氡的观测技术课件

1、水氡动态分类表分类依据分类按与地震活动的关系正常动态（干扰）按周期特征半日的、全日的、半月的、年变的、多年的、无周期的按年变化形态夏高冬低、夏低冬高、近直线、无规律型按地下水的补给排泄条件渗入型、径流型、开采型按引起变化的作用混合、淡化、脱气、积累和衰变、射气作用按变化速率缓变型、阶变型第六章测 氡 技 术氡的性质氡在地震监测中的应用测量技术与方法测量仪器基本原理介绍水氡测量注意事项一、氡的基本性质 Rn 无色、无臭惰性气体，原子序数86，比重0.0096g/cm3, 是Ra衰变的产物。Rn半衰期为3.825天。镭射气1900,居里夫妇, 镭的化合物放置在空气中后，空气本身也变成具有放射性了。

2、钍射气-卢瑟福, 钍不仅放射出射线, 还有放射性气体物质，称为“射气”。锕射气-1903年,德国的纪塞尔和德比尔纳从锕中发现射气。 1908年，拉姆赛将射气定名为“氡”。1910年确定其相对原子质量为222。自然界中氡的天然放射性同位素有222Rn、 220Rn 、 219Rn。（一）氡的来源半衰期： 放射性核素原子核中有1/2比例的原子核发生衰变所经过的时间，叫做这一特定核素的半衰期。 半衰期 t放射性元素的衰变 放射源 铅座衰变 质子数和中子数各减少2个，故原子序数减2，质量数减4，实际上就是减少一个He核。衰变 中子转变成质子，另外生成 电子和反微中子。 衰变后中子减少1个，质子增加1个

3、，故其原子序数增加1，质量数不变。衰变 射线是高能量的光子。原子核产生衰变时，原子序数和质量数都不变。 原子核产生、衰变时都会伴有射线的放射。 衰变 镭（Ra） 氡气（Rn） 衰变 氡（Rn） 子体铀238衰变系列 222Rn的半衰期为3.825天，220Rn的半衰期为55秒，而219Rn的半衰期不到4秒，通常所说的氡指222Rn。铀镭系原始核铀238，8次衰变和6次衰变，衰变成稳定核素铅206。钍系衰变起始核钍212，6次衰变，4次衰变，衰变成稳定核素铅208。铀锕系衰变原始核铀235，经过7次是衰变和4次衰变，衰变成稳定核素铅207。222Rn和220Rn来自地球化学性质不同的母体铀和钍，

4、其衰变积累规律不同。 220Rn主要反映近地表的信息,而222Rn可以反映地下深部的信息 Rn的射气特性 含有Ra的岩石，具有向周围空间扩散氡气的能力，这种能力称为岩石的射气作用岩石的射气作用. 射气强度：1克岩石在1秒钟内析出的自由氡射气量。 射气能力：1克岩石在其建立放射平衡（ Ra与Rn之间）的时间内析出的总射气量。 射气系数：在单位时间内，析出到岩石空隙中的自由氡量与在同一时间间隔内形成的总射气量的比值 1. 溶解性 氡可溶于水中，液体中的氡浓度和气体中的氡浓度成正比。溶解度大小与水温、压力、矿化度等有关。不同的地下水中氡含量不等。 天然水中氡 含量一般未达到饱和极限，浓度变化为（0.

5、13-1.6104）Bq/L。（二）氡的性质 氡在液体中的射气浓度（ Rn液/V液）与气体中的射气浓度（ Rn气/V气）成正比。（ Rn液/V液）= （Rn气/V气） 为射气系数，= 0.1057 + 0.405 e 0.0582 t , 是与温度 t 有关的函数2. 被吸附性 固体均不同程度的吸附氡，尤其以煤、橡胶、蜡等最为突出，活性碳又是基中最强的。 物质对其吸附能力取决于微孔多少。在岩石中粘土是很好的氡的吸附剂。 3. 土壤中的氡 由于扩散及气候因素，壤中氡可析出到大气中（蒸发现象）。壤中氡浓度随深度而变化，到13m 处达到基本饱和，可达到饱和层最大浓度值的90%。4. 环境中的氡 大气

6、中氡浓度随高度增加呈指数下降，其衰减高度约为1000m。 主要来源于：地壳的岩浆岩、沉积岩和变质岩释放；江河湖泊海洋释放（微）；植物和地下水的释放;核工业释放；煤燃烧；油气；建筑物。5.氡的消散作用 通过地表向大气释放的过程叫消散作用。与土壤、环境等因素有关。消散作用是大气中存在氡的原因，40-50m高度以下大气中的氡浓度平均为n10-3Bq/L。6. 室内氡来源 地下出露地表的断裂构造；地基土壤；建筑材料；水；天然气。7. 氡的积累与衰变 当地下水与岩石接触后，岩石中镭衰变所产生的氡便开始在水中积累。水中氡的积累浓度由公式Ct = Cmax (1et ) 决定。 Ct ：水与岩石接触，经历时

7、间后水中氡的浓度（Bg/L)； Cmax：岩石提供的最大氡浓度（Bg/L)； t ：水与岩石接触的时间（天）； ：氡的衰变常数= 0.1813; e :自然对数的底; 1et : 氡的积累函数. 氡的衰变规律公式: Ct = Co et Ct : t 天后,水中氡的浓度; Co : 水脱离岩石时的氡的浓度; et : 氡的衰变函数值。当t趋近于30天时， et趋近于0，1et趋近于1，水中氡的浓度接近于最大值。t510152025304050et0.40390.16320.06590.02660.01080.00430.00070.0001二、氡在地震监测中的应用氡的应用领域广泛环保、医疗（肿

8、瘤）资源勘探（矿、油、气、水）地质填图（断裂、构造边缘、岩石圈边界等）现代地球动力学运动研究地震监测与预报航空物探塔什干地震前后（1956-1967）前苏联研究塔什干矿水中氡，1966年4月26日震后掀起了氡研究的高潮。（一）应用的技术思路 应力积累导致岩土的变形与破坏，改变介质受力状态，引起岩土空隙、水流条件改变，由此引起岩土中氡射气量的变化 ，引起水岩作用 、浓度不等的氡水间的混合等。岩土变形发展到一定阶段，促使岩石破裂发生振动，振动作用促使岩土的射气作用，也有可能使深部物质上涌，把深部的氡带到浅部的含水层中来。弹性变形塑性变形断裂变形在周边构造应力作用下，构造变形导致地壳运动和断层活动应

9、变在孕震区或断层带上的积累导致地球物理场和地球化学场变异地震突发错动产生永久变形和强地面震动，对地表建筑物产生破坏，形成灾害*地震孕育和发生的过程（二）应用依据（氡的迁移） 在岩石空隙以自由氡、吸附氡和封闭氡等不同形式存在，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。氡射气在地壳中的迁移是一个复杂的过程。氡的迁移作用方式:扩散作用、对流作用、搬运作用、抽吸作用、水的纵横向作用、接力传递作用、伴生气体的压力作用、泵吸作用、地热作用、地震应力引起的毛细压力变化作用、大气压力的纵深效应、镭的迁移作用等。（1）扩散作用：分子由于热运动而向浓度小的方向移动。（2）对流作用：当岩层中存在着压

10、力差时，氡气可从压力高的部位向压力低的部位迁移，仅次于扩散作用，氡从深部向地表迁移主要靠对流作用。 （3）水携带作用：以水为载体迁移，该方式包括纵向运动和横向运动，其速度往往比扩散作用快得多。（4）伴生气体的压力作用：氡是微量气体，有时可在其它浓度大的土壤气体的扩散压力推动下进行迁移。 （5）地热作用：由于热梯度的存在，气体向冷部位(低压区)迁移时，带动了氡的迁移。 （6）泵吸作用：地球定时涨落的泵吸效应以及裂隙和毛细管开闭作用等导致氡迁移。（7）抽吸作用：如空气温由于热的作用，地表水蒸气蒸发，形成的抽力使氡气不断向上迁移，温差越大迁移越快。（8）潮汐、大气压的纵深效应等。铀、镭等放射性物质随

11、水、有机物（烃类）油等迁移，在迁移的过程中又不断发生衰变，衰变出的氡又进行着前面所说的多种方式的迁移，形象地称为接力传递作用。接力传递作用使氡可以远距离迁移。扩散，对流，抽吸，水的溶解搬运，伴生气体的压力，泵吸（地球这时涨落），地热等近距离迁移使得氡对环境非常敏感，因此成为地震监测的一个重要手段。（三）氡的前兆异常机制 孕震过程，当受到附带有渗流场扰动时，岩土空隙中自由氡或地下水中溶解氡都将发生变化，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及岩土空隙中自由氡浓度的变化，有可能捕捉到地震孕育与发生的前兆异常信息。（四）氡的异常震例 水氡是我国最先作为地震地

12、下流体前兆之一的观测项目。早在上世纪60年代中期就开始氡的观测，积累了大量的观测资料，取得了很好的震例，使氡观测成为地震地下流体观测的重要组成部分。四川康定姑咱泉水氡异常 1979年6月19日山西介休5.1级地震k=200Km 1979年6月3日至6月15日高值异常震后恢复。1977年11月27日宁河5.6级地震前异常:芦台k=30Km务1 k=115Km塘沽k=45Km 兴济k=126Km1976年9月23日巴音木仁6.2级地震 k=79Km震后多年的观测资料没有出现类似的变化1991年6月6日新疆和静5.2 级地震前新10号泉水氡异常k=120Km三、 测量技术与方法 氡及其子体的观测是地

13、震监测预报中前兆观测的重要测项。 水氡测量 逸出气氡测量 土壤氡测量（一）测量技术方法 氡的测量分水氡和气氡两类：水氡测量采用真空扩散器取一定体积的水样，定时脱气后，用氡探测器进行测定。气氡测量是对水中自由逸出气、水中部分溶解气、断层带土壤逸出气中的氡进行全自动的连续测量。 静水位有逸出气的水井按测量的时间长短：微分测量/瞬时测量-测量时间在数秒到数十分钟积分测量/累积测量-测量时间一般在数小时到数十天范围内。在地震监测预报中瞬时测量(常规测量) :金萡静电计、FD-105型静电计、FD-105K型静电计、FD-125型氡钍分析器、FD-3017RaA测氡仪、SD-3A型自动测氡仪和FD-3B

14、型水氡仪等。活断层研究环境监测中氡的累积测量:径迹蚀刻法、硅半导体仪法、卡法、氡管法、滤膜法和活性炭吸附法等。观测对象: FD-105K、 FD-125 两种测氡仪，由于一般都是从观测点采样回来，鼓泡脱气后静置1h后才分析，因为其它子体的半衰期太短。所以在实验室测量氡只有222Rn，野外自动观测的可能就有220Rn了，FD-3017观测的是氡的子体。（二）氡测量基本原理氡的测量是根据射线与某些物质相互作用时产生的电离现象、荧光现象，利用各种辐射探测器将放射性元素的能量转换成电信号，经放大甄别、整形后进行记录，再经相应的标定，计算氡浓度。电离静电计法：氡气被鼓入电离室，氡及其子体的射线使空气分子

15、电离，在外加电场作用下产生电离电流，使静电计的石英丝偏移，目测指示丝移动的格值，计算水氡浓度。闪烁脉冲计数法：氡气被鼓入电闪烁室，氡及其子体的粒子冲击闪烁室内壁的硫化锌（银）闪烁体，激发出光子，经光电倍增管进行光电转换，并在阳极负载上形成一脉动电流，输出负脉冲，经电子线路放大、甄别、整形后被自动定标器记录，根据在单位时间内的脉冲计数计算出水氡浓度。1966年邢台地震以后，开展水氡观测，观测仪器大都为 FD-105和 FD-105K 静电计。人工取样脱气，人为操作误差，丢失丰富的瞬间的异常信息.河北试制了 LD-A型连续自计测氡仪.兰州地震研究所研制JZD-1型交直流两用自动测氡仪.（三）测量技

16、术发展概况天津市地震局与北京核仪器厂引进改装FD-128 型自动水氡测量仪分析预报中心和地震仪器厂协作CRM-4 型水氡仪70年代，日本胁田宏等人研制NW-101型连续自记测氡仪南加州大学地球物理实验室USC-803型自记测氡仪加州大学劳伦斯-伯克利实验室能谱自记测氡仪加州理工学院凯洛格放射实验室悬浮微粒-弥勒计数管式自动氡钍监测器九五期间，研制成功SD-3A型自动测氡仪。十五期间，数字化观测普及。四、测量仪器基本原理介绍（一）FD-105K型静电计1. 仪器的结构与测量原理 核心部件石英丝系，表面都涂金属铂，导电性良好。石英丝系对称地处于正、负两对电刀形成的电场中央。当接通电源后，电刀之间形

17、成均匀恒定电场。当石英丝上带电荷时，指示丝在电场中受电场力作用后发生偏转，用放大倍数为70倍的读数显示微镜进行观察。仪器的主要技术指标（1）射气测量灵敏度范围0.373700Bq/L；当电压灵敏度为20.0格/V时，测量灵敏度为0.370.15 Bq/L/格/min。（2）电压灵敏度可调范围：最大灵敏度为60.0格/V,最小灵敏度时7.0格/V。（3）电压线性和电离电流线性：在电压灵敏度为20.0格/V时，均不大于3。（4）仪器一般应在水平位置使用，但向任何一方向倾斜15后，经重新调节仪器后仍能正常工作。（5）电荷保持性能：仪器在“校正”挡并拉出放电杆后（电压灵敏度为20.0格/V），10分钟

18、内其读格变化小于3.0格。（6）仪器供电：采用一节1.5V一号干电池，其电耗小于30mA，并备有外接电源插孔，因此也能使用1.5V稳压电源。（二）FD-125氡钍分析器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。1. 仪器的结构 氡在闪烁室衰变过程中产生的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,此光子被光电倍增管接收后,便在其光电阴极上产生光电子,完成光电转换。2. 测量原理 闪烁室内,粒子的数目与氡气的浓度成正比，即与闪光的频率成正比。记录光电倍增管输出的脉冲频率可得闪烁室

19、内氡浓度。3. 仪器的主要技术性能（1）闪烁室固有本底（初次使用）小于10脉冲/100s，多次使用本底小于15脉冲/100s。（2）闪烁室的密封结构，当闪烁室内残留气压为13.3kPa时，10分钟内漏气应小于13.3kPa。（3）在常规条件下（温度205、相对湿度655%），样品重复测量误差小于10%；（4）仪器预热半小时，连续工作8小时，其附加误差小于10%，高压变化小于0.5%；（5）仪器供电电源：正10V直流及0-1500V可调负高压稳压电源 （三）FD-3017测氡仪瞬时测氡仪，它利用静电收集氡衰变的第一代子体(RaA)作为测量对象，定量测量土壤或水中氡浓度。没有探测器污染问题。具有较

20、高的灵敏度、操作简单、测量时间短、工作效率高。适用于土壤氡普查及工程检测。 *仪器的标定* 测氡仪器的标定：正常工作环境条件下，用标准放射源，用与平时测定样品相同的方法与操作步骤进行测量，求得仪器标定值K，作为测定计算未知样品中氡浓度的衡量标准。 方法有三种：液体镭源法、固体镭源法和固体氡气源法。（1）液体镭源标定法 液体镭源标定法是一种传统标定方法，是用已知镭含量的碳酸钡镭粉末源与分析纯盐酸溶液溶解并配制成n10-8、n10-9和n10-10克镭的5的溶液。 （2）固体镭源标定法（射线标定法） 固体镭源射线来标定静电计电离法测氡仪。由于这种方法要直接使用固体镭源，对射线的强辐射要采取有效的防

21、护措施，否则极不安全。 （3）固体氡气源法 利用密封的大体积容器里放置的固体222Ra源中蜕变的氡气标定仪器。 该源的强度已知，氡达到放射性平衡的体积也已知，故发射出的氡量也就可知。每次标定只定量取出部分量（约0.1）即可。FD-105KFD-125FD-3017目前水化台网使用的是引进加拿大RN-150型固体氡气标定器和国产化的FD-3024型固体氡气源。（三）SD-3A型自动测氡仪1. 仪器构成 由主机和氡探测装置组成，主机由CPU89C52单片微机芯片作为仪器的核心，并装有IP板，实现了自动测氡仪的智能控制环节（通信网络化、多路供电、交直流自动转换、气路控制和仪器参数远程修改等）。SD-

22、3A测氡仪测氡装置由测氡探头（闪烁室）、前置放大器、主放大器、高压电源、脉冲整形、手动检查装置及高压和电瓶电压交替显示、气路切换和自动取气机械单元组成。2. 工作原理 氡探测器由ZnS(Ag)闪烁室和光电倍增管组成（FD-125相同）。工作原理：光电倍增管将接收到的光幅射变成电子流，然后经倍增放大，输出一个圈套的电信号。经过多次倍增之后，电子数目可增加108倍。最后，倍增后的电子流由阳极收集并输出电信号。 主要功能 定时测量功能及其工作时序，精度达到月误差秒级。 气路控制，人机对话功能 数据存储功能。自动恢复功能 多路控制供电功能，对电瓶安全充电功能 通信功能，本机具有RS-232标准通讯接口

23、。“十五”生产的SD-3A 自动测氡仪器实现了IP 到仪器，通过网络进行通信。4. 技术指标灵敏度90个脉冲/min/Bq/L闪烁室固有本底10个脉冲/min计数容量：106个脉冲稳定性：10%(年)闪烁室密封性能：10分钟内漏气应小于1333.22Pa使用温度：045适用湿度：80%电源要求：AC22010%, DC1210%功耗：待机状态7W，工作状态18W仪器参数的设置按照面板上的说明即可连续自动测氡仪的标定方法 自动观测中，井（泉）水中的氡气连续不断地从自动脱气装置脱出，按一定流速进入闪烁室测量后又流出闪烁室。因此，标定也按此方式进行。 采用GD-11型流气式固体氡气源或加拿大产的RN

24、-1025型流气式固体氡气源。五、水氡观测方法水氡测试的主要环节：水样采集仪器性能检查测本底脱气测定读数计算（一）水氡样品的采集与处理 氡在地下水中水平与垂直方向分布不均一，应定量、定时、定位手工采样，保证所采取的水样能真实地反映地下水中氡的客观变化。1. 定量:用统一规格的玻璃扩散器负压定量现场采取水样1005mL。可以校正。2.定时：地下水中氡有周期变化。利用日值相对变化分析动态特征，须固定每日的取样时间，稳定氡值的背景条件，以获取水氡正常动态规律。水氡样品采集使用的扩散器自流井与泉水：固定每日取水样的时间，前后不得超过半小时。抽水井：通过试验确定出水氡变化与开泵延续时间的关系，在此基础上，选定开泵后的取水样的固定时间，一般是半小时至一小时。3. 定位（含定深） 各观测水点要通过试验选择最佳井（泉）出水口位置，固定采样位置和深度。同一口井的不同深度上取样测得的氡含量是不等的，这是因为氡气含量与动水压力关系密切。在井口引水管路有多处取水口时，选择并固定取水样的位置十分重要。 泉点观测，取样点尽可能选在泉