氡的观测技术课件.ppt
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1、水氡动态分类表分类依据分类依据分类分类按与地震活动的关系按与地震活动的关系正常动态(干扰)正常动态(干扰)按周期特征按周期特征半日的、全日的、半月的、半日的、全日的、半月的、年变的、多年的、无周期的年变的、多年的、无周期的按年变化形态按年变化形态夏高冬低、夏低冬高、近直夏高冬低、夏低冬高、近直线、无规律型线、无规律型按地下水的补给排泄条件按地下水的补给排泄条件渗入型、径流型、开采型渗入型、径流型、开采型按引起变化的作用按引起变化的作用混合、淡化、脱气、积累和混合、淡化、脱气、积累和衰变、射气作用衰变、射气作用按变化速率按变化速率缓变型、阶变型缓变型、阶变型 氡的性质氡的性质 氡在地震监测中的应
2、用氡在地震监测中的应用 测量技术与方法测量技术与方法 测量仪器基本原理介绍测量仪器基本原理介绍 水氡测量水氡测量 注意事项注意事项一、氡的基本性质一、氡的基本性质镭射气镭射气1900,居里夫妇居里夫妇,镭的化合物放置在空气中后,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。空气本身也变成具有放射性了。钍射气钍射气-卢瑟福卢瑟福,钍不仅放射出射线钍不仅放射出射线,还有放射性气体物还有放射性气体物质,称为质,称为“射气射气”。锕射气锕射气-1903年年,德国的纪塞尔和德比尔纳从锕中发现射德国的纪塞尔和德比尔纳从锕中发现射气。气。1908年,拉姆赛将射气定名为年,拉姆赛将射气定名为“氡氡”。
3、1910年确定年确定其相对原子质量为其相对原子质量为222。自然界中氡的天然放射性同位自然界中氡的天然放射性同位素有素有222Rn、220Rn、219Rn。(一)氡的来源(一)氡的来源半衰期半衰期:放射性核素原子核中有放射性核素原子核中有1/2比例的原子比例的原子核发生衰变所经过的时间,叫做这一特定核发生衰变所经过的时间,叫做这一特定核素的半衰期。核素的半衰期。半衰期半衰期 t放射性元素的衰变放射性元素的衰变 放射源 铅铅座座衰变衰变 质子数和中子数各减少质子数和中子数各减少2个,故原子序数个,故原子序数减减2,质量数减,质量数减4,实际上就是减少一个,实际上就是减少一个He核。核。AA 44
4、ZZ 22XYHe238234492902 UThHe例如:衰变衰变 中子转变成质子,另外生成中子转变成质子,另外生成 电子和反微中电子和反微中子。子。衰变后中子减少衰变后中子减少1个,质子增加个,质子增加1个,故其个,故其原子序数增加原子序数增加1,质量数不变。,质量数不变。11000110npe AA00ZZ 110XYe 23423400909110ThPae 衰变衰变 射线是高能量的光子。原子核产生射线是高能量的光子。原子核产生衰变衰变时,原子序数和质量数都不变。时,原子序数和质量数都不变。原子核产生原子核产生、衰变时都会伴有衰变时都会伴有射线的射线的放射放射。镭(镭(Ra)氡气(氡气
5、(Rn)衰变衰变 氡(氡(Rn)子体子体铀铀238衰变系列衰变系列 222Rn的半衰期为的半衰期为3.825天,天,220Rn的半衰期为的半衰期为55秒,而秒,而219Rn的半衰期不到的半衰期不到4秒,通常所说的氡秒,通常所说的氡指指222Rn。铀镭系原始核铀铀镭系原始核铀238,8次次衰变和衰变和6次次衰变,衰变,衰变成稳定核素铅衰变成稳定核素铅206。钍系衰变起始核钍钍系衰变起始核钍212,6次次衰变,衰变,4次次衰变,衰变,衰变成稳定核素铅衰变成稳定核素铅208。铀锕系衰变原始核铀铀锕系衰变原始核铀235,经过,经过7次是次是衰变和衰变和4次次衰变,衰变成稳定核素铅衰变,衰变成稳定核素铅
6、207。220Rn主要主要反映近地表的信息反映近地表的信息,而而222Rn可可以反映地下深部的信息以反映地下深部的信息n Rn的射气特性的射气特性 含有含有Ra的岩石,具有向周围空间扩散氡气的能力,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这种能力称为岩石的射气作用岩石的射气作用.射气强度:射气强度:1克岩石在克岩石在1秒钟内析出的自由氡射气秒钟内析出的自由氡射气量。量。射气能力:射气能力:1克岩石在其建立放射平衡克岩石在其建立放射平衡(Ra与与Rn之间)的时间内析出的总射气量。之间)的时间内析出的总射气量。射气系数:射气系数:在单位时间内,析出到岩石空隙中
7、的在单位时间内,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自由氡量与在同一时间间隔内形成的总射气量的比值 氡可溶于水中,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。有关。不同的地下水中氡含量不等。天然水中氡天然水中氡 含量一般未达到饱和极限,浓度变含量一般未达到饱和极限,浓度变化为(化为(0.13-1.6104)Bq/L。(二)氡的性质(二)氡的性质 氡在液体中的射气浓度氡在液体中的射气浓度(Rn液液/V液)液)与气与气体中的射气浓度体中的射气浓度(Rn气气/V气)气)
8、成正比。成正比。(Rn液液/V液)液)=(Rn气气/V气)气)为射气系数为射气系数,=0.1057+0.405 e 0.0582 t ,是是与温度与温度 t 有关的函数有关的函数2.被吸附性被吸附性 固体均不同程度的吸附氡,尤其以煤、橡胶、蜡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。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。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.土壤中的氡土壤中的氡 大气中氡浓度随高度增加呈指数下降,其衰减高大气中氡浓度随高度增加呈指数下降,其衰减高度约为度约为1000m。主要来源于:地壳的
9、岩浆岩、沉积岩和变质岩释主要来源于: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。核工业释放;煤燃烧;油气;建筑物。5.氡的消散作用氡的消散作用 通过地表向大气释放的过程叫消散作用。与土壤、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,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高度以下大气中的氡浓度平均为n10-3Bq/L。地下出露地表的断裂构造;地基土壤;建筑材地下出露地表的断裂构造;地基土壤;
10、建筑材料;水;天然气。料;水;天然气。7.氡的积累与衰变氡的积累与衰变 当地下水与岩石接触后,岩石中镭衰变所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。水中氡的积累浓产生的氡便开始在水中积累。水中氡的积累浓度由公式度由公式Ct=Cmax (1et)决定。决定。Ct:水与岩石接触,经历时间后水中氡的浓度(:水与岩石接触,经历时间后水中氡的浓度(Bg/L);Cmax:岩石提供的最大氡浓度:岩石提供的最大氡浓度(Bg/L);t:水与岩石接触的时间(天);水与岩石接触的时间(天);:氡的衰变常数氡的衰变常数=0.1813;e:自然对数的底自然对数的底;1et :氡的积累函数氡的积累函
11、数.氡的衰变规律公式氡的衰变规律公式:Ct=Co et Ct:t 天后天后,水中氡的浓度水中氡的浓度;Co:水脱离岩石时的氡的浓度水脱离岩石时的氡的浓度;et:氡的衰变函数值。氡的衰变函数值。当当t趋近于趋近于30天时,天时,et趋近于趋近于0,1et趋趋近于近于1,水中氡的浓度接近于最大值。,水中氡的浓度接近于最大值。t5 51010151520202525303040405050et0.40390.4039 0.16320.1632 0.06590.0659 0.02660.0266 0.01080.0108 0.00430.0043 0.00070.0007 0.00010.0001二、
12、氡在地震监测中的应用二、氡在地震监测中的应用氡的应用领域广泛氡的应用领域广泛环保、医疗(肿瘤)环保、医疗(肿瘤)资源勘探(矿、油、气、水)资源勘探(矿、油、气、水)地质填图(断裂、构造边缘、岩石圈边界等)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现代地球动力学运动研究地震监测与预报地震监测与预报航空物探航空物探n塔什干地震前后(塔什干地震前后(1956-1967)前苏联研)前苏联研究塔什干矿水中氡,究塔什干矿水中氡,1966年年4月月26日震后日震后掀起了氡研究的高潮。掀起了氡研究的高潮。(一)应用的技术思路(一)应用的技术思路 应力积累导致岩土的变形与破坏,改变介质应力积
13、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,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由此引起岩土中氡射气量的变化,引起水岩,引起水岩作用作用 、浓度不等的氡水间的混合等。、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。部的含水层中来。弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形断裂变形断裂变形在周边构造应力作用下,构在周边构造应力作用
14、下,构造变形导致地壳运动和断层造变形导致地壳运动和断层活动活动应变在孕震区或断层带上的应变在孕震区或断层带上的积累导致地球物理场和地球积累导致地球物理场和地球化学场变异化学场变异地震突发错动产生永久变形地震突发错动产生永久变形和强地面震动,对地表建筑和强地面震动,对地表建筑物产生破坏,形成灾害物产生破坏,形成灾害*地震孕育和发生的过程地震孕育和发生的过程(二)应用依据(氡的迁移)(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。在,自由
15、逸出水面的氡称为逸出氡。氡射气在氡射气在地壳中的迁移是一个复杂的过程。地壳中的迁移是一个复杂的过程。氡的迁移作用方式氡的迁移作用方式:扩散作用、对流作用、搬运作用、抽吸作用、扩散作用、对流作用、搬运作用、抽吸作用、水的纵横向作用、水的纵横向作用、接力传递作用接力传递作用、伴生气体、伴生气体的压力作用、泵吸作用、地热作用、地震应的压力作用、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。深效应、镭的迁移作用等。(1)扩散作用)扩散作用:分子由于热运动而向浓度小的方向移:分子由于热运动而向浓度小的方向移动。动。(2)对流
16、作用)对流作用:当岩层中存在着压力差时,氡气可从:当岩层中存在着压力差时,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,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。氡从深部向地表迁移主要靠对流作用。(3)水携带作用)水携带作用:以水为载体迁移,该方式包括纵向: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。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)伴生气体的压力作用:氡是微量气体,有时可在: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。其它浓度大的土壤气体的扩散压力推动下
17、进行迁移。(5)地热作用)地热作用:由于热梯度的存在,气体向冷部位:由于热梯度的存在,气体向冷部位(低压区低压区)迁移时,带动了氡的迁移。迁移时,带动了氡的迁移。(6)泵吸作用:泵吸作用:地球定时涨落的泵吸效应以及裂隙和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。毛细管开闭作用等导致氡迁移。(7)抽吸作用:)抽吸作用:如空气温由于热的作用,地表水蒸气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,温差越大迁移蒸发,形成的抽力使氡气不断向上迁移,温差越大迁移越快。越快。(8)潮汐、大气压的纵深效应)潮汐、大气压的纵深效应等。等。铀、镭等放射性物质随水、有机物(
18、烃类)油等铀、镭等放射性物质随水、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。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,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得氡对环境非常敏感,因此成为地震监测的一个重要手段。个重要手
19、段。(三)氡的前兆异常机制(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,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。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。育与发生的前兆异常信息。(四)氡的异常震例(四)氡的异常震例 水氡是我国最先作为地震地下流体前兆水氡是我国
20、最先作为地震地下流体前兆之一的观测项目。早在上世纪之一的观测项目。早在上世纪60年代中期就年代中期就开始氡的观测,积累了大量的观测资料,取开始氡的观测,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。体观测的重要组成部分。四川康定姑咱泉水氡异常四川康定姑咱泉水氡异常 1979年年6月月19日山西介休日山西介休5.1级地震级地震k=200Km 1979年年6月月3日至日至6月月15日高值异常震后恢复。日高值异常震后恢复。1977年年11月月27日宁河日宁河5.6级地震前异常级地震前异常:芦台芦台k=30Km务务1 k=11
21、5Km塘沽塘沽k=45Km 兴济兴济k=126Km1976年年9月月23日巴音木仁日巴音木仁6.2级地震级地震 k=79Km震后多年的观测资料没有出现类震后多年的观测资料没有出现类似的变化似的变化1991年年6月月6日新疆和静日新疆和静5.2 级地震前新级地震前新10号泉水号泉水氡异常氡异常k=120Km三、三、测量技术与方法测量技术与方法 氡及其子体的观测氡及其子体的观测是地震监测预报中是地震监测预报中前兆观测的重要测项。前兆观测的重要测项。水氡测量水氡测量 逸出气氡测量逸出气氡测量 土壤氡测量土壤氡测量(一)测量技术方法(一)测量技术方法 氡的测量分水氡和气氡两类:氡的测量分水氡和气氡两类
22、:水氡测量采用真空扩散器取一定体积的水样,定时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。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、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。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静水位有逸出气的水井按测量的时间长短:按测量的时间长短:微分测量微分测量/瞬时测量瞬时测量-测量时间在数秒到数十测量时间在数秒到数十分钟分钟积分测量积分测量/累积测量累积测量-测量时间一般在数小时测量时间一般在数小时到数十天范围内。到数十天范围内。在地震监测
23、预报中瞬时测量在地震监测预报中瞬时测量(常规测量常规测量):金萡静电计、金萡静电计、FD-105型静电计型静电计、FD-105K型型静电计、静电计、FD-125型氡钍分析器型氡钍分析器、FD-3017RaA测氡仪、测氡仪、SD-3A型自动测氡仪型自动测氡仪和和FD-3B型水氡型水氡仪等。仪等。活断层研究活断层研究环境监测中氡的累积测量环境监测中氡的累积测量:径迹蚀刻法、硅半导体径迹蚀刻法、硅半导体仪法、仪法、卡法、氡管法、卡法、氡管法、滤膜法和活性炭吸附法等。滤膜法和活性炭吸附法等。观测对象观测对象:FD-105K、FD-125 两种测氡仪,由于一般都是两种测氡仪,由于一般都是从观测点采样回来
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