不同型號測氡儀器在寧德一號井觀測效能分析＊

黎己余 鄭辰禾 林稚穎 程慶斌

（福建省地震局，福州 350001）

引言

氡（Rn）觀測在地震監(jiān)測預(yù)測領(lǐng)域發(fā)揮著積極作用，長期的觀測和實驗研究均表明：氡等流體地球化學(xué)成分的地震預(yù)報效能更優(yōu)于流體物理量，具有“異常幅度大、震前異常時間短、短臨特征顯著、可能量化”等優(yōu)勢，具體表現(xiàn)有震前氡含量出現(xiàn)顯著上升趨勢或臨震突跳的現(xiàn)象。氡觀測技術(shù)現(xiàn)已相對成熟，近年來測氡儀從模擬向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，觀測儀器也在不斷更新，從模擬儀器（FD-125、FD-105K）到“九五”儀器（SD-3A 測氡儀），再到“十五”儀器（BG2015 系列測氡儀）轉(zhuǎn)變。在觀測儀器技術(shù)不斷進(jìn)步過程中，有多位學(xué)者對測氡儀器進(jìn)行了對比觀測研究：趙衛(wèi)羅等[1]在2017 年對SD-3A 與DDL-1 測氡儀進(jìn)行了對比分析；王敏等[2]在2014 年對SD-3A 與BL2015 測氡儀監(jiān)測效能進(jìn)行了對比分析；其中BG2015 系列測氡儀作為新型儀器逐步推廣至地震行業(yè)，目前僅肖健等[3]在不同井實驗分析了BG2015R測氡儀的穩(wěn)定性、連續(xù)性和可靠性，明確了BG2015系列測氡儀在地震行業(yè)中的可行性。本文在寧德一號井開展了BG2015R 測氡儀與SD-3A 測氡儀串網(wǎng)同步觀測，探索BG2015R 測氡儀在同井氡含量觀測過程中是否具有一致性或存在分析偏差，為今后其他臺站引進(jìn)BG2015R 測氡儀在安裝、觀測和數(shù)據(jù)分析等方面提供參考。

1 寧德一號井概況

寧德地震臺位于我國東南沿海地區(qū)，臺站北側(cè)為北東東向丘陵，南側(cè)為海灘，臺站海拔高程約7 m，地處長樂—詔安斷裂帶北端，臺站所在地區(qū)在漫長的地質(zhì)發(fā)展史中經(jīng)歷了多次地殼運動，形成了一系列北北東和北東向展布的構(gòu)造行跡。寧德一號井位于寧德地震臺院內(nèi)，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—52.97 m，含水層主要分布在42.70—52.20 m，涌水量為1.5 L/s，觀測井表層巖石主要由以花崗巖為主的侵入巖和以中酸性為主的噴出巖組成，含水層為燕山早期花崗巖，基巖裂隙水的礦化度為1.5 g/L，詳見鉆孔柱狀圖（圖1）。

圖1 寧德一號井鉆孔柱狀圖Fig.1 Borehole histogram of Ningde No.1 well

2 寧德一號井觀測系統(tǒng)簡介

寧德一號井自2004 年2 月起開展流體數(shù)字化觀測至今，主要使用了自主研發(fā)的井口程控定量“脫氣—集氣”裝置開展單井綜合觀測，現(xiàn)在運行的有LN-3A 水位儀、SZW-2 水溫儀、SD-3A 測氡儀和BG2015R 測氡儀等儀器。為保障寧德一號井多測項觀測系統(tǒng)正常運行，井口裝置和供電系統(tǒng)是必不可少的兩個部分。

（1）井口裝置：寧德一號井的井口裝置由改進(jìn)型恒流泵（大、小2 個恒流泵）和自主研發(fā)的程控定量“脫氣—集齊”裝置兩部分組成。大恒流泵流量控制在200 mL/min，主要采集深層水用于氣氡觀測，小恒流泵流量控制在100 mL/min，主要是循環(huán)地下表層部分井水，確保井水處于較為新鮮狀態(tài)[4]。“脫氣—集氣”裝置將大恒流泵抽送的水樣進(jìn)行“鼓泡—脫氣—集氣”，實現(xiàn)了將“觀測氣”自動送往測氡儀閃爍室進(jìn)行測量。整個過程中的恒流泵與“脫氣—集氣”裝置的穩(wěn)定是寧德一號井實現(xiàn)單井綜合觀測的關(guān)鍵。

（2）供電系統(tǒng)：寧德地震臺觀測供電采取市電、UPS 穩(wěn)壓電源、蓄電池與備用發(fā)電機四級保障。在正常供電情況下，由市電對UPS 配置蓄電池在線充電同時為觀測儀器供電，一旦出現(xiàn)市電中斷，UPS 逆變蓄電池（直流）為觀測儀器在線提供穩(wěn)定的220 V 交流電供電（至少續(xù)航8 h），可根據(jù)停電時長（依據(jù)電力公司停電通知）決定是否啟用臺站備用發(fā)電機接入轉(zhuǎn)換盒，再經(jīng)UPS 電源供電。若停電時間短，UPS 與蓄電池容量可確保觀測儀器續(xù)航10 h，有足夠時間在巡檢時發(fā)現(xiàn)停電現(xiàn)象，確保臺站觀測儀器處于正常運行狀態(tài)。臺站四級供電保障系統(tǒng)不僅能保證臺站觀測儀器不間斷供電，還能提供穩(wěn)定的工作電源。

（3）測氡系統(tǒng)：寧德一號井2016 年度進(jìn)行了臺站優(yōu)化改造，2018 年度進(jìn)行臺站標(biāo)準(zhǔn)化改造，進(jìn)一步完善了臺站地下流體綜合觀測系統(tǒng)，臺站供電、防雷等保障系統(tǒng)穩(wěn)定健全。寧德一號井在尚未安裝BG2015R 測氡儀時，在寧德一號井觀測的SD-3A 測氡儀一直運行穩(wěn)定可靠，受周邊場地環(huán)境、人為干擾及自然環(huán)境（降雨、雷電、氣壓等）等因素干擾較小，觀測資料在全國質(zhì)量評比中多次獲得前三的好成績。但隨著SD-3A 測氡儀服役時間不斷增加，配套設(shè)施逐漸老化，SD-3A 測氡儀觀測數(shù)據(jù)逐漸開始出現(xiàn)背景噪聲大、數(shù)據(jù)突跳、存在臺階等影響數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量的現(xiàn)象。為提高寧德一號井氣氡觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，更好地為地震監(jiān)測預(yù)報服務(wù)，寧德地震臺于2019 年1 月30 日新增了BG2105R 測氡儀，開始與SD-3A 測氡儀串聯(lián)組網(wǎng)同步觀測試運行，2020 年1 月1 日開始正式入網(wǎng)觀測運行，圖2 是串聯(lián)同步觀測系統(tǒng)連接示意圖。

圖2 SD-3A 與BG2015R 測氡儀連接脫氣裝置串聯(lián)同步觀測示意圖Fig.2 Schematic diagram of synchronous observation of SD-3A and BG2015R radon detector connected to degassing device in series

（4）氡觀測原理：無論SD-3A 型還是BG2015R 型數(shù)字式測氡儀的核心都是氡探測器，它由ZnS（Ag）閃爍室和光電倍增管組成，與模擬測氡儀FD-125 原理相似（圖3）。氡氣進(jìn)入閃爍室后，氡及其子體衰變發(fā)出的α 粒子使得閃爍室采樣器壁上的“熒光體”ZnS（Ag）產(chǎn)生微弱的閃光，儀器內(nèi)部的光電倍增管收集到這些閃光，并把這種閃光信號變成電脈沖，經(jīng)電子線路把電脈沖放大，最后處理器記錄下相應(yīng)的電脈沖信號，再根據(jù)單位時間內(nèi)記錄到的電脈沖數(shù)（脈沖計數(shù)率）與氡濃度成正比原理，計算出被測氣（或土壤）體中的氡含量（濃度）。

圖3 氡探測器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of radon detector

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

3.1 試運行期數(shù)據(jù)質(zhì)量及分析

（1）數(shù)據(jù)質(zhì)量：BG2015R 測氡儀從2019 年8 月1 日—10 月31 日在寧德一號井試運行期間，儀器運行穩(wěn)定，受外界干擾較小，從數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、入庫工作流程上看，各項操作步驟均比較流暢合規(guī)，未出現(xiàn)卡機、死機等現(xiàn)象，產(chǎn)出數(shù)據(jù)連續(xù)可靠。儀器在進(jìn)行季度檢查和年度標(biāo)定時出現(xiàn)的錯誤數(shù)據(jù)，可按照學(xué)科要求做缺數(shù)預(yù)處理，檢查及標(biāo)定結(jié)果符合學(xué)科要求。通過SD-3A 測氡儀與BG2015R 測氡儀的同步觀測數(shù)據(jù)對比，結(jié)果顯示兩臺測氡儀觀測同一量測值相當(dāng)，在時間軸上呈同步變化形態(tài)，可以認(rèn)為：兩臺不同型號測氡儀同井觀測數(shù)據(jù)相對是可信的。通過快速傅里葉變化得到兩測氡儀觀測數(shù)據(jù)的頻譜特征（圖4），B2015R 測氡儀、SD-3A 測氡儀觀測數(shù)據(jù)的高頻分別為2.314 81×10?6Hz、1.157 41×10?5Hz，幅頻圖顯示BG2015R 測氡儀能較好的記錄到日潮、半日潮及三分之一潮信號，而SD-3A 數(shù)據(jù)受噪聲影響，不能清晰記錄到日潮、半日潮及三分之一潮等頻段信號。利用傅里葉低通濾波器對測氡儀數(shù)據(jù)高頻信號進(jìn)行濾波處理，濾波后數(shù)據(jù)曲線具有較好的一致性（圖5）。

圖4 BG2015R 與SD-3A 測氡儀數(shù)據(jù)頻譜分析Fig.4 Spectral analysis of data from BG2015R and SD-3A radon detectors

圖5 BG2015R 與SD-3A 測氡儀去趨勢后測值對比Fig.5 Comparison between BG2015R and SD-3A radon detectors after detrending

3 個月試運行期統(tǒng)計：BG2015R 測氡儀數(shù)據(jù)觀測連續(xù)率100.0%、儀器運行率100.0%，達(dá)到氡觀測相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求（表1）。

（2）數(shù)據(jù)質(zhì)量評價：BG2015R 測氡儀在寧德一號井試運行期內(nèi)，觀測數(shù)據(jù)動態(tài)曲線規(guī)律清晰，背景噪聲達(dá)標(biāo)，計算一階差分值的標(biāo)準(zhǔn)差為0.002 4，遠(yuǎn)小于0.2；一階差分序列中“超3σ數(shù)據(jù)個數(shù)”為16 個，占0.7%，小于2%。結(jié)果表明，3 個月試運行中，BG2015R測氡儀觀測資料內(nèi)在質(zhì)量及數(shù)據(jù)精度指標(biāo)均值，符合學(xué)科觀測技術(shù)規(guī)范要求（表1）。

表1 試運行期（2019-08-01—10-31）測氡儀觀測數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量評價表Table 1 Evaluation table for internal quality of radon detector observation data during trial operation（2019-08-01—10-31）

3.2 正式運行期數(shù)據(jù)質(zhì)量及分析

（1）BG2015 數(shù)據(jù)質(zhì)量：BG2015R 測氡儀2020 年1 月1 日—12 月31 日為正式運行期，我們對正式運行期間觀測數(shù)據(jù)分析表明：儀器運行穩(wěn)定，受外界干擾較小，從數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、入庫等各項操作均較順利順暢，未出現(xiàn)卡機、死機現(xiàn)象，產(chǎn)出數(shù)據(jù)連續(xù)。但儀器季度檢查和年度標(biāo)定中有出現(xiàn)數(shù)據(jù)出錯，可按照學(xué)科要求進(jìn)行缺數(shù)預(yù)處理，檢查及標(biāo)定結(jié)果符合學(xué)科觀測技術(shù)規(guī)范要求。作為輔助測項的氣壓與氣溫在儀器標(biāo)定中未受影響，缺數(shù)較少。

統(tǒng)計結(jié)果：正式運行期間BG2015R 測氡儀觀測連續(xù)率99.82%、儀器運行率97.88%，達(dá)到學(xué)科規(guī)定的相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求（表2）。

（2）BG2015R 數(shù)據(jù)質(zhì)量評價：BG2015R 測氡儀在正式運行期，觀測數(shù)據(jù)動態(tài)規(guī)律清晰，背景噪聲達(dá)標(biāo)，一階差分值的標(biāo)準(zhǔn)差為0.005，遠(yuǎn)小于0.2；一階差分序列中“超3σ 數(shù)據(jù)個數(shù)”為103，占1.17%小于2%，各項精度指標(biāo)均值符合學(xué)科要求（表2）。

表2 正式運行期（2020-01-01—12-31）測氡儀觀測數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量評價表Table 2 Evaluation table for internal quality of radon detector observation data during formal operation（2020-01-01—12-31）

（3）SD-3A 數(shù)據(jù)質(zhì)量：SD-3A 測氡儀在2020 年1 月1 日—12 月31 日觀測運行總體上穩(wěn)定，但受“脫氣裝置”運行不穩(wěn)的影響，導(dǎo)致個別觀測數(shù)據(jù)出錯；SD-3A 測氡儀存在與主機間有鐘差，導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)臺階現(xiàn)象，但經(jīng)時鐘校正可消除數(shù)據(jù)臺階；SD-3A 儀器季度檢查和年度標(biāo)定有數(shù)據(jù)出錯，也可按照學(xué)科要求進(jìn)行缺數(shù)處理，上述情況總體上符合學(xué)科要求（表3）。正式運行期間統(tǒng)計分析SD-3A 測氡儀觀測數(shù)據(jù)連續(xù)率99.95%、儀器運行率97.62%（表2）。

表3 測氡儀觀測日志統(tǒng)計表Table 3 Statistical table of radon detector observation logs

（4）SD-3A 數(shù)據(jù)質(zhì)量評價：SD-3A 測氡儀在正式運行期間，觀測數(shù)據(jù)動態(tài)規(guī)律清晰，背景噪聲達(dá)標(biāo)，一階差分值的標(biāo)準(zhǔn)差為0.006 2，遠(yuǎn)小于0.2；一階差分序列中“超3σ數(shù)據(jù)個數(shù)”為37 個，占0.4%小于2%，各項精度指標(biāo)均值符合學(xué)科要求（表2）。

3.3 BG2015R 與SD-3A 測氡儀運行比較

SD-3A 測氡儀在寧德一號井投入觀測運行已有15 年，從觀測數(shù)據(jù)內(nèi)在精度指標(biāo)分析仍能滿足地下流體學(xué)科技術(shù)規(guī)范要求；而BG2015R 測氡儀為2018年生產(chǎn)設(shè)備，2019 年剛在臺站安裝投入使用，經(jīng)試運行和1 年時間正式運行，我們對觀測數(shù)據(jù)分析，BG2015R 測氡儀在寧德一號井的觀測數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量符合地下流體學(xué)科規(guī)范要求。通過兩套觀測儀器2020 年在臺站同一井口串聯(lián)同步運行情況與觀測數(shù)據(jù)分析（圖6，圖7），發(fā)現(xiàn)以下幾個問題：

圖6 寧德一號井BG2015R 觀測數(shù)據(jù)（2020-02-01—05-01）Fig.6 Observation data of BG2015R in Ningde No.1 well（2020-02-01—05-01）

圖7 寧德一號井SD-3A 觀測數(shù)據(jù)（2020-02-01—05-01）Fig.7 Observation data of SD-3A in Ningde No.1 well（2020-02-01—05-01）

（1）同步觀測數(shù)據(jù)連續(xù)率：SD-3A 測氡儀缺測數(shù)為4 個，低于BG2015R 測氡儀的15 個，初步認(rèn)為SD-3A 運行時間長，穩(wěn)定性好，受外界電源波動、人工重啟等干擾相對較小；

（2）儀器運行率比較：SD-3A 測氡儀缺測數(shù)為209 個，高于BG2015R 測氡儀187 個，認(rèn)為SD-3A 測氡儀產(chǎn)出觀測數(shù)據(jù)的完整性略低于BG2015R 測氡儀；

（3）數(shù)據(jù)精度指標(biāo)表（表2）中“超3σ 數(shù)據(jù)個數(shù)”比較：SD-3A 測氡儀為37 個，低于BG2015R 測氡儀的103 個，認(rèn)為SD-3A 測氡儀觀測數(shù)據(jù)波動幅度相對較大，一階差分值的標(biāo)準(zhǔn)差為0.0062，稍大于BG2015R 測氡儀0.005，導(dǎo)致前者觀測數(shù)據(jù)變化控制線區(qū)間增大；

兩臺儀器日志統(tǒng)計記錄（表3）比較分析，較好證實了出現(xiàn)上述問題原因如下：

（1）SD-3A 產(chǎn)出數(shù)據(jù)受井口“脫氣裝置”狀態(tài)影響較大，“脫氣裝置”輸出波動會導(dǎo)致多時段數(shù)據(jù)突跳，造成數(shù)據(jù)不可用，作缺數(shù)預(yù)處理后，出現(xiàn)運行率降低現(xiàn)象。

（2）SD-3A 觀測數(shù)據(jù)易受到“脫氣裝置”和SD-3A主機間鐘差同步影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)臺階，造成計算均方差 σ偏大，而 3σ控制線幅閾也增加，使得超差個數(shù)也變少。

（3）日志統(tǒng)計顯示BG2015R 受外界干擾相對較小。“脫氣裝置”出現(xiàn)短時段故障時，對SD-3A 影響較大而對BG2015R 基本無影響；而出現(xiàn)長時段故障時，BG2105R 與SD-3A 同時受到影響，導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)低值。也可以認(rèn)為SD-3A 對外界觀測環(huán)境更敏感些，更易于捕捉外界宏觀出現(xiàn)突跳、巨變信息。進(jìn)一步說明了SD-3A 數(shù)據(jù)噪聲大，日潮、半日潮及三分之一潮信號無法清晰記錄的原因。寧德一號井“脫氣裝置”是臺站早期自行研發(fā)的自流井溢出氡觀測輔助設(shè)施，運行使用很長時間，已出現(xiàn)裝置材料老化、零配件缺失，維修維護(hù)跟不上，導(dǎo)致“脫氣裝置”故障頻繁情況，一定程度上影響到了兩臺儀器測氡數(shù)據(jù)的內(nèi)在質(zhì)量。

4 總結(jié)與討論

通過在寧德一號井兩臺測氡儀觀測數(shù)據(jù)及儀器運行比較分析，說明了BG2015R、SD-3A 測氡儀運行較為穩(wěn)定，觀測數(shù)據(jù)可靠可信，能較為真實地反映待測氣體的真實氡濃度。從該觀測系統(tǒng)日志統(tǒng)計分析，認(rèn)為寧德一號井氡觀測系統(tǒng)主要受“脫氣裝置”工作不穩(wěn)定影響，其中BG2015R 測氡儀受“脫氣裝置”影響程度較SD-3A 測氡儀小，但若“脫氣裝置”長時間故障頻發(fā)，兩套儀器均會有較明顯反應(yīng)。

因此，“脫氣裝置”作為測氡儀觀測水中溶解氣氡的最核心的前端單元裝置，在開展水中溶解氡的觀測時，除了選擇性能較好的觀測儀器外，對井口“脫氣裝置”的選擇與設(shè)計同等重要。目前，全國地下水化學(xué)觀測中的測氡點有百余臺套測氡儀，大多數(shù)測氡儀都涉及到井口“脫氣裝置”。“脫氣裝置”雖然是作為地球化學(xué)量觀測的輔助設(shè)施，但在地下水化學(xué)氡濃度觀測中具有十分重要的位置，多位學(xué)者在自主研發(fā)“脫氣裝置”和對“脫氣裝置”進(jìn)行優(yōu)化升級與應(yīng)用方面做了不少分析改進(jìn)工作[5-7]。一定要根據(jù)各自臺站觀測井實際狀況與環(huán)境條件，設(shè)計最優(yōu)化的井口“脫氣裝置”，才能與儀器適配性更好，脫氣性能更穩(wěn)定，使得觀測數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量得到較好的提高。