蚌埠地震台土壤气Rn和C02地球化学特征分析

肖攀 汪世仙 李露露 潘洁 张伟峰

摘  要：该文简要介绍了蚌埠地震台土壤气定点观测点的基本情况和测量方法。在直观分析土壤气氡及二氧化碳的变化特征的基础上，运用使用逐步回归方法对气象因素与土壤气氡的相关程度进行验证。结果表明：蚌埠台土壤氡主要是受到气温的影响，土壤氡浓度与气温成正相关，与气压成负相关，且气温对气氡浓度的影响明显高于气压和湿度。

关键词：地球化学  土壤气氡  土壤气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.

该文选用蚌埠台土壤气为研究对象，分析土壤气氡和二氧化碳的化学特征，采用逐步回归方法方法来确定主要的干扰因素，为该地区数据资料分析以及蚌埠地区短临跟踪工作提供参考依据。

1  观测方法

1.1 土壤气观测点基本情况

蚌埠地震台站址位于中朝准地台。站北约3km处、站西约11km处分别展布着早第四纪活动的近东西向的蚌埠断裂和北北东向的固镇-怀远断裂。站址东约55km为郯庐断裂带。台址岩性为花岗岩，揭露地层为亚粘土（见图1）。

1.2 观测装置

蚌埠台土壤气氡观测使用的测量仪器为德国产ALPHAGUARD P2000测氡仪，该仪器具有宽量程（2～2000000Bq/m3）;可连续工作，（测试周期为60min，10min或者1min）等特性;气压、气温、相对湿度由P2000自带传感器产出。

CO2观测，我们使用简便易行、成本低廉且结果可靠的CO2含量快速测定法[4]。

1.3 测量方法

（1）观测井孔深度。参考申超等人的实验结论[5]（见图2），分别可知各种土壤的饱和浓度，根据其饱和浓度，可确定最佳取样深度。此次实验土壤层为亚粘土，最终成井深度为1.8m。

（2）观测井孔情况。观测孔深1.8m，直径10cm，长约220cm的PVC管置于洞中心，地面出露约40cm。观测孔布设CO2和Rn两个集气层，集气层由集气管与砾石层组成（见图3）。为便于气体富集，回填的底层铺设40cm厚，直径约5～8cm的鹅卵石。在集气层上部铺设了双层塑料厚膜密封，并用粘土夯实，防止地面水渗入。

（3）测量时间间隔。测量时间可在仪器上直接设定，根据观测点Rn浓度的含量，可设定观测时间间隔1min、10min等。该实验使用的观测仪器测量时间间隔为10min，抽气速率0.5L/min。二氧化碳观测采用24h的测量周期。

（4）数据采集。将PVC管口用橡胶塞密封，用导管将气体导入气体测量仪器;由于采样间隔为10min，每小时产生6个数据，对产生的6个数据做算术平均值，计为Rn整点值。CO2含量快速测定管，通过读取刻度，计为CO2的日均值。

2  资料分析与处理

2.1 土壤气氡背景值分析

在进行正式观测前，我们进行了3d的背景值观测实验，测量结果显示（见图4），该实验背景值应为10.99kBq/m3。

2.2 土壤气氡的潮汐分析

为了定量分析土壤气氡观测资料中的日潮、半日潮、三分之一潮，我们采用FFT方法，对蚌埠台土壤气氡2018年9月4日至2018年10月19日的整点值进行频谱分析，结果见图5。结果表明，该数据中含有的[0.038-0.045]（1/h）频率成分为优势频率，也说明蚌埠台土壤气氡的周期长度为22.22～26.32h，即该仪器纪录到清晰的日变形态，也真实反映地下流体中气氡的动态变化过程。

2.3 土壤气Rn与CO2相关性

由图6可以看出，土壤气Rn和CO2的浓度曲线具有明显的同步性，对该观测时段内，土壤气Rn和CO2的浓度平均值进行相关性分析，其相关系数为0.83，这与目前关于土壤气的研究结果基本一致，即土壤气Rn与CO2的浓度具有一定的正相关性，这也进一步证实CO2对氡气具有载气作用[6]。

3  土壤气Rn特征分析

3.1 Rn浓度与气温、气压、湿度的相关性分析

為了进一步对比土壤气Rn浓度与气温、气压、湿度的日变化特征，我们选取9月4日至10月19日受降雨干扰较小的时段，对Rn浓度与气温、气压、湿度的观测数据进行对比分析。

蚌埠台土壤氡浓度在一天之中有较大的起伏，日变化从形态上来说是单峰型。10时开始上升，14时达到峰值，然后下降，在19时左右降至最低。从图7可以看出，无论气温是在上升或者下降过程中，氡气浓度与气温的测值出现较为同步的变化，曲线形态较为一致。通常，气体在土壤中具有由低温向高温的方向迁移的规律，所以气温升高时，地下气体容易逸出地面，从而造成土壤气浓度的增高[6]。

由于土壤气氡容易受到气温、气压、湿度等环境因素的影响，该文在直观分析的基础上运用逐步回归方法，以相关系数为衡量依据，确定相关程度。具体结果见表1、表2。

由表1可知，通过逐步回归分析得出，土壤Rn浓度的影响因素为气温、气压，且气氡与气温成正相关变化关系、与气压成负相关变化关系。但蚌埠台土壤气氡的主要影响因素为气温。

3.2 气温气压短期相关性分析

计算气氡浓度的整点值与之前24个不同整点的气温、气压整点值做相关性分析，得到土壤Rn与气温、气压逐时相关分析图，通过图8可以看出，从短时间上来看，气温的逐时影响明显强于气压。

4  土壤气CO2特征分析

温度、气压对蚌埠台土壤气CO2的影響分析如下。

对气温、气压数据与土壤气CO2含量观测数据进行分析，得到：气温与CO2浓度变化基本呈正相关的关系，且相关系数达到0.82。气压与CO2浓度变化有较好的相关性，具体表现为负相关，即气压低CO2含量高，气压高CO2低。

5  分析与讨论

该文通过对蚌埠地震台土壤气Rn和CO2浓度及气温、湿度、气压等气象因素分析，得到如下结论。

（1）蚌埠台土壤气Rn和CO2的浓度变化范围分别为（0.1～21.5）kBq/m3，（1.0～16.4）ng/m3。

（2）蚌埠台Rn和CO2的浓度曲线在形态上强相关，可能是Rn和CO2在气体的来源深度和运移机制上有一定联系，这也进一步证实CO2对氡气具有载气作用。通过对蚌埠地震台土壤气氡数据的振幅谱进行分析，蚌埠台土壤氡浓度的变化具有一定的潮汐特征。

（3）蚌埠地震台土壤氡浓度多呈明显的单峰型日变化特征，最大值出现在14时左右。

（4）用逐步回归方法对土壤气氡浓度、CO2浓度与气温、气压、湿度的相关性进行分析，认为蚌埠台土壤氡主要是受到气温的影响，土壤氡浓度与气温成正相关，与气压成负相关，且气温对气氡浓度的影响明显高于气压和湿度;土壤气CO2浓度变化与温度呈正相关，与气压呈负相关。

参考文献

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[4] 龚永俭，程立康，李越，等.断层土壤气CO2含量快速测定法关键问题探讨[J].华北地震科学，2014，32（1）：47-52.

[5] 申超，陈凌，肖德涛，等.不同土壤氡分布的数值模拟[J].原子能科学技术，2012，46（3）：370-374.

[6] 王喜龙，李营，杜建国，等.首都圈地区土壤气Rn，Hg，CO2地球化学特征及其成因[J].地震学报，2017，39（1）：85-101，155.

[7] 李源，谢恒义，夏修军，等.马山口台高精度氢气影响因素研究[J].国际地震动态，2018（4）：58-66.