唐山地区土壤气Rn通量及其与地震活动的关系*

2022-06-22刘兆飞邵俊杰

地震研究 2022年2期

路畅，李营，胡乐，赵策，刘兆飞，3，邵俊杰，陈志

(1.中国地震局地球物理研究所，北京 100081；2.中国地震局地震预测研究所，北京 100036；3.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083)

0 引言

地震的孕育和发生是地下物质迁移、能量释放和应力改变的过程。在此过程中，断裂带及其周边区域流体的地球化学特征会发生改变(King，1996；陶明信等，2005；郭正府等，2017；Buttitta，2020)。土壤气作为一种可以客观、灵敏地反映地壳中应力、应变状态的流体，已被广泛应用于地震监测、活动断层识别、环境评价等领域(王诗东等，2011；Ichedef，2013；周志华等，2014；李静等，2018)，其观测组分通常包括Rn、Hg、SO、CH等气体(Li，2013；Peiffer，2014；刘兆飞，2020)。

Rn是铀和钍衰变过程中产生的一种惰性放射性气体，广泛存在于地壳中。Rn的释放受到环境中物理条件(地质条件、大气等)的影响，而不受化学过程的影响(Reddy，1996)，且由于其在自然界中的低浓度和短半衰期(3.825 d)，土壤气Rn作为气体来源的指示剂(Pinault，Baubron，1996)，被广泛应用于监测构造与地震活动(苏鹤军等，2020；Muto，2021；Zhou，2020，2021)。

地球脱气是指地球演化过程中挥发性分类从内部向外部运移的过程。对于脱气研究多数集中在火山区(Chiodini，2008)、温泉区(Walter，2020)、裂谷区(Muirhead，2020)等，而对地震断裂带的排气研究相对较少(周晓成等，2017)。目前，唐山地区已开展大量与土壤气相关的研究工作，多聚焦于断裂带剖面的土壤气浓度与通量测量(韩晓坤，2014；王喜龙等，2017；Chen，2018)、不同时间的多期次测量(杨江等，2019；盛艳蕊等，2020)、土壤气浓度的异常判定以及影响因素等(Wang，2014；赵元鑫，2021)，也有对不同深度(0.2 m、1 m)土壤气通量的差异和成因的讨论(赵红坤等，2020)。

目前关于唐山地区土壤气浓度与通量之间的关系、通量浓度的控制因素等方面的研究还比较薄弱，缺乏对土壤气Rn通量的背景场的研究。2021年8月，中国地震局地震预测研究所流体地球化学团队对唐山地区的196个测点进行了土壤气Rn通量测量，旨在建立区域内土壤气Rn通量背景场，本文探讨其空间分布特征及影响因素，如地震活动、测量条件、值。

1 地震地质背景

1976年，河北省唐山市发生震惊世界的7.8地震，唐山地区地震活动至今仍然活跃，是良好的地震科学研究试验场。近5年来，研究区(图1)发了42次≥2.0地震，其中包括2019年12月丰南4.5地震和2020年7月古冶5.1地震。

唐山地区位于燕山南缘，紧邻华北平原北部，被宁河—昌黎断裂、丰台—野鸡坨断裂、滦县—乐亭断裂和蓟运河断裂切割成NEE向的菱形块体。块体下方存在地幔隆起，隆起高度可达10 km(刘启元等，2007)。唐山断裂位于菱形块体NE向的对角线上，由陡河断裂、巍山—长山南坡断裂与古冶断裂3条平行的NE向断裂组成(虢顺民等，1977)，相邻区域的构造单元也有一系列断裂发育(图1)。唐山断裂是一条右旋走滑的第四纪同生断裂，倾角高、倾向NW，错断了第四纪地层，且下盘沉积厚度大于上盘(郝书俭等，1998；李建华等，1998)。深地震反射结果显示，唐山断裂浅部呈花状构造，深部切穿莫霍面，控制了该区地震的发生(刘保金等，2011)。区域第四纪沉积厚度为100～800 m，北薄南厚。在丰南以北，唐山断裂带以西，NNE向的第四纪小凹陷最大沉积厚度为400 m，断裂两侧的第四纪沉积落差可达200 m；而在丰南以南、唐山断裂带以东，尖字沽第四纪凹陷的最大沉积厚度为800 m，断裂两侧的第四纪沉积落差也达200 m(江娃利，2006)。

唐山地区地层复杂，以第四纪地层出露为主，包括太古宙的潘庄变质二长花岗岩和汉儿庄片麻岩套柳河峪片麻岩；前寒武纪(震旦纪)雾迷山组碳酸盐岩、青白口纪龙山组河流相沉积(砂岩、含砂砾岩及粉砂岩等)和长城纪高于庄组浅海相碳酸盐岩；寒武纪昌平组(灰色、灰黑色厚层—块状豹斑状粉晶—微晶灰岩及灰质白云岩)；奥陶纪冶里组(灰色厚层、中厚层状灰岩夹少量砾屑灰岩及少量很薄的黄绿色页岩)；石炭纪本溪组(页岩、砂岩夹海相灰岩和不稳定的煤层)；二叠纪山西组(由陆相砂岩、页岩、煤构成的旋回层组成)(图1)。

F1：沧东断裂；F2：王兰庄断裂西支；F3：王兰庄断裂东支；F4：碑子院—丰南断裂；F5：唐山—丰南断裂；F6：巍山—长山南坡断裂；F7：古冶断裂；F8：陡河断裂；F9：唐山断裂；F10：蓟运河断裂；F11：榛子镇断裂；F12：滦县—乐亭断裂；F13：宁河—昌黎断裂

2 采样分析及计算结果

在2010年756个土壤气Rn测量点位置基础上(Li，2013)，中国地震局地震预测研究所流体地球化学团队于2021年8月在唐山断裂带及周缘，按照沿断裂、等间距、高密度的方法，根据野外实际情况选取了196个测点，使用静态暗箱法测量土壤气Rn通量，通量箱壁厚5 mm，聚四氟乙烯半球壳半径为20 cm(图2)。测量仪器为美国 Durridge 公司的RAD-7测氡仪。连续循环抽气1 h，采样间隔为5 min。测量时，在连接取样器与仪器的管道中间加装一个分子筛干燥管，以降低土壤湿度造成的影响，待湿度小于10%、初始浓度为0 Bq/m时，开始测量。

图2 土壤气Rn通量野外测量装置及其测量示意图

and schematic diagram of its measurement

2.2 计算方法

土壤气Rn释放通量计算公式为(Lehmann，2004；王喜龙等，2017)：

(1)

式中：为Rn的通量值，单位：mBq/(m·s)；为通量箱的体积；为箱内的大气压，为箱内的温度；为标准大气压(101.325 kPa)；为标准温度(273.15 K)；为通量箱底部的面积；dd为单位时间内通量箱里的浓度增加变化率，为气体浓度随时间变化的线性回归曲线的斜率，通过一级动力学方程获得：

=·e

(2)

对式(2)求导，可得：

dd=·e

(3)

当趋近于0时，有：

dd=·

(4)

式中：为初始时气体浓度；为时刻的气体浓度；为浓度增加速率常数。

再通过公式：

=+e

(5)

进行拟合，得到与的值，计算得出土壤气Rn通量(刘兆飞，2020)。

2.3 采样结果

采样点的气压为99.8～101.6 kPa，海拔为-23.13～73.90 m，采样时气温为23.2 ℃～37.8 ℃，地温范围为22.1 ℃～33.8 ℃，计算得出的Rn通量为0.01～409.31 mBq/(m·s)，大多数采样点的Rn通量都在1～100 mBq/(m·s)。具体数据见表1。为了对比土壤气Rn浓度与通量，引用研究区测量的756个土壤气浓度(Li，2013)，参数计算采用SPSS22软件。

表1 唐山地区土壤气Rn数据统计

3 讨论

唐山地区的土壤气Rn通量高值分布在沧东断裂和蓟运河断裂的交汇部位、王兰庄断裂西支的东段、王兰庄断裂东支的中段，以及巍山—长山南坡断裂、唐山—古冶断裂和陡河断裂的中断及东北端(图3)。土壤气Rn的释放会受到降雨、温度、岩性等环境因素影响，为了避免这些影响，测量工作需在15 d内完成，控制测量仪器湿度小于10%，选择在岩性统一的地区测量。测量通量时的气温、地温与海拔数据，与通量值的相关性()均小于0.01，因此可以推断在同一时间段、相同测量方法测量土壤气Rn通量时，气温、地温与海拔等测量条件并不是影响Rn通量的主要因素。

3.1 Rn通量与地震的关系

地球上多数地区的脱气是小规模、低强度的，而在洋中脊、火山、温泉、活动断裂带等地区，由于地壳薄弱，脱气会比较强烈(成智慧等，2012；Zhang，2021)。脱气过程还与地震、火山、成矿物质搬运有直接关系(杜建国等，2018)。地震的孕育、发生及震后，气体的通量都会受到不同程度的影响(Rogie，2000；周晓成等，2017)，但这往往是短时间的(D’Alessandro，2020)，通常为几天到几个月。本文选取2017—2021年中国地震台网中心记录的42次≥2.0地震数据，其中包括2次较大的地震——2019年12月丰南4.5地震和2020年7月古冶5.1地震，探讨唐山地区地震活动与土壤气Rn通量的关系。

唐山断裂及其周缘区域近年地震较多(图3)，地震的空间分布为NE向，但土壤气的Rn通量高值与地震的分布没有良好的一致性。地震发生前，土壤气Rn浓度会出现高值(张炜等，1988；Steinitz，2003)，这是因为地震发生前的温度、应力、岩石破坏程度会发生变化。但近年来在唐山地区发生的地震并未促进土壤气Rn的释放，这是因为通常情况下，较大震级的地震才会改变地下的渗透率(Rutte，2016；孙小龙等，2020)，而该区域内发生的地震震级较小(≤5.0)，库仑应力变化不足以改变土壤气Rn的释放速率以及地下渗透率。自然界中氡(Rn)的迁移速率较低(≤10cm/s)，且半衰期短，因此氡再到达地表1 km前会因为放射性衰变而流失，且异常的时间较短。由于Rn的自由扩散和地下应力的复杂条件，震级越大，可观测到的Rn通量的异常范围也会随之增大(Ghosh，2009)，地震引起的Rn异常通常并不在震源区被发现。本文研究区内地震震级小、发震间隔时间长，所以在讨论Rn通量与地震的空间分布时，忽略测点和震中的距离问题。总之，近年来唐山地区的小震活动对土壤气Rn通量的影响较小。

图3 唐山地区Rn通量与地震震中分布

3.2 Rn通量与浓度的关系

目前关于土壤气Rn浓度与通量的关系讨论较少，因此，本文将2010年测量的756个土壤气Rn浓度(Li，2013)与本次测量Rn通量进行对比。唐山地区土壤气Rn浓度与通量的高值一致性较好，尽管并未完全按照断裂的走向分布，但都遍布在断裂周围及两端，如图4a、b所示，图中红线表示活动断裂带。图4a中土壤气Rn通量为196个土壤气通量数据；图4b中土壤气Rn浓度为756个土壤气浓度数据；图4c中值由2008—2021年8月所有天然地震求得。理论上，高浓度气体会向浓度低的地方自由扩散，浓度和通量应该是正相关关系，但是由于气体运移通道、方式及来源的变化，二者的正相关性会降低。

土壤气Rn在地下的迁移和富集，主要包括扩散作用、对流作用、水载迁移、气载迁移、地热作用和射气作用等机制。在土壤气体测量过程中，可能会受到环境条件的影响，但由于在活动断裂带土壤气中Rn、Hg、CO等气体浓度较高，环境因素对断裂带附近土壤气体浓度的影响是相对次要的(Toutain，Baubron，1999)。

不同断裂性质的土壤气体浓度会呈现不同程度的高值：正断层土壤气往往出现单峰、双峰或多峰；逆断层由于其上盘破裂发育程度较大，所以跨断层气体浓度形态多呈现上盘高、下盘低的特征。唐山断裂是一条右旋走滑的第四纪同生断裂，断层核部及两侧的破碎带由破碎的岩石组成，渗透性高，有利于深部气体向上运移，所以断裂带及其周缘土壤气Rn浓度与通量均较高(图4)。

图4 唐山地区的土壤气Rn通量(a)、Rn浓度(b)与b值(c)的分布

3.3 Rn通量与b值的关系

震级-频度(G-R)关系(Gutenberg，Riohter，1944)在地震学研究的各个领域有着广泛的应用。值作为G-R关系中最重要的参数，用来描述大、小地震之间的比例关系。值同时也与地应力的状态密切相关。值高代表地应力水平较低，而值低则代表地应力水平较高(吴果等，2019)。

大量高温高压实验研究证明，在应力变化条件下，岩石会释放出气态Rn(罗光伟，石锡忠，1980；Utkin，Yurkov，2010)，并且有部分地区土壤气体与应力之间存在相关性。如Yuce等(2017)对土耳其阿米克盆地死海断层和卡拉苏断层带土壤气体变化和局部地下应力研究发现，两者密切相关；张磊等(2018)对呼图壁地下储气库构造气体地球化学特征的研究发现，动力加卸载过程中的断层气体运移和富集特征，是评价地下介质受力状态和构造活动程度的重要指标之一。

为了避免1976年唐山7.8大地震对值的影响，本文选取了2008年中国数字地震台网完善后记录到的包含所有震级的天然地震数据(刘瑞丰等，2008)，利用最大似然法进行计算，同时，为了减小值计算的误差，每个节点(0.1°×0.1°)的计算要求地震数目大于100，震级跨度大于1.5级。由于部分地区地震数目不足，仅计算出研究区东北部的值。图4c显示，唐山断裂带及其东北端的应力水平较高，明显高于其西南端，且较低的值与土壤气Rn通量高值的空间分布较为一致，推测可能是应力影响了土壤气Rn的释放强度。较高的应力水平会促进岩石释放Rn(车用太，2002)。唐山地区第四纪沉积厚度为100～800 m，并且北薄南厚(江娃利，2006)，较厚的沉积层可能会降低土壤气Rn的脱气强度，因为Rn可以被岩石、土壤颗粒表面吸附(李营等，2009)，从而降低土壤气Rn的逸出速率，但较为年轻的唐山断裂，受高应力的挤压，高应力水平仍可以提高土壤气Rn的释放强度。

唐山地区≥5.0历史地震分布呈NE向(图4c)。已有研究表明，唐山地区气体的排放与大地震有良好的空间相关性(Mearns，Sornette，2021)。断裂是地震活动的产物，也是气体排放的良好通道，在大地震发生后形成的一系列断裂，可能为气体排放提供了良好的通道。所以笔者认为唐山地区近5 a的地震(≤5.0)对于土壤气Rn脱气强度的影响较小，但是震级较大历史的地震(≥5.0)与土壤气Rn排放高值有良好的空间对应关系。