构造应力变化可引发裂隙张开、断层滑动，地震断裂带在地震孕育与发生过程中，为深部流体提供了运移通道^[1]，沿断裂带向地表运移的气体地球化学异常可以反映断裂带活动情况^[2]及地震活动性^[3-4]。苏联自1966年开展了地球化学断层气方面研究工作以来取得了几次较好的震例^[5]；日本自1973年在东海、伊豆半岛等地布设观测点，获得了1995年神户7.2级地震的震例^[6]；1998年，Ciotoli等^[7]在意大利富希纳盆地进行的断层气探测结果表明，在1915年发生7.0级地震的断裂带上同步显示出CO₂浓度异常。1993年王基华等^[8]在北京昌平白浮进行了CO₂浓度的观测，研究了其动态特征与地温的关系；林元武等^[9-10]研制了断层气CO₂快速测定方法，并分析了怀来后郝窑观测点7年的CO₂资料，基于9个4级以上地震获得了CO₂的前兆异常特征，1998年张北6.2级地震前47天怀来后郝窑断层土壤气体CO₂浓度值异常升高，最高值是背景值的10倍左右；2011年任佳等^[11]分别在赤城地震台、后郝窑水化观测站和阳原地震台进行CO₂实验观测，证明了二氧化碳红外气体传感技术在二氧化碳断层气测量方面的可行性。1976年唐山7.8级地震前，天津棉4井土壤气体CO₂浓度值急剧升高数倍，震后在唐山断裂带上进行了CO₂跨断裂探测，发现跨断裂CO₂浓度值明显高于非断裂地段^[12]。川西地区的断层土壤气体CO₂观测点在区域内4.0级以上地震短期前兆异常，最高异常峰值是背景值的1.7～10倍^[13]。综上，已有观测结果显示CO₂浓度值在中强地震前会出现大幅度的升高，可能反映区域构造应力变化^[14-16]。因此，断层土壤气体CO₂浓度观测越来越受到国内地震研究者的重视^[17-20]。

目前，国内主要利用气相色谱仪^[21]、CO₂浓度含量快速测定法^[19]和二氧化碳红外气体传感技术进行二氧化碳气体测试分析。气相色谱仪精确度高，需要采集气体样品后送实验室测试，不能实时测量土壤气体浓度分布；CO₂浓度含量快速测定法，采样率为1次/日，观测数据为24小时累积数据，受测量方法限制，难以精确测定浓度梯度变化，数据量不能满足监测短临异常变化的需求；二氧化碳红外气体传感技术连续观测可以产出采样率1次/分钟的观测数据^[22]，可观测到震前、震时、震后的连续动态变化。本文通过在唐山地区建设CO₂浓度连续观测台阵，分析了CO₂年变动态受到气温、地温、气压、降雨量等干扰因素的影响，并初步总结了该地区CO₂基本动态特征和震前异常特征，为今后CO₂浓度连续观测台阵建设和数据分析提供参考。

唐山地区地质构造复杂，位于Ⅱ级构造单元华北地台东北隅，北部为燕山隆起带，南部为华北坳陷区，Ⅲ级构造单元有蓟县坳陷，山海关隆起，本区基底经燕山运动褶皱成山，形成褶皱和断裂，称为唐山市基底构造骨架^[23]。

研究区内主要分布2组断裂带：一组NE向的丰台野鸡坨断裂、宁河昌黎断裂和唐山断裂带，另一组为NW向的滦县乐亭断裂及蓟运河断裂等^[24]。该区断裂活动以张性为主，地震活动频繁，是全国中强地震活动的重要区域。历史上发生的较大地震为1976年7月28日唐山7.8级地震。2018年以来唐山地区小震活动水平较高，共发生M1.0以上地震169次，最大地震为2020年7月12日唐山市古冶区M5.1地震（图1）。

图  1  唐山地区构造背景及CO₂连续观测台阵分布

为研究唐山地区断层土壤气体CO₂与断裂带活动及地震情况，2018年6月进行了土壤气体CO₂浓度观测背景勘选。隐伏断层的勘选测线均垂直于断层走向布设，其中，靳庄测线方向东西设置12个观测点（图2），CO₂平均浓度8 700 ppm，变化范围1 400～18 600 ppm；赵滩测线方向东西设置8个观测点，CO₂平均浓度164 ppm，变化范围7 100～32 500 ppm；北泊测线方向东北设置19个观测点，CO₂平均浓度17 200 ppm，变化范围900～89 100 ppm；孙家楼测线方向东西设置15个观测点，CO₂平均浓度11 500 ppm，变化范围5 300～29 800 ppm；陡河台测线方向东西设置15个观测点，CO₂平均浓度7 300 ppm，变化范围2 400～20 300 ppm。滦县台、林西矿、赵各庄和马家沟均位于活动断层基岩破碎带上，其连续观测点均建在前期背景勘选测线中CO₂最高值的位置（表1）。

图  2  靳庄土壤气体CO₂浓度背景勘选

断层土壤气体CO₂连续观测仪器型号为RZW-3A型，具有长期连续、稳定观测的特点（表2）。观测系统采用模块化设计，使用中国地震局数字化地震前兆观测仪器通信协议。仪器安装前为满足野外观测需要依据国家计量检定规程JJG635-2011《一氧化碳、二氧化碳红外气体分析器》对仪器进行检测（表3）。校准结果见表4 。

本文使用的CO₂连续观测仪气体采集方式为扩散式（逸出式），与人工观测的二氧化碳测试管所放置环境类似。即先在土壤中打10 m深孔，然后埋入底部约2 m长度花孔状的pvc管，将二氧化碳传感器直接竖直放置于花孔位置处。二氧化碳传感器由封装装置、采集装置和信号传输电路3部分组成。整个观测系统采用太阳能供电、无线传输、数据保存于云端服务器（图3）。

图  3  CO₂观测孔及仪器结构示意图

根据波义尔-马里奥气体定律，CO₂浓度变化受温度影响。唐山地区断层土壤气体CO₂与气温、地温呈正相关关系。地温相对于气温与CO₂浓度的变化趋势一致性更高，相关系数分别为0.68和0.60。根据已有前人对气温影响深度的研究，一般超过2 m就可以忽略气温日变化的影响^[25]，唐山地区连续观测孔深度10 m，故可以忽略气温日变化的影响。CO₂浓度与气压相关性系数为-0.43。

以陡河台为例，由降雨量、气压、气温、地温和CO₂浓度值曲线图的h1、h2、h3时段中可看出CO₂受降雨影响较大（图4）。2018年、2019年和2020年丰水期时段相较于枯水期CO₂浓度值曲线波动幅度大幅减小，曲线上升和下降趋势减缓。在2020年丰水期长、全年降雨量大的情况下，CO₂浓度值在丰水期时段波动幅度明显减小，上升趋势减缓趋于平稳，枯水期时段曲线波动幅度明显增大，整体变化趋势明显。h2时段当连续多天强降雨后CO₂浓度值曲线出现明显下降，分析认为降雨导致土壤中的空隙被雨水填充，而CO₂在水中的溶解度较大 ^[16]，沿断层逸出至地表的CO₂部分溶于水，导致浓度降低。综上，研究区测点断层土壤气体CO₂浓度值受降雨影响较大，与地温正相关，与气压负相关。

图  4  陡河台降雨量、气压、气温、地温、CO₂浓度值曲线(h1、h2、h3为对比各干扰因素影响时段)

为进一步分析短时降雨对CO₂浓度测值的影响，绘制了唐山地区2020年8月份丰水期降雨较多时段CO₂连续观测台阵测值变化曲线（图5）。全部观测点降雨过后浓度值较降雨前都出现明显下降，且降雨量越大浓度值下降幅度越大，其中马家沟、靳庄、滦县台和陡河台浓度值变化有滞后性。图5a中马家沟、靳庄和滦县台随降雨量增大CO₂浓度值阶跃上升；图5b赵滩、陡河台整体平稳，随降雨量增大CO₂浓度测值快速下降，降雨结束后测值快速上升；图5c孙家楼、林西矿CO₂浓度整体呈上升趋势，受降雨影响缓慢上升；图5d赵各庄、北泊受降雨影响CO₂浓度值波动较大。图5中，2020年8月1—31日整月CO₂浓度值与降雨量相关系数为北泊：−0.18；孙家楼：−0.03；马家沟：−0.27；赵各庄：−0.37；赵滩：−0.35；林西矿：−0.06；陡河台：−0.18；滦县台：−0.01；靳庄：−0.10。进一步选取2020年8月9—19日的连续降雨时段内相关系数分别为北泊：−0.56；孙家楼：−0.34；马家沟：−0.35；赵各庄：−0.37；赵滩：−0.38；林西矿：−0.33；陡河台：−0.44；滦县台：−0.48；靳庄：−0.64。不同时间段的降雨量与浓度相关性计算结果差异表明，浓度观测值会受降雨量影响。

图  5  短时降雨与各测点CO₂浓度测值曲线

进一步使用基于Gamma分布函数建立的组合水箱模型来分析降雨量对CO₂浓度值变化的滞后延迟效果^[26]，映证了CO₂浓度值与降雨量的负相关性（图6）。

图  6  陡河台2019—2020年观测曲线和降雨影响分析结果

断层气体CO₂多年资料动态显示，年动态多为夏高冬低型^[13]，唐山地区断层土壤气体9个连续观测点呈不同程度的夏高冬低年变动态（图7）。其中，赵各庄CO₂浓度曲线形态表现为脉冲式波动，总体呈上升趋势；靳庄CO₂浓度曲线形态表现为上升趋势；北泊CO₂浓度曲线形态表现为缓升缓降，总体呈上升趋势；孙家楼CO₂浓度曲线形态表现为缓升缓降，总体呈下降趋势；马家沟CO₂浓度曲线形态表现为前期大幅下降，后期缓升缓降，总体呈下降趋势；赵滩CO₂浓度曲线形态表现为下降趋势；林西矿CO₂浓度曲线形态表现为振荡，总体呈下降趋势；陡河台、滦县台CO₂浓度曲线形态表现为均值附近上下振荡，总体趋势平稳。

图  7  CO₂浓度值曲线（ k1、k2为M5.1地震各观测点异常变化时段）

进一步分析2018、2019及2020年的连续观测数据（表5），发现处于宁河昌黎断裂上的靳庄断层土壤气体年平均值连续两年上升，而位于唐山古冶断裂上的北泊、孙家楼、林西矿，长山巍山断裂的马家沟、赵各庄、唐山断裂的陡河台和滦县乐亭断裂北段的滦县台CO₂平均值没有明显连续变化，但滦县乐亭断裂南段的赵滩两年平均值持续下降。浓度均方差结果发现，靳庄、北泊、赵各庄的CO₂浓度值年变化范围逐年增大。由均方差与平均值的比值可知，北泊和马家沟2个观测点明显高于其余7个观测点。

唐山地区断层土壤气体CO₂连续观测台阵浓度空间分布表现为中部最低，西北部高于东南部，唐山古冶断裂整体断层土壤气体CO₂浓度值呈缓升缓降趋势；长山巍山断裂北段振荡，南段缓降；滦县乐亭断裂北段缓升，南段缓升缓降；唐山南部的宁河昌黎断裂呈缓升趋势，陡河断裂整体呈震荡形态。空间上年变可能反映了区域的断裂破碎程度差异，即唐山-古冶断裂整体破碎程度高，多年连续变化规律不明显，滦县乐亭断裂南段破碎程度低于北段，宁河昌黎断裂的浓度测值最高，可能反映了该断裂较为发育。

在2018—2020年唐山地区断层土壤气体CO₂浓度连续观测期间，唐山地区共发生M3以上地震3次，根据观测时段内的区域地震活动计算对应能量释放情况：

选取地震前后各一个月内数据明显变化的台站分析其与地震可能的关系（图8）。

图  8  赵各庄、靳庄和北泊2019—2020年CO₂浓度、地震能量、M-t曲线（图a）和3次地震前后两个月CO₂浓度曲线变化图（图b：t1，图c：t2，图d：t3）

2018年8月5日唐山M3.3地震前3天，赵各庄、北泊观测数据出现连续大幅上升，最高异常峰值是背景值的1.6倍，震后3天恢复正常值（图8b）。同时段内靳庄观测数据平稳，无明显变化。

2019年12月5日唐山M4.5地震前8天，赵各庄观测数据出现大幅度阶跃式上升异常，整体降趋势最高异常峰值是背景值的1.6倍，震后7天恢复正常值（图8c）。靳庄震前无明显变化，震后出现小幅度震荡上升，整体呈下降趋势。同时段内北泊观测数据整体平稳，无明显波动。

2020年7月12日唐山M5.1地震前20天内赵各庄、靳庄、北泊观测点CO₂浓度值先后出现不同程度的震荡上升，最高异常峰值是背景值的3.8倍，震后14天恢复正常值（图8d）。震前多个观测点记录到异常变化，CO₂变化最大值为背景值的3.8倍，而孙家楼、滦县台、陡河台、林西矿则无显著变化（图7～8）。这可能与观测点位置、各条断裂破碎程度及震中区构造活动有关。

根据震级越大、震中距越近、CO₂异常幅度越大^[27]，则地震一般发生在异常峰值转折下降过程中的一般规律^[13]，2018年8月至2020年12月期间，唐山地区断层土壤气体CO₂浓度连续观测台阵共记录6次显著异常，为平缓波动基础上的阶跃上升、震荡式上升和突跳3种形态，其中有3次异常结束后的一段时间内发生了地震。根据地震预测指标理论方法计算了唐山地区断层土壤气体3次地震的R值，其中，赵各庄观测点的R(0.86）>R₀(0.71)，通过R值检验。其余观测点R<R₀，但是均大于0，具有参考意义^[28]。

通过分析2018—2020年唐山地区断层土壤气体CO₂连续观测台阵观测结果，得到以下认识。

1）通过2年观测实验发现，唐山CO₂连续观测台阵适合于偏远地区或干旱少雨的无人值守观测点及需要加密观测的震情监视区。因为安装简单快速、低成本及连续稳定等特点，具有应用推广前景。CO₂连续观测仪在观测过程中有偶尔丢失单个数据及数据传输慢的现象，通过排查发现可能是电源、数据采集和信号传输问题所致。因此，连续观测仪的电源、采集和传输模块需进一步优化。

2）唐山地区断层土壤气体CO₂浓度值受降雨量和地温影响较大，与气压负相关。CO₂浓度总体呈现夏高冬低的年变动态，间接反映了与气温、地温变化的正相关性。

3）唐山CO₂连续观测台阵2年观测实验时段内部分观测点观测到CO₂异常，可能是唐山及邻近地区M3.3以上地震的前兆异常，异常出现时间多为地震前1个月内，范围是背景值的1.6～3.8倍。