蚌埠地震臺土壤氣Rn和C02地球化學特征分析

肖攀 汪世仙 李露露 潘潔 張偉峰

摘? 要：該文簡要介紹了蚌埠地震臺土壤氣定點觀測點的基本情況和測量方法。在直觀分析土壤氣氡及二氧化碳的變化特征的基礎上，運用使用逐步回歸方法對氣象因素與土壤氣氡的相關程度進行驗證。結果表明：蚌埠臺土壤氡主要是受到氣溫的影響，土壤氡濃度與氣溫成正相關，與氣壓成負相關，且氣溫對氣氡濃度的影響明顯高于氣壓和濕度。

關鍵詞：地球化學? 土壤氣氡? 土壤氣CO2

Abstract： This paper briefly introduces the basic situation and measurement methods of fixed-point observation points of soil gas at Bengbu Seismic Station. Based on the intuitive analysis of the variation characteristics of radon and carbon dioxide in soil， Stepwise regression method was used to verify the correlation between meteorological factors and soil radon. The results show that soil radon in Bengbu platform is mainly affected by air temperature. The concentration of radon in soil is positively correlated with air temperature and negatively correlated with air pressure， and the influence of air temperature on radon concentration is obviously higher than that of air pressure and humidity.

該文選用蚌埠臺土壤氣為研究對象，分析土壤氣氡和二氧化碳的化學特征，采用逐步回歸方法方法來確定主要的干擾因素，為該地區數據資料分析以及蚌埠地區短臨跟蹤工作提供參考依據。

1? 觀測方法

1.1 土壤氣觀測點基本情況

蚌埠地震臺站址位于中朝準地臺。站北約3km處、站西約11km處分別展布著早第四紀活動的近東西向的蚌埠斷裂和北北東向的固鎮-懷遠斷裂。站址東約55km為郯廬斷裂帶。臺址巖性為花崗巖，揭露地層為亞粘土（見圖1）。

1.2 觀測裝置

蚌埠臺土壤氣氡觀測使用的測量儀器為德國產ALPHAGUARD P2000測氡儀，該儀器具有寬量程（2～2000000Bq/m3）;可連續工作，（測試周期為60min，10min或者1min）等特性;氣壓、氣溫、相對濕度由P2000自帶傳感器產出。

CO2觀測，我們使用簡便易行、成本低廉且結果可靠的CO2含量快速測定法[4]。

1.3 測量方法

（1）觀測井孔深度。參考申超等人的實驗結論[5]（見圖2），分別可知各種土壤的飽和濃度，根據其飽和濃度，可確定最佳取樣深度。此次實驗土壤層為亞粘土，最終成井深度為1.8m。

（2）觀測井孔情況。觀測孔深1.8m，直徑10cm，長約220cm的PVC管置于洞中心，地面出露約40cm。觀測孔布設CO2和Rn兩個集氣層，集氣層由集氣管與礫石層組成（見圖3）。為便于氣體富集，回填的底層鋪設40cm厚，直徑約5～8cm的鵝卵石。在集氣層上部鋪設了雙層塑料厚膜密封，并用粘土夯實，防止地面水滲入。

（3）測量時間間隔。測量時間可在儀器上直接設定，根據觀測點Rn濃度的含量，可設定觀測時間間隔1min、10min等。該實驗使用的觀測儀器測量時間間隔為10min，抽氣速率0.5L/min。二氧化碳觀測采用24h的測量周期。

（4）數據采集。將PVC管口用橡膠塞密封，用導管將氣體導入氣體測量儀器;由于采樣間隔為10min，每小時產生6個數據，對產生的6個數據做算術平均值，計為Rn整點值。CO2含量快速測定管，通過讀取刻度，計為CO2的日均值。

2? 資料分析與處理

2.1 土壤氣氡背景值分析

在進行正式觀測前，我們進行了3d的背景值觀測實驗，測量結果顯示（見圖4），該實驗背景值應為10.99kBq/m3。

2.2 土壤氣氡的潮汐分析

為了定量分析土壤氣氡觀測資料中的日潮、半日潮、三分之一潮，我們采用FFT方法，對蚌埠臺土壤氣氡2018年9月4日至2018年10月19日的整點值進行頻譜分析，結果見圖5。結果表明，該數據中含有的[0.038-0.045]（1/h）頻率成分為優勢頻率，也說明蚌埠臺土壤氣氡的周期長度為22.22～26.32h，即該儀器紀錄到清晰的日變形態，也真實反映地下流體中氣氡的動態變化過程。

2.3 土壤氣Rn與CO2相關性

由圖6可以看出，土壤氣Rn和CO2的濃度曲線具有明顯的同步性，對該觀測時段內，土壤氣Rn和CO2的濃度平均值進行相關性分析，其相關系數為0.83，這與目前關于土壤氣的研究結果基本一致，即土壤氣Rn與CO2的濃度具有一定的正相關性，這也進一步證實CO2對氡氣具有載氣作用[6]。

3? 土壤氣Rn特征分析

3.1 Rn濃度與氣溫、氣壓、濕度的相關性分析

為了進一步對比土壤氣Rn濃度與氣溫、氣壓、濕度的日變化特征，我們選取9月4日至10月19日受降雨干擾較小的時段，對Rn濃度與氣溫、氣壓、濕度的觀測數據進行對比分析。

蚌埠臺土壤氡濃度在一天之中有較大的起伏，日變化從形態上來說是單峰型。10時開始上升，14時達到峰值，然后下降，在19時左右降至最低。從圖7可以看出，無論氣溫是在上升或者下降過程中，氡氣濃度與氣溫的測值出現較為同步的變化，曲線形態較為一致。通常，氣體在土壤中具有由低溫向高溫的方向遷移的規律，所以氣溫升高時，地下氣體容易逸出地面，從而造成土壤氣濃度的增高[6]。

由于土壤氣氡容易受到氣溫、氣壓、濕度等環境因素的影響，該文在直觀分析的基礎上運用逐步回歸方法，以相關系數為衡量依據，確定相關程度。具體結果見表1、表2。

由表1可知，通過逐步回歸分析得出，土壤Rn濃度的影響因素為氣溫、氣壓，且氣氡與氣溫成正相關變化關系、與氣壓成負相關變化關系。但蚌埠臺土壤氣氡的主要影響因素為氣溫。

3.2 氣溫氣壓短期相關性分析

計算氣氡濃度的整點值與之前24個不同整點的氣溫、氣壓整點值做相關性分析，得到土壤Rn與氣溫、氣壓逐時相關分析圖，通過圖8可以看出，從短時間上來看，氣溫的逐時影響明顯強于氣壓。

4? 土壤氣CO2特征分析

溫度、氣壓對蚌埠臺土壤氣CO2的影響分析如下。

對氣溫、氣壓數據與土壤氣CO2含量觀測數據進行分析，得到：氣溫與CO2濃度變化基本呈正相關的關系，且相關系數達到0.82。氣壓與CO2濃度變化有較好的相關性，具體表現為負相關，即氣壓低CO2含量高，氣壓高CO2低。

5? 分析與討論

該文通過對蚌埠地震臺土壤氣Rn和CO2濃度及氣溫、濕度、氣壓等氣象因素分析，得到如下結論。

（1）蚌埠臺土壤氣Rn和CO2的濃度變化范圍分別為（0.1～21.5）kBq/m3，（1.0～16.4）ng/m3。

（2）蚌埠臺Rn和CO2的濃度曲線在形態上強相關，可能是Rn和CO2在氣體的來源深度和運移機制上有一定聯系，這也進一步證實CO2對氡氣具有載氣作用。通過對蚌埠地震臺土壤氣氡數據的振幅譜進行分析，蚌埠臺土壤氡濃度的變化具有一定的潮汐特征。

（3）蚌埠地震臺土壤氡濃度多呈明顯的單峰型日變化特征，最大值出現在14時左右。

（4）用逐步回歸方法對土壤氣氡濃度、CO2濃度與氣溫、氣壓、濕度的相關性進行分析，認為蚌埠臺土壤氡主要是受到氣溫的影響，土壤氡濃度與氣溫成正相關，與氣壓成負相關，且氣溫對氣氡濃度的影響明顯高于氣壓和濕度;土壤氣CO2濃度變化與溫度呈正相關，與氣壓呈負相關。

參考文獻

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