程立康，龔永儉，馬麗麗，李　越

(天津市地震局，天津　300201)

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·觀測(cè)分析·

快速測(cè)定管開口對(duì)CO2含量觀測(cè)結(jié)果影響的實(shí)驗(yàn)研究

程立康，龔永儉，馬麗麗，李越

(天津市地震局，天津300201)

摘要：通過(guò)同時(shí)使用3支底部開口大小不同的CO2快速測(cè)定管在同一測(cè)定孔觀測(cè)斷層土壤氣CO2含量的實(shí)驗(yàn)，研究快速測(cè)定管開口大小對(duì)CO2含量測(cè)值的影響及變化特征。結(jié)果表明，快速測(cè)定管底部開口大小不同， CO2含量測(cè)值有顯著差異；CO2含量數(shù)據(jù)在變化形態(tài)方面有較好的同步性，觀測(cè)結(jié)果呈夏高冬低的特點(diǎn)；與測(cè)定孔內(nèi)的溫度有顯著的正相關(guān)關(guān)系。建議觀測(cè)時(shí)，要注意快速測(cè)定管底部開口位置的一致性、溫度等因素的影響。

關(guān)鍵詞：CO2含量；測(cè)定管；斷層土壤氣

0引言

CO2氣體是地球中普遍存在的氣體，在地球不同圈層、不同深度與不同部位的CO2含量相差較大。在地球演化的不同階段，CO2含量也是隨時(shí)間變化的。在地球的各種動(dòng)力學(xué)過(guò)程中，CO2有著不可忽視的作用，尤其是在地震的孕育與發(fā)生過(guò)程中。對(duì)地殼中CO2變化動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)于地震預(yù)報(bào)，特別是地震短臨預(yù)報(bào)有著非常重要的意義和價(jià)值[1]。

地殼中CO2動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)一直受到各國(guó)地震科學(xué)家和地球化學(xué)家的重視。1966年邢臺(tái)地震后，我國(guó)地震系統(tǒng)開始開展對(duì)地殼中CO2的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，首先是對(duì)井水中CO2溶解氣的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以后逐步發(fā)展到溫泉中CO2總量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和斷層土壤氣CO2含量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。在過(guò)去的四十余年中，我國(guó)的CO2動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)取得豐碩的研究成果和大量可信的震例[2-10]。

斷層土壤氣CO2快速測(cè)法提出后，由于其觀測(cè)成本低廉且效果顯著而被廣泛運(yùn)用，很多位于活動(dòng)斷裂周邊的地震臺(tái)站增設(shè)這一項(xiàng)目。在使用CO2快速測(cè)定法觀測(cè)斷層土壤氣CO2含量前，需手工去除快速測(cè)定管底部錐形的封閉玻璃外殼。實(shí)踐中，不同的觀測(cè)人員，甚至同一觀測(cè)人員在不同觀測(cè)日，快速測(cè)定管的底部開口大小，都有很大的隨意性。其中，CO2快速測(cè)定管的開口大小是否會(huì)對(duì)CO2含量觀測(cè)結(jié)果產(chǎn)生明顯影響，影響的量級(jí)如何，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與同步性如何，都關(guān)系到斷層土壤氣CO2含量觀測(cè)數(shù)據(jù)在地震預(yù)測(cè)中的應(yīng)用問題。為此，筆者進(jìn)行了專門的實(shí)驗(yàn)研究。

1CO2快速測(cè)定法簡(jiǎn)介

1.1測(cè)定原理

CO2快速測(cè)定法使用的主要器材是CO2快速測(cè)定管，是一支長(zhǎng)14 cm、直徑0.45 cm的玻璃管，管內(nèi)填充了吸附有百里酚酞的活性氧化鋁(呈淡藍(lán)色)。百里酚酞是弱有機(jī)酸，具有共軛酸堿對(duì)，其共軛酸堿對(duì)具有不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)，且顏色也不同，堿式色為藍(lán)色，酸式色為無(wú)色。當(dāng)介質(zhì)的pH值發(fā)生改變時(shí)，百里酚酞的共軛酸堿對(duì)發(fā)生相互轉(zhuǎn)變，從而引起測(cè)定管顏色的變化。當(dāng)氣體進(jìn)入測(cè)定管中，即被活性氧化鋁吸附，其中CO2立即與百里藍(lán)酚酞發(fā)生反應(yīng)，使測(cè)定管由藍(lán)變白。氣體中CO2含量越高，白色柱的長(zhǎng)度就越長(zhǎng)，據(jù)白色柱的長(zhǎng)度，從測(cè)定管的刻度上即可直接讀出CO2的含量。

1.2測(cè)定方法

首先在觀測(cè)點(diǎn)上打孔，在孔中插入硬塑料管，直至孔底，塑料管的周圍用土填實(shí)壓實(shí)，以免氣體逸漏，這就形成了CO2快速測(cè)定孔。把特制的CO2快速測(cè)定管(以下簡(jiǎn)稱測(cè)定管)底部用玻璃刀或其他利器割斷或剪斷，然后用細(xì)線把測(cè)定管吊掛孔中，上面用橡皮塞塞緊(見第29頁(yè)圖1)。過(guò)24小時(shí)，取出測(cè)定管，在現(xiàn)場(chǎng)即可讀出CO2的含量。本方法觀測(cè)到的CO2含量是24小時(shí)內(nèi)土壤中CO2的釋放總量，而不是CO2的相對(duì)百分比含量。

2測(cè)定管開口影響實(shí)驗(yàn)

2.1測(cè)定過(guò)程

圖1　測(cè)定孔的結(jié)構(gòu)及測(cè)定管開口端示意圖Fig.1　The structure of determination hole and the end of the opening of the tube

實(shí)驗(yàn)采用同批號(hào)的測(cè)定管，每次置于測(cè)孔內(nèi)3支，3支測(cè)定管的底部開口分別為底部往上3 mm、6 mm和10 mm(見圖1b)，3支測(cè)定管的開口直徑分別為1 mm、2 mm和3 mm。3支測(cè)定管均豎起放置于測(cè)定孔中，測(cè)定管底端在同一水平面內(nèi)。每天早8時(shí)更換一次測(cè)定管，從割斷測(cè)定管底部到放置于測(cè)定孔內(nèi)間隔僅3～5 s，取出測(cè)定管讀數(shù)需2～3 s，操作過(guò)程中測(cè)定孔外的環(huán)境影響可忽略不計(jì)。因CO2快速測(cè)定管的刻度精確至0.5 mg，為提高精度，用精度為1 mm的量尺來(lái)測(cè)量每天的數(shù)值。具體做法是：用量尺多次測(cè)量CO2快速測(cè)定管，統(tǒng)計(jì)后得出，快速測(cè)定管中2.45 mm長(zhǎng)度的CO2含量約為1 mg。

實(shí)驗(yàn)主要選在冬季和夏季分別進(jìn)行。冬季選定2010年11月26日至12月1日、12月7日至15日、2011年1月12日至27日；夏季選定2011年6月21日至30日、7月16日至25日。

為研究溫度對(duì)斷層土壤氣CO2含量的影響，在裝置上同時(shí)放置一個(gè)溫度計(jì)，每日8時(shí)在讀取CO2含量數(shù)據(jù)的同時(shí)，讀取測(cè)定孔內(nèi)的溫度值。

2.2測(cè)定結(jié)果

實(shí)驗(yàn)期間共取得CO2含量(包括低、中、高位開口)及測(cè)定孔內(nèi)溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)51組(見表1)。

表1　CO2快速測(cè)定管不同開口位置的CO2含量觀測(cè)數(shù)據(jù)

2.3測(cè)定結(jié)果分析

從表1的數(shù)據(jù)看出，低位(3 mm)開口測(cè)得的CO2含量數(shù)值較低，高位(10 mm)開口的數(shù)值較高，中位(6 mm)開口的數(shù)值介于兩者之間。由于測(cè)定管底部為椎形，不同開口位置決定了底部開口的大小不同。測(cè)定管底部開口大小與觀測(cè)到的CO2含量數(shù)值在一定程度上呈正相關(guān)性。

將測(cè)定管不同開口位置觀測(cè)到的CO2含量數(shù)據(jù)按時(shí)間順序作圖(見圖2)，發(fā)現(xiàn)不同開口位置觀測(cè)到的CO2含量數(shù)值變化形態(tài)相似，即有較強(qiáng)的同步性。

圖2　CO2快速測(cè)定管不同開口位置觀測(cè)曲線Fig.2　CO2 content of different sizes of openings of rapid determination tubes

筆者利用Excel表格軟件中的CORREL函數(shù)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行r系數(shù)的相關(guān)性分析，得出低位開口與中位開口CO2含量觀測(cè)數(shù)據(jù)的r系數(shù)為0.97，中位開口與高位開口的r系數(shù)為0.98，低位開口與高位開口的r系數(shù)為0.95。接近1的r系數(shù)說(shuō)明底部不同開口的測(cè)定管觀測(cè)到的CO2含量數(shù)據(jù)的同步性和穩(wěn)定性。由于測(cè)定管底部的開口大小對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響較大，各組數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性無(wú)疑來(lái)源于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中開口位置的嚴(yán)格控制。

31天之前是冬季的數(shù)據(jù)，之后是夏天的數(shù)據(jù)，三支曲線在該點(diǎn)有明顯的臺(tái)階狀上升變化，表明斷層土壤氣CO2含量的觀測(cè)數(shù)據(jù)有一定的季節(jié)性，這可能與溫度變化有關(guān)。對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)期間的CO2觀測(cè)數(shù)據(jù)有明顯的夏高冬低的變化趨勢(shì)，而測(cè)定孔內(nèi)的溫度也呈現(xiàn)夏高冬低的特點(diǎn)，說(shuō)明兩者有較好的正相關(guān)性。對(duì)2010年1月到2011年12月的CO2觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，測(cè)定孔內(nèi)的溫度與CO2觀測(cè)數(shù)據(jù)在變化形態(tài)上非常相似，觀測(cè)數(shù)據(jù)夏高冬低的年變化特征非常明顯，與國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究結(jié)果一致，學(xué)者解釋為土壤淺部生物層的影響，筆者認(rèn)為還與以下因素有關(guān)：(1) 土壤氣CO2逸出能力與土壤溫度變化呈正相關(guān)性；(2) 測(cè)定孔內(nèi)溫度越高，孔中逸出的CO2分子擴(kuò)散越活躍，越容易進(jìn)入快速測(cè)定管內(nèi)部。這種變化特征也驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。

官致君等[9]在四川省的多個(gè)CO2觀測(cè)點(diǎn)開展工作時(shí)，將CO2測(cè)定管的開口端取至對(duì)應(yīng)于本研究的高位處，并且在北川和石棉等高背景值地點(diǎn)(40～130 mg/d)采用新式測(cè)定管。寶坻臺(tái)等天津地區(qū)CO2觀測(cè)點(diǎn)的背景值較低，需要使用老式測(cè)定管，這種測(cè)定管的量程有限。筆者通過(guò)試驗(yàn)并結(jié)合日常觀測(cè)認(rèn)為，觀測(cè)中，采用量程小的快速測(cè)定管在高位開口，極有可能出現(xiàn)觀測(cè)值超量程的現(xiàn)象，寶坻臺(tái)于2011年7月23日出現(xiàn)過(guò)此情況(見圖3)。若采用中位開口，同樣能夠反映出斷層土壤氣CO2含量的動(dòng)態(tài)變化，是一種可供選擇的觀測(cè)方式。

圖3　寶坻地震臺(tái)斷層土壤氣CO2數(shù)據(jù)曲線Fig.3　CO2 data of fault soil gas at Baodi Seismic Station

3結(jié)論與建議

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，筆者得出以下三點(diǎn)結(jié)論：

(1) 測(cè)定管底部開口大小不同，觀測(cè)到的斷層土壤氣CO2含量數(shù)值有顯著差異，開口較大時(shí)觀測(cè)到的數(shù)值也較大，反之亦然，CO2含量數(shù)值與測(cè)定管開口大小呈正比變化。

(2) 底部不同開口大小的測(cè)定管觀測(cè)到的CO2含量數(shù)據(jù)有較好的同步性，均能反映出斷層土壤氣CO2含量的動(dòng)態(tài)變化。對(duì)于背景值低，必須選擇量程小的測(cè)定管的觀測(cè)點(diǎn)，使用中位開口可避免夏季CO2含量數(shù)據(jù)超最大量程的情況。

(3) 斷層土壤氣CO2含量觀測(cè)結(jié)果呈夏高冬低的特點(diǎn)，與測(cè)定孔內(nèi)的溫度有顯著的正相關(guān)關(guān)系，這在一定程度上表明土壤淺部生物層對(duì)CO2含量觀測(cè)結(jié)果的影響是顯著的。

鑒于測(cè)定管不同位置開口測(cè)得數(shù)據(jù)大小的差異，建議在采用測(cè)定管對(duì)斷層土壤氣CO2含量進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，注意測(cè)定管的開口位置統(tǒng)一問題，以消除人為誤差。另外，在對(duì)斷層土壤氣CO2含量進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，應(yīng)同步觀測(cè)測(cè)定孔內(nèi)溫度，在數(shù)據(jù)處理時(shí)去除溫度影響，有助于準(zhǔn)確地識(shí)別CO2所攜帶的地震前兆異常信息。

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(英文摘要

Influence of Opening of Rapid Determination Tube on CO2Content

CHENG Li-kang, GONG Yong-jian, MA Li-li, LI Yue

(Earthquake Administration of Tianjin Municipality, Tianjin 300201, China)

Abstract:Influence of opening size of rapid determination tube on CO2 content and the variation characteristics are studied by detecting CO2 content of fault soil gas in the same observation hole using 3 rapid determination tubes with different bottom openings sizes. The results show that different sizes of bottom openings of rapid determination tubes get significant difference CO2 content values; The CO2 content data have good synchronization in change form and the observation results show the characteristics of low in summer and high in winter; There is a significant positive correlation with the temperature inside the observation hole. We should pay attention to the influence of position consistency of bottom opening of the tube, temperature and other factors in observation.

Key words:CO2 content; Determination tube; Fault soil gas

中圖分類號(hào)：P315.61

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：第一程立康(1982—)，男，天津市人。2008年畢業(yè)于中央廣播電視大學(xué)，工程師。

基金項(xiàng)目：天津市地震局科研項(xiàng)目(101004)。

收稿日期：2015-06-21

文章編號(hào)：1000-6265(2016)01-0028-03