基于构造活动的断层气汞异常探讨

李冬梅 杨 静 常 姣 李 丽

1）中国太原 030021 山西省地震局

2）中国山西 041000 山西省地震局临汾地震监测中心站

3）中国山西 044400 山西省地震局夏县地震监测中心站

4）中国太原 030025 山西省太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站

0 引言

汞元素有较高的电离势、高挥发性和极强的穿透能力，极易在断层和岩石裂隙中富集（Jin et al，1989）。在地下孔隙流体的携带和地压梯度的作用下，汞元素可以沿着断裂或岩石裂隙从深部迁移到地表（Zhang et al，2014；Cao et al，2017）。当地壳深部孕育地震或断裂活动等使地壳介质受力状态、热力条件等发生变化时，汞在断裂带等孔隙中的正常迁移状态也会发生变化。根据汞元素的物理状态和载体的不同，其在地下表现为气汞和水汞2 种形态。相比于水汞，断层中气汞的移动速度快，穿透能力更强，对周围环境的变化也更加敏感。因此，在活动断裂带或其他有利于汞迁移的部位观测气汞的动态，可了解构造活动、地壳应力应变、热动力活动等地壳运动信息。

断层气汞观测已被广泛用于地震的前兆异常监测及预测工作中（张炜等，1989；李立平，1993；Liu，2006）。与其他断层气组分相比，断层气汞具有异常幅度大、曲线突出、易于识别等特征，在地震短临预测中更有优势。对断层中气汞浓度的观测可以用于地震的监测预测（申春生等，1993；Wang et al，2018）及活动断层的探测（魏柏林等，1988；邵永新等，2007）等，进而捕捉地震前兆信息，为地震预测提供依据。

夏县地震台气汞观测始于2008 年，观测以来台站周边发生了多次中强震。但对异常机理，特别是对异常与构造活动间关系的研究工作尚未开展。本文基于山西县地震台2008—2017 年断层气汞浓度观测数据，利用新的气汞浓度数据处理方法，分析地震前气汞浓度观测数据的变化特征及断层气汞浓度异常与地震三要素之间的关系。根据气汞浓度异常期间区域应力场的变化特征，分析气汞浓度异常是否反映了构造活动加剧所引起的区域应力场和深部地球物理场的改变，进而探究断层气汞浓度异常形成机理。

1 观测台站资料与数据处理

1.1 断层气汞观测概况

夏县地震台位于山西南部运城夏县瑶峰镇南山底村，断层气汞观测点海拔高程为450 m。断层气汞观测孔位于中条山山前大断裂与NW 向隐伏断裂交汇处的夏县地震台背后山洞硐口中（杨静等，2019）。从构造背景上看，夏县地震台位于鄂尔多斯块体的东南缘和运城盆地的东缘，同时也是连接华北克拉通西部和东部的重要通道，其构造特征对于理解整个华北克拉通的形成和演化具有十分重要的意义（Li et al，2018）［图1（a）］。

气汞浓度测点附近有地热温泉出露，为一局部地热异常区，因此土壤气富集，是理想的断层气汞观测位置。气汞观测孔深度为8.6 m，直径为800 mm，底部使用砖块砌成漏斗状收集气体，导气管采用PVC 管材。开挖槽内放置2 根集气管，并在底部2.5 m 以下留有若干集气小孔，用于观测不同的气体组份。为保障尽可能多的气体进入集气管，孔底以上2.0 m 处全部使用干砖砌成，后用原土压实回填至孔口，从而可以收集到7.0 m 及更深处的气体（图1）。夏县地震台断层气汞浓度观测采用RG—BQZ 型数字测汞仪，该仪器自2008 年1 月1 日起正式启用，采样间隔为1 h（常娇等，2019）。

图1 夏县地震台断层气观测概况图（a）夏县地震台气汞观测场地构造简图；（b）断层气孔剖面图Fig.1 The basic information of fault gas observation at Xiaxian Seismic Station

1.2 断层气汞干扰因素分析与数据处理方法

夏县地震台断层气汞自2008 年正式观测以来的多年观测数据显示，汞测值较低，正常为0.005 ng/L 左右。仪器标定、气温、气压对夏县地震台断层气汞浓度观测曲线影响不太明显，主要干扰：①夏季雷雨造成的汞浓度观测数据突跳，雷电过后很快恢复正常，该干扰易于识别，数据分析中可直接剔除；②观测系统干扰主要表现为更换主机会引起曲线按一定的斜率呈趋势性下降变化，仪器稳定时间较长，经过几十天后，数据缓慢恢复正常值，如2008—2017 年夏县地震台汞浓度观测系统有3 次更换主机事件，观测数据出现大幅突跳，并且这一突跳变化恢复期较长［图2（a）—2（c）］。因该类干扰引起的数据变化规律较明显，更换主机后观测数据会产生较大突升，之后观测曲线逐渐下降数周后基本恢复正常，但其对该时间内的观测数据造成的持续干扰不易识别，对异常判别造成一定的困难。为此，本文采用去斜率法对观测数据进行处理，消除系统干扰因素引起的“假异常”信息，减弱仪器飘零影响因素，突出地震“真异常”特征。在数据处理时，主要根据观测数据的变化特征和干扰的变化形态，利用地震专用数据处理软件mapsis，按照背景值的大小分段对数据进行斜率去除干扰的定量计算，通过改变不同的滑动参数，最终选定活动系数为5 的计算结果，计算后数据平稳，与未经处理的原始观测数据可以无缝连接。拟合更换主机后异常时段的汞浓度观测曲线在一定程度上去除了系统干扰的影响，从而提高了更换主机后断层气汞观测的可信度。利用斜率法处理后的气汞浓度测值如图2（d）—2（f）所示，与图2（a）—2（c）结果相比，明显降低了更换主机后一段时间内所带来的系统误差的影响，为气汞浓度观测值分析及异常判别提供了基础依据。

图2 夏县地震台断层气汞观测系统干扰原始数据（a、c、e）和利用斜率校正法去除系统干扰后的数据（b、d、f）Fig.2 The original gas mercury data curve (a,c,e) and the curve after the slope correction to remove the systematic errors (b,d,f) of Xiaxian Seismic Station.

2 断层气汞浓度异常与地震间关系

2.1 气汞浓度动态变化特征

利用斜率校正法对2008年1月至2017年5月夏县地震台汞浓度观测数据进行处理后，得到断层气汞浓度随时间的变化曲线（图3）。由图3 可以看出，2010 年以来，夏县地震台断层气汞浓度表现为“阶梯式”变化，按照气汞浓度变化幅度大致可划分为3 个阶段，第1 阶段：2010 年10 月至2011 年7 月；第2 阶段：2013 年3—12 月；第3 阶段：2015 年1 月至2017 年5 月，每个阶段的平均气汞浓度都有显著的高值变化。

图3 2008 年1 月至2017 年5 月夏县地震台断层气汞浓度Fig.3 Changes in fault gas mercury concentration at Xiaxian Seismic Station in Shanxi from January 2008 to May 2017

2.2 气汞浓度异常与地震间的关系

根据统计分析，断层气汞浓度高值异常与周边中等地震间有较好的对应关系。根据震例总结的4 级左右地震前异常范围约为200 km 的特征（张肇诚等，2013），对2010 年以来测点周围200 km 范围内的地震进行分析发现，在16 次4 级左右地震中，有9 次地震前夏县地震台气汞浓度出现高值异常（图4），特别是2016 年3 月12 日运城ML4.9地震前气汞浓度测值持续高值异常，震兆特征显著。异常具体形态特征详述如下。

第1 时段（2010 年5 月至2011 年7 月）：在该时间段内气汞观测浓度的平均背景值约为0.01 ng/L，观测曲线出现了2 次明显的突跳升高。其中，第1 次在2010 年10 月末至2010 年12 月中旬，汞浓度测值呈现出逐渐升高的趋势，特别是在2010 年12 月12 日气汞浓度达到了0.067 ng/L 的峰值，约为背景值的6 倍，突升变化后在距测点约20 km 处发生2010 年12 月14 日闻喜ML3.8 地震，在距测点约50 km 处发生2011 年1 月15 日河津ML4.1地震。第2次为2011年3—4月，气汞浓度再次出现高值突跳，最大幅度为0.112 ng/L，异常出现1 个月左右，在距测点约200 km 的山西长治发生ML3.7 地震（图5）。

图5 2010 年10 月至2011 年7 月汞测值与典型地震对应Fig.5 The gas mercury concentration curve from October 2010 to July 2011 corresponds to typical earthquakes

第2 阶段（2013 年3—12 月）：与第1 阶段的气汞浓度相比，该阶段出现测值显著升高现象，气汞浓度背景平均值也上升到0.08 ng/L，为第1 阶段的8 倍。2013 年3—8 月，气汞浓度一直处于高值波动异常状态，在此期间，在距台站70 km 范围内发生一系列强有感地震，其中，最大震级地震为2013 年4 月4 日山西垣曲ML4.0 地震（图6）。

图6 2013 年3—12 月汞测值曲线与典型地震对应Fig.6 The gas mercury concentration curve from March 2013 to October 2013 corresponds to typical earthquakes

第3阶段（2016年1月至2017年5月）：该阶段气汞浓度背景值上升到0.6 ng/L，与第1、2 阶段相比，测值显著增大，为第1 阶段的60 倍、第2 阶段的7.5 倍。在此期间，在距测点200 km 范围内连续发生6 次ML≥3.5 地震，这表明测点周边应力加速释放现象明显，汞浓度测值达到18 ng/L 后，在距测点约20 km 处发生运城盐湖ML4.9 地震（图7）。

图7 2016 年1 月至2017 年5 月气汞浓度与典型地震间的对应Fig.7 The gas mercury concentration curve from January 2016 to May 2017 corresponds to typical earthquakes

2.3 气汞浓度与震源参数之间的关系

为了定量研究地震发生时震源参数与汞浓度间的关系，将前述3 个阶段中与地震对应的气汞浓度提取出来，绘制气汞浓度与不同震源参数的关系图（图8）。在提取不同地震对应的气汞浓度时，考虑地震的发生对气汞浓度的影响并不是即时的，而是地震发生后1 周时间内断层气汞浓度所达到的峰值，为此，采用多项式拟合法对数据进行处理。图8 中的直线即为由多项式拟合得到的曲线，曲线附近的区域为利用bootstrap 方法求取的65%的置信区间（Davidson et al，2020）。

图8 气汞浓度与震中距、震级间的相关性分析Fig.8 Correlation analysis between gas mercury concentration and earthquake epicentral distance and magnitude

通过求取横、纵坐标的相关系数（correlation coefficient，以下简称为corr），发现断层气汞浓度与震中距间表现为微弱的负相关（corr=-0.25），即震中距越大通常对应着气汞浓度峰值的降低。与此相对应，断层气汞浓度与震级间表现为较强的正相关（corr=0.61），表明震级较大的地震通常对应着较高的气汞浓度峰值［图8（b）］。为了进一步验证震中距和震级对断层气汞浓度的影响，将图8（c）横坐标设置为震级与震中距的比值，此时气汞浓度与该比值间表现为正相关（corr=0.34），表明震级和震中距对气汞浓度有一定的影响。

3 断层气汞浓度异常与构造活动间的关系

众所周知，区域应力场变化与构造活动密切相关，而震源机制解、库仑应力、GPS 基线等则是区域应力场的直观表现。如前所述，夏县地震台断层气汞自观测以来，浓度背景平均值呈逐年上升态势，其间出现多组高值突跳异常与测点附近的中等地震活动有一定的对应关系。那么，夏县地震台气汞浓度的趋势性上升和突跳变化是否与构造活动加剧引起区域应力场变化有关，本文将从以下几方面进行分析。

3.1 震源机制解一致性参数

震源机制一致性参数可用来描述应力场的空间均匀程度，通常使用震源机制一致性参数作为衡量地震震源释放应力场与区域构造应力场一致性程度的定量指标（Michael，1987a，1987b，1991），该参数也是判断地震危险性的一个常用判据（李金等，2015）。应力张量方差可以表征震源机制一致性，其被定义为misfit 角度（单个地震的滑动矢量与在假设应力张量作用下产生的理论滑动矢量之间的夹角）与其平均数之差的平方和的平均数（Michael et al，1990）。若大量地震震源机制解与平均构造应力场差异较小，即表现为应力张量方差较小，则认为震源机制具有较好的一致性，反映震源区应力水平升高（张致伟等，2015；李金等，2015）；反之，则认为震源机制趋于散乱，震源区应力水平降低（Wiemer，2001）。

利用2008—2017 年山西地区260 余个ML≥2.5 地震震源机制解结果，采用Zmap软件包（Wiemer，2001）集成的应力场反演方法得到了山西地区应力张量方差空间分布图（图8），由图8 可见，2014—2015 年夏县断层气汞测点所在的山西南部运城盆地应力张量存在显著低值区域，断层气汞的趋势性上升和多组高值突跳则出现在震源机制一致性参数低值异常时段（图9、10），这表明断层气汞测值趋势性上升和高值突跳变化可能与区域构造应力场作用增强有关。

图9 2008—2017 年山西地区应力张量一致性的空间分布Fig.9 Spatial distribution of stress tensor consistency in Shanxi from 2008 to 2017

3.2 累积库仑应力

利用库仑破裂应力来研究强震之间的应力触发以及强震对周边断层地震危险性的影响等是目前的研究热点。石富强等（2017）基于有限断层模型并考虑震后粘弹性松弛及震间构造应力加载作用，计算了华北地区第三活跃期以来的历史强震对鄂尔多斯块体周缘主要活动断裂的库仑应力加／卸载效应。同震、震后、震间3 个方面效应引起的累积库仑应力计算结果显示（石富强等，2017），临汾— 运城盆地库仑应力累积显著（图11）。夏县地震台断层气汞浓度背景值的趋势性上升及多组高值突跳异常是在库仑应力积累的背景下产生的，可能与构造活动有关。

图10 2007—2017 年山西南部运城盆地及其附近应力张量方差时序变化Fig.10 Time series variance of stress tensor in Yuncheng Basin and its vicinity in southern Shanxi from 2007 to 2017

图11 临汾—运城盆地库仑应力累积显著（修改自石富强等，2017）Fig.11 Accumulation of Coulomb stress in the Linfen-Yuncheng Basin,modified from Shi et al (2017)

3.3 山西临汾—山西夏县GPS 基线

GPS 观测是监测地壳运动的重要手段，通过计算2 个GPS 测站间的基线长度，可以削弱数据解算过程中共模误差的影响。基线长度变化主要反映了测站之间距离的变化，揭示出所跨区域水平拉张或挤压等形变特征，也可以用于描述所跨直交断裂带的拉张、挤压、走滑等特性。2014 年5 月以来，山西南部的SXLF—SXXX（山西临汾—山西夏县）基线出现缩短，2015 年以来先后出现转折（图11），表明山西南部区域南北向的压缩区域总体呈受压状态；从区域应变角度来看，区域主压应变和最大剪应变2010 年以来持续增大（图12、13、14），2016 年年初出现大幅转折变化，在此状态下发生了2016 年3 月运城盐湖ML4.9地震。而盐湖地震前1周，夏县地震台断层气汞浓度突跳幅度达到观测以来最高点，约为18.223 ng/L，是背景平均值的30.4 倍。断层气汞浓度大幅突跳变化时间与GPS 基线转折时间具有准同步性，这种现象有可能与构造活动加剧引起区域应力场改变有关。

图12 临汾—夏县GPS 基线时序变化Fig.12 GPS baseline time series curve of SXLF-SXXX (Shanxi Linfen—Shanxi Xiaxian)

图13 临汾—夏县GPS 主压应变时序变化Fig.13 Time series curve of GPS principal compressive strain in Linfen—Xiaxian

图14 临汾—夏县GPS 最大剪应变时序变化Fig.14 Time series curve of GPS maximum shear strain in Linfen—Xiaxian

综上所述，夏县地震台断层气汞浓度自观测以来趋势性上升和多组高值突跳变化与震源机制一致性参数高值时段、库仑应力积累时段、GPS 压性作用增强、转折时段等具有较好的同步性，在空间上也较吻合，特别是2016 年3 月运城盐湖ML4.9 地震时的高值突跳和GPS 压性作用转折时间的高度一致性，表明断层气汞浓度异常与构造活动有关。

4 结论与讨论

4.1 结论

通过对夏县地震台断层气汞浓度测值异常与构造活动之间关系进行分析后，得到如下结论。

（1）夏县地震台断层气汞浓度观测数据按照背景值变化幅度可分为3 个阶段。不同阶段气汞浓度背景平均值相差较大，第2 阶段是第1 阶段的8 倍，第3 阶段是第1 阶段的60 倍。

（2）对夏县地震台断层气汞浓度测值异常与距测点200 km 范围内4 级左右地震之间关系分析结果表明，研究范围内多数中强地震的发生都伴随着气汞浓度的上升，上升幅度一般会高出平均背景值几至几十倍。

（3）气汞浓度趋势性上升和多组高值突跳变化期间，震源机制一致性参数、库仑应力积累、GPS 压性作用增强和转折等可反映构造活动增强所引起的区域应力场要素发生了显著改变。气汞浓度异常与构造活动增强现象在时间上具有准同步性（2014—2016 年），空间上也较吻合（山西临汾—运城盆地），特别是2016 年3 月运城盐湖ML4.9 地震时的高值突跳和GPS 压性作用转折时间的高度一致性，表明断层气汞浓度异常是在区域应力场增强的背景下产生的，与构造活动有关。

4.2 讨论

（1）如前所述，夏县地震台气汞浓度在2010 年—2017 年3 个阶梯变化过程中，不同阶段的断层气汞浓度背景值均出现量级上的差异。根据3 个阶段断层气汞浓度大小，可把3 个阶段命名为“稳定期”“积累期”“爆发期”，气汞浓度在不同阶段所表现的特征可能与测点附近构造活动的强弱有一定的关系。因地壳浅部应力场的变化是影响气汞浓度的主要因素，在区域构造应力积累过程中必定会导致裂隙和断层中气汞浓度的升高。夏县地震台断层气汞浓度在“平静期”出现的高于背景值的突跳变化，可能与汶川MS8.0 地震之后，山西断陷带地壳形变与构造应力场发生变化（刘峡等，2013）、山西带南端显著地表位移（杨国华等，2009）、库仑应力延迟触发（朱艾斓等，2010）等有关；在断层气汞浓度背景值发生改变的“积累期”，测点所在的夏县地震台及附近出现了低波速比、高视应力、重力梯度带、地磁高值区等趋势性异常（宋美琴等，2013），显示了应力持续积累过程；在夏县地震台断层气汞浓度的“爆发期”阶段，震源机制一致参数、库仑应力、GPS 等先后出现不同程度的异常，特别是运城盐湖ML4.9 地震前临汾—夏县GPS 基线快速转折变化与断层气汞浓度高值异常时间的高度吻合，表明夏县地震台断层气汞浓度“爆发期”阶段出现高值异常与山西南部区域构造活动的加剧有关。由于夏县地震台地处鄂尔多斯块体东南缘，位于中条山断裂上并与华北克拉通东部相连，区域挤压应力场的增强必将造成区域内岩石的破裂和断层的活动，汞运移速率增大，运移通道增多，从而使得气汞浓度从“积累期”进入了“爆发期”。

（2）因夏县地震台断层气汞浓度变化与区域构造活动之间有较好的对应关系，这对山西南部地区强有感地震有较好的预测意义，建议将其作为山西中南部地区强有感地震发生的短临预测指标。

（3）断层气汞浓度观测作为一种有效的地震前兆和短临预测手段，已越来越多地被应用于短临预测工作中。然而，目前对于断层气汞浓度的观测和研究仅局限于气汞浓度突跳与地震间的对应关系，并没有对断层气汞浓度的具体影响因素进行探讨。但实际情况是影响断层气汞浓度的因素还有很多，除了震源参数外，还有断层走向、气温、气压、岩石岩相等诸多因素。对于断层气汞浓度的定量分析虽初步进行了尝试，但还需要更多的观测数据进行综合分析，以得到影响断层气汞浓度的物理经验公式。