地震氣氡濃度監測影響因素分析
——以九江中心站3次氣氡濃度異常為例

王良俊 黃仁桂 朱國偉 趙愛平 肖孟仁 李雨澤 袁 俊

1）中國江西332006 江西九江揚子塊體東部地球動力學野外科學觀測研究站

2）中國南昌 330039 江西省地震局

0 引言

氡濃度觀測是國際上公認的地震監測手段之一，也是我國地震地下流體觀測臺網中重要測項，在地震趨勢分析與短臨震情研判中發揮著重要作用（Wang et al，2014，2018；Zhou et al，2020；Alam et al，2021；Muto et al，2021；Zhao et al，2021）。測氡儀對深層地下水（或溫泉）中溶解氣、逸出氣及斷裂帶土壤氣體中的氡氣濃度進行連續觀測，從而捕捉地震信息（劉仕錦等，2019；劉春國等，2021）。氡被巖石、土壤顆粒表面吸附與解附，或溶解于地下水并隨地下水遷移。在地震孕育與發生過程中，巖石應力與熱力狀態的變化及深部物質運移，可能會導致巖石氡射氣系數改變、氡溶解度變化。但不可否定，氣氡觀測中也存在許多影響觀測資料質量的因素（趙冬等，2018；劉仕錦等，2019），如井水流量、脫氣系統、觀測室溫度、濕度、氣壓等環境因素，以及水井周邊環境的干擾因素等（徐長銀等，2017）。因此，利用氣氡濃度資料進行地震分析預測時，必須對異常信息開展充分的核實，以判斷異常是地震前兆還是干擾所致（劉磊等，2017）。本文以九江2 井氣氡濃度異常為例，對非深部地下介質變化氣氡濃度異常信息進行分析，以期為氣氡濃度異常核實過程提供實例，為其他地震地下流體異常核實拓寬思路。

1 概述

九江中心站位于江西廬山西北側，地理位置為29.65°N、116.01°E，海拔110 m，構造上屬于揚子陸塊下揚子地塊中部，區域構造位于廬山西北緣邊緣剪切帶上的夏家－威家嶺左行走滑斷裂帶，該斷裂帶呈NE 走向。九江中心站內的九江1 井主要用于物理量觀測，九江2 井主要用于化學量觀測（趙愛平等，2015）。九江2 井成井于2008 年，觀測含水層為構造裂隙水，屬于承壓自流井，詳細的井孔剖面特征如圖1 所示。該井深71 m，套管11.9 m，地表至6.2 m 為第四系聯圩組亞黏土、砂礫石，6.2—11.9 m 為震旦系皮園村組強風化碳質灰巖，11.9—71.0 m 均為下元古代碳質灰巖，含水層分別在 17.0—22.5 m、55.0—63.5 m，目前日流量約為300 t（圖1）。距該井約1 km處有天花井水庫，50 m 處有1 條溪流，溪流源頭為廬山馬尾水泉水。

圖1 九江2 號觀測井井孔柱狀圖Fig.1 Column diagram of hole of Jiujiang No.2 observation well

近年來，九江2 井氣氡濃度3 次出現異常，出現異常后均對脫氣裝置、氣路等進行排查處理，3 次排查均為氡濃度上升異常：①2014 年7 月22 日氣氡濃度異常。九江2 井氣氡濃度從7 月21 日11 時開始增大，之前背景值為30—40 Bq/L，15 時增大到170 Bq/L 以上，之后持續上升，7 月22 日16 時達512.4 Bq/L，7 月27 日氣氡濃度回至40 Bq/L 左右。②2015 年6 月24 日氣氡濃度異常。九江2 井氣氡濃度從6 月22 日11 時開始增大，23 日由均值360 Bq/L 升高到480 Bq/L。③2021 年4 月5 日氣氡異常。4 月5 日起九江2 井氣氡濃度持續升高，日變化幅度約為10 Bq/L，6 日內累積上升84 Bq/L，氣氡濃度上升幅度達43%。

2 異常分析

2.1 水位變化的影響

2014年7月21日九江2井氣氡濃度異常如圖2所示。九江中心站各觀測儀器運行正常，觀測環境未發生變化，對同測點其他流體測項和同臺形變測項等資料進行綜合分析，未發現與氣氡濃度同步異常測項，基本可排除是構造運動引起的氣氡濃度異常，即異常屬干擾類型。由圖2 可見，2014 年7 月15—16 日，九江中心站區域出現強降雨，降雨量達78 mm，7 月24 日再次降雨52 mm，九江靜水位明顯上升，達80—100 mm。九江井氣氡脫氣裝置為傳統的濺落式脫氣裝置，容積約1.25 L，被置放于下沉式池內，靠近主井管，極易受井管噴溢出水的影響。由于區域強降雨使水位上升，井管出水口泄流速率增大，增強了井管溢出水噴濺能力，井管溢出水強烈的噴濺打破了SD-3A 型測氡儀脫氣裝置的平穩狀態，改變了脫氣裝置內部水—氣環境的平衡（高小其等，2021）。受此影響，7 月21 日起，氡氣濃度出現大幅異常變化，異常持續4 天左右后開始下降，異常期間水位處于較高水平，即水位較大幅度的變化對氣氡濃度有影響。此次異常主要影響機制為水位大幅升高導致主井管溢流速率增大，溢出井水直接濺落到脫氣裝置，從而影響脫氣裝置內水—氣平衡，進而影響氣氡濃度變化。為改變脫氣裝置內水—氣平衡，2015 年1 月1 日九江中心站采用自然吸氣脫氣裝置進行鼓泡脫出氡氣。

圖2 2014 年九江降雨量（a）、靜水位（b）、2 井氣氡濃度異常數據（c）Fig.2 Fluid observation data of Jiujiang in 2014 (a) rainfall,(b) static water level,and (c) abnormal radon concentration of well 2

2.2 降雨的影響

2015 年6 月24 日九江2 井氣氡濃度異常如圖3 所示。在異常期間，中心站觀測儀器、觀測環境正常，流體、形變、測震等觀測資料均未出現同步變化，即此次異常為非深部地下介質變化引起的氣氡濃度異常，屬于干擾類型。由圖3 可見，2015 年6 月20—21 日九江地區發生強降雨，降雨量達74 mm，水位明顯上升，井水噴出井口，氣氡濃度升高滯后于水位上升，水位上升滯后于降雨。分析認為，主要影響機制如下：①大量降雨增加含水層荷載，擠壓含水層孔隙、裂隙，使其中地下深處含水層部分氡組分隨水進入井孔；②水位上升增加井孔水壓，進而增加水中氡氣的溶解度；③井口噴水增大出水流速，含水層內水流速度在一定程度上也增大，水流沖刷含水層能力增強，將含水層中更多的氡成分帶入井孔；④井水自井口濺落，觀測室內混合氣體中的氡氣濃度升高，自然吸氣脫氣裝置吸收該氣體鼓泡，使氡氣濃度測值進一步增大。九江中心站氣氡濃度此次在原背景值水平下升高幅度達30%，其主要干擾因素為強降雨直接導致氣氡濃度的升高。

圖3 2015 年九江降雨量（a）、靜水位（b）、2 井氣氡濃度異常數據（c）Fig.3 Fluid observation data of Jiujiang in 2015 (a) rainfall,(b) static water level,(c) abnormal radon concentration of well 2

2.3 觀測系統的影響

2021 年4 月5 日九江2 井氣氡濃度異常如圖4 所示。對九江中心站九江1 井、中心站周邊環境進行調查，未發現較大的施工工程開工、打井、抽水等明顯干擾源。此次氣氡濃度異常可能涉及到的地下水化學組分、水位埋深、地傾斜、應變等均沒有明顯變化。由圖4 可見，九江2 井氣氡濃度與觀測室室內溫度、室外溫度之間存在緩慢同步上升現象，特別是4 月28 至5 月10 日室內溫度與氣氡濃度出現間斷性同步突跳變化現象。分析認為，氣氡濃度變化的另一主要影響因素為觀測系統的影響。圖5 為九江2 井觀測系統供水管道圖及示意圖。由于氡氣觀測儀器檢測平臺管道（3 路）與氣氡供水管道從主井觀測室出發，沿室外地埋溝（管槽）一直進入到氡氣觀測儀器檢測平臺室內（觀測房），4 路管道相鄰安置。此次氣氡濃度異常之前6 個月，檢測平臺一直處于滿管實驗狀態，2021 年3 月下旬起停止實驗，把檢測平臺水路管道和恒流水箱水排空，4 月初氣氡濃度出現異常。隨著夏季到來，氣溫不斷升高，管道出現熱脹冷縮，流水管道內形成部分間隙，同時氡氣濃度隨溫度升高會產生更多的逸出氣體，逸出氣氡混合到地下水的量緩慢達到最高，而后緩慢降低，恢復到正常的狀態，即溫度升高，水路管道擠壓導致壓力變化，氣氡濃度緩慢變化。

圖4 2021 年九江室外溫度（a）、室內溫度（b）、2 井氣氡濃度異常數據（c）Fig.4 Fluid observation data of Jiujiang in 2021 (a) outdoor temperature,(b) indoor temperature,(c) abnormal radon concentration of well 2

圖5 九江2 井觀測系統供水管道Fig.5 Water supply pipeline diagram of Jiujiang Well 2 observation system

3 影響因素分析

3.1 氣氡濃度與水位、降雨變化關聯性分析

表1 是九江中心站7 次降雨、水位變化、氣氡濃度異常統計表。在一定范圍內九江中心站氣氡濃度與水流量呈正相關，氣氡濃度高值異常由水位變化、降雨量所引起。如2015 年6 月21—22 日（B 時段）氣氡濃度異常與降雨量、水位上升間為直接相關，氣氡濃度變化率為43.68%；2021 年4 月1—14 日（G 時段）降雨量75 mm，水位變化0.089 m，氡值變化率為43.68%，與2015 年6 月21—22 日（B 時段）類似，從九江中心站氣氡值變化率、水位和降雨對應圖3 來看，相關性較好。但從A、C、D、E、F 時間段看，這些時段的降雨量和水位變化均大于B、G 時間段，而氣氡濃度變化率較低。這說明，氣氡濃度異常變化與九江中心站降雨量、水位變化間不是簡單的線性關系，需要分別作具體分析，才能搞清楚三者間的關聯性。

表1 九江中心站總降雨量、水位變化、氣氡濃度異常Table 1 The rainfall,change of the water level and radon concentration anomaly in Jiujiang Central Station

3.2 化學量關聯性分析

2021年4月1—14日（G深度）氣氡濃度異常期間，采集九江中心站3個位置（1—井口；2—氡檢測平臺；3—站內廢井）的3 次水樣送至中國地震局地震預測研究所進行水化組分測試，測試結果如圖6 所示。由圖6 可見，Piper 圖顯示常量離子的含量較接近，說明補給源一致。Schoeller 圖清晰地顯示主要離子成分的含量基本接近，說明是同一補給來源（張磊等，2016，2019），與Piper 圖的結果一致。同時可見，除Cl-離子有微小變化外，其他基本沒有變化，這進一步證實異常是由觀測系統所致。

4 討論和結論

在實際觀測中，氣氡濃度受水位、降雨量、溫度、水溫、壓力、礦化度等多種因素的影響，在核實氣氡濃度3 次異常變化時發現，九江中心站其他地球物理測項均無異常，可排除相關影響。研究結論如下：①水位上升，脫氣裝置進水流量增大，單位時間內吸入的空氣也隨之增加，進而提升水中溶解氡的脫氣效率，同時，水位上升導致的主井管地下水溢流可直接影響脫氣裝置的水—氣平衡，也導致氣氡濃度上升；②大量降雨增加九江2 井含水層荷載，擠壓含水層孔隙、裂隙，含水層內水流速度在一定程度上也增大，水流沖刷含水層能力增強，將含水層中更多的氣氡帶入井孔，多重因素的共同作用導致氣氡濃度增大；③氣氡觀測系統受溫度的影響，水路管道熱脹冷縮，水路擠壓形成間隙，導致脫氣壓力緩慢變化，氣氡濃度隨之出現緩慢上升。

為進一步分析九江2 井氣氡濃度3 次出現異常的原因，后續將開展加密實驗，建立完整的水位、水流量與氣氡濃度整體觀測系統，分析氣氡濃度與水位、降雨量、水流量間的關系及其變化特征，為后期對氣氡濃度觀測資料進行分析、干擾排查、脫氣裝置改造等提供參考。必要時還應充分利用異常測項本身的物理、化學性質及水井的基礎資料進行綜合判定，以期為氣氡濃度異常核實跟蹤提供實驗支撐，從而提高九江中心站氣氡濃度觀測效能。