基于流体力学设计地震气氡观测

黄仁桂，周红艳，任宏微，肖 健，赵 影，李雨泽

1)江西省地震局，江西南昌 330039；2)地震监测氡观测仪器检测平台，江西南昌 330039；3)中国地震局地壳应力研究所，北京 100085

氡观测是国际上公认的地震监测手段之一，也是中国地震地下流体观测台网中重要测项，在地震趋势分析与短临震情研判中发挥着重要作用[1-6]．国外研究人员主要对土壤氡、地下水逸出氡和断层气氡监测，如美国地质调查对圣安德烈斯断层和卡拉维拉斯断层的60 km活动带的20个监测钻孔进行了地下氡气的监测，发现土壤氡浓度与地震活动之间存在一定联系；加藤完等对稻取一大峰山断层、浅间山断层进行了断层气氡监测，调查了日本伊豆半岛和富士川地区的活断层[7]．目前中国的地下流体氡观测台网主要采用人工取样观测(模拟水氡观测)和自动连续采样观测(数字化气氡观测)两种测氡技术[7]．在20世纪60年代，中国就开始了人工取样、手工操作进行水氡观测，但限于当时观测仪器的水平，每天只能定时取样，无法做到连续加密观测，难以抓到一些地下瞬间信息[9-10]．到21世纪初，为深入研究地下水中氡的变化，及时准确地提取更多与地震有关地氡变化信息，中国地震局研制出了数字化自动测氡仪，该仪器可以每小时自动取样、自动进行观测与计算，并在第十个五年计划期间实现了数字化气氡的全国观测[9]．但是，当时对井水或泉水中的气氡观测是脱气集气装置，未给出相应的水样流量和脱气流量参数，造成观测到的数据并不稳定；同时，每年氡值会随水位或降雨、气压等因素的变化发生改变，造成观测值不稳定和不连续，难以满足地震前兆数据跟踪、地震预测预报和地球科学研究工作的要求[11-12]．

笔者[12]2016年提出的新气氡观测方法，主要针对气氡观测原理及数据稳定性进行尝试性实验，但并未对氡观测系统原理、数据稳定影响因素和与水气比关系进行实验分析．为此，本研究设计恒流装置控制采样水流量、脱气集气装置鼓泡脱氡传输氡、AlphaPUPM主动泵提供脱氡气源载体、法国AlphaGUARDPQ2000测氡仪测量氡值，以此实现整套观测系统，并进行稳定性相关实验，探讨气氡观测与水气比关系．

1 地震气氡观测系统设计

1.1 恒流装置设计

本研究设计的恒流装置如图1，实际制造时使用不锈钢材料制作．地震观测承压井水样由水管与装置进水口S1连接进入装置(阀门控制流量)，恒流装置内水样由两部分流出，一部分作为水样从水样采集口S2以缓流(阀门控制流量)流入脱气装置，另一部分多余水样由装置液面调节溢流口S3作为废水排出，液面调节是通过一个液面调节阀(用软管与三通阀门连接，软管高度调节液面平衡)，当控制溢流口S3的液面1-1′与水样采集口S2的截面2-2′实验时，保持高度H1不变，通过重力场控制采样水流量(不同采样水流量参数通过H1和流量计调节)．装置顶端有相应的装置盖防止杂物掉入装置内，以避免影响实验效果[12]．

图1 恒流装置示意图Fig.1 Schematic diagram of constant-current device

水样通过承压井到恒流装置空间点(x，y，z)时的速度vL随时间t变化的函数[13]为

vL=f(x,y,z,t)

(1)

(2)

(3)

水样从采集口S2以缓变流方式(阀门控制流量，流量计测水流量变化)流入脱气装置，溢流口S3的液面1-1′相对于水样采集口S2的液面2-2′保持稳定，即高度H1不变, 则由伯努利方程式可得[14]

(4)

其中，g为重力加速度；z1为液面1-1′的高度；z2为液面2-2′的高度；ρ为水样的密度；p1为液面1-1′的压强；p2为液面2-2′的压强；v1为液面1-1′的速度；v2为液面2-2′的速度．

当水样在液面1-1′缓慢波动时，可视为v1=0，z1-z2=H1．对于不可压缩流体，ρ为常数,pL为液面1-1′的压强，则有

(5)

在重力场作用下进行水样采集，液面2-2′的水样被视为稳定流动，则有

(6)

(7)

1.2 脱气集气装置设计

图2为本研究依据文献[12]设计的脱气-集气装置，由鼓泡胆(装置内胆)、集气区和鼓泡管3部分组成．图2(a)为恒流装置水样采集口S2与脱气集气装置水采样口S4用水管连接的示意图，水样从S2→截面4-4′→水样采集口S4→截面5-5′→鼓泡胆S5(参与鼓泡，鼓泡胆内径为50 mm，高255 mm)→截面6-6′沿鼓泡胆外壁流向→截面7-7′→排水口S6排出，形成第一个动态液面平衡[11-12].其中，各排水口对应的截面积S5>S4>S6， 目的是充分鼓泡，并满足水样实时更新．

设恒流装置截面3-3′与脱气装置截面6-6′(选为基准面)分别为两个水样的流动截面，两者高度差恒为H2， 整个水管看作缓变流区，只有重力场作用稳定流动，则由伯努利方程式可得[15]

(11)

图2 脱气-集气装置示意图Fig.2 Schematic diagram of gas degassing-gathering device

(12)

其中，hv为单位质量流体流过截面3-3′与截面6-6′间流道的平均能量损失；能量系数α与流道中流速的均匀程度有关，流道中的流速越均匀，α值越趋近于1．

图2(b)为鼓泡管进气口S7与AlphaPUPM主动泵连接，提供鼓泡气源；发泡石头的作用是分散气体在鼓泡胆内进行鼓泡；气样采集口将连接AlphaGUARDPQ2000测氡仪对氡气测量．图2(c)为AlphaPUPM主动泵与脱气集气装置鼓泡管进气口S7连接，并提供气源，以空气为载体，从S7进鼓泡管→发泡石鼓泡→鼓泡胆S5(与水样鼓泡脱出氡气)→集气区域(体积为定值)→气样采集口S8→测氡仪测量氡值，形成第2个动态液面平衡[11-12]．其中，发泡石是为了充分鼓泡，满足空气载体实时更新．

气体质量密度ρG、 流速vG和流管截面积S(截面积S7p0，p0为空气压强)．

(13)

(14)

同理，气样从鼓泡胆→集气区域也是vG降低，pG增大(pG>p0)． 气样从集气区域→气样采集口S8→测氡仪是vG增大，pG降低(pG≥p0)．

1.3 AlphaPUPM主动泵和 AlphaGUARDPQ2000测氡仪

AlphaPUPM主动泵与AquaKIT 为AlphaGUARD PQ2000 PRO测氡仪对水中氡气活度评价的选配设备，可对水中氡气进行采样和测量．法国AlphaGUARD PQ2000 PRO测氡仪可用于土壤中氡气活度评价、空气中的测氡气的活度和材料中氡气活度评价，其刻度因子长期稳定(确保5年)，是目前国际公认的标准氡室计量溯源设备．(AlphaPUPM主动泵和AlphaGUARD PQ2000 PRO测氡仪的主要参数请扫描论文页末右下角二维码)．

2 实 验

实验在室温28 ℃、水温20.1 ℃、空气相对湿度为78%的氡室内进行．经测试氡室内环境对实验结果无影响．实验参数如表1．将中国江西九江地震台2号井水引入地震监测氡观测仪器检测平台检测单元实验室内，采用控制变量方法进行实验．

表1 实验参数

图3 九江地震台2号井2007—2012年气氡氡值变化图Fig.3 Variations of gas radon in No.2 well of Jiujiang seismic station from 2007 to 2012

2.1 氡测值稳定性

图3为九江地震台2007年4月—2012年12月的气氡观测数据．由图3可见，5年来氡放射性活度浓度C(222Rn)最大达676.5 Bq/L，最低仅0.1 Bq/L，均值为22.6 Bq/L，标准偏差为58.1 Bq/L．可见，数据稳定性、连续性及可靠性均难以满足地震预报分析和科学研究的要求[12]．

图4为不同条件下100 h内采用本研究设计的测氡仪观测到的C(222Rn)值变化曲线．由图4可见，实验测得的C(222Rn)介于30～90 Bq/L．

图4 氡观测值与实验时长关系Fig.4 Relationship between radon observation values and experimental duration

根据放射性衰变特点，放射性衰变是随机发生的，衰变速度与核素的物理和化学等状态，以及所处环境都无关，仅取决于自身性质．也就是说，在很小的时间段dt内，衰变原子数dN与此刻放射性核素的原子数N成正比[17]，即dN=λNdt， 对其进行对数运算，可得

N=N0e-λt

(15)

其中，λ为核素的衰变常数，即在很小的一段时间dt内每个原子核衰变的几率．由式(15)可见，放射性原子核数量按指数规律进行衰减，因此，根据AlphaGUARD PQ2000 PRO测氡仪探测效率与气样更新速度，衰变时间变长对本实验中的C(222Rn)观测值影响可忽略．

从图4可见，在一定水流量和气流速等参数下，实验观测到C(222Rn)值均比较稳定(标准偏差<6%)，说明在AlphaPUPM主动泵提供连续、动态稳定的气源条件下，本研究设计的脱气-集体装置内能够维持气压和液面两个动态平衡，观测到的C(222Rn)相对稳定．

2.2 气流量和水流量对氡观测值的影响

将实验观测到的C(222Rn)值分别按照式(16)和式(17)求算术平均值和求标准偏差[16]．

(16)

(17)

其中，X1,X2, …,Xn为氡观测值每10 min测值的平均值．

图5为实验观测到的C(222Rn)值与气流量和水流量变化．由图5可见，氡观测值与鼓泡气流量呈负相关，气流量越大，鼓出来的气体氡放射性活度被稀释越多．此外，氡观测值越大标准偏差越大，均偏差在3.2%～5.6%，说明在观测系统下氡观测值稳定性和连续性较好．图6展示了实验观测到的氡值与水流量变化关系．由图6可见，在鼓泡气流量一定的情况下，水样在单位时间内更新速度越快，脱出的氡气含量也越大．由图5和图6得出，AlphaPUPM主动泵提供气源流速对氡观测值影响大于水样流量影响．

图5 实验观测到的氡值与气体流速变化关系Fig.5 Relationship between radon observation values and gas-flow rates

图6 实验观测到的氡值与水流量变化关系Fig.6 Relationship between radon observation values and water flows

2.3 氡观测值与水气比关系

为研究水样流量、鼓泡气流量系统对氡观测的影响，引入水气比概念．水气比指单位时间内经恒流装置流入脱气集体装置水量与单位时间鼓泡脱氡量之间比值，如式(18)，即在实时水样与实时气源参与脱气-集气装置鼓泡胆内鼓泡脱氡时，形成水-气二相体系并达到溶解平衡状态下的水气比．

σL/G=vL/vG

(18)

其中，vL为液体流速(单位：mL/min)；vG为气体流速(单位：mL/min)．

图7展示了气氡观测值与水气比关系．由图7可见，气氡观测值与水气比呈线性正相关，线性拟合方程为y=a+bx， 其截距a=25.50， 标准偏差为2.12， 斜率b=17.96， 标准偏差为1.19，残差平方和为11.82，平均残差平方为0.98．线性相关系数为0.97，线性相关较好．气氡观测值C与水气比关系为

C=(17.96±1.19)σL/G+(25.50±2.12)

(19)

由式(19)可得到氡观测值随水气比变化的区间，在此区间内的气氡观测值被认为是正常的；否则，视为异常值，需组织相关人员进行排查．同时，可根据实际需要通过控制水气比来调节氡观测值，在不影响正常观测的情况下，当氡观测值低时，可降低对操作人员的辐射，也可减轻对测氡仪电离室的污染，并延长仪器的使用寿命．

图7 氡观测值随水气比变化关系Fig.7 Relational between radon observation values and water-air ratios

3 结 论

本研究基于流体力学研制恒流装置和脱气-集气装置，采用AlphaPUPM主动泵和法国AlphaGUARD PQ2000测氡仪测组成的地震氡观测系统．在九江地震台地震监测氡观测仪器检测平台检测单元实验室内，运用控制变量法对气氡观测开展实验，得到气氡测值与鼓泡气流量、采样水流量和水气比关系，得到以下结论：

1)江西九江地震台2号水井中气氡观测值在观测系统下氡值观测稳定，即在AlphaPUPM主动泵连续、动态稳定的气源下，观测系统恒流装置、脱气集体装置维持观测气压和液面两个动态平衡，氡观测值相对稳定．

2)氡观测值与鼓泡气流量呈负相关，气流量越大，鼓出的气体中氡的放射性活性浓度被稀释了，故气氡观测值偏小．同时发现，氡观测值越大标准版偏差越大，均偏差在3.2%～5.6%，观测系统下氡观测值连续性较好；氡观测值与水流量呈正相关，水样在单位时间内的更新速度越快，脱出的氡气含量越大．AlphaPUPM主动泵控制鼓泡气流量对氡观测值影响比水样流量影响大．

3)本研究引入水气比概念，经计算得出气氡观测值与水气比的关系式，发现两者线性相关较好．根据氡观测值与水气比给出氡观测值随水气比变化限值区间，此区间对氡异常提供较好的核查参考标准．可根据实际需要通过控制水气比来调节氡观测值，在不影响正常观测的情况下，氡观测值低，可降低对操作人员的辐射，也能减轻对测氡仪电离室的污染，延长仪器使用寿命．

4)氡观测值与鼓泡气流量呈负相关，理论上应该是在一定范围呈负相关；在一定水流量情况下，气脱气氡的效率应该是先增大后稀释减小；同理，在鼓泡气流量一定情况下，氡观测值随水样在单位时间内的更新速度增大而增大，也使水流量有限定范围．后续需对水样脱气效率进行实验研究，以便为不同台站或不同井水流量的氡观测提供理论参考．

5)目前中国地震台站的氡观测条件各不相同，建议增加水样流量、采气流量、气压和温度作为辅助测项，这在氡观测数据出现异常时非常有用，可根据氡观测值与水气比的关系进行排查，满足地震前兆数据跟踪、地震预测预报和地球科学的研究．