青海東部地區淺井氣氡值淺析

羅賓生,白永禎,李延峰,魏兆邦

(青海省地震局,青海 西寧 810005)

0 引 言

氡作為地下流體映震的靈敏組分,經過長期的觀察和研究,是目前國內外研究最多的一種。我國氡觀測歷史悠久,積累了豐富的觀測手段[1]。青海地區的氣氡觀測也經歷了多個震例的驗證,對地震短、臨震預測起到了很好的效果[2-5]。氡濃度觀測是我國現有的地震監測網的主要測量內容,對地震短臨預測具有重要意義[6]。如何從氣氡氣中精確地提取出地震的異常信息,對預測地震具有十分重要的意義。在日常的監測中,都是長期使用同一型號的測氡儀進行測量,如果發現有數據異常,很難判定是地震前兆異常還是觀測系統出現故障,因此需要采集青海地區的氡背景數值,在數據出現異常后可以在需要的情況下對其進行現場采樣,并對其進行短臨異常的研究。因此,氣氡背景值作為一個區域內環境本底值可為今后的相關研究提供依據[7]。

圖1 青海東部地區構造

1 井孔選取和觀測裝置

本項目利用青海省自然資源廳地質環境監測總站提供的青海東部地區34口井,獲取該井最底部氣氡值地球化學背景值,本次測量包括氣氡值、水溫及地理位置。根據各個水井實際情況,排除存在明顯干擾、不方便測量的井,最終從34個井中選取26個井進行測量。本次選取的井深為20～50 m,在井底部進行電動鼓泡的方式將井水中的氣體進行溢出,井水表面和空氣接觸,會受氣溫影響,井水往下,和空氣接觸面積小,不容易受到地表氣溫變化的影響。

觀測室配置溫濕度監控器,保證觀測室溫度在20±3 ℃,濕度在50%RH±5>。購買微型氣泵,氣泵將外界空氣由進氣管引入水井底部處,進氣管下端的鼓泡頭產生的微小氣泡將水中的氡氣脫出,匯集在井口處集氣罩內,并通過出氣管最終收集在集氣箱內。集氣箱中的氣體由出氣口輸出,并由氣氡儀進行采集(圖2)。集氣罩直接罩在有逸出氣的觀測井的水面上,集氣罩外側加裝助浮器,保證集氣室的體積不隨水位的漲落而發生變化。逸出氣體富集在集氣室內,集氣室中的氣體通過出氣口輸出。

圖2 氣氡樣品采集過程

2 氣氡背景值分析

2.1 氣氡測量結果

本次測量用SZW-II型數字式溫度計測量井最低部溫度,DDL-1型測氡儀測量井中氣氡濃度值,利用SZW-II型數字式溫度計自帶的GPS測量測點位置信息。為了保證儀器測量的穩定性,在測量之前使用Alpha-GUARD P2000測氡儀,利用水中溶解氡對DDL-1性電離法氣氡儀進行了儀器校測。于2023年5月～2023年7月期間內對所選取的井進行采樣測量.每個井孔分別連續測量3～4小時,采樣頻率為分鐘,對每個井孔的測量結果分別計算了平均值和標準差,如表1所示,26口井氡平均值±標準差總體在7.404±0.045～91.354±0.367 Bq/L。對青海東部地區實地調查結果顯示:

表1 海東地區井調查參數(-表示數據不可用)

(1)從表1可以看出26個有效樣本中平均值差別比較大,最大為:91.354;最小為:7.404。最大值和最小值差別比較大,下面章節對其分布規律作進一步分析討論。

(2)從表1可以看出每口井的標準差差別較大,考慮到平均值也有較大差別因此用變異系數衡量每口井氡值分布的離散程度。從變異系數可以看出27號井氡值分布最離散。

(3)根據上述平均值和標準差的特點對數據進一步分析,分析方法采用單因素方差分析F檢驗、相關性分析和多元線性回歸。

2.2 單因素方差分析

為了研究氡值的影響因子,選擇井編號、井深度、井水溫度等因素對氡值變化進行單因素方差分析。由于每個因子存在26個維度,本次只對氡值做初步研究所以沒有更精準的維度劃分標準,因此差異分析做簡化處理,只采用因子(井標號)對數據做單因素方差分析。其分析模型[8]為:

SST=SSA+SSE

(1)

式中,SST為觀測變量的總離差平方和;SSA為組間離差平方和,是由控制變量的不同水平所造成的變差;SSE為組內離差平方和,是由于抽樣誤差所引起的變差。其中:

(2)

(3)

(4)

根據表2數據可以看出,總離差平方和1 497 974.980,組間離差平方和1 495 007.710,組內離差平方和2 967.271;方差檢驗104 273.196,對應的顯著性水平P=0.000,在95%置信區間下顯著性水平均小于0.05,因此認為26組之間至少有一組與另外一組存在顯著性差異,需要作進一步分析(多重比較)。

表2 單因素方差分析

表3 相關性分析

經過多重比較發現任意一口井和其他的井之間P值均小于0.05,說明在95%的置信區間下任意一口井和其他井的氡值均存在顯著性差異。根據上述結果可以判定樣本中的26口井分布不均勻。

2.3 相關性分析

在進行回歸前,首先需要相關性反應的是兩個變量之間的相關程度,通常用Pearson相關系數來表示,其檢驗模型[9]為:

(5)

其中:

(6)

(7)

分別對水溫、井深和氡值進行雙變量相關性分析,結果如下表所示。結果顯示,氡值與井深度、水溫的Pearson相關性系數分別為-0.402、0.098,說明本次選取的青海東部地區淺井水中氡含量與井深度、水溫的關系并不大。

2.4 線性回歸

為了進一步研究井深與水溫變化對氡的線性影響,本文構建了二元線性方程:

y=β0+β1x1+β2x2

(8)

其中,x1為水溫,x2為井深,y為氡值。將數據導入SPSS中進行二元回歸(表4、5)。結果顯示:預測回歸方程的相關系數R達到0.835,說明自變量與因變量之間的相關程度較大[10],R2為方程決定系數,用于映射解釋方差占氡值方差的百分比,調整后的R2是考慮了水溫與深度之間的相關影響之后對決定系數R2的校正,表示總體的回歸結果,根據數據顯示,此方程調整后的R2值為0.697>0.25,說明擬合程度較好[11]。

表4 模型匯總

(1)根據表5“未標準化系數B”構建因變量氡值模型,模型如下:

表5 回歸系數與顯著性

y=-389.911+65.449x1+-1.23x2+殘差

(9)

考慮到此次樣本選取受到觀測井本身分布的局限性和樣本量數量的局限性綜合考量該模型進作為解釋型模型進行氡值分布的初步解釋,不作為預測性模型進行專業預測。

(2)根據“標準化系數Beta”可以看出水溫對氡值影響較大,且為正向影響。

(3)水溫和井深度顯著性均小于0.05說明兩個自變量對因變量氡值的影響在95%的置信區間下顯著。

圖3為等方差性驗證,從圖中可以看出回歸標準化殘差與標準化預測值散點圖,數據點大部分在±2個標準差之類,但也存在個別奇異點,說明總體效果較好,無異常點,但數據點并沒有在0上下全部對稱分布,自右向左有放大趨勢,說明等方差性基本滿足線性模型,可用于定性預測。

圖3 等方差性驗證

3 結果分析

氣氡觀測中存在著多種外部干擾,既有規律性又有不規則性,產生這種變化的影響因素稱為干擾因素[12]。氣氡的干擾因素較多,其影響機制也比較復雜,主要有降水、抽水和地表水摻混[13]。

通過觀測和計算結果均表明,井水中氡含量背景值,與井的深度、水溫等的關系并不明顯。筆者認為,造成這種現象的原因,與地下水中氡的來源有關系。

氡是天然放射性元素,來自鐳(Ra)放射性衰變 ,巖土中的氡與含鐳巖石的土壤中的氡,多以吸附狀態存在。地下水中氡含量變化反映地震物理學機制主要是基于強震孕育的動力學原理,即在區域應力作用下,當地殼介質受到力的作用而發生變形破壞時,地震破壞程度的大小與賦存于介質中的流體的動力作用、化學作用均有關。地殼巖石處于穩定狀態時,氡濃度處于平穩變化狀態。如果巖石處于水飽和狀態時,一旦受到應力改變,則吸附在地殼巖石中的氡會擴散到水中[14]。氡可以較容易地離開巖石和土壤,進入巖石裂縫,氡可溶于水中,溶解度大小與井周圍的壓力、礦化度以及井周圍的裂縫深淺、走向等因素有關,氡在地下水中還因為擴散、彌散和對流等作用而產生遷移,同時氡被巖石、土壤顆粒表面吸附與解附、溶解于地下水并隨地下水遷移等過程,都受其影響,隨著環境周圍外界的變化而變化。因此,受壓力、礦化度以及井周圍的裂縫深淺、走位等多種因素的影響,地下水中氡的含量,會有溶解、遷移、吸附、解附等多種變化,而導致不同地下水中氡含量的不同。

當其他條件均相同時,氡的溶解度隨溫度與礦化度的升高而變小,但與井溫沒有明顯的關系。而這批觀測井分別位于不同的位置,井孔情況各不相同,井水的來源、流經的通道、井溫、礦化度、環境壓力等均不相同,因此,各井中氡背景值分布也就呈現不均勻性。

4 結 論

(1)研究顯示,青海東部地區淺井水中氡含量呈現出不均勻分布特征,同時整體氡含量水平偏低,氡平均值總體在50 Bq/L以下。

(2)青海東部地區淺井氡含量與井的深度和溫度沒有明顯的相關性。井水中氡氣的含量,應該與井水的來源、流經的通道、井溫、礦化度、環境壓力等多種因素有關。

(3)雖然多個井中氡含量背景值沒有呈現出規律性,但是這項研究為以后地震異常的核實積累了背景觀測資料,是非常有意義的。