樓盤施工對深州地震臺土壤二氧化碳濃度的影響1

盛艷蕊　張子廣　丁志華　周月玲　張素欣（河北省地震局，石家莊 050021）

樓盤施工對深州地震臺土壤二氧化碳濃度的影響1

盛艷蕊張子廣丁志華周月玲張素欣
（河北省地震局，石家莊 050021）

盛艷蕊，張子廣，丁志華，周月玲，張素欣，2015.樓盤施工對深州地震臺土壤二氧化碳濃度測值的影響.震災(zāi)防御技術(shù)，11（2）：367—374.doi：10.11899/zzfy20160220

本文研究了深州地震臺土壤二氧化碳濃度的變化與地溫、降水以及環(huán)境影響等因素的關(guān)系。深州臺CO2濃度具有夏高冬低的年變特征。2014年7月CO2濃度值在正常上升的背景下，出現(xiàn)轉(zhuǎn)平而變低，導(dǎo)致了與正常年動態(tài)不一致。通過與地溫、降水以及環(huán)境影響等因素相關(guān)分析，認為臺站周邊樓盤施工開槽打樁使CO2擴散通量增加，使土壤CO2逃逸，造成深州臺CO2濃度測值變低。

CO2深州地震臺開槽打樁擴散土壤氣

引言

來自地殼深部的二氧化碳沿裂隙、破碎帶和斷層等向上遷移（Smith等，2008），可以反映地球深部的構(gòu)造活動（杜建國等，2000），在一些中強地震前形成異常顯示（林元武等，1998；王基華等，2000；王禎祥等，2002）。因此，斷層土壤氣二氧化碳逐漸成為觀測地震前兆的有效手段。但土壤氣受濕度、大氣壓、風(fēng)速及降雨等影響（車用太等，2004；Viveiros等，2008），因此分析CO2濃度動態(tài)變化提取地震信息時需要剔除這些因素的影響。本文以深州地震臺土壤二氧化碳為研究對象，從降水、地溫以及測點周邊環(huán)境等方面分析其動態(tài)變化特征。

1　深州地震臺二氧化碳觀測概況

深州地震臺二氧化碳觀測點位于深州臺站院內(nèi)，該臺站位于冀中拗陷的深州凹陷內(nèi)，南側(cè)與邢衡隆起相連，與深縣斷裂距離小于20km（圖1）。受新華夏扭動構(gòu)造體系和緯向構(gòu)造體系的交叉作用，該區(qū)屬于應(yīng)力較易集中的地區(qū)，此處第四紀(jì)松散沉積厚度逾400m（張子廣等，2002；尹宏偉等，2004；河北省地震局，2005）。

深州地震臺采用EY-2型二氧化碳測定管測量二氧化碳，在觀測孔中連續(xù)測量24h土壤氣中二氧化碳的釋放量（累積法）（林元武等，1994；龔永儉等，2014），測點孔深2.75m，測繩長2.55m，溫度計和測定管綁定在一起，懸掛在觀測孔內(nèi)，同時測定地溫（圖2）。

圖1　深州地震臺二氧化碳觀測點周邊構(gòu)造地質(zhì)圖Fig.1　Geological map showing the location of carbon dioxide observation point at the Shenzhou seismic observatory

2　深州地震臺二氧化碳濃度的動態(tài)特征

深州地震臺二氧化碳從2005年3月開始觀測，具有明顯的年變規(guī)律，即呈現(xiàn)出夏高冬低的變化特征，1—3月最低，4—5月上升，夏季為高值時段，10月轉(zhuǎn)為下降（圖3）。

從2014年7月開始，深州地震臺二氧化碳測值在正常上升背景下，出現(xiàn)轉(zhuǎn)平的變化，測值最高點為14.1mg/d，較往年同期（最高值20.0mg/d，最低值18.5mg/d）降低了26%，明顯打破了正常年變規(guī)律（圖3），截止到9月底，二氧化碳測值沒有轉(zhuǎn)折上升跡象。這是自觀測以來，深州臺二氧化碳濃度沒有出現(xiàn)過的低值變化。

圖2　深州地震臺二氧化碳測點觀測示意圖Fig.2　Observation setup of carbon dioxidepoint at the Shenzhou seismic observatory

3　討論

3.1地溫對二氧化碳的影響分析

深州臺二氧化碳濃度動態(tài)受地溫影響明顯（圖4），選取二氧化碳變化平穩(wěn)期2008—2013年深州二氧化碳與地溫測值，計算兩者相關(guān)系數(shù)為0.8848，呈現(xiàn)很好的正相關(guān)性，地溫升高，二氧化碳測值升高；地溫下降，二氧化碳測值降低。

利用一元線性回歸法擬合二氧化碳受地溫影響的變化模型（線性公式為：y=3.807+0.586x），計算觀測值與擬合曲線的差值，來消除地溫對深州臺二氧化碳的干擾（中國科學(xué)院數(shù)學(xué)研究所數(shù)理統(tǒng)計組等，1974），從殘差曲線（圖5）可以看出，消除地溫影響之后，2014年7月以來深州臺二氧化碳與往年同期相比，仍處于低值變化，因此可以排除其低值是受地溫變化影響的可能。

圖3　深州地震臺二氧化碳變化曲線（圖中黑框為低值異常變化）Fig.3　Variation curve of carbon dioxide with time from the Shenzhou seismic observatory （Low-value anomalous is indicated by the black rectangle）

圖4　深州地震臺二氧化碳與地溫動態(tài)對比曲線（日值）Fig.4　Carbon dioxide vs.daily ground temperature at the Shenzhou seismic observatory

圖5　消除地溫影響之后的深州地震臺二氧化碳動態(tài)曲線Fig.5　Dynamic curve of carbon dioxide after removing the influence of ground temperature at the Shenzhou seismic observatory

3.2降水對二氧化碳的影響分析

深州臺土壤氣CO2多年的觀測結(jié)果表明，小的降水會在地表形成不透氣層，阻礙土壤氣脫氣，使得斷層土壤氣CO2濃度增高；大的降水通過溶解或置換土壤氣，使土壤氣CO2濃度降低（Hinkle等，1987；杜建國等，1998）。利用消除地溫影響之后的深州臺CO2月變化幅度與月降水量進行相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)為0.52，表明深州臺CO2動態(tài)與降水有較好的相關(guān)性。

由圖6可看出，雨季月降水量較大時（大于100mm）：2005年7月降水量109.7mm，2006 年8月降水量143mm，2009年8月降水量243.6mm，2011年7月降水量145.5mm，2012年7月降水量231.7mm，均使深州臺二氧化碳濃度下降。2014年6—8月雨季總降水量103.8mm，較往年同期明顯偏少（圖6），觀測孔內(nèi)沒有積水，因此認為二氧化碳濃度出現(xiàn)的低值變化受降雨影響不大。

圖6　消除地溫影響之后的深州臺二氧化碳與降水量對比曲線Fig.6　Contrast of carbon dioxide after removing the influence of ground temperature and rainfall at the Shenzhou seismic observatory

3.3環(huán)境影響分析

近兩年深州地震臺周邊拆遷、樓盤施工、公園建設(shè)等環(huán)境的改變可能會對二氧化碳觀測造成一定的影響（盛艷蕊等，2013）。臺站周邊樓盤基本情況為：一期工程15棟樓，其中臺站所處位置1棟；于2013年11月開始地基開槽、打樁，開槽深度約3m左右，目前臺站北側(cè)、南側(cè)、西側(cè)已有14棟樓建成。2014年5月臺站東邊二期工程開始拆遷施工，于8月中旬開始地基開槽、打樁。開槽位置在臺站東北側(cè)，目前基槽大約2.5m深，東西長約200m，南北長約200m，9月初開始打樁（圖7）。從上述數(shù)據(jù)看出，樓盤施工開槽、打樁的深度（2.5m）大于二氧化碳觀測孔集氣管（1.87m）的深度，且距離觀測點近，開槽面積大，可能會對集氣管的觀測結(jié)果造成影響。美國圣安德列斯斷裂CO2逸散通量均值63.01g·m-2·d-1（Lewicki等，2000），生物來源的CO2逸散通量為26g·m-2·d-1（Chiodini等，2008），深州臺觀測的CO2來源于深部，所處的深縣斷裂近年來無明顯構(gòu)造活動，因此假定CO2逸出通量為40g·m-2·d-1，開槽區(qū)CO2逸出濃度約1.6·106g·d-1，如此高濃度的CO2擴散，勢必會引起深州臺CO2的濃度降低。

劉廣深等（2002）認為，農(nóng)田翻耕改變土壤的透水透氣性，利于蓄積在深層的土壤氣遷移至淺層，在地面附近觀測到高值。耿杰等（2000）發(fā)現(xiàn)，在距離煙臺土壤氣CO2觀測點約2m處堆積土石，引起CO2測值大幅上升，清除測點周圍土石后，測值由高值恢復(fù)正常；堆積土石相當(dāng)于在地表增加了覆蓋層，阻礙CO2向空氣擴散，因此，集氣管觀測到的CO2測值會升高；清除土石，增加了土壤的透氣性，利于CO2向空氣擴散，使集氣管觀測到的CO2濃度降低。根據(jù)上述研究結(jié)果，筆者認為深州臺二氧化碳觀測點周邊大面積樓盤施工開槽、打樁，增大了土壤的透氣性，使得土壤氣的逸出通道增加，引起土壤中二氧化碳向空氣中擴散通量增加，同時施工振動也會加大土壤氣向大氣排放；從而導(dǎo)致深州臺土壤二氧化碳濃度降低。

圖7　深州地震臺周邊環(huán)境示意圖Fig.7　Sketch map of surroundings at the Shenzhou seismic observatory

3.4對比分析

隆堯地震臺二氧化碳測點位于新河斷裂的西南段，屬于冀中拗陷西南段，與同處于新河斷裂延伸東北段的深州臺二氧化碳測點距離約120km，同期沒有出現(xiàn)類似深州二氧化碳的低值異常變化（測點分布圖如圖1，動態(tài)曲線如圖8），排除受區(qū)域應(yīng)力改變的影響，認為深州二氧化碳低值變化是本區(qū)域某種因素的影響。結(jié)合上述分析，進一步確定深州二氧化碳低值變化主要受周邊樓盤施工開槽、打樁的影響。

圖8　深州地震臺二氧化碳與隆堯地震臺二氧化碳動態(tài)對比曲線Fig.8　Contrast of carbon dioxide dynamic curve between the Shenzhou and Longyao seismic observatories

4　結(jié)論

（1）通過地溫、降水與深州地震臺二氧化碳濃度變化的對比分析，認為氣象因素對其低值變化的影響不大。通過對臺站周邊環(huán)境因素的分析，結(jié)合二氧化碳的逸出機理，認為深州地震臺二氧化碳的低值變化受臺站周邊樓盤施工、開槽打樁等影響較大。

（2）對比分析位于同一地質(zhì)構(gòu)造單元的隆堯臺二氧化碳濃度的變化動態(tài)，沒有出現(xiàn)類似深州地震臺二氧化碳的低值變化，排除該變化受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力影響的可能，認為是受本區(qū)域某種因素的作用結(jié)果。結(jié)合對臺站周邊環(huán)境的調(diào)查分析，進一步確定其低值變化主要受周邊樓盤開槽、打樁的影響。

（3）近幾年，由于經(jīng)濟的發(fā)展，很多地震監(jiān)測臺站周邊環(huán)境發(fā)生改變，給觀測工作造成明顯干擾。因此，地震工作者應(yīng)大力宣傳關(guān)于地震監(jiān)測設(shè)施和地震觀測環(huán)境的保護方面的法律法規(guī)及相關(guān)知識，加大對地震觀測環(huán)境的保護力度。

致謝：感謝河北省地震局王江和深州地震臺尹宏偉、梁麗環(huán)、韓文英提供的相關(guān)資料。

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Effect of Civil Construction on Concentration of CO2in Soil Gas at the Shenzhou Seismic Observatory

Sheng Yanrui，Zhang Ziguang，Ding Zhihua，Zhou Yueling and Zhang Suxin
（Earthquake Administration of Hebei Province，Shijiazhuang 050021，China）

Concentration of CO2in soil at the Shenzhou seismic observatory was analyzed to study the effect of rainfall，the ground temperature and environmental factor.Concentration of CO2in soil at the observatory varied annually，showing higher values in summer and lower values in winter.Since July 2014，with the overall background of increase，it starts to turn flat and decrease，which was 26%lower than the mean value in the same period of previous year and changed the general annual variation curve.Through comprehensive analysis of concentration of CO2，rainfall，ground temperature and environmental factors we found that the low value of carbon dioxide is caused by increases of CO2diffusion fluxes resulted from building construction，especially piling and slotting nearby the observatory.

Carbon dioxide；Shenzhou seismic observatory；Slotting and piling；Diffusion；Soil gas

河北省地震科技星火計劃項目（DZ20150420030）

2015-07-15

盛艷蕊，女，生于1983年。高級工程師，碩士。研究方向：地震地下流體。E-mail：shengyr2007@sina.com