松原MS5.1地震前斷層土壤氣H2、Hg地球化學特征與熱紅外異常響應(yīng)研究

李繼業(yè)　胡瀾繽　李營　馬龍辰　王強　張思萌　李冬妮

摘要： 利用多種氣體開展聯(lián)合觀測是捕捉地震前兆異常的有效途徑。氫、汞觀測作為地震短臨預測主要手段和前兆指標，在揭示地下（斷裂帶）流體與地震孕育、發(fā)生關(guān)系中發(fā)揮著重要的作用。通過在黑龍江肇東觀測井開展斷裂帶土壤氣H2、Hg野外定點聯(lián)合觀測試驗，對2019年5月18日吉林松原寧江MS5.1主震及其余震序列的震兆關(guān)系進行對比分析，結(jié)果表明：（1）斷裂帶土壤氣H2、Hg濃度在寧江MS5.1地震前分別存在3個月的短期異常和3天的臨震異常，二者在主震前后表現(xiàn)形式以及頻譜特征均存在較大差異，這可能與氫、汞特性和孕震機理有關(guān)；（2）斷裂帶土壤氣H2、Hg濃度在寧江MS5.1主震及余震時段均存在高值異常，主要表現(xiàn)為“高值異常—恢復正?！l(fā)生主震—震后高值異常—恢復正?！l(fā)生較強余震”，具有持續(xù)性、可重復性和配套性的特點；（3）吉林松原寧江MS5.1地震前后肇東斷裂帶土壤氣H2、Hg地球化學特征與震中區(qū)附近熱紅外異常具有響應(yīng)特征，主要表現(xiàn)為“土壤氣H2峰值異?！鹬袇^(qū)熱紅外高值異?！l(fā)生主震—土壤氣Hg峰值異?！鹬袇^(qū)熱紅外異常下降—土壤氣H2、Hg震后次高值異?！l(fā)生強余震”的特點。以上認識，為松遼盆地開展斷裂帶土壤氣地球化學特征與熱紅外異常響應(yīng)研究提供參考。

關(guān)鍵詞： 地球化學; 土壤氣體; 熱紅外; 松原地震; 響應(yīng)特征

中圖分類號： P315.7; P237文獻標志碼：A 文章編號： 1000－0844（2023）04-0933-13

DOI：10.20000/j.1000－0844.20220409001

Geochemical characteristics of H2 and Hg in soil gas and thermal infrared anomaly response before the Songyuan MS5.1 earthquake

LI JiyeHU Lanbin3， LI Ying2， MA Longchen WANG Qiang3， ZHANG Simeng LI Dongni1

Abstract：? Joint observation of various gases is an effective way to capture earthquake precursor anomalies. As the main means of short－term and impending earthquake prediction and precursor indicators， observations of hydrogen and mercury play an important role in revealing the relationship between underground （fault zone） fluid and earthquake preparation and occurrence. Through the fixed－point and joint observation tests of H2 and Hg from soil gas in the Zhaodong observation well of Heilongjiang Province， this paper conducts a comparative analysis of the relationship between the precursors and the main shock and aftershock sequences of the MS5.1 earthquake in Ningjiang， Songyuan， Jilin Province， on May 18， 2019. Results are presented as follows. （1） Three－month short－term and three－day impending anomalies of H2 and Hg concentrations in soil gas occurred before the MS5.1 earthquake， respectively. Considerable differences are observed in their manifestations and spectral characteristics before and after the mainshock， which may be related to the characteristics of hydrogen and mercury and the seismogenic mechanism. （2） High－value anomalies of H2 and Hg concentrations in soil gas appeared during the period of MS5.1 mainshock and aftershocks， primarily demonstrating “high value anomaly－returning to normal－occurrence of mainshock－h(huán)igh value anomaly after earthquake－returning to normal－occurrence of strong aftershock” and the characteristics of persistence， repeatability， and matching. （3） The geochemical characteristics of H2 and Hg in soil gas from Zhaodong fault zone before and after the MS5.1 earthquake have response characteristics to the thermal infrared anomaly near the epicenter， which is mainly characterized by “abnormal peak value of H2－abnormal high value of thermal infrared in the epicenter－occurrence of mainshock－abnormal peak value of Hg－abnormal decrease of thermal infrared in the epicenter－abnormal secondary high value of H2 and Hg－occurrence of strong aftershocks”. The above understanding can provide a reference for the study of geochemical characteristics and thermal infrared anomaly response of soil gas from the fault in Songliao Basin.

Keywords： geochemistry; soil gas; thermal infrared; Songyuan earthquake; response characteristics

0 引言

越來越多的震例研究表明，斷裂帶土壤氣H2、Hg、Rn、He等活躍組分與地殼應(yīng)力狀態(tài)和地震活動關(guān)系密切［1－8］。利用多種氣體開展聯(lián)合觀測是國內(nèi)外地球化學研究、捕捉地震前兆異常的有效途徑，在地震監(jiān)測預測工作中具有廣闊的應(yīng)用前景［9－11］。研究表明，斷裂帶、火山和洋脊等地殼薄弱的部位，是地下氣體的集中逸出帶［12－13］，特別是斷裂帶的氣體排放對斷層活動性具有指示意義［14］，其中，氫氣是一種能夠指示斷層活動性的有效手段［15］，氫氣逸出與斷層運動、地震發(fā)生直接相關(guān)［16］。研究表明，汞是指示斷裂活動的靈敏組分［17］，斷裂帶Hg主要受深源供給的控制，Hg濃度的升高可能與地震活動增強有關(guān)［18］。土壤氣 Hg變化特征可以應(yīng)用于研究斷層活動狀態(tài)［19］，張磊等［20］研究了安寧河斷裂帶Hg地球化學特征與構(gòu)造活動之間的關(guān)系。最新研究認為，斷層氣H2與Hg對于呼圖壁儲氣庫內(nèi)氣壓變化的響應(yīng)較為靈敏，是反映區(qū)域壓力變化的有效氣體測項，并且二者變化機理可能是一致的［21］?？傊?，氫、汞觀測是地震短臨預測手段和前兆指標，在揭示地下（斷裂帶）流體與地震孕育、發(fā)生關(guān)系中，均發(fā)揮著重要的作用［22－26］。

強祖基等［27］研究認為，熱紅外異常是地震時構(gòu)造板塊摩擦，使得巖體內(nèi)的溫室氣體沿著斷裂縫隙逸出，也稱作“地球放氣”，惰性氣體被低空電場電離后形成各種波段的紅外光。姚休義等［28］采用中國靜止氣象衛(wèi)星FY－2C/E/G連續(xù)亮溫數(shù)據(jù)，利用小波變換法分析了2013年吉林松原MS5.8震群和2018年吉林松原寧江MS5.7地震前，震中附近熱紅外亮溫相對小波能譜的時空演化特征。

為深入研究2019年5月18日吉林松原寧江MS5.1地震前，斷裂帶土壤氣與熱紅外異常響應(yīng)特征，本文應(yīng)用ATG－300H便攜式測氫分析儀和ATG－200M便攜式測汞儀，在黑龍江肇東開展土壤氣H2、Hg濃度野外定點聯(lián)合觀測試驗，分析土壤氣背景動態(tài)變化特征，提取2019年5月18日吉林松原寧江MS5.1地震前兆異常特征，結(jié)合震中區(qū)熱紅外長波輻射異常，分析可能存在的異常機理，為松遼盆地土壤氣地球化學特征與熱紅外異常響應(yīng)研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

黑龍江肇東觀測井位于松遼盆地濱州斷裂與扶余—肇東斷裂交匯附近，地理位置為肇東市民主鄉(xiāng)陶志屯（45.90°N、126.17°E）。肇東井位于扶余—肇東斷裂東南隆起區(qū)，主要受扶余—肇東斷裂控制（圖1）。扶余—肇東斷裂是松遼盆地主要發(fā)震斷裂之一，據(jù)史料記載，1119年吉林前郭MS63/4地震發(fā)生在扶余—肇東斷裂與松花江斷裂交匯附近，為松遼盆地歷史上最早記載的地震;2006年3月吉林乾安MS5.0地震、2013年10—11月吉林松原MS5.8震群均發(fā)生在該斷裂南端，2017年7月、2018年5月、2019年5月吉林松原寧江MS5.0、MS5.7、MS5.1地震發(fā)生在該斷裂與松花江斷裂交匯處。

2 觀測方法與數(shù)據(jù)處理

2.1 觀測方法

根據(jù)高寒地區(qū)氣候特點，定點觀測井盡量選取凍土層薄的地區(qū)布設(shè)，肇東地區(qū)最大凍土層深度約2.2 m，鉆探深度需穿透凍土層，因此鉆探深度為3 m，其中1.2 m以下為氣體集氣腔（圖2）。為了減少地表氣溫、氣壓變化和降雨對土壤氣觀測的影響，肇東觀測井集氣裝置采用地下室深埋方式，地表連接測氫儀和測汞儀，井口加蓋特制井蓋。觀測井底部為礫石層氣體集氣腔，每次采樣后，深部氣體透過礫石層不斷向集氣腔匯集，進而達到新的平衡，進行定期連續(xù)觀測能更好地反映斷層氣濃度真實變化［29－30］?？紤]到各種幔源氣體中，H2的穿透能力最強，其擴散速度遠大于其他氣體［31］，野外土壤氣H2、Hg定點連續(xù)觀測采樣周期以Hg為主，間隔24 h測量一組數(shù)據(jù)，以便獲得更真實的野外觀測數(shù)據(jù)。

2.2 觀測儀器

野外觀測選用的儀器為ATG－300H 便攜式氫分析儀和ATG－200M便攜式測汞儀（表1），氫氣于2016年11月開始觀測，氣汞于2019年3月開始觀測。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2019—2020年共取得肇東土壤氣H2、Hg濃度觀測數(shù)據(jù)有效樣本4 850個。其中，ATG－300H測氫儀每組5個測值，每次采樣間隔2 min，采樣時長共計10 min，ATG－200M測汞儀每組4個測值，每次采樣間隔10 min，采樣時長共計40 min。由于篇幅關(guān)系，在此僅列舉肇東土壤氣H2、Hg單日峰值異常數(shù)據(jù)變化（圖3）。3月4-5日、15-17日土壤氣H2濃度出現(xiàn)高值異常，具有持續(xù)性，達到異常峰值后呈現(xiàn)下降趨勢，這一點與以往觀測規(guī)律較為一致［5］。土壤氣Hg濃度高值異常則表現(xiàn)為突發(fā)性，即僅有單日出現(xiàn)高值異常，而在一組數(shù)據(jù)中也多為首個采樣點，這可能主要與氣體H2、Hg的地球化學特性有關(guān)［31］。因此，野外采樣時，選取一組數(shù)據(jù)中最大值作為當日的觀測值進行分析。

3 觀測數(shù)據(jù)分析

3.1 松原寧江MS5.1地震

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，2019年5月18日6時24分（北京時間）吉林松原寧江（45.30°N，124.75°E）發(fā)生MS5.1地震，震源深度10 km，為東北地區(qū)2019—2020年最大地震，距離肇東井129 km。地震前7天，5月11日震中區(qū)接連發(fā)生MS3.4、MS3.0兩次顯著地震，地震后16天，6月3日發(fā)生MS4.0最大余震，截止2019年年底，震中區(qū)共記錄5級以上地震1次，4級以上地震2次，3級以上地震9次（表2），2級以上地震21次，1級以上地震64次，0級以上地震158次。

通過2019年寧江9次3級以上地震震源機制解可以發(fā)現(xiàn)，余震與主震震源機制解較為一致，震中區(qū)2017年以來3次MS5及以上地震震源機制均為走滑型，表明該地區(qū)應(yīng)力水平較高，且主要受到統(tǒng)一構(gòu)造應(yīng)力場的影響［圖4（a）、表2］?？梢姡瑢幗卣馂閰^(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場作用下發(fā)生的一系列構(gòu)造地震。由圖4（b）可知，吉林松原寧江地區(qū)歷史地震以北西向且具有一定逆沖分量的左旋走滑破裂為主，震中區(qū)震源機制優(yōu)勢節(jié)面走向315°，與松花江斷裂走向一致;優(yōu)勢P軸方位270°，即優(yōu)勢主壓應(yīng)力軸方位近東西向，這一方向與西太平洋板塊向歐亞大陸俯沖主壓應(yīng)力方向較為一致。有研究指出，松原寧江地震發(fā)震構(gòu)造與東北地區(qū)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場密切相關(guān)，可能與太平洋板塊俯沖遠程效應(yīng)有關(guān)，與油田驅(qū)油注水無直接相關(guān)［32］。

3.2 異常特征

通過多年連續(xù)觀測，發(fā)現(xiàn)肇東土壤氣H2、Hg濃度背景變化較為穩(wěn)定，通過Q－Q圖計算分別得到2019年肇東土壤氣H2濃度背景值為0.62×10-6，高于大氣中氫氣的含量（0.5×10-6左右），低于新疆阿克蘇斷層氫氣映震最優(yōu)閾值1.08×10-6［33］;2019年肇東土壤氣Hg濃度背景值為6.20 ng/m3，與河北雄安新區(qū)土壤氣體Hg濃度背景值5.9 ng/m3較為接近［34］。

研究表明，氫氣異常一般表現(xiàn)為震前出現(xiàn)大幅度突跳異常［35］，肇東土壤氣H2濃度在主震前3個月出現(xiàn)高值異常，異常峰值出現(xiàn)在主震前2個月，表現(xiàn)為短期異常，震前高值異常是震后高值異常7.2倍，分別為背景值的13.82倍和1.87倍［圖5（a）、（b）］;土壤氣Hg濃度則在主震前3天出現(xiàn)高值異常，表現(xiàn)為臨震異常，震后高值異常是震前高值異常的64.6倍，分別為背景值的116.68倍和1.81倍［圖5（d）、（e）］。

構(gòu)造活動使斷層封閉性發(fā)生改變，驅(qū)動流體流動和氣體逸出，使流體活動作用增強，表現(xiàn)出地下水組分、土壤氣體在震前發(fā)生濃度變化。應(yīng)用S變換頻譜分析，研究土壤逸出氣中痕量氫的日變化動態(tài)［36］，分析潮汐作用下周、月頻譜特征，以此挖掘與地震孕育發(fā)生有關(guān)的信息。本文通過S變換頻譜分析，發(fā)現(xiàn)肇東土壤氣H2濃度高值異常周期主要為4～11天和14～18天，異常峰值集中在24～30天，優(yōu)勢周期主要是4～11天，整體上表現(xiàn)為釋放周期短、釋放時間較為集中并具有間歇性釋放的特點。肇東土壤氣Hg濃度高值異常周期主要為8～30天，異常峰值集中在27～30天，優(yōu)勢周期主要是20～30天，整體上表現(xiàn)為釋放周期長、釋放時間久并具有持續(xù)性釋放的特點。綜合土壤氣H2、Hg濃度頻譜特征發(fā)現(xiàn)，異常峰值周期主要為一個月，優(yōu)勢周期為一周左右，可能體現(xiàn)了地震孕育過程中隨著應(yīng)力應(yīng)變的增強，孕震區(qū)潮汐響應(yīng)特征也發(fā)生了改變。伴隨土壤氣濃度峰值異常的出現(xiàn)，地震孕育也進入了短臨階段，這與肇東土壤氣H2、Hg濃度異常、松原寧江MS5.1地震發(fā)生的時間進程是相符的［圖5（b）、（e）］。同時發(fā)現(xiàn)，H2濃度高值異常最小周期要小于Hg濃度的最小周期［圖5（c）、（f）］，這些頻譜差異主要與H2穿透力最強、遷移速度快，擴散速度遠大于Hg的氣體特性有關(guān)，這也是富集在土壤中的氣體釋放后，H2的平衡過程要比Hg快得多的主要原因。

研究表明，水化學離子濃度（Ca2+、HCO3-等）同步下降異常，對未來兩個月云南思茅井380 km范圍內(nèi)發(fā)生MS≥5.6地震具有前兆意義［37］。松原寧江MS5.1地震前后兩個月，肇東土壤氣H2、Hg濃度變化存在同步突跳異常，且異常形態(tài)較為相似，主要表現(xiàn)為“高值異?！謴驼！l(fā)生主震—震后高值異?！謴驼！l(fā)生較強余震”的特點，值得注意的是，土壤氣H2、Hg濃度震后高值異常峰值均出現(xiàn)在主震后第5天，伴隨MS3以上余震的發(fā)生，又出現(xiàn)多組高值異常。這一點與2018年5月28日松原寧江MS5.7地震后1～3天，跨斷層（扶余—肇東斷裂）流動觀測土壤氣H2“出現(xiàn)高值異?！謴汀偕摺嗾鸢l(fā)生”的過程較為一致，也表現(xiàn)出構(gòu)造活動區(qū)土壤氣Hg濃度明顯高于外圍地區(qū)的普遍特征［38］。分析原因，可能是主震發(fā)生后，震中區(qū)附近大部分應(yīng)力得到釋放，剩余應(yīng)力以余震方式緩慢釋放，斷裂帶兩側(cè)的裂隙也趨于閉合狀態(tài)，氣體運移通道也接近關(guān)閉，土壤氣體釋放逐漸減少，氣體濃度高值異常也漸漸減弱，直至恢復正常背景濃度?？梢?，肇東土壤氣H2、Hg濃度異常變化與寧江MS5.1地震序列發(fā)展具有相關(guān)性，土壤氣濃度異常變化與構(gòu)造活動關(guān)系密切（表3）。由于2018年5月28日松原寧江MS5.7、2019年5月18日松原寧江MS5.1地震具有相同的發(fā)震構(gòu)造、發(fā)震機理和孕震環(huán)境，并受到同一應(yīng)力場的控制，使得這兩次地震前，土壤氣異常形態(tài)特征具有較好的相似性，同時也表明土壤氣濃度高值異常具有可重復性，可為開展區(qū)域短臨預測實踐提供參考。

4 熱紅外異常響應(yīng)特征

熱紅外長波輻射是指地氣系統(tǒng)向外層空間發(fā)射的電磁波能量密度，又稱為熱輻射通量密度［39］，其物理量觀測的單位是W/m2。對長波輻射數(shù)據(jù)處理主要包括距平化處理和渦度處理。距平化處理是將每個月長波輻射渦度場值與該月多年平均渦度場值相減，繪制等值線，得到長波輻射距平場空間分布。為了找出變化幅度最大的高值點，在對長波輻射數(shù)據(jù)進行距平化處理的同時，還將不同網(wǎng)格點數(shù)據(jù)與相鄰數(shù)據(jù)進行對比分析，得到長波輻射渦度場空間分布［40］。本文采用2012年以來NOAA衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，空間分辨率為1°×1°，以2年為窗長、30天為步長，利用距平化處理和渦度處理方法，去除地形、地貌、長波輻射背景變化和季節(jié)性周期影響，對比分析研究區(qū)每月連續(xù)變化及異常區(qū)歷年同期變化特征，提取出地震前熱紅外長波輻射異常信息。在判讀震前熱紅外長波輻射異常時，重點識別其空間分布的孤立特征，它往往與活動斷裂的空間分布有關(guān)，可能表明局部地區(qū)的熱活動狀態(tài)，揭示了中強地震前震中及其附近地區(qū)高值輻射異常與地－氣系統(tǒng)變化的關(guān)系，而非正常背景下大氣環(huán)境或者太陽輻射引起的增強異常［53］。根據(jù)震例回溯［41］，同時滿足渦度值異常界限±60 W/m2和前后一年最高（低）值兩個條件，確定熱紅外長波輻射高（低）值異常區(qū)。

張志宏等［42］利用中國靜止氣象衛(wèi)星 FY－2C/E/G數(shù)據(jù)，提取了松原2017年MS5.0和2018年MS5.7地震前亮溫異常，均沿依蘭—伊通斷裂和密山—敦化斷裂走向逐漸擴展，表現(xiàn)為異常存在于松遼盆地的東部邊緣，地震震中不在異常區(qū)內(nèi)，2019年5月18日MS5.1地震前異常并不明顯。本文則采用NOAA衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，利用渦度法時空掃描，提取了2019年5月18日吉林松原寧江MS5.1地震前，熱紅外長波輻射渦度場值異常信息。2019年4月松花江斷裂與濱州斷裂交匯處出現(xiàn)熱紅外長波輻射高值區(qū)，異常中心渦度值為74 W/m2，超出正常背景12%，為該區(qū)域地震前后一年的最高值，5月18日在異常區(qū)中心吉林松原寧江地區(qū)發(fā)生MS5.1地震，震后異常消失（圖6）。

地震孕育過程中，隨著應(yīng)力逐漸接近巖石臨界破裂狀態(tài)，沿斷裂帶產(chǎn)生較多貫通地表的裂隙，地下逸出氣體得到更多釋放，導致地下巖層與地表的熱對流加強，造成地震前衛(wèi)星熱紅外輻射異常，且異常區(qū)主要沿震中附近的斷裂帶集中分布［43－45］。由于寧江MS5.1地震為走滑型，余震空間分布又未呈現(xiàn)出與扶余—肇東斷裂或松花江斷裂相近的空間優(yōu)勢分布，松原寧江MS5.1地震前熱紅外異常空間展布以松花江斷裂與濱州斷裂交匯處為中心，異常區(qū)長軸方向與松花江斷裂走向以及震中區(qū)優(yōu)勢節(jié)面走向、P軸優(yōu)勢方位均較為一致，為進一步揭示發(fā)震構(gòu)造提供佐證。Cicerone等［47］研究認為，在富含地熱和油氣的區(qū)域，地震前出現(xiàn)熱紅外亮溫異?，F(xiàn)象的可能性更大。本文研究發(fā)現(xiàn)，熱紅外異常區(qū)面積約為1.1×105 km2，主要集中在吉林松原至黑龍江大慶一帶，也是松遼盆地內(nèi)部地熱和油氣田主要分布區(qū)，松原油田、大慶油田地區(qū)地熱資源多、油氣儲量大、含量高并且構(gòu)造斷裂較為發(fā)育，特殊的構(gòu)造位置和地質(zhì)環(huán)境有利于深部氣體沿著斷裂或裂隙向地表釋放。

寧江MS5.1地震震中區(qū)附近熱紅外與肇東斷裂帶土壤氣定點聯(lián)合觀測異常具有一定的響應(yīng)特征，主要表現(xiàn)為“土壤氣H2峰值異常—震中區(qū)熱紅外高值異?！l(fā)生主震—土壤氣Hg峰值異常—震中區(qū)熱紅外異常下降—土壤氣H2、Hg震后次高值異?！l(fā)生強余震”特點（圖7），余震主要發(fā)生在土壤氣H2、Hg峰值和熱紅外高值異常后的下降階段。可見，2019年吉林松原寧江地區(qū)MS5.1地震前，斷層逸出氣高值異常與震中區(qū)熱紅外長波輻射變化具有明顯的響應(yīng)特征。

5 異常機理分析

通常，地下巖體和土層孔隙中都存有He、H2、Hg、Rn、CO2等氣體。在一定的壓力差、溫度差下，沿地下裂隙由下向上不斷遷移，并在不同巖性及構(gòu)造環(huán)境下形成相對穩(wěn)定的H2、Hg聚集區(qū)。由于構(gòu)造活動使斷裂局部巖體溫壓和氣體運移條件（主要是氣體滲透—擴散）發(fā)生改變，促使Hg逸出速率增加，逐漸聚集在深大斷裂帶附近。當?shù)叵聭?yīng)力環(huán)境發(fā)生改變時，地殼中的斷裂（破碎帶），尤其是新的活動斷裂，為H2、Hg提供了向地表運移的良好通道，使地球深部的土壤氣H2、Hg更容易擴散到地表［48］，被位于特殊構(gòu)造位置的觀測井捕捉到。肇東土壤氣H2、Hg聯(lián)合觀測井位于濱州斷裂與扶余—肇東斷裂交匯區(qū)，距離扶余—肇東斷裂僅為16 km;松原寧江MS5.1地震震中位于松花江斷裂和扶余—肇東斷裂交匯處，距觀測井129 km。扶余—肇東斷裂具有逆沖兼走滑性質(zhì)，當扶余—肇東斷裂一端出現(xiàn)應(yīng)力積累或釋放時，來自構(gòu)造深部的氣體更容易沿著斷裂或裂隙向地表運移，造成扶余—肇東斷裂附近土壤氣H2、Hg濃度增高，位于扶余—肇東斷裂上盤的肇東觀測井就更易于捕捉到高值異常（圖8）?？梢?，斷層帶土壤氣H2、Hg地球化學異常特征與斷層活動性關(guān)系密切，在斷層活動性上具有一定的指示意義。

汞是一種化學性質(zhì)比較穩(wěn)定的元素，實際觀測中，肇東土壤氣Hg濃度背景清晰，變化也較為穩(wěn)定。本文研究發(fā)現(xiàn)，Hg濃度在松原寧江MS5.1地震震后高值異常更為顯著，可能是由于震前構(gòu)造斷裂活動不明顯，地下富集的氣體向地表運移量有限，但在高溫和壓力作用下，汞蒸氣有可能沿深部斷裂或巖石裂隙向地表不斷遷移，在不同介質(zhì)覆蓋層形成汞異常集中區(qū)［49］。由于地震發(fā)生，斷裂錯動使得地下氣體向地表傳輸通道被完全打通，促使富集在深部的大量氣體沿著斷裂或裂隙向地表運移，并促使早已滯留在地下巖石裂隙的氣體集中、快速釋放，造成松原寧江MS5.1地震后土壤氣Hg濃度是震前異常的60余倍。

關(guān)于震前熱輻射成因研究，主要基于構(gòu)造應(yīng)力－應(yīng)變能釋放的過程，地震發(fā)生是構(gòu)造活動應(yīng)變能長期蓄積（熱能也相隨蓄積）而突然釋放的結(jié)果，地表介質(zhì)的熱狀況及其變化物理實質(zhì)，就體現(xiàn)在輻射能力高低上。馬瑾等［50］研究認為，地震前后的熱信息變化與同震形變異常存在關(guān)聯(lián)，溫度場變化與活動構(gòu)造帶密切相關(guān)。在地殼運動大范圍受力作用背景下，隨著孕震構(gòu)造區(qū)應(yīng)力應(yīng)變不斷加強和集中，孕震區(qū)所在地塊整體從震源至地表都將處于熱能不斷積累、溫升不斷增大的狀態(tài)，相對非孕震區(qū)地塊類似一個“熱源”，這也是衛(wèi)星遙感經(jīng)常在孕震構(gòu)造區(qū)域附近監(jiān)測到熱紅外輻射增強的原因［51－52］。松遼盆地是我國東部地區(qū)構(gòu)造活動最為強烈的地質(zhì)構(gòu)造單元之一，扶余—肇東斷裂又為近年來吉林松原一系列中強地震的主要發(fā)震構(gòu)造，在地震孕育過程中，斷裂構(gòu)造活動一方面會導致 CO2，CH4等“溫室氣體”釋放增強，地下排放氣體在太陽直接輻射和地表再發(fā)射的紅外輻射雙重作用下，使地表溫度逐漸升高［53］，使得發(fā)震構(gòu)造附近出現(xiàn)熱紅外異常信息;另一方面由于孕震區(qū)應(yīng)力狀態(tài)改變，打通了地下長期富集的深部氣體向地表運移的通道，斷層氣H2、Hg等沿構(gòu)造斷裂集中釋放，使得地表發(fā)震構(gòu)造附近容易記錄到地球化學的顯著異常。同時，松原寧江MS5.1地震震中位于松遼盆地地熱和油氣田主要富集區(qū)，構(gòu)造斷裂或裂隙較為發(fā)育，深部富集氣體對應(yīng)力變化更為敏感也是需要考慮的因素之一，在斷裂或裂隙上方逸出濃度更加顯著，氣體輻射增溫效果也就更加明顯?？梢?，斷裂帶土壤氣高值異常與熱紅外長波輻射異常同步響應(yīng)，為揭示震中區(qū)孕震過程和巖石破裂的臨界狀態(tài)提供了參考。

6 總結(jié)與討論

在孕震區(qū)主要活動斷裂開展斷層氣測量和熱紅外觀測，是捕捉地震前兆異常的有效途徑。本文在黑龍江肇東開展扶余—肇東斷裂土壤氣H2、Hg野外定點聯(lián)合觀測試驗，結(jié)合衛(wèi)星熱紅外長波輻射信息，取得較好的觀測結(jié)果，對2019年5月18日吉林松原寧江MS5.1主震及其余震序列的震兆關(guān)系進行了對比分析，初步認識如下：

（1） 肇東斷裂帶土壤氣H2、Hg濃度在寧江MS5.1地震前分別存在3個月的中期異常和3天的短臨異常，二者在主震前后表現(xiàn)形式以及頻譜特征均存在較大差異，這可能與氫、汞特性和孕震機理有關(guān)。

（2） 斷裂帶土壤氣H2、Hg濃度在寧江MS5.1主震及余震時段均存在高值異常，主要表現(xiàn)為“高值異?！謴驼！l(fā)生主震—震后高值異常—恢復正?！l(fā)生較強余震”，具有持續(xù)性、可重復性和配套性的特點。

（3） 吉林松原寧江MS5.1地震前后肇東斷裂帶土壤氣H2、Hg地球化學特征與震中區(qū)附近熱紅外異常具有響應(yīng)特征，主要表現(xiàn)為“土壤氣H2峰值異?！鹬袇^(qū)熱紅外高值異?！l(fā)生主震—土壤氣Hg峰值異常—震中區(qū)熱紅外異常下降—土壤氣H2、Hg震后次高值異?！l(fā)生強余震”的特點，余震主要發(fā)生在土壤氣H2、Hg峰值和熱紅外高值異常的下降階段。

在松遼盆地開展地球化學定點聯(lián)合觀測，目前處于野外觀測實驗和探索階段，還需豐富Rn、CH4、CO2等多種氣體組分觀測進行綜合分析，熱紅外長波輻射還需更高的時空分辨率。積累更多觀測數(shù)據(jù)，深入挖掘地震前兆異常信息，不斷總結(jié)經(jīng)驗、豐富震例，才能更好的揭示地球化學特征與熱紅外異常響應(yīng)特征。

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（本文編輯：賈源源）

收稿日期：2022-04-09

基金項目：中國地震局星火計劃項目（XH19011）;地震預測開放基金項目（XH22035D）

第一作者簡介：李繼業(yè)（1981-），高級工程師，主要從事地震綜合預測、流體地球化學研究。E－mail：jiye_li@126.com。

通信作者：李 營（1978-），研究員，博士生導師，主要從事地震流體地球化學特征成因機理研究、孕震介質(zhì)演化過程的實驗和理論計算研究。E－mail：subduction6@hotmail.com。