承德地震台二氧化碳资料相关性分析

袁国旭　李万里　任俊峰

摘 要：2014年10月承德地震台安装了二氧化碳观测仪器，本文分析了RZW-1A型二氧化碳测量仪和利用快速测定管观测资料的相关性，分析的结果为相关性较好。

关键词：二氧化碳；资料分析；相关性

承德地震台位于河北省承德市殊像寺杨树沟村，地理坐标为东经117°55′04″，北纬41°00′59″，海拔高程402m。所处为阴山断隆的中部，南与中生代承德盆地相邻，北靠燕窝铺——周台子背斜。台站为太古界深变质片麻岩所覆盖。北有NE走向的中更新世晚期活动的双塔山——双峰寺断裂，南有北东走向的东河套——红石砬第四纪活动断裂，东有控制武烈河流向近南北走向的武烈河第四纪活动断裂。2014年10月份，我台安装唐山中心台研制的RZW-1A型二氧化碳测量仪，并于2015年11月1日正式产出数据，同时开展了模拟快速测定管测量二氧化碳的观测，为开展数字和模拟二氧化碳观测资料的对比分析提供了基础。

作为一个新的观测仪器和观测手段，在并入河北省地震局前兆數据管理系统前进行实验观测和对比观测十分重要，实验观测于2011年度开始分别在赤城地震台、后郝窑水化观测站、丰宁地震台、陡河地震台、临汾地震台、承德地震台、宽城地震台进行了试验观测，在承德台开展RZW-1A型二氧化碳测量仪的同时，开展了快速测定管观测二氧化碳的观测， 均取得了可喜的观测效果，现正在逐步认识不同观测环境下，观测资料的变化规律。

1 仪器工作原理

RZW-1A型二氧化碳测量仪和二氧化碳快速测定管测定物理量为气体中二氧化碳的浓度，区别是RZW-1A型二氧化碳测量仪测量的是气体中二氧化碳的浓度瞬时值，二氧化碳快速测定管测定物理量为气体中二氧化碳的浓度累积值。

1.1 RZW-1A型数字化二氧化碳测量仪测量原理：

RZW-1A型数字化二氧化碳测量仪采用红外光谱吸收原理（NDIR）：二氧化碳的红外吸收光谱在波数为2342cm-1处有强吸收峰。其吸收关系服从朗伯-比尔（Lambert-Beer）吸收定律，一般情况下的关系式为：

I=I0exp（εLC） 1）

式1）中，I为出射光强度，I0为入射光强度，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）。对上式进行变换得：

C=ln（I0 / I） 2）

在式2）中，当摩尔吸光系数一定时，通过检测二氧化碳出射光强度，即可计算得到待测的二氧化碳体积分数。

不同气体分子结构不同，其吸收峰位置也不同。在二氧化碳观测中，利用波数为2342cm-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，能够得到较为稳定的观测值。

1.2 二氧化碳快速测定管测定原理

用于地震监测的二氧化碳气体检测管由中国地震局地质研究所研制，其原理是在一个固定有限长度内径的玻璃管内，装填一定量的检测剂（即化学指示粉），用塞料加以固定，再将玻璃管的两端密封加工而成。检测剂是将某些能与待测物质发生化学反应并可以改变颜色的化学试剂附在固体载体颗粒表面上的一种物质，化学试剂的选择和它在载体上的化学浓度比决定了检测管的物质成分和量程范围。检测管的心脏是装在玻璃管中的指示粉。检测空气中的有害气体，就是根据通过该管的被测样品与管内指示粉进行反应时，释出有色反应物，形成“着色层”而进行的。指示粉一般由载体和化学试剂组成。把化学试剂涂覆在载体的表面上，让尽可能少的试剂形成最大可能接触的面积，以便得到具有很大通过表面能力的指示粉。应当选择那些在迅速与待测气体起化学作用时，能生成明显颜色的反应产物薄膜，并使原来的指示粉改变颜色的试剂。

检测管的检测是一种线性的比色方法，除严格控制制管技术（包括管径、管长和适合密度等）外，还要求指示粉与待测气体进行反应要快，灵敏度要高，颜色变化要明显，并且反应物不能是挥发性的，重现性要好，长期保存（有效期内）性能不变。

在使用检测管时，要将管子下端割断（注意箭头方向），让含有被测物质的气体匀速地定量地通过管子，被测物质与检测试剂发生化学反应后，部分检测剂将被染色，其染色长度与被测物质浓度成正比，观测检测管上已印制好的刻度即可得知被测气体的浓度。

2 资料选取

本文选取的资料为2014年11月18日到2015年7月18日两种观测手段的日值数据，经过缺值处理和插值处理后的原始数据如下所示：

3 相关性分析

数据的相关性分析是指对两个或多个可能具备相关性的变量进行分析，从而衡量两个变量因素的相关密切程度。一般用r表示相关系数，r的取值范围为-1到1之间，正的表示正相关，负的表示负相关，8<|r|>=1表示高度相关。相关系数r计算公式为：

（下转第37页）（上接第30页）

资料选用2015年1月1日至2015年6月30日资料进行相关系数计算：RZW型二氧化碳测量仪的观测数据与二氧化碳快速测定管的数据的相关系数为：0.8299。由于RZW-1A型二氧化碳测量仪测量的瞬时的二氧化碳的浓度而二氧化碳快速测定管测定的是一天的二氧化碳的累计量，尽管如此二者的相关系数还达到了0.8299，即二者相关性很好。

4 结论

通过对承德台RZW型二氧化碳测量仪的观测数据与二氧化碳快速测定管的资料的对比分析结论如下：

4.1 曲线形态

承德台数字和模拟二氧化碳观测曲线形态基本一致，都呈现了数据先升高再下降的形态，由于RZW-1A型二氧化碳测量仪测量的瞬时的二氧化碳的浓度而二氧化碳快速测定管测定的是一天的二氧化碳的累计量，所以数字二氧化碳的变化幅度更大一些。

4.2 观测资料的均方差

二氧化碳快速测定管均方差计算结果：3.4058。

RZW型二氧化碳测量仪均方差计算结果：152.686。

由于二氧化碳快速测定管的位为3位数值，RZW型二氧化碳测量仪的有效数位为5位，但从绝对值比：RZW型二氧化碳测量仪的观测数据的均方差比二氧化碳快速测定管的数据要小一倍多。

4.3 相关分析结果

由于RZW-1A型二氧化碳测量仪测量的瞬时的二氧化碳的浓度而二氧化碳快速测定管测定的是一天的二氧化碳的累计量，尽管如此二者的相关系数还达到了0.8299，即二者相关性很好。

参考文献：

[1] 张晓刚，任佳，冯振玮，邢杰，符泽宇，赵建明，王妍，李金，王长江.怀4井数字化溶解气CO2观测资料分析 [J].华北地震科学，2015，（3）：68-72.

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