收稿日期:2011-11-29
KJD-2000R测氡仪(α谱仪)观测结果分析*
(α谱仪)观测结果分析*] 李朝明1,杨志坚1,朱培耀2,金明培1,褚金学3 (1.中国地震局滇西地震预报实验场办公室,云南 大理 671000; 2.云南省地震局,云南 昆明 650224; 3.云南省地震局 弥渡地震台,云南 弥渡 675600)
Research on Observatory result of Water Radon recorded by KJD-2000R Emanometer
LI Chao-ming1,YANG Zhi-jian2,ZHU Pei-yao2,JIN Ming-pei3,CHU Jin-xue3
(1.The Western Yunnan Earthquake Prediction Study Area,Earthquake Administrationof Yunnan Province,Dali 671000,Yunnan,China)(2.Earthquake Administration of Yunnan Province,Kunming 650224,Yunnan,China)(3.Midu Seismic Station,Earthquake Administration of Yunnan Province,Midu 675600,Yunnan,China)
KJD-2000R emanometer; α particles; observation result; Xiaguan hot spring
备注
摘要
全文
图/表
参考文献
通过分析KJD-2000R测氡仪(α谱仪)记录的下关温泉水中氡含量的4组α粒子能量脉冲数、氡含量以及影响观测结果因素,结合传统水氡观测仪器FD-125型室内氡钍分析器平行对比观测结果,认为:KJD-2000R测氡仪观测对象明确,而且自动鼓泡和读数,完全避免了人工鼓泡和读数引起的误差,对提高氡及其子体变化规律的认识,提高水氡观测资料质量及映震能力,充分捕获水氡前兆异常信息都具有一定实际意义,也为地震观测及台站水氡观测仪器选型提供参考。
Combining the parallel observation of radon content in Xiaguan hot spring recorded by the traditional FD-125 indoor Radon-Thorium emanometer and KJD-2000R emanometer(alpha ray spectrometer)which is a new-type instrument of monitoring water radon content,we compared and analyzed 4-set of alpha energy pulse number,radon content and influence factors during observation.The results show that the KJD-2000R emanometer have some advantages than FD-125 emanometer,such as it has clear objects observed,can bubbling and reading automatically,so it can efficiently reduce errors caused by bubbling and reading artificially.These comparisons and tests will be helpful for improving understanding of variation of the radon and its daughter's,and the qualities and earthquake reflecting ability of radon observation data.It has the certain practical significance for finding precursor abnormal information of water radon,and also provides the references for seismic observation and the type selection of water radon observation emanometers.
引言
氡是天然放射性元素,是铀(238U)系、锕(235Ac)系与钍(232Th)系中镭的衰变产物(张昱等,2010)。氡气具有很多独特的物理化学性质,表现出较强的映震效能(崔勇等,2008)。由铀系衰变产生的222Rn的半衰期为3.825 d,由锕系衰变产生的219Rn的半衰期为3.92 s,由钍系衰变产生的220Rn的半衰期为54.4 s,它们都是氡的同位素(中国地震局监测预报司,2007; 曹玲玲等,2005)。
氡作为放射性气体元素,是地球深层信息的指示剂,它能从地下深部运移到地表,可带来反映地下介质状态的信息(刘菁华等,2007)。水氡观测的目的是为了能及时、准确的在地质构造发生变化时,通过氡的变化来反映其自然变化的动态(刘学领等,2008)。
水中氡气的观测普遍采用电离静电计法和闪烁脉冲计数法(张炜等,1988)。前者使用FD-105K型静电计,后者使用FD-125型室内氡钍分析器。目前,地震系统普遍使用FD-105K型静电计和FD-125型室内氡钍分析器观测水中氡含量,KJD-2000R测氡仪采用金硅面垒型半导体α粒子探测器,3种仪器都是对氡及其子体的α粒子(射线)进行观测,FD-105K型静电计和FD-125型室内氡钍分析器观测对象为222Rn衰变过程中产生的α粒子; KJD-2000R测氡仪观测对象为222Rn衰变子体218Po、 214Po和220Rn衰变子体216Po、 212Po衰变释放的4组α粒子,观测对象更加明确。对水中氡含量观测,提高对氡及其子体变化规律的认识,提高水氡观测资料质量及映震能力,充分捕获水氡前兆异常信息都具有一定实际意义,也可为地震观测及台站水氡观测仪器选型提供参考。
1 KJD-2000R测氡仪工作原理
KJD-2000R测氡仪(α谱仪)是一种新型的连续测氡仪器,它利用静电收集氡衰变子体进行累积测量,采用金硅面垒型半导体α粒子探测器,直接把α粒子转换成电信号,通过采用α能谱检测每个α粒子的能量鉴别出各个核素,主要包括 218Po、 214Po、 216Po、 212Po释放的α粒子,通过这4个能量的脉冲计数率显示射气(或噪声)大小。该技术即为α能谱测定法,可用于室内、土壤、水溶液中测氡,以及地质构造变化时的放射性气体异常监测等。
KJD-2000R测氡仪检测对象为222Rn和220Rn,实时监测并显示222Rn和220Rn的谱线,可以储存1 000个氡浓度测量谱数据,测量范围在4～400 000 Bq/m3间,灵敏度为2.5(脉冲/min)/(Bq/m3),本底小于10 脉冲/min,气泵流量1 L/min,正常情况年漂移小于2%。
2 观测条件与试验
3 观测结果与分析
4 结论
(1)长期以来我国的水氡观测一直采用定时人工取样、脱气、测试的方法,不可避免的存在一定的人为误差,影响对氡正常动态规律的认识和映震能力的提高,还可能漏失瞬态的异常信息(中国地震局监测预报司,2007)。KJD-2000R测氡仪(α谱仪)自动鼓泡和读数,完全避免了人工鼓泡和读数引起的误差,对提高水氡观测资料质量及映震能力,具有一定实际意义。
(2)FD-105K型静电计和FD-125型室内氡钍分析器观测对象为222Rn衰变产生的α粒子,KJD-2000R测氡仪观测对象为222Rn衰变子体218Po、 214Po和220Rn衰变子体216Po、 212Po衰变释放的4组α粒子,观测对象更加明确。
(3)观测对象、计算方法不同,观测结果就不同,这是KJD-2000R测氡仪相对于FD-125型室内氡钍分析器测值低的主要原因。KJD-2000R测氡仪观测结果加入衰变时间和水样体积计算水中氡含量,氡含量明显增大。引入衰变时间和水样体积计算水中氡含量,在一定程度上可以校正这些因素给水中氡含量观测带来的影响。
(4)通过试验分析认为,虽然每天水样的氡含量衰变形态不尽相同,但在测数时间30 min左右测到水样的最高氡含量,因此认为KJD-2000R测氡仪(α谱仪)观测水中氡含量时的测数时间为30 min较合适。
(5)通过使用不同容积干燥管的氡含量测值比较,认为KJD-2000R测氡仪配有的干燥管容积(0.226 L)过大,致使干燥管堵塞气路,水中脱出气体有一部分无法循环到探测器中,使测值降低,更换为水氡常规观测使用的干燥管(0.011 L)后,KJD-2000R测氡仪测值明显增大。
(6)KJD-2000R测氡仪和FD-125型室内氡钍分析器平行对比水氡观测严格按规范和仪器要求进行,在恒温条件下即室温20 ℃～30 ℃,湿度<80%时,鼓泡水温与观测室温相差≤±5℃,且鼓泡水温保持在20 ℃～30 ℃,因此水氡观测结果不受鼓泡水温、观测室室温、湿度等因素的影响。
(7)FD-125型室内氡钍分析器水氡测值稳定,但观测时间长,异常变化幅度小,闪烁室本底难降; KJD-2000R测氡仪观测时间短,易于清洗,且异常变化幅度明显,容易识别,也可用于野外测量。建议在保留原有水氡观测仪器的基础上,长期对222Rn衰变子体218Po进行观测,以期更好、更充分地捕获水氡前兆异常信息,为地震监测预报服务。
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KJD-2000R测氡仪全谱显示的α粒子能量范围为0～10 MeV,而氡及其子体所产生的α粒子能量在6～9 MeV之间。KJD-2000R测氡仪把0～10 MeV范围的能量谱线划分为256个数字道址。其中: 218Po峰值的中心位置在5.998 MeV处; 214Po峰值的中心位置在7.687 MeV处; 216Po峰值的中心位置在6.777 MeV处; 212Po峰值的中心位置在8.780 MeV处。
从2010年12月11日开始用KJD-2000R测氡仪对下关温泉水中氡含量进行观测,至2011年7月31日停止观测。
3.1 KJD-2000R测氡仪观测结果3.1.1 α粒子观测数据KJD-2000R测氡仪把半衰期为3.825 d的222Rn衰变子体218Po和214Po衰变释放的α粒子能量脉冲数记为R1和R2(图2),半衰期为54.4 s的220Rn衰变子体216Po和212Po衰变释放的α粒子能量脉冲数记为T1和T2。
3.1.2 氡含量观测数据KJD-2000R测氡仪与传统的水氡观测氡含量计算方法不同,取水样到鼓泡的衰变时间和水样体积都不参与氡含量计算,而且观测到的4组α粒子能量脉冲数只计算R1作为水中氡含量观测结果(图3),KJD-2000R测氡仪氡含量计算公式为
Rn=(KR1)/(1000).(1)
其中:K为仪器标定K值,单位为Bq/m3·(脉冲/min),R1为水样测值,单位为脉冲/min。
图2 KJD-2000R测氡仪下关温泉
α粒子能量脉冲数曲线
(a)218Po衰变释放的α粒子能量脉冲数曲线;(b)214Po衰
变释放的α粒子能量脉冲数曲线;(c)216Po衰变释放的
α粒子能量脉冲数曲线;(d)212Po衰变释放的α粒子
能量脉冲数曲线
Fig.2 α-particle energy pulse number curves recorded by KJD-2000R in Xiaguan hot spring (a)α-particle energy pulse number curve of decay and release from 218Po;(b)α-particle energy pulse number curve of decay and release from 214Po;(c)α-particle energy pulse number curve of decay and release from 216Po;(d)α-particle energy pulse number curve of decay and release from 212Po
图3 KJD-2000R测氡仪下关温泉水氡曲线
Fig.3 Water radon observation curve recorded by KJD-2000R in Xiaguan hot spring3.2 观测结果分析3.2.1 KJD-2000R测氡仪α粒子观测结果分析在进行天然放射性核素α能谱测量时,主要是对氡及其α衰变体子体产生的α粒子进行测量,由锕系产生的219Rn半衰期很短,为3.92 s,一般情况下,它对氡气测量的影响不予考虑,只考虑铀系和钍系α衰变体产生的α粒子的测量(贾文懿等,2002; 谭延亮等,2008)。由铀系衰变产生的222Rn的半衰期为3.825 d,氡衰变主要产生218Po(RaA)、 214Pb(RaB)、 214Bi(RaC)和214Po(RaC')4种短寿命子体(赵桂芝,肖德涛,2007), 218Po和214Po半衰期分别为3.04 min和164 μs; 由钍系衰变产生的220Rn的半衰期只有54.4 s, 220Rn 衰变子体216Po和212Po半衰期分别为0.15 s和0.30 μs。KJD-2000R测氡仪是对222Rn衰变子体218Po、 214Po和220Rn衰变子体216Po、 212Po衰变产生的α粒子进行测量,根据α粒子能量脉冲数计算出氡浓度。
由于220Rn的半衰期只有54.4 s, 220Rn衰变子体216Po和212Po衰变释放的α粒子有些可能还来不及被收集产生电脉冲就消失了,因而记录到的脉冲数T1和T2都很小(图2),都在10个脉冲数(0.07 Bq/L)以内,这与传统水氡观测认为220Rn和219Rn及其子体的半衰期太短,在实验室测量氡气中只有222Rn的结论相近; 而222Rn的半衰期为3.825 d, 222Rn衰变子体218Po和214Po衰变释放的α粒子能量脉冲数比216Po和212Po多得多,虽然214Po半衰期很短,但其母体214Pb的半衰期为26.8 min, 214Bi的半衰期为19.7 min,因而能记录到一定的α粒子能量脉冲数, 218Po半衰期为3.04 min,记录到的α粒子能量脉冲数最多,变化也最明显。因此,把218Po作为计算氡含量的主要元素。
3.2.2 氡含量观测结果分析KJD-2000R测氡仪对下关温泉水中氡含量进行了233 d的观测(2010年12月11日至2011年7月31日),与传统水氡观测仪器FD-125型室内氡钍分析器进行平行对比观测,结果只有少数呈现同步变化。经过试验,KJD-2000R测氡仪从2011年3月1日起测数时间由原来的20 min改为30 min,从2011年5月1日起原有的干燥管(0.226 L)更换为水氡常规观测使用的干燥管(0.011 L),所得测值明显增大。由于KJD-2000R测氡仪与传统的水氡观测氡含量计算方法有所不同,取水样到鼓泡的衰变时间和水样体积都不参与氡含量计算,而且观测到的4组α粒子能量脉冲数只计算R1并作为水中氡含量观测结果,KJD-2000R测氡仪氡含量观测结果比FD-125型室内氡钍分析器观测结果小很多。
氡含量计算方法不同,氡含量观测结果就不同。参照水氡常规观测计算方法,把衰变函数值和水样体积加入KJD-2000R测氡仪氡含量计算公式为
Rn=(KR1)/(1000×Ve-λt).(2)
其中:K为仪器标定值,单位为Bq/m3·(脉冲/min),R1为水样测值,单位为脉冲/min,V为水样体积,单位为L,e-λt为氡衰变函数值。
由图4可知,把KJD-2000R测氡仪观测到的4组α粒子能量脉冲数用不同方法计算:R1(218Po)、R2(214Po)、T1(216Po)、T2(212Po)4组α粒子能量脉冲数总和按KJD-2000R测氡仪氡含量计算公式计算,氡含量增大了一点; R1加入水氡常规观测中的衰变函数值和水样体积计算,氡含量明显增大,变化幅度更加明显; R1、R2、T1、T2总和加入水氡常规观测中的衰变函数值和水样体积计算,氡含量增大更加明显。通过不同方法计算,KJD-2000R测氡仪观测结果总体变化趋势相同,但用加入水氡常规观测中的衰变函数值和水样体积计算,变化幅度更加明显,异常更容易识别。
在对比观测期间,震中距在300 km范围内,发生2次MS≥5.0地震。2011年2月26日FD-125测氡仪观测到水氡出现高值异常(8.42 Bq/L),12 d后,即3月10日云南盈江发生MS5.8地震; 由于2011年4月30日前KJD-2000R观测数据受测量时间和干燥管的影响,观测数据只能作为参考。6月20日云南腾冲MS5.2地震前,FD-125测氡仪在6月5日观测到小幅度高值异常(8.11 Bq/L),而KJD-2000R测氡仪(R1)分别在5月27日、6月4日观测到水氡值为1.99 Bq/L、2.18 Bq/L(加入水氡常规观测中的衰变函数值和水样体积计算为8.16 Bq/L、8.90Bq/L)的高值异常,就腾冲MS5.2地震而言,KJD-2000R观测到的水氡异常更突出,变化更明显。
3.3 观测室影响因素分析3.3.1 鼓泡水温氡在水中的溶解度与温度关系密切,溶解度系数α与温度t的关系式为α=0.1057+0.405e-0.0502t。从表2看出,地下水中氡的溶解度系数随着水温的升高而变小(中国地震局监测预报司,2007)。水温上升,氡的溶解度下降,逸出气体增加; 水温下降,氡的溶解度上升,逸出气体减小(王雪莹等,2002)。
对于鼓泡水温和氡值的关系,刘学领等(2008)进行过“不同的水温对氡值影响”的实验。结果证实,水温不同造成水氡观测最大误差达17%,水温降低,其相对误差会加大。在0 ℃～40 ℃水温范围内进行多次实验,然后取均值,分别计算其相对于40 ℃测值的相对误差(表3)。
从表3可看出,在对水氡进行观测时,为了降低水温对氡值的影响,必须找到一个相对合适的鼓泡温度,同时应考虑实验室的环境条件,并符合规范要求。在对高温热水进行水氡观测时,水样的鼓泡温度尤为重要。
图4 KJD-2000R测氡仪与FD-125型室内氡钍分析器平行对比观测水氡曲线
Fig.4 Comparison of water radon observation curves recorded by KJD-2000R and FD-125
表2 不同温度下氡的溶解度系数α
Tab.2 Water radon solubility coefficient under different temperature
表3 水温不同时氡值及相对误差
Tab.3 Water radon observation data and their relative error under different water temperature结合表2、表3得出,鼓泡水温在20 ℃～30 ℃时氡值相对稳定。下关温泉水氡对比观测期间,鼓泡水温在21.9 ℃～27.6 ℃之间(图5c),由于鼓泡水温保持相对稳定,氡值不会有太大的变化,对FD-125型室内氡钍分析器与KJD-2000R测氡仪水氡观测基本不会产生影响(图5a、b)。
3.3.2 室温、湿度观测室环境条件主要指室温、湿度等。KJD-2000R测氡仪工作环境要求:良好环境温度(20±5)℃,极限温度0 ℃～50 ℃; 湿度5%～99%; 实际对比观测室温为20.3 ℃～26.8 ℃(图5d),湿度为33%～72%(图5e),鼓泡水温与观测室温相差≤±5 ℃,且鼓泡水温保持在20 ℃～30 ℃; 观测室条件完全符合规范要求,且满足KJD-2000R测氡仪工作环境要求。
在常温条件下,当使用FD-125型室内氡钍分析器观测时,氡测值与室温呈正相关,与湿度呈负相关,同时氡值与鼓泡水温、气压相关显著。但在恒温条件下即室温20 ℃～30 ℃,湿度<80%时,氡的浓度与室温、湿度、鼓泡水温和气压等均无关(张清秀,陈懿德,2007)。KJD-2000R测
氡仪和FD-125型室内氡钍分析器平行对比水氡观测正是在这种恒温条件下,按规范和仪器要求严格进行的,可见水氡的浓度变化不受室温、湿度等因素的影响。
图5 KJD-2000R测氡仪与FD-125型室内
氡钍分析器平行对比观测曲线
(a)FD-125型室内氡钍分析器水氡曲线;(b)KJD-
2000R测氡仪R1测值水氡曲线;(c)鼓泡
水温;(d)观测室温度;(e)湿度
Fig.5 Paralled observation curves comparison of water radon rearded by KJD-2000R and FD-125 (a)Water radon curve recorded by FD-125;(b)Waterradon curve of R1 recorded by KJD-2000R;(c)Waterradon curve influencd by bubbling temperature;(d)Waterradon curve influencd by temperature in library;(e)Water radon curve influencd by humidity
2.1 下关温泉概况下关温泉位于红河断裂以西的次一级张性构造——西洱河断裂上,区内断裂发育,主要分布有热力变质和动力变质叠加而形成的区域变质岩,沿断裂带有岩浆侵入,历史上构造运动剧烈,新构造运动也十分强烈。西洱河断裂南盘巨厚的碎屑岩起隔水作用,地下水沿构造带上涌,形成温泉。水质成分分析结果表明,可溶性SiO2含量高达4.5 mg/L,F为2.80 mg/L,B达1%以上,Li高达0.08%以上,这反映了该温泉水的深循环特征(张炜等,1988)。
下关温泉水氡于1970年4月开始观测,观测人员固定,熟悉水氡观测技术,1996年至今一直使用FD-125型室内氡钍分析器,该仪器性能稳定,并且工作人员按时对仪器进行检查、标定,充分保证了水氡观测工作的顺利进行。
2.2 观测条件KJD-2000R测氡仪和FD-125型室内氡钍分析器在同一间观测室进行同步对比观测,观测室条件严格按照地震水文地球化学观测技术规范要求(国家地震局,1985),室温控制在20 ℃～30 ℃,湿度≤80%,鼓泡水温与观测室温相差≤±5 ℃,并有空调控温; 取样方式都采用扩散瓶负压,取样间隔不超过3 min; 观测时间间隔不超过5 min。
2.3 试验由于KJD-2000R测氡仪是新型氡观测仪器,测量水氡时把水样和仪器气路连接成气体循环回路,水样鼓泡脱气和测数同时自动进行,测数时间20 min,观测一段时间后,测值低且不稳定。由于目前地震系统内还没有人使用,无法得知测数多长时间得到的水氡氡含量测值较为合理。为此,我们对水样在不同测量时间下的水氡测值和可能影响KJD-2000R测氡仪观测结果的干燥管进行了试验。
2.3.1 水样测量时间的选取如图1所示,通过4次试验分析认为,虽然每天水样的氡含量衰变形态有差异,但也出现了基本相同的衰变特征,最初的15 min左右氡含量增加速度较快,逐渐接近一个稳定的水平,30 min左右水样氡含量最高,90 min左右氡含量出现明显缓慢下降趋势。从2011年3月1日起测数时间由原来的20 min改为30 min。
图1 不同测量时间的水氡测值曲线
Fig.1 Water radon concentration curve of different sampling time2.3.2 使用不同容积干燥管的水氡测值比较KJD-2000R测氡仪干燥管容积为0.226 L,水氡常规观测使用的干燥管容积为0.011 L,测试前用相同的硅胶分别装满两种不同的干燥管。为了不影响常规对比观测,每天固定对比观测仍使用KJD-2000R测氡仪配有的干燥管,等本底降下来后使用水氡常规观测使用的干燥管作为试验比较(表1)。
从氡的衰变理论得出,水氡观测中,观测时间晚比观测时间早的氡含量测值会有不同程度的减小。表1中使用0.011 L干燥管的观测时间要比使用0.226 L干燥管的观测时间晚110 min左右,但是氡含量测值不但没有减小,反而高得多,说明使用过大的干燥管会堵塞气路,致使水中脱出气体的一部分无法循环到探测器中,从而降低测值。从2011年5月1日起干燥管更换为水氡常规观测使用的干燥管。
表1 使用不同容积干燥管的水氡测值比较
Tab.1 Water radon data comparison of using drying tube in different volume
