地震地球化學(xué)離子、氣體成分等其它測項觀測現(xiàn)狀

樊春燕 陳華靜 陳其峰 錢建秀

地震地球化學(xué)離子、氣體成分等其它測項觀測現(xiàn)狀

樊春燕1）陳華靜1）陳其峰2）錢建秀3）

1）中國地震臺網(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項目是地震地下流體觀測網(wǎng)的重要組成部分，在地震監(jiān)測預(yù)報工作中發(fā)揮了重要作用。本文對觀測項目的規(guī)模、觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)預(yù)報應(yīng)用3方面進(jìn)行分析，梳理了地球化學(xué)離子、氣體成分等觀測項目的背景變化規(guī)律；指出近年來觀測規(guī)模急劇縮小、觀測數(shù)據(jù)評價體系不完善、臺網(wǎng)管理缺失嚴(yán)重等現(xiàn)狀；并提出需清理觀測項目、完善儀器更新機制、加強臺網(wǎng)管理和建立人員培訓(xùn)機制等建議。

離子 氣體 地球化學(xué)

引言

根據(jù)觀測項目的不同，地下流體監(jiān)測網(wǎng)可劃分為地下水動態(tài)觀測網(wǎng)、地?zé)嵊^測網(wǎng)和地球化學(xué)觀測網(wǎng)。其中，地球化學(xué)觀測網(wǎng)包括氡、汞、離子、氣體成分等其它化學(xué)測項。隨著數(shù)字化觀測技術(shù)的發(fā)展，氡、汞監(jiān)測臺站增多，已經(jīng)成網(wǎng)觀測，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)觀測項目卻受限于觀測技術(shù)與觀測方法的發(fā)展水平，不增反減。

截至2017年底，中國已經(jīng)建成包含40多類觀測項目、1400余個測點的地下流體觀測網(wǎng)，其中地球化學(xué)離子、氣體成分等其它觀測項目多達(dá)190項，約占整個流體觀測網(wǎng)的15%。雖然觀測項目的測點少，但其映震能力卻不可低估，特別是對測點周邊及鄰近區(qū)域地震的映震能力（高文學(xué)等，2000）。近年來，地球化學(xué)的流動觀測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）。對于固定觀測臺網(wǎng)的地球化學(xué)離子、氣體成分等其它測項，多是在震后進(jìn)行反思研究（高小其等，2002；林國元等，2015），并沒有對其整體觀測現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)的分析。相比流動觀測，固定觀測的規(guī)模逐年縮小、觀測儀器老化嚴(yán)重、觀測數(shù)據(jù)應(yīng)用效能較低，因此亟待對其問題進(jìn)行梳理并加強建設(shè)。

本文從地震地球化學(xué)離子、氣體成分等其它觀測項目的規(guī)模、觀測儀器、觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量以及預(yù)報應(yīng)用幾方面梳理觀測現(xiàn)狀及存在的問題，為優(yōu)化觀測臺網(wǎng)、提升觀測質(zhì)量以及增強地震監(jiān)測預(yù)報應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 觀測規(guī)模

地震地球化學(xué)離子、氣體成分等其它觀測項目種類較多，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（中國地震局，2011）。地球化學(xué)離子、氣體成分等其它觀測項目由82個監(jiān)測點組成，分屬18個省、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）。

對于離子組分的觀測，需要由臺站人員每天定時采樣后在觀測室進(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）及時準(zhǔn)確地測定出某一瞬間地下水中離子的含量，并將得出的觀測值手動錄入數(shù)據(jù)庫。目前，觀測項目有鈣離子、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。

對于氣體成分的觀測，需要由臺站人員每天定時采樣后送觀測室，利用色譜等儀器分析（儀器分析法）得出測值并手動入庫。氣體成分觀測（以下簡稱“氣體觀測”）項目有氫氣濃度、氦濃度（由于氦氣觀測包含數(shù)字化采樣和人工觀測，且數(shù)量較少，本文的氦濃度包含所有采樣率的觀測）、二氧化碳（根據(jù)觀測儀器不同，采樣率分為日和分鐘，本文包含所有采樣率的觀測）、氣體量、氮氣濃度、甲烷濃度、氬氣濃度、氧氣濃度。

對于電導(dǎo)率、pH值和硬度，同樣需要人工采樣后在觀測室完成。

圖1 地震地球化學(xué)離子、氣體成分等其它測項分布

1.1 觀測分布

截至2017年底，共有262個測點開展了地球化學(xué)離子、氣體成分等其它項目觀測（含已停測項目），其中觀測項目最多的為四川省（53個觀測項目），詳細(xì)觀測情況見表1。

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

經(jīng)統(tǒng)計，2013—2017年17個臺站的36個測項停測，其中27個測項是由于泉水?dāng)嗔骰蛉狱c被破壞，觀測時間超過10年的觀測項目有24個。由于觀測環(huán)境遭破壞以及觀測儀器老化等原因，262個觀測項目中已經(jīng)有72項停測，給數(shù)據(jù)應(yīng)用帶來不利影響。

1.2 觀測儀器

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

離子組分觀測使用的觀測儀器包括滴定管、離子色譜儀和水質(zhì)觀測儀，最早啟用于1980年（表2）。氣體觀測廣泛使用的是氣相色譜儀，在實驗室內(nèi)測試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、氣體成分等其它測項觀測儀器一覽表

續(xù)表

2 觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量

2.1 質(zhì)量控制

目前，沒有單獨針對地震地球化學(xué)離子、氣體成分等其它測項的質(zhì)量評價辦法，只在地下流體觀測臺站綜合評比時，對觀測項目的連續(xù)率和動態(tài)特征進(jìn)行評價。

對于應(yīng)用于地震監(jiān)測預(yù)報的臺站，其數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)秀的基本標(biāo)準(zhǔn)是觀測數(shù)據(jù)能真實反映觀測的物理量、動態(tài)背景清晰、數(shù)據(jù)連續(xù)可靠。由于沒有獨立的評價體系，只能通過連續(xù)率推測觀測數(shù)據(jù)是否連續(xù)。對190個觀測點2017年的數(shù)據(jù)連續(xù)率進(jìn)行評價，90%以上的觀測點其數(shù)據(jù)連續(xù)率可達(dá)95%以上。

2.2 背景動態(tài)特征

對262個觀測點（含已停測點）進(jìn)行多年動態(tài)梳理，其中73個觀測點有年變特征，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和姑咱臺為例，氣體總量以聊城臺和水磨溝為例）。189個測點的地震地球化學(xué)氣體、離子觀測沒有顯著的年變化背景動態(tài)特征，其中一部分表現(xiàn)為多年動態(tài)無明顯變化，另一部分雖起伏較大，但無規(guī)律可循。

圖2 氯離子、氣體總量觀測動態(tài)示例（一）

圖2 氯離子、氣體總量觀測動態(tài)示例（二）

地震地球化學(xué)離子、氣體成分等其它觀測項目的觀測密度低，同一觀測項目在不同觀測點的測值變化較大。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）。

對各離子觀測點多年均值進(jìn)行統(tǒng)計（統(tǒng)計時間從建站產(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，針對觀測數(shù)目大于5個的8類離子，對其觀測濃度多年均值進(jìn)行統(tǒng)計分析（圖3）。由圖可見對于氟離子和硝酸根離子，均為低濃度測點；對于碳酸根離子和碳酸氫根離子，高濃度測點較多，對于鈣離子、鎂離子和氯離子，低濃度測點較多。

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

對各氣體成分等其它觀測項目多年均值進(jìn)行統(tǒng)計（統(tǒng)計時間從建站產(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，針對觀測數(shù)目大于5個的9類氣體，對其觀測濃度進(jìn)行多年均值統(tǒng)計分析（圖4，考慮到結(jié)果的科學(xué)和可靠性，僅對利用色譜儀計算的二氧化碳濃度的多年均值進(jìn)行統(tǒng)計）。由圖可見對于溶解氣氫氣、溶解氣氦氣、逸出氣氦氣，低濃度的測點較多；對于土壤氣二氧化碳、溶解氣氧氣，中間濃度的測點較多；對于溶解氣氣體總量、溶解氣氮氣，高濃度的測點較多。

圖4 地震地球化學(xué)氣體觀測項目多年均值統(tǒng)計

3 地震預(yù)報應(yīng)用

目前，地球化學(xué)離子、氣體成分等其它項目觀測的異常主要用于發(fā)震時間的預(yù)測，一般認(rèn)為各類離子動態(tài)在震前幾十天至幾個月的時間尺度上可以表現(xiàn)出一定的趨勢性異常，而各類氣體成分觀測異常多發(fā)生在震前幾天至幾十天，異常多，信噪比高，易于識別（中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2007）。總體說來，離子、氣體成分等其它測項的異常表現(xiàn)基本為短臨異常變化，對于其變化機理與地震的關(guān)系，目前還未有系統(tǒng)的解釋。

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

對1966—2012年已出版的中國震例（張肇誠等，1988a，1988b，1990；車時等，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，其中150次地震前的流體觀測出現(xiàn)異常，40次地震前出現(xiàn)了離子觀測異常，26次地震前出現(xiàn)了氣體觀測異常（表3）。據(jù)統(tǒng)計，離子的異常表現(xiàn)多為高值或者低值異常，一般在轉(zhuǎn)折或回升過程中發(fā)震，氣體成分觀測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、氣體成分等其它測項異常統(tǒng)計表（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、氣體成分等其它測項的觀測規(guī)模較小，但相關(guān)測項卻存在相當(dāng)比例的震前異常，在地震預(yù)報中發(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項目的觀測歷史悠久、觀測種類多樣。近年來，由于觀測環(huán)境遭破壞、觀測儀器老化、觀測技術(shù)人員短缺等原因，觀測規(guī)模大幅縮小。本文對觀測項目的規(guī)模、觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量和預(yù)報應(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）增加測點并優(yōu)化已有觀測項目。截至2017年底，開展地球化學(xué)離子、氣體觀測的站點有190個，觀測密度低（0.2個/104km2），為保證觀測效能，急需在主要斷裂帶增大布設(shè)密度。目前，開展觀測的地震地球化學(xué)離子、氣體成分等其它觀測項目多達(dá)33種，需要根據(jù)本地區(qū)震情背景、觀測環(huán)境、觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量、觀測設(shè)備以及歷史映震效能等方面進(jìn)行評估，優(yōu)化已有的觀測項目。

（2）完善儀器更新與備機備件調(diào)配機制。不少臺站的觀測儀器已運行30多年，儀器老化嚴(yán)重、故障頻發(fā)，尤其是不少觀測儀器已經(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；氣體觀測需要定時購置各種標(biāo)準(zhǔn)氣體、更換色譜柱等。對于常用的耗材，應(yīng)當(dāng)完善更新與調(diào)配機制，及時進(jìn)行補充完善，保障觀測的正常進(jìn)行。

（3）加強臺網(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項目基本為人工觀測，需要對觀測結(jié)果手動入庫，個別臺站存在錄入錯誤的問題，部分臺站更換儀器后未及時對信息進(jìn)行更新，尤其是20世紀(jì)60年代初開展的一部分歷史觀測數(shù)據(jù)還未錄入數(shù)據(jù)庫，因此急需對基礎(chǔ)信息（包含觀測儀器、觀測方式、觀測日志等）加強管理，對上述信息進(jìn)行完善以及動態(tài)跟蹤，保障數(shù)據(jù)的可用。目前，對于觀測數(shù)據(jù)沒有獨立的數(shù)據(jù)質(zhì)量評價辦法，只有在年度評比時從資料的完備性、數(shù)據(jù)連續(xù)性2方面進(jìn)行評價。應(yīng)當(dāng)參考其它相關(guān)行業(yè)的質(zhì)量評價辦法，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、氣體觀測要求操作員具有一定的化學(xué)基礎(chǔ)知識以及實驗室操作技能，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前有分析化學(xué)專業(yè)背景的觀測人員所占比例不足10%，觀測人員的觀測技術(shù)大多通過經(jīng)驗豐富的觀測員傳幫帶得來，在對觀測方法的理解以及觀測技術(shù)的掌握上存在很大不足。建立常態(tài)化人員培訓(xùn)制度，保證各項操作的規(guī)范，才能保障觀測結(jié)果的科學(xué)可靠。

致謝：本文得到了劉春國老師的指導(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、氣體成分等其它測項觀測現(xiàn)狀．震災(zāi)防御技術(shù)，14（2）：438—445．