2020, Vol. 41
表1(Table 1)
2. 中国河北 065201 防灾科技学院
2. Institute of Disaster Prevention, Hebei Province 065201, China
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，1997；Crockett et al，2006；Erees et al，2007；Ren 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）。
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图 1 洱源台观测井位置 Fig.1 The location of Eryuan observation well |
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。
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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/m3；K为刻度因子，单位为Bq/cpm；Nc和Nb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-1；t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。
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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 |
由图 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。
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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 |
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。
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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）。
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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（FA，fe）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FA ≥ F0.05 (fA，fe)，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。
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表 3 F检验结果 Table 3 F-test results |
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：x和y为2套仪器观测数据平均值，x2和y2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。
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表 4 配对t检验结果 Table 4 Paired t-test results |
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。
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