唐山地區土壤氣Rn通量及其與地震活動的關系*

路 暢，李 營，胡 樂，趙 策，劉兆飛，3，邵俊杰，陳 志

(1.中國地震局地球物理研究所，北京 100081；2.中國地震局地震預測研究所，北京 100036；3.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083)

0 引言

地震的孕育和發生是地下物質遷移、能量釋放和應力改變的過程。在此過程中，斷裂帶及其周邊區域流體的地球化學特征會發生改變(King，1996；陶明信等，2005；郭正府等，2017；Buttitta，2020)。土壤氣作為一種可以客觀、靈敏地反映地殼中應力、應變狀態的流體，已被廣泛應用于地震監測、活動斷層識別、環境評價等領域(王詩東等，2011；Ichedef，2013；周志華等，2014；李靜等，2018)，其觀測組分通常包括Rn、Hg、SO、CH等氣體(Li，2013；Peiffer，2014；劉兆飛，2020)。

Rn是鈾和釷衰變過程中產生的一種惰性放射性氣體，廣泛存在于地殼中。Rn的釋放受到環境中物理條件(地質條件、大氣等)的影響，而不受化學過程的影響(Reddy，1996)，且由于其在自然界中的低濃度和短半衰期(3.825 d)，土壤氣Rn作為氣體來源的指示劑(Pinault，Baubron，1996)，被廣泛應用于監測構造與地震活動(蘇鶴軍等，2020；Muto，2021；Zhou，2020，2021)。

地球脫氣是指地球演化過程中揮發性分類從內部向外部運移的過程。對于脫氣研究多數集中在火山區(Chiodini，2008)、溫泉區(Walter，2020)、裂谷區(Muirhead，2020)等，而對地震斷裂帶的排氣研究相對較少(周曉成等，2017)。目前，唐山地區已開展大量與土壤氣相關的研究工作，多聚焦于斷裂帶剖面的土壤氣濃度與通量測量(韓曉坤，2014；王喜龍等，2017；Chen，2018)、不同時間的多期次測量(楊江等，2019；盛艷蕊等，2020)、土壤氣濃度的異常判定以及影響因素等(Wang，2014；趙元鑫，2021)，也有對不同深度(0.2 m、1 m)土壤氣通量的差異和成因的討論(趙紅坤等，2020)。

目前關于唐山地區土壤氣濃度與通量之間的關系、通量濃度的控制因素等方面的研究還比較薄弱，缺乏對土壤氣Rn通量的背景場的研究。2021年8月，中國地震局地震預測研究所流體地球化學團隊對唐山地區的196個測點進行了土壤氣Rn通量測量，旨在建立區域內土壤氣Rn通量背景場，本文探討其空間分布特征及影響因素，如地震活動、測量條件、值。

1 地震地質背景

1976年，河北省唐山市發生震驚世界的7.8地震，唐山地區地震活動至今仍然活躍，是良好的地震科學研究試驗場。近5年來，研究區(圖1)發了42次≥2.0地震，其中包括2019年12月豐南4.5地震和2020年7月古冶5.1地震。

唐山地區位于燕山南緣，緊鄰華北平原北部，被寧河—昌黎斷裂、豐臺—野雞坨斷裂、灤縣—樂亭斷裂和薊運河斷裂切割成NEE向的菱形塊體。塊體下方存在地幔隆起，隆起高度可達10 km(劉啟元等，2007)。唐山斷裂位于菱形塊體NE向的對角線上，由陡河斷裂、巍山—長山南坡斷裂與古冶斷裂3條平行的NE向斷裂組成(虢順民等，1977)，相鄰區域的構造單元也有一系列斷裂發育(圖1)。唐山斷裂是一條右旋走滑的第四紀同生斷裂，傾角高、傾向NW，錯斷了第四紀地層，且下盤沉積厚度大于上盤(郝書儉等，1998；李建華等，1998)。深地震反射結果顯示，唐山斷裂淺部呈花狀構造，深部切穿莫霍面，控制了該區地震的發生(劉保金等，2011)。區域第四紀沉積厚度為100～800 m，北薄南厚。在豐南以北，唐山斷裂帶以西，NNE向的第四紀小凹陷最大沉積厚度為400 m，斷裂兩側的第四紀沉積落差可達200 m；而在豐南以南、唐山斷裂帶以東，尖字沽第四紀凹陷的最大沉積厚度為800 m，斷裂兩側的第四紀沉積落差也達200 m(江娃利，2006)。

唐山地區地層復雜，以第四紀地層出露為主，包括太古宙的潘莊變質二長花崗巖和漢兒莊片麻巖套柳河峪片麻巖；前寒武紀(震旦紀)霧迷山組碳酸鹽巖、青白口紀龍山組河流相沉積(砂巖、含砂礫巖及粉砂巖等)和長城紀高于莊組淺海相碳酸鹽巖；寒武紀昌平組(灰色、灰黑色厚層—塊狀豹斑狀粉晶—微晶灰巖及灰質白云巖)；奧陶紀冶里組(灰色厚層、中厚層狀灰巖夾少量礫屑灰巖及少量很薄的黃綠色頁巖)；石炭紀本溪組(頁巖、砂巖夾海相灰巖和不穩定的煤層)；二疊紀山西組(由陸相砂巖、頁巖、煤構成的旋回層組成)(圖1)。

F1：滄東斷裂；F2：王蘭莊斷裂西支；F3：王蘭莊斷裂東支；F4：碑子院—豐南斷裂；F5：唐山—豐南斷裂；F6：巍山—長山南坡斷裂；F7：古冶斷裂；F8：陡河斷裂；F9：唐山斷裂；F10：薊運河斷裂；F11：榛子鎮斷裂；F12：灤縣—樂亭斷裂；F13：寧河—昌黎斷裂

2 采樣分析及計算結果

在2010年756個土壤氣Rn測量點位置基礎上(Li，2013)，中國地震局地震預測研究所流體地球化學團隊于2021年8月在唐山斷裂帶及周緣，按照沿斷裂、等間距、高密度的方法，根據野外實際情況選取了196個測點，使用靜態暗箱法測量土壤氣Rn通量，通量箱壁厚5 mm，聚四氟乙烯半球殼半徑為20 cm(圖2)。測量儀器為美國 Durridge 公司的RAD-7測氡儀。連續循環抽氣1 h，采樣間隔為5 min。測量時，在連接取樣器與儀器的管道中間加裝一個分子篩干燥管，以降低土壤濕度造成的影響，待濕度小于10%、初始濃度為0 Bq/m時，開始測量。

圖2 土壤氣Rn通量野外測量裝置及其測量示意圖

and schematic diagram of its measurement

2.2 計算方法

土壤氣Rn釋放通量計算公式為(Lehmann，2004；王喜龍等，2017)：

(1)

式中：為Rn的通量值，單位：mBq/(m·s)；為通量箱的體積；為箱內的大氣壓，為箱內的溫度；為標準大氣壓(101.325 kPa)；為標準溫度(273.15 K)；為通量箱底部的面積；dd為單位時間內通量箱里的濃度增加變化率，為氣體濃度隨時間變化的線性回歸曲線的斜率，通過一級動力學方程獲得：

=·e

(2)

對式(2)求導，可得：

dd=·e

(3)

當趨近于0時，有：

dd=·

(4)

式中：為初始時氣體濃度；為時刻的氣體濃度；為濃度增加速率常數。

再通過公式：

=+e

(5)

進行擬合，得到與的值，計算得出土壤氣Rn通量(劉兆飛，2020)。

2.3 采樣結果

采樣點的氣壓為99.8～101.6 kPa，海拔為-23.13～73.90 m，采樣時氣溫為23.2 ℃～37.8 ℃，地溫范圍為22.1 ℃～33.8 ℃，計算得出的Rn通量為0.01～409.31 mBq/(m·s)，大多數采樣點的Rn通量都在1～100 mBq/(m·s)。具體數據見表1。為了對比土壤氣Rn濃度與通量，引用研究區測量的756個土壤氣濃度(Li，2013)，參數計算采用SPSS22軟件。

表1 唐山地區土壤氣Rn數據統計

3 討論

唐山地區的土壤氣Rn通量高值分布在滄東斷裂和薊運河斷裂的交匯部位、王蘭莊斷裂西支的東段、王蘭莊斷裂東支的中段，以及巍山—長山南坡斷裂、唐山—古冶斷裂和陡河斷裂的中斷及東北端(圖3)。土壤氣Rn的釋放會受到降雨、溫度、巖性等環境因素影響，為了避免這些影響，測量工作需在15 d內完成，控制測量儀器濕度小于10%，選擇在巖性統一的地區測量。測量通量時的氣溫、地溫與海拔數據，與通量值的相關性()均小于0.01，因此可以推斷在同一時間段、相同測量方法測量土壤氣Rn通量時，氣溫、地溫與海拔等測量條件并不是影響Rn通量的主要因素。

3.1 Rn通量與地震的關系

地球上多數地區的脫氣是小規模、低強度的，而在洋中脊、火山、溫泉、活動斷裂帶等地區，由于地殼薄弱，脫氣會比較強烈(成智慧等，2012；Zhang，2021)。脫氣過程還與地震、火山、成礦物質搬運有直接關系(杜建國等，2018)。地震的孕育、發生及震后，氣體的通量都會受到不同程度的影響(Rogie，2000；周曉成等，2017)，但這往往是短時間的(D’Alessandro，2020)，通常為幾天到幾個月。本文選取2017—2021年中國地震臺網中心記錄的42次≥2.0地震數據，其中包括2次較大的地震——2019年12月豐南4.5地震和2020年7月古冶5.1地震，探討唐山地區地震活動與土壤氣Rn通量的關系。

唐山斷裂及其周緣區域近年地震較多(圖3)，地震的空間分布為NE向，但土壤氣的Rn通量高值與地震的分布沒有良好的一致性。地震發生前，土壤氣Rn濃度會出現高值(張煒等，1988；Steinitz，2003)，這是因為地震發生前的溫度、應力、巖石破壞程度會發生變化。但近年來在唐山地區發生的地震并未促進土壤氣Rn的釋放，這是因為通常情況下，較大震級的地震才會改變地下的滲透率(Rutte，2016；孫小龍等，2020)，而該區域內發生的地震震級較小(≤5.0)，庫侖應力變化不足以改變土壤氣Rn的釋放速率以及地下滲透率。自然界中氡(Rn)的遷移速率較低(≤10cm/s)，且半衰期短，因此氡再到達地表1 km前會因為放射性衰變而流失，且異常的時間較短。由于Rn的自由擴散和地下應力的復雜條件，震級越大，可觀測到的Rn通量的異常范圍也會隨之增大(Ghosh，2009)，地震引起的Rn異常通常并不在震源區被發現。本文研究區內地震震級小、發震間隔時間長，所以在討論Rn通量與地震的空間分布時，忽略測點和震中的距離問題。總之，近年來唐山地區的小震活動對土壤氣Rn通量的影響較小。

圖3 唐山地區Rn通量與地震震中分布

3.2 Rn通量與濃度的關系

目前關于土壤氣Rn濃度與通量的關系討論較少，因此，本文將2010年測量的756個土壤氣Rn濃度(Li，2013)與本次測量Rn通量進行對比。唐山地區土壤氣Rn濃度與通量的高值一致性較好，盡管并未完全按照斷裂的走向分布，但都遍布在斷裂周圍及兩端，如圖4a、b所示，圖中紅線表示活動斷裂帶。圖4a中土壤氣Rn通量為196個土壤氣通量數據；圖4b中土壤氣Rn濃度為756個土壤氣濃度數據；圖4c中值由2008—2021年8月所有天然地震求得。理論上，高濃度氣體會向濃度低的地方自由擴散，濃度和通量應該是正相關關系，但是由于氣體運移通道、方式及來源的變化，二者的正相關性會降低。

土壤氣Rn在地下的遷移和富集，主要包括擴散作用、對流作用、水載遷移、氣載遷移、地熱作用和射氣作用等機制。在土壤氣體測量過程中，可能會受到環境條件的影響，但由于在活動斷裂帶土壤氣中Rn、Hg、CO等氣體濃度較高，環境因素對斷裂帶附近土壤氣體濃度的影響是相對次要的(Toutain，Baubron，1999)。

不同斷裂性質的土壤氣體濃度會呈現不同程度的高值：正斷層土壤氣往往出現單峰、雙峰或多峰；逆斷層由于其上盤破裂發育程度較大，所以跨斷層氣體濃度形態多呈現上盤高、下盤低的特征。唐山斷裂是一條右旋走滑的第四紀同生斷裂，斷層核部及兩側的破碎帶由破碎的巖石組成，滲透性高，有利于深部氣體向上運移，所以斷裂帶及其周緣土壤氣Rn濃度與通量均較高(圖4)。

圖4 唐山地區的土壤氣Rn通量(a)、Rn濃度(b)與b值(c)的分布

3.3 Rn通量與b值的關系

震級-頻度(G-R)關系(Gutenberg，Riohter，1944)在地震學研究的各個領域有著廣泛的應用。值作為G-R關系中最重要的參數，用來描述大、小地震之間的比例關系。值同時也與地應力的狀態密切相關。值高代表地應力水平較低，而值低則代表地應力水平較高(吳果等，2019)。

大量高溫高壓實驗研究證明，在應力變化條件下，巖石會釋放出氣態Rn(羅光偉，石錫忠，1980；Utkin，Yurkov，2010)，并且有部分地區土壤氣體與應力之間存在相關性。如Yuce等(2017)對土耳其阿米克盆地死海斷層和卡拉蘇斷層帶土壤氣體變化和局部地下應力研究發現，兩者密切相關；張磊等(2018)對呼圖壁地下儲氣庫構造氣體地球化學特征的研究發現，動力加卸載過程中的斷層氣體運移和富集特征，是評價地下介質受力狀態和構造活動程度的重要指標之一。

為了避免1976年唐山7.8大地震對值的影響，本文選取了2008年中國數字地震臺網完善后記錄到的包含所有震級的天然地震數據(劉瑞豐等，2008)，利用最大似然法進行計算，同時，為了減小值計算的誤差，每個節點(0.1°×0.1°)的計算要求地震數目大于100，震級跨度大于1.5級。由于部分地區地震數目不足，僅計算出研究區東北部的值。圖4c顯示，唐山斷裂帶及其東北端的應力水平較高，明顯高于其西南端，且較低的值與土壤氣Rn通量高值的空間分布較為一致，推測可能是應力影響了土壤氣Rn的釋放強度。較高的應力水平會促進巖石釋放Rn(車用太，2002)。唐山地區第四紀沉積厚度為100～800 m，并且北薄南厚(江娃利，2006)，較厚的沉積層可能會降低土壤氣Rn的脫氣強度，因為Rn可以被巖石、土壤顆粒表面吸附(李營等，2009)，從而降低土壤氣Rn的逸出速率，但較為年輕的唐山斷裂，受高應力的擠壓，高應力水平仍可以提高土壤氣Rn的釋放強度。

唐山地區≥5.0歷史地震分布呈NE向(圖4c)。已有研究表明，唐山地區氣體的排放與大地震有良好的空間相關性(Mearns，Sornette，2021)。斷裂是地震活動的產物，也是氣體排放的良好通道，在大地震發生后形成的一系列斷裂，可能為氣體排放提供了良好的通道。所以筆者認為唐山地區近5 a的地震(≤5.0)對于土壤氣Rn脫氣強度的影響較小，但是震級較大歷史的地震(≥5.0)與土壤氣Rn排放高值有良好的空間對應關系。

4 結論

本文對在唐山地區2021年測量的196個土壤氣Rn通量與2010年測量的756個土壤氣Rn濃度進行對比，再將Rn通量與研究區近年來的地震活動、值，測量條件(地溫、氣溫及海拔)進行對比，得到以下結論：

(1)唐山地區土壤氣Rn通量范圍為0.01～409.31 mBq/(m·s)，平均濃度為40.58 mBq/(m·s)，高值分布在滄東斷裂和薊運河斷裂的交匯部位、王蘭莊斷裂西支的東段、王蘭莊斷裂東支的中段，以及巍山—長山南坡斷裂、唐山—古冶斷裂和陡河斷裂的中段及東北段。

(2)唐山地區在同一時間段、相同測量方法下，測量條件(氣溫、地溫及海拔)與土壤氣Rn通量的相關性低(<0.01)，并且土壤氣Rn通量高值與該地區近年來的≤5.0地震活動空間分布一致性較差，表明研究區內同一時間段，測量條件(氣溫、地溫及海拔)與近年來的地震活動對土壤氣Rn通量釋放的影響較小。

(3)唐山地區的土壤氣Rn通量、濃度與地震活動性(值)的空間分布一致性較高，土壤氣Rn的高通量、高濃度對應低值與歷史大震區，并受斷裂帶空間展布控制，表明斷裂帶滲透性與區域應力狀態是控制Rn濃度與通量值的主要因素。