江苏宿迁台断层气CO2浓度特征及影响因素分析.pdf

选用江苏宿迁台 2021 年 4 月 1 日至 11 月 26 日观测数据，分析断层气CO2浓度与地质构造、土壤覆盖层及气象等因素的关系。研究结果显示：宿迁台断层气CO2测点位置优良，高值出现在每年的 10、11 月，低值出现在每年的 1、2 月，7 月的观测值有轻微下降趋势，811 月的观测值有上升趋势；断层气CO2浓度变化主要受气压和降雨量影响，与气压呈正相关性，具有较好的同步性，与降水关系密切，由于降水会阻碍地下气体的运移和释放，从而影响观测数据的稳定性，出现突跳或台阶，导致测值不能真正反映测点CO2的释放情况。通过对干扰因素及特征的研究，丰富了断层气观测手段，为研究宿迁市及郯庐断裂带中段的断裂活动与断层气关系积累资料。关键词：断层气；CO2；地震监测；影响因素；宿迁台中图分类号：P315 724 文献标识码：B 文章编号：1001-8115（2023）02-0018-05DOI：10 13716 j cnki 1001-8115 2023 02 003收稿日期：2022-06-07；修回日期：2022-07-07项目基金：江苏省宿迁市科研项目（S201509）资助作者简介：孙煜杰（1993-），男，山东烟台人，助理工程师，主要从事地震监测工作 E-mail：553834335 qq comCO2气体的扩散和迁移能力较强，当地壳存在一定的温度差、压力差的时候，能自下而上运移（石亮星等，2021）。自二十世纪八九十年代以来，国内外地震学者为了实现数字化断层气 CO2的观测，曾探索了不同类型的测定断层气 CO2的方法，从 1988 年起，林元武等（1998）试验研究了断层气 CO2测定新方法CO2快速测定法，这种新方法先是被应用于隐伏断裂和地裂缝的定位及断层活动性的研究，自 1991 年起投入到地震前兆信息的试验观测中，成功预报了包括张北 MS6 2 地震在内的多次中强以上地震，获得了较好的效果。上官志冠等（1993）在四川康定和云南等地开展温泉 CO2总量和 CO2同位素的观测和研究工作，应用于地震前兆监测，并取得了一定成效。邵济安等（2010）将 CO2浓度的异常变化与断层背景研究相结合，指出气体地球化学方法在地震科研中应用广泛，是一项具有广阔前景的地震监测方法。从国内研究现状可以看出，在宿迁台开展断层气 CO2观测可以解决 3 类问题：（1）解决宿迁台前兆观测手段少的问题；（2）通过地壳内部 CO2气体的运移情况，确定区域断层气 CO2的浓度特征及成因机理等；（3）能为下一步进行宿迁区域断层气定点连续观测打下基础。目前，对宿迁台观测资料影响因素方面的研究比较少的情况下，本研究选取 2021 年 4 月 1 日至 11 月 26 日观测数据，对宿迁台断层气 CO2观测现状、测点地质背景及近一年来观测资料影响因素进行初步分析，以期该项观测技术在今后地震前兆监测预报中发挥一定的作用。宿迁台断层气 CO2测点概况断层气 CO2测定要求观测点选在断裂带上，且具有良好的气体逸出通道（张荣杉等，2017）。依据地质图及有关地质资料提供的郯庐断裂带宿迁段的位置，宿迁台于 2018 年实地布设垂直于断层破裂面走向的测线，用 FD216 型环境氡测量仪沿测线寻找气体逸出敏感点（葛鸣等，2014），通过对 Rn 数据的分析结果认为本测点是断层气 CO2的理想观测点。选定的 CO2测点位于郯庐断裂带中段，此地断裂走向为 5 10，倾向 NW，倾角为 60 80，第四纪覆盖层仅为 0 11 0 m，为白垩纪王氏组底部的紫红色砂砾岩，基岩出露较好（张荣杉等，2017）。宿迁台断层气 CO2观测点于 2021 年 1 月 1 日起正式投入观测。192023 年 6 月孙煜杰，等：江苏宿迁台断层气CO2浓度特征及影响因素分析2 宿迁台断层气 CO2资料宿迁台断层气 CO2观测点建于断层上（图 1a），上覆盖层厚 4 m，观测孔深 2 2 m，孔内放置一根直径50 mm、长 3 2 m 的 PVC 管，管底连接 0 7 m 高的 PVC 集气筒，PVC 管露出地表 1 4 m，管口用导气软管与观测仪器相连，并保持密封严实。为利于气体流通，透气孔周围由砂砾岩回填（图1b）。观测采用泵吸式脱气-集气的 ATG-C600 二氧化碳在线监测仪进行观测；该监测仪主要用于大气或气井中 CO2的测定，采用高效的预处理单元（保证高湿度环境下测量的准确性），高灵敏度，响应时间小于 10 s，误差范围为 2 FS，测量范围为 0 60，能够对现场的相关样品进行全自动分析测定，具有自动零点校准以及在线气体预处理功能，也可通过网络远程提取、处理和分析数据以及整点采样、自动测试。该仪器每日产出 24 个时值，其浓度单位为 ppm。图 1 宿迁台断层气 CO2观测点及周边断裂分布（a）及集气装置（b）示意图图 2 是宿迁台 2021 年断层气 CO2浓度的整时值观测曲线。由于 11 月 26 日仪器的导气管脱落，仪器采到错误数据，故 11 月 26 日之后的数据不作参考（图 2b）；3 月 22 日台站人员进行仪器主机更新，因处理软件问题导致观测值相差 106倍，这种系统偏差，不影响 CO2前兆异常信息的捕捉；411 月观测资料整时值出现的低值突跳主要是由于水珠堵塞导气管所致，当气路通畅后，CO2浓度值也会很快恢复。从图2可以看出，宿迁台测点的断层气 CO2浓度年变形态清晰可辨，高低值之间是渐变关系，测值高低值间的变化较为平缓。这一结果符合林元武等（1998）用 CO2快速测定法观测多年得出的结论，说明测点选择较为合适，观测方法符合要求，观测资料可靠。宿迁台断层气 CO2浓度变化最高值出现在每年的 10、11 月，最低值出现在每年的12月，高低值之间存在稳定的渐变关系，7月的观测值有轻微下降趋势，811月的观测值有上升趋势。全年正常测值为 0 543 13 ppm，平均值为 2 20 ppm 左右，冬季测值在 1 10 ppm 左右，而低值时段测值不到 0 15 ppm。由图 3 可看出，断层气 CO2浓度正常日均值动态曲线呈漏斗型，16 时左右测值最低，0 时左右测值最高，每日变化是规则的变化。自投入观测以来，该点断层气 CO2浓度测值无明显异常显示，映震效能有待进一步的验证。3 宿迁台断层气 CO2观测数据影响因素无论是前人在实验室对 CO2进行的数值模拟还是断层气台站实际测量结果均表明断层气 CO2浓度受到构造因素（包括地质构造特征和上覆土壤覆盖层类型）和非构造因素（包括气象等因素）的影响，故本文主要从地质构造、土壤覆盖层和气象 3 方面分析其对宿迁台断层气 CO2浓度的影响。31 地质构造及土壤覆盖层影响202023 年第 2 期四 川 地 震地质构造方面对宿迁台断层气 CO2浓度的影响主要为郯庐断裂带的影响，断裂带的开启与闭合、存在形式、宽度、活动性及断层面裂隙发育情况等均会造成 CO2浓度异常（张荣杉等，2017）。由于郯庐断裂带是一条带走滑分量的逆冲断层，且宿迁台位于郯庐断裂带上盘，是张性小裂隙大量产生的地区，为断层气 CO2逸出提供了通道，属于断层气 CO2逸出的有利位置，为监测 CO2浓度变化创造了有利条件（King et al，2006）。土壤覆盖层对宿迁台断层气 CO2浓度的影响主要表现在土壤厚度、湿度，土层颗粒的粒度、孔隙度以及下伏母岩岩性特征（包括取气孔的深度）等方面。一般认为，土壤覆盖层的厚度对断层气CO2的释放有抑制作用，即随土壤厚度的增加，CO2释放量会逐渐减弱，当土壤厚度一定时，CO2浓度值还与土壤孔隙度、颗粒大小等有关，颗粒越小，可供断层气 CO2气体逸出的通道就越少，CO2浓度值越高。宿迁台上覆土壤覆盖层浅（仅为 0 51 5 m），CO2释放量充足；且台站岩性种类为砂砾岩、砂岩，岩石土壤颗粒细小，为断层气监测创建了高 CO2浓度的环境，故有利于监测断层气 CO2的活动。32 气象因素影响气象因素主要包括气温、气压、降水量及取样孔周围地温的变化。这些因素使得断层气 CO2浓度变化呈现出规律的年变趋势和不规律的突变，不同测点的断层气 CO2浓度也呈现出不同的变化规律。下面将从气温、气压、降水量和地温 4 个因素对宿迁台断层气 CO2浓度的影响进行分析。气温的季节性变化可以导致观测仪器和地气交换速率发生周期性变化（陈永花等，2017），由宿迁台断层气 CO2浓度（图 2b）与气温（图4a）对比可以看出，2021 年宿迁台断层气 CO2浓度变化明显滞后于气温变化，此结果与曹玲玲等（1999）的研究结论一致。当外界气压变化时，大地面受到的相对压力发生变化，当气压由小变大时，土壤中的 CO2气体受压释放的气体量变多，断层气 CO2浓度值上升，反之，当气压变小时，断层气 CO2浓度值下降。图 2b 和图 4b 表明，断层气 CO2浓度与气压呈正相关性，CO2浓度值随气压的升高而升高，且曲线上升时间一致，同步性较好，故认为气压对断层气 CO2浓度变化有显著影响。杜建国等（1999）的研究指出，降水可使土壤湿度增大，雨水填充岩土空隙，导致土壤中的 CO2脱气受阻，土壤中CO2测值浓度增高。钱淮云等（2001）研究发现，雨季断层气CO2被限制在含水的土壤覆盖层之下，岩土孔隙度和气体的渗透率下降，CO2采集浓度值降低。从图 2b 和图 4c 中可以看出，宿迁台断层气 CO2测值与降雨量的变化趋势无明显相关性，降雨量高值出现在7、8月，而断层气CO2浓度高值却出现在10、11月，图 2 2021 年断层气 CO2浓度月整时值观测曲线图 3 2021 年 4 月 28 日至 5 月 5 日断层气 CO2浓度日观测值曲线212023 年 6 月孙煜杰，等：江苏宿迁台断层气CO2浓度特征及影响因素分析具有明显的滞后性，但从图 2b、图 4c 还可以看出，CO2浓度曲线在 7、8 月有许多低值突跳，对应了降水量的高值尖峰，这主要是受降雨影响，地下水位抬升，观测孔内积水使地下气体的运移通道受阻，阻碍了地下气体的释放。当水位下降时，累积的气体得以运移到集气筒中，因此会出现急剧的高值下降，这与前人的研究结论是一致的。因此得出，断层气 CO2浓度受降水量影响明显，降水会影响观测数据的稳定性，导致测值出现突跳与台阶，一旦观测孔积水，测值就不能真正反映测点 CO2的释放情况，后期数据处理及资料分析时应重点注意。宿迁台2021年地温数据有空缺，但不影响年度趋势的判断。地温的变化与地表岩石的热弹性应变有关，由图 2b 和图 4d 分析可知，地温变化与气温变化趋势一致，但稍稍滞后于气温，滞后天数受观测点的岩石热传导率影响。断层气 CO2浓度变化与地温相似，也出现夏高冬低的规律，但滞后于地温，由于地温受其他环境因素影响较少，也从另一个方面证实了断层气 CO2浓度变化受气温的影响。图 4 2021 年 412 月断层气 CO2辅助测项日动态特征曲线4 结论及讨论综上所述，得出以下 4 点结论：（1）宿迁台观测点裂隙发育，属于构造灵敏点，利于断层气 CO2的储存和富集，是断层气的理想观测点。（2）宿迁台断层气 CO2浓度变化最高值出现在每年的 10、11 月，最低值出现在每年的 1、2 月，高低值之间存在稳定的渐变关系，7 月的观测值有轻微下降趋势，8-11 月的观测值有上升趋势。全年正常测值范围为 0 543 13 ppm，平均测值为 2 20 ppm 左右，冬季测值在 1 10 ppm 左右，而低值时段测值不到 0 15 ppm。断层气 CO2浓度正常日均值动态曲线呈漏斗型，每日变化是规则的。（3）断层气 CO2浓度资料主要受气压和降雨量影响，CO2浓度与气压呈正相关性，同步性较好；降水会阻碍地下气体的运移和释放，影响观测数据的稳定性，出现突跳与台阶，导致测值不能真正反映测点 CO2的释放情况，后期数据处理及资料分析时应重点注意；气温和地温对断层气 CO2浓度也有影响，CO2浓度变化滞后于气温和地温。（4）断层气 CO2浓度观测能真实地反映地下 CO2释放情况，可以丰富断层气观测手段，未来可以广泛应用于地震前兆监测台网，挖掘前兆异常变化，也可为深入研究宿迁市及郯庐断裂带中段的断裂活动与断层逸出气的关系积累大量资料。测点附近 200 m 处有一个湖泊，由于观测条件限制，没有土壤湿度和地下水活动的资料，前文分析了降222023 年第 2 期四 川 地 震雨量与断层气 CO2浓度的关系，没有得到很好的相关性。考虑到土壤湿度不仅仅受降雨量的影响，还可能与地表蒸发速度、土壤持水能力等因素有关，地下水及周边河流湖泊的变化对测值也有影响，今后还需通过对土壤湿度和地下水的研究来进一步探讨水文因素对断层气 CO2浓度的影响。由于宿迁台断层气 CO2观测时间尚短，仅有不足一年的观测资料，不足以对宿迁台断层气 CO2浓度的年变特征进行判断，对于 CO2浓度的异常机理及特征的认知还不够深入，其异常特征及观测指标还需进一步摸索研究，后期需结合成因机制等多方面进行分析。建议今后开展以下研究：断层气 CO2的成因机制分析；断层气 CO2地球化学特征与断裂活动性的关系；进行断层气 CO2观测的技术方法和满足地震观测的实用化指标研究；增加布点密度，形成断层气台网；结合地质学、地球物理学及年代学等方法进行综合分析和评价等。参考文献曹玲玲，刘耀炜 1999 西北地区地震地下流体观测网综合评价 J 西北地震学报，20（1）：63-67陈永花，张超美 2017 乐都地震台前兆测项在门源 6 4 级地震前后的异常变化分析 J 高原地震，29（3）：16-20杜建国，李圣强，赵谊，等 1999 五大连池火山区气体地球化学特征 J 地质学报，（2）：192葛鸣，邢立杰，罗福忠，等 2014 高密度电法在和田隐伏断层探测中的应用 J 中国煤炭地质，26（12）：62-65林元武，王基华，高松升 1998 断层气CO2测定新方法与张北尚义 6 2 级地震预报 J 地震，18（4）：353-357钱淮云，陈琦 2001 江淮地区断层气CO2观测初析 J 地震学刊，21（3）：34-37上官志冠，刘桂芬，高松升 1993 川滇块体边界断裂的CO2释放及其来源 J 中国地震，9（2）：146-153石亮星，周忠发，丁圣君，等 2021 岩溶洞穴系统CO2迁移特征及其环境耦合关系研究 J 地球与环境，49（6）：623-634邵济安，赵谊，陆永发，等 2010 黑龙江省氢气释放与地震及断块构造关系的探讨 J 地学前缘，17（5）：271-277张荣杉，冯武，彭澎，等 2017 宿迁地震台地震监测能力分析 J 地震地磁观测与研究，38（4）：199-202King C Y，Zhang W，Zhang Z C 2006 Earthquake-induced groundwater and gas changesJ Pure and Applied Geophysics，163（4）：633-645Concentration Characteristics of Fault Gas CO2 and its Influencing Factors at the Suqian station，in JiangsuSUN Yujie，PENG Peng，ZHANG Rongshan，FENG Wu，ZHANG Peng（Jiangsu Suqian Monitoring Center Station，Jiangsu Suqian 223800）Abstract：The relationship between CO2 concentration of the fault gas at the Suqian station，and geological structures，soil cover，and meteorological factors is analyzed The results show that the measurement location of the Suqian fault gas CO2 is good The high value is shown in October and November annually，whereas the low value is shown in January and February annually Moreover，a slight downward trend shows in July whereas an upward trend appears from August to November The concentration change is affected primarily by atmospheric pressure and rainfall，which is positively correlated with atmospheric pressure The good synchronization is closely related to precipitation Precipitation can hinder migration and release of underground gas，affect the stability of observation data，and jump steps The abovementioned factors resulted in the measurement value failure in reflecting the release of CO2 at the measurement point Through the study on influencing factors and characteristics，we suggest that fault gas observation methods are enriched，which is helpful for obtaining a large amount of data in studying the relationship between fault activity and fault gas in Suqian City and the middle segment of the Tanlu Fault ZoneKeywords：fault gas；CO2；earthquake monitoring；influencing factors；the Suqian station