張曉剛　任　佳　王　江　邢　杰　符澤宇　趙建明　李　金　王　妍

1) 河北省地震局， 石家莊050021　2) 華北片區(qū)前兆維修中心， 石家莊050021　2) 河北省地震局唐山中心臺， 河北唐山063000　3) 河北省地震局張家口中心臺， 河北張家口075000

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RZW-1A型數(shù)字化CO2測量儀研發(fā)及試驗觀測*

張曉剛1， 2)※任佳3)王江1， 2)邢杰4)符澤宇3)趙建明3)李金3)王妍3)

1) 河北省地震局， 石家莊0500212) 華北片區(qū)前兆維修中心， 石家莊0500212) 河北省地震局唐山中心臺， 河北唐山0630003) 河北省地震局張家口中心臺， 河北張家口075000

摘要研發(fā)了RZW-1A型數(shù)字化CO2測量儀， 在7個臺站8個觀測點開展了試驗觀測， 分析了試驗觀測數(shù)據(jù)。 認為具備在地震研究領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞RZW-1A型數(shù)字化CO2測量儀； CO2； 試驗觀測

引言

在首都圈防震減災(zāi)示范區(qū)系統(tǒng)工程中， 中國地震局把數(shù)字化CO2測量儀列為正式的測量儀器， 由武漢所戚克軍研制， 該儀器由于傳感器封裝和缺乏后續(xù)資金支持等問題停止研發(fā)。 2011年河北省地震局立項支持開發(fā)研制數(shù)字化、 智能化、 網(wǎng)絡(luò)化的CO2測量儀器， 經(jīng)過半年多的時間研制開發(fā)了第1臺RZW-1A型數(shù)字化CO2測量儀， 于同年10月份在赤城地震臺開始試驗觀測， 2012 年在河北省地震局地震科技星火計劃重點項目的支持下, 逐漸生產(chǎn)了多套儀器并于不同觀測站開展觀測。

1儀器研發(fā)

1.1簡要介紹

RZW-1A型數(shù)字化CO2測量儀可以對該儀器由CO2傳感器、 PC主板、 電壓分配模塊、 不間斷開關(guān)電源、 避雷模塊、 顯示屏、 傳感器供電及通訊模塊、集氣裝置、電瓶等組成(圖2)。 主機主要由PC主板、 電壓分配模塊、 不間斷開關(guān)電源、 避雷模塊、 顯示屏等構(gòu)成。 傳感器與傳感器供電及通訊模塊封裝在一起， 置于集氣裝置中。 該儀器采用模塊化設(shè)計， 便于故障識別， 易于維護， 安裝架設(shè)程序簡單， 2～3小時即可完成。

圖1　RZW-1A型數(shù)字化CO2測量儀

表1　RZW-1A型數(shù)字化CO2測量儀主要指標

圖2　RZW-1A型數(shù)字化CO2測量儀構(gòu)成框圖

其中CO2傳感器是使用紅外吸收氣體檢測技術(shù)與微型機械加工、 精良電路設(shè)計緊密結(jié)合制作出的小巧型紅外氣體傳感器[1]， 具有溫度補償功能， 不依賴氧氣。 PC主板選用低功耗PC104主板， 安裝XP系統(tǒng)和自主編寫的軟件， 實現(xiàn)了對CO2數(shù)據(jù)高精度高穩(wěn)定性的采集； 按照行業(yè)要求對數(shù)據(jù)包命名， 實現(xiàn)了CO2數(shù)據(jù)長時間存儲(180天以上)； 遵循“十五”地震通訊協(xié)議， 提供3種通訊模式， 可以接入中國地震局前兆臺網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)； 可以遠程FTP數(shù)據(jù)下載； 可以通過遠程網(wǎng)頁進行儀器管理。

1.2儀器檢測

針對儀器標定， 起草了RZW-1A型數(shù)字化CO2測量儀系統(tǒng)校測方法討論稿， 購置了標定檢測所需設(shè)備， 開展了現(xiàn)場標定試驗。

2014年3月17～19日， 由專家組對RZW-1A型數(shù)字化CO2測量儀進行了綜合性能測試。 內(nèi)容包括儀器現(xiàn)場安裝、 集氣裝置安裝、 現(xiàn)場標定、 監(jiān)測運行、 數(shù)據(jù)存儲、 儀器功耗與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等查驗測試。 測試結(jié)果為儀器功能和指標滿足CO2觀測要求。

圖3　數(shù)字化CO2臺站分布及試驗觀測中心

2試驗觀測

2.1試驗觀測臺站分布

RZW-1A型數(shù)字化CO2測量儀已生產(chǎn)8臺， 分別在赤城臺、 后郝窯水化觀測站、 礬山臺、 陽原臺、 豐寧臺、 北京延慶臺和承德臺開展了試驗觀測(表2)。 截止2015年12月， 赤城臺、 后郝窯水化觀測站、 礬山臺、 豐寧臺和北京延慶臺已連續(xù)觀測1年以上。

為了及時采集CO2觀測數(shù)據(jù)， 于2013年底在曹妃甸地震臺建設(shè)了數(shù)字化CO2試驗觀測數(shù)據(jù)中心， 數(shù)據(jù)實現(xiàn)了自動匯集(圖3)。

2.2試驗觀測數(shù)據(jù)分析

8臺樣機的觀測數(shù)據(jù)各有特征， 陽原臺和承德臺由于觀測環(huán)境等因素造成數(shù)據(jù)每天基本不變， 其他6套儀器日變化明顯(圖4)。

圖4a和圖4b分別為后郝窯臺和礬山臺泉水逸出氣CO2觀測日變化曲線， 模擬觀測取水樣會對觀測造成明顯的干擾； 圖4c為延慶五里營臺泉水逸出氣CO2觀測日變化曲線， 從曲線中可以看出， 周期為1 h的CO2濃度變化， 其原因為與CO2并行的氣汞觀測每小時自動抽取氣體， 造成氣體濃度降低， 該曲線顯示了CO2氣體被抽取、 積累、 擴撒的過程； 圖4d、 4e和4f為斷層帶逸出氣觀測日變化曲線， 斷層帶逸出氣觀測沒有明顯的干擾和變化規(guī)律， 會出現(xiàn)某一天變化比較小， 也會出現(xiàn)圖中的突然變化。

由圖5可以看出， 雖然實驗觀測過程中數(shù)據(jù)有中斷現(xiàn)象， 但是， CO2斷層帶逸出氣和泉水逸出氣均呈現(xiàn)出有規(guī)律的年變化。 除赤城臺外， 其他臺站CO2逸出氣濃度均為夏高冬低。 年動態(tài)曲線的規(guī)律性一定程度上反映了RZW-1A型數(shù)字化CO2測量儀觀測的穩(wěn)定性。

3CO2試驗觀測數(shù)據(jù)對比

對試驗數(shù)據(jù)進行了初步分析。 經(jīng)分析， 首次在斷層逸出氣和地下水溶解氣中， 觀測到了CO2日變曲線和年變曲線； 首次在地下水溶解氣中， 觀測到了CO2與水位和氣氡的的同步變化(圖6)。

表2　RZW-1A型數(shù)字化CO2測量儀試驗觀測臺站信息

圖4　CO2斷層帶逸出氣和泉水逸出氣日變化曲線

圖5CO2斷層帶逸出氣和泉水逸出氣觀測年變化曲線

圖6后郝窯臺CO2泉水逸出氣濃度與溶解氣氡、 動水位的對比曲線

溶解氣氡的觀測為人工取樣觀測與水位即流量無關(guān)， 則與該泉含水層系統(tǒng)的水量交換有關(guān)[6]。 通過對上圖數(shù)據(jù)的一致性分析， 認為由于CO2泉水逸出氣觀測與水位和該泉含水層系統(tǒng)的水量交換有關(guān)。

CO2泉水逸出氣來源較為單一， 通過一段時間的對比觀測可以得出一定的規(guī)律； 但是斷層帶逸出氣來源較為復(fù)雜， 需要通過較長時間的連續(xù)觀測來分析、 總結(jié)。

4小結(jié)及展望

RZW-1A型數(shù)字化CO2測量儀具備低成本、 低功耗、 測量方便、 安裝架設(shè)程序簡單， 觀測結(jié)果穩(wěn)定、 可靠。

RZW-1A型數(shù)字化CO2測量儀仍需優(yōu)化完善， 擬增加地溫輔助觀測， 實現(xiàn)傳感器與數(shù)據(jù)采集器的物理分離， 采用無線傳輸達到1 km距離數(shù)據(jù)傳輸以及多傳感器配置于同一臺數(shù)據(jù)采集器中的功能。

完善后的數(shù)字化CO2測量儀可以在地震監(jiān)測預(yù)報、 流動觀測、 臺陣架設(shè)、 地震烈度考察、 斷層活動性評價和工程抗震區(qū)劃等方面應(yīng)用。

參 考 文 獻

[1] 任佳， 張曉剛， 王長江， 等. 數(shù)字化二氧化碳觀測儀的研制和觀測. 地震研究， 2013， 36(4): 536-539

[2] 魚金子， 車用太， 劉五洲. 地殼中的CO2及其釋放與地震短臨預(yù)測. 國際地震動態(tài)， 1998(8): 8-12

[3] 林元武， 劉五洲， 王基華， 等. 張北—尚義地震現(xiàn)場CO2測量與震后趨勢判斷. 地震地質(zhì)， 1998， 20(2): 117-121

[4] 車用太， 魚金子， 劉五洲. 地殼放氣動態(tài)監(jiān)測與張北—尚義MS6.2級地震預(yù)報. 地質(zhì)論評， 1999， 45(1): 59-65

[5] 汪成民， 李宣瑚. 我國斷層氣測量在地震科學(xué)研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀. 中國地震， 1991， 7(2): 19-30

[6] 張曉剛， 任佳， 馮振瑋， 等. 懷4井數(shù)字化溶解氣CO2觀測資料分析. 華北地震科學(xué)， 2015， 33(3): 68-72

RZW-1A digital carbon dioxid observation instrument and its experimental observation

Zhang Xiaogang1， 2)， Ren Jia3)， Wang Jiang1， 2), Xing Jie4)，F(xiàn)u Zeyu3)， Zhao Jianming3)， Li Jin3)， Wang Yan3)

1) Earthquake Administration of Hebei Province， Shijiazhuang 050021， China2) The Precursor Maintenance Center of North China Area， Shijiazhuang 050021， China3) Tangshan Central Station， Earthquake Administration of Hebei Province， Hebei Tangshan 063000， China4) Zhangjiakou Central Station， Earthquake Administration of Hebei Province， Hebei Zhangjiakou 075000， China

AbstractWe developed the RZW-1A digital carbon dioxid observation instrument, and 8 experimental observations were carried out at 7 stations. The experimental observation data are analyzed and results show RZW-1A instrument has application prospect in the field of earthquake research.

KeywordsRZW-1A digital carbon dioxid observation instrument; carbon dioxide; experimental observation

* 收稿日期：2015-01-06； 采用日期： 2016-01-18。

中圖分類號：P315.62；

文獻標識碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.05.009

※通訊作者： 張曉剛， e-mail: zxg@eq-he.ac.cn。斷層帶逸出氣與井(泉)水逸出氣中的CO2濃度進行連續(xù)、 穩(wěn)定、 長期觀測(圖1和表1)。