断层土壤气CO2含量快速测定法关键问题探讨

龚永俭，程立康，李 越，马义山，马丽丽

(天津市地震局，天津 300201)

断层土壤气CO2含量快速测定法关键问题探讨

龚永俭，程立康，李 越，马义山，马丽丽

(天津市地震局，天津 300201)

为了提高断层土壤气CO2含量观测数据的映震效能，从测点选择、装置布设、观测方法、辅助测项4个方面对断层土壤气CO2含量快速测定法的关键问题做了全面研究，得出结论：(1)断层土壤气CO2含量测点应选择在活动断层破裂带上或紧邻破裂带的敏感地带，在测点选择时应结合地质资料和钻孔资料对预选址的地下岩石结构及其破裂程度进行研究或有效探测，不宜仅为了观测方便在现有地震台站随便选址；(2)断层土壤气CO2含量快速测定法的装置要尽可能布设得深入地下，至少应使测定孔深度超过地表以下0.5 m，最好能够选择深入地表以下2.0 m以上的深度，以尽量减少或不受地表生物层的影响，但在装置布设时也要充分考虑地下水位的变化情况；(3)在使用断层土壤气CO2含量快速测定法观测CO2含量变化的过程中应努力消除人为因素的影响，避免主观随意性，特别是应将CO2含量快速测定管放置到靠近测定孔的孔底位置，快速测定管底部开口应尽量保持一致且要使开口口径最大化，避免快速测定管触底；(4)测定孔内温度与断层土壤气CO2含量变化呈正相关，降雨量对断层土壤气CO2含量测值有负面的影响，同步进行测定孔内温度和降雨量辅助观测是必须的。鉴于气压变化与断层土壤气CO2含量变化有较强的负相关，建议在机理上进一步研究其影响，同时还应引入湿度作为断层土壤气CO2含量观测的辅助测项。

断层；CO2含量观测；快速测定法；地下流体；地球化学

0 引言

在地球的各种动力学过程中，地壳中的CO2含量会发生明显的变化。地震的孕育过程中由于应力的汇集常常伴随着地下岩石发生破裂，释放出CO2气体。通过对地壳中CO2含量的动态变化进行监测，可以提取到地震的孕育信息，对地震预测有重要的意义和价值[1]。

中国地震工作者自1966年邢台地震以后开始开展地壳中CO2含量的观测，最初是对井水中CO2溶解气的观测，其后拓展到温泉水中CO2含量的观测，最后发展到对断层土壤气CO2含量的观测[2-12]。

在断层土壤气CO2含量观测方法方面，CO2含量快速测定法被认为是简便易行、成本低廉且结果可靠的一种方法，该方法自发明之后即被迅速推广，中国地震系统进行断层土壤气CO2含量观测的测点目前基本采用该方法。通过使用CO2含量快速测定法，取得了一些可靠的CO2含量震前异常数据，对地震预测和研究起到了推动作用。但由于该项观测技术没有规范可以遵循，在实际工作中不论是测点选择、装置布设，还是观测方法、辅助测项方面均表现出较强的随意性，导致许多测点产出的CO2含量观测数据缺乏映震能力，浪费了人力和物力。为此，笔者以前人的相关研究成果为基础，以天津地区断层土壤气CO2含量快速测定实践、部分专项试验和基本理论为依据，从测点选择、装置布设、观测方法、辅助测项4个方面对断层土壤气CO2含量快速测定法的关键问题进行了较全面的研究。

1 CO2快速测定法简介

1.1 测定原理

CO2快速测定法所使用的测量工具是CO2含量快速测定管。CO2含量快速测定管是一支长14 cm、直径0.45 cm的底部锥形的玻璃管，管内充填了吸附有百里酚酞的活性氧化铝(呈淡兰色)。百里酚酞是弱有机酸，具有共轭酸碱对，其共轭酸碱对具有不同的化学结构，且颜色也不同，碱式色为蓝色，酸式色为无色。当介质的pH值发生改变时，百里酚酞的共轭酸碱对发生相互转变，从而引起测定管颜色的变化。当气体进入测定管中，即被活性氧化铝吸附，其中CO2立即与百里蓝酚酞发生反应，使测定管由蓝变白。气体中CO2含量越高，白色柱的长度就越长，根据白色柱的长度，从测定管的刻度上即可直接读出CO2的含量。

1.2 测定方法

首先在选定的断层观测点打孔埋设一根硬塑料管。把CO2含量快速测定管锥形的底部用钳子剪断或用其他工具折断，然后用细线把CO2含量快速测定管吊挂孔中，上面用橡皮塞塞紧(图1)。选择固定的测量周期(一般为1 d)，取出CO2含量快速测定管，通过上面的刻度读出CO2的含量值，这种方法实际测定的是土壤逸出气的含量。

图1 测定孔的结构及测定管构造示意图

2 CO2快速测定法关键问题探讨

2.1 测点的选择

2.1.1 测点位置的选择

测点位置的选择是开展CO2含量快速测定工作的最基础性工作。测点位置的优劣，在很大程度上决定了观测数据的映震能力。土壤气CO2含量快速测定最初发源于对活动断层的探测。林元武等1988年在唐山地震震中区礼尚庄布设了一条跨发震断裂(唐山断裂)的剖面，测定点距一般为20 m， 断裂带上加密至10～15 m，测定孔的深度为0.5 m。结果表明：CO2背景值为4.5×104～7.0×104mg，平均为5.5×104mg，断裂上CO2异常显著，异常峰值是背景值的2倍左右，CO2异常范围略宽于地震形变带。在1988年10月对跨夏垫断裂剖面CO2观测的结果与此相类似[5]。以上研究结果印证了在活动断层上观测土壤气CO2含量更易提取到异常信息的论断。

从地震震中统计资料分析，绝大多数强震震中也分布于活动断裂带上，2008年汶川MS8.0地震和2013年芦山MS7.0地震都发生在龙门山断裂。活动断层能够对地下应力的汇集与释放过程有较好的反映，而在应力的汇集过程中常常伴随着地下岩石的破裂，释放出CO2气体。相比较而言，活动断层的岩石更容易发生破裂，因此CO2含量测点要选择在活动断层或其周边地区，选择非活动断层则可能会失去其预测地震的意义。

选择活动断层的周边多远距离作为土壤气CO2含量测点，尚无学者研究。笔者认为：这取决于所选择的活动断层的破裂带宽度，如果活动断层的破裂带较宽，则在CO2含量的测点选择时可以将距离稍放宽一些，如果活动断层的破裂带较窄，则应尽可能选择在活动断层上。

是否能够考虑现有的地震台站台址作为土壤气CO2含量的测点，笔者认为应一分为二地看待这个问题：现有台站台址绝大多数位于活动断层的周边地区，如果该台址其他测项有较强的映震能力，说明该台址的地下结构能够充分反映出地下应力的汇集过程，一般也适宜进行土壤气CO2含量观测；如果台址内的其他测项均无映震表现，则该台址很可能也不适宜进行土壤气CO2含量观测。土壤气CO2含量的观测不同于形变类等测项，选择测点时更应注意地下岩石的破裂程度。

2.1.2 测点位置的选择方法

在CO2含量快速测定法测点位置选择时应对拟选位置的地下结构，特别是岩石的破裂性，结合地质资料和钻孔资料进行分析，必要时可进行有效探测。最有效的探测方法应是钻孔，但这种方法成本过高。如果在现有的地震台站选择CO2含量测点，可以参考台站的台址资料和台站内所有的钻孔资料，因为地震台站地处偏僻，一般会有吃水井，有的台站还有测震井、体应变井、GNSS钻孔等，可以根据这些钻孔的位置以及钻孔显示的地下岩石破裂情况来确定是否适宜CO2含量观测，从而决定是否适宜CO2含量观测的测点选择以及选定测点的具体位置。

2.2 装置布设

2.2.1 装置布设方法

林元武等提出的CO2含量测量步骤为：先用洛阳铲在观测点上打孔(孔深可根据工作需要而定)，在孔中下硬塑料套管，直抵孔底，塑料管的周围用土填实、压实，以免气体逸出，然后用细线把CO2快速测定管吊挂孔中，上面用橡皮塞塞紧。经24 h的积累，取出测定管，在现场即可读出CO2的含量[5]。由此可见，CO2含量快速测定的装置还是非常简单的。

由于洛阳铲这种工具并非随处可购，实践中，大多数CO2含量快速测定的测点在装置布设时均采用开挖深坑埋设硬塑料套管的方式。这种埋设方式与洛阳铲钻孔的方式没有太大的区别，仅是洛阳铲钻孔的方式布设完硬塑料套管后周围的空余空间一般较小，这就要求采用开挖深坑的方式时注意回填土的压实问题，以免观测装置不能有效收集土壤气CO2。

实践中，有的测点会在硬塑料套管的下半段一定长度内外壁打上小孔，而有的测点不在硬塑料套管外壁打孔。笔者认为：硬塑料套管的下半段打孔与不打孔的观测结果相比，前者数值会偏高些，但如果打孔的位置距离地面深度不够，尤其是小于0.5 m，观测结果将更容易受到地表生物层的影响[5，9，12]，因此在装置布设较浅时并不提倡在硬塑料套管外壁打孔。

在装置布设完成后，是否需将硬塑料套管内的空气抽取真空？有学者曾提出对测定孔内的空气抽成真空的看法[5]。为了对测定孔抽取真空的意义进行研究，笔者进行了一个小试验：将CO2快速测定管底部开口后置于空气中，发现经历1 d后，快速测定管的颜色并未发生改变，即测定的CO2含量数值为0。由此可见，空气中的CO2含量是相对较低的，测定孔中混入空气中的CO2对断层土壤气CO2含量的观测结果影响不大。

2.2.2 装置的口径和深度

林元武等对隐伏断裂不同深度CO2异常特征研究后，认为地下0.5 m深度处于耕作层的范围，有机质丰富，温度、湿度等条件可能较适宜于生物化学作用，生物化学作用可产生大量的CO2，CO2异常可能以生物成因为主，而2.0 m深处CO2来源于生物作用的可能性是很小的[5]。该项研究仅以0.5 m和2.0 m的深度为依据，对CO2含量快速测定装置的布设深度不具有直接的指导意义，但有一定的参考价值。

在相关的研究成果中均未给出适宜的硬塑料套管长度和直径。笔者认为：硬塑料套管长度应高于观测的深度，使之高于地面，以避免降雨过程中雨水流入测定孔中。天津地区一般高于地面30 cm以上，建议雨水丰富的南方地区适当增高这一距离。硬塑料套管埋入土壤的深度，即测定孔的实际观测深度，一般不应低于0.5 m，要尽可能深一些，以2.0 m以上更宜。装置布设的深度要受地下水储量的影响，要保证测定孔在雨季时不因地下水的溢出而有积水。天津地区地下水位普遍较高，以宝坻台新台址为例，在春季地下1.8 m左右就到了水位面，夏季受降雨补给的影响地下水位将会更高些。天津的CO2测定孔深度一般在1.0～1.5 m，这并非理想的深度。

硬塑料套管的直径不宜过小和过大——过小，不利于土壤气CO2的收集；过大，在更换测定管的过程中容易导致测定孔内外气体流动，影响观测效果。根据天津地区CO2含量快速测定实践，建议测定孔硬塑料套管直径在80～110 mm左右。

2.3 观测方法

观测数据越准确、可靠，越有利于提取到地震孕育信息。但是，实践中对于CO2含量快速测定管的放置位置和底部开口大小等往往有很强的随意性，影响到观测数据的准确性。

2.3.1 测定管位置选择

CO2含量快速测定管在测定孔中不同深度观测到的CO2含量数值有较大差异。高小其等对CO2含量快速测定管在测定孔的上部、中部和下部进行了同步观测试验，试验结果表明CO2含量快速测定管在测定孔的下部数值偏高[9]。笔者也做过类似的试验，结论与上述研究结果一致。快速测定管在测定孔底部的数值更大可以从CO2的密度偏大的角度来解释，观测到的CO2含量数值越大，说明测定孔内的CO2与快速测定管内的百里酚酞反应更充分，数据更准确、可靠。

实践中各个测点CO2含量快速测定管距测定孔底部的距离差异较大。以天津为例：静海台CO2快速测定管底部距测定孔底部约50 cm，宝坻台(老台址，下同)CO2快速测定管底部距测定孔底部约30 cm。笔者认为：这2个测点放置CO2含量快速测定管的位置均不太好，应当将其放置得更深一些。

CO2含量快速测定管在测定孔中放置的位置过低，有可能会发生触底，而影响到观测结果。高小其等做过CO2含量快速测定管的触底试验，结果表明快速测定管触底时观测到的数值偏低，造成这种现象的原因是由于观测管的进气口被部分堵塞[9]。因此，在CO2含量快速测定法观测过程中应绝对避免快速测定管的触底问题。建议将快速测定管放置在测定孔底部以上5～10 cm。

需要说明的是：测定管放置的位置绝大多数情况下不会影响到数据的稳定性和数据变化的基本形态。笔者曾对此做过短期的观测试验，试验结果印证了上述论断。

2.3.2 测定管的开口大小对土壤气CO2含量观测的影响

CO2含量快速测定管的底部呈圆椎形，长约11 mm，越往底部测定管的口径越小。快速测定管在放置于测定孔前需要将底部开口。对开口的位置没有相关的规定，也没有专用工具用于开口，许多观测人员在剪断CO2含量快速测定管底部时很随意，CO2含量快速测定管开口大小每天都不同。有人认为测定管在测定孔内放置1 d，测定孔中的CO2会充分进入快速测定管中，与快速测定管中的百里蓝酚酞发生反应，得到真实、准确、可靠的观测数据，因此不必考虑快速测定管的底部开口大小问题。但试验结果却与此观点大相径庭：笔者曾每天使用同类3支CO2含量快速测定管，对测定管底部不同位置开口(开口大小不同)，放置到同一测定孔的同一深度进行同步观测试验，试验结果表明测定管的底部开口越大，观测到的CO2数值越高，不同开口大小的快速测定管观测到的CO2数值有较大偏差。表1为试验过程中的部分数据，由此可见一斑。

表1 快速测定管不同开口位置CO2观测数值 (单位：格)

从该项试验结果也发现：底部不同大小开口的CO2含量快速测定管观测到的数据均较稳定，能反映出土壤气CO2的变化动态特征。此结果印证了开口大小相同与数据稳定性的关系。

2.4 辅助测项

对影响土壤气CO2含量快速测定的气象等辅助因素进行同步观测，有利于去除干扰，从而提取到地震异常信息。但对于辅助测项，目前国内研究成果仅提出地温和降雨量2种。笔者对气压和湿度等对土壤气CO2含量快速测定结果的影响也进行了研究。

2.4.1 温度对土壤气CO2含量观测的影响

对天津宝坻台、静海台、张道口台、塘沽台4个土壤气CO2含量快速测定点的CO2含量观测数据与测定孔内温度进行绘图，分析发现：各个观测点CO2含量数据均表现出夏高冬低的年变化特征，与测定孔内温度变化基本呈正相关的关系，但是在雨季受降雨量的影响，CO2含量数值偏低。图2为宝坻台2012年CO2含量观测数据、测定孔内温度(08时)数据、气压(08时)数据曲线，从图中可以清楚地看到CO2含量数据与测定孔内温度变化所呈现出的正相关关系。这与高小其等、张秀萍等的研究结果相一致。土壤气CO2夏高冬低年变化特征，与地温变化的正相关性，表明它受到地表生物层的影响[5，9，12]。笔者认为这一现象也表明：(1)土壤气CO2逸出能力与土壤温度有关；(2)测定孔内温度越高，孔内逸出的CO2分子扩散越活跃。这2种因素均会导致土壤气CO2观测数值偏高。

2.4.2 气压对土壤气CO2含量观测的影响

对气压数据与土壤气CO2含量观测数据绘图分析发现：气压与土壤气CO2含量观测数据有很好的相关性，具体表现为负相关，即气压夏低冬高，CO2含量则夏高冬低(图2)。这究竟仅仅是统计上的相关，还是有着必然的科学联系，限于水平，笔者还未研究清楚。笔者建议同步进行气压观测，为进一步研究两者的变化关系和对土壤气CO2含量观测资料的分析工作提供基础资料。

2.4.3 降雨量对土壤气CO2含量观测的影响

通过对降雨量与土壤气CO2含量观测数据分析，笔者发现降雨量与土壤气CO2含量数据呈相反的变化关系，即降水量越高，土壤气CO2含量数值越低。笔者认为：导致这一现象的原因很可能是因为CO2可溶于水，降雨后土壤中的水分增加，致使CO2溶解度增加，逸出CO2气体则减少。因此，有必要在观测CO2含量过程中同步进行降雨量的观测。

图2 宝坻测点2012年CO2含量观测数值、测定孔温度、气压曲线

2.4.4 湿度对土壤气CO2含量观测的影响

基于CO2溶于水以及降雨后CO2含量观测值偏低的现象，笔者认为：土壤中的湿度不同，逸出的CO2量也会有相应的影响。据调查，目前还没有测点进行湿度的同步观测，但引入湿度的同步观测无疑会对断层土壤气CO2含量观测资料的分析有一定的意义。

3 结论与讨论

(1)断层土壤气CO2含量测点应选择在活动断层破裂带上或紧邻破裂带的敏感地带，在测点选择时应结合地质资料和钻孔资料对预选址的地下岩石结构及其破裂程度进行研究或有效探测，不宜仅为了观测方便在现有地震台站随便选择CO2含量测点；

(2)断层土壤气CO2含量快速测定法的装置要尽可能布设得深入地下，至少应使测定孔深度超过地表以下0.5 m，最好能够选择深入地表以下2.0 m以上，尽量减少或不受地表生物层的影响，但在装置布设时也要充分考虑地下水位的变化情况，装置布设完成后要压实回填土；

(3)在使用断层土壤气CO2含量快速测定法观测CO2含量变化的过程中应努力消除人为因素的影响，避免主观随意性，特别是应将CO2含量快速测定管放置到靠近测定孔的底部位置，快速测定管底部开口应尽量保持一致且要使开口口径最大化，同时要避免快速测定管触底；

(4)测定孔内温度与断层土壤气CO2含量变化呈正相关，降雨量对断层土壤气CO2含量测值有负面的影响，不论是理论分析，还是实践经验，同步进行测定孔内温度和降雨量辅助观测是必须的。鉴于气压变化与断层土壤气CO2含量变化有较强的负相关，建议在机理上进一步研究其影响，同时还应引入湿度作为断层土壤气CO2含量观测的辅助测项。

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StudyonRapidDeterminationMethodofCO2ContentinFaultSoil

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

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

In order to improve the earthquake-reflecting ability of the fault soil gas CO2content data, critical issues from 4 aspects of test point selection, equipment layout, observation method, auxiliary items rapid determination method of fault soil gas CO2content was studied, the conclusion: (1) the fault soil gas CO2content measuring points should be selected in the rupture of active fault zone or adjacent to the crack sensitive zone, study or the effective detection of underground rock structure in the test point selection should be combined with the data of geological data and drilling on the location and the rupture of degree, not choose CO2content measured point in the existing seismic stations only for observation convenient; (2) device used in the determination method of the fault soil gas CO2content should layout as deeper as possible in underground, measure hole depth should be deeper than 0.5 m below the surface, the beset depth is 2.0 m or more so as to minimize or avoid the affection of surface biological layer, the underground water level should be taken into account, After the completion of the plant layout backfill soil compaction is necessary; (3) Artificial factors should be eliminated, especially the rapid determination tube should be placed near the bottom of the measuring hole but should not get in touch with the bottom, to rapid determination pipe bottom caliber should be consistent with each other so as to maximize the caliber; (4) Temperature of measuring hole and fault soil gas CO2changes were positively correlated, rainfall values have a negative influence on fault soil gas CO2content, temperature and rainfall aided synchronization observation is necessary.In view of changes in air pressure and fault soil gas CO2content has a strong negative correlation; further study on the mechanism of this effect is suggested.At the same time, the humidity should be measured as auxiliary observation of fault soil gas CO2.

CO2determination tube; opening; synchronization; underground fluid; geochemistry

10.3969/j.issn.1003-1375.2014.01.009

2013-05-17

华北强震强化跟踪监测项目；天津市地震局局内科研项目“宝坻新台井水位对地下水开采的响应特征及机理研究”(项目编号：131006)；“王3井数字化氦变化特征的初步研究”(项目编号：121006)

龚永俭(1972—)，男，天津宝坻人，工程师，主要从事地震台站流体、电磁观测技术和网络管理的研究．E-mail:gong_123@126.com

P315.61

A

1003-1375(2014)01-0047-06