洋县地震台三种测氡仪的对比分析＊

姚 晨，岳 鹏，刘芷余

（陕西省地震局，陕西 西安 710068）

氡是天然放射性元素，来自镭（Ra）放射性衰变。氡可溶于水中，溶解度大小与水的温度、压力、矿化度等因素有关。氡在地下水中表现出迁移性，与岩土之间还表现出吸附与解附作用。当地壳中孕育地震，特别是到了临近发震的阶段，岩段附带有渗流场扰动时，岩土空隙中的自由氡含量或地下水中溶解氡的含量都将发生显著的变化，甚至地下水中出现氡的过饱和而自由逸出的现象。因此，连续观测地下水中溶解氡与逸出氡的变化，有可能捕捉到地震孕育与发生的前兆异常信息[1]。

随着科学技术的发展，地震系统所使用的测氡仪器也在不断更新。陕西省洋县地震台目前有3套氡观测仪器，分别为FD-125、SD-3A及BG2015R型测氡仪。FD-125为模拟水氡观测，SD-3A为气氡观测，2台仪器自安装以来工作稳定，所得数据连续可靠；2018年11月，BG2015R在洋县地震台开始试运行，已取得一定的观测资料。本文主要对这3套测氡仪的观测数据进行对比分析，掌握各自的动态变化特点，从一致性和稳定性等角度比较仪器的差异性，从而更加科学正确地进行今后的观测工作和资料分析。

1 洋县台观测概况

洋县地震台的观测泉为上升裂隙泉，有大量泉眼向外涌水，泉眼分布不均匀，有大量逸出气体，主要接受大气降水渗入补给。泉点周围为农田，不受周围开采等环境变化的影响。2007年进行了测点勘选，同年投入FD-125与SD-3A型测氡仪进行观测。2018年11月，BG2015R型测氡仪在洋县地震台开始试运行，已取得一定的观测资料。

2 观测仪器

2.1 FD-125型测氡仪

FD-125型氡钍分析器是FD-125型测氡仪的主体，与自动定标器配套使用。它由闪烁室、旋转式工作台（含光电倍增管和前置放大器）构成。当氡气引入闪烁室后，氡衰变过程中产生的α粒子冲击到闪烁室内壁的硫化锌晶体上，引起硫化锌原子激发而闪光放出光子，通过光电倍增管产生光电子，受电场作用形成一脉动电流而输出一负脉冲电压，通过记录脉冲频率得知闪烁室内的氡浓度。

2.2 SD-3A型自动测氡仪

SD-3A型自动测氡仪主要由主机和氡探测装置2部分组成，主机以CPU89C52单片微机芯片为控制系统，配备IP板，实现了通信网络化，对氡进行全自动测量、打印、显示、传输的智能化设备，它把键盘功能、LCD显示、打印、传输功能组成一个系统，通过良好的人机界面，实现了测氡智能化的目标；氡探测装置的核心是氡探测器，它由ZnS（Ag）闪烁室和光电倍增管组成，其工作原理与FD-125型测氡仪相同。

2.3 BG2015R型测氡仪

BG2015R型测氡仪是贝谷公司同东华理工大学共同完成的核辐射检测类仪器；其主要特点是采用可更换型闪烁室采样器，可对空气（或土壤）氡进行快速采样和测量。在采样筒受到氡子体污染时，可现场更换采样器，无需长时间等待[2]。该仪器较SD-3A智能数字化程度更高，其应用范围、测量模式等功能都有所提高。

3 资料选取

3.1 原始观测曲线对比

如图1所示，选取2019年10月至2020年3月3套仪器的日均值进行分析对比，发现FD-125波动较小，波动变化为24.7～27.8 Bq/L；其次是BG2015R，波动变化为68.7～83.7 Bq/L；SD-3A波动变化为85～239 Bq/L，波动相对较大。3套仪器记录的数据变化趋势存在一定的一致性，且趋势变化多为同向。

图1 BG2015R、FD-125与SD-3A日均值曲线对比

3.2 一阶差分分析

一阶差分就是离散函数中连续相邻两项之差，是一种压制较长周期、突出较短周期变化的线性滤波方法[3]，反映数据的离散程度，是一种常用分析方法。计算公式为：

式（1）中：ΔXi为差分值；Xi为第i天日测值，i=1，2，…，n。

如图2所示，选取2019年10月至2020年3月3套仪器同期观测数据进行对比分析，结果显示：SD-3A观测数据整体波动性较大，数值在-13.7～15.2 Bq/L；FD-125观测数据整体波动性较小，数值在-2.1～2.0Bq/L；BG2015R波动最小，数值在-1.23～0.85Bq/L。

图2 BG2015R、FD-125与SD-3A日均值一阶差分曲线

3.3 数据一致性分析

选取2019年10月至2020年3月3套仪器同期观测数据进行一致性分析。

3.3.1 相关系数检验法

由相关系数推断总体相关系数的参数检验方法，是统计分析方法中的重要内容之一，是考察2个变量之间线性关系的一种统计分析方法。相关系数是用以反映变量之间相关关系密切程度的统计指标[4]。将3套仪器的观测数据两两对比，令Xi、Yi表示第i天观测日值（i=1，2，…，n），相关系数用符号r表示，其计算公式为：

式（2）中的r值越趋近于1，说明2套仪器记录的变化趋势一致。取显著性水平α=0.01，自由度f=n-2，通过查询相关系数临界值表，得到最小相关系数r0，若r＞r0，说明趋势存在一致性，反之，趋势不存在一致性。

采用相关系数检验法通过SPSS软件对3套仪器日均值进行计算，FD-125与SD-3A相关系数为0.564，FD-125与BG2015R相关系数为0.703，SD-3A与BG2015R相关系数为0.758。取显著性水平α=0.01，查询相关系数检验表，日均值最小相关系数为0.190（对应数据个数n=183）。所计算r值均大于其最小相关系数，说明3套测氡仪观测数据存在显著相关性，数据动态变化趋势较一致，SD-3A与BG2015R相关性最好，FD-125与SD-3A相关性略差。

3.3.2 样本方差一致性检验

有关方差分析的理论和方法最早由英国统计学家Fisher RA等提出。该方法又称为变异数检验和F检验，是检验2个或者多个样本均数间差异是否具有统计意义的一种方法。令Xi、Yi表示第i天观测日均值（i=1，2，…，n）。样本数为nx、ny，X、Y的样本方差比值（大方差与小方差的比值）即为F值[4]，可定义为：

式（3）中：分子、分母为2组数据的样本方差，取显著性水平α=0.05，自由度f1、f2分别为nx-1、ny-1。

根据各自对应的自由度查F分布临界值表。若计算得出的F值大于临界值，则否定一致性假设，认为差异性显著，并认为样本方差变化不一致，反之认为二者方差一致。计算结果如表1—表3所示，可以看出，BG2015R与FD-125型在2019年12月至2020年3月期间F检验值小于其临界值，但在2019年10月至2019年11月期间F检验值大于其临界值，数据变化较大，可能与仪器当月稳定性有关；表2、表3计算结果F检验值均大于其临界值，说明观测数据差异性显著，即BG2015R与SD-3A、SD-3A与FD-125不属于等精度观测。

表1 BG2015R与FD-125日值F检验结果

表2 BG2015R与SD-3A日值F检验结果

表3 SD-3A与FD-125日值F检验结果

3.3.3 均值一致性检验

一致性检验是指对不同样本计算的平均值或方差进行检验，对2组数据（数据个数相同）的平均数作比较时，需要考虑其平均数差值是否具有显著差异。采用t检验法对2组数据进行差异显著性检验，计算公式如下：

式（4）中：、为平均值；、为样本方差，取显著性水平α=0.05，自由度f=nx+ny-2。

根据自由度查t检验临界值表。若计算得出的t值（t取绝对值）大于临界值，认为检验不能通过，二者均值不一致，反之认为二者均值一致。t检验计算结果如表4—表6所示。

从表4—表6可以看出，3套仪器检验值t与临界值差值较大，说明3套仪器记录的均值不一致，即观测值变化本底值（仪器背景值）不一致。鉴于3套仪器的本底值标定均符合规范要求，可见本底值大小与仪器类型有关。

表4 BG2015R与FD-125日值t检验结果

表6 SD-3A与FD-125日值t检验结果

表5 BG2015R与SD-3A日值t检验结果

4 结论

综上所述，可以得出以下结论：①3套仪器主样数据观测曲变化趋势较为一致，且多为同向变化。其中SD-3A测氡仪波动较大，分析认为是其工作时间太长，各元器件老化严重所导致，亟需更换新仪器；一阶差分分析表明，BG2015R数据波动性及数据离散程度较小，相较其余2套仪器稳定性最好。②3套仪器相关系数r都大于最小临界值，表明3套仪器存在显著相关性与一致性，数据可靠都能应用于日常观测工作中。F检验法表明观测数据差异性显著，即3套仪器不属于等精度观测，临界值和检验值相差较大，可能与仪器装置原理及设置不同有关。t检验法表明，3套测氡仪均值不一致，即观测值的变化本底值（仪器背景值）不一致，可能与仪器装置原理及设置不同有关。