唐山断裂带土壤断层气CO2浓度的映震效能

2023-11-15符泽宇刘燕翔

地震地磁观测与研究 2023年4期

符泽宇刘燕翔李金王妍

（中国河北063021 唐山地震监测中心站）

0 引言

1976 年7 月28 日唐山发生7.8 级地震，震后约3.5 h、15.0 h，分别在蓟运河断裂和滦县—乐亭断裂发生了宁河6.2 级地震，滦县—乐亭断裂发生了滦县7.1 级地震（张素欣等，2017）,唐山7.8 级地震及余震造成24 万多人死亡，43 万多人受伤，给人民的生命、财产带来了巨大的损失。唐山7.8 级主震后余震一直持续至今，这使得该区域与主震前相比至今保持着较高的地震活动性（仲秋等，2012）。区域动力仍在持续，在区域应力场的作用下，唐山中强地震活动频繁。2000 年以来，唐山地震老震区共发生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，现今唐山地区地震活动具有继承性，主要受唐山地震老震区的构造环境和断裂模式控制（刘燕翔等，2021）。采用有效的手段来追踪断裂的活动状态及余震的活动性，对唐山地区地震危险性评价有重要意义。

1 研究背景

气体赋存在地球各圈层，断裂带是地球深部气体在壳幔活动过程中向上逸出的良好通道（杜建国等，1994），监测断裂带附近气体逸出情况，是探测地震活动的重要手段之一，可为地震预测提供一定依据。近年来，随着断层土壤气观测技术的不断完善与日趋成熟，利用断层土壤气确定断层特性及地震活动等方面的研究较多。李营等（2009）利用延怀盆地422 个测点的土壤气测量结果，得出土壤气中气体组分的地球化学背景特征与区域地震地质特征有关，其在一定程度上反映了研究区地震活动的背景。盛艳蕊等（2015）通过在怀来地区新保安—沙城断裂测量了断层土壤气H2、He、CO2、Rn、Hg 浓度及CO2、Rn、Hg的通量，证实该断裂带有较高的脱气强度，与区域地震活动性间有一定的关系。郑海刚等（2016）在郯庐断裂带安徽段布设了4 条跨断层土壤气测量剖面，测量土壤气Rn、Hg、CO2的浓度，结果表明气体在断裂带附近较富集，对断层位置有一定指示作用。王喜龙等（2017）通过首都圈地区活动断裂土壤气测量，得出首都圈地区土壤气Rn、Hg、CO2的浓度和通量均呈东高西低的变化趋势，与首都圈地区由西至东应力水平增加、地壳逐渐减薄、沉积层厚度增大、地震活动逐渐增强等趋势相对应。蒋雨函等（2022）采用断层土壤气测量方法，揭示了研究区内库松木契克山前断裂、那拉提断裂、霍尔果斯—吐谷鲁断裂具有较强的构造活动性。王江等（2022，2023）对河北平原的隐伏断裂带使用土壤气浓度观测数据计算了浓度强度，并结合垂直断裂剖面土壤气浓度、通量分析了隐伏断裂分段活动性，发现平原隐伏区土壤气空间分布主要受断裂展布控制。

地下气体Rn、Hg、CO2等组分能够客观地、灵敏地反映地壳应力状态和地震活动（王喜龙等，2017）。其中，断层土壤气CO2是地球内部生成的众多流体组分中最有可能大量迁移至地表并在地表某点集中释放的气体之一，监测其浓度可作为一种有效的手段来追踪断裂活动状态、反映地震活动性（王江等，2017；杨江等，2019；盛艳蕊等，2020）。断层气CO2浓度在一些MS≥4.0 地震之前有明显的异常反应，尤其是在MS≥5.0 地震前出现的异常较显著，这些异常不仅表现出信噪比高，而且多出现在震前半个月到1 个半月的时段内，是典型的短临异常，对破坏性地震短临预报阶段发震时间的判定具有重要意义（林元武等，1998）。1998 年在环渤海地区沿活动断层布设的断层CO2浓度观测点，在这些测点CO2浓度变化较好地对应了1998 年6 月8 日北黄海4.4 级地震、1998 年8 月15 日渤海4.2 级地震（耿杰等，2000）。2017 年8 月9 日精河MS6.6 地震后，朱成英等（2022）通过断层土壤气测量，发现土壤气CO2浓度在空间上有明显的分段特征，在主震、余震震中集中区附近达到最高值，进一步梳理后发现，土壤气CO2浓度空间分布与震后地震烈度空间分布趋势基本一致。本文研究区唐山地震老震区是由NE 向宁河断裂、丰台—野鸡坨断裂、唐山断裂及NW 向滦县断裂—乐亭断裂、蓟运河断裂围限的菱形块体，且中、新生代活动强烈（张肇诚，1990）。1976 年唐山7.8 级地震后，中小地震活动频繁，唐山地震老震区一直也是华北地区的重点监视区。2018 年在唐山地震危险区内历史发震断层及多条重点监视断层布设了10 个土壤气CO2浓度连续观测台阵（表1、图1）。通过分析土壤气CO2浓度变化特征、与地温间的关系及对本区域的映震能力，可判断唐山断裂带的活动性和地震活动，进而对该区域地震危险性进行评价。

图1 唐山地区土壤气CO2 浓度观测台阵布设点黑色五角星为台阵Fig.1 Soil gas CO2 layout point in Tangshan area

表1 唐山断裂带土壤气CO2 台阵观测环境Table 1 Tangshan Soil gas CO2 platform array observation ring

2 资料选取

在唐山地震危险区内历史发震断层及多条重点监视断层布设由测点观测和台网接收部分组成的无人值守全自动CO2浓度观测台阵（图2），台站观测部分由GPRS无线数据通讯系统、CO2观测系统（包括CO2探头、温度探头）、太阳能供电系统等组成，可实现CO2观测、数据管理、数据通讯、系统供电、供电管理等功能；台网接收部分由GPRS 无线数据通讯系统、交换机（或路由器）、数据接收计算机、数据处理计算机等组成，实现数据接收、数据库管理、观测台站管理、观测日志自动形成。台阵包括三山院、滦县台、赵各庄矿、马家沟矿、陡河台、孙家楼、滦南靳庄、赵滩、林西矿、北泊村等10 个CO2浓度观测台站，由于数据库技术问题和因农耕遭到破坏等原因，CO2浓度观测台阵中有的数据并不完整，从中国地震前兆台网数据处理系统选取2018年8月至2019年10月滦县台、赵各庄矿、马家沟矿、陡河台、滦南靳庄、赵滩、林西矿、北泊村等 8 个CO2浓度观测台站产出的分钟值数据，分析土壤气CO2浓度数据的年变规律、与地温间的相关性、映震效果等。

图2 无人职守全自动CO2 浓度观测台阵构成模式示意图Fig.2 Schematic diagram of the composition pattern of the unattended and fully automatic CO2 observatory array

3 数据分析

图3 为唐山断裂带土壤气CO2浓度日均值。由图3 可见，CO2浓度存在正常的日变、年变，年变规律较明显，具有短期正常动态特征，即夏高冬低的特点，高低值之间的变化为渐变关系，而不是大幅度的突变，按照形态可分为平稳型和锯齿型2 种类型。

图3 唐山土壤气CO2 浓度日均值（a）陡河台；（b）北泊村；（c）乐亭赵滩；（d）滦南靳庄村；（e）滦县地震台；（f）马家沟矿；（g）赵各庄矿；（h）林西矿Fig.3 Tangshan soil gas CO2 platform array data

测定土壤气CO2浓度时干扰因素分为人为干扰和自然干扰，人为干扰可以通过严格的操作、规范的方法降至较低水平，而自然干扰中地温因素尤为重要，所以分析地温与土壤气CO2浓度间的相关性，可为土壤气CO2浓度资料的利用和地震前异常信息的提取提供一种可行的方法。

（1）北泊村地温具有明显的年变特征，通过对比土壤气CO2浓度与地温间的关系分析地温对土壤气CO2浓度的影响（表2、图4）。由表2、图4 可见，1—4 月，土壤气CO2浓度与地温间相关性不大；5—12 月，二者相关性较大，CO2浓度年变化特征清晰，具有夏高冬低的年变特征，年变最大幅度约11 036×10-6/d，二者变化时间较同步，没有明显的时间滞后。经计算北泊村土壤气CO2浓度与地温间总体相关性为0.903。

图4 北泊村土壤气CO2 浓度和地温Fig.4 Soil gas carbon dioxide and ground temperature in Beibo

表2 北泊村观测层地温与断层土壤气CO2 浓度间的关系Table 2 Comparison of soil gas CO2 relationship between the North Moor observation layer and fault soil

（2）林西矿地温总体变化幅度不大，约11.8—16.0℃，土壤气CO2浓度年变特征明显，总体呈夏高冬低的特点，与地温呈正的相关，相关系数为0.813（图5）。

图5 林西矿土壤气CO2 浓度和地温Fig.5 Soil gas carbon dioxide and ground temperature in Linxi Mine

（3）滦南靳庄地温年变特征明显，土壤气CO2浓度随温度升高而升高，随温度降低而下降，总体呈夏高冬低的趋势，但趋势并不明显，与地温间的相关系数为0.769（图6）。

图6 滦南靳庄村土壤气CO2 浓度和地温Fig.6 Soil gas carbon dioxide and ground temperature in Jinzhuang Village,South Luan

（4）马家沟矿地温年变特征明显，土壤气CO2浓度随地温变化的特征并不明显，总体上具有夏高冬低的特点，与地温间的相关系数为0.546（图7）。

图7 马家沟矿土壤气CO2 浓度和地温Fig.7 Soil gas carbon dioxide and ground temperature in Majiagou mine

（5）乐亭赵摊、赵各庄矿、滦县台、陡河台的土壤气CO2浓度变化曲线为锯齿型，同时，具有夏高冬低的特点，但是与地温间的相关系数并不大，分别是0.315、0.282、0.103、0.139（图8—11）。

图8 乐亭赵滩土壤气CO2 浓度和地温Fig.8 Soil gas carbon dioxide and ground temperature in Zhaofang,Leting

图9 赵各庄矿土壤气CO2 浓度和地温Fig.9 Soil gas carbon dioxide and ground temperature in Zhaogezhuang Mine

图10 滦县地震台土壤气CO2 浓度和地温Fig.10 Soil gas carbon dioxide and ground temperature in Tai,Luanxian County

图11 陡河台土壤气CO2 浓度和地温Fig.11 Soil gas carbon dioxide and ground temperature in Douhe Platform

4 CO2 浓度观测台阵数据映震分析

2018 年8 月至2019 年2 月，唐山地震老震区（39°—41.5°N，117°—119°E）发生ML3.0 以上地震4 次（表3），按照历史上划分的唐山地震老震区3 个区域，即东、中、西区来分析唐山断裂带CO2浓度观测台阵的映震情况。

表3 2018 年8 月至2019 年2 月唐山地震老震区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 唐山地震老震区中区

2018 年8 月唐山地震老震区中区发生2 次ML3.0 以上地震，分别为河北古冶5 日ML3.3 地震、10 日ML3.0 地震，2 次地震间隔时间仅为5 天，且震中都位于唐山—古冶断裂附近。地震前林西矿土壤气CO2浓度日均值持续升高，直至8 月14 日出现下降趋势；陡河台土壤气CO2浓度日均值呈波动上升趋势，在小幅度上升和下降的转折点发生地震（图12）。说明林西矿、陡河台土壤气CO2浓度对唐山地震老震区中区尤其是唐山—古冶断裂附近地震映震效果较好。

4.2 唐山地震老震区西区

2018 年11 月29 日ML3.2 地震发生在唐山丰南，震中位于蓟运河断裂、唐山断裂、宁河断裂交汇处东部，即唐山地震老震区西区。地震前16 天马家沟矿土壤气CO2浓度日均值出现小幅上升，上升持续7 天、数值趋于平稳6 天后发生了ML3.2 地震；滦南靳庄村土壤气CO2浓度日均值在地震前19 天出现下降趋势，然后呈锯齿状的上升和下降，在小幅度上升和下降的转折点发生地震，地震发生后马家沟矿、滦南靳庄村土壤气CO2浓度日均值恢复平稳状态（图13）。其他台站数据无明显的波动，因此马家沟矿、滦南靳庄村台站对唐山地震老震区西区地震映震效果较好。

图13 马家沟矿、滦南靳庄村土壤气CO2 浓度日均值Fig.13 Daily average of soil gas carbon dioxide in Majiagou Mine and Jinzhuang Village,Luannan

4.3 唐山地震老震区东区

2019 年2 月14 日ML3.0 地震发生在唐山地震老震区东区，震中位于滦县—乐亭断裂附近。在地震发生前10 天，乐亭赵滩、滦县台土壤气CO2浓度日均值均出现不同程度的大幅度震荡式上升和下降，在数值上升的最高点发生地震（图14），其他台阵数据无明显波动。乐亭赵滩、滦县台站对唐山地震老震区东区地震映震效果较好。