引言

根据观测项目的不同,地下流体监测网可划分为地下水动态观测网、地热观测网和地球化学观测网。其中,地球化学观测网包括氡、汞、离子、气体成分等其它化学测项。随着数字化观测技术的发展,氡、汞监测台站增多,已经成网观测,而地球化学网中的离子、除氡、汞以外的气体成分等其它地球化学观测项目却受限于观测技术与观测方法的发展水平,不增反减。

截至2017年底,中国已经建成包含40多类观测项目、1400余个测点的地下流体观测网,其中地球化学离子、气体成分等其它观测项目多达190项,约占整个流体观测网的15%。虽然观测项目的测点少,但其映震能力却不可低估,特别是对测点周边及邻近区域地震的映震能力(高文学等,2000)。近年来,地球化学的流动观测在研究震后破裂带的地球化学变化规律等方面效果显著(吕超甲等,2017周晓成等,2017a)。对于固定观测台网的地球化学离子、气体成分等其它测项,多是在震后进行反思研究(高小其等,2002林国元等,2015),并没有对其整体观测现状进行系统的分析。相比流动观测,固定观测的规模逐年缩小、观测仪器老化严重、观测数据应用效能较低,因此亟待对其问题进行梳理并加强建设。

本文从地震地球化学离子、气体成分等其它观测项目的规模、观测仪器、观测数据质量以及预报应用几方面梳理观测现状及存在的问题,为优化观测台网、提升观测质量以及增强地震监测预报应用奠定基础。

1 观测规模

地震地球化学离子、气体成分等其它观测项目种类较多,包含各种离子、气体成分(包括溶解气、逸出气和土壤气)以及pH值、Eh值、浑浊度、硬度等近40种(中国地震局,2011)。地球化学离子、气体成分等其它观测项目由82个监测点组成,分属18个省、市和自治区,主要分布在南北带、张渤带、东南沿海带和天山带(图 1)。


图 1 地震地球化学离子、气体成分等其它测项分布 Fig. 1 Location of ion, gas and other items of groundwater observation sites in seismological geochemistry

对于离子组分的观测,需要由台站人员每天定时采样后在观测室进行分析,依据各种离子在一定条件的特征物理化学形式,采用化学分析法(重量法、容量法、比色法)和物理化学分析法(仪器分析法)及时准确地测定出某一瞬间地下水中离子的含量,并将得出的观测值手动录入数据库。目前,观测项目有钙离子、镁离子、钠离子、钾离子、重碳酸根子、硫酸根离子、氯离子、氟离子、亚硝酸根离子、硝酸根离子和碳酸根离子的浓度。

对于气体成分的观测,需要由台站人员每天定时采样后送观测室,利用色谱等仪器分析(仪器分析法)得出测值并手动入库。气体成分观测(以下简称“气体观测”)项目有氢气浓度、氦浓度(由于氦气观测包含数字化采样和人工观测,且数量较少,本文的氦浓度包含所有采样率的观测)、二氧化碳(根据观测仪器不同,采样率分为日和分钟,本文包含所有采样率的观测)、气体量、氮气浓度、甲烷浓度、氩气浓度、氧气浓度。

对于电导率、pH值和硬度,同样需要人工采样后在观测室完成。

1.1 观测分布

截至2017年底,共有262个测点开展了地球化学离子、气体成分等其它项目观测(含已停测项目),其中观测项目最多的为四川省(53个观测项目),详细观测情况见表 1

表 1 地球化学离子、气体成分等其它观测项目一览表(截至2017年底) Table 1 List of ion, gas and other items of groundwater observation in seismological geochemistry

经统计,2013—2017年17个台站的36个测项停测,其中27个测项是由于泉水断流或取样点被破坏,观测时间超过10年的观测项目有24个。由于观测环境遭破坏以及观测仪器老化等原因,262个观测项目中已经有72项停测,给数据应用带来不利影响。

1.2 观测仪器

对地震地球化学离子、气体成分等其它测项的观测主要通过人工采样并送实验室进行分析,对人工采样技术以及观测仪器的依赖性高。目前采用的观测仪器多为20世纪70—90年代初从其它领域引入的仪器,观测仪器老化严重,观测技术严重落后。近年来,针对氢气和氦气观测,研制了采样率较高的数字化观测仪器,而其它观测项目的观测技术却停滞不前。

离子组分观测使用的观测仪器包括滴定管、离子色谱仪和水质观测仪,最早启用于1980年(表 2)。气体观测广泛使用的是气相色谱仪,在实验室内测试N2、Ar、CH4、He、H2、CO2等气体浓度,最早启用于1990年(宋臣田等,2008)。目前,观测设备陈旧、技术落后,急需进行仪器的更新改造。

表 2 地震地球化学离子、气体成分等其它测项观测仪器一览表 Table 2 Instrument of ion, gas and other items of groundwater observation in seismological geochemistry observation
2 观测数据质量
2.1 质量控制

目前,没有单独针对地震地球化学离子、气体成分等其它测项的质量评价办法,只在地下流体观测台站综合评比时,对观测项目的连续率和动态特征进行评价。

对于应用于地震监测预报的台站,其数据质量优秀的基本标准是观测数据能真实反映观测的物理量、动态背景清晰、数据连续可靠。由于没有独立的评价体系,只能通过连续率推测观测数据是否连续。对190个观测点2017年的数据连续率进行评价,90%以上的观测点其数据连续率可达95%以上。

2.2 背景动态特征

对262个观测点(含已停测点)进行多年动态梳理,其中73个观测点有年变特征,特征主要包括上升型、平稳型、下降型、夏高冬低型和夏低冬高型(图 2,其中氯离子以汕头台和姑咱台为例,气体总量以聊城台和水磨沟为例)。189个测点的地震地球化学气体、离子观测没有显著的年变化背景动态特征,其中一部分表现为多年动态无明显变化,另一部分虽起伏较大,但无规律可循。


图 2 氯离子、气体总量观测动态示例(一) Fig. 2 Example of variation curves of chloride ion and total dissolved gases

图 2 氯离子、气体总量观测动态示例(二) Fig. 2 Example of variation curves of chloride ion and total dissolved gases

地震地球化学离子、气体成分等其它观测项目的观测密度低,同一观测项目在不同观测点的测值变化较大。以Cl-浓度为例,其最小多年均值为4.1mg/L(姑咱水化站),最大多年均值达7885.5mg/L(固原地震台)。

对各离子观测点多年均值进行统计(统计时间从建站产出数据至2017年底),以0—100mg/L作为低浓度、100—300mg/L作为中间浓度、大于300mg/L作为高浓度,针对观测数目大于5个的8类离子,对其观测浓度多年均值进行统计分析(图 3)。由图可见对于氟离子和硝酸根离子,均为低浓度测点;对于碳酸根离子和碳酸氢根离子,高浓度测点较多,对于钙离子、镁离子和氯离子,低浓度测点较多。


图 3 地震地球化学离子观测项目多年均值统计(数据源:地下流体数据库) Fig. 3 Multi-year mean distribution of ion in seismological geochemistry observation

对各气体成分等其它观测项目多年均值进行统计(统计时间从建站产出数据至2017年底),以0—1%作为低浓度、1%—10%作为中间浓度、大于10%作为高浓度,针对观测数目大于5个的9类气体,对其观测浓度进行多年均值统计分析(图 4,考虑到结果的科学和可靠性,仅对利用色谱仪计算的二氧化碳浓度的多年均值进行统计)。由图可见对于溶解气氢气、溶解气氦气、逸出气氦气,低浓度的测点较多;对于土壤气二氧化碳、溶解气氧气,中间浓度的测点较多;对于溶解气气体总量、溶解气氮气,高浓度的测点较多。


图 4 地震地球化学气体观测项目多年均值统计 Fig. 4 Multi-year mean distribution of gas in seismological geochemistry observation
3 地震预报应用

目前,地球化学离子、气体成分等其它项目观测的异常主要用于发震时间的预测,一般认为各类离子动态在震前几十天至几个月的时间尺度上可以表现出一定的趋势性异常,而各类气体成分观测异常多发生在震前几天至几十天,异常多,信噪比高,易于识别(中国地震局监测预报司,2007)。总体说来,离子、气体成分等其它测项的异常表现基本为短临异常变化,对于其变化机理与地震的关系,目前还未有系统的解释。

2008年汶川地震后,学者们开展了很多流动地球化学观测,周晓成等(2017a, 2017b)对汶川地震断裂带CO2、CH4、Rn和Hg的异常浓度进行测量发现,异常浓度达到了相当的数值。

对1966—2012年已出版的中国震例(张肇诚等, 1988a, 1988b, 1990车时等,2014杜方等,2018蒋海昆等, 2018a, 2018b)中231次地震前兆异常进行统计,其中150次地震前的流体观测出现异常,40次地震前出现了离子观测异常,26次地震前出现了气体观测异常(表 3)。据统计,离子的异常表现多为高值或者低值异常,一般在转折或回升过程中发震,气体成分观测的异常变化多为突变型异常和突跳型异常,或者为二者的组合(车用太等,2004)。

表 3 地球化学离子、气体成分等其它测项异常统计表(1966—2012) Table 3 Statistical anomaly for ion, gas and other items of groundwater observation in seismological geochemistry

地下水中的气体成分、离子成分、放射性元素含量变化反映了地壳内部复杂的地球化学变化。虽然地球化学离子、气体成分等其它测项的观测规模较小,但相关测项却存在相当比例的震前异常,在地震预报中发挥了重要作用。

4 结论与建议

地震地球化学离子、气体成分等其它观测项目的观测历史悠久、观测种类多样。近年来,由于观测环境遭破坏、观测仪器老化、观测技术人员短缺等原因,观测规模大幅缩小。本文对观测项目的规模、观测数据质量和预报应用3方面进行了系统梳理,得到以下结论与建议:

(1)增加测点并优化已有观测项目。截至2017年底,开展地球化学离子、气体观测的站点有190个,观测密度低(0.2个/104km2),为保证观测效能,急需在主要断裂带增大布设密度。目前,开展观测的地震地球化学离子、气体成分等其它观测项目多达33种,需要根据本地区震情背景、观测环境、观测数据质量、观测设备以及历史映震效能等方面进行评估,优化已有的观测项目。

(2)完善仪器更新与备机备件调配机制。不少台站的观测仪器已运行30多年,仪器老化严重、故障频发,尤其是不少观测仪器已经停产,仪器性能严重落后,急需进行仪器更新。此外,离子观测需要消耗大量的化学药品、溶液、滴定管等消耗性材料;气体观测需要定时购置各种标准气体、更换色谱柱等。对于常用的耗材,应当完善更新与调配机制,及时进行补充完善,保障观测的正常进行。

(3)加强台网管理与质量监控。地球化学离子、气体成分等其它观测项目基本为人工观测,需要对观测结果手动入库,个别台站存在录入错误的问题,部分台站更换仪器后未及时对信息进行更新,尤其是20世纪60年代初开展的一部分历史观测数据还未录入数据库,因此急需对基础信息(包含观测仪器、观测方式、观测日志等)加强管理,对上述信息进行完善以及动态跟踪,保障数据的可用。目前,对于观测数据没有独立的数据质量评价办法,只有在年度评比时从资料的完备性、数据连续性2方面进行评价。应当参考其它相关行业的质量评价办法,关注数据自身质量,建立日、月、年不同尺度的监控体系。

(4)建立常态化人员培训制度。离子、气体观测要求操作员具有一定的化学基础知识以及实验室操作技能,据不完全统计,目前有分析化学专业背景的观测人员所占比例不足10%,观测人员的观测技术大多通过经验丰富的观测员传帮带得来,在对观测方法的理解以及观测技术的掌握上存在很大不足。建立常态化人员培训制度,保证各项操作的规范,才能保障观测结果的科学可靠。

致谢: 本文得到了刘春国老师的指导和帮助,在此表示感谢。
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