断层气体氡是揭示构造活动的重要元素，经测氡仪长期观测所得数据分析研究，氡浓度异常能为地震短临预报提供依据已经为世界所认可^[1-2]。断层气体氡的分布特征与断裂构造密切相关，李营等^[3]利用RAD7型测氡仪所得数据研究发现延怀盆地断层气体氡浓度地球化学背景场在空间分布上呈现东部高、西部低（以延怀盆地北缘断裂为界）的特征，与东部区域地震活动较活跃相对应。此外，测氡仪通过浓度值与溢出速率测量客观的反映断裂带的活跃程度^[4-5]。随着断层土壤气体观测不断发展，测氡仪被广泛应用于全国各个地区的地震监测，断层气体地震前兆异常资料总结发现，地震震级越大距离震中越近断层气地震前兆异常幅度越大，异常数目也越多，异常往往发生在震前几天至几个月的时间内^[6-9]，震例总结也发现氡浓度异常通常映震效能高^[10-14]，例如Yang等^[15]用台湾西南地区的活动断裂带断层气观测数据，对监测点附近30个M_L≥4.5地震进行异常识别，发现其中26次地震前的1～20天观测到氡异常高值。2020年7月12日唐山5.1级地震发生前6天记录到断层气体氡的异常高值。这种异常变化的原因可能是地应力变化引起岩石微破裂，氡被载气CO₂和CH₄等从地壳深部携带至地表，导致浓度上升，出现震前异常^[16-18]。因此，张家口渤海地震带断层气体地球化学特征可以反映断裂带活动情况和地震危险性^[19]。

目前地震行业在野外进行断层气体氡观测的主要仪器为P2000、 RAD7、 ATG与BG等系列型号，其中P2000和RAD7型测氡仪因体积小便携及直流供电方式，主要用于野外流动观测。已有研究发现，法国 SAPHYMO GMBH 公司生产的AlphaGUARD系列P2000测氡仪与美国Durridge公司生产的RAD7型ɑ能谱测氡仪在相同条件下氡浓度观测值存在一定差异^[20]。然而，目前针对测氡仪的研究主要是原理与实验室分析^[21-24]，而对两种测氡仪氡浓度观测值差异未提供对比方法，尤其缺少野外观测对比实验研究。综上所述，本文选择在张家口渤海地震带野外进行断层气体氡的两种仪器对比实验，尝试分析观测值差异的原因，并提出一种用于野外降低差异的方法，为两种仪器观测值直接对比提供可能。

张家口渤海地震带贯穿首都圈地区，西起太行山隆起北部，向北至燕山—阴山隆起，向南延伸至华北平原北部，向东一直延伸至渤海湾，总体走向为NWW，分布着众多全新世及晚更新世的活动断裂，分属于NE—ENE，MW—WNW向断裂（见图1）。张渤地震带内分布有多个晚第三纪—第四纪隐伏断陷盆地，是全国中强地震活动的重要区域，自公元前780年至今，该地区共发生M≥6.0地震26次，包括M 6.0~6.9地震21次，M 7.0~7.9地震1次，在历史上有8次M≥7大地震记录，其中包括1626年灵丘M7， 1679年三河—平谷M 8.0， 1976年河北唐山M 7.8地震，最近的一次是1998年张北M 6.2地震。

图1 张家口渤海地震带断裂和地震分布图Fig.1 Distribution of faults and earthquakes in the Zhangjiakou-Bohai seismic zone

张家口渤海地震带断层气体固定观测点的测量时间均为6月，观测时段相近（9∶00～11∶00），气象条件（气温、气压和湿度）相对稳定。固定点土壤类型主要以石灰性始成土为主，土壤结构为壤土，结构类型基本一致。由表1固定点观测结果可知，氡浓度在张家口渤海地震带呈现东南高、西北低的分布特征，与图1中地震分布密集程度基本一致。因此，氡浓度的高低变化与地震活动密切相关。

Ishikawa最早发现P2000对²²⁰Rn有响应，事实上，流气模式下²²⁰Rn 更容易进入。气体进入P2000探测腔体前经子体过滤，测量对象为纯Rn释放的ɑ粒子产生的脉冲计数，不能分辨²²²Rn和²²⁰Rn。当把离子植入硅探测器型测氡仪设为快速模式时，用α谱只测量²¹⁸Po的计数，灵敏度为慢速模式的一半。使得P2000在保证低浓度测量准确性方面，以及以1 min为周期测量土壤气方面和以10 min为周期测量水氡方面占绝对优势。

表1可知，陡河、孩儿屯、四王庄、上皇庄、羊窖沟、东疃村、榆林口和华北理工8个固定点探测到了钍射气。由表1得知RAD7测量所得钍射气的浓度值与氡浓度值之和小于P2000直接观测值，氡仪器的标准在测量误差计算中有较大的权重，不同氡室标准的仪器刻度因子是观测差值产生的主要原因之一，两套仪器在同源测量前的刻度因子为厂家在同一国家标定产生，故排除不同氡室标准的仪器刻度因子产生的误差。分析认为由于钍射气进入仪器前经过地下5m路径，产生采样延滞，致使部分钍射气在到达RAD7测氡仪之前衰变。其次，地下地表存在压力差，气泵流速设置的1 L/min显著减少，经过测量，实际流速为0.5～0.8 L/min。且观测气路较长，高浓度氡衰变子体堵塞滤膜，易造成氡浓度测值小于实际值。因此，判定这是造成RAD7测量所得钍射气的浓度值与氡浓度值之和小于P2000直接观测值的主要原因。当路径的全部体积大于5 L，流速为0.5 L/min，样品延滞时间为10 min。钍射气半衰期为54.5 s， 10 min后浓度大约为地下土壤中浓度的1/11。此外， RAD7测氡仪受湿度影响，湿度过大Rn及其子体溶于水，造成测值低，有研究表明RAD7测氡仪的大体积干燥剂测量钍射气（220Rn）时存在明显的测量延迟，导致测量结果偏低^[25]。檀峪村和大同火山固定点钍射气测值为0，静置测量后对比浓度值变化不大（见图4），两仪器的测值基本重合。综上所述，造成两种仪器氡浓度观测值差异的主要原因可能是钍射气。

表3 固定点误差Table 3 Error of fixed points

图4 固定点断层气a（静置0 min）、b（静置5 min）Rn浓度曲线Fig.4 Rn concentration curves of fault gas at fixed point a（standing for 0 min）and b（standing for 5 min）

由图5可知，前5 min浓度值快速下降， 20 min后期缓慢下降。依据Rn半衰期为3.8天，钍射气即²²⁰Rn半衰期为55.6 s，其子体²¹⁶Po的半衰期为150 s，分析认为前5 min快速下降主要是钍射气的衰变造成。

表3中J2、J3、J4、J6、J7、J8、J9、J10误差在10 %以内，误差超过10 %的样品仅两个，其中J1误差达到55.31 %可能是因为气袋封闭不严漏气造成。

图6中巍峰山剖面a1、a2氡浓度测线断点附近为低谷，两侧具有明显双峰曲线特征，远处则趋于平缓。丰南剖面b1、b2氡浓度曲线则表现为多峰曲线特征。P2000与RAD7断层气体氡浓度曲线变化趋势一致，结果显示低浓度时两仪器测值相差较小，浓度越高测值相差越大，静置5 min后探测曲线基本重合。分析认为浓度越高测值相差越大是因为钍射气占一定比例，浓度值越高钍射气含量越大。

表4中，L1测线50 %的观测点（8个）误差在10 %以内， L2测线40 %的观测点（6个）误差在10 %以内。分析认为流动点测量气体流经路径相比于固定点短，结合图6中a2、b2可知5 min静置时间不足，气体经过固定点地下5m路径的时间约为3至5 min。因此流动点静置时间相较于固定点应延长至10 min。

图5 不同氡浓度范围气袋静置衰减曲线Fig.5 Static attenuation curves of air bags in different radon concentration ranges

表4 流动点误差Table 4 Error of flow points

图6 流动点P2000与RAD7测量氡浓度对比曲线Fig. 6 Comparison curve of radon concentration measured by P2000 and RAD7 at flow point

张家口渤海地震带野外断层气体氡测量条件基本相同的情况下P2000与RAD7型测氡仪对比实验过程反映出P2000测氡仪具有自动本地补偿、无湿度效应等特点，但无法分辨²²²Rn、²²⁰Rn。RAD7测氡仪能够分辨²²²Rn、²²⁰Rn，但受湿度影响大，需对所测气体进行干燥以确保测量结果准确性。由固定点对比实验结果并结合图1中地震分布密集程度可知张家口渤海地震带断层气体氡浓度具有西北低，东南高的空间分布特征，这与地震带内东南唐山地区地震活动较活跃相对应。P2000与RAD7型测氡仪野外对比实验结果表明，不同的观测仪器原理是造成相同测量条件下氡浓度差异的主要原因。P2000型测氡仪在使用气袋采集气体样品并静置一段时间后，观测值与RAD7直接观测值相近。在<10 000 Bq/m³、 10 000～20 000 Bq/m³、200 000～30 000 Bq/m³、>30 000 Bq/m³等不同氡浓度的对比实验后，本文认为P2000型测氡仪观测前气袋最佳静置时间为5～10 min。