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烏龜井地震臺(tái)氡值變化分析

2014-04-09 08:55:34
四川地震 2014年1期
關(guān)鍵詞:井水B型烏龜

譚 可

(攀枝花市防震減災(zāi)局 烏龜井地震臺(tái),四川攀枝花 617065)

利用氡值測(cè)定技術(shù)捕捉地震前兆信息,是地震前兆觀測(cè)的基本項(xiàng)目之一。分辨水氡的正常變化和異常變化,排除干擾因素,是利用水氡觀測(cè)值進(jìn)行地震預(yù)測(cè)的重要基礎(chǔ)工作。觀測(cè)資料質(zhì)量的高低直接影響到地震預(yù)報(bào)的成功率。烏龜井地震臺(tái)水氡觀測(cè)為攀枝花市防震減災(zāi)局地震前兆觀測(cè)手段之一,為地震分析預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),每日產(chǎn)出的數(shù)據(jù)除了自己進(jìn)行分析預(yù)測(cè)外,還要向四川省地震局報(bào)送。目前龜井臺(tái)有SD-3B型和FD125型兩套水氡儀,2013年8月中旬以來(lái),這兩臺(tái)測(cè)氡儀所測(cè)水氡濃度觀測(cè)值均持續(xù)下降。2013年9月21日,其中的SD-3B型儀器測(cè)定氡值由前日的32.0 Bq/L突降至14.7 Bq/L;另外的一臺(tái)FD125型儀器在9月21日氡測(cè)值為21.5 Bq/L,22日就突降至8.0 Bq/L。對(duì)于氡濃度出現(xiàn)這么大變化的原因,我們進(jìn)行了各方面的檢查和分析。筆者將SD-3B型與FD125型儀器的觀測(cè)值及年變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比分析,并且結(jié)合2011年9月氡值出現(xiàn)的超幅度不正常變化進(jìn)行總結(jié),找出變化的原因,提升產(chǎn)出數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可用性,為地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)分析和研究提供可靠的依據(jù)。

1 烏龜井地震臺(tái)水氡觀測(cè)地質(zhì)環(huán)境

烏龜井地震臺(tái)共有兩口觀測(cè)用深水井,編號(hào)分別為1號(hào)井和2號(hào)井。其中2號(hào)井作為水氡觀測(cè)取水樣井,該井距離昔格達(dá)斷層30 km;2號(hào)觀測(cè)水井建造年份為1981年2月,開(kāi)始進(jìn)行正常觀測(cè)日期為1981年6月,設(shè)計(jì)使用年限為50年。具體的地質(zhì)情況如下:2號(hào)井在井深170.56 m以上為峨眉山玄武巖,井深170.56~279.70 m為二迭系巖石,井深178.91~273.40 m為陽(yáng)新灰?guī)r,井深273.40~279.70 m為梁山煤組巖石;井深286.82~383.27 m為震旦系燈影灰?guī)r。該井原為自流井,水量大,但2005年初開(kāi)始水流量逐漸減小,到2007年底斷流。斷流后的井水位高低隨降雨量大小變化而變化,烏龜井地震臺(tái)通過(guò)測(cè)量井水靜水面至水井泄流口的高度確定井水位的升降,將井水位的升降變化作為一種輔助觀測(cè)手段。

2 SD-3B型測(cè)氡儀器的應(yīng)用

SD-3B型測(cè)氡儀是以CPU89c52為控制芯片的觀測(cè)系統(tǒng),儀器對(duì)氡濃度進(jìn)行測(cè)量并且打印、顯示氡含量。氡探測(cè)裝置通過(guò)主機(jī)控制,除取水樣和鼓泡需人工操作外,儀器可自動(dòng)測(cè)量和計(jì)算出氡濃度值,并將測(cè)量結(jié)果氡濃度值打印出來(lái)。該儀器于2007年11月在烏龜井地震臺(tái)安裝完畢開(kāi)始正常運(yùn)行。由探頭和高壓顯示盒組成了探測(cè)系統(tǒng),探頭內(nèi)裝有光電倍增管,高壓顯示盒內(nèi)裝有高壓電源調(diào)整板和探測(cè)放大器主板,高壓顯示盒面板上設(shè)置了高壓調(diào)節(jié)電位器,高壓在400~1 200 V范圍連續(xù)可調(diào),用于光電倍增管坪曲線測(cè)試和高壓工作點(diǎn)的選取。該測(cè)氡儀還配有金屬ɑ檢查源,用來(lái)測(cè)量光電倍增管坪曲線和檢查測(cè)氡裝置工作是否正常。測(cè)氡裝置通過(guò)電纜線與SD-3B型測(cè)氡儀主機(jī)相連接。儀器主要技術(shù)指標(biāo)如下:測(cè)量范圍104Bg/L;靈敏度大于120個(gè)記數(shù)/分鐘/(Bq/L);記數(shù)容量106;穩(wěn)定性優(yōu)于±5%;固有本底小于10個(gè)記數(shù);閃爍室抽真空密封條件下10 min內(nèi)閃爍室漏氣不超過(guò)10 mmHg。

從記錄光電倍增管輸出的脈沖頻率可知閃爍室內(nèi)的氡濃度。由于光電倍增管輸出的脈沖幅度較小,且光電倍增管是高壓輸出內(nèi)阻器件,要經(jīng)過(guò)前置放大器及極零相消電路,它將前放輸出的后尾很長(zhǎng)的脈沖變?yōu)闊o(wú)反向突起、寬度為1 μs的尖脈沖。主放大器由兩級(jí)電壓并聯(lián)負(fù)反饋組成,經(jīng)甄別閥值濾除閃爍探頭輸出信號(hào)脈沖中非信號(hào)脈沖干擾,脈沖整形電路將脈沖信號(hào)整形為同幅同寬的方波,送往互補(bǔ)跟隨驅(qū)動(dòng)器,經(jīng)電纜送入主機(jī)CPU計(jì)數(shù)器,自動(dòng)計(jì)算出氡濃度并打印輸出。

2008年以來(lái)攀枝花地區(qū)干旱少雨,2號(hào)觀測(cè)井平均水位也隨之下降,2008年的水位在-0.8 m至-4.3 m之間(注:負(fù)值為靜水面至井口的高度,以此表示井水位的高低,以下同);2009年的水位在-2.33~-5.76 m之間;2010年水位在-4.7~-7.16 m之間;2011年水位在-2~-8.25 m之間;2012年水位在-8.22~-9.88 m之間;到2013年6月30日時(shí)測(cè)得水位已低至-9.97 m。2013年7~8月后攀枝花降雨逐漸增多,井水位開(kāi)始上升。在9月份,常有大到暴雨,2號(hào)井水位開(kāi)始快速上升,至10月22日上升至-3.83 m,井水?dāng)嗔骱髮?duì)水氡值的測(cè)量影響較大。

從2008年到2010年SD-3B水氡儀所測(cè)水氡值年變化曲線可以看到,雖然水氡均值逐年下降,但水氡年變化趨勢(shì)相近似,年初氡濃度值較高,然后下降,到年底時(shí)又回升。觀察發(fā)現(xiàn)氡值與井水位的高低相對(duì)應(yīng),當(dāng)井水位上升時(shí)氡值也上升,井水位下降時(shí)氡值也下降,在2008~2011年均呈現(xiàn)出這樣的變化趨勢(shì)。在2008年到2011年9月間,平均井水位一直下降,而水氡均值也在下降。2011年9月24日SD-3B半自動(dòng)測(cè)氡儀所測(cè)氡值大幅突跳升高,氡值記錄為5.3 Bq/L,較前日值變化達(dá)200%,到了2012年2月中旬以后氡值的變幅上升到50 Bq/L,其后水氡背景值一直在幾十的高值。2013年8月中旬開(kāi)始SD-3B水氡儀所測(cè)水氡值開(kāi)始逐漸下降,2013年9月21日出現(xiàn)突跳下降,由前日的32.0 Bq/L大幅降到14.7 Bq/L,變化幅度達(dá)1倍多。

3 FD125型測(cè)氡儀在烏龜井臺(tái)的應(yīng)用

FD125型測(cè)氡儀由BHC-336定標(biāo)器和FD125型室內(nèi)氡釷分析器組成。2012年10月31日開(kāi)始在烏龜井臺(tái)正式運(yùn)行觀測(cè)。儀器主要技術(shù)性能指標(biāo):閃爍室固有本底(未進(jìn)行射氣測(cè)量)不大于10脈沖每100秒;閃爍室為密封式結(jié)構(gòu),當(dāng)閃爍室內(nèi)殘余氣壓為100 mmHg時(shí),在10分鐘內(nèi),閃爍室漏氣不超過(guò)10 mmHg;輸入脈沖寬度≥0.1 μs;閥值可調(diào)范圍0.1~5 V連續(xù)可調(diào);最高計(jì)數(shù)率≤10 MHz;高壓輸出30~1 500 V連續(xù)可調(diào),輸出極性正或負(fù)。BHC-336定標(biāo)器由單道分析器、定標(biāo)器、ARM9嵌入式系統(tǒng)等組成,內(nèi)置低壓電源及正負(fù)高壓電源。FD125型室內(nèi)氡釷分析器與定標(biāo)器配合使用測(cè)定水樣品中氡濃度。BHC-336定標(biāo)器特點(diǎn),1)儀器在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到環(huán)境電磁干擾、電網(wǎng)穩(wěn)定性、環(huán)境溫度和濕度變化對(duì)儀器的影響,采用了相對(duì)應(yīng)的電子學(xué)措施。因此,工作穩(wěn)定度高,克服了外界干擾對(duì)計(jì)數(shù)器造成的記數(shù)誤差;2)儀器采用了高可靠的ARM9嵌入式系統(tǒng),具有數(shù)據(jù)獲取和處理的強(qiáng)大能力;3)具有很強(qiáng)的和外界通信能力;4)能自動(dòng)控制高壓,對(duì)探頭進(jìn)行坪曲線測(cè)量,自動(dòng)畫(huà)出圖形,方便用戶確定最佳工作條件;5)具有很強(qiáng)的脈沖分辨和適用能力,計(jì)數(shù)率可達(dá)到5 MHz。

FD125型測(cè)氡儀自應(yīng)用以來(lái)運(yùn)行平穩(wěn),所測(cè)氡值與井水位變化相對(duì)應(yīng)。在投入運(yùn)行的最初時(shí)間內(nèi)我們就對(duì)儀器的運(yùn)行情況進(jìn)行過(guò)分析檢查,以熟悉該儀器的性能。選取觀測(cè)首日10月31日氡值分析,主樣40.8,副樣42.0,偏差為 -2.9%,符合要求;11 月1 日氡值主樣37.7,副樣 42.0,偏差為 -11%,偏差較大;11 月3 日主樣39.1,副樣42.3,偏差7.9%;11 月8 日主樣40.4,副樣 44.3,主副樣偏差9%;11 月13 日主樣39.3,副樣42.5,偏差7.8%。這幾日偏差超范圍,其余主副樣平行觀測(cè)值偏差都在3%~5%內(nèi)。在以后的觀測(cè)中,主副樣氡值數(shù)偏差都在合理范圍內(nèi)。但從2013年8月中旬開(kāi)始水氡測(cè)量值逐漸降低,至9月21日降到21.5 Bq/L。9月22日所測(cè)氡值大幅出現(xiàn)突跳變化,突降至8.0 Bq/L,變幅達(dá)1倍以上。這一變化趨勢(shì)與SD-3B型測(cè)氡儀同步。

4 討論

研究水氡正常動(dòng)態(tài)特征及機(jī)理以分辨水氡的正常變化和異常變化,排除各種干擾因素從而提取真正的地震前兆信息,是利用水氡預(yù)報(bào)地震的一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性工作,也是取得良好預(yù)報(bào)效果的關(guān)鍵。在水氡值出現(xiàn)一些超幅度異常變化后,遵循下列程序進(jìn)行相關(guān)檢查:1)首先對(duì)儀器進(jìn)行相關(guān)檢查,確定儀器工作正常,排除儀器自身的問(wèn)題。同時(shí)進(jìn)行加密對(duì)比跟蹤觀測(cè),早上正常觀測(cè)后,下午再做1次對(duì)比觀測(cè),每套儀器的2次測(cè)值差別不大,兩套水氡儀測(cè)量氡濃度變化趨勢(shì)一致。2)每日觀測(cè)在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi),使用擴(kuò)散器負(fù)壓法取樣,嚴(yán)格按照水氡觀測(cè)技術(shù)規(guī)范操作,排除了取樣條件和測(cè)試條件的改變。3)調(diào)查氣象因素,分析地下水動(dòng)力條件的改變。2013年8月中旬開(kāi)始,攀枝花的雨水逐漸增多,9月份更是經(jīng)常下大到暴雨。觀測(cè)井水位隨著降雨的增多從8月初開(kāi)始上漲,到9月以后上升更加迅速,至10月24日井水位已由8月1日的-9.31 m上升到了-3.83 m位置。

結(jié)合近幾年的水氡觀測(cè)資料和井水位變化情況分析,將井水位的變化分為三個(gè)時(shí)期,從三個(gè)時(shí)期來(lái)看井水位的變化對(duì)氡值的影響。第一,2007年底井水?dāng)嗔骱蟮?011年底,由于連年干旱少雨,缺少降水和地下水補(bǔ)給,井水位持續(xù)波動(dòng)下降,2011年底以前這一期間井水位在-8 m以上。同期水氡背景值在10 Bq內(nèi)隨水位的變化而變化,且水氡均值隨井水位逐年下降而降低。第二,2012年到2013年7月初這段時(shí)間,井水位持續(xù)下降,最低降到-9.97 m。在水位降到-8 m時(shí),水氡值開(kāi)始與井水位呈反方向變化,氡值出現(xiàn)上升變化趨勢(shì)。在2012年1月當(dāng)井水位下降到-8m以下時(shí),氡值變幅增大。隨著井水位的繼續(xù)下降,氡值變幅可達(dá)1倍以上,出現(xiàn)雪崩式跳變上升。這一時(shí)期的氡值濃度背景值在幾十的范圍內(nèi)。第三,2013年7月開(kāi)始,攀枝花降雨增多,井水位開(kāi)始迅速上升,氡測(cè)值卻開(kāi)始下降,起初認(rèn)為是降雨形成的地表水大量滲入使含水體被稀釋,從而氡值隨井水位的上升而下降。在9月份連續(xù)大到暴雨極端氣象天氣的出現(xiàn),降水和地下水大量滲入補(bǔ)給2號(hào)井,使井水位急速上升,井水位高于-8 m后,氡值變幅增大。當(dāng)井水位繼續(xù)上升,氡值變幅可達(dá)1倍以上,出現(xiàn)雪崩式跳變下降。所以在9月21日FD125型儀器的氡觀測(cè)值為21.5 Bq/L,9月22日氡值跳降至8.0 Bq/L。SD-3B型測(cè)氡儀幾乎同時(shí)出現(xiàn)這一變化,9月20日測(cè)值為32.0 Bq/L,9月21日測(cè)值突降至14.7 Bq/L。在隨后階段,氡濃度背景值在10 Bq/L以內(nèi)隨井水位變化而變化。

通過(guò)以上分析認(rèn)為井水位在-8 m處是臨界點(diǎn),在此上下是兩個(gè)平衡狀態(tài)。當(dāng)干旱少雨,外來(lái)滲入補(bǔ)給水不足,出現(xiàn)井水位低于-8 m這樣一種狀態(tài)時(shí),為平衡狀態(tài)。此時(shí)很少地表水滲入,觀測(cè)井水也少有外滲流出補(bǔ)給他處,溶解在井水中的氡富集度較高,水氡背景值在幾十這樣一個(gè)較高值的范圍內(nèi)變化。當(dāng)降水增加,地下水滲入增加,井水位上升,同時(shí)觀測(cè)井水向外流出,造成地下水動(dòng)力條件改變。這一累積變化突破前一狀態(tài)臨界點(diǎn)后氡值就會(huì)出現(xiàn)突發(fā)性的下降。在井水位高于-8 m后,由于大量滲入的地表水稀釋,和觀測(cè)井水向外流出帶走大量溶解氡,這一狀態(tài)下氡濃度較低,水氡觀測(cè)背景值在一個(gè)較低值范圍內(nèi)變化。在水氡的正常年變化過(guò)程中,一旦受降雨量影響,使井水位的下降或上升突破-8 m這一臨界點(diǎn)后,就會(huì)引起水氡值的突發(fā)性上升或下降,氡濃度會(huì)在高、低不同的兩種背景值狀態(tài)間轉(zhuǎn)換,且雪崩式完成這一過(guò)程。所以認(rèn)為近期水氡超幅度異常變化是由于降雨驟增,地下水動(dòng)力條件改變引起的平衡態(tài)轉(zhuǎn)換所致。

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