北京西部活动断裂CO2与Rn脱气特征及其环境影响*

李 静，周 贺，陈 志，陆丽娜，杜建国

(1. 防灾科技学院，河北 三河 065201；2. 中国石油冀东油田公司，河北 唐山 063000；3. 中国地震局地震预测研究所 地震预测重点实验室，北京 100036；4. 河北省地震动力学重点实验室，河北 廊坊 065201)

0 引言

地球脱气作用是岩石圈和大气圈进行物质能量交换的重要形式。地下气体作为地壳运动和地球物理、化学场变化的产物不仅携带了大量地球内部的信息，其大量逸出也可能直接改变局部大气的物理化学状态，产生一定的环境效应(朱宏任，汪成民，1990)。活动断裂带是地壳相对薄弱的地带，构造裂隙的发育以及断层活动为深部气体的运移提供了通道，是大陆地区发生脱气作用的重要场所之一。

测量断裂带附近土壤气浓度的变化，是研究断裂脱气的主要手段，对探讨断裂活动性及开展地震监测预测研究具有一定意义。国内已有大量研究表明，断裂附近土壤气地球化学特征与活动断裂的分布、构造活动性以及区域地震活动密切相关(周晓成等，2011；蔡仲琼，2000；盛艳蕊等，2015；王喜龙等，2017)。此外，活动断裂脱出的气体不仅包括CO2、H2、某些烃类等具有温室效应的气体，还包括Rn、Hg等有害气体，这些脱出的气体会对区域环境产生一定的影响，例如Zhou等(2016)通过野外实测，估算汶川地震破裂带CO2的排放量为0.57×106t/a，与世界上部分火山及泥火山区温室气体释放量相当(黄华谷等，2011；马向贤等，2012；郭正府等，2015)；周晓成等(2017a，b)讨论了首都圈西北部主要断裂带及汶川地震破裂带土壤气H2释放的浓度变化及环境效应；一些学者(Chenetal，2018；周志华等，2014)研究了首都圈部分断裂带土壤气Rn释放造成的环境影响，提出部分区域需采取防氡措施。

黄庄—高丽营断裂、八宝山断裂和南口山前断裂是北京市西部3条主要的NE向活动断裂，目前关于上述3条断裂脱气情况及环境影响的研究鲜见报道。本文基于这3条断裂释放的CO2和Rn的浓度与通量连续两期测量结果，分析了区域断裂脱气特征，并估算了断裂带的年脱气规模，探讨了断裂带脱气对区域环境造成的影响，以期为更好地开展区域土壤气监测以及区域地震监测及环境保护提供参考。

1 地质概况

北京市位于华北盆地北缘，大地构造上处于中朝准地台北部，横跨燕山台褶带和华北断坳2个二级构造单元，受燕山运动影响，区域内断裂发育，NE向及NW向断裂相互交汇，造就了北京“两隆一凹”(即京西隆起、北京凹陷和大兴隆起)地堑式盆地的前第四纪基底格架(徐倩华，2010)。黄庄—高丽营断裂、八宝山断裂和南口山前断裂是北京市西部3条主要的NE向活动断裂(图1)，是北京山区和平原区的主要分界构造(张磊等，2017a；黄秀铭等，1991；刘广平等，2001)。

图1 北京西部活动断裂区域地质概况及土壤气测区分布Fig.1 Geological structure of the main activefaults and the survey areas for soil gas in western Beijing

黄庄—高丽营断裂是北京地区规模最大的一条NE向断裂，形成于燕山运动末期，是北京凹陷和西山隆起的分界构造(张磊，2017a)，也是古近纪以来北京凹陷西界的主控断裂。断裂北起北京密云西略庄，向南经怀柔、高丽营、丰台至河北涞水附近，全长约130 km，倾向SE，倾角55°～75°，主要表现为正断倾滑性质(焦青等，2005)。有研究表明该断裂北段全新世以来存在强烈的蠕滑变形，其北段高丽营地区产生了地裂缝、地面塌陷、墙体路面开裂等地质灾害现象(张磊，2017b)。测区第四纪沉积物厚度可达300～500 m，地表覆盖层以松散的砂质及粉砂质黏土为主。

八宝山断裂紧邻黄庄—高丽营断裂呈波弯状展布于北京西山山麓，形成于中侏罗世晚期。断裂南起涞水，向北东经大灰厂、八宝山止于南口孙河断裂，全长约80 km，属逆断层，倾向SE，倾角25°～35°(徐杰等，1992)。断裂两侧主要出露有蓟县系雾迷山组灰岩和石炭二叠系砂页岩，测区地表覆盖层以松散砂质及砂砾石为主。

南口山前断裂位于昌平南口山前地带，是军都山隆起与京西丘陵平原区的分界断裂，形成于燕山运动早期，燕山早期断裂为逆冲性质，晚期转变为张性正断层。断裂自白羊城经南口村至虎峪一带，全长约60 km，走向NE，倾向SE，倾角50°～80°(冉洪流等，1996)。断裂主要发育在中元古界白云岩、灰岩地层中，测区地表覆盖层以砂砾石、粗砂以及粉质黏土为主。

2 土壤气测量方法

为调查活动断裂脱气情况，项目组于2017年5月和2018年5月重复测量了北京西部3条活动断裂的土壤气CO2和Rn的浓度以及通量，该时段北京地区气温相对稳定，且降雨少，可有效避免野外测量期间因气候因素带来的干扰和影响。在黄庄—高丽营断裂的西王路(XWL)、八宝山断裂的大灰厂(DHC)、南口山前断裂的德胜口(DSK)和檀峪村(TYC)分别设置了测区(图1，表1)，各测区跨断裂布置一条测线，测线上布置10～14个浓度测点，测点间距10～40 m(图2)。两期测量中土壤气浓度测点共计96个，通量测点共计22个。

表1 土壤气测区基本信息及测点数

图2 跨断层测点布置示意图

本文土壤气野外流动测量方法与Zhou 等(2016)采用的方法相同，在测点处用钢钎打下直径30 cm、深度约80 cm的取样孔，再将空心取样器插于孔内，密封孔口后开始取样、测量(图3a)。采用VEGA-GC型便携式气相色谱仪测量

CO2浓度，检测限为2 μL/L，仪器的标定误差为5%；采用RTM2200测氡仪测定Rn浓度，检测限为7.14 Bq/m3，仪器的标定误差小于10%。浓度测量结束后，选择靠近断裂的2～4个测点进行土壤气逸散通量测量，采用静态暗箱法(图3b)(Chiodinietal，1998；Evansetal，2001)。通量箱为半径20 cm的聚四氟乙烯半球壳，使用GXH-3010便携式CO2分析仪连续循环抽气测量CO2通量，抽气时间30 min，采样间隔为15 s；使用RAD7测氡仪连续循环抽气1 h测量Rn通量，采样间隔5 min，仪器与取样器间装有干燥管，避免土壤湿度影响。土壤气通量的计算公式如下：

(1)

(2)

图3 土壤气浓度(a)和通量(b)测量示意图

式中：FCO2和FRn分别代表土壤气CO2和Rn的通量，单位分别为g/(m2·d)和mBq/(m2·s)；ρ为常温常压下CO2的标准密度；V0为通量箱体积；P0为箱内大气压；T0为箱内温度；A0为通量箱底面积；Ps为标准大气压；Ts为标准温度；dC/dt为通量箱内气体浓度的变化率，由野外测量获得。

3 结果与讨论

3.1 脱气特征

综合分析北京市西部两条活动断裂两期土壤气测量结果见表2。因样本数量有限，且各测区土壤气数据在K-S检验中均符合正态分布，因此采用了平均值+n倍标准差的方法确定各测区土壤气浓度正异常下界值，高于此异常界的值视为异常值。

表2 研究区活动断裂土壤气浓度和通量测量结果

参考前人研究(李营等，2009；刘永梅等，2016)，并结合本文测量数据，取平均值加1倍标准差作为土壤气浓度异常界。

综合各测区两期的土壤气浓度数据(以断裂陡坎处为测线0位置，东侧盘取负值，西侧盘取正值)可见，西王路测区所在的黄庄—高丽营断裂为正断层，测线剖面上土壤气浓度异常主要位于断层上盘(东侧盘)，且CO2和Rn浓度最大值均出现在断层上盘，空间位置一致；第二期CO2和Rn的浓度均表现出上盘相对较高、下盘相对较低的趋势(图4a)，推断其与黄庄—高丽营断裂倾向SE，上盘为新生代断陷盆地，其北段张性活动明显，造成断裂上盘裂隙更为发育有关。大灰厂测线剖面上CO2和Rn浓度异常主要集中在-60～0 m断裂附近，且异常空间位置一致(图4b)。大灰厂测线所在的八宝山断裂为倾向SE的逆断层，因此该区断裂的集中破碎带位于断裂中央上盘-60～0 m，由于断裂挤压作用致使该区域裂隙更为发育，连通性好，有利于断裂内部气体的逸出。得胜口与檀峪村测区所在的南口山前断裂为倾向东南的张性正断层，得胜口测线上Rn和CO2浓度异常出现于断层中央和上盘，异常空间位置不一致；檀峪村测线上Rn和CO2浓度异常出现于断层中央和下盘，两条测线上Rn和CO2的浓度异常主要集中于断裂中央-20～40 m(图4c，d)，此区域应为断裂集中破碎地带。

图4 各测区剖面土壤气浓度分布

从各测区土壤气平均浓度可见，西王路测区土壤气CO2和Rn平均浓度最高，得胜口测区最低(图5a)。各测区土壤气CO2和Rn的平均浓度呈现出明显的正相关变化趋势，两期平均浓度的相关系数为0.987(图5b)，反映了断裂脱气过程中土壤气CO2对土壤气Rn的逸出具有明显的载气作用，前人研究也表明CO2、CH4等地球内部逸出气体，可作为载气将地球深部的Rn运移至地表，造成土壤气CO2浓度和Rn浓度相关性较高(Yangetal，2003；Fuetal，2008；刘永梅等，2016；王喜龙等，2017)。

Rn浓度高低与断层活动性具有密切关系(Seminsky，Demberdl，2013；Seminsky，Bobrov，2009；杨江等，2019)，本文采用Seminsky和Demberdl(2013)建立的方法计算了土壤气Rn相对指数KQ：

KQ=Qmax/Qmin

(3)

式中：Qmax为测线剖面上浓度最大值；Qmin为断层两盘外侧非异常区域的浓度最小值。本次计算综合了各测区两期数据，并选取断裂两侧±40 m范围外非异常区的最小浓度为Qmin，相对指数KQ能有效排除岩土放射性、覆盖层厚度、气象条件等区域背景因素的影响，可用于评价断裂构造活动性，KQ值越大，则断层的构造活动性越强(Seminsky，Demberdl，2013；Seminsky，Bobrov，2009)。

由各测区Rn的KQ值可见(图5c)，西王路测区KQ值最大，说明其所在的黄庄高丽营断裂北段构造活动较强，该地区确实存在规模性、集丛性的地裂缝以及建筑墙体开裂和变形等地质灾害现象。张磊等(2017b)指出黄庄—高丽营北段全新世以来表现出强烈蠕滑变形，垂直活动速率较强，断裂两盘差异性沉降明显，断裂上盘在断面附近受到牵引力向下拖拽，在纵弯作用下产生张裂，因此诱发了线性分布的地裂缝、地面塌陷、墙体路面开裂等地质灾害现象，且这些地质灾害均集中发育在断裂上盘(即东南侧的下降盘)。因此，西王路测区断裂活动性强，地裂缝发育，有利于断裂内部气体脱出，是导致该测区土壤气平均浓度高的主要原因。大灰厂测区的KQ值低于西王路测区，说明八宝山断裂的构造活动性弱于黄庄—高丽营断裂，徐杰等(1992)研究也表明新生代黄庄—高丽营断裂的构造活动性强于八宝山断裂，且具有北强南弱的特征。位于同一断裂带的得胜口测区和檀峪村测区KQ值较小，说明南口山前断裂构造活动性相对最弱，断裂北部得胜口测区KQ值与南部檀峪村测区相比略显偏高，可能说明断裂北段活动性较南段略强，也呈现出北强南弱的特点，而北部测区表现出的CO2和Rn浓度偏低，可能由测区地表砾石出露较多，渗透性强，造成更多地表空气与土壤气混合稀释所致。总体而言，研究区各断裂的KQ值及土壤气平均浓度呈现东高西低的趋势，与前人(王喜龙等，2017；李营等，2009)的研究结论“首都圈土壤气浓度整体具有东高西低的变化趋势”一致，王喜龙等(2017)指出此种变化趋势可能与首都圈地区自西向东应力水平增高、沉积层厚度增加、地震活动逐渐增强等因素有关。

图5 各测区土壤气平均浓度(a)、CO2与Rn平均浓度相关性(b)及测区KQ值(c)

各测区两期土壤气浓度和通量均值相关性不明显，与通量测点较少有关。西王路测区和檀峪村测区土壤气平均通量较高，前者主要与断裂构造活动较强有关，后者可能与下伏基岩为碳酸盐岩或其它背景因素相关。

3.2 脱气环境效应

CO2是典型的温室气体，能够吸收地面辐射中的红外线，产生温室效应，造成全球变暖(胡祖恒等，2020)，CO2对增强温室效应的贡献率约占温室气体的56%(Nakicenovicetal，2000)，因此CO2排放量及其在大气中的浓度变化一直备受关注(Joosetal，1999；李楠，2020；刘强等，2005)。土壤是自然界中重要的“碳储库”，也是大气CO2的主要来源之一(Jenkinsonetal，1991；Schlesinger，Andrews，2000)，断裂带土壤气CO2来源包括地球深部脱气、碳酸盐岩变质作用、有机质分解、土壤生物活动及土壤呼吸作用等(Ciotolietal，2007；高程达，2008)。常温常压下CO2密度是空气的1.5倍，地下脱出或地质储存泄露的CO2在地下空间累积至高浓度时会对人体健康造成危害，工业卫生所接受的CO2安全浓度为0.5%；CO2浓度达到3%～5%时，会出现气闷和头痛感；长期处于CO2浓度高于5%的环境中，会导致缺氧性窒息死亡(Metzetal，2005)。Baxter等(1999)按照70 cm处土壤气CO2浓度将地下空间CO2的风险水平划分为5个等级(表3)，CO2浓度低于5%时属于无窒息风险或无风险区域，本文研究区断裂CO2脱气的浓度范围为0.17%～4.07%，大灰厂、得胜口和檀峪村3个测区绝大多数测点的CO2浓度小于1.5%，属无风险区；西王路测区半数以上的测点CO2高于1.5%但均小于5%，属土壤脱气较弱地区，地下空间无窒息风险。

表3 土壤气CO2风险水平分级(Baxter等，1999)

研究区断裂带CO2通量变化范围为11.8 ～55.63 g/(m2·d)，明显高于温带干旱区0～70 cm深土壤剖面CO2通量平均值660.43 μmol/(m2·h)，约0.7 g/(m2·d)(高程达，2008)，77%的通量值高于华北农田土壤CO2通量的峰值20 g/(m2·d)(孟凡桥等，2006)，说明断裂构造的存在有利于土壤内部CO2的释放。用研究区各条断裂CO2通量均值乘以估算的活动断裂脱气面积，计算得到3条活动断裂脱气对大气CO2的年贡献量约为0.45×106t(表4)，小于汶川地震破裂带CO2年释放量(约0.95×106t)(周晓成等，2017c)，高于腾冲新生代火山区温泉CO2年排放通量(约3.58×103t)(成智慧等，2012)，约占中国典型火山区温室气体年贡献总量(约8.13×106t)(郭正府等，2014)的5.5%，北京地区有13条第四纪断裂带(玄月，2011)，其向大气圈排放的温室气体总量值得关注。

表4 研究区断裂带CO2脱气平均通量和对大气的贡献量

Rn是具有放射性的惰性气体，其天然放射性同位素包括219Rn、220Rn和222Rn，半衰期分别为3.92 s、54.5 s和3.82 d，前两者半衰期短，其产生的环境效应可忽略，本文土壤Rn测量对象主要为222Rn。Rn被人体吸入后衰变产生的氡子体(如218Po、214Pb、214Po等)及α粒子可对人体呼吸系统造成辐射损伤(程业勋，2008)，是除吸烟外引发肺癌的第二大危险因素(Sheenetal，2016)。土壤Rn是环境空气中氡的主要来源(孙凯南等，2004；周晓成等，2007)。土壤Rn主要来源于土壤或岩石中铀、钍等放射性矿物的衰变，地质断裂构造有利于地下深部Rn在载气作用下迁移至地表(Etiope，Martinelli，2002)。工程地土壤Rn对建筑物室内氡浓度有直接影响，《民用建筑工程室内环境污染控制标准》(GB 50325—2020)规定，当土壤Rn浓度大于20 kBq/m3且小于30 kBq/m3或土壤表面Rn析出率大于50 mBq/(m2·s)且小于100 mBq/(m2·s)时，应采取建筑物底层地面抗开裂措施；当土壤Rn浓度不小于30 kBq/m3且小于50 kBq/m3或土壤表面Rn析出率不小于100 mBq/(m2·s)且小于300 mBq/(m2·s)时，需采取底层地面抗开裂及一级防水处理；当土壤Rn浓度平均值不小于50 kBq/m3或土壤表面Rn析出率平均值不小于300 mBq/(m2·s)时，应采取建筑物综合防氡措施。

研究区活动断裂土壤气Rn浓度为1.22～62.42 kBq/m3，Rn浓度高于20 kBq/m3的测点出现在西王路和大灰厂测区，大灰厂测区仅2个测点Rn浓度高于20 kBq/m3，Rn平均浓度小于20 kBq/m3，可不采取防氡工程措施；西王路测区64%的测点Rn浓度均高于20 kBq/m3，其附近建筑物应采取相应的底层地面抗开裂措施，西王路测区14%的测点Rn浓度高于30 kBq/m3，其附近建筑还需采取一级防水处理，个别测点Rn浓度高于50 kBq/m3，其附近建筑应采取综合防氡措施。研究区断裂带Rn通量平均值为39.91 mBq/(m2·s)，略高于全国土壤Rn平均通量范围(27.7±9.4)mBq/(m2·s)(Zhuoetal，2008)，与唐山断裂带土壤Rn平均通量40.58 mBq/(m2·s)相当(路畅等，2022)，低于夏垫断裂带的土壤Rn平均通量69.12 mBq/(m2·s)(李静等，2018)。研究区Rn通量高于100 mBq/(m2·s)的测点出现在西王路和檀峪村测区，应持续开展对上述测区活动断裂附近的土壤Rn调查。

4 结论

通过对北京西部黄庄—高丽营断裂、八宝山断裂和南口山前断裂CO2与Rn脱气情况进行分析和研究，得到以下结论：

(1)各测区土壤气异常主要集中在断裂上盘或断裂中央附近，与断裂内部集中破碎带位置及裂隙发育情况有关；黄庄—高丽营断裂北段的西王路测区土壤气浓度平均值、异常界及Rn的KQ值最大，说明该断裂北段构造活动性较强；研究区3条断裂的土壤气浓度均值及构造活动性呈现东高西低的特征，与首都圈土壤气地球化学背景场特征一致。

(2)3条断裂土壤气CO2浓度均小于5%，其地下空间属无窒息风险或无风险区域。估算得到3条断裂脱气对大气CO2的年贡献量约为0.45×106t，约占中国典型火山区温室气体年贡献总量的5.5%。

(3)西王路测区土壤气Rn平均浓度均高于20 kBq/m3，其附近建筑物应采取相应的底层地面抗开裂措施。部分测点Rn浓度高于30 kBq/m3及50 kBq/m3，其附近建筑应采取防水处理或综合防氡措施。

本文修改过程中得到了审稿专家的热心指导及帮助，在此表示衷心感谢！