唐山斷裂帶土壤斷層氣CO2濃度的映震效能

符澤宇 劉燕翔 李 金 王 妍

（中國河北063021 唐山地震監(jiān)測中心站）

0 引言

1976 年7 月28 日唐山發(fā)生7.8 級地震，震后約3.5 h、15.0 h，分別在薊運(yùn)河斷裂和灤縣—樂亭斷裂發(fā)生了寧河6.2 級地震，灤縣—樂亭斷裂發(fā)生了灤縣7.1 級地震（張素欣等，2017）,唐山7.8 級地震及余震造成24 萬多人死亡，43 萬多人受傷，給人民的生命、財(cái)產(chǎn)帶來了巨大的損失。唐山7.8 級主震后余震一直持續(xù)至今，這使得該區(qū)域與主震前相比至今保持著較高的地震活動性（仲秋等，2012）。區(qū)域動力仍在持續(xù)，在區(qū)域應(yīng)力場的作用下，唐山中強(qiáng)地震活動頻繁。2000 年以來，唐山地震老震區(qū)共發(fā)生ML≥4.0 地震23 次，其中，ML4.0—4.9 地震21 次；ML5.0—5.9 地震2 次，現(xiàn)今唐山地區(qū)地震活動具有繼承性，主要受唐山地震老震區(qū)的構(gòu)造環(huán)境和斷裂模式控制（劉燕翔等，2021）。采用有效的手段來追蹤斷裂的活動狀態(tài)及余震的活動性，對唐山地區(qū)地震危險性評價有重要意義。

1 研究背景

氣體賦存在地球各圈層，斷裂帶是地球深部氣體在殼?；顒舆^程中向上逸出的良好通道（杜建國等，1994），監(jiān)測斷裂帶附近氣體逸出情況，是探測地震活動的重要手段之一，可為地震預(yù)測提供一定依據(jù)。近年來，隨著斷層土壤氣觀測技術(shù)的不斷完善與日趨成熟，利用斷層土壤氣確定斷層特性及地震活動等方面的研究較多。李營等（2009）利用延懷盆地422 個測點(diǎn)的土壤氣測量結(jié)果，得出土壤氣中氣體組分的地球化學(xué)背景特征與區(qū)域地震地質(zhì)特征有關(guān)，其在一定程度上反映了研究區(qū)地震活動的背景。盛艷蕊等（2015）通過在懷來地區(qū)新保安—沙城斷裂測量了斷層土壤氣H2、He、CO2、Rn、Hg 濃度及CO2、Rn、Hg的通量，證實(shí)該斷裂帶有較高的脫氣強(qiáng)度，與區(qū)域地震活動性間有一定的關(guān)系。鄭海剛等（2016）在郯廬斷裂帶安徽段布設(shè)了4 條跨斷層土壤氣測量剖面，測量土壤氣Rn、Hg、CO2的濃度，結(jié)果表明氣體在斷裂帶附近較富集，對斷層位置有一定指示作用。王喜龍等（2017）通過首都圈地區(qū)活動斷裂土壤氣測量，得出首都圈地區(qū)土壤氣Rn、Hg、CO2的濃度和通量均呈東高西低的變化趨勢，與首都圈地區(qū)由西至東應(yīng)力水平增加、地殼逐漸減薄、沉積層厚度增大、地震活動逐漸增強(qiáng)等趨勢相對應(yīng)。蔣雨函等（2022）采用斷層土壤氣測量方法，揭示了研究區(qū)內(nèi)庫松木契克山前斷裂、那拉提斷裂、霍爾果斯—吐谷魯斷裂具有較強(qiáng)的構(gòu)造活動性。王江等（2022，2023）對河北平原的隱伏斷裂帶使用土壤氣濃度觀測數(shù)據(jù)計(jì)算了濃度強(qiáng)度，并結(jié)合垂直斷裂剖面土壤氣濃度、通量分析了隱伏斷裂分段活動性，發(fā)現(xiàn)平原隱伏區(qū)土壤氣空間分布主要受斷裂展布控制。

地下氣體Rn、Hg、CO2等組分能夠客觀地、靈敏地反映地殼應(yīng)力狀態(tài)和地震活動（王喜龍等，2017）。其中，斷層土壤氣CO2是地球內(nèi)部生成的眾多流體組分中最有可能大量遷移至地表并在地表某點(diǎn)集中釋放的氣體之一，監(jiān)測其濃度可作為一種有效的手段來追蹤斷裂活動狀態(tài)、反映地震活動性（王江等，2017；楊江等，2019；盛艷蕊等，2020）。斷層氣CO2濃度在一些MS≥4.0 地震之前有明顯的異常反應(yīng)，尤其是在MS≥5.0 地震前出現(xiàn)的異常較顯著，這些異常不僅表現(xiàn)出信噪比高，而且多出現(xiàn)在震前半個月到1 個半月的時段內(nèi)，是典型的短臨異常，對破壞性地震短臨預(yù)報(bào)階段發(fā)震時間的判定具有重要意義（林元武等，1998）。1998 年在環(huán)渤海地區(qū)沿活動斷層布設(shè)的斷層CO2濃度觀測點(diǎn)，在這些測點(diǎn)CO2濃度變化較好地對應(yīng)了1998 年6 月8 日北黃海4.4 級地震、1998 年8 月15 日渤海4.2 級地震（耿杰等，2000）。2017 年8 月9 日精河MS6.6 地震后，朱成英等（2022）通過斷層土壤氣測量，發(fā)現(xiàn)土壤氣CO2濃度在空間上有明顯的分段特征，在主震、余震震中集中區(qū)附近達(dá)到最高值，進(jìn)一步梳理后發(fā)現(xiàn)，土壤氣CO2濃度空間分布與震后地震烈度空間分布趨勢基本一致。本文研究區(qū)唐山地震老震區(qū)是由NE 向?qū)幒訑嗔?、豐臺—野雞坨斷裂、唐山斷裂及NW 向?yàn)纯h斷裂—樂亭斷裂、薊運(yùn)河斷裂圍限的菱形塊體，且中、新生代活動強(qiáng)烈（張肇誠，1990）。1976 年唐山7.8 級地震后，中小地震活動頻繁，唐山地震老震區(qū)一直也是華北地區(qū)的重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)。2018 年在唐山地震危險區(qū)內(nèi)歷史發(fā)震斷層及多條重點(diǎn)監(jiān)視斷層布設(shè)了10 個土壤氣CO2濃度連續(xù)觀測臺陣（表1、圖1）。通過分析土壤氣CO2濃度變化特征、與地溫間的關(guān)系及對本區(qū)域的映震能力，可判斷唐山斷裂帶的活動性和地震活動，進(jìn)而對該區(qū)域地震危險性進(jìn)行評價。

圖1 唐山地區(qū)土壤氣CO2 濃度觀測臺陣布設(shè)點(diǎn)黑色五角星為臺陣Fig.1 Soil gas CO2 layout point in Tangshan area

表1 唐山斷裂帶土壤氣CO2 臺陣觀測環(huán)境Table 1 Tangshan Soil gas CO2 platform array observation ring

2 資料選取

在唐山地震危險區(qū)內(nèi)歷史發(fā)震斷層及多條重點(diǎn)監(jiān)視斷層布設(shè)由測點(diǎn)觀測和臺網(wǎng)接收部分組成的無人值守全自動CO2濃度觀測臺陣（圖2），臺站觀測部分由GPRS無線數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、CO2觀測系統(tǒng)（包括CO2探頭、溫度探頭）、太陽能供電系統(tǒng)等組成，可實(shí)現(xiàn)CO2觀測、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)通訊、系統(tǒng)供電、供電管理等功能；臺網(wǎng)接收部分由GPRS 無線數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、交換機(jī)（或路由器）、數(shù)據(jù)接收計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)等組成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)庫管理、觀測臺站管理、觀測日志自動形成。臺陣包括三山院、灤縣臺、趙各莊礦、馬家溝礦、陡河臺、孫家樓、灤南靳莊、趙灘、林西礦、北泊村等10 個CO2濃度觀測臺站，由于數(shù)據(jù)庫技術(shù)問題和因農(nóng)耕遭到破壞等原因，CO2濃度觀測臺陣中有的數(shù)據(jù)并不完整，從中國地震前兆臺網(wǎng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)選取2018年8月至2019年10月灤縣臺、趙各莊礦、馬家溝礦、陡河臺、灤南靳莊、趙灘、林西礦、北泊村等 8 個CO2濃度觀測臺站產(chǎn)出的分鐘值數(shù)據(jù)，分析土壤氣CO2濃度數(shù)據(jù)的年變規(guī)律、與地溫間的相關(guān)性、映震效果等。

圖2 無人職守全自動CO2 濃度觀測臺陣構(gòu)成模式示意圖Fig.2 Schematic diagram of the composition pattern of the unattended and fully automatic CO2 observatory array

3 數(shù)據(jù)分析

圖3 為唐山斷裂帶土壤氣CO2濃度日均值。由圖3 可見，CO2濃度存在正常的日變、年變，年變規(guī)律較明顯，具有短期正常動態(tài)特征，即夏高冬低的特點(diǎn)，高低值之間的變化為漸變關(guān)系，而不是大幅度的突變，按照形態(tài)可分為平穩(wěn)型和鋸齒型2 種類型。

圖3 唐山土壤氣CO2 濃度日均值（a）陡河臺；（b）北泊村；（c）樂亭趙灘；（d）灤南靳莊村；（e）灤縣地震臺；（f）馬家溝礦；（g）趙各莊礦；（h）林西礦Fig.3 Tangshan soil gas CO2 platform array data

測定土壤氣CO2濃度時干擾因素分為人為干擾和自然干擾，人為干擾可以通過嚴(yán)格的操作、規(guī)范的方法降至較低水平，而自然干擾中地溫因素尤為重要，所以分析地溫與土壤氣CO2濃度間的相關(guān)性，可為土壤氣CO2濃度資料的利用和地震前異常信息的提取提供一種可行的方法。

（1）北泊村地溫具有明顯的年變特征，通過對比土壤氣CO2濃度與地溫間的關(guān)系分析地溫對土壤氣CO2濃度的影響（表2、圖4）。由表2、圖4 可見，1—4 月，土壤氣CO2濃度與地溫間相關(guān)性不大；5—12 月，二者相關(guān)性較大，CO2濃度年變化特征清晰，具有夏高冬低的年變特征，年變最大幅度約11 036×10-6/d，二者變化時間較同步，沒有明顯的時間滯后。經(jīng)計(jì)算北泊村土壤氣CO2濃度與地溫間總體相關(guān)性為0.903。

圖4 北泊村土壤氣CO2 濃度和地溫Fig.4 Soil gas carbon dioxide and ground temperature in Beibo

表2 北泊村觀測層地溫與斷層土壤氣CO2 濃度間的關(guān)系Table 2 Comparison of soil gas CO2 relationship between the North Moor observation layer and fault soil

（2）林西礦地溫總體變化幅度不大，約11.8—16.0℃，土壤氣CO2濃度年變特征明顯，總體呈夏高冬低的特點(diǎn)，與地溫呈正的相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.813（圖5）。

圖5 林西礦土壤氣CO2 濃度和地溫Fig.5 Soil gas carbon dioxide and ground temperature in Linxi Mine

（3）灤南靳莊地溫年變特征明顯，土壤氣CO2濃度隨溫度升高而升高，隨溫度降低而下降，總體呈夏高冬低的趨勢，但趨勢并不明顯，與地溫間的相關(guān)系數(shù)為0.769（圖6）。

圖6 灤南靳莊村土壤氣CO2 濃度和地溫Fig.6 Soil gas carbon dioxide and ground temperature in Jinzhuang Village,South Luan

（4）馬家溝礦地溫年變特征明顯，土壤氣CO2濃度隨地溫變化的特征并不明顯，總體上具有夏高冬低的特點(diǎn)，與地溫間的相關(guān)系數(shù)為0.546（圖7）。

圖7 馬家溝礦土壤氣CO2 濃度和地溫Fig.7 Soil gas carbon dioxide and ground temperature in Majiagou mine

（5）樂亭趙攤、趙各莊礦、灤縣臺、陡河臺的土壤氣CO2濃度變化曲線為鋸齒型，同時，具有夏高冬低的特點(diǎn)，但是與地溫間的相關(guān)系數(shù)并不大，分別是0.315、0.282、0.103、0.139（圖8—11）。

圖8 樂亭趙灘土壤氣CO2 濃度和地溫Fig.8 Soil gas carbon dioxide and ground temperature in Zhaofang,Leting

圖9 趙各莊礦土壤氣CO2 濃度和地溫Fig.9 Soil gas carbon dioxide and ground temperature in Zhaogezhuang Mine

圖10 灤縣地震臺土壤氣CO2 濃度和地溫Fig.10 Soil gas carbon dioxide and ground temperature in Tai,Luanxian County

圖11 陡河臺土壤氣CO2 濃度和地溫Fig.11 Soil gas carbon dioxide and ground temperature in Douhe Platform

4 CO2 濃度觀測臺陣數(shù)據(jù)映震分析

2018 年8 月至2019 年2 月，唐山地震老震區(qū)（39°—41.5°N，117°—119°E）發(fā)生ML3.0 以上地震4 次（表3），按照歷史上劃分的唐山地震老震區(qū)3 個區(qū)域，即東、中、西區(qū)來分析唐山斷裂帶CO2濃度觀測臺陣的映震情況。

表3 2018 年8 月至2019 年2 月唐山地震老震區(qū)ML ≥3.0 地震Table 3 The ML 3.0 earthquake in the old earthquake area of Tangshan from August 2018 to February 2019

4.1 唐山地震老震區(qū)中區(qū)

2018 年8 月唐山地震老震區(qū)中區(qū)發(fā)生2 次ML3.0 以上地震，分別為河北古冶5 日ML3.3 地震、10 日ML3.0 地震，2 次地震間隔時間僅為5 天，且震中都位于唐山—古冶斷裂附近。地震前林西礦土壤氣CO2濃度日均值持續(xù)升高，直至8 月14 日出現(xiàn)下降趨勢；陡河臺土壤氣CO2濃度日均值呈波動上升趨勢，在小幅度上升和下降的轉(zhuǎn)折點(diǎn)發(fā)生地震（圖12）。說明林西礦、陡河臺土壤氣CO2濃度對唐山地震老震區(qū)中區(qū)尤其是唐山—古冶斷裂附近地震映震效果較好。

4.2 唐山地震老震區(qū)西區(qū)

2018 年11 月29 日ML3.2 地震發(fā)生在唐山豐南，震中位于薊運(yùn)河斷裂、唐山斷裂、寧河斷裂交匯處東部，即唐山地震老震區(qū)西區(qū)。地震前16 天馬家溝礦土壤氣CO2濃度日均值出現(xiàn)小幅上升，上升持續(xù)7 天、數(shù)值趨于平穩(wěn)6 天后發(fā)生了ML3.2 地震；灤南靳莊村土壤氣CO2濃度日均值在地震前19 天出現(xiàn)下降趨勢，然后呈鋸齒狀的上升和下降，在小幅度上升和下降的轉(zhuǎn)折點(diǎn)發(fā)生地震，地震發(fā)生后馬家溝礦、灤南靳莊村土壤氣CO2濃度日均值恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)（圖13）。其他臺站數(shù)據(jù)無明顯的波動，因此馬家溝礦、灤南靳莊村臺站對唐山地震老震區(qū)西區(qū)地震映震效果較好。

圖13 馬家溝礦、灤南靳莊村土壤氣CO2 濃度日均值Fig.13 Daily average of soil gas carbon dioxide in Majiagou Mine and Jinzhuang Village,Luannan

4.3 唐山地震老震區(qū)東區(qū)

2019 年2 月14 日ML3.0 地震發(fā)生在唐山地震老震區(qū)東區(qū)，震中位于灤縣—樂亭斷裂附近。在地震發(fā)生前10 天，樂亭趙灘、灤縣臺土壤氣CO2濃度日均值均出現(xiàn)不同程度的大幅度震蕩式上升和下降，在數(shù)值上升的最高點(diǎn)發(fā)生地震（圖14），其他臺陣數(shù)據(jù)無明顯波動。樂亭趙灘、灤縣臺站對唐山地震老震區(qū)東區(qū)地震映震效果較好。

圖14 樂亭趙灘、灤縣地震臺土壤氣CO2 濃度日均值Fig.14 Daily mean value of soil gas and carbon dioxide in Zhaojiatan and Luanxian Tai

5 結(jié)論

通過分析2018年8月至2019年2月唐山斷裂帶土壤氣CO2濃度日均值，得到以下結(jié)論。

（1）唐山斷裂帶土壤氣CO2濃度年變規(guī)律明顯，主要受觀測地溫的影響，并伴隨觀測地溫的變化而變化，即在氣溫較高的夏季，大都呈升高的趨勢，且有明顯的年變規(guī)律。

（2）通過計(jì)算土壤氣CO2濃度與地溫間的相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)北泊村、林西礦、灤南靳莊、馬家溝礦土壤氣CO2濃度與地溫間的相關(guān)系數(shù)較大，土壤氣CO2濃度曲線屬于平穩(wěn)型；樂亭趙攤、趙各莊礦、灤縣臺、陡河臺的土壤氣CO2濃度與地溫間的相關(guān)系數(shù)不大，土壤氣CO2濃度曲線屬于鋸齒型。

（3）在活動斷裂及周邊地震的震中區(qū)，土壤氣CO2濃度日均值存在異常變化，變化的幅度與臺站位置、對應(yīng)區(qū)域的構(gòu)造活動有關(guān)，與土壤氣CO2濃度和地溫間的相關(guān)系數(shù)大小、CO2濃度曲線是否為平穩(wěn)型或鋸齒型關(guān)系不密切。總體上，土壤氣CO2濃度對唐山地區(qū)ML3.0 以上地震有一定的映震效果。