氡是一种放射性气体,是镭衰变的中间产物。氡在岩石的孔隙和裂隙中以自由氡、吸附氡和封闭氡的形式存在,在地下水中以溶解氡的形式存在。自由逸出水面的氡称为逸出氡。实验证明,氡反应灵敏,当受到外界的压力、振动等影响时,容易从其赋存的介质中逃逸出来,因此,当地下应力发生变化时,地下水中的氡浓度会出现不同程度的变化(阴朝明等,2001; 孟晓春,2005)。氡作为地下流体学科中的敏感组分,在我国已有40年的研究历史,目前,我国已建成庞大的氡元素观测网,氡在地震分析预报中起着十分重要的作用。

地下水中气体的动态变化监测是地下流体地震前兆监测的主要手段之一。由于地下水中逸出气参与地下水的循环,而且气体对地下深处的应力—应变反映灵敏,会向压力减小的方向讯速运移,携带的信息量也较为丰富(武建华等,2002),因此受到地震科研人员的重视。自20世纪70年代以来,国内外地震学者为了实现数字化氡的观测,曾研制不同种类的脱气装置(陈华静等,2002)。“九五”期间,我国部分水氡观测仪器进行了数字化改造,近年来已完成了模拟观测向数字化观测的转变。笔者对甘肃及其邻区数字化气氡观测的现状进行了初步分析,希望能对该项观测技术在今后地震监测预报中发挥更好的作用提供一些参考。

在甘肃、青海、宁夏及陕西地区共有数字化气氡观测点13个,其基本情况列于表1。

其中宁夏石嘴山、海原,陕西周至,甘肃酒泉、武威、武都,青海共和等几个测点的资料较好,下面对这几个测点的情况略作介绍。

石嘴山地震台位于鄂尔多斯块体西北角与贺兰山断隆区交汇部位,地质构造复杂,主要以EW和SN向构造为主体,展布范围宽,规模大。采样泉点位于贺兰山东麓石炭系地层内,泉水出露系贺兰山东麓大断裂控制的下降泉,是石炭系基岩裂隙水。

海原地震台位于海原县城南侧,南、西华山

表1 数字化气氡测点基本情况

北麓。采样泉点在台站—西南方向南华山脚下的小山村内,该泉为下降泉。海原地震台靠近海原活动断裂,位于1920年8.5级地震的极震区,该台资料对开展活动断裂研究、地震前兆观测与地震机制研究有较大的参考价值。

周至地震台位于陕西省周至县县城西关,地处汾渭断陷盆地西安—周至凹陷西端,秦岭北缘大断裂与岐山—马召断裂的交汇地带。岩性为老第三系渐新统砂岩,该点为深部承压水取样井。

酒泉金1号井地处酒东盆地营尔凹陷金泉子断裂带上,井深1 852.50 m,周围干扰因素较少。

武威扎子沟观测井位于腾格里沙漠的边缘,在龙首山断裂与武威—石羊河隐状断裂的交汇处。该井是一口自流低温热水井,钻孔基底为加里东期花岗岩,含水层深度为530 m,含水层单一,流量稳定,不受大气降水影响,但附近有抽水干扰。

武都地震台地处南北地震带中段、秦岭构造带西端。观测点为上升泉,泉水出露于NEE向的断层破碎带上。断层破碎带的北盘为上志留系厚层状灰岩,南盘为板岩和千枚岩。该地区历史上曾发生过武都8.0级大地震。

共和地震台位于青海省海南藏族自治州共和县恰卜恰镇。境内地质条件复杂,断裂带纵横交错,北部有青海南山隐伏断裂、拉脊山断裂,西南有阿尼玛卿断裂、西部有卾拉山断裂、东南有贵德—泽库断裂,南部有中铁断裂。观测井深174.35 m,属第三系承压水层中的自流水,水流稳定,不受外界干扰。该地区地震活动频繁,1990年发生过7.0级地震。

气氡与水氡观测,虽然都为地下水中氡的观测,但观测对象、仪器与观测方法均有所不同。模拟水氡观测的对象主要为水中溶解氡,采用FD-125、FD-150K、FD-150型等测氡仪,测的是地下水中溶解气与游离气体中氡的含量,其浓度单位(Bq/L)的含义是每升水中的氡含量。数字化气氡观测的对象是逸出氡,它既包含有地下水自深部向浅部运移过程中由于温度、压力降低自然逸出的氡气,也有经过气水分离装置脱出的部分溶解气体的氡,测的是混合气体的氡含量,一般采用SD-3A自动测氡仪(仪器本底为每分钟20个脉冲)观测,整点采样,自动测试,每日产出24个时值(车用太等,2002; 邢玉安等,2000),其浓度单位虽然也为Bq/L,但含义为每升气体中氡的含量。两种仪器的工作原理都是根据氡的放射性设计的。但由于观测对象和采集观测样品的方法不同,数字化气氡与模拟水氡观测的物理含义是完全不同的(刘成龙等,2006)。

(1)资料较稳定的几个测点的气氡年动态表现出一定的规律性,因此有可能识别出破年变异常的地震中期前兆异常; 但由于变幅较大,所以只可能识别出特别显著的异常,幅度较小的异常可能被淹没在正常的起伏中。

(2)多数测点的月、日动态规律性差,起伏大,在这样的动态背景下很难识别出以阶变、脉冲等为特征的短期与短临前兆异常。

(3)与模拟水氡观测相比,数字化气氡观测采样率大大提高,数字传输、保存和资料处理快捷方便,比人工观测误差减少,从而使氡的信息量大大增加,为捕捉地震短临异常信息提供了有利条件。但气氡的动态稳定性不如水氡,所以,气氡观测直接取代水氡观测的条件还不成熟。要发挥数字化气氡观测在地震预报中的作用,作为新的观测手段推广应用,还需要进一步完善观测技术,解决观测仪器的稳定性问题,特别是脱气装置中存在的问题,比如脱气效率低,自然脱出的气体压力低导致气路容易堵塞,装置内气、水分离的截面较大、井水流量引起动水位变化幅度较大、空气被回收到观测仪器内等因素而导致观测结果产生较大误差。其次,要充分认识气氡观测资料的正常动态规律及其影响因素,这样才能获取真实可靠的地震前兆信息。

(4)数字化气氡与模拟水氡观测的物理含义不同,所以对数字化气氡观测资料的数据分析与异常提取,只能借鉴模拟观测资料的一些处理方法,而不能完全照搬,还需要做更多的工作并总结研究出新的预测指标和更适合数字化资料的处理方法。