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  地震地磁观测与研究  2020, Vol. 41 Issue (2): 123-129  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2020.02.014
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引用本文  

段美芳, 李庆, 陆丽娜, 等. 洱源FD-105K与FD-125测氡仪对比观测分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2020, 41(2): 123-129. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2020.02.014.
DUAN Meifang, LI Qing, LU Lina, et al. Comparative observation of FD-105K and FD-125 radon meters in Eryuan[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2020, 41(2): 123-129. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2020.02.014.

通讯作者

陆丽娜(1983-), 女, 博士, 副教授, 主要从事矿床学和地震地质教科研工作。E-mail:lulina@cidp.edu.cn

作者简介

段美芳(1994-), 女, 助理工程师, 主要从事地震监测预报工作。E-mail:duanmeifangfang@163.com

文章历史

本文收到日期:2019-10-21
洱源FD-105K与FD-125测氡仪对比观测分析
段美芳 1, 李庆 1, 陆丽娜 2, 字承柱 1, 李燕池 1     
1. 中国云南 671200 洱源地震台;
2. 中国河北 065201 防灾科技学院
摘要:选取2015-2019年洱源水化站FD-105K与FD-125测氡仪对比观测资料,采用一阶差分、F检验、t检验等方法进行对比分析,结果显示:FD-125测氡仪测值总体偏低,且测量精度较低,数据离散程度较高;2套观测数据变化趋势一致性不理想,相关性较低,未通过F检验和t检验。综合分析认为,FD-125测氡仪暂时不能替代FD-105K测氡仪进行观测,需要增加震例对2套仪器的映震效能进行验证。
关键词FD-105K    FD-125    水氡对比观测    洱源    
Comparative observation of FD-105K and FD-125 radon meters in Eryuan
DUAN Meifang 1, LI Qing 1, LU Lina 2, ZI Chengzhu 1, LI Yanchi 1     
1. Eryuan Seismic Station, Yunnan Province 671200, China;
2. Institute of Disaster Prevention, Hebei Province 065201, China
Abstract: The comparative observation data of FD-105K and FD-125 radon meters at Eryuan Hydrochemical Station from 2015 to 2019 were selected and analyzed by first-order difference, F-test, and t-test. The results show that the values of FD-125 are generally smaller than that of FD-105K radon meter, and the data stability is poorer and more discrete. The trend consistency of the two sets of observations was not ideal and their correlation was low, which did not pass F-test and t-test. Comprehensive analysis shows that FD-125 radon meter cannot replace FD-105K radon meter for observation at present, and earthquake cases are needed to check the reflecting efficiency of the two sets of instruments.
Key words: FD-105K    FD-125    comparative observation of radon in groundwater    Eryuan    
0 引言

氡气是普遍存在于自然界的一种无色透明的放射性惰性气体。已有研究表明,利用水中氡浓度的变化进行地震监测与预报是有效的(张炜等,1988车用太等,1997Crockett et al,2006Erees et al,2007Ren et al,2012李朝明等,2013张磊等,2018)。发震前氡浓度的异常变化一般分为长时间的阶变异常(可延续数月至数年)和短时间的突跳异常2类。云南地区水氡观测始于20世纪70年代,目前该观测手段已覆盖云南大部分地区,多数观测井数据资料质量基本稳定,可信度较高,且有相应震例进行验证(唐采,2004)。

FD-105K和FD-125型测氡仪均为模拟观测仪器。FD-105K测氡仪面临老化、无备机、厂家停产等问题,洱源水化站于2013年12月13日增加FD-125测氡仪并行观测,拟于今后替换FD-105K进行水氡观测。2套测氡仪已对比观测4年以上,文中对比分析2套观测数据,以此探讨FD-125测氡仪替换FD-105K测氡仪进行地震水氡监测的可行性。

1 观测条件 1.1 区域地质概况

洱源属暖温带夏湿冬干型气候,主要特点是:终年气候温和,冬无严寒,夏无酷暑;雨水充沛,干湿分明;光照量多,地热资源丰富;气温一般在-3.0℃—28.0℃;年平均气压约793.0 hPa;雨季集中在6—11月,年平均降雨量约732.0 mm。

洱源水化站位于云南省大理州洱源县城,海拔2 060 m,所处区域地势平坦,地貌稳定,供电和交通方便;所在地区属湖积层地质结构,大理苍山山脉北部前缘;位于红河深大断裂带北部地震活动水平较高地段,金沙江、剑川—丽江等断裂交汇处(图 1),构造位置重要;小震活动较为频繁,温泉出露丰富,属地热异常区。观测点的近代区域应力场呈NW向,基本处于川滇菱形块体向SSE锲入为主(主压)、印度洋板块向北推挤为辅(侧压),使三江地槽向NE运动的应力应变剪切线上(杨芬等,2009)。

图 1 洱源台观测井位置 Fig.1 The location of Eryuan observation well
1.2 观测井概况

洱源温泉井是一口民用自流温泉井,位于居民院内,井深23 m,井口流量(0.750±0.030)L/s,水温常年保持在62.0℃±5℃,基本不受降雨及周围环境干扰,水质类型属重碳酸钙镁型。温泉井现有观测项目包括水氡、水汞、水质和CO2。其中水氡采用FD-105K和FD-125测氡仪同步模拟观测,水汞采用XG-4观测仪模拟观测,水质观测包括钙离子、镁离子、碳酸氢根离子、氟离子和pH测项。各项观测资料报送云南省地震局和中国地震局地震分析预报部门。

2 对比观测 2.1 洱源水氡观测历史

洱源水化站水氡观测始于20世纪80年代,水氡观测井初为江干井,2006年1月1日起该井水位下降断流,后转至温泉井观测至今。温泉井距水化站观测室约0.7 km,使用FD-105K测氡仪进行观测,观测值为日值,观测方式如下:每天上午8:30—9:00取水样,采用扩散器负压法采样,每次采集3个样品(主样、副样、备样),每个样品取(100±5) mL,取完水样回洱源水化站观测室观测,从取样到开始鼓气一般需要15—30 min的等待时间。温泉井自2006年观测以来,水氡测值稳定可靠,无明显年变规律。

FD-125测氡仪于2013年12月13日试运行观测,后因多次测量自检和坪曲线不符合标定要求,于2014年3月4日停测返厂更换,新仪器各项检测符合要求后于2015年5月1日与FD-105K测氡仪并行观测,观测人员按时对仪器进行检查和标定,至今运行状况良好,未发生故障。考虑到数据连续性和可靠性,本次研究选取2015年5月1日至2019年5月1日2套仪器并行观测的主样数据进行对比分析。

2.2 观测仪器

FD-105K型测氡仪工作原理为:水样中的氡气经真空扩散瓶脱气,鼓入电离室;氡及其子体的α射线使电离室中的空气分子电离,在外加电场作用下产生电离电流,使静电计的石英丝偏移,根据移动格值(格/min)计算水氡浓度(李朝明等,2013孙召华等,2017)。

FD-125型测氡仪由FD-125氡钍分析器和BHC-336定标器组成。FD-125氡钍分析器利用闪烁法原理,抽气泵把闪烁室抽为真空,将氡气鼓入闪烁室,密封并静置1 h,待子体与母体达到平衡后开始测量。氡及子体发射的α粒子撞击闪烁室内壁的ZnS(Ag)产生光子,光由光电倍增管进行收集并转为电脉冲,经电子学系统进行记录,得到的计数率与氡浓度成正比,经刻度系数,可得水氡浓度,设备连接见图 2

图 2 FD-125测氡仪实验装置示意 Fig.2 Schematic of the experimental device for FD-125 radon thorium analyzer

自2015年FD-125测氡仪正常观测以来,洱源水化站建立一套完整的工作机制和观测规范,观测人员固定且熟悉水氡观测技术。具体观测条件为:观测室温度在15℃—25℃,湿度≤80%;闪烁室真空度为-760.0 hPa±0.5 hPa;均匀鼓入氡气时间为(11±1)min;吸入水氡样品静置1 h后立即测量并计数10 min,将脉冲计数换算成脉冲/min,称为脉冲计数率,用N表示,氡浓度计算公式如下

$ C_{\mathrm{Rn}}=K\left(N_{\mathrm{c}}-N_{\mathrm{b}}\right) / \mathrm{e}^{-\lambda t} $ (1)

式中:CRn表示样品的氡浓度,单位为Bq/m3K为刻度因子,单位为Bq/cpm;NcNb分别表示样品和本底的计数率,单位为cpm;λ表示222Rn的衰变常数,为0.007 553 h-1t表示样品封存时间(取样到开始鼓气的等待时间),单位为h。

2.3 对比观测分析 2.3.1 原始曲线直观对比

对比分析FD-105K与FD-125测氡仪2015—2019年水氡观测原始数据,结果见图 3

图 3 FD-105K和FD-125测氡仪对比观测数据曲线对比 Fig.3 Comparison of data curves between FD-105K and FD-125 radon meters

图 3所示2套测氡仪观测数据动态变化特征可知,2套观测数据变化趋势一致性较差;2015年6月6日2组数据悬殊最大,差值达16.8 Bq/L;每年5月—11月2套测氡仪水氡差值相对较小。另外:FD-125测氡仪水氡测值始终较低;FD-105K测氡仪水氡测值波动变化较小,日均值在38.2—48.4 Bq/L;FD-125测氡仪水氡测值波动变化较大,日均值在26.0—50.5 Bq/L。2套测氡仪观测数据相关系数具体见表 1

表 1 FD-105K与FD-125测氡仪观测数据相关系数 Table 1 Correlation coefficients between FD-105K and FD-125 observations
2.3.3 离散度分析

采用标准差和一阶差分方法,对比分析FD-105K和FD-125测氡仪观测数据离散度。

(1)标准差可以表征离散度和测量精度,标准偏差越小,表明测量的分散程度越低,精度越高。分别计算FD-105K和FD-125测氡仪日均值和五日均值的标准差,结果见表 2。由表 2可知,2套仪器标准差相差较大;FD-125测氡仪日均值、五日均值标准差均高于FD-105K测氡仪,说明与FD-105K测氡仪相比,FD-125测氡仪观测数据分散程度较高,测量精度较低。

表 2 FD-105K和FD-125测氡仪观测日均值、五日均值标准差对比 Table 2 Comparison of the standard deviation of daily mean and five-day mean values observed by FD-105K and FD-125 radon meters

(2)差分法是一种压制较长周期、突出较短周期变化的线性滤波分析常用方法(孙召华等,2017),可以直观反映数据的离散程度,差分值越大,表明测量数据的分散度越高。对2套测氡仪日均值观测数据进行一阶差分,结果显示,FD-125测氡仪观测数据整体波动性较大,数值在-13.90—13.70 Bq·L-1,离散程度较高;FD-105K测氡仪观测数据整体波动性较小,数值在-5.60—8.10 Bq·L-1,离散程度较低(图 4)。

图 4 FD-125与FD-105K测氡仪观测数据一阶差分曲线 (a)FD-125;(b)FD-105K Fig.4 First-order difference curve of data from FD-125 and FD-105K observations

由此可见,采用标准差与一阶差分方法所得结论一致,即与FD-105K测氡仪相比,FD-125测氡仪观测数据离散程度较高,稳定性较低。

2.3.4 样本方差一致性检验——F检验

利用F检验对2组水氡数据方差一致性进行检验,查看方差是否存在显著差异,进而反映测量结果的精密度,计算公式如下

$ F=\frac{V_{\mathrm{A}}}{V_{\mathrm{e}}} $ (2)

式中:VA表示因素偏差平方和;Ve表示误差平方和;统计量FA服从自由度为(FAfe)的F分布,其中,FA为因素偏差平方和的自由度,fe为误差偏差平方和的自由度(邱轶兵,2008胡玉良等,2016)。取显著水平α = 0.05,若FAF0.05 (fAfe),则说明因素A变化的影响大于误差影响,即该因素变化显著。

利用SPSS软件,对FD-105K测氡仪和FD-125测氡仪观测日均值数据进行F检验,结果见表 3。由表 3可见,FD-105K测氡仪日均值标准偏差为1.384 55 Bq·L-1,FD-125测氡仪标准偏差是3.344 30 Bq·L-1,说明2套观测数据差异性显著,不属于等精度观测,未通过F检验。

表 3 F检验结果 Table 3 F-test results
2.3.5 均值一致性检验——t检验

t检验可以表征2组水氡观测数据的平均数差值是否具有显著差异,计算公式如下

$ t=\frac{\bar{x}-\bar{y}}{\sqrt{\frac{s_{x}^{2}}{n_{x}}+\frac{s_{y}^{2}}{n_{y}}}} $ (3)

式中:xy为2套仪器观测数据平均值,x2y2为其样本方差。假设2套测氡仪样本均值无明显差异,取显著性水平α = 0.05,若计算得出tα>|t|,则说明假设成立,即二者均值一致,通过t检验。

利用SPSS软件,对FD-105K和FD-125测氡仪观测日均值进行配对t检验,计算2套观测数据差值的均值、标准偏差、均值标准误差、95%的置信区间以及t检验值、自由度和双侧概率值,结果见表 4。由表 4可见,双侧概率值小于0.05,说明2套数据差值均值存在差异;2套数据差值均值标准误差为0.079 90 Bq·L-1,标准偏差为3.020 35 Bq·L-1,二者悬殊较大,说明2套仪器差值均值不在观测允许误差范围内,即2套仪器均值不一致,未通过t检验。

表 4 配对t检验结果 Table 4 Paired t-test results
3 讨论及结论

在本次研究过程中,笔者发现FD-125测氡仪在使用过程中存在某些局限性:本底随时间增加,附着在室内壁的氡子体难清除,观测后清洗1.5小时才能将本底降至要求范围内;标定(自检、甄别阈值、坪曲线、本底曲线)较难达到要求,个别闪烁室不够稳定,本次标定合格,而下次标定不合格,不得不频繁更换闪烁室,对数据造成一定影响。以上局限性为水氡日常观测带来较大影响。

对2套测氡仪观测数据变化趋势的一致性分析表明,FD-125测氡仪观测数据总体偏低;对2套测氡仪的相关性分析表明,2套测氡仪观测数据相关性较低,在日常观测中存在显著差异;利用标准差和一阶差分方法进行分析,表明2组观测数据离散程度较高、稳定性较差。F检验和t检验表明,2套测氡仪观测数据方差不一致,均值不一致,未通过F检验和t检验。

综上所述认为:洱源温泉井FD-125测氡仪暂时不能替代FD-105K测氡仪,2套仪器观测数据不可进行无缝对接,需继续对比观测,并增加相应震例予以验证。

参考文献
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