唐山地區(qū)土壤氣Rn通量及其與地震活動(dòng)的關(guān)系*

路 暢，李 營，胡 樂，趙 策，劉兆飛，3，邵俊杰，陳 志

(1.中國地震局地球物理研究所，北京 100081；2.中國地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036；3.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083)

0 引言

地震的孕育和發(fā)生是地下物質(zhì)遷移、能量釋放和應(yīng)力改變的過程。在此過程中，斷裂帶及其周邊區(qū)域流體的地球化學(xué)特征會(huì)發(fā)生改變(King，1996；陶明信等，2005；郭正府等，2017；Buttitta，2020)。土壤氣作為一種可以客觀、靈敏地反映地殼中應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)的流體，已被廣泛應(yīng)用于地震監(jiān)測(cè)、活動(dòng)斷層識(shí)別、環(huán)境評(píng)價(jià)等領(lǐng)域(王詩東等，2011；Ichedef，2013；周志華等，2014；李靜等，2018)，其觀測(cè)組分通常包括Rn、Hg、SO、CH等氣體(Li，2013；Peiffer，2014；劉兆飛，2020)。

Rn是鈾和釷衰變過程中產(chǎn)生的一種惰性放射性氣體，廣泛存在于地殼中。Rn的釋放受到環(huán)境中物理?xiàng)l件(地質(zhì)條件、大氣等)的影響，而不受化學(xué)過程的影響(Reddy，1996)，且由于其在自然界中的低濃度和短半衰期(3.825 d)，土壤氣Rn作為氣體來源的指示劑(Pinault，Baubron，1996)，被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)構(gòu)造與地震活動(dòng)(蘇鶴軍等，2020；Muto，2021；Zhou，2020，2021)。

地球脫氣是指地球演化過程中揮發(fā)性分類從內(nèi)部向外部運(yùn)移的過程。對(duì)于脫氣研究多數(shù)集中在火山區(qū)(Chiodini，2008)、溫泉區(qū)(Walter，2020)、裂谷區(qū)(Muirhead，2020)等，而對(duì)地震斷裂帶的排氣研究相對(duì)較少(周曉成等，2017)。目前，唐山地區(qū)已開展大量與土壤氣相關(guān)的研究工作，多聚焦于斷裂帶剖面的土壤氣濃度與通量測(cè)量(韓曉坤，2014；王喜龍等，2017；Chen，2018)、不同時(shí)間的多期次測(cè)量(楊江等，2019；盛艷蕊等，2020)、土壤氣濃度的異常判定以及影響因素等(Wang，2014；趙元鑫，2021)，也有對(duì)不同深度(0.2 m、1 m)土壤氣通量的差異和成因的討論(趙紅坤等，2020)。

目前關(guān)于唐山地區(qū)土壤氣濃度與通量之間的關(guān)系、通量濃度的控制因素等方面的研究還比較薄弱，缺乏對(duì)土壤氣Rn通量的背景場(chǎng)的研究。2021年8月，中國地震局地震預(yù)測(cè)研究所流體地球化學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)唐山地區(qū)的196個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了土壤氣Rn通量測(cè)量，旨在建立區(qū)域內(nèi)土壤氣Rn通量背景場(chǎng)，本文探討其空間分布特征及影響因素，如地震活動(dòng)、測(cè)量條件、值。

1 地震地質(zhì)背景

1976年，河北省唐山市發(fā)生震驚世界的7.8地震，唐山地區(qū)地震活動(dòng)至今仍然活躍，是良好的地震科學(xué)研究試驗(yàn)場(chǎng)。近5年來，研究區(qū)(圖1)發(fā)了42次≥2.0地震，其中包括2019年12月豐南4.5地震和2020年7月古冶5.1地震。

唐山地區(qū)位于燕山南緣，緊鄰華北平原北部，被寧河—昌黎斷裂、豐臺(tái)—野雞坨斷裂、灤縣—樂亭斷裂和薊運(yùn)河斷裂切割成NEE向的菱形塊體。塊體下方存在地幔隆起，隆起高度可達(dá)10 km(劉啟元等，2007)。唐山斷裂位于菱形塊體NE向的對(duì)角線上，由陡河斷裂、巍山—長山南坡斷裂與古冶斷裂3條平行的NE向斷裂組成(虢順民等，1977)，相鄰區(qū)域的構(gòu)造單元也有一系列斷裂發(fā)育(圖1)。唐山斷裂是一條右旋走滑的第四紀(jì)同生斷裂，傾角高、傾向NW，錯(cuò)斷了第四紀(jì)地層，且下盤沉積厚度大于上盤(郝書儉等，1998；李建華等，1998)。深地震反射結(jié)果顯示，唐山斷裂淺部呈花狀構(gòu)造，深部切穿莫霍面，控制了該區(qū)地震的發(fā)生(劉保金等，2011)。區(qū)域第四紀(jì)沉積厚度為100～800 m，北薄南厚。在豐南以北，唐山斷裂帶以西，NNE向的第四紀(jì)小凹陷最大沉積厚度為400 m，斷裂兩側(cè)的第四紀(jì)沉積落差可達(dá)200 m；而在豐南以南、唐山斷裂帶以東，尖字沽第四紀(jì)凹陷的最大沉積厚度為800 m，斷裂兩側(cè)的第四紀(jì)沉積落差也達(dá)200 m(江娃利，2006)。

唐山地區(qū)地層復(fù)雜，以第四紀(jì)地層出露為主，包括太古宙的潘莊變質(zhì)二長花崗巖和漢兒莊片麻巖套柳河峪片麻巖；前寒武紀(jì)(震旦紀(jì))霧迷山組碳酸鹽巖、青白口紀(jì)龍山組河流相沉積(砂巖、含砂礫巖及粉砂巖等)和長城紀(jì)高于莊組淺海相碳酸鹽巖；寒武紀(jì)昌平組(灰色、灰黑色厚層—塊狀豹斑狀粉晶—微晶灰?guī)r及灰質(zhì)白云巖)；奧陶紀(jì)冶里組(灰色厚層、中厚層狀灰?guī)r夾少量礫屑灰?guī)r及少量很薄的黃綠色頁巖)；石炭紀(jì)本溪組(頁巖、砂巖夾海相灰?guī)r和不穩(wěn)定的煤層)；二疊紀(jì)山西組(由陸相砂巖、頁巖、煤構(gòu)成的旋回層組成)(圖1)。

F1：滄東斷裂；F2：王蘭莊斷裂西支；F3：王蘭莊斷裂東支；F4：碑子院—豐南斷裂；F5：唐山—豐南斷裂；F6：巍山—長山南坡斷裂；F7：古冶斷裂；F8：陡河斷裂；F9：唐山斷裂；F10：薊運(yùn)河斷裂；F11：榛子鎮(zhèn)斷裂；F12：灤縣—樂亭斷裂；F13：寧河—昌黎斷裂

2 采樣分析及計(jì)算結(jié)果

在2010年756個(gè)土壤氣Rn測(cè)量點(diǎn)位置基礎(chǔ)上(Li，2013)，中國地震局地震預(yù)測(cè)研究所流體地球化學(xué)團(tuán)隊(duì)于2021年8月在唐山斷裂帶及周緣，按照沿?cái)嗔?、等間距、高密度的方法，根據(jù)野外實(shí)際情況選取了196個(gè)測(cè)點(diǎn)，使用靜態(tài)暗箱法測(cè)量土壤氣Rn通量，通量箱壁厚5 mm，聚四氟乙烯半球殼半徑為20 cm(圖2)。測(cè)量儀器為美國 Durridge 公司的RAD-7測(cè)氡儀。連續(xù)循環(huán)抽氣1 h，采樣間隔為5 min。測(cè)量時(shí)，在連接取樣器與儀器的管道中間加裝一個(gè)分子篩干燥管，以降低土壤濕度造成的影響，待濕度小于10%、初始濃度為0 Bq/m時(shí)，開始測(cè)量。

圖2 土壤氣Rn通量野外測(cè)量裝置及其測(cè)量示意圖

and schematic diagram of its measurement

2.2 計(jì)算方法

土壤氣Rn釋放通量計(jì)算公式為(Lehmann，2004；王喜龍等，2017)：

(1)

式中：為Rn的通量值，單位：mBq/(m·s)；為通量箱的體積；為箱內(nèi)的大氣壓，為箱內(nèi)的溫度；為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(101.325 kPa)；為標(biāo)準(zhǔn)溫度(273.15 K)；為通量箱底部的面積；dd為單位時(shí)間內(nèi)通量箱里的濃度增加變化率，為氣體濃度隨時(shí)間變化的線性回歸曲線的斜率，通過一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程獲得：

=·e

(2)

對(duì)式(2)求導(dǎo)，可得：

dd=·e

(3)

當(dāng)趨近于0時(shí)，有：

dd=·

(4)

式中：為初始時(shí)氣體濃度；為時(shí)刻的氣體濃度；為濃度增加速率常數(shù)。

再通過公式：

=+e

(5)

進(jìn)行擬合，得到與的值，計(jì)算得出土壤氣Rn通量(劉兆飛，2020)。

2.3 采樣結(jié)果

采樣點(diǎn)的氣壓為99.8～101.6 kPa，海拔為-23.13～73.90 m，采樣時(shí)氣溫為23.2 ℃～37.8 ℃，地溫范圍為22.1 ℃～33.8 ℃，計(jì)算得出的Rn通量為0.01～409.31 mBq/(m·s)，大多數(shù)采樣點(diǎn)的Rn通量都在1～100 mBq/(m·s)。具體數(shù)據(jù)見表1。為了對(duì)比土壤氣Rn濃度與通量，引用研究區(qū)測(cè)量的756個(gè)土壤氣濃度(Li，2013)，參數(shù)計(jì)算采用SPSS22軟件。

表1 唐山地區(qū)土壤氣Rn數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3 討論

唐山地區(qū)的土壤氣Rn通量高值分布在滄東斷裂和薊運(yùn)河斷裂的交匯部位、王蘭莊斷裂西支的東段、王蘭莊斷裂東支的中段，以及巍山—長山南坡斷裂、唐山—古冶斷裂和陡河斷裂的中斷及東北端(圖3)。土壤氣Rn的釋放會(huì)受到降雨、溫度、巖性等環(huán)境因素影響，為了避免這些影響，測(cè)量工作需在15 d內(nèi)完成，控制測(cè)量儀器濕度小于10%，選擇在巖性統(tǒng)一的地區(qū)測(cè)量。測(cè)量通量時(shí)的氣溫、地溫與海拔數(shù)據(jù)，與通量值的相關(guān)性()均小于0.01，因此可以推斷在同一時(shí)間段、相同測(cè)量方法測(cè)量土壤氣Rn通量時(shí)，氣溫、地溫與海拔等測(cè)量條件并不是影響Rn通量的主要因素。

3.1 Rn通量與地震的關(guān)系

地球上多數(shù)地區(qū)的脫氣是小規(guī)模、低強(qiáng)度的，而在洋中脊、火山、溫泉、活動(dòng)斷裂帶等地區(qū)，由于地殼薄弱，脫氣會(huì)比較強(qiáng)烈(成智慧等，2012；Zhang，2021)。脫氣過程還與地震、火山、成礦物質(zhì)搬運(yùn)有直接關(guān)系(杜建國等，2018)。地震的孕育、發(fā)生及震后，氣體的通量都會(huì)受到不同程度的影響(Rogie，2000；周曉成等，2017)，但這往往是短時(shí)間的(D’Alessandro，2020)，通常為幾天到幾個(gè)月。本文選取2017—2021年中國地震臺(tái)網(wǎng)中心記錄的42次≥2.0地震數(shù)據(jù)，其中包括2次較大的地震——2019年12月豐南4.5地震和2020年7月古冶5.1地震，探討唐山地區(qū)地震活動(dòng)與土壤氣Rn通量的關(guān)系。

唐山斷裂及其周緣區(qū)域近年地震較多(圖3)，地震的空間分布為NE向，但土壤氣的Rn通量高值與地震的分布沒有良好的一致性。地震發(fā)生前，土壤氣Rn濃度會(huì)出現(xiàn)高值(張煒等，1988；Steinitz，2003)，這是因?yàn)榈卣鸢l(fā)生前的溫度、應(yīng)力、巖石破壞程度會(huì)發(fā)生變化。但近年來在唐山地區(qū)發(fā)生的地震并未促進(jìn)土壤氣Rn的釋放，這是因?yàn)橥ǔＧ闆r下，較大震級(jí)的地震才會(huì)改變地下的滲透率(Rutte，2016；孫小龍等，2020)，而該區(qū)域內(nèi)發(fā)生的地震震級(jí)較小(≤5.0)，庫侖應(yīng)力變化不足以改變土壤氣Rn的釋放速率以及地下滲透率。自然界中氡(Rn)的遷移速率較低(≤10cm/s)，且半衰期短，因此氡再到達(dá)地表1 km前會(huì)因?yàn)榉派湫运プ兌魇В耶惓５臅r(shí)間較短。由于Rn的自由擴(kuò)散和地下應(yīng)力的復(fù)雜條件，震級(jí)越大，可觀測(cè)到的Rn通量的異常范圍也會(huì)隨之增大(Ghosh，2009)，地震引起的Rn異常通常并不在震源區(qū)被發(fā)現(xiàn)。本文研究區(qū)內(nèi)地震震級(jí)小、發(fā)震間隔時(shí)間長，所以在討論Rn通量與地震的空間分布時(shí)，忽略測(cè)點(diǎn)和震中的距離問題。總之，近年來唐山地區(qū)的小震活動(dòng)對(duì)土壤氣Rn通量的影響較小。

圖3 唐山地區(qū)Rn通量與地震震中分布

3.2 Rn通量與濃度的關(guān)系

目前關(guān)于土壤氣Rn濃度與通量的關(guān)系討論較少，因此，本文將2010年測(cè)量的756個(gè)土壤氣Rn濃度(Li，2013)與本次測(cè)量Rn通量進(jìn)行對(duì)比。唐山地區(qū)土壤氣Rn濃度與通量的高值一致性較好，盡管并未完全按照斷裂的走向分布，但都遍布在斷裂周圍及兩端，如圖4a、b所示，圖中紅線表示活動(dòng)斷裂帶。圖4a中土壤氣Rn通量為196個(gè)土壤氣通量數(shù)據(jù)；圖4b中土壤氣Rn濃度為756個(gè)土壤氣濃度數(shù)據(jù)；圖4c中值由2008—2021年8月所有天然地震求得。理論上，高濃度氣體會(huì)向濃度低的地方自由擴(kuò)散，濃度和通量應(yīng)該是正相關(guān)關(guān)系，但是由于氣體運(yùn)移通道、方式及來源的變化，二者的正相關(guān)性會(huì)降低。

土壤氣Rn在地下的遷移和富集，主要包括擴(kuò)散作用、對(duì)流作用、水載遷移、氣載遷移、地?zé)嶙饔煤蜕錃庾饔玫葯C(jī)制。在土壤氣體測(cè)量過程中，可能會(huì)受到環(huán)境條件的影響，但由于在活動(dòng)斷裂帶土壤氣中Rn、Hg、CO等氣體濃度較高，環(huán)境因素對(duì)斷裂帶附近土壤氣體濃度的影響是相對(duì)次要的(Toutain，Baubron，1999)。

不同斷裂性質(zhì)的土壤氣體濃度會(huì)呈現(xiàn)不同程度的高值：正斷層土壤氣往往出現(xiàn)單峰、雙峰或多峰；逆斷層由于其上盤破裂發(fā)育程度較大，所以跨斷層氣體濃度形態(tài)多呈現(xiàn)上盤高、下盤低的特征。唐山斷裂是一條右旋走滑的第四紀(jì)同生斷裂，斷層核部及兩側(cè)的破碎帶由破碎的巖石組成，滲透性高，有利于深部氣體向上運(yùn)移，所以斷裂帶及其周緣土壤氣Rn濃度與通量均較高(圖4)。

圖4 唐山地區(qū)的土壤氣Rn通量(a)、Rn濃度(b)與b值(c)的分布

3.3 Rn通量與b值的關(guān)系

震級(jí)-頻度(G-R)關(guān)系(Gutenberg，Riohter，1944)在地震學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。值作為G-R關(guān)系中最重要的參數(shù)，用來描述大、小地震之間的比例關(guān)系。值同時(shí)也與地應(yīng)力的狀態(tài)密切相關(guān)。值高代表地應(yīng)力水平較低，而值低則代表地應(yīng)力水平較高(吳果等，2019)。

大量高溫高壓實(shí)驗(yàn)研究證明，在應(yīng)力變化條件下，巖石會(huì)釋放出氣態(tài)Rn(羅光偉，石錫忠，1980；Utkin，Yurkov，2010)，并且有部分地區(qū)土壤氣體與應(yīng)力之間存在相關(guān)性。如Yuce等(2017)對(duì)土耳其阿米克盆地死海斷層和卡拉蘇斷層帶土壤氣體變化和局部地下應(yīng)力研究發(fā)現(xiàn)，兩者密切相關(guān)；張磊等(2018)對(duì)呼圖壁地下儲(chǔ)氣庫構(gòu)造氣體地球化學(xué)特征的研究發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力加卸載過程中的斷層氣體運(yùn)移和富集特征，是評(píng)價(jià)地下介質(zhì)受力狀態(tài)和構(gòu)造活動(dòng)程度的重要指標(biāo)之一。

為了避免1976年唐山7.8大地震對(duì)值的影響，本文選取了2008年中國數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)完善后記錄到的包含所有震級(jí)的天然地震數(shù)據(jù)(劉瑞豐等，2008)，利用最大似然法進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)，為了減小值計(jì)算的誤差，每個(gè)節(jié)點(diǎn)(0.1°×0.1°)的計(jì)算要求地震數(shù)目大于100，震級(jí)跨度大于1.5級(jí)。由于部分地區(qū)地震數(shù)目不足，僅計(jì)算出研究區(qū)東北部的值。圖4c顯示，唐山斷裂帶及其東北端的應(yīng)力水平較高，明顯高于其西南端，且較低的值與土壤氣Rn通量高值的空間分布較為一致，推測(cè)可能是應(yīng)力影響了土壤氣Rn的釋放強(qiáng)度。較高的應(yīng)力水平會(huì)促進(jìn)巖石釋放Rn(車用太，2002)。唐山地區(qū)第四紀(jì)沉積厚度為100～800 m，并且北薄南厚(江娃利，2006)，較厚的沉積層可能會(huì)降低土壤氣Rn的脫氣強(qiáng)度，因?yàn)镽n可以被巖石、土壤顆粒表面吸附(李營等，2009)，從而降低土壤氣Rn的逸出速率，但較為年輕的唐山斷裂，受高應(yīng)力的擠壓，高應(yīng)力水平仍可以提高土壤氣Rn的釋放強(qiáng)度。

唐山地區(qū)≥5.0歷史地震分布呈NE向(圖4c)。已有研究表明，唐山地區(qū)氣體的排放與大地震有良好的空間相關(guān)性(Mearns，Sornette，2021)。斷裂是地震活動(dòng)的產(chǎn)物，也是氣體排放的良好通道，在大地震發(fā)生后形成的一系列斷裂，可能為氣體排放提供了良好的通道。所以筆者認(rèn)為唐山地區(qū)近5 a的地震(≤5.0)對(duì)于土壤氣Rn脫氣強(qiáng)度的影響較小，但是震級(jí)較大歷史的地震(≥5.0)與土壤氣Rn排放高值有良好的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4 結(jié)論

本文對(duì)在唐山地區(qū)2021年測(cè)量的196個(gè)土壤氣Rn通量與2010年測(cè)量的756個(gè)土壤氣Rn濃度進(jìn)行對(duì)比，再將Rn通量與研究區(qū)近年來的地震活動(dòng)、值，測(cè)量條件(地溫、氣溫及海拔)進(jìn)行對(duì)比，得到以下結(jié)論：

(1)唐山地區(qū)土壤氣Rn通量范圍為0.01～409.31 mBq/(m·s)，平均濃度為40.58 mBq/(m·s)，高值分布在滄東斷裂和薊運(yùn)河斷裂的交匯部位、王蘭莊斷裂西支的東段、王蘭莊斷裂東支的中段，以及巍山—長山南坡斷裂、唐山—古冶斷裂和陡河斷裂的中段及東北段。

(2)唐山地區(qū)在同一時(shí)間段、相同測(cè)量方法下，測(cè)量條件(氣溫、地溫及海拔)與土壤氣Rn通量的相關(guān)性低(<0.01)，并且土壤氣Rn通量高值與該地區(qū)近年來的≤5.0地震活動(dòng)空間分布一致性較差，表明研究區(qū)內(nèi)同一時(shí)間段，測(cè)量條件(氣溫、地溫及海拔)與近年來的地震活動(dòng)對(duì)土壤氣Rn通量釋放的影響較小。

(3)唐山地區(qū)的土壤氣Rn通量、濃度與地震活動(dòng)性(值)的空間分布一致性較高，土壤氣Rn的高通量、高濃度對(duì)應(yīng)低值與歷史大震區(qū)，并受斷裂帶空間展布控制，表明斷裂帶滲透性與區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)是控制Rn濃度與通量值的主要因素。