承德地震臺二氧化碳資料相關性分析

袁國旭　李萬里　任俊峰

摘 要：2014年10月承德地震臺安裝了二氧化碳觀測儀器，本文分析了RZW-1A型二氧化碳測量儀和利用快速測定管觀測資料的相關性，分析的結果為相關性較好。

關鍵詞：二氧化碳；資料分析；相關性

承德地震臺位于河北省承德市殊像寺楊樹溝村，地理坐標為東經117°55′04″，北緯41°00′59″，海拔高程402m。所處為陰山斷隆的中部，南與中生代承德盆地相鄰，北靠燕窩鋪——周臺子背斜。臺站為太古界深變質片麻巖所覆蓋。北有NE走向的中更新世晚期活動的雙塔山——雙峰寺斷裂，南有北東走向的東河套——紅石砬第四紀活動斷裂，東有控制武烈河流向近南北走向的武烈河第四紀活動斷裂。2014年10月份，我臺安裝唐山中心臺研制的RZW-1A型二氧化碳測量儀，并于2015年11月1日正式產出數據，同時開展了模擬快速測定管測量二氧化碳的觀測，為開展數字和模擬二氧化碳觀測資料的對比分析提供了基礎。

作為一個新的觀測儀器和觀測手段，在并入河北省地震局前兆數據管理系統前進行實驗觀測和對比觀測十分重要，實驗觀測于2011年度開始分別在赤城地震臺、后郝窯水化觀測站、豐寧地震臺、陡河地震臺、臨汾地震臺、承德地震臺、寬城地震臺進行了試驗觀測，在承德臺開展RZW-1A型二氧化碳測量儀的同時，開展了快速測定管觀測二氧化碳的觀測， 均取得了可喜的觀測效果，現正在逐步認識不同觀測環境下，觀測資料的變化規律。

1 儀器工作原理

RZW-1A型二氧化碳測量儀和二氧化碳快速測定管測定物理量為氣體中二氧化碳的濃度，區別是RZW-1A型二氧化碳測量儀測量的是氣體中二氧化碳的濃度瞬時值，二氧化碳快速測定管測定物理量為氣體中二氧化碳的濃度累積值。

1.1 RZW-1A型數字化二氧化碳測量儀測量原理：

RZW-1A型數字化二氧化碳測量儀采用紅外光譜吸收原理（NDIR）：二氧化碳的紅外吸收光譜在波數為2342cm-1處有強吸收峰。其吸收關系服從朗伯-比爾（Lambert-Beer）吸收定律，一般情況下的關系式為：

I=I0exp（εLC） 1）

式1）中，I為出射光強度，I0為入射光強度，ε為摩爾吸光系數，C為待測氣體體積分數，L為光和氣體的作用長度（光路長度）。對上式進行變換得：

C=ln（I0 / I） 2）

在式2）中，當摩爾吸光系數一定時，通過檢測二氧化碳出射光強度，即可計算得到待測的二氧化碳體積分數。

不同氣體分子結構不同，其吸收峰位置也不同。在二氧化碳觀測中，利用波數為2342cm-1 的紅外線作為光源檢測二氧化碳體積分數，不易受到其他氣體分子濃度的影響，能夠得到較為穩定的觀測值。

1.2 二氧化碳快速測定管測定原理

用于地震監測的二氧化碳氣體檢測管由中國地震局地質研究所研制，其原理是在一個固定有限長度內徑的玻璃管內，裝填一定量的檢測劑（即化學指示粉），用塞料加以固定，再將玻璃管的兩端密封加工而成。檢測劑是將某些能與待測物質發生化學反應并可以改變顏色的化學試劑附在固體載體顆粒表面上的一種物質，化學試劑的選擇和它在載體上的化學濃度比決定了檢測管的物質成分和量程范圍。檢測管的心臟是裝在玻璃管中的指示粉。檢測空氣中的有害氣體，就是根據通過該管的被測樣品與管內指示粉進行反應時，釋出有色反應物，形成“著色層”而進行的。指示粉一般由載體和化學試劑組成。把化學試劑涂覆在載體的表面上，讓盡可能少的試劑形成最大可能接觸的面積，以便得到具有很大通過表面能力的指示粉。應當選擇那些在迅速與待測氣體起化學作用時，能生成明顯顏色的反應產物薄膜，并使原來的指示粉改變顏色的試劑。

檢測管的檢測是一種線性的比色方法，除嚴格控制制管技術（包括管徑、管長和適合密度等）外，還要求指示粉與待測氣體進行反應要快，靈敏度要高，顏色變化要明顯，并且反應物不能是揮發性的，重現性要好，長期保存（有效期內）性能不變。

在使用檢測管時，要將管子下端割斷（注意箭頭方向），讓含有被測物質的氣體勻速地定量地通過管子，被測物質與檢測試劑發生化學反應后，部分檢測劑將被染色，其染色長度與被測物質濃度成正比，觀測檢測管上已印制好的刻度即可得知被測氣體的濃度。

2 資料選取

本文選取的資料為2014年11月18日到2015年7月18日兩種觀測手段的日值數據，經過缺值處理和插值處理后的原始數據如下所示：

3 相關性分析

數據的相關性分析是指對兩個或多個可能具備相關性的變量進行分析，從而衡量兩個變量因素的相關密切程度。一般用r表示相關系數，r的取值范圍為-1到1之間，正的表示正相關，負的表示負相關，8<|r|>=1表示高度相關。相關系數r計算公式為：

（下轉第37頁）（上接第30頁）

資料選用2015年1月1日至2015年6月30日資料進行相關系數計算：RZW型二氧化碳測量儀的觀測數據與二氧化碳快速測定管的數據的相關系數為：0.8299。由于RZW-1A型二氧化碳測量儀測量的瞬時的二氧化碳的濃度而二氧化碳快速測定管測定的是一天的二氧化碳的累計量，盡管如此二者的相關系數還達到了0.8299，即二者相關性很好。

4 結論

通過對承德臺RZW型二氧化碳測量儀的觀測數據與二氧化碳快速測定管的資料的對比分析結論如下：

4.1 曲線形態

承德臺數字和模擬二氧化碳觀測曲線形態基本一致，都呈現了數據先升高再下降的形態，由于RZW-1A型二氧化碳測量儀測量的瞬時的二氧化碳的濃度而二氧化碳快速測定管測定的是一天的二氧化碳的累計量，所以數字二氧化碳的變化幅度更大一些。

4.2 觀測資料的均方差

二氧化碳快速測定管均方差計算結果：3.4058。

RZW型二氧化碳測量儀均方差計算結果：152.686。

由于二氧化碳快速測定管的位為3位數值，RZW型二氧化碳測量儀的有效數位為5位，但從絕對值比：RZW型二氧化碳測量儀的觀測數據的均方差比二氧化碳快速測定管的數據要小一倍多。

4.3 相關分析結果

由于RZW-1A型二氧化碳測量儀測量的瞬時的二氧化碳的濃度而二氧化碳快速測定管測定的是一天的二氧化碳的累計量，盡管如此二者的相關系數還達到了0.8299，即二者相關性很好。

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