0 引言

辽宁地区地质结构复杂，著名地震带——郯庐地震带穿越该区，同时辽宁地区还位于环渤海地区，复杂的地质构造环境导致辽宁地区地震频发。根据以往地震地质资料研究显示，辽宁地区历史上曾发生过多次破坏性地震。相关地震统计及精定位结果显示，自1800年以来辽宁地区发生的M≥5.0地震主要集中在辽南地区，且大多受NE向金州断裂控制，地震沿金州断裂呈带状分布(万波等，2017)。近年来金州断裂未有5级以上地震发生，但2.0≤M＜5.0地震及震群活动频繁，主要集中在辽宁盖州和海城地区，表明地震活动性仍然较强，金州断裂仍在活动(图 1)。对2013年以来辽南地区发生的8次M≥4.0地震和震群进行精定位结果分析，结果显示中强地震和震群基本均沿金州断裂和海城河断裂分布，其中金州断裂控制震群及M≥4.0地震居多(曹凤娟等，2013；王亮等，2014；张博等，2017)，这表明金州断裂是辽宁地区活动性最强的构造单元(万波等，2017)。

全面认识金州断裂断层特征、断层土壤气释放特征以及准确监视断层活动状态，成为把握辽南地区地震形势关键问题之一。跨断层土壤气调查研究作为一种有效追踪断裂活动状态和地震活动的地质流体观测手段，能够客观、灵敏地反映地壳应力状态和地震活动(Lombardi et al，2010；Walia et al，2013；Han et al，2014)，同时其对查找隐伏断裂具体位置也有较好的指示意义(李营等，2009；Woodruff et al，2009；Li et al，2013；李继业等，2019)。与其他常规地球化学方法相比，跨断层土壤气调查研究具有采样简单、快速、成本低廉等优点。

近年来大量监测研究表明，跨断层土壤气体(Rn、CO₂、Hg、H₂等)对地震的响应性十分敏感，不论是定点观测还是流动观测，均曾多次监测到地震前出现的显著异常(Fytikas et al，1999；Chyi et al，2005；Ciotoli et al，1998、2007；周晓成，2011；向阳等，2018；康健等，2019)。例如，林元武等(1998)应用CO₂快速测定法，对怀来后郝窑断层气CO₂观测点近7年的观测数据进行分析，发现在1996年内蒙古包头6.4级地震和1998年张北-尚义6.2级地震发生前，震中附近区域均监测到了显著的断层气CO₂浓度异常。范雪芳等(2016)应用断层氢连续观测方法，在山西夏县中条山山前断裂与南师隐伏断裂交汇处进行了断层H₂浓度连续观测，结果表明在2010年、2011年河南太康发生M4.6和M4.1地震前，夏县断层H₂浓度出现了明显的高值波动异常，表明高精度断层氢浓度观测是地震短临预报的一种有效手段。Kumar等(2009)采用平均值±2倍标准偏差以减小气象因素对Rn浓度的影响方法，对喜马拉雅山西北格拉山谷巴伦布尔土壤气Rn日值浓度观测数据进行分析，发现土壤气Rn浓度异常与周边地震有较好的对应关系。在流动观测方面，郑海刚等(2016)对郯庐断裂带安徽段进行了土壤气Rn、Hg和CO₂气体浓度观测，结果表明土壤气浓度在断裂带附近较为密集，对断层位置有一定指示作用，且气体富集程度与断裂活动有一定关系；孙小龙等(2016)基于海原断裂带土壤气测量结果，对海原断裂带构造活动分段性特征进行分析，发现海原断裂中西段断层闭锁程度较弱，有利于地下流体的扩散与运移；Zhou等(2010)对2008年汶川8.0级地震发生后的地震断裂进行土壤气He、H₂、CO₂和Rn等8种气体浓度测量，发现土壤气浓度异常与区域应力和余震活动具有一定相关性；Wang等(2014)通过对唐山地区土壤气Rn浓度进行测量分析，发现土壤气Rn对于追踪浅层断裂和地震活动具有较好的指示意义，由大地震产生的活动断裂及与之相关的裂隙均为Rn运移的主要途径。

因此，本文依据金州断裂不同段落的活动特征，在金州断裂上布设8条跨断层剖面进行土壤气Rn、CO₂和H₂浓度测量，通过分析测得的断层土壤气Rn、CO₂和H₂浓度数据，对辽宁金州断裂断层土壤气地球化学特进行调查研究。

1 地震地质背景

作为辽宁地区近年地震发生危险程度最高的活动断裂之一，金州断裂南起大连湾，经金州、瓦房店、盖州、海城等地延伸至鞍山南，全长约280km，是辽南地区规模最大、活动性强、切割最深且构造行迹清楚的区域性大断裂(钟以章等，1999；万波等，2013)。其不仅控制了该地区新构造运动格局，还对区域岩浆活动、地层分布及其他构造演化等产生重要影响。金州断裂是一条正断裂，走向NNE、NE，倾向NW，两盘相对运动速率为0.07mm/a(高常波等，1998；万波等，1997、2013)，并具有多期活动特征(雷清清等，2008)。依据前人对金州断裂的地质研究，金州断裂自南向北划分为金州-普兰店段、普兰店-九寨段、九寨-盖州北段以及盖州北-鞍山南段4个段落(表 1、图 1)。

金州断裂的金州-普兰店段形成于晚元古代，燕山运动时期断裂重新复活，沿断裂有小型基性岩脉贯入，而后断裂活动减弱，第四纪时期金州断裂又表现出明显的活动。普兰店-九寨段由1~3条大致平行的断裂组成，控制了侏罗系地层的分布，为大连地区中生代盆地的西缘断裂。九寨-盖州北段走向NE-NNE，总体倾向NW，倾角较陡，由2~3条主干断裂组成，发育次生断裂，断裂带总宽度1~3km，断裂运动性质主要表现为正倾滑兼右旋走滑。盖州北-鞍山南段走向NE-NNE，总体倾向NW，倾角较陡，由东、西2条主干分支断裂组成，次生断裂发育，断裂带总宽度一般为0.5~1km，断裂运动性质主要表现为正倾滑兼右旋走滑。

在历史地震活动方面，虽然金州断裂南北4段自1800年以来均有M≥5.0地震发生，但近年中小地震及震群活动表明，中小地震与震群主要集中在盖州及海城地区，即主要位于金州断裂盖州北-鞍山南段范围内。且前人对金州断裂的断层泥测年数据也表明，该段断层泥测年距今最短，表明金州断裂盖州北-鞍山南段为金州断裂目前活动最强的段落(万波等，2013)。在对金州断裂断层土壤气地球化学调查研究过程中，共布设8条测量剖面，由于盖州北-鞍山南近年小震活动频繁，断裂活动性较强，布设了6条观测剖面；另外2条剖面分别布设于金州断裂的九寨-盖州北段和普兰店-九寨段；金州-普兰店段由于地区发展以及地质地貌等条件限制，未进行观测。

2 土壤气测量方法

根据断裂特征及实地情况，对金州断裂由北至南选取8条跨断层剖面进行测量(表 1、图 1)。8条剖面由北至南依次为于家沟(YJG)剖面、烟台岗(YTG)剖面、后五道(HWD)剖面、兴隆屯(XLT)剖面、后邓家(HDJ)剖面、博洛铺(BLP)剖面、虹溪谷(HXG)剖面和万家岭西(WJLX)剖面。每条剖面布设1条测线，每条测线布设16个浓度测点进行土壤气Rn、H₂和CO₂浓度测量，其中上、下盘各8个测点，共布置384个浓度测点。在实地测量过程中，以断裂陡坎位置为中线，测点间距向两端逐渐拉长。断裂陡坎位置测点间距5m，而后依据测量点地势地貌及岩土特征，向外依次10m、20m、40m间距拉长。对土壤气体组分浓度进行测量时，首先在测点处使用钢钎进行打孔，孔径30mm、打孔深度80cm左右，然后拔出钢钎，迅速将取样器(麻花钻)钻入孔中，并封住孔口使取样器与外界空气隔绝，最后使用橡皮管将取样器与测量仪器连通进行取样测量。土壤气测量时间为2018年6月，为了排除气象因素对测量结果造成的影响，对8条剖面一次性完成测量。

土壤气Rn浓度测量选用Alpha GUARD PQ-2000测氡仪，仪器测量误差＜3%，仪器量程为2~2000000Bq/m³，气泵采用1L/min抽气模式，采样间隔设置为1min，每个测点测量15个浓度值，取平均值作为该点浓度值；土壤气CO₂浓度测试采用GXH-3010E便携式CO₂检测仪，仪器测量范围0~10.00%，分辨率为0.001%，线性误差±2%FS，响应时间≤15s，重复性＜1%；H₂浓度测试采用ATG-300H便携式氢分析仪，测量范围0~5000ppm，检出限为0.05ppm，平均相对标准偏差δ ≤5%。

3 测量结果

现场测量Rn、H₂和CO₂三种土壤气体的浓度，共获得2176组有效数据，其中Rn浓度数据1920组，H₂浓度数据128组，CO₂浓度数据128组，各测点土壤气Rn、H₂和CO₂浓度数据的统计结果见表 2。由表 2可以看出，8条剖面土壤气Rn、CO₂和H₂的浓度变化范围分别为3.01~96.02kBq/m³、0.23%~9.55%和0.31~1527ppm；Rn、H₂和CO₂的平均值浓度变化范围分别为10.65~39.50kBq/m³、0.59%~3.37%和9.74~306.28ppm；Rn、H₂和CO₂浓度最大值变化范围分别为22.58~96.02kBq/m³、0.86%~9.55%和52.23~1527ppm。

4 分析讨论 4.1 土壤气浓度地球化学特征分析

野外测量结果表明，辽南地区金州断裂8条剖面上的土壤气组分浓度变化各具特色(图 2)。YJG测点土壤气Rn、H₂和CO₂浓度具有明显的上盘高、下盘低特征，且3种气体具有较好的相关性，其中Rn和CO₂气体相关系数可达0.70，表明CO₂对Rn具有一定的载气作用(王喜龙等，2017)。研究表明，土壤气浓度与土壤湿度、土壤类型密切相关，土壤中小幅降水会导致地表形成不透气层，阻碍土壤气与大气交换，增加了土壤气的浓度(Hinkle et al，1987)；在断裂位置，砂质土壤较泥质土壤更易出现浓度高异常，但砂砾土壤由于裂隙渗透性过大及基岩覆盖，一般其上方土壤气浓度值相对较低(Fu et al，2005；韩晓昆，2014)。金州断裂北段为倾角相对较高的高角度正断层，且上盘较为破碎(雷清清等，2008)，基于野外地质调查结果，YJG测点上盘主要以砂质土壤为主，沉积层较厚，且富含水分较多，植被及农作物茂盛；下盘主要以砂砾土壤为主，沉积层较薄，最薄处1m左右可见基岩。因此，综合以上分析认为造成该测点所测气体浓度上盘明显高于下盘的原因，主要为该条测量剖面断层上、下盘沉积层的明显差异性以及断层性质。

YTG测点土壤气Rn和CO₂浓度具有高一致性，相关系数达0.94，呈现上盘高、下盘低的特征；土壤气H₂浓度具双峰式特征，在断裂陡坎浓度相对较低，两侧浓度相对较高。HWD测点土壤气Rn和CO₂浓度相关系数达0.92，具高度相关性，且在数据变化形态上具有上、下盘浓度高、中间低的双峰式特征。XLT测点土壤气Rn和CO₂浓度具有相对较明显的上盘较高特征，土壤气H₂浓度与土壤气Rn和CO₂浓度变化特征差异较大，具有下盘相对较高的变化特征。对于XLT测点土壤气浓度变化规律不明显这一特点，分析认为可能主要与该点构造特殊性有关，XLT测点位于金州断裂和海城河断裂交汇处，在测点位置，2条断裂互相切割交错，造成地质结构较为复杂。HDJ测点土壤气Rn、H₂和CO₂浓度在断裂陡坎位置相对较高，两侧相对较低。BLP测点土壤气Rn、H₂和CO₂浓度在断裂陡坎位置相对较低，上、下盘两侧相对较高。金州断裂九寨至盖州北段，HXG测点土壤气Rn、H₂和CO₂浓度在断裂上盘相对较高，断裂下盘浓度相对较低。金州断裂普兰店至九寨段，WJLX测点土壤气Rn和CO₂浓度在断裂位置相对较高，但不显著，土壤气H₂浓度在断裂偏上盘位置浓度相对较高，两侧相对较低。

4.2 背景值及异常界特征分析

对金州断裂由南至北挑选的8条测量剖面、384个测点的土壤气浓度测量数据进行背景值及异常下限计算。利用箱式图法对测得的断层土壤气Rn、CO₂和H₂数据进行处理，剔除离群高值异常点后，取剩余测点平均值来表征每条测线的背景值。根据实际测量情况，本文以背景值与2倍标准偏差之和作为测线异常下限。经计算，各测点的背景值及异常下限见表 2，该背景值及异常下限计算方法被广泛应用于国内外土壤气地球化学研究中，能较为客观地反映研究区断层土壤气逸出特征(Kumar et al，2009；郑海刚等，2016；张扬等，2017；张磊等，2019；王明亮等，2019)。

将计算得到的各测点异常下限与各观测数据由北至南作图并进行对比分析，如图 3所示。由图可见，在金州断裂8条观测剖面中，位于南、北两端的3个测点(YJG、YTG与WJLX)土壤气观测数据除个别单点高于异常界外，总体表现低于异常界，属正常变化范围；而对于金州断裂中段HWD至HDJ测段以及BLP至HXG测段，土壤气Rn、CO₂和H₂浓度表现为较多测点高于异常界。结合辽南地区历史地震活动(图 4)可见，HWD至HDJ测段位于海城老震区范围内，BLP至HXG测段位于盖州震群及其附近地区。

对于异常主要集中在海城老震区和盖州震群地区这一特征，王喜龙等(2017)通过对首都圈地区18条活动断裂的35条土壤气剖面进行测量，分析测得的土壤气Rn、Hg和CO₂浓度及通量数据，发现土壤气浓度变化与当地地震活动、应力水平、地壳结构及沉积层厚度等存在一定关系。对比辽南地区历史地震活动及2018年辽南地区中、小地震活动(图 4、图 5)可以发现，海城老震区与盖州震群区域近年来中、小地震频发，是辽宁地区中、小地震活动最为频繁的地点之一。经统计，仅2015—2019年期间，海城老震区便发生3.0≤M_L＜4.0地震15次，M_L≥4.0地震2次，最大地震为2017年12月19日海城M_L4.8地震；盖州震群及附近地区发生3.0≤M_L＜4.0地震11次，M_L≥4.0地震1次，最大地震为2015年8月4日盖州青石岭M_L4.8地震。1975年辽宁海城M7.3地震的发生，以及近年来海城老震区和盖州地区中、小地震及震群活动频繁，导致2处区域地下介质较为破碎。而地下介质破碎易造成地下流体在断层和裂缝中充填增多，因此当应力发生改变时，该区域地下流体组成、赋存状态等易发生变化并上移至地表，从而造成土壤气浓度和化学组分发生变化(Bernard，2001；王喜龙等，2017)。已有研究表明，金州断裂附近地下低速层发育明显，而低速层在垂直方向上对中强地震具有明显的控制作用(万波等，2013)；金州断裂与中地壳上部的低速层之间存在密切关系，辽南地区大多数历史中强地震震源均集中在低速层附近(卢造勋等，1990、1993)。王亮等(2014)利用2008—2014年盖州和海城地区地震观测数据，应用Simulps14软件对2个地区进行小震精定位及三维速度结构分析，发现盖州地区震群位置发生较浅，且盖州地区与海城地震地下速度结构存在一定的相似性，地震活动集中在低速体区域。Zheng等(2018)应用双差层析成像法对辽宁地区中上地壳进行研究，显示在海城地区金州断裂在地下15~20km处存在明显低速层，且这些速层主要由地下流体作用导致，认为海城地区地震频发主要是由断裂活动和低速体，即地下流体共同作用引起。因此，综合前人研究结果以及对辽南地区土壤气异常分析和地震活动性分析，认为海城老震区和盖州震群附近小震活动频繁及地下介质结构，可能是造成2处区域部分测点土壤气浓度值高于异常界的主要原因之一。

4.3 土壤气空间变化特征

对金州断裂8条土壤气测量剖面的观测数据由北至南进行制图分析(图 3、图 6)，发现金州断裂土壤气Rn、CO₂和H₂浓度具有北高南低的变化特征，即金州断裂盖州北-鞍山南段土壤气平均浓度最高(YJG、HWD、YTG、XLT、HDJ、BLP)，九寨-盖州北段土壤气浓度次之(HXG)，普兰店-九寨段土壤气平均浓度最低(WJLX)。

孙启凯等(2017)对辽宁地区地壳垂直形变特征进行分析，发现辽宁地区地壳垂直形变整体上呈现“东北升、西南降”的变化特征，就辽东南地区而言，1988—2016年表现为金州至盖州一带下降，盖州以北上升，盘锦至海城一带下降，海城-岫岩地区上升。结合该地区1988年以来发生的M_S≥4.5地震进行分析，认为金州断裂和海城河隐伏断裂正处于较强活动期，对地壳垂直形变速率过度交界地带应当予以关注。对比孙启凯等(2017)的研究结果，辽南地区地壳垂直形变速率过度交界带与盖州震群位置、海城老震区位置吻合。且对比上述对辽南地区近年中小地震、震群活动及地下介质的分析结果，辽南地区中小地震及震群活动主要集中在地壳垂直形变速率过度交界地带的低速体区域。以上分析表明，盖州地区与海城地区土壤气浓度在空间上表现为北高南低变化，可能与该地区近年地壳运动、地下介质结构以及与中小震活动有关。

此外，对比盖州以北地区土壤气浓度空间变化特征，位于金州断裂最北段的YJG和YTG测点土壤气平均浓度整体偏高，甚至个别测点平均浓度高于海城老震区与盖州地区。而对比辽南地区地震活动分布特征却发现，中小地震均集中在海城和盖州地区，而YJG至YTG测段地震活动却相对较弱(图 4)。小震活动偏弱地区的土壤气浓度反而相对较高，对于这一特征，本文从测量数据和测量场地地质特征等方面进行了分析。

对比YJG与YTG测点土壤气浓度变化曲线、异常界变化特征以及平均浓度变化特征(图 2、图 3、图 6)，可以发现YJG测段土壤气Rn、CO₂和H₂浓度整体均表现上盘明显高于下盘特征，浓度变化特征较为明显，土壤气Rn、CO₂和H₂异常界均相对较高。而YTG测段土壤气Rn、CO₂和H₂浓度变化则差异性较大，且土壤气浓度变化规律不显著，其中土壤气Rn与H₂异常界与平均浓度明显偏高，而CO₂则相对较低，对比该测段测线浓度变化特征，认为可能主要与测量过程中个别点土壤气Rn和H₂浓度出现显著增大有关。而对于这种存在孤立高值点的原因，目前存在2种解释，一种观点认为在高值点处存在空间不连续性，导致监测气体在此处富集(Ciotoli et al，1998；Lombardi et al，1996)，另一种观点则认为是由多条断裂带交汇于某处造成的(Ciotoli et al，1998；Fridman，1990；李营等，2009)。通过对比YTG测线土壤气浓度变化，本文更倾向于监测气体在此处富集造成浓度偏高的观点。

基于上述对YJG测段场地地质特征的分析，得出YJG测段剖面土壤气浓度上盘高、下盘低的特征主要与该处断裂特征、土壤类型及沉积层厚度有关。李营等(2009)通过对延怀盆地土壤气地球化学特征进行分析，发现控制土壤气体地球化学背景场的主要因素为气体组分的来源、地壳结构、断裂构造、地层和微生物作用；王喜龙等(2017)对首都圈地区土壤气Rn、Hg和CO₂地球化学特征及其成因进行分析，认为首都圈地区土壤气的区域地球化学特征主要受控于上地壳物质结构、深部气体补给和地震活动，同时也受自然环境以及土壤类型的影响；韩晓昆(2014)通过对首都圈地震重点监测区土壤气体地球化学进行研究，发现土壤气浓度变化的影响因素除受控于构造和地震活动外，还受到气象条件、土壤类型、岩石类型等因素的影响。将YJG测段与其他7条测段地质地貌进行对比，其测量时间与测量期间气象条件基本一致，可基本排除影响。将YJG测段上盘土壤结构类型、湿度与微生物作用与其他7条测段进行对比，其土壤结构类型基本均为砂壤土或壤土，土壤结构类型基本一致，对土壤气浓度的空间变化影响相对较低。但YJG测段上盘土壤湿度较其他测段则明显偏高，土壤中富集水分较大，测线边缘附近喜水植被(芦苇等)茂盛，与其他测段相比，YJG测段上盘微生物作用与湿度明显较强。因此综合以上分析，认为辽南地区金州断裂土壤气Rn、CO₂和H₂浓度北高南低的变化可能主要受控于该地区地下介质结构、地壳运动及地震活动，同时受到场地地质特征的影响。

5 结论

通过对辽南地区土壤气Rn、CO₂和H₂浓度进行测量，并结合地质特征、地震活动性特征以及前人研究结果，对该地区土壤气的地球化学特征进行分析，得出以下结论：

(1) 对辽南地区金州断裂8条跨断层剖面进行土壤气测量，获得Rn、CO₂和H₂浓度变化范围分别为3.01~96.02kBq/m³、0.23%~9.55%和0.31~1527ppm；浓度平均值变化范围分别为10.65~39.50kBq/m³、0.59%~3.37%和9.74~306.28ppm；Rn、H₂和CO₂浓度最大值变化范围分别为22.58~96.02kBq/m³、0.86%~9.55%和52.23~1527ppm。

(2) 土壤气Rn、CO₂和H₂浓度异常下限计算及分析结果显示，金州断裂土壤气浓度异常主要与该地区地震活动及地下介质结构有关。

(3) 土壤气Rn、CO₂和H₂地球化学特征在空间上呈现北高南低的变化趋势。通过对该区域土壤类型、沉积层厚度、地壳形变特征以及地震活动等方面的综合分析，认为辽南地区土壤气Rn、CO₂和H₂浓度北高南低的地球化学特征主要受地下介质结构、地壳运动与地震活动的制约，同时还受到观测场地地质条件的影响。

致谢: 审稿专家对论文修改提出了中肯的意见与建议，在此致以衷心感谢。