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我国是世界上发生大陆地震最多的国家,地震给我国人民的生命财产带来巨大威胁,揭示地质运动规律、探索地震成因、研究地震预警方法具有重要意义。第十三个五年规划以来,我国地震观测仪器得到了进一步的发展,多种地震前兆参数的观测方式已由台站定点观测逐步转向野外原位观测。然而,CO2碳同位素丰度观测仍然采用野外采样、实验室观测的方法。这种离线观测方法准确度低、观测数据量少、实时性差,给地震的研究带来诸多限制。针对上述问题,本研究采用可调谐二极管激光吸收光谱技术（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS）实现CO2碳同位素的野外原位观测。TDLAS技术是一种较为成熟的气体检测技术,具有检测性能高、抗干扰能力强、使用成本低等特点,具备野外原位观测的潜力。但是,TDLAS技术应用于野外原位观测中仍然存在一些亟待解决的问题:其一,恶劣的环境会影响基于TDLAS技术的检测系统性能,导致检测系统准确度和精密度下降;其二,被测气体温度的不确定性也给高准确度的同位素丰度检测带来困难。针对以上问题的现有研究并没有在理论上阐明其与同位素丰度检测结果之间的内在联系,使该技术的野外原位应用受到限制。因此,针对野外环境和被测气体温度对检测系统的影响,本文开展了以下研究工作。（1）野外用CO2碳同位素丰度检测系统的研制。针对检测系统在野外应用中的环境适应性问题,研制了野外用CO2碳同位素丰度检测系统。系统采用模块化设计,分为光学子系统和电学子系统两部分。在光学子系统中,通过吸收谱线的选取及优化,避免了水线对检测结果的影响,从原理上消除了野外高湿度环境对检测的干扰;通过光学元件的选型和性能评估计算了检测系统的性能;通过一体化光学子系统的研发,具备应对强震情况的潜力。在电学子系统中,通过信号激励单元的设计及参数优化,提升了系统的检测性能;通过信号采集单元的设计给出了系统检出下限的估计;通过二级温度控制系统设计,设计检测系统具备了应对野外环境温度变化的能力。最后,针对野外环境对激光器输出的干扰,提出了谐波峰值获取算法,通过谱线自锁定和峰值自识别算法,使检测系统具备野外环境中长期工作的能力。（2）非等温气体样品温度梯度场补偿技术（Temperature Gradient Field Compensation,TGFC）研究。针对野外应用中,被测气体温度的不确定性,从理论推导、仿真分析和实验验证三个方面出发,提出了用于非等温气体的同位素丰度补偿技术。在理论方面,通过将被测气体微元与Beer-Lambert定律相结合,推导了非等温气体补偿理论,同时,建立了被测气体传热模型,为补偿技术提供了理论基础。在仿真分析中,根据理论传热模型,计算了不同温度的被测气体不同时刻的参考温度梯度场,并构建了参考温度梯度场数据集,为补偿技术提供了数据支撑。在实验中,研制了温度传感器一致性标定系统,并进行了温度传感器的一致性标定。同时,通过等比例多通池模型,修正了传热模型与多通池实测数据之间的误差,消除了参考温度梯度场与实际温度梯度场的误差。（3）非线性同位素丰度检测系统建模与辨识技术研究。针对外部扰动导致系统检测准确度和精密度降低的问题,提出了用于非线性同位素气体检测的Hammerstein模型及子空间辨识技术（Subspace Identification of Hammerstein Model,SIHM）。首先,从理论上分析外部扰动造成系统非线性的原因,并得出了被测气体温度和压强的变化是导致检测系统性能下降的主要因素。然后,采用Hammerstein模型描述非线性同位素检测系统,并推导了模型的辨识过程,消除了模型中的噪声项,获取了待辨识参数。最后,论述了同位素丰度检测系统模型的辨识步骤,并验证了辨识技术的去噪性能及辨识结果的准确性。（4）融合温度梯度场补偿的非线性同位素丰度检测方法及野外实验。针对温度梯度场补偿技术和非线性同位素丰度检测系统建模与辨识技术不兼容的问题,提出了融合温度梯度场补偿的非线性同位素丰度检测方法（TGFC-SIHM）。该方法改进了同位素丰度检测系统的非线性模型,将温度梯度场作为输入参数与模型融合,并通过微元的转换,减小了辨识过程的计算量,使模型的野外原位检测应用具备可行性。通过实验测试,对比了成熟的TDLAS技术、TGFC技术、SIHM技术和TGFC-SIHM方法用于同位素丰度检测的准确度、精密度以及不确定度。由实验结果可知,TGFC-SIHM方法在上述三项性能方面提升明显。通过连续室外试验和不同温度的被测气体检测试验,验证了采用该方法的检测系统抗干扰性。结果表明,系统能够有效应对外部扰动和不同温度被测气体的干扰。最后,在丰满地震台进行了为期2天的野外观测试验。试验结果表明,检测系统能够稳定运行,并对地下溢出气体的同位素丰度变化做出有效反应。综上,本文提出的TGFC-SIHM方法同时解决了外部环境对系统的干扰以及被测气体温度对检测准确度影响的问题,提升了同位素丰度检测的准确度和精密度。将该方法与同位素丰度检测系统相结合,能够实现野外地球化学同位素长期观测的目的,为我国地震地球化学的研究提供支撑。