CO₂、CH₄和CO是大气中碳循环的主要气态载体，其排放量估算工作是碳收支情况研究的重要组成部分，不仅在大气环境与全球变化研究中必不可少，而且对环境评价、控制碳排放政策制定也有重要意义 (林而达，1998；郭正府等，2010) 。目前针对全球变化研究中，已有的地球脱气的研究主要集中在火山排气 (American Geophysical Union，1992; Varekamp et al., 1992) ，对于火山喷发期和间歇期的脱气都有大量的研究 (Gerlach，1991; American Geophysical Union，1992; Varekamp et al., 1992；Granieri et al., 2010；郭正府等，2010) 。非火山成因的CO₂-CH₄排放是碳循环平衡的主要贡献，但是对此研究较少 (Kerrick et al., 1995；Mörner and Etiope，2002) 。目前，只获得了部分地热和活动构造区的非火山CO₂ (Chiodini et al., 1998; Etiope，1999; Lewicki and Brantley，2000) 、CH₄ (Etiope，1999; Etiope et al., 1999) 排放速率和通量数据。与地震有关的断裂带排气是非火山成因排气的主要部分，每年由于地震而排出的含碳气体 (CO₂，CH₄) 约100×10⁸~300×10⁸ m³ (Gold，1979) 。以往多把地震断裂带排气作为地震前兆来研究 (Toutain and Baubron，1999; Ghosh et al., 2011；Yasuoka et al., 2012) ，而对地震断裂带区域的连续和间歇排气量及其对大气环境影响的研究很少。2008年5月12日发生的汶川8.0级地震造成约300 km的地表破裂，龙门山断裂带向大气中排放了大量CO₂、CH₄和CO等含碳气体 (Zhou et al., 2010；张景廉等，2011；岳中琦，2013；崔月菊等, 2016a, 2016b) 。估算汶川地震伴随的大范围含碳气体的排放量，对从地质排放角度研究碳排放来源有重要意义。

断裂带地区的土壤气监测可用于研究气体排放的时空特征，但是目前研究仅在有限的固定观测点和流动观测区域监测土壤气通量，从而估算整个地区的气体排放量。随着高光谱遥感技术的发展，可以实现大气CO₂、CH₄和CO等气体的快速、大范围监测。本文利用卫星高光谱遥感数据根据汶川地震活动造成的龙门山断裂带含碳气体排放的时空分布特征估算了其对大气含碳气体的贡献量。

1 数据和方法

所用数据均选自美国宇航局 (National Aeronautical Space Agency，简写为NASA) 对地观测卫星Aqua上搭载的大气红外探测器AIRS (Atmospheric Infrared Sounder，简写为AIRS) 传感器的降轨 (晚上) 数据 (Aumann et al., 2003；Hearty et al., 2015) 。CH₄和CO选取柱含量参数，即CH₄总量 (TotCH₄) 和CO总量 (TotCO) ，单位为每平方厘米的分子数 (molecules/cm²) ，空间分辨率为1.0°×1.0°，数据精度为1%和15%；CO₂参数为体积混合比 (VMR) ，空间分辨率2.5°×2.5°，数据精度为0.5% (Susskind et al., 2003；Barnet et al., 2004；Won，2008) 。

1.1 CH₄和CO排放量估算

选取2003~2015年 (不包含2008、2009和2013年，减小汶川和芦山地震的影响) 数据，计算对应经纬度 (lon，lat) 对应月份 (t) 气体含量的算数平均值作为对应地区的背景值G_bac (lon，lat，t) ：

(1)

(2)

式中：N=10。用当前气体含量G (lon，lat，t) 减去背景场，可得到异常差值A (lon，lat，t) ：

(3)

异常指数A_index (lon，lat，t) 为异常差值 (式3) 与标准偏差 (式2) 之比 (式4) (Valerio et al., 2001; 崔月菊等，2016c) ，用于评价异常的可靠性。

(4)

如果A_index≥2，异常可靠性达到95.44%，A_index≥1，异常可靠性达到68.26%。

对A_index≥2或者1的异常像元的气体异常差值求和得到总异常质量m (lon，lat，t) ：

(5)

式中：NA=6.02×10²³，阿伏伽德罗常数，M为分子质量，像元面积S=D_lon×D_lat。D_lon和D_lat分别表示像元在经纬度上的距离。经纬度在不同地区，每度距离差是不同的，如果假定地球是完美的球体 (这样假设误差不是很大) 的话，纬度为B的地区：

纬度变化1°，D_lat变化：

经度变化1°，D_lon变化：

式中：R为地球平均半径6371 (km) 。

1.2 CO₂排放量估算

因为CO₂存在年变，所以选取2003~2007年 (没有发生过5.0级以上大震) 数据，计算了该地区各个月份的年平均增长量d≈2×10^-6。对于CO₂异常质量的估算，利用公式 (6) 获得单位面积上的异常质量m (mg/m³) ：

(6)

式中：，为气体标准摩尔体积。

然后利用公式 (7) 分别对A≥2d或d的像元求和估算总异常质量：

(7)

式中：h≈12 km，为对流层平均厚度。对流层集中了约75%的大气质量，因此除以75%得到整个大气层的CO₂质量。

2 结果

汶川地震前后龙门山断裂带CH₄和CO气体与背景值的差值及异常指数变化 (图 1、图 2) 显示CH₄和CO异常出现在5月12日及20日，位于震中附近，在两条断裂交汇处，异常强度最大，且受断裂带控制明显 (崔月菊等，2016b) 。分别对异常指数大于2和1的异常像元的CH₄和CO总量积分，得到汶川地震引起的CH₄和CO气体的总排放量 (表 1) 。CH₄和CO气体最大变化量均发生在5月12日 (地震刚发生时段) 分别达到8549吨和4740吨。震前3月份龙门山断裂带区域CO₂气体变化量最大 ( > 6 mg/m³) ，排放量达到87.15 Mt (表 1，图 3) 。

3 讨论

CO₂-CH₄-CO主要来源于地幔、含碳岩石的变质作用、有机物质分解和地表生物活动 (Irwin and Barnes, 1980) 。通常断裂带的含碳气体是这几种来源的混合 (Sugisaki et al., 1983) 。采用爆裂法对不同温度下幔源包体岩石中气体排出量进行研究，发现在幔源包体中存在CO₂、CH₄、CO等气体，且随着加热温度增高气体的排气量增大 (杜乐天，1993) 。岩石破裂试验证明，在火成岩、变质岩和沉积岩等含碳岩石挤压、破裂过程中会产生大量的CO₂、CH₄、CO等气体 (Giardini et al., 1976) 。CO₂、CH₄等是地球内部高温、高压地质流体中的重要组成部分 (朱永峰，1998；刘舒波等，2012) 。

地震活动和断层分布对断裂带排气有重要的影响 (Gold，1979；Irwin and Barnes，1980；Etiope et al., 1999；Mörner and Etiope, 2002) 。活动断层是由高破碎矿物、断层泥和流体组成的低强度集中区，是地壳的不连续处，以高渗透性和多孔性为特征，是地壳及更深部流体向上逸出的有利通道 (Irwin and Barnes, 1980) 。因此龙门山断裂带长期不断有地球内部含碳气体以各种形式沿断裂带向大气中排放，卫星高光谱遥感数据 (崔月菊等, 2016a, 2016b) 以及地表断裂带土壤气测量 (周晓成等，2017) 都表明龙门山断裂带长期有地下气体释放。土壤气测量估算汶川地震破裂带每年向大气贡献0.95 Mt CO₂ (周晓成等，2017) 。高CO₂通量出现在高热流区 (活动和古老的火山活动) 和一些深大断裂区，而全球地热区与地震带空间吻合很好 (Du et al., 2008) 。地震活动使得土壤中有效孔隙度增大，使得气体容易迁移，利于气体扩散，使得气体排放量增大 (图 1~3) 。汶川地震的发生形成大量的地表破裂，导致地质构造破裂为地下热水和天然气提供了上升通道 (王成善等，2009) ，使得地震后沿地震地表破裂带气体的释放量显著增加，CH₄，CO和CO₂分别达到4740 t，8549 t和87.15 Mt，CO₂排放量约为该破裂带平时释放量 (0.95 Mt，周晓成等，2017) 的100倍，数量级快达到全球整年非火山地区释放的CO₂的量 (10²~10³ Mt) (Mörner and Etiope, 2002) 。全球范围内火山间歇期土壤脱气、温泉脱气、喷气孔脱气的CO₂排放规模分别可达1 Mt km^-2a^-1、1 Mt a^-1和10 Mt a^-1 (张茂亮等，2011；Inguaggiato et al., 2012；成智慧等，2014) ，仅相当于汶川地震导致的CO₂排放规模的1%。

卫星传感器监测到的含碳气体变化除地质因素外，还受地物类型分布、季节气候、气象因素的影响。背景场的建立可一定程度剔除背景排放对大气影响，估算汶川地震相关的含碳气体排放增量。地震引起的断裂带排气释放到大气中，受大气物理化学过程的影响，主要包括化学转化过程、传输及沉降过程等。如化学过程有CH₄氧化生成CO；CO被OH氧化成CO₂；CH₄氧化成CO₂。传输过程包括水平传输和垂直传输。沉降主要是干湿沉降。因此，需要计算分析影响大气中含碳气体浓度变化的各个物理化学过程 (林云萍等，2007) 。本文仅用卫星高光谱数据简单估算了CO₂、CH₄、CO气体排放较背景场的变化量，并未考虑大气物理化学过程的影响，若考虑气体的扩散作用和排放过程中的氧化过程，CH₄和CO的变化量应高于目前结果。

地震活动引起的CO₂，CH₄和CO等含碳气体的大量排放对大气环境有重要的影响。CO₂是大气含量最多的温室气体，可以透过太阳短波辐射，吸收地球放出的长波辐射，使气温升高，导致某些地区雨量增加、某些地区干旱，加剧自然灾害，对全球气候变暖、海平面变化和生态系统的变化等有重要影响。CH₄是仅次于CO₂的温室气体，温室增温潜力是CO₂的2l~22倍 (Houghton et al., 2001) ，或者更高 (丁仲礼等，2009) 。CO₂、CH₄除了对全球变暖有贡献外，还会影响大气的氧化能力和对流层的臭氧浓度。CO与OH自由基反应消耗大约60%的OH，减弱了大气的氧化性，间接地阻碍CH₄等气体的氧化，影响了大气中CH₄的含量和滞留时间。此外，CO还是对流层O₃生成的重要反应物 (Crutzen，1974；Fishman et al., 1979；Fishman and Seiler, 1983) 。Tie等 (2006) 的研究表明中国东部地区大约52%的臭氧来自于CO的氧化。

4 结论

龙门山断裂带长期向大气中排放大量的含碳气体，地震活动会加剧地下气体沿断裂带等通道向上运移，释放到大气中。汶川地震的发生导致川西地震带在短时间里向大气中至少多排放了4740 t CO、8549 t CH₄和87.15 Mt CO₂，相当于全球一年的非火山排气量。显然，大地震活动造成地震带的含碳气体排放量巨大，不容忽视，会对大气温室效应和全球变化产生重要影响，是地质碳排放的重要组成部分，在今后的大气环境研究当中应得到重视。