张帆，池海江，王江，张凤秋，王锐锋

(1.河北省地震局张家口中心台，河北张家口 075000；2.河北省地震局，河北石家庄 050021)

0 引 言

SD-3A数字测氡仪是对井(泉)口通过脱气与集气装置引出的气体进行测量，为了实现对地下水中气体的自动连续观测，怀来地震台针对不同观测条件，不同的观测井(泉)的类型，安装了三种不同方式的脱气集气装置：①在怀4井自流热水井中，采用溅落式桶状水气分离装置[1]，目前我国地震地下流体观测台站中使用最多的是溅落式桶状水气分离器；②在怀3井土壤气孔中，利用集气漏斗方式，采集测量土壤层观测孔中自然逸出的气体中氡值浓度的变化；③在矾山地震台2号泉(自流冷水)中，采用鼓泡式水气分离装置，利用空气作为载体把鼓出的气引出。因此，通过三种不同的集气装置进行气氡观测，不仅可以分析不同方式的氡观测资料之间的差异与影响因素，而且能够为地震前兆异常的识别提供很好的基础[2-3]。

1 逸出气氡、土壤气氡简介

1.1 台站概况

怀来地震台(40°18′N，115°30′E)地处京西北，位于延庆—怀来盆地的西南缘。地貌上为被侵蚀的山前洪积扇的下部，与河流冲积平原相邻。构造部位处于燕山褶断带与祁吕贺兰山字型构造东翼，反射弧复合部位[4]。怀来—蔚县大断裂带从本区东南穿过。此断裂带以北还有祁吕系歪头山—万家窑断裂带，北西向的施庄大断裂带在延庆—怀来盆地的西南缘。

1.2 观测井(泉)概况

怀4井地面海拔高程为487.0 m，井深500.34 m，观测含水层是顶板埋深为278.5 m的太古界片麻岩破碎带热水层，揭露含水层厚度>221 m。怀4井成井于1972年，该井为高温热水自流井，水化学类型为 SO4-Na型[5]，矿化度为0.962 g/L，逸出气氡观测采用溅落式桶状脱气集气装置(图1a)，脱气桶高75.0 cm，底部直径30.0 cm，水流量平均0.355 L/s。2007年对怀4井进行了改造，保证了数字化及模拟观测资料的连续性。与此同时，该井水汞在1989年大同6.1级地震、1997怀安4.7级地震、1998年张北6.2级地震、2002年沙城4.4级地震和2014年涿鹿4.3级地震前均有较好的短临异常出现。

怀3井，孔口标高3.0 m。井深288.0 m，观测层含水层岩性为第三系粗砾砂岩。井区热水产于太古界片麻岩和上侏罗系熔结凝灰岩中[6]，沿北西向和北东向两组构造裂隙交汇处溢出基岩。怀3井成井于1971年，由于断流影响后改造为土壤气观测井，集气方式采用漏斗方式，塑料材质放置于地下约5.0 m处(图1b)。

矾山泉位于矾山盆地中部，矾山镇以西1.0 km处的水磨村西。在水文地质分区上属于坝下洋河、桑干河盆地水文地质平原孔隙水区[7]。泉水出露于第四系上更新统冲、洪积层中，泉口处可见砂、砾石，水温10.0～15.0 ℃。因矾山地震台为地方台站，暂无水流量及气象辅助观测。矾山泉由当地建成池塘，池塘水面面积约385.0 m2，池塘最深处30.0 m，在泉眼的出水口安装引水管到达室内进行气氡观测，逸出气氡脱气集气方式为鼓泡式水气分离装置(图1c)。

图1 怀来地震台三种不同脱气集气装置

2 观测概况

2.1 仪器测量原理

SD-3A是自动测量逸出气氡浓度随时间变化的新型数字化测氡仪，由氡探测装置与主机组成。氡探测装置由闪烁室与光电倍增管组成，由井口的脱气—集气—引气装置提供的含氡气体进入闪烁室时，经放射性衰变生成α粒子并轰击闪烁室内壁上的ZnS(Ag)并产生光子，光子在光电倍增管变成光电子并形成电子流，产生电脉冲信号；由于α粒子数量与氡浓度有关，可由电脉冲信号的频次测量得知氡浓度[8]。仪器的灵敏度为≥150(计数/分)/(Bq/L)，固有本底≤20 计数/分，测量范围为(0.1～1)×104Bq/L，稳定性为±10%，采样率为1次/小时。我国地震水文地球化学观测台网中，“九·五”期间开始，到“十·五”地震前兆观测网络建设”期间推广应用此类测氡仪，实现了氡观测由模拟观测进入数字化观测的新阶段，可测得每日井(泉)水或土壤气中氡浓度随时间变化的数据[9]。

2.2 脱气集气装置设计原理

2.2.1怀4井溅落式脱气装置

由于怀4井是高温含氟热水自流井，为达到更好的脱气效果，采用溅落式。脱气桶由桶体、进水管、出气管 、双层溅水盘、底座和泄水管等组成。其中，脱气桶利用不锈钢板氩弧焊焊接而成；第一层为使热水较充分的溅落[10-11]，溅水盘用扁钢和桶体壁固定制作为筛状溅水盘；第二层溅水盘用钢管和底座固定，使高温热水二次脱气。

2.2.2 怀3井土壤气氡集气装置

怀3井土壤气氡观测是河北省地震局为数不多的气体化学连续观测测项。由于观测对象为土壤中自然逸出的气氡，所采用的是集气漏斗方式进行观测，在地表以下约5.0 m放置集气漏斗，缓慢集气测得土壤中气氡含量。

2.2.3 矾山泉自吸式鼓泡脱气装置

矾山泉(自流冷水)采用自吸式鼓泡脱气集气装置。其原理是在有一定压力的水流作用下水从装置的上部射流到管径较大的气水混合管内形成无压管路的高速水流。由于有一定的的落差，会形成负压，并吸入大量的空气形成掺气水流。水流到达鼓泡室后，水中的空气便从水中逸出，在逸出时把水中溶解的气体带出[12]。

3 观测数据对比分析

由表1可看出，三者测值变化幅度较大。虽然仪器都是SD-3A型，但是由于观测对象不同，脱气集气装置不同，造成数据曲线不同[13]。

表1 三种不同观测方式气氡动态特征对比

由曲线看出，怀4井(自流高温热水)逸出气氡年变规律不明显，基本呈平稳型，平均测值为62.9 Bq/L。2019年6～7月测值升高，原因有两方面：①由于怀4井为高温热水井，水温达到 77.0 ℃，溅落式脱气集气装置在高温含氟的环境下，观测使用时间较长容易锈蚀，造成数据不稳定；②6～7月水位达到最高值，水流量变大，进行更换脱气桶后，脱气气体含量增多，造成测值升高(图2a)。

怀3井土壤气氡主要指观测到的由土壤层观测孔中自然逸出的气体中氡浓度的变化，通过多年对比分析其年动态规律较明显(图2b)，动态特征是上、下起伏，但起伏度幅度较为稳定，年变化幅度一般小于7.0 Bq/L，平均测值为8.1 Bq/L。

矾山泉(自流冷水)逸出气氡曲线动态较差，变化幅度亦较大。通过多年数据对比分析，2018年曲线有动态变化特征，而2017年、2019年及2020年上半年发现测值不稳定，基本为空气值。由于矾山地震台2020年转接由怀来地震台管理其业务工作，为了判断正确的合理背景值，2020年6月对矾山地震台数字化观测气氡进行检查，发现主要原因在于脱气集气装置使用时间过长，造成管路堵塞，没有达到“脱气”的效果，2020年6月22日在人为疏通并清洗脱气集气装置之后，测值与2018年数据动态可对比(图2c)，同时与该泉FD-125模拟水氡测值相比较，测值符合动态变化。

图2 三种不同脱气集气方式气氡观测对比曲线

4 不同集气装置气氡观测资料影响因素分析

4.1 怀4井逸出气氡影响因素

4.1.1 脱气集气装置

怀4井气氡观测使用的脱气桶已近9年，由于该井是高温热水井，且含氟量较高，导致管道及脱气桶已大部分堵塞，造成测值不稳定。2019年3月29日进行更换脱气集气装置，曲线形态缓慢下降到急剧上升，数据变化幅度达到32.0 Bq/L，2019年4月1日数据恢复到正常背景值。

4.1.2 降雨量

怀4井气氡在每年7～8月会有不同程度的起伏变化，通过2018～2019年气氡测值与降雨量整点值对比发现，升高的原因主要有两方面原因：一方面受降雨量的影响(图3)，另一方面2019年当地地热资源限制开发利用，周边温泉禁止营业，2020年怀4井主井口水位已达到地面上方1.2 m处，水位升高，进入脱气桶的水流量增多，同期对比变化幅度增高。

图3 怀4井逸出气氡与降雨量2018～2019年整点值对比曲线

4.2 怀3井土壤氡影响因素

4.2.1 气温

气温对土壤气氡观测具有明显的影响。选取2017～2018年的气温与氡值资料进行分析，通过绘制整点值曲线发现：气温和氡值呈正向变化的形态(图4)，两者表现出几乎同步变化的态势，即气温升高氡值升高，反之则降低。

图4 怀3井2017～2018年土壤气氡与气温整点值对比曲线

4.2.2 集气装置

选取2018～2020年气氡日均值数据进行对比。由于集气漏斗放置在地下5.0 m处，塑料材质，观测使用已达到10年，2020年通过气体流量计发现，采集气体体积减少。2019年土壤气氡测值同期对比降低约6.0 Bq/L(图5)，2020年测值降低约7.0 Bq/L，测值降低幅度不断增大，判断集气漏斗存在老化漏气现象。为提高观测质量，怀来地震台计划2020年“帮扶”工作进行，重新更换集气装置。

图5 2018～2020年怀3井土壤气氡日均值曲线

4.3 矾山泉逸出气氡影响因素

矾山泉矾山逸出气氡主要干扰因素就是脱气集气装置影响，由于其气氡测项很长时间背景值较低，含量接近空气值，并且数据不稳定，台站人员无法正确的认识其合理的背景值。2020年6月进行检查，仪器工作正常，周边无人为及其他干扰，但是发现脱气集气装置因长久使用观测，造成管路堵塞，无法自吸脱气，经台站人员清洗后，脱气效果显著，气体含量增多，结合该台模拟水氡对比分析，逸出气氡观测恢复合理的动态变化(图6)。由曲线看出，逸出气氡观测中脱气集气装置的正常与否直接影响到数据观测及内在质量，对于台站，及时检查维护脱气装置是运维的重要环节。由于矾山地震台无气象三要素测项，因此，矾山泉气温、气压、降雨量与逸出气氡之间的关系还有待进一步研究。

图6 矾山泉逸出气氡2020年6月5日～9月30日整点值曲线

5 结论与认识

通过对三种不同观测井(泉)类型，不同脱气集气装置的气氡观测资料对比与影响分析，得出以下结论与认识。

(1)怀4井逸出气氡主要受到脱气装置及降雨量的影响，呈现平稳性动态变化特征；矾山泉逸出气氡因合理背景值数据较少，动态变化特征还需进一步研究，但受脱气集气装置影响较大。

(2)怀3井断层土壤气氡观测主要受气温影响，具有明显起伏动态变化特征，而受集气装置影响相对较小。

(3)通过分析三种不同方式的气氡观测，对于逸出气氡观测，引起气氡测值变化的原因：一方面，脱气装置管路堵塞；另一方面，脱气桶在高温含氟热水井观测应用中易腐蚀，造成脱气效果减弱，而土壤气氡集气装置影响则较小，仅存在装置老化现象。因此对于高温热水井及泉类型观测气氡应固定检查更换及清洗脱气装置，确保装置的稳定性和合理性对于获取可靠的观测结果具有重要的作用。