程立康，龔永儉，馬麗麗，李　越

(天津市地震局，天津　300201)

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·觀測分析·

快速測定管開口對CO2含量觀測結(jié)果影響的實驗研究

程立康，龔永儉，馬麗麗，李越

(天津市地震局，天津300201)

摘要：通過同時使用3支底部開口大小不同的CO2快速測定管在同一測定孔觀測斷層土壤氣CO2含量的實驗，研究快速測定管開口大小對CO2含量測值的影響及變化特征。結(jié)果表明，快速測定管底部開口大小不同， CO2含量測值有顯著差異；CO2含量數(shù)據(jù)在變化形態(tài)方面有較好的同步性，觀測結(jié)果呈夏高冬低的特點；與測定孔內(nèi)的溫度有顯著的正相關(guān)關(guān)系。建議觀測時，要注意快速測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含量也是隨時間變化的。在地球的各種動力學過程中，CO2有著不可忽視的作用，尤其是在地震的孕育與發(fā)生過程中。對地殼中CO2變化動態(tài)進行監(jiān)測，對于地震預(yù)報，特別是地震短臨預(yù)報有著非常重要的意義和價值[1]。

地殼中CO2動態(tài)監(jiān)測一直受到各國地震科學家和地球化學家的重視。1966年邢臺地震后，我國地震系統(tǒng)開始開展對地殼中CO2的動態(tài)監(jiān)測，首先是對井水中CO2溶解氣的動態(tài)監(jiān)測，以后逐步發(fā)展到溫泉中CO2總量的動態(tài)監(jiān)測和斷層土壤氣CO2含量的動態(tài)監(jiān)測。在過去的四十余年中，我國的CO2動態(tài)監(jiān)測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快速測法提出后，由于其觀測成本低廉且效果顯著而被廣泛運用，很多位于活動斷裂周邊的地震臺站增設(shè)這一項目。在使用CO2快速測定法觀測斷層土壤氣CO2含量前，需手工去除快速測定管底部錐形的封閉玻璃外殼。實踐中，不同的觀測人員，甚至同一觀測人員在不同觀測日，快速測定管的底部開口大小，都有很大的隨意性。其中，CO2快速測定管的開口大小是否會對CO2含量觀測結(jié)果產(chǎn)生明顯影響，影響的量級如何，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含量觀測數(shù)據(jù)在地震預(yù)測中的應(yīng)用問題。為此，筆者進行了專門的實驗研究。

1CO2快速測定法簡介

1.1測定原理

CO2快速測定法使用的主要器材是CO2快速測定管，是一支長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(呈淡藍色)。百里酚酞是弱有機酸，具有共軛酸堿對，其共軛酸堿對具有不同的化學結(jié)構(gòu)，且顏色也不同，堿式色為藍色，酸式色為無色。當介質(zhì)的pH值發(fā)生改變時，百里酚酞的共軛酸堿對發(fā)生相互轉(zhuǎn)變，從而引起測定管顏色的變化。當氣體進入測定管中，即被活性氧化鋁吸附，其中CO2立即與百里藍酚酞發(fā)生反應(yīng)，使測定管由藍變白。氣體中CO2含量越高，白色柱的長度就越長，據(jù)白色柱的長度，從測定管的刻度上即可直接讀出CO2的含量。

1.2測定方法

首先在觀測點上打孔，在孔中插入硬塑料管，直至孔底，塑料管的周圍用土填實壓實，以免氣體逸漏，這就形成了CO2快速測定孔。把特制的CO2快速測定管(以下簡稱測定管)底部用玻璃刀或其他利器割斷或剪斷，然后用細線把測定管吊掛孔中，上面用橡皮塞塞緊(見第29頁圖1)。過24小時，取出測定管，在現(xiàn)場即可讀出CO2的含量。本方法觀測到的CO2含量是24小時內(nèi)土壤中CO2的釋放總量，而不是CO2的相對百分比含量。

2測定管開口影響實驗

2.1測定過程

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

實驗采用同批號的測定管，每次置于測孔內(nèi)3支，3支測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支測定管的開口直徑分別為1 mm、2 mm和3 mm。3支測定管均豎起放置于測定孔中，測定管底端在同一水平面內(nèi)。每天早8時更換一次測定管，從割斷測定管底部到放置于測定孔內(nèi)間隔僅3～5 s，取出測定管讀數(shù)需2～3 s，操作過程中測定孔外的環(huán)境影響可忽略不計。因CO2快速測定管的刻度精確至0.5 mg，為提高精度，用精度為1 mm的量尺來測量每天的數(shù)值。具體做法是：用量尺多次測量CO2快速測定管，統(tǒng)計后得出，快速測定管中2.45 mm長度的CO2含量約為1 mg。

實驗主要選在冬季和夏季分別進行。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。

為研究溫度對斷層土壤氣CO2含量的影響，在裝置上同時放置一個溫度計，每日8時在讀取CO2含量數(shù)據(jù)的同時，讀取測定孔內(nèi)的溫度值。

2.2測定結(jié)果

實驗期間共取得CO2含量(包括低、中、高位開口)及測定孔內(nèi)溫度觀測數(shù)據(jù)51組(見表1)。

表1　CO2快速測定管不同開口位置的CO2含量觀測數(shù)據(jù)

2.3測定結(jié)果分析

從表1的數(shù)據(jù)看出，低位(3 mm)開口測得的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。測定管底部開口大小與觀測到的CO2含量數(shù)值在一定程度上呈正相關(guān)性。

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

圖2　CO2快速測定管不同開口位置觀測曲線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)對觀測數(shù)據(jù)進行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)說明底部不同開口的測定管觀測到的CO2含量數(shù)據(jù)的同步性和穩(wěn)定性。由于測定管底部的開口大小對觀測數(shù)據(jù)的影響較大，各組數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性無疑來源于實驗過程中開口位置的嚴格控制。

31天之前是冬季的數(shù)據(jù)，之后是夏天的數(shù)據(jù)，三支曲線在該點有明顯的臺階狀上升變化，表明斷層土壤氣CO2含量的觀測數(shù)據(jù)有一定的季節(jié)性，這可能與溫度變化有關(guān)。對表1中的數(shù)據(jù)進一步分析發(fā)現(xiàn)，實驗期間的CO2觀測數(shù)據(jù)有明顯的夏高冬低的變化趨勢，而測定孔內(nèi)的溫度也呈現(xiàn)夏高冬低的特點，說明兩者有較好的正相關(guān)性。對2010年1月到2011年12月的CO2觀測數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，測定孔內(nèi)的溫度與CO2觀測數(shù)據(jù)在變化形態(tài)上非常相似，觀測數(shù)據(jù)夏高冬低的年變化特征非常明顯，與國內(nèi)外學者研究結(jié)果一致，學者解釋為土壤淺部生物層的影響，筆者認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) 測定孔內(nèi)溫度越高，孔中逸出的CO2分子擴散越活躍，越容易進入快速測定管內(nèi)部。這種變化特征也驗證了實驗結(jié)果的正確性。

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

圖3　寶坻地震臺斷層土壤氣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

通過實驗研究，筆者得出以下三點結(jié)論：

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

(2) 底部不同開口大小的測定管觀測到的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含量的動態(tài)變化。對于背景值低，必須選擇量程小的測定管的觀測點，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含量觀測結(jié)果呈夏高冬低的特點，與測定孔內(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CO2含量觀測結(jié)果的影響是顯著的。

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

參考文獻：

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[10]高小其，王道，許秋龍，等.CO2快速測定方法的應(yīng)用研究淺析[J].內(nèi)陸地震,2002,16(1):76-83.

(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：P315.61

文獻標志碼：A

作者簡介：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，工程師。

基金項目：天津市地震局科研項目(101004)。

收稿日期：2015-06-21

文章編號：1000-6265(2016)01-0028-03