2000便攜測氡儀手冊要求，只需讀取四個數，去掉第一個數，取后三個數的平均值。目前水氡的常規觀測時間(從鼓泡開始時間到測數的間隔時間)為1 h,本實驗取水樣250 ml進行連續130 min觀測，看氡含量的升降趨勢[圖5(a)]。2012年10月29日檢測黃山寨西井水樣，同時用AlphaGUARD P2000便攜測氡儀進行連續180 min觀測[圖5(b)]。發現兩次觀測結果均是前10 min數值增加較快，20～30 min達到最高，30 min后數值緩慢下降，直至測試結束。表明按照手冊要求取后三個數的平均值是科學、可行的。

圖5　水氡超長測量時間曲線 Fig.5　Observation curves of water radon during a long time

3.1.5不同取樣體積的選擇實驗

分別取樣100、150、200及250 mL作1個來回觀測，對所取數據進行分析，見表5和圖6。發現隨著體積的增加對應的觀測數據也增加，水樣體積和觀測數據成一定正比關系，同時水樣體積不參與氡含量計算，但對讀數有影響。實驗表明，嚴格按照要求進行定量取樣觀測,儀器的穩定性和準確度都非常高。

表 5　不同取樣體積水氡數據

圖6　不同取樣體積水氡數據曲線圖 Fig.6　Observation curves of water radon with 　　　 different sample volumes

3.2平行對比觀測試驗

經平行對比觀測發現，AlphaGUARD P2000便攜測氡儀和FD-125型氡釷分析器的觀測結果只有少數同步變化(圖7)，數值平均只有FD-125型氡釷分析器測量數值的75%左右。

圖7　FD-125型氡釷分析器和AlphaGUARD 　　　P2000便攜測氡儀平行對比觀測曲線圖 Fig.7　Comparison of water radon observation curves 　　　 recorded by FD-125 radon-thorium analyzer 　　　 and AlphaGUARD P2000 radon monitor

3.3其他拓展實驗(如測量土壤氡)

當前利用AlphaGUARD P2000便攜測氡儀測量斷層氡氣釋放強度、范圍等的變化來尋找覆蓋區斷裂(帶)的空間分布位置及評價其相對活動性，已逐漸在國內外得到較廣泛的應用。對斷層活動性的討論方法主要是以斷層氣測量結果或相對值的大小為依據。廬江地震臺處于(山東)郯城-(安徽)廬江斷裂帶的南段西側約10 km，利用該測氡儀對其周邊進行土壤氡的初步測量，把高于5 000 Bq/m3的讀數標注在地圖上(圖8)，可看出斷裂(帶)的空間分布位置。用AlphaGUARD P2000便攜測氡儀測量土壤氡取得了良好效果，可以定點測量土壤氡的變化，和水氡進行平行對比。

圖8　土壤氡測值高于5000 Bq/m 3標注圖 Fig.8　Labeled image of the observed soil radon over 5000 Bq/m 3

4結論

(1) 目前普遍采用FD-105K型靜電計和FD-125型氡釷分析器測量水中氡含量，二者均采用人工鼓泡、讀數(有些新型FD-125型氡釷分析器已能自動讀數)，存在一定的人為誤差。AlphaGUARD P2000便攜測氡儀完全采用自動鼓泡和讀數，避免了人工操作帶來的誤差，提高了水氡觀測質量，特別適宜于野外觀測和異常落實。

(2) 每次使用FD-125儀器需提前開機預熱30 min，把氡氣鼓入閃爍室中需靜置1 h才能讀數，且閃爍室本底難降，每個閃爍室一天只能測兩次。而AlphaGUARD P2000便攜測氡儀則具有高探測效率、快速濃度梯度反應以及長期使用免于維護的特點，能連續測量，對濕度不敏感，不用頻繁更換干燥劑。

(3) 經試驗分析認為AlphaGUARD P2000便攜測氡儀量程寬，線性誤差小，靈敏度高，攜帶方便，自帶電源、操作簡單，可自動存儲1個月數據，且能連接電腦導出數據，適用于野外觀測、異常落實和土壤氡的測量。特別是土壤氡的數值一般比較大，AlphaGUARD P2000便攜測氡儀能更好地反映土壤氡的變化，且可以對其進行定點測量，和水氡進行平行對比，拓展地下流體氡的觀測范圍。但是作為日常觀測還有待改進。

(4) AlphaGUARD P2000便攜測氡儀也有一定缺陷：首先，其對系統體積有嚴格要求，由于對整個觀測系統進行了程式化設定，氣路連接長短都有嚴格的限制，局限了儀器觀測數據的可靠性(包括野外觀測)。同時由于廠商對衰變函數的理解不同，其衰變函數的精度在百分之一，而地震觀測要求的衰變函數精度在千分之一，造成在設計的計算過程中衰變函數對數據結果的影響較小。同時水樣體積不參與氡含量計算，對讀數也有影響。最后儀器的取樣瓶開啟時，需順時針向上旋起，閉合時需逆時針向下旋壓，必須嚴格按照此步驟，否則時間一長取樣瓶的密閉性容易變差，影響測量。

參考文獻(References)

[1]張子廣,張素欣，孫佩卿，等.水氡與氣氡動態的對比分析[J].華北地震科學，2004，22(3)：1-6.

ZHANG Zi-guang, ZHANG Su-xin, SUN Pei-qing, et al.Comparative Analysis on the Dynamic State of Water Radon and Gas Radon[J].North China Earthquake Sciences,2004,22(3):1-6. (in Chinese)

[2]王亞男,劉建光，張維東，等.盤錦I號井的氣氡與水氡觀測[J].東北地震研究,2008,24(3):40-45.

WANG Ya-nan,LIU Jian-guang,ZHANG Wei-dong,et al.Observation of the Gas Radon and Radon in Groundwater at PanJin 1 Well[J].Seismological Research of Northeast China,2008,24(3):40-45. (in Chinese)

[3]曹玲玲，王宗禮，李春燕.岷縣漳縣6．6級地震前天水花牛水氡異?？煽啃匝芯縖J].地震工程學報,2013,35(4):800-807.

CAO Ling-ling,WANG Zong-li,LI Chun-yan.Reliability Study on Water Radon Concentration Anomaly of Huaniu Spring in Tianshui before Minxian-ZhangxianMS6.6 Earthquake[J].China Earthquake Engineering Journal,2013,35(4):800-807. (in Chinese)

[4]姚慧敏，王志剛.薊縣山前土壤氡濃度與斷裂和地熱關系研究[J].地質調查與研究，2009,33(3):221-227.

YAO Hui-min,WANG Zhi-gang.Research on the Relationship between the Soil Radon Density and Fault and Geotherm at the Foreland of Jixian Mountain, Tianjing[J].Geological Survey and Research, 2009,33(3):221-227. (in Chinese)

[5]李朝明，楊志堅，趙鶴翼，等.KJD-2000R測氡儀測試分析[J].地震地磁觀測與研究，2012,33(3/4)：148-153.

LI Chao-ming, YANG Zhij-ian,ZHAO He-yi,et al.Preliminary Test for a New-style KJD-2000 R Water Radon Monitoring Analyzer[J].Seismological and Geomagnetic Observation and Research,2012,33(3/4):148-153. (in Chinese)

[6]趙振燊，張慧，蘇鶴軍.瑪曲斷裂帶土壤氣汞、氡地球化學特征[J].西北地震學報,3011,33(4):376-379.

ZHAO Zhen-shen,ZHANG Hui,SU He-jun.The Geochemical Features of Mercury and Radon on Maqu Active Fault[J].Northwestern Seismological Journal,2011,33(4):376-379. (in Chinese)