在地下流体观测中,二氧化碳在一些M_S≥4.0地震之前有明显的异常反映,尤其是在M_S≥5.0地震前出现的异常非常显著。这些异常不仅表现出信噪比高,而且多出现在震前半个月到一个半月内,是典型的短临异常,对破坏性地震的短临预报阶段发震时间的判定具有重要意义(鱼金子等,1998; 王基华等,2000; 上官志冠,1995; 林元武等,1998; 张启明,2001; 车用太等,1999; 胡凤英等,2004)。

目前,地震台站主要利用快速测定管(高小其等,2002)和气相色谱仪(朱方保等,2003)进行二氧化碳气体测试分析。二氧化碳气体快速测定管是一次性使用的,每天更换一次,人工读取测量值,只能测量累积量,不能实时测量井孔的气体百分比浓度,由于受测量方法限制,难以精确测量井下气体浓度梯度。气相色谱仪属于精密的实验室仪器,需要用采集装置获取气样,再放到仪器上进行分析测试,很难实时测量井下气体浓度分布。因此开发研制数字化、智能化、网络化的二氧化碳观测仪器就显得十分必要。

数字化二氧化碳观测仪的研制项目组(以下简称项目组)在2011年开始开发研制二氧化碳观测仪器,分别在赤城地震台、后郝窑水化观测站和阳原地震台进行了试验观测。本文介绍了新型数字化二氧化碳观测仪的工作原理和系统设计,通过试验观测,证明二氧化碳红外气体传感技术在二氧化碳断层气和溶解气测量方面的可行性。

数字化二氧化碳观测采用红外光谱吸收原理为(NDIR)(闻明,张策,2011):二氧化碳的红外吸收光谱在波数在2 342 cm^-1处有强吸收峰。其吸收关系服从朗伯—比尔(Lambert-Beer)吸收定律,出射光强度I、入射光强度I₀和气体体积分数C之间的关系为

I=I₀exp(εLC),(1)

式中,ε为摩尔吸光系数,C为待测气体体积分数,L为光和气体的作用长度(光路长度)。对式(1)进行变换得:

C=1/(εL)ln(I₀/I).(2)

当摩尔吸光系数一定时,通过检测出射光强度,即可计算得到二氧化碳体积分数。由于不同气体分子结构不同,其吸收峰位置也不同,利用波数为2 342 cm^-1的红外线作为光源检测二氧化碳体积分数,不易受到其他气体分子浓度的影响。

新型数字化二氧化碳观测仪整机由二氧化碳传感器、温度传感器、温度采集控制单片机、工控机、RS232信号传输电路、电压适配电路、显示屏、电瓶充电控制电路及仪器供电浪涌过压保护电路等组成,如图1所示。

图1 硬件设计图
Fig.1 Hardware design

图2 软件设计流程
Fig.2 Software design flowchart

我们在试验期间得到了连续、稳定、可靠的数字化二氧化碳观测资料。实验证明了二氧化碳红外气体传感技术在二氧化碳断层气和溶解气测量方面的可行性。

项目组研制的新型的数字化二氧化碳观测仪具有高灵敏度、高稳定性、网络化和智能化的特点,其观测精度和信息量远大于人工观测,可替代目前台站的人工观测。该仪器不仅可用于台站断层逸出气、地下水溶解气中二氧化碳含量的观测,在改变供电模式和通信模式的情况下,可在无人职守的二氧化碳观测台阵和活动断层探测等方面发挥作用。