0 引言

地下流体与地壳固体之间存在着动态平衡，可以灵敏地将地球深部的断层及构造活动信息传递到浅部。自1931年希腊的马拉松人工湖蓄水诱发地震后，地下流体与地震间的联系逐渐被人们重视(荣建东，1982)，断层带地下水中气体也在1966年塔什干5.2级地震发生后被用于地震预测研究工作(Sadovsky et al，1972)。Irwin等(1980)认为地下CO₂有地幔、含碳酸盐沉积岩的变质作用以及有机物质分解三个主要来源，他们还发现深层CO₂变化量可以作为监测预测地震的有用参数。Sugisaki等(1983)发现日本中部断层沿线的高浓度H₂和CO₂气体出现明显时空变化，其研究进一步验证地下CO₂可用于断层活动性评估和地震预测。

中国于20世纪70年代开始对井和泉水中的CO₂进行观测和研究。1976年唐山7.8级地震前，天津市多井观测到溶解气CO₂含量出现波动较大的同步升降；北京万泉庄枯井也观测到突然喷气，其中CO₂含量高达13.4%(石慧馨等，1980；鱼金子等，1998)。在1987—1991年间，研究人员在数起地震前均观测到CO₂含量显著异常，且这些异常多起始于地震前半个月左右，在临震时达到高峰，在震后减弱或消失(上官志冠等，1990、1992、1993；高清武等，1992；孔令昌，1996)。林元武等(1998a)在1988年成功实验研究了CO₂快速测定法，并在河北怀来断裂带观测到9个4级以上地震的CO₂异常震例，后续高小其等(2002、2004)的研究也证实了该方法可靠有效。王基华等(2000)在1997年利用怀来断层气CO₂监测做出地震短临预测，成为全球首次成功案例。大量的观测研究已表明，断裂带CO₂的前兆异常能够被视为地震活动的重要指示器之一，且随着更多先进仪器的发明改进(杨伊娜等，2022)和多方综合观测手段(张志相等，2022)的创新发展，我国断裂带CO₂观测研究工作进入便捷化、精准化、连续化的新时代。

本文旨在基于国内外学者对深源CO₂地球化学特性、观测方法和影响因素、数据处理和异常识别、浓度异常机理与地震关系等方面的研究成果，对断裂带CO₂研究进展进行总结，探讨如何利用地震断裂带中CO₂前兆异常进行地震预报，为相关研究提供重要的思路和理论基础。

1 CO₂地球化学特征 1.1 CO₂化学特征

CO₂普遍存在于地球上，是一种无色、无嗅、略带酸味的气体，密度大于空气，具有相对稳定的化学性质。CO₂在地球上的来源相当复杂，导致在地球上其分布和含量并不均匀，不同深度部位之间存在较大差异。此外，同一地点的CO₂含量也会随时间的变化而存在较大差异(车用太等，2006)。

地下气体的释放主要发生在活动断裂带和火山活跃区，其中的主要成分为CO₂。一些强震发生前，地下构造活动通常会大幅增强，从而导致地下气体的释放出现明显异常变化。在火山喷发所排放的气体中，除了水蒸气外，CO₂的含量通常会位居首位，且火山岩浆岩在加热脱气的过程中也会释放出大量CO₂(Gurrieri et al，2021)。此外，新洋壳形成的水热流体也会释放出包括大量CO₂在内的混合气体(刘耀炜等，2015；张翔等，2019)。

地下流体中许多组分的变化均与CO₂释放有关。在流体迁移过程中，其中具有化学活性的CO₂还会参与不同环境条件下的各类反应。因此，在地球的各种动力学过程中，CO₂有着不可忽视的作用，对一些常见地下气体组分的生成与迁移会产生重要的影响(上官志冠等，1990；Fu et al，2005)。

1.2 CO₂来源判定

断裂带CO₂来源可分为有机成因与无机成因两大类，其中无机成因又可以细分为变质成因和幔源成因。现代地震活动导致地震断裂带释放出大量CO₂，研究人员对其中的稳定碳、氧同位素进行分析，发现这些CO₂主要源于地壳深部的变质成因和幔源成因(上官志冠等，1993)。

δ¹³ C是一种鉴别有机成因和无机成因CO₂的有效指标。当前较为公认的划分标准是：有机成因CO₂的δ¹³ C＜-10‰，主要分布在-10‰~-30‰；无机成因中，变质成因CO₂的δ¹³ C在0±3‰之间；幔源成因CO₂的δ¹³ C大多在-6‰±2‰(表 1)(戴金星，1995；王云等，2015；左银辉等，2021)。

1.2.1 有机成因

有机成因是有机质在热演化过程中经过不同地球化学作用形成CO₂。研究人员针对此类CO₂成因类型的划分开展了一系列研究，将其形成途径归纳为以下5种：有机质被氧化、有机质热降解、有机质微生物降解、有机质裂解以及生物呼吸作用(左银辉等，2021；刘峰立等，2023)。

Sciarra等(2017)的研究表明，意大利梅多拉(Medolla)地区土壤逸出气CO₂主要源于富含有机物的表层和更深层的产热源，2012年艾米利亚—罗马涅(Emilia—Romagna)地震序列前后CO₂异常增加主要是因为构造运动导致浅层有机成因CO₂得到迁移释放。此外，Zhou等(2016)也发现汶川地震破裂带CO₂浓度的异常增加主要源于有机成因。根据已有研究表明，我国有机成因生成CO₂的δ¹³ C在-8~-39‰之间，其中大部分位于-12‰~-17‰区间内(戴金星，1993)。

1.2.2 变质成因

变质成因的CO₂主要以产生时的动力源分为两类：一是接触变质作用，二是断裂变质作用。该成因产生CO₂主要发生的化学反应有：

在400℃高温的作用下，碳酸盐岩石产生分解生成CO₂，反应方程式如下

$ \mathrm{CaCO}_3 \xrightarrow{400^{\circ} \mathrm{C}} \mathrm{CaO}+\mathrm{CO}_2 \uparrow $

(1)

在600~700℃高温作用下，含硅质的碳酸盐沉积岩发生变质，生成硅灰石或者镁橄榄石，反应的过程中伴随产生CO₂气体，反应方程式如下

$ \mathrm{CaCO}_3+\mathrm{SiO}_2 \xrightarrow{600 \sim 700^{\circ} \mathrm{C}} \mathrm{CaSiO}_3+\mathrm{CO}_2 \uparrow $

(2)

$ 2 \mathrm{CaMg}\left(\mathrm{CO}_3\right)_2+\mathrm{SiO}_2 \xrightarrow{600 \sim 700^{\circ} \mathrm{C}} \mathrm{Mg}_2 \mathrm{SiO}_4+\mathrm{CaSiO}_3+2 \mathrm{CO}_2 \uparrow $

(3)

在超过100℃温度作用下，硅酸盐与碳酸盐岩矿物发生水解，伴随反应会产生大量CO₂(Hutcheon et al，1990)，反应方程式如下

$ 5 \mathrm{FeCO}_3+\mathrm{SiO}_2+\mathrm{Al}_2 \mathrm{Si}_2 \mathrm{O}_5(\mathrm{OH})_4+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O} \stackrel{\ge100{ }^{\circ} \mathrm{C}}{\Longleftrightarrow} \mathrm{Fe}_5 \mathrm{Al}_2 \mathrm{Si}_3 \mathrm{O}_{10}(\mathrm{OH})_8+5 \mathrm{CO}_2 \uparrow $

(4)

Troll等(2012)发现2006年Yogyakarta 6.4级期间地壳应力变化加速了钙硅酸盐的变质分解，导致土壤逸出气CO₂异常增多。Chen等(2019)研究发现，唐山断裂带区域土壤逸出气CO₂主要源于有机成因和变质成因，在2018年唐山3.7级地震序列前出现的CO₂浓度异常是由于石灰岩变质生成的CO₂含量增加。

1.2.3 幔源成因

在地幔来源的熔岩喷出气、大洋中脊喷出气以及温泉逸出气中，CO₂一直是主要成分。全球范围内的研究表明，CO₂在火山喷出气体总量中的占比超过50%，甚至可高达98%。此外，岩浆被认为是地下CO₂气体的重要来源，地幔流体中CO₂含量约占总气体量的50%以上(鱼金子等，1998)。

Zhang等(2015)对长白山火山附近温泉和土壤逸出气研究，发现其中CO₂主要源于板块衍生熔体，即幔源成因，后续Wei等(2016)的研究也印证了这一观点。

1.2.4 其他判定方法

如果在地下气体CO₂的研究中仅依靠碳同位素或者含量组分对其来源进行判定，可能会受到同位素δ¹³ C值交叉重叠等因素影响。因此，在原有单一测定δ¹³ C方法上，研究人员还会基于稀有气体比值、复合气体含量比值和多个指标共同约束等多种判识方法进一步提高CO₂来源的判断精度(杜建国等，2003；王云等，2015；左银辉等，2021)。

2 观测方法

已有研究表明，地震断裂带土壤中CO₂释放通量的变化与地震活动之间存在良好的响应关系(李营等，2022)。然而，CO₂气体的浓度测量值在时间和空间上差异较大。例如，在土壤气观测中，CO₂的背景浓度通常在1%~5%之间，而在一些热泉井和泥火山观测点，CO₂的背景浓度甚至高于30%。因此，断裂带CO₂连续观测仪器必须具备高灵敏度、高稳定性和宽量程，以确保能够覆盖背景浓度和异常浓度的测量范围。

在我国断裂带CO₂观测工作中，大部分学者研究都基于地面上定点连续观测和流动观测(刘春国等，2022)，观测方法可以根据所使用的气相色谱仪、CO₂测定管和数字化CO₂仪分为三类。

2.1 气相色谱仪观测法

我国早期的CO₂观测工作通常是在观测点现场采集样品后送至实验室的气相色谱仪进行处理分析。随着技术的发展，便携式和在线式气相色谱仪逐渐推广，这些仪器具有更为便捷的操作优势和更准确的监测能力。气相色谱仪的工作原理是：由于混合气体中各组分的性质和结构不同，导致其在固定相和流动相的分配系统中具有不同的行为和停留时间，从而可以通过分离或顺序检测来确定各组分的含量。

2008年5月12日，四川汶川发生8.0级地震。固原硝口水化观测点的CO₂气体观测值在1至3月出现缓慢波动，在4月底至5月初时多次出现了超过2.5倍均方差的异常高值。该监测点还在1990—2006年间6次地震前观测到缓降后转折上升且出现多次单点突升的CO₂前兆异常(表 2，图 1)(司学芸等，2011)。

刘雷等(2012)在2010年玉树地震后观测到：在5月和6月断层土壤气CO₂浓度持续增加过程中，发生了包括1次4.8级和2次5.7级地震在内的多次余震；在7月13日玉树4.9级余震发生前，CO₂浓度出现明显的波动变化(图 2)。Fu等(2017)在中国台湾北部关西竹东地区发现，地震发生前的几个小时到几天内土壤逸出的氡和钍浓度会出现大幅度异常，而作为载气的CO₂也与这两种气体呈现正相关变化。

Xu等(2012)发现长白山火山周围3个温泉的CO₂含量在2002—2006年的地震火山活跃期出现显著提升(图 3)。研究人员在云南香格里拉下给、天生桥温泉和四川康定龙头沟温泉的研究中也发现，断裂带区域温泉水化学和逸出气中CO₂浓度会在地震前出现明显异常现象(李志鹏等，2012；李其林等，2019)。

2.2 CO₂快速测定法

1988年起，CO₂快速测定法在国内经实验证明后，由于其低成本、操作简单等一系列优点，被广泛投入使用(林元武等，1998a)。CO₂快速测定法是基于化学反应的监测法，使用的测定管内部填充吸附了百里酚酞的活性氧化铝，其工作原理是：CO₂进入管内改变内部酸碱环境，使得百里酚酞由蓝色本色变为无色，继而将活性氧化铝的白色本色显露出来，因此可以根据测定管白色柱体长度直接推算出单位时间内进入管中的CO₂量。

CO₂快速测定法与其他两种方法的测定原理不同，测出的CO₂数据含义也不同。CO₂快速测定法是一种绝对测量法，其含义是从测定管放置到回收时间段内(一般为24h)测定孔中释放出的CO₂总量，单位为mg/d。

林元武等(1998a、1998b)观测记录了1991—1998年期间9个4级以上地震的怀来断层气CO₂前兆异常震例(表 3)。这些CO₂异常出现在震前15~47天，异常峰值是背景值的1.3~10倍，大多数地震发生在异常达到峰值后的下降过程中(图 4)。

官致君等(2002、2003)发现北川断层气CO₂在1999年绵竹2次5.0级地震前均出现跳跃上升型异常，测值高出正常年均背景值约为39%。在2001年四川雅江5.0级和6.0级地震前，观测到距震中190km处的冕宁断层气CO₂出现跳跃波动上升型异常，异常峰值接近背景值2倍大小。此外，2001年云南永胜6.0级地震前2个月，观测到距震中250km处的冕宁断层气CO₂日测值出现异常，高出背景值约46%(图 5)。

1999年11月—2004年12月期间，长乐筹东CO₂监测点于7次地震前测得CO₂前兆异常特征(表 4)。这些异常出现在震前10~44天不等，表现为跳跃式或振荡式上升，变化幅度异常达到同期正常背景值的2~3倍(图 6)(林依再，2006)。

张立等(2007)分析了2005—2006年间滇东北地区地震前会东和普格监测点发现的断层气CO₂异常(图 7)。观测发现：临近地震发生的短期阶段，流体前兆异常数量有明显增多的趋势；在2006年地震频发期间，CO₂异常幅度更大。

2.3 数字化CO₂仪检测法

目前用于断层气监测工作的数字化CO₂仪主要分为3种，分别是：基于传统红外技术(IR)、基于非色散红外技术(NDIR)和基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)的数字化监测仪。这三类仪器都是利用了Beer-Lambert定律，通过测量被观测气体吸收前后的光强变化，计算出被测气体的浓度(杨伊娜等，2022；陈家金，2018)，其公式如下

$ I=I_0 \exp (-\alpha C L) $

(5)

式中，I为出射光强，I₀为入射光强，α为气体吸收系数，C为气体浓度，L为吸收路径长度。式(5)通过变换得到

$ C=\ln \left(\frac{I_0}{I}\right)(\alpha L)^{-1} $

(6)

红外光或者单一频率激光的L、α已知，通过监测入射光强I₀与出射光强I的比值，即可通过公式推出气体的浓度C。

IR和NDIR数字化监测仪均使用红外光作为光源，区别是NDIR传感器使用滤光器来选择特定的红外光谱范围(杨伊娜等，2022)。TDLAS数字化监测仪使用单一频率的激光器作为光源，能够与气体分子的吸收频率匹配，从而具有良好的选择性和高灵敏度(陈家金，2018)。

在2013年阿普安阿尔卑斯山5.2级地震发生前几周，加利卡诺热矿泉监测站观测到CO₂含量出现异常增长异常情况；该监测站还在2012年波河平原5.9级群震和2013年皮耶韦福斯切纳5.2级地震前监测到明显的CO₂浓度异常现象(图 8)(Pierotti et al，2015)。此外，研究人员在一些群震前观测到断裂带土壤逸出气和水中溶解气CO₂浓度显著异常的案例，这可能是由于地震数量较多而导致CO₂前兆异常现象被放大(Weinlich et al，2016；Gori et al，2022)。

2012年云南省彝良5.7级、5.6级地震前，云南大关台、四川普格台和布拖台的数字化CO₂仪均监测到土壤气CO₂在地震发生前三个月内出现异常增长，并在震前一个月左右达到高峰(图 9)。此外，CO₂的前兆异常在短临阶段出现由外围向震中迁移的现象(何德强等，2014)。

2014年10月7日，云南景谷发生6.6级地震。滇西鹤庆、洱源数字化监测台固体CO₂测项在震前多次出现同步性异常。此外，在历史强震和群震发生前，两监测台的CO₂也多次出现了同步性异常(图 10)(杨芬等，2017)。

在2018年唐山古冶3.3级、2019年唐山丰南4.5级和2020年唐山古冶5.1地震前，唐山赵各庄、靳庄、北泊3个监测点同步记录到不同程度的土壤逸出气CO₂浓度异常变化(表 5)。这些异常形态主要有阶跃上升、振荡式上升和突跳3种，异常峰值最大为背景值的3.8倍(张志相等，2022)。

2.4 台网简介

随着技术的发展，站点能够利用便携式气相色谱仪实时独立地对CO₂进行监测。据文献统计，气相色谱仪检测法目前已经在北京、河北、辽宁、四川、云南和新疆等省市多个监测点普及；自1988年CO₂快速测定管法在华北地区实验成功后，该方法凭借简便、价廉、干扰少及机动性强等特点，已在全国18个省市自治区推广应用，观测点达上百个，并在多个省市取得了较好的震例；数字化CO₂仪在我国起步较晚，随着河北省地震局和杭州超距公司等单位公司的数字化CO₂仪研发成功，该方法开始由北京、河北等省市监测点试点使用逐渐推广至全国多省市的监测站点，据文献统计，北京、天津、河北、江苏、甘肃和新疆等省市数十个监测站点已经配备了数字化CO₂仪进行监测。

截至2023年9月，国家台网数据统一管理35个CO₂观测站点，其中有22个站点利用CO₂测量管法，有8个站点使用气相色谱仪测量CO₂组分，有5个站点使用RZW-1A型数字CO₂观测仪器监测。

3 数据处理 3.1 数据处理

地震观测数据的内涵非常丰富和复杂，不仅包含了地震科学研究需要的相关信息，也包含误差和干扰噪音。这些误差干扰的产生主要源于自然环境、人类活动、观测工作条件以及其他多种偶然因素。观测数据处理的根本目的是区分和识别信息和噪音，并抑制噪音以突出信息。在地震监测研究工作中，希望能够识别和提取有效的地震前兆异常信息，揭示不同类别观测数据之间的定量关系，为地震预测提供更明显、可靠和科学的依据。

相关分析法通过研究两个或两个以上同等地位的随机变量间的关系，从而探究变量之间的关联方式及相关程度。张占阳等(2022)对观测数据与地温进行相关性分析，发现断层活动是引起唐山地震台CO₂浓度和地温相关系数趋势变化的主要因素。

回归分析法是一种处理两个或两个以上变量间依存关系的统计方法，并用于说明变量间依存变化程度的定量关系。林元武等(1998b)通过建立怀来土壤气中CO₂释放浓度与地温的一元线性回归方程，判断出CO₂变化基本受地温的影响。

此外，在地震地下流体观测资料的数据处理工作中，还有调和分析(张昭栋等，1989)、数字滤波分析(高静怀等，1996)、频谱分析以及经验模态分解法(Huang et al，1998)等多种方法。

3.2 异常识别

在断裂带CO₂监测以及其他地震相关研究中，经常出现各种异常信号数据。除了误差和干扰外，异常信号中可能蕴含着重要的研究数据信息。当这些异常十分显著时，可以直接通过原始动态曲线识别(张素欣等，1998；郑云贞等，1999)；但有时这些异常隐含在正常动态之中，很难直观地识别出来，此时就需要进行一定的方法操作将异常凸显识别出来。

差分法通过对测值求取差分获取测值变化速度来寻找异常，是一种压抑较长周期、突出较短周期变化的线性滤波器。杨芬等(2017)利用差分法识别出滇西数字化监测台在云南景谷6.6级地震前出现的固体CO₂异常。

从属函数法通过获取观测曲线随时间的斜率变化的量——模糊从属函数μ值，来判断测值是否异常。叶秀薇(2004)利用从属函数法提取粤闽地区地下流体的地震前兆异常，共有23次异常与粤闽两省5级或中国台湾地区6级以上地震对应。杨兴悦等(2006)也利用从属函数法从武山22号井水氡资料中提取出异常，并成功对应4次5.8级以上地震。

此外，在地震地下流体观测资料的异常识别工作中，还有滑动均值异常法、概率密度分析法以及层次跟踪法等多种方法。

4 CO₂映震特性 4.1 CO₂浓度的映震特性

前文提及的震例均表明，断裂带CO₂参数异常变化可以被视为一种重要的前兆表现。在没有强震发生时，土壤逸出CO₂和地下流体溶解CO₂参数的月均值保持平稳，呈现出夏高冬低的年内波动趋势。然而，当邻近地区存在强震孕育过程时，能观察到CO₂参数会出现明显的前兆异常变化(王祯祥等，2002)。这些异常变化通常于震前短期或临期时间内出现，表现为偏离平均测值的持续升高或降低，整个异常过程可能持续数月甚至一年以上(上官志冠，1995a；高清武等，1992)。

本次研究统计了1991—2020年39例地震期间的断裂带CO₂监测数据(表 6)。通过对以往数据综合分析后发现，断层带附近土壤中逸出的CO₂有很强的映震能力，甚至是断层带附近地下水中溶解CO₂也对地震有所反映。

断裂带CO₂前兆异常形态显著，主要为偏离正常年动态的突升及多点高值起伏型，整个周期多表现为“突升—多点起伏—地震发生—恢复至年动态背景值”(刘飞等，2020)。目前观察到的数据显示，突升阶段多为陡然增长(图 4(d))或阶梯式逐步升高(图 4(c))，恢复阶段多为陡然降低(图 4(d))或阶梯式逐步降低(图 4(c))。

由于地下应力在地震发生前就已经开始积累，而地下气体作为构造应力的敏感指标，因此能在应力场变化初期就产生异常变化(上官志冠，1995a；晏锐等，2018)。断裂带CO₂前兆异常通常表现为地震前的中短期异常，时间主要集中在震前数天至数十天内。一般情况下，地震会发生在CO₂达到异常峰值后的下降过程中。通过统计震例，发现超过一半的地震CO₂前兆异常的提前量在一个月以内，其余一部分在数月左右(图 11)。

CO₂异常的最高峰值通常是年均变化背景值的数倍到数十倍不等。通过对统计震例的分析，发现大多数地震CO₂前兆异常的幅度在年均变化背景值的数倍左右，一般集中在2~3倍范围内，只有个别震级较大、震中距较近的震例中出现了异常幅度达到年均变化背景值的十倍左右(图 12)，具体的异常表现形态可能与观测地点的地质结构以及CO₂来源相关(上官志冠，1995a；林元武等，1998b；何德强等，2014)。

考虑到样本量因素后，本文分别对怀来(林元武等，1998b)、苏州(殷世林，2003)和长乐(林依再，2006)记录的震例信息进行多元线性回归拟合，得到这些地区震级、震中距与前兆异常提前量的决定系数R²分别为0.4、0.7、0.8，震级、震中距与前兆异常幅度的决定系数R²分别为0.7、1.0、0.7。该结果表明，同一地区CO₂前兆异常提前量和幅度均与震级、震中距可能存在较好的相关性。

4.2 影响因素

当研究地下气体排放与地震活动之间的关系时，不得不考虑多个复杂影响因素。本节将分别总结出构造应力、温度、气压以及降水等主要因素对地下气体排放的影响。这些因素相互作用，共同塑造着地下气体的行为，为深入理解地震活动和地下气体之间的关联提供了关键见解。

4.2.1 构造应力

在地震活跃地区，构造应力是地壳变形和破裂的主要推动力，是影响地下气体排放的关键因素，能够控制构造结构形成从而改变脱气途径，并成为气体运移的驱动力(Cui et al，2019)。一些对地下CO₂和地震活动数据长期监测的研究表明，无论是地下CO₂的空间分布还是逸出排放，都与地下应力状态之间存在高度相关性；构造应力可以有效地调节地震活动区的地下气体排放，CO₂排放强度与构造应力强度呈正相关(Camarda et al，2016；朱成英等，2022；Li et al，2023)。此外，上官志冠(1995b)和Bonini(2022)研究发现，地震等构造活动还可以引发水文地质系统的持续脱气现象，持续时间与震级大小存在相关性。

4.2.2 温度和气压

温度和气压是影响地下CO₂观测的重要因素，也是造成其呈现夏高冬低周期变化的主要原因(赵洁等，2023；Zhou et al，2023)。现有研究已证明，土壤气CO₂浓度与温度呈正相关关系，其相关程度高，且对温度变化的响应存在一定滞后性(龚永俭等，2014；马玉川等，2014)。另一方面，土壤气CO₂浓度与气压呈负相关关系，相关程度较好(符泽宇等，2023；孙煜杰等，2023)。因此，在对土壤气CO₂观测时，必须考虑相应的温度和气压修正，以确保数据的准确性。

4.2.3 降水

降水是另一个潜在的CO₂浓度影响因素，能够阻碍地下气体的运移和释放导致断层气CO₂浓度的异常变化(张志相等，2022)。土壤气CO₂浓度与降水量通常呈微弱的负相关关系，但由于降水因素具体作用机制复杂且存在地域性特征，在部分地区会出现两者相关程度提升的情况(龚永俭等，2014；孙煜杰等，2023)。虽然降水因素不具有普遍性，但在进行断层气CO₂浓度观测与研究时，需要因地制宜地考虑降水的影响作用，以确保对断层气CO₂进行准确地观测研究。

5 结论与讨论 5.1 结论

本文从历史发展、来源判定、监测技术、映震特性和影响因素几个方面介绍了断裂带CO₂研究进展，得出以下结论：

(1) 地下CO₂的来源可以根据形成机理主要分为三类：有机成因，即有机质在热演化过程中经过不同的地球化学作用和生物呼吸作用形成；变质成因，即碳酸盐围岩与侵入体相互作用分解或者含碳酸盐矿物岩石在地下深部高温热源作用下分解形成；幔源成因，即地幔流体中的CO₂通过不同途径释放逸出。大部分断裂带CO₂来自变质成因和幔源成因。

(2) 目前我国的断裂带CO₂观测工作主要基于气相色谱仪法、CO₂快速测定法和数字化CO₂仪法。气相色谱仪法起步最早、精度最高，目前已经被大量应用；CO₂快速测定法具有操作简便、成本低廉及机动性强等特点，是我国断裂带土壤逸出气CO₂观测工作的主要方法，但该方法不能用于水中溶解气观测，观测的连续性和精度也不及其他两种方法；数字化CO₂仪法在我国起步较晚，但凭借着优于气相色谱仪法的操作便捷性和优于CO₂快速测定法的精确性，该方法如今得到快速推广。

(3) 断裂带CO₂测项映震灵敏，在地震前的异常变化十分显著，其异常峰值在正常背景的数倍至数十倍不等。前兆异常往往出现在震前几个月或震前几天至十几天不等的时间范围内，而地震多发生在异常峰值出现后的缓降恢复期间或异常结束之后。无论是断层带土壤逸出的CO₂还是地下水中溶解的CO₂，均与地震存在良好的响应关系。

(4) 由于地下应力构造和外部气候环境等条件的差异，导致不同的观测点观测到的CO₂浓度变化规律也不尽相同。断裂带土壤逸出气CO₂浓度变化主要受地下应力影响，与地下应力强度变化呈正相关，相关性强，响应快；与温度变化呈正相关，相关性强，响应存在滞后性；与气压变化呈负相关，相关性较好；与降水呈负相关，相关性根据环境因素变化。

5.2 讨论与展望

CO₂浓度作为地下气体观测中的重要测项，可以反映地下断层活动信息和应力状态，在地球化学研究中具有重要的地位和意义。研究人员已经证实地震的孕育和发生过程通常会引发断裂带CO₂浓度的异常变化，且通过对这些前兆异常的研究，创造了一些地震预测的成功案例。此外，断裂带CO₂浓度测项还为地震危险区段的划分和震情跟踪分析提供了重要的数据支持。然而，由于技术条件和数据样本量的限制，仍需进一步研究CO₂前兆异常与地震强度以及震中距之间的关系。

在利用断裂带CO₂进行地震预测的研究应用中，还有一些挑战亟待解决。首先，需要进一步完善观测仪器，对现有观测仪器在稳定性、连续性、准确性以及成本方面进行优化改进，以提高CO₂浓度的准确观测能力，加快先进CO₂观测设备的推广普及。其次，需要不断改进优化观测方法和数据处理方法，结合空基无人机观测和星基卫星观测等先进手段辅助观测，构建多参数、多仪器、多台站的综合观测模式，利用机器学习等方法构建CO₂逸出模型，拓宽观测数据获取的来源方法，提升数据处理和异常识别的算法能力。最后，需要建立更多样、更全面的案例数据库，以便对CO₂前兆异常与地震强度和震中距之间的关系进行更深入的研究。

通过进一步研究CO₂前兆异常，完善相关观测技术和积累数据信息，将有助于对深源地下构造运动和地震发生机制的进一步认识和理解，提高地震预测预报的准确性和可靠性，为地震灾害防治和应急响应等工作提供重要的科学依据，从而减少地震灾害对国家社会安全和人民生命财产造成的损失。