摘要：基于水氡濃度為20 000～100 000 Bq·m-3的新09泉、新10泉和新15泉，利用國際刻度參考裝置Alpha GUARD測氡儀及其水氡測量組件，開展標準儀器傳遞校準實驗研究，校準K值相對誤差分別為3.60%、-0.81%及2.09%。實驗結果與氡氣固體源校準結果對比表明，水氡濃度在 20 000 Bq·m-3以上水樣可以通過標準儀器校準新方法檢驗，且利用不同水氡濃度的泉水不會影響校準結果準確性。新疆地球物理觀測中心可利用高氡濃度的日常監(jiān)測泉，將Alpha GUARD測氡儀作為標準儀器對FD-125型氡釷分析儀進行校準，從而替代固體氡源校準。本研究為地震監(jiān)測氡觀測的校準新方法操作技術規(guī)程及推廣試用提供了數據支撐。

關鍵詞： 地震監(jiān)測； 水氡； K值； 標定方法； Alpha GUARD測氡儀

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2024.03.006

氡觀測是國際公認的地震監(jiān)測手段之一。在中國地震局地下流體監(jiān)測臺網中，氡與水位并列作為兩大主測項［1］。國外早在20世紀70年代開始開展氡觀測與地震預報，日本于1977年提出利用地下水中氡進行地震預測［2］。國外氡觀測主要以土壤氡觀測為主，兼有少量的水氡觀測。Erees等［3］利用ZnS（Ag）閃爍計數器測量氡濃度，研究了地震與代尼茲利盆地斷層沿線溫泉水中氡濃度之間的關系，發(fā)現在2000年5―12月，研究區(qū)中2個站點的氡濃度增加與研究期間發(fā)生的地震有關。Crockett等［4］在英國東米德蘭茲郡北安普敦安放了兩個相距2.25 km的小時采樣RAD-7氡探測器，氡氣時間序列分析顯示，在2002年9月英國達德利MS5.0地震之前，兩個時間序列同時顯示出同相短期（6～9 h）氡異常。中國學者通過總結梳理1976年松潘―平武MS7.2地震前水氡濃度的異常特征，發(fā)現震中區(qū)松潘及以北地區(qū)一些泉點水氡出現長達5年左右的趨勢性升高異常和短期臨震異常［5］。2008年汶川MS8.0地震后，中國大陸地震地球化學觀測網的148個有效氡觀測點中有30個氡測點在震后有明顯變化［6］。

氡及氡子體探測器有很多種，如碳探測器、正比計數器、ZnS閃爍室和電離室等。所有這些儀器都需要在特定的環(huán)境條件下進行校準?！皹藴孰笔摇本褪菫榭潭取⑿蕼y氡儀提供參考氡氣（222Rn）的裝置［7］。韓國標準科學研究院（KRISS）建造了氡校準室［8］，可在各種環(huán)境條件下對氡及氡子體探測器進行測試和校準，主室尺寸為3.2 m×3.3 m×2.4 m，總容積為39.1 m3，艙內氡濃度最高可維持在250 k Bq·m-3，溫濕度分別控制在10 ℃～40 ℃和30%～80%。國家計量科學研究院（中國NIM公司）也研制了222Rn活度的絕對標準化裝置作為首要標準，以保證在各種條件下222Rn測量的可溯源性［9］。中國地震地下流體監(jiān)測中水氡一般采用FD-125閃爍法氡釷分析儀，氣氡觀測采用自動測氡儀［10-11］。FD-125型測氡儀閃爍室K值標定，就是在正常工作環(huán)境條件下用已知氡含量的放射標準鐳源（或標準氡量）按照測定樣品時的相同方法和操作步驟進行測量。由此求得的換算系數稱作閃爍室K值［12］。在條件允許的情況下，應定期將放射源送至權威檢測機構進行檢測，確保標定其標準分配活度值的準確性。由于閃爍室在使用過程中氡及其子體的α離子對閃爍室內壁不斷沖擊使硫化鋅銀閃爍體涂層變薄或局部脫落或有灰塵附著導致記錄到的脈沖數減小K值增大，這樣會導致參與水氡計算的K值小于真實值，進而使計算的水氡值小于真實值，出現誤差，因此需要對水氡測值誤差進行校正［13］。

由于中國固體氡氣源運輸受到放射性監(jiān)管的嚴格限制，傳統的固體氡源傳遞校準方法受到影響。中國地震局地下流體學科組經過前期調研，利用具有國際認可準確性Alpha GUARD測氡儀作為標準傳遞儀器開展了校準實驗［14］，實驗結果初步滿足目前地震監(jiān)測氡觀測校準技術要求。然而，科學合理使用標準儀器校準傳遞校準法還存在一些待研究的影響因素。如目前中國氡觀測臺站的氡樣品體積活度（濃度）有較大差異性。前人雖然已通過研究獲得標準儀器校準所需最低水氡體積活度［15］，其實驗的最高氡濃度僅為10 000 Bq·m-3，超10 000 Bq·m-3的氡體積活度是否適合繼續(xù)采用標準儀器傳遞法進行校準實驗，較高氡活度體積對校準結果是否會有影響，尚未有相關研究。因此，本研究基于新疆地震地下流體監(jiān)測中水氡濃度均在20 000 Bq·m-3以上的新09泉、新10泉和新15泉，利用Alpha GUARD P2000F測氡儀作為標準傳遞儀器，開展水氡校準新方法研究。

1 氡觀測介紹

新09泉、新10泉位于紅雁池水庫南緣，構造處于柳樹溝—紅雁池逆沖斷裂及其派生斷裂的交會部位，新09泉含水層為二疊系砂巖、礫巖，新10泉含水層為二疊系砂巖、礫巖和少量油頁巖。新15泉地質構造上處于烏魯木齊山前拗陷帶水磨溝背斜，泉水沿二疊系砂巖及薄層灰?guī)r中滲出，屬基巖裂隙潛水類型（圖1）。分析新09泉、新10泉及新15泉的水樣氫氧同位素結果表明，泉水系大氣降水補給［16］。

新疆地球物理觀測中心流體實驗室自1979年開始進行水氡測項觀測，自觀測以來，新09泉、新10泉和新15泉水氡值背景清晰，且具有一定的年變化規(guī)律（圖2），近10年的水氡濃度均值分別在40 000、25 000、70 000 Bq·m-3。歷史震例表明，新10泉水氡值的變化對新疆及鄰近地區(qū)的7級地震有較強的指示意義，異常特征形態(tài)為趨勢上升—轉折—下降恢復背景值，變化幅度為5 000～10 000 Bq·m-3，持續(xù)時長為20～40個月。新10泉水氡趨勢異常是新疆地區(qū)7級地震重要的判定指標之一［17］。

Alpha GUARD測氡儀是德國生產的具有國際公認的氡標準刻度設備。該儀器具有良好的穩(wěn)定性與準確性，被廣泛應用于環(huán)境、礦山及斷層氡氣測量［18-19］，同時它具有作為傳遞標準的功能。因此，中國地震局從國外引進Alpha GUARD測氡儀，利用其對一定濃度水氡樣品進行準確定值，從而替代氡氣固體源進行氡觀測儀器的校準。

2 標準儀器校準

2.1 觀測儀器原理

不同于閃爍法測氡儀，Alpha GUARD測氡儀采用的是脈沖電離室探測器，當氣體進入電離室探測器后，氡及其子體衰變產生的α粒子在電場的作用下，在收集極（陰極）形成電壓脈沖，脈沖數與α粒子數成正比，即與氡濃度成正比。Alpha GUARD系列測氡儀可以快速測量空氣、土壤和水中的氡濃度，同時給出溫度、濕度及大氣壓值。利用Alpha GUARD測氡儀作為標準儀器進行傳遞校準時，將Alpha GUARD、待標定的FD-l25測氡儀閃爍室、裝有水樣的鼓氣瓶、抽氣泵及干燥管等串聯，形成一個串聯的閉合循環(huán)系［15］（圖3）。校準（標定）即求閃爍室的K值，閉合系統內測得的氡值是整個系統氡體積活度，即閃爍室內氡的活度，FD-125氡釷分析儀的閃爍室體積為0.25 L，定標器可獲得閃爍室脈沖計數，用活度除以脈沖計數就可求得K值［14］。

2.2 不同氡濃度的標準儀器傳遞校準實驗

前人研究受限于所選用的水樣中天然水氡濃度，結果只獲得了能夠開展標準儀器校準法的最低條件，而無法進行較高濃度的不同天然水樣對校準結果的影響研究。本研究利用新疆地球物理觀測中心日常監(jiān)測的水氡濃度在20 000 Bq·m-3以上的新09泉、新10泉及新15泉，進一步探究不同高氡濃度對校準實驗結果的影響。實驗操作步驟如下：

（1） 裝置連接：用硅膠管將Alpha GUARD P2000F測氡儀、Aqua KIT鼓氣瓶、閃爍室、Alpha抽氣泵及干燥管等串聯成一個閉合循環(huán)系統，注意鼓氣瓶的出氣口端與閃爍室直接連接。

（2） 儀器采數

開啟Alpha GUARD P2000F測氡儀，設置測量周期10 min，保證測氡儀本底低于80 Bq·m-3，閃爍室本底低于15 脈沖/min，用CPM表示。將采集的泉水樣品倒入鼓氣瓶，插入排氣栓，當顯示新的測值時，記為C0，打開抽氣泵，鼓泡10 min后停止，用止血鉗夾住閃爍室兩端，此時儀器顯示值記為第1個測值，開始靜置并計時。Alpha GUARD P2000F繼續(xù)測量20 min，每10 min測量一個值，得到第2個與第3個值。取第2個與第3個值的算數平均值為系統氡濃度，計為CA。將閃爍室靜置1 h，用定標器讀取其10 min的脈沖計數，記為N。

（3）K值計算

Alpha GUARD P2000F得到的氡濃度數值需進行氣壓與溫度修正。氣壓修正及溫度修正公式［14］分別為

CP=CA×{1+［-0.18×（（P-1013）/1013）×（P/（P-620））］} .（1）

CT=CA×{1+［0.97×（（T-20）/293）×（130/（130-T））］} . （2）

式中：Cp為氣壓修正后的氡濃度；CT為氣溫修正后的氡濃度；CA為Alpha GUARD P2000F讀數顯示氡濃度，經過氣溫和氣壓修正后的氡濃度為CRn=Cp×CT/CA，CRn為氣壓+氣溫修正后的氡濃度。

K=（CRn×V）/（N×10-6） .（3）

式中：K為閃爍室換算系數，單位Bq·CPM-1;V為閃爍室的體積，0.25 L；N為閃爍室的脈沖計數，CPM；CRn為經過氣壓、氣溫校準后的氡濃度，單位Bq·m-3。

由于泉監(jiān)測點距實驗室較遠，在15～20 km外，因此實驗所用泉水取樣頻率為每日一次。閃爍室每測試1個K值后，需要抽真空降本底，耗費的時間較長，所以實驗雖然測試的是同一個閃爍室，但采用的泉水樣不同，每天基本只能進行一次實驗，因此測試基本都是在不同日期下完成。Alpha GUARD P2000F測氡儀器顯示的氡體積活度與測試條件如溫度、濕度及氣壓等均存在差異，所以在對儀器所測數值進行校正時也有考慮。針對8078#閃爍室，利用新09泉、新10泉和新15泉水樣，在2023年8月各進行5次標準儀器傳遞校準實驗，每組實驗求得5個K值，去掉一個最高值與一個最低值，取余下3個K值的算術平均，得到閃爍室的3組K值分別為0.008 92、0.008 54、0.008 79 Bq·CPM-1。閃爍室原K值為0.008 61，由此計算出標準儀器傳遞校準實驗所獲得新K值的相對標準偏差分別為3.60%、-0.81%及2.09%。按照《地震水文地球化學觀測技術規(guī)范》中水氡標定的要求，新K值與原K值相對標準偏差的絕對值要小于5%，認定為標定符合要求［20］。由此，本研究所測的3組新K值符合水氡標定要求。具體測試結果見表1。

3 氡氣固體源校準

前述實驗確定了Alpha GUARD P2000F標準儀器傳遞校準法可以達到地震監(jiān)測水氡標定要求。為進一步確定標準儀器傳遞校準是否能夠代替氡氣固體源標定法，需將兩種標定方法對同一閃爍室標定獲得K值進行對比。因此，根據《地震水文地球化學觀測技術規(guī)范》中操作要求，采用RN-FD型循環(huán)式氡氣固體源對FD-125閃爍室8078#進行校準。將RN-FD型循環(huán)式氡氣固體源、FD-125閃爍室及抽氣泵連接成一個閉合循環(huán)系統，循環(huán)20 min，測試完成后，將閃爍室密封靜置1 h，然后用FD-125定標器測定其脈沖計數。結合高壓—本底、高壓—計數率坪曲線選定工作高壓-560 V（圖4）。

2023年9月13日、9月14日和9月15日分別對編號8078#閃爍室進行了3次標定，根據固體標準源計算公式［20］K＝Bq/（N-N0），獲得3個K值，取其算術平均值，標定獲得閃爍室的新K值為0.008 94，該閃爍室原K值為0.008 61，新K值與原K值的相對偏差為3.83%。實驗具體參數及過程記錄見表2。

4 標準儀器校準與氡氣固體源校準結果對比分析

通過氡氣固體源和標準儀器傳遞兩種校準方式對FD-125氡釷分析儀的8078#閃爍室進行標定。對比兩種方法標定結果，無論是采用RN-FD固體氡氣源校準或是利用地震監(jiān)測泉（新09泉、新10泉、新15泉）進行Alpha GUARD P2000F標準儀器傳遞校準（圖5），兩種方法獲得閃爍室K值在0.008 54～0.008 94 Bq·CPM-1之間，且兩種標定方法所得新舊K值間的相對誤差（RD）絕對值均小于5.0%，標定結果可靠有效。

分析結果表明烏魯木齊新09泉、新10泉和新15泉均可用于標準儀器傳遞校準，且校準所得K值不受泉水高氡活度的影響。由此，我們認為Alpha GUARD P2000F標準儀器傳遞校準法可以替代氡氣固體源傳遞校準法，新疆地區(qū)可以實現地震水氡觀測無源標定。

5 結論與討論

利用Alpha GUARD P2000F測氡儀，對3個高水氡濃度的地震監(jiān)測泉開展標準儀器傳遞校準實驗，并與氡氣固體源校準結果進行對比分析。得到以下認識：

（1） 兩種標定方法獲得的新K值與原K值的相對偏差均在±5%范圍之內，滿足地震監(jiān)測氡觀測標定技術規(guī)范要求，進一步論證了Alpha GUARD P2000F標準儀器傳遞校準法可以代替氡氣固體源傳遞校準法。

（2） 前人研究認為只要保證閉合系統內Alpha GUARD P2000F測氡儀顯示的氡體積活度大于1 000 Bq·m-3，即可進行標準儀器傳遞校準實驗，且氡體積活度越大，實驗效果越優(yōu)。本實驗中所用新09泉、新10泉和新15泉的水中溶解氡濃度在20 000 Bq·m-3以上，與前人研究結論一致。

（3） 通過對比不同濃度的氡體積活度的標準儀器校準實驗，發(fā)現20 000 Bq·m-3以上氡體積活度對標準儀器傳遞校準結果沒有影響，實驗所獲得K值更為理想。

（4） 新疆地震監(jiān)測中氡測項的標準儀器傳遞校準工作目前處于實驗起步階段。本研究是針對FD-125型氡釷分析儀而開展的標準儀器傳遞校準實驗，該方法也適用于同是閃爍法原理的數字化測氡儀校準，后期可繼續(xù)開展相關實驗，為中國地震監(jiān)測氡校準方法的推廣試用奠定基礎。

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HIGH RADON CONCENTRATION SEISMIC MONITORING

SPRING IN STANDARD INSTRUMENT RESEARCH

ON APPLICATION OF CALIBRATION METHOD

LI Na1， Zulipiya Ainiwaer1， LI Xin-yong1， REN Hong-wei2， HUANG Jian ming1

（1.Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830011，Xinjiang，China；

2.National Institute of Natural Hazards，Beijing 100085，China）

Abstract： Based on New 09 spring， New 10 spring and New 15 spring with water radon concentration of 20 000～100 000 Bq·m-3， the standard instrument transfer calibration experiment was carried out by using the international scale reference device Alpha GUARD radon measuring instrument and its water radon measuring component. The relative errors of calibration K values were 3.60%， -0.81% and 2.09%， respectively. The comparison between the experimental results and the calibration results of radon gas solid source shows that the water samples with water radon concentration above 20 000 Bq·m-3 can be tested by the new calibration method of standard instrument， and the use of spring water with different water radon concentration will not affect the accuracy of the calibration results. The Alpha GUARD radon measuring instrument can be used as a standard instrument to calibrate the FD-125 radon and thorium analyzer by using the daily monitoring spring with high radon concentration in the Xinjiang Seismic Underground Fluid Comprehensive Station， so as to replace the calibration of solid radon source. This study provides data support for the operation technical regulations and promotion trial of the new calibration method for radon observation in seismic monitoring.

Key words： Earthquake monitoring; Water radon; K value; Calibration method; Alpha GUARD radon detector