樊春燕 陳華靜 陳其峰 錢建秀

地震地球化學(xué)離子、氣體成分等其它測(cè)項(xiàng)觀測(cè)現(xiàn)狀

樊春燕1）陳華靜1）陳其峰2）錢建秀3）

1）中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045 2）山東省地震局聊城水化站，山東聊城 252000 3）防災(zāi)科技學(xué)院，河北三河 065201

地震地球化學(xué)離子、氣體成分等其它觀測(cè)項(xiàng)目是地震地下流體觀測(cè)網(wǎng)的重要組成部分，在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作中發(fā)揮了重要作用。本文對(duì)觀測(cè)項(xiàng)目的規(guī)模、觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)應(yīng)用3方面進(jìn)行分析，梳理了地球化學(xué)離子、氣體成分等觀測(cè)項(xiàng)目的背景變化規(guī)律；指出近年來(lái)觀測(cè)規(guī)模急劇縮小、觀測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)體系不完善、臺(tái)網(wǎng)管理缺失嚴(yán)重等現(xiàn)狀；并提出需清理觀測(cè)項(xiàng)目、完善儀器更新機(jī)制、加強(qiáng)臺(tái)網(wǎng)管理和建立人員培訓(xùn)機(jī)制等建議。

離子 氣體 地球化學(xué)

引言

根據(jù)觀測(cè)項(xiàng)目的不同，地下流體監(jiān)測(cè)網(wǎng)可劃分為地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)網(wǎng)、地?zé)嵊^測(cè)網(wǎng)和地球化學(xué)觀測(cè)網(wǎng)。其中，地球化學(xué)觀測(cè)網(wǎng)包括氡、汞、離子、氣體成分等其它化學(xué)測(cè)項(xiàng)。隨著數(shù)字化觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，氡、汞監(jiān)測(cè)臺(tái)站增多，已經(jīng)成網(wǎng)觀測(cè)，而地球化學(xué)網(wǎng)中的離子、除氡、汞以外的氣體成分等其它地球化學(xué)觀測(cè)項(xiàng)目卻受限于觀測(cè)技術(shù)與觀測(cè)方法的發(fā)展水平，不增反減。

截至2017年底，中國(guó)已經(jīng)建成包含40多類觀測(cè)項(xiàng)目、1400余個(gè)測(cè)點(diǎn)的地下流體觀測(cè)網(wǎng)，其中地球化學(xué)離子、氣體成分等其它觀測(cè)項(xiàng)目多達(dá)190項(xiàng)，約占整個(gè)流體觀測(cè)網(wǎng)的15%。雖然觀測(cè)項(xiàng)目的測(cè)點(diǎn)少，但其映震能力卻不可低估，特別是對(duì)測(cè)點(diǎn)周邊及鄰近區(qū)域地震的映震能力（高文學(xué)等，2000）。近年來(lái)，地球化學(xué)的流動(dòng)觀測(cè)在研究震后破裂帶的地球化學(xué)變化規(guī)律等方面效果顯著（呂超甲等，2017；周曉成等，2017a）。對(duì)于固定觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的地球化學(xué)離子、氣體成分等其它測(cè)項(xiàng)，多是在震后進(jìn)行反思研究（高小其等，2002；林國(guó)元等，2015），并沒(méi)有對(duì)其整體觀測(cè)現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)的分析。相比流動(dòng)觀測(cè)，固定觀測(cè)的規(guī)模逐年縮小、觀測(cè)儀器老化嚴(yán)重、觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用效能較低，因此亟待對(duì)其問(wèn)題進(jìn)行梳理并加強(qiáng)建設(shè)。

本文從地震地球化學(xué)離子、氣體成分等其它觀測(cè)項(xiàng)目的規(guī)模、觀測(cè)儀器、觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量以及預(yù)報(bào)應(yīng)用幾方面梳理觀測(cè)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，為優(yōu)化觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)、提升觀測(cè)質(zhì)量以及增強(qiáng)地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 觀測(cè)規(guī)模

地震地球化學(xué)離子、氣體成分等其它觀測(cè)項(xiàng)目種類較多，包含各種離子、氣體成分（包括溶解氣、逸出氣和土壤氣）以及pH值、Eh值、渾濁度、硬度等近40種（中國(guó)地震局，2011）。地球化學(xué)離子、氣體成分等其它觀測(cè)項(xiàng)目由82個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成，分屬18個(gè)省、市和自治區(qū)，主要分布在南北帶、張渤帶、東南沿海帶和天山帶（圖1）。

對(duì)于離子組分的觀測(cè)，需要由臺(tái)站人員每天定時(shí)采樣后在觀測(cè)室進(jìn)行分析，依據(jù)各種離子在一定條件的特征物理化學(xué)形式，采用化學(xué)分析法（重量法、容量法、比色法）和物理化學(xué)分析法（儀器分析法）及時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)定出某一瞬間地下水中離子的含量，并將得出的觀測(cè)值手動(dòng)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。目前，觀測(cè)項(xiàng)目有鈣離子、鎂離子、鈉離子、鉀離子、重碳酸根子、硫酸根離子、氯離子、氟離子、亞硝酸根離子、硝酸根離子和碳酸根離子的濃度。

對(duì)于氣體成分的觀測(cè)，需要由臺(tái)站人員每天定時(shí)采樣后送觀測(cè)室，利用色譜等儀器分析（儀器分析法）得出測(cè)值并手動(dòng)入庫(kù)。氣體成分觀測(cè)（以下簡(jiǎn)稱“氣體觀測(cè)”）項(xiàng)目有氫氣濃度、氦濃度（由于氦氣觀測(cè)包含數(shù)字化采樣和人工觀測(cè)，且數(shù)量較少，本文的氦濃度包含所有采樣率的觀測(cè)）、二氧化碳（根據(jù)觀測(cè)儀器不同，采樣率分為日和分鐘，本文包含所有采樣率的觀測(cè)）、氣體量、氮?dú)鉂舛?、甲烷濃度、氬氣濃度、氧氣濃度?/p>

對(duì)于電導(dǎo)率、pH值和硬度，同樣需要人工采樣后在觀測(cè)室完成。

圖1 地震地球化學(xué)離子、氣體成分等其它測(cè)項(xiàng)分布

1.1 觀測(cè)分布

截至2017年底，共有262個(gè)測(cè)點(diǎn)開(kāi)展了地球化學(xué)離子、氣體成分等其它項(xiàng)目觀測(cè)（含已停測(cè)項(xiàng)目），其中觀測(cè)項(xiàng)目最多的為四川省（53個(gè)觀測(cè)項(xiàng)目），詳細(xì)觀測(cè)情況見(jiàn)表1。

表1 地球化學(xué)離子、氣體成分等其它觀測(cè)項(xiàng)目一覽表（截至2017年底）

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2013—2017年17個(gè)臺(tái)站的36個(gè)測(cè)項(xiàng)停測(cè)，其中27個(gè)測(cè)項(xiàng)是由于泉水?dāng)嗔骰蛉狱c(diǎn)被破壞，觀測(cè)時(shí)間超過(guò)10年的觀測(cè)項(xiàng)目有24個(gè)。由于觀測(cè)環(huán)境遭破壞以及觀測(cè)儀器老化等原因，262個(gè)觀測(cè)項(xiàng)目中已經(jīng)有72項(xiàng)停測(cè)，給數(shù)據(jù)應(yīng)用帶來(lái)不利影響。

1.2 觀測(cè)儀器

對(duì)地震地球化學(xué)離子、氣體成分等其它測(cè)項(xiàng)的觀測(cè)主要通過(guò)人工采樣并送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，對(duì)人工采樣技術(shù)以及觀測(cè)儀器的依賴性高。目前采用的觀測(cè)儀器多為20世紀(jì)70—90年代初從其它領(lǐng)域引入的儀器，觀測(cè)儀器老化嚴(yán)重，觀測(cè)技術(shù)嚴(yán)重落后。近年來(lái)，針對(duì)氫氣和氦氣觀測(cè)，研制了采樣率較高的數(shù)字化觀測(cè)儀器，而其它觀測(cè)項(xiàng)目的觀測(cè)技術(shù)卻停滯不前。

離子組分觀測(cè)使用的觀測(cè)儀器包括滴定管、離子色譜儀和水質(zhì)觀測(cè)儀，最早啟用于1980年（表2）。氣體觀測(cè)廣泛使用的是氣相色譜儀，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)試N2、Ar、CH4、He、H2、CO2等氣體濃度，最早啟用于1990年（宋臣田等，2008）。目前，觀測(cè)設(shè)備陳舊、技術(shù)落后，急需進(jìn)行儀器的更新改造。

表2 地震地球化學(xué)離子、氣體成分等其它測(cè)項(xiàng)觀測(cè)儀器一覽表

續(xù)表

2 觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量

2.1 質(zhì)量控制

目前，沒(méi)有單獨(dú)針對(duì)地震地球化學(xué)離子、氣體成分等其它測(cè)項(xiàng)的質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法，只在地下流體觀測(cè)臺(tái)站綜合評(píng)比時(shí)，對(duì)觀測(cè)項(xiàng)目的連續(xù)率和動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行評(píng)價(jià)。

對(duì)于應(yīng)用于地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的臺(tái)站，其數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)秀的基本標(biāo)準(zhǔn)是觀測(cè)數(shù)據(jù)能真實(shí)反映觀測(cè)的物理量、動(dòng)態(tài)背景清晰、數(shù)據(jù)連續(xù)可靠。由于沒(méi)有獨(dú)立的評(píng)價(jià)體系，只能通過(guò)連續(xù)率推測(cè)觀測(cè)數(shù)據(jù)是否連續(xù)。對(duì)190個(gè)觀測(cè)點(diǎn)2017年的數(shù)據(jù)連續(xù)率進(jìn)行評(píng)價(jià)，90%以上的觀測(cè)點(diǎn)其數(shù)據(jù)連續(xù)率可達(dá)95%以上。

2.2 背景動(dòng)態(tài)特征

對(duì)262個(gè)觀測(cè)點(diǎn)（含已停測(cè)點(diǎn)）進(jìn)行多年動(dòng)態(tài)梳理，其中73個(gè)觀測(cè)點(diǎn)有年變特征，特征主要包括上升型、平穩(wěn)型、下降型、夏高冬低型和夏低冬高型（圖2，其中氯離子以汕頭臺(tái)和姑咱臺(tái)為例，氣體總量以聊城臺(tái)和水磨溝為例）。189個(gè)測(cè)點(diǎn)的地震地球化學(xué)氣體、離子觀測(cè)沒(méi)有顯著的年變化背景動(dòng)態(tài)特征，其中一部分表現(xiàn)為多年動(dòng)態(tài)無(wú)明顯變化，另一部分雖起伏較大，但無(wú)規(guī)律可循。

圖2 氯離子、氣體總量觀測(cè)動(dòng)態(tài)示例（一）

圖2 氯離子、氣體總量觀測(cè)動(dòng)態(tài)示例（二）

地震地球化學(xué)離子、氣體成分等其它觀測(cè)項(xiàng)目的觀測(cè)密度低，同一觀測(cè)項(xiàng)目在不同觀測(cè)點(diǎn)的測(cè)值變化較大。以Cl-濃度為例，其最小多年均值為4.1mg/L（姑咱水化站），最大多年均值達(dá)7885.5mg/L（固原地震臺(tái)）。

對(duì)各離子觀測(cè)點(diǎn)多年均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（統(tǒng)計(jì)時(shí)間從建站產(chǎn)出數(shù)據(jù)至2017年底），以0—100mg/L作為低濃度、100—300mg/L作為中間濃度、大于300mg/L作為高濃度，針對(duì)觀測(cè)數(shù)目大于5個(gè)的8類離子，對(duì)其觀測(cè)濃度多年均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（圖3）。由圖可見(jiàn)對(duì)于氟離子和硝酸根離子，均為低濃度測(cè)點(diǎn)；對(duì)于碳酸根離子和碳酸氫根離子，高濃度測(cè)點(diǎn)較多，對(duì)于鈣離子、鎂離子和氯離子，低濃度測(cè)點(diǎn)較多。

圖3 地震地球化學(xué)離子觀測(cè)項(xiàng)目多年均值統(tǒng)計(jì)（數(shù)據(jù)源：地下流體數(shù)據(jù)庫(kù)）

對(duì)各氣體成分等其它觀測(cè)項(xiàng)目多年均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（統(tǒng)計(jì)時(shí)間從建站產(chǎn)出數(shù)據(jù)至2017年底），以0—1%作為低濃度、1%—10%作為中間濃度、大于10%作為高濃度，針對(duì)觀測(cè)數(shù)目大于5個(gè)的9類氣體，對(duì)其觀測(cè)濃度進(jìn)行多年均值統(tǒng)計(jì)分析（圖4，考慮到結(jié)果的科學(xué)和可靠性，僅對(duì)利用色譜儀計(jì)算的二氧化碳濃度的多年均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)）。由圖可見(jiàn)對(duì)于溶解氣氫氣、溶解氣氦氣、逸出氣氦氣，低濃度的測(cè)點(diǎn)較多；對(duì)于土壤氣二氧化碳、溶解氣氧氣，中間濃度的測(cè)點(diǎn)較多；對(duì)于溶解氣氣體總量、溶解氣氮?dú)?，高濃度的測(cè)點(diǎn)較多。

圖4 地震地球化學(xué)氣體觀測(cè)項(xiàng)目多年均值統(tǒng)計(jì)

3 地震預(yù)報(bào)應(yīng)用

目前，地球化學(xué)離子、氣體成分等其它項(xiàng)目觀測(cè)的異常主要用于發(fā)震時(shí)間的預(yù)測(cè)，一般認(rèn)為各類離子動(dòng)態(tài)在震前幾十天至幾個(gè)月的時(shí)間尺度上可以表現(xiàn)出一定的趨勢(shì)性異常，而各類氣體成分觀測(cè)異常多發(fā)生在震前幾天至幾十天，異常多，信噪比高，易于識(shí)別（中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2007）?？傮w說(shuō)來(lái)，離子、氣體成分等其它測(cè)項(xiàng)的異常表現(xiàn)基本為短臨異常變化，對(duì)于其變化機(jī)理與地震的關(guān)系，目前還未有系統(tǒng)的解釋。

2008年汶川地震后，學(xué)者們開(kāi)展了很多流動(dòng)地球化學(xué)觀測(cè)，周曉成等（2017a，2017b）對(duì)汶川地震斷裂帶CO2、CH4、Rn和Hg的異常濃度進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)，異常濃度達(dá)到了相當(dāng)?shù)臄?shù)值。

對(duì)1966—2012年已出版的中國(guó)震例（張肇誠(chéng)等，1988a，1988b，1990；車時(shí)等，2014；杜方等，2018；蔣海昆等，2018a，2018b）中231次地震前兆異常進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中150次地震前的流體觀測(cè)出現(xiàn)異常，40次地震前出現(xiàn)了離子觀測(cè)異常，26次地震前出現(xiàn)了氣體觀測(cè)異常（表3）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，離子的異常表現(xiàn)多為高值或者低值異常，一般在轉(zhuǎn)折或回升過(guò)程中發(fā)震，氣體成分觀測(cè)的異常變化多為突變型異常和突跳型異常，或者為二者的組合（車用太等，2004）。

表3 地球化學(xué)離子、氣體成分等其它測(cè)項(xiàng)異常統(tǒng)計(jì)表（1966—2012）

地下水中的氣體成分、離子成分、放射性元素含量變化反映了地殼內(nèi)部復(fù)雜的地球化學(xué)變化。雖然地球化學(xué)離子、氣體成分等其它測(cè)項(xiàng)的觀測(cè)規(guī)模較小，但相關(guān)測(cè)項(xiàng)卻存在相當(dāng)比例的震前異常，在地震預(yù)報(bào)中發(fā)揮了重要作用。

4 結(jié)論與建議

地震地球化學(xué)離子、氣體成分等其它觀測(cè)項(xiàng)目的觀測(cè)歷史悠久、觀測(cè)種類多樣。近年來(lái)，由于觀測(cè)環(huán)境遭破壞、觀測(cè)儀器老化、觀測(cè)技術(shù)人員短缺等原因，觀測(cè)規(guī)模大幅縮小。本文對(duì)觀測(cè)項(xiàng)目的規(guī)模、觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量和預(yù)報(bào)應(yīng)用3方面進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，得到以下結(jié)論與建議：

（1）增加測(cè)點(diǎn)并優(yōu)化已有觀測(cè)項(xiàng)目。截至2017年底，開(kāi)展地球化學(xué)離子、氣體觀測(cè)的站點(diǎn)有190個(gè)，觀測(cè)密度低（0.2個(gè)/104km2），為保證觀測(cè)效能，急需在主要斷裂帶增大布設(shè)密度。目前，開(kāi)展觀測(cè)的地震地球化學(xué)離子、氣體成分等其它觀測(cè)項(xiàng)目多達(dá)33種，需要根據(jù)本地區(qū)震情背景、觀測(cè)環(huán)境、觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量、觀測(cè)設(shè)備以及歷史映震效能等方面進(jìn)行評(píng)估，優(yōu)化已有的觀測(cè)項(xiàng)目。

（2）完善儀器更新與備機(jī)備件調(diào)配機(jī)制。不少臺(tái)站的觀測(cè)儀器已運(yùn)行30多年，儀器老化嚴(yán)重、故障頻發(fā)，尤其是不少觀測(cè)儀器已經(jīng)停產(chǎn)，儀器性能嚴(yán)重落后，急需進(jìn)行儀器更新。此外，離子觀測(cè)需要消耗大量的化學(xué)藥品、溶液、滴定管等消耗性材料；氣體觀測(cè)需要定時(shí)購(gòu)置各種標(biāo)準(zhǔn)氣體、更換色譜柱等。對(duì)于常用的耗材，應(yīng)當(dāng)完善更新與調(diào)配機(jī)制，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充完善，保障觀測(cè)的正常進(jìn)行。

（3）加強(qiáng)臺(tái)網(wǎng)管理與質(zhì)量監(jiān)控。地球化學(xué)離子、氣體成分等其它觀測(cè)項(xiàng)目基本為人工觀測(cè)，需要對(duì)觀測(cè)結(jié)果手動(dòng)入庫(kù)，個(gè)別臺(tái)站存在錄入錯(cuò)誤的問(wèn)題，部分臺(tái)站更換儀器后未及時(shí)對(duì)信息進(jìn)行更新，尤其是20世紀(jì)60年代初開(kāi)展的一部分歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)還未錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，因此急需對(duì)基礎(chǔ)信息（包含觀測(cè)儀器、觀測(cè)方式、觀測(cè)日志等）加強(qiáng)管理，對(duì)上述信息進(jìn)行完善以及動(dòng)態(tài)跟蹤，保障數(shù)據(jù)的可用。目前，對(duì)于觀測(cè)數(shù)據(jù)沒(méi)有獨(dú)立的數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法，只有在年度評(píng)比時(shí)從資料的完備性、數(shù)據(jù)連續(xù)性2方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。應(yīng)當(dāng)參考其它相關(guān)行業(yè)的質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法，關(guān)注數(shù)據(jù)自身質(zhì)量，建立日、月、年不同尺度的監(jiān)控體系。

（4）建立常態(tài)化人員培訓(xùn)制度。離子、氣體觀測(cè)要求操作員具有一定的化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)以及實(shí)驗(yàn)室操作技能，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前有分析化學(xué)專業(yè)背景的觀測(cè)人員所占比例不足10%，觀測(cè)人員的觀測(cè)技術(shù)大多通過(guò)經(jīng)驗(yàn)豐富的觀測(cè)員傳幫帶得來(lái)，在對(duì)觀測(cè)方法的理解以及觀測(cè)技術(shù)的掌握上存在很大不足。建立常態(tài)化人員培訓(xùn)制度，保證各項(xiàng)操作的規(guī)范，才能保障觀測(cè)結(jié)果的科學(xué)可靠。

致謝：本文得到了劉春國(guó)老師的指導(dǎo)和幫助，在此表示感謝。

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The Status of Ion, Gas and Other Items of Groundwater Observation in Seismological Geochemistry

Fan Chunyan1), Chen Huajing1), Chen Qifeng2)and Qian Jianxiu3)

1) China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China 2) Liaocheng Seismological Station, Shandong Earthquake Agency, Liaocheng 252000, Shandong, China 3) The Institute of Disaster Prevention, Sanhe 065201, Hebei, China

Ion, gas and other items of groundwater observation are important parts of seismic underground fluid observation network, which play the important roles in earthquake monitoring and prediction. In this article we review the three aspects of the scale, the quality of observation data and the application of earthquake monitoring and prediction in China. The background dynamic changes of ion, gas and other items is also analyzed. Our results show some problems in groundwater observation in recent years such as insufficient projects, lack of data quality evaluation system and lack of effective management of network. In the future, we need to reorganize the observation items better, to improve the instrument renewal mechanism, to strengthen the management of the networks, and to set up personnel training mechanism.

Ion; Gas; Seismological geochemistry

10.11899/zzfy20190217

2018-04-02

樊春燕，女，生于1985年。高級(jí)工程師。主要從事地震地下流體技術(shù)管理與質(zhì)量控制。E-mail：fcyan2010@163.com

樊春燕，陳華靜，陳其峰，錢建秀，2019．地震地球化學(xué)離子、氣體成分等其它測(cè)項(xiàng)觀測(cè)現(xiàn)狀．震災(zāi)防御技術(shù)，14（2）：438—445．