RZW-1A型数字化CO2测量仪研发及试验观测*

张晓刚　任　佳　王　江　邢　杰　符泽宇　赵建明　李　金　王　妍

1) 河北省地震局， 石家庄050021　2) 华北片区前兆维修中心， 石家庄050021　2) 河北省地震局唐山中心台， 河北唐山063000　3) 河北省地震局张家口中心台， 河北张家口075000



RZW-1A型数字化CO2测量仪研发及试验观测*

张晓刚1， 2)※任佳3)王江1， 2)邢杰4)符泽宇3)赵建明3)李金3)王妍3)

1) 河北省地震局， 石家庄0500212) 华北片区前兆维修中心， 石家庄0500212) 河北省地震局唐山中心台， 河北唐山0630003) 河北省地震局张家口中心台， 河北张家口075000

摘要研发了RZW-1A型数字化CO2测量仪， 在7个台站8个观测点开展了试验观测， 分析了试验观测数据。 认为具备在地震研究领域的应用前景。

关键词RZW-1A型数字化CO2测量仪； CO2； 试验观测

引言

在首都圈防震减灾示范区系统工程中， 中国地震局把数字化CO2测量仪列为正式的测量仪器， 由武汉所戚克军研制， 该仪器由于传感器封装和缺乏后续资金支持等问题停止研发。 2011年河北省地震局立项支持开发研制数字化、 智能化、 网络化的CO2测量仪器， 经过半年多的时间研制开发了第1台RZW-1A型数字化CO2测量仪， 于同年10月份在赤城地震台开始试验观测， 2012 年在河北省地震局地震科技星火计划重点项目的支持下, 逐渐生产了多套仪器并于不同观测站开展观测。

1仪器研发

1.1简要介绍

RZW-1A型数字化CO2测量仪可以对该仪器由CO2传感器、 PC主板、 电压分配模块、 不间断开关电源、 避雷模块、 显示屏、 传感器供电及通讯模块、集气装置、电瓶等组成(图2)。 主机主要由PC主板、 电压分配模块、 不间断开关电源、 避雷模块、 显示屏等构成。 传感器与传感器供电及通讯模块封装在一起， 置于集气装置中。 该仪器采用模块化设计， 便于故障识别， 易于维护， 安装架设程序简单， 2～3小时即可完成。

图1　RZW-1A型数字化CO2测量仪

表1　RZW-1A型数字化CO2测量仪主要指标

图2　RZW-1A型数字化CO2测量仪构成框图

其中CO2传感器是使用红外吸收气体检测技术与微型机械加工、 精良电路设计紧密结合制作出的小巧型红外气体传感器[1]， 具有温度补偿功能， 不依赖氧气。 PC主板选用低功耗PC104主板， 安装XP系统和自主编写的软件， 实现了对CO2数据高精度高稳定性的采集； 按照行业要求对数据包命名， 实现了CO2数据长时间存储(180天以上)； 遵循“十五”地震通讯协议， 提供3种通讯模式， 可以接入中国地震局前兆台网数据管理系统； 可以远程FTP数据下载； 可以通过远程网页进行仪器管理。

1.2仪器检测

针对仪器标定， 起草了RZW-1A型数字化CO2测量仪系统校测方法讨论稿， 购置了标定检测所需设备， 开展了现场标定试验。

2014年3月17～19日， 由专家组对RZW-1A型数字化CO2测量仪进行了综合性能测试。 内容包括仪器现场安装、 集气装置安装、 现场标定、 监测运行、 数据存储、 仪器功耗与网络服务等查验测试。 测试结果为仪器功能和指标满足CO2观测要求。

图3　数字化CO2台站分布及试验观测中心

2试验观测

2.1试验观测台站分布

RZW-1A型数字化CO2测量仪已生产8台， 分别在赤城台、 后郝窑水化观测站、 矾山台、 阳原台、 丰宁台、 北京延庆台和承德台开展了试验观测(表2)。 截止2015年12月， 赤城台、 后郝窑水化观测站、 矾山台、 丰宁台和北京延庆台已连续观测1年以上。

为了及时采集CO2观测数据， 于2013年底在曹妃甸地震台建设了数字化CO2试验观测数据中心， 数据实现了自动汇集(图3)。

2.2试验观测数据分析

8台样机的观测数据各有特征， 阳原台和承德台由于观测环境等因素造成数据每天基本不变， 其他6套仪器日变化明显(图4)。

图4a和图4b分别为后郝窑台和矾山台泉水逸出气CO2观测日变化曲线， 模拟观测取水样会对观测造成明显的干扰； 图4c为延庆五里营台泉水逸出气CO2观测日变化曲线， 从曲线中可以看出， 周期为1 h的CO2浓度变化， 其原因为与CO2并行的气汞观测每小时自动抽取气体， 造成气体浓度降低， 该曲线显示了CO2气体被抽取、 积累、 扩撒的过程； 图4d、 4e和4f为断层带逸出气观测日变化曲线， 断层带逸出气观测没有明显的干扰和变化规律， 会出现某一天变化比较小， 也会出现图中的突然变化。

由图5可以看出， 虽然实验观测过程中数据有中断现象， 但是， CO2断层带逸出气和泉水逸出气均呈现出有规律的年变化。 除赤城台外， 其他台站CO2逸出气浓度均为夏高冬低。 年动态曲线的规律性一定程度上反映了RZW-1A型数字化CO2测量仪观测的稳定性。

3CO2试验观测数据对比

对试验数据进行了初步分析。 经分析， 首次在断层逸出气和地下水溶解气中， 观测到了CO2日变曲线和年变曲线； 首次在地下水溶解气中， 观测到了CO2与水位和气氡的的同步变化(图6)。

表2　RZW-1A型数字化CO2测量仪试验观测台站信息

图4　CO2断层带逸出气和泉水逸出气日变化曲线

图5CO2断层带逸出气和泉水逸出气观测年变化曲线

图6后郝窑台CO2泉水逸出气浓度与溶解气氡、 动水位的对比曲线

溶解气氡的观测为人工取样观测与水位即流量无关， 则与该泉含水层系统的水量交换有关[6]。 通过对上图数据的一致性分析， 认为由于CO2泉水逸出气观测与水位和该泉含水层系统的水量交换有关。

CO2泉水逸出气来源较为单一， 通过一段时间的对比观测可以得出一定的规律； 但是断层带逸出气来源较为复杂， 需要通过较长时间的连续观测来分析、 总结。

4小结及展望

RZW-1A型数字化CO2测量仪具备低成本、 低功耗、 测量方便、 安装架设程序简单， 观测结果稳定、 可靠。

RZW-1A型数字化CO2测量仪仍需优化完善， 拟增加地温辅助观测， 实现传感器与数据采集器的物理分离， 采用无线传输达到1 km距离数据传输以及多传感器配置于同一台数据采集器中的功能。

完善后的数字化CO2测量仪可以在地震监测预报、 流动观测、 台阵架设、 地震烈度考察、 断层活动性评价和工程抗震区划等方面应用。

参 考 文 献

[1] 任佳， 张晓刚， 王长江， 等. 数字化二氧化碳观测仪的研制和观测. 地震研究， 2013， 36(4): 536-539

[2] 鱼金子， 车用太， 刘五洲. 地壳中的CO2及其释放与地震短临预测. 国际地震动态， 1998(8): 8-12

[3] 林元武， 刘五洲， 王基华， 等. 张北—尚义地震现场CO2测量与震后趋势判断. 地震地质， 1998， 20(2): 117-121

[4] 车用太， 鱼金子， 刘五洲. 地壳放气动态监测与张北—尚义MS6.2级地震预报. 地质论评， 1999， 45(1): 59-65

[5] 汪成民， 李宣瑚. 我国断层气测量在地震科学研究中的应用现状. 中国地震， 1991， 7(2): 19-30

[6] 张晓刚， 任佳， 冯振玮， 等. 怀4井数字化溶解气CO2观测资料分析. 华北地震科学， 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)，Fu 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。

中图分类号：P315.62；

文献标识码：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.05.009

※通讯作者： 张晓刚， e-mail: zxg@eq-he.ac.cn。断层带逸出气与井(泉)水逸出气中的CO2浓度进行连续、 稳定、 长期观测(图1和表1)。