懷來(lái)臺(tái)不同脫氣集氣裝置對(duì)氣氡觀測(cè)的影響分析

張帆，池海江，王江，張鳳秋，王銳鋒

(1.河北省地震局張家口中心臺(tái)，河北張家口 075000；2.河北省地震局，河北石家莊 050021)

0 引 言

SD-3A數(shù)字測(cè)氡儀是對(duì)井(泉)口通過(guò)脫氣與集氣裝置引出的氣體進(jìn)行測(cè)量，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水中氣體的自動(dòng)連續(xù)觀測(cè)，懷來(lái)地震臺(tái)針對(duì)不同觀測(cè)條件，不同的觀測(cè)井(泉)的類(lèi)型，安裝了三種不同方式的脫氣集氣裝置：①在懷4井自流熱水井中，采用濺落式桶狀水氣分離裝置[1]，目前我國(guó)地震地下流體觀測(cè)臺(tái)站中使用最多的是濺落式桶狀水氣分離器；②在懷3井土壤氣孔中，利用集氣漏斗方式，采集測(cè)量土壤層觀測(cè)孔中自然逸出的氣體中氡值濃度的變化；③在礬山地震臺(tái)2號(hào)泉(自流冷水)中，采用鼓泡式水氣分離裝置，利用空氣作為載體把鼓出的氣引出。因此，通過(guò)三種不同的集氣裝置進(jìn)行氣氡觀測(cè)，不僅可以分析不同方式的氡觀測(cè)資料之間的差異與影響因素，而且能夠?yàn)榈卣鹎罢桩惓５淖R(shí)別提供很好的基礎(chǔ)[2-3]。

1 逸出氣氡、土壤氣氡簡(jiǎn)介

1.1 臺(tái)站概況

懷來(lái)地震臺(tái)(40°18′N(xiāo)，115°30′E)地處京西北，位于延慶—懷來(lái)盆地的西南緣。地貌上為被侵蝕的山前洪積扇的下部，與河流沖積平原相鄰。構(gòu)造部位處于燕山褶斷帶與祁呂賀蘭山字型構(gòu)造東翼，反射弧復(fù)合部位[4]。懷來(lái)—蔚縣大斷裂帶從本區(qū)東南穿過(guò)。此斷裂帶以北還有祁呂系歪頭山—萬(wàn)家窯斷裂帶，北西向的施莊大斷裂帶在延慶—懷來(lái)盆地的西南緣。

1.2 觀測(cè)井(泉)概況

懷4井地面海拔高程為487.0 m，井深500.34 m，觀測(cè)含水層是頂板埋深為278.5 m的太古界片麻巖破碎帶熱水層，揭露含水層厚度>221 m。懷4井成井于1972年，該井為高溫?zé)崴粤骶?，水化學(xué)類(lèi)型為 SO4-Na型[5]，礦化度為0.962 g/L，逸出氣氡觀測(cè)采用濺落式桶狀脫氣集氣裝置(圖1a)，脫氣桶高75.0 cm，底部直徑30.0 cm，水流量平均0.355 L/s。2007年對(duì)懷4井進(jìn)行了改造，保證了數(shù)字化及模擬觀測(cè)資料的連續(xù)性。與此同時(shí)，該井水汞在1989年大同6.1級(jí)地震、1997懷安4.7級(jí)地震、1998年張北6.2級(jí)地震、2002年沙城4.4級(jí)地震和2014年涿鹿4.3級(jí)地震前均有較好的短臨異常出現(xiàn)。

懷3井，孔口標(biāo)高3.0 m。井深288.0 m，觀測(cè)層含水層巖性為第三系粗礫砂巖。井區(qū)熱水產(chǎn)于太古界片麻巖和上侏羅系熔結(jié)凝灰?guī)r中[6]，沿北西向和北東向兩組構(gòu)造裂隙交匯處溢出基巖。懷3井成井于1971年，由于斷流影響后改造為土壤氣觀測(cè)井，集氣方式采用漏斗方式，塑料材質(zhì)放置于地下約5.0 m處(圖1b)。

礬山泉位于礬山盆地中部，礬山鎮(zhèn)以西1.0 km處的水磨村西。在水文地質(zhì)分區(qū)上屬于壩下洋河、桑干河盆地水文地質(zhì)平原孔隙水區(qū)[7]。泉水出露于第四系上更新統(tǒng)沖、洪積層中，泉口處可見(jiàn)砂、礫石，水溫10.0～15.0 ℃。因礬山地震臺(tái)為地方臺(tái)站，暫無(wú)水流量及氣象輔助觀測(cè)。礬山泉由當(dāng)?shù)亟ǔ沙靥粒靥了婷娣e約385.0 m2，池塘最深處30.0 m，在泉眼的出水口安裝引水管到達(dá)室內(nèi)進(jìn)行氣氡觀測(cè)，逸出氣氡脫氣集氣方式為鼓泡式水氣分離裝置(圖1c)。

圖1 懷來(lái)地震臺(tái)三種不同脫氣集氣裝置

2 觀測(cè)概況

2.1 儀器測(cè)量原理

SD-3A是自動(dòng)測(cè)量逸出氣氡濃度隨時(shí)間變化的新型數(shù)字化測(cè)氡儀，由氡探測(cè)裝置與主機(jī)組成。氡探測(cè)裝置由閃爍室與光電倍增管組成，由井口的脫氣—集氣—引氣裝置提供的含氡氣體進(jìn)入閃爍室時(shí)，經(jīng)放射性衰變生成α粒子并轟擊閃爍室內(nèi)壁上的ZnS(Ag)并產(chǎn)生光子，光子在光電倍增管變成光電子并形成電子流，產(chǎn)生電脈沖信號(hào)；由于α粒子數(shù)量與氡濃度有關(guān)，可由電脈沖信號(hào)的頻次測(cè)量得知氡濃度[8]。儀器的靈敏度為≥150(計(jì)數(shù)/分)/(Bq/L)，固有本底≤20 計(jì)數(shù)/分，測(cè)量范圍為(0.1～1)×104Bq/L，穩(wěn)定性為±10%，采樣率為1次/小時(shí)。我國(guó)地震水文地球化學(xué)觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)中，“九·五”期間開(kāi)始，到“十·五”地震前兆觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)”期間推廣應(yīng)用此類(lèi)測(cè)氡儀，實(shí)現(xiàn)了氡觀測(cè)由模擬觀測(cè)進(jìn)入數(shù)字化觀測(cè)的新階段，可測(cè)得每日井(泉)水或土壤氣中氡濃度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)[9]。

2.2 脫氣集氣裝置設(shè)計(jì)原理

2.2.1懷4井濺落式脫氣裝置

由于懷4井是高溫含氟熱水自流井，為達(dá)到更好的脫氣效果，采用濺落式。脫氣桶由桶體、進(jìn)水管、出氣管 、雙層濺水盤(pán)、底座和泄水管等組成。其中，脫氣桶利用不銹鋼板氬弧焊焊接而成；第一層為使熱水較充分的濺落[10-11]，濺水盤(pán)用扁鋼和桶體壁固定制作為篩狀濺水盤(pán)；第二層濺水盤(pán)用鋼管和底座固定，使高溫?zé)崴蚊摎狻?/p>

2.2.2 懷3井土壤氣氡集氣裝置

懷3井土壤氣氡觀測(cè)是河北省地震局為數(shù)不多的氣體化學(xué)連續(xù)觀測(cè)測(cè)項(xiàng)。由于觀測(cè)對(duì)象為土壤中自然逸出的氣氡，所采用的是集氣漏斗方式進(jìn)行觀測(cè)，在地表以下約5.0 m放置集氣漏斗，緩慢集氣測(cè)得土壤中氣氡含量。

2.2.3 礬山泉自吸式鼓泡脫氣裝置

礬山泉(自流冷水)采用自吸式鼓泡脫氣集氣裝置。其原理是在有一定壓力的水流作用下水從裝置的上部射流到管徑較大的氣水混合管內(nèi)形成無(wú)壓管路的高速水流。由于有一定的的落差，會(huì)形成負(fù)壓，并吸入大量的空氣形成摻氣水流。水流到達(dá)鼓泡室后，水中的空氣便從水中逸出，在逸出時(shí)把水中溶解的氣體帶出[12]。

3 觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

由表1可看出，三者測(cè)值變化幅度較大。雖然儀器都是SD-3A型，但是由于觀測(cè)對(duì)象不同，脫氣集氣裝置不同，造成數(shù)據(jù)曲線不同[13]。

表1 三種不同觀測(cè)方式氣氡動(dòng)態(tài)特征對(duì)比

由曲線看出，懷4井(自流高溫?zé)崴?逸出氣氡年變規(guī)律不明顯，基本呈平穩(wěn)型，平均測(cè)值為62.9 Bq/L。2019年6～7月測(cè)值升高，原因有兩方面：①由于懷4井為高溫?zé)崴?，水溫達(dá)到 77.0 ℃，濺落式脫氣集氣裝置在高溫含氟的環(huán)境下，觀測(cè)使用時(shí)間較長(zhǎng)容易銹蝕，造成數(shù)據(jù)不穩(wěn)定；②6～7月水位達(dá)到最高值，水流量變大，進(jìn)行更換脫氣桶后，脫氣氣體含量增多，造成測(cè)值升高(圖2a)。

懷3井土壤氣氡主要指觀測(cè)到的由土壤層觀測(cè)孔中自然逸出的氣體中氡濃度的變化，通過(guò)多年對(duì)比分析其年動(dòng)態(tài)規(guī)律較明顯(圖2b)，動(dòng)態(tài)特征是上、下起伏，但起伏度幅度較為穩(wěn)定，年變化幅度一般小于7.0 Bq/L，平均測(cè)值為8.1 Bq/L。

礬山泉(自流冷水)逸出氣氡曲線動(dòng)態(tài)較差，變化幅度亦較大。通過(guò)多年數(shù)據(jù)對(duì)比分析，2018年曲線有動(dòng)態(tài)變化特征，而2017年、2019年及2020年上半年發(fā)現(xiàn)測(cè)值不穩(wěn)定，基本為空氣值。由于礬山地震臺(tái)2020年轉(zhuǎn)接由懷來(lái)地震臺(tái)管理其業(yè)務(wù)工作，為了判斷正確的合理背景值，2020年6月對(duì)礬山地震臺(tái)數(shù)字化觀測(cè)氣氡進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)主要原因在于脫氣集氣裝置使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成管路堵塞，沒(méi)有達(dá)到“脫氣”的效果，2020年6月22日在人為疏通并清洗脫氣集氣裝置之后，測(cè)值與2018年數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)可對(duì)比(圖2c)，同時(shí)與該泉FD-125模擬水氡測(cè)值相比較，測(cè)值符合動(dòng)態(tài)變化。

圖2 三種不同脫氣集氣方式氣氡觀測(cè)對(duì)比曲線

4 不同集氣裝置氣氡觀測(cè)資料影響因素分析

4.1 懷4井逸出氣氡影響因素

4.1.1 脫氣集氣裝置

懷4井氣氡觀測(cè)使用的脫氣桶已近9年，由于該井是高溫?zé)崴?，且含氟量較高，導(dǎo)致管道及脫氣桶已大部分堵塞，造成測(cè)值不穩(wěn)定。2019年3月29日進(jìn)行更換脫氣集氣裝置，曲線形態(tài)緩慢下降到急劇上升，數(shù)據(jù)變化幅度達(dá)到32.0 Bq/L，2019年4月1日數(shù)據(jù)恢復(fù)到正常背景值。

4.1.2 降雨量

懷4井氣氡在每年7～8月會(huì)有不同程度的起伏變化，通過(guò)2018～2019年氣氡測(cè)值與降雨量整點(diǎn)值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，升高的原因主要有兩方面原因：一方面受降雨量的影響(圖3)，另一方面2019年當(dāng)?shù)氐責(zé)豳Y源限制開(kāi)發(fā)利用，周邊溫泉禁止?fàn)I業(yè)，2020年懷4井主井口水位已達(dá)到地面上方1.2 m處，水位升高，進(jìn)入脫氣桶的水流量增多，同期對(duì)比變化幅度增高。

圖3 懷4井逸出氣氡與降雨量2018～2019年整點(diǎn)值對(duì)比曲線

4.2 懷3井土壤氡影響因素

4.2.1 氣溫

氣溫對(duì)土壤氣氡觀測(cè)具有明顯的影響。選取2017～2018年的氣溫與氡值資料進(jìn)行分析，通過(guò)繪制整點(diǎn)值曲線發(fā)現(xiàn)：氣溫和氡值呈正向變化的形態(tài)(圖4)，兩者表現(xiàn)出幾乎同步變化的態(tài)勢(shì)，即氣溫升高氡值升高，反之則降低。

圖4 懷3井2017～2018年土壤氣氡與氣溫整點(diǎn)值對(duì)比曲線

4.2.2 集氣裝置

選取2018～2020年氣氡日均值數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。由于集氣漏斗放置在地下5.0 m處，塑料材質(zhì)，觀測(cè)使用已達(dá)到10年，2020年通過(guò)氣體流量計(jì)發(fā)現(xiàn)，采集氣體體積減少。2019年土壤氣氡測(cè)值同期對(duì)比降低約6.0 Bq/L(圖5)，2020年測(cè)值降低約7.0 Bq/L，測(cè)值降低幅度不斷增大，判斷集氣漏斗存在老化漏氣現(xiàn)象。為提高觀測(cè)質(zhì)量，懷來(lái)地震臺(tái)計(jì)劃2020年“幫扶”工作進(jìn)行，重新更換集氣裝置。

圖5 2018～2020年懷3井土壤氣氡日均值曲線

4.3 礬山泉逸出氣氡影響因素

礬山泉礬山逸出氣氡主要干擾因素就是脫氣集氣裝置影響，由于其氣氡測(cè)項(xiàng)很長(zhǎng)時(shí)間背景值較低，含量接近空氣值，并且數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，臺(tái)站人員無(wú)法正確的認(rèn)識(shí)其合理的背景值。2020年6月進(jìn)行檢查，儀器工作正常，周邊無(wú)人為及其他干擾，但是發(fā)現(xiàn)脫氣集氣裝置因長(zhǎng)久使用觀測(cè)，造成管路堵塞，無(wú)法自吸脫氣，經(jīng)臺(tái)站人員清洗后，脫氣效果顯著，氣體含量增多，結(jié)合該臺(tái)模擬水氡對(duì)比分析，逸出氣氡觀測(cè)恢復(fù)合理的動(dòng)態(tài)變化(圖6)。由曲線看出，逸出氣氡觀測(cè)中脫氣集氣裝置的正常與否直接影響到數(shù)據(jù)觀測(cè)及內(nèi)在質(zhì)量，對(duì)于臺(tái)站，及時(shí)檢查維護(hù)脫氣裝置是運(yùn)維的重要環(huán)節(jié)。由于礬山地震臺(tái)無(wú)氣象三要素測(cè)項(xiàng)，因此，礬山泉?dú)鉁?、氣壓、降雨量與逸出氣氡之間的關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。

圖6 礬山泉逸出氣氡2020年6月5日～9月30日整點(diǎn)值曲線

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

通過(guò)對(duì)三種不同觀測(cè)井(泉)類(lèi)型，不同脫氣集氣裝置的氣氡觀測(cè)資料對(duì)比與影響分析，得出以下結(jié)論與認(rèn)識(shí)。

(1)懷4井逸出氣氡主要受到脫氣裝置及降雨量的影響，呈現(xiàn)平穩(wěn)性動(dòng)態(tài)變化特征；礬山泉逸出氣氡因合理背景值數(shù)據(jù)較少，動(dòng)態(tài)變化特征還需進(jìn)一步研究，但受脫氣集氣裝置影響較大。

(2)懷3井?dāng)鄬油寥罋怆庇^測(cè)主要受氣溫影響，具有明顯起伏動(dòng)態(tài)變化特征，而受集氣裝置影響相對(duì)較小。

(3)通過(guò)分析三種不同方式的氣氡觀測(cè)，對(duì)于逸出氣氡觀測(cè)，引起氣氡測(cè)值變化的原因：一方面，脫氣裝置管路堵塞；另一方面，脫氣桶在高溫含氟熱水井觀測(cè)應(yīng)用中易腐蝕，造成脫氣效果減弱，而土壤氣氡集氣裝置影響則較小，僅存在裝置老化現(xiàn)象。因此對(duì)于高溫?zé)崴叭?lèi)型觀測(cè)氣氡應(yīng)固定檢查更換及清洗脫氣裝置，確保裝置的穩(wěn)定性和合理性對(duì)于獲取可靠的觀測(cè)結(jié)果具有重要的作用。