0 引言

同位素在地震研究领域的应用始于20世纪50年代初。地震的孕育和发生过程必然伴随着元素和同位素在流体中的迁移、分化和演化。由于地下流体携带了深部地球化学信息，利用同位素监测地下流体对地震监测具有较好的效果(Soldati et al，2020；杜建国等，2000)。自1966年邢台地震以来，我国开始对地下流体进行监测。近30年来，随着科学技术的发展，同位素地球化学方法在地震监测和预测中的应用越来越广泛(Ramola et al，2008；孙小龙等，2020)。尤其是随着分析化学仪器技术的快速发展，同位素示踪技术成为地震监测的重要手段，广泛应用于解释孕震介质演化机理(Apollaro et al，2020；Caracausi et al，2022)和地震监测预测理论和方法的研究(Bernard，2001；杜建国等，2003)。虽然地震孕育过程中伴随着地球化学异常变化，但地下流体的产生、循环等过程较为复杂，且存在多种与地震前兆相关的机理。因此，获取可靠的地震前兆异常信息和地震监测方法并排除观测环境变化所引起的干扰相对较为困难。

同位素地球化学在地震监测中的应用能够使地下流体监测数据在地震研究中发挥更重要的作用。国内外学者开展了一系列同位素示踪技术的地震监测预测研究，应用同位素示踪技术来研究地震活动性关系(Wakita et al，1980；O’Neil et al，1981)。由于地震孕育过程中应力应变作用下，不同同位素组成的地下水混合交换形成同位素分馏，导致地下流体同位素组成变化(Skelton et al，2019)。通过确定地下水补给来源和循环，可以研究地震前兆形成机理，判识地震前兆异常，为地震预测提供科学判据(Claesson et al，2004；Chen et al，2014；Zhang et al，2021)。同位素示踪技术还可以用来研究断层气的来源、运移和赋存(Bräuer et al，2003；Lombardi et al，2010；Sciarra et al，2017)。结果表明，深源流体的释放与地震活动性相关，对判识地震前兆信息、预测地震具有重要意义(王基华等，1998)。以1995年日本神户地震为例，位于震中附近的放射性同位素研究所观察到主震发生前1.5~2个月大气中的氡浓度异常增加(Yasuoka et al，1997)。此外，利用氢氧稳定同位素示踪技术对断裂带温泉循环深度进行研究，结果显示地震活动性与温泉水循环深度相关，循环深度与强震孕育可能性呈负相关关系(王博等，2022)。同时，放射性同位素示踪技术也可以用于地下水或沉积物测年，研究地下水补给、径流特征、可更新能力，或建立古地震模型研究地震断层在足够多的地震间隔中的表面破裂行为，以确定地震复发、断层破裂行为和地震危险的特征(Zhang et al，2014；Streig et al，2020)。研究表明，地下水年龄与地下水映震效能有关，可判断地震前兆类型，为地震监测点的选择提供依据(Sano et al，1998；Wang et al，2005)。

在综合国内外相关领域的资料和研究成果的基础上，本文概述了同位素地球化学理论和方法，并阐述了前人如何运用同位素示踪技术进行研究，包括地下流体来源和循环、利用地下水年龄和水文地球化学特征来评估地震监测点的映震效能、判断地震活动性以及识别地震流体前兆异常。此外，本文还探讨了同位素地下流体监测在地震监测和预测中的应用，并对其未来发展方向进行了展望。

1 地震研究领域中的同位素地球化学方法 1.1 氢氧稳定同位素

氢氧稳定同位素广泛用于分析地下水成因和补给来源。地下水的氢氧同位素特征因成因不同而异(车用太等，2006)。成因为大气降水渗入的地下水，其δD与δ¹⁸O值遵循全球大气降水线(GMWL)，区域大气降水线(LMWL)是了解当地地下水同位素相对于当地大气降水的重要依据(Craig，1961；Clark et al，2013)。受同位素分馏、高程、纬度、陆地和季节效应的影响，大气降水中的氢氧同位素比值在不同条件下存在明显差异，与大气降水线偏离，因此可以通过氢氧稳定同位素的异常变化幅度来评估水-岩反应的强度、地下水的混合作用和地下流体的补给来源等(Pang et al，2017；张磊等，2016)(图 1)。

1.2 碳、氦的稳定同位素

地下气体具有较强的映震能力，加强对其监测有助于地震监测预测的研究。其中，CO₂是深源流体中分布最广、含量最丰富的化学组分之一(方震等，2012；Pierotti et al，2015)。深部CO₂释放至地表时，其原始碳同位素组成得以保留，因此可以利用不同成因中的δ¹³C值来判定其来源与释放机制(上官志冠，1995)。断裂带CO₂主要来源于幔源、碳酸岩变质、有机物分解和地表生物活动，其δ¹³C值与地下流体来源对应见表 1(Lombardi et al，2010；申宝剑等，2010)。深部CO₂可来源于无机物质、生物有机物质或与空气混合，形成三端元混合模型。利用同位素质量平衡原理，可以半定量计算各端元所占比例(刘洁等，2022)，即

$ f_A+f_B+f_C=100 \% $

(1)

其中，f_A为空气所占比例，f_B为深源所占比例，f_C为生物所占比例。

$ V_A \times f_A+V_B \times f_B+V_C \times f_C=V_{\text {sample }} $

(2)

其中，V_sample为CO₂气体样品体积浓度(%)，V_A、V_B、V_C分别为空气、深源、生物的体积浓度(%)。

$ \left(\delta{ }^{13} C_A \times f_A \times V_A+\delta{ }^{13} C_B \times f_B \times V_B+\delta{ }^{13} C_C \times f_C \times V_C\right) / V_{\text {sample }}=\delta^{13} C_{\text {sample }} $

(3)

其中，δ¹³C_sample(‰)为气体样品碳同位素组成，δ¹³C_A、δ¹³C_B、δ¹³C_C分别为空气、深源、生物的碳同位素组成(‰)。

联立式(1)、(2)、(3)可得三个端元所占比例。

氦由于其稳定的化学性质，能够准确反映地壳内部物质运移。较轻的³He保留在地球内部，通过火山活动和构造活动释放出来；而U与Th的放射性衰变在地壳中产生较重的⁴He，分布在整个岩石圈中。因此，通常使用R/Ra(样品³He/⁴He与大气³He/⁴He之比)表示氦同位素组成。利用³He/⁴He在地球不同圈层中的差异性(表 1)，可以判识幔源流体，研究地下流体来源等问题(Sano et al，1995；Marty et al，1999；Xu et al，2013；Zhao et al，2021)。氦同位素组成源区百分比计算公式如下

$ \left({ }^3 \mathrm{He} /{ }^4 \mathrm{He}\right)_{\text {sample }}=\left({ }^3 \mathrm{He} /{ }^4 \mathrm{He}\right)_{\mathrm{m}} \times M+\left({ }^3 \mathrm{He} /{ }^4 \mathrm{He}\right)_{\mathrm{c}} \times C+\left({ }^3 \mathrm{He} /{ }^4 \mathrm{He}\right)_{\mathrm{a}} \times A $

(4)

$ 1 /\left({ }^4 \mathrm{He} /{ }^{20} \mathrm{Ne}\right)_{\text {sample }}=M /\left({ }^4 \mathrm{He} /{ }^{20} \mathrm{Ne}\right)_{\mathrm{m}}+C /\left({ }^4 \mathrm{He} /{ }^{20} \mathrm{Ne}\right)_{\mathrm{c}}+A /\left({ }^4 \mathrm{He} /{ }^{20} \mathrm{Ne}\right)_{\mathrm{a}} $

(5)

$ M+C+A=1 $

(6)

式中，M、C和A分别表示地幔、地壳、大气的贡献百分比。

取(³He/⁴He)_a=1Ra，(⁴He/ ²⁰Ne)_a=0.318；(³He/⁴He)_m=6.5Ra，(⁴He/ ²⁰Ne)_m=1000；(³He/⁴He)_c=0.02Ra，(⁴He/ ²⁰Ne)_c=1000。联立式(4)、(5)、(6)得到

$ A=0.318 /\left({ }^4 \mathrm{He} /{ }^{20} \mathrm{Ne}\right)_{\text {sample }} $

(7)

$ C=1-0.2279 /\left({ }^4 \mathrm{He} /{ }^{20} \mathrm{Ne}\right)_{\text {sample }}-\left({ }^3 \mathrm{He} /{ }^4 \mathrm{He}\right)_{\text {sample }} / 1.0985 $

(8)

$ M=1-(A+C) $

(9)

其中，(³He/⁴He)_sample的单位为10^-5。

1.3 放射性同位素

根据放射性同位素衰变原理，可以确定地下水的年龄，而地下水年龄可以用于解决地震地下流体监测预测中的一些科学问题。放射性同位素示踪法主要有³H法、³H/³He比值法、¹⁴C法、⁸⁵Kr法、³⁹Ar法和³⁶Cl法等，其中应用较多的是³H法、³H/³He比值法和¹⁴C法。单纯使用³H测定地下水年龄很困难，因此产生³H/³He比值法，用于测定50a内补给的地下水年龄(Bayari et al，2006；Liu et al，2014)。刚渗入地下的大气降水¹⁴C含量与大气保持平衡，随着时间推移，地下水中的¹⁴C含量不断衰变减少，因此可利用地下水中的¹⁴C含量换算出地下水年龄，基于放射性衰变原理测定地下水年龄的表达式为

$ t=\frac{1}{\lambda} \ln \frac{P}{P_0} $

(10)

式中，λ为同位素衰变常数；P₀为补给时放射性同位素浓度；P为计算时放射性同位素浓度。

在地震监测中，²²²Rn是主要观测对象，因为其具有很强的扩散和迁移能力，当存在压力差、温度差和梯度差时，²²²Rn会从下往上运移(Sukanya et al，2022)。由于岩层岩性和构造环境的不同，氡和汞气在地下形成不同的聚集，而氡更易被用于地震监测，因为其可以溶于水和有机物，且容易被活性炭和黏土吸附，在气态形式和溶解态下均能运移(Morales-Simfors et al，2020)，氡的化学稳定性使其能够准确反映地壳内部物质的运移情况，从而有助于识别地震前兆(Chaudhuri et al，2013；Muto et al，2021)。但²²²Rn本身并不能用来预测地震，因为其在生命周期内会因扩散性输入而增加，因此有学者提出利用石灰岩洞空气中的钍(²²⁰Rn，半衰期55.6s，平均寿命80s)记录地震信号而不受环境因素干扰，在2011年日本9.0级东北大地震前观察到²²²Rn和²²⁰Rn活动的异常峰值被认为是地震前兆(Oh et al，2015)。

1.4 其他同位素

Sr同位素具有不易分馏的特点，因此其变化可反映物质来源及迁移过程，被广泛应用于研究地表与地下水系统的沉积物物质来源、水-岩反应、水体混合以及地震活动性等问题，主要表现为⁸⁷Sr/⁸⁶Sr变化(陈晨等，2020；McHugh et al，2020)。另外，汞同位素示踪技术可用于研究断裂带中汞的来源、汞与深部流体活动的关系，探讨断裂带深部汞及同位素的迁移路径，以及研究断裂带介质中汞异常的来源等问题，为相关研究提供了新的方法(Sherman et al，2010；Gehrke et al，2011)。

2 地震活动性判定

同位素地球化学和流体元素通常在大地震前后出现异常(Ingebritsen et al，2014；Chiodini et al，2020)，在此基础上进行地震流体地球化学研究，探讨地震流体地球化学特征与地震活动之间的作用关系(Skelton et al，2014)。同位素组成对地震孕育和发生的动力学响应特征，使流体地球化学预测地震成为可能(李营等，2022)。在印度西部柯依那地区的研究中，研究人员对地下水进行了水化学特征监测和地震前兆研究，发现2015年第一季度出现了水化学异常，由于地震前应力增加导致不同含水层水的混合，δ¹⁸O值随时间递减，水化学参数随时间递增，综合分析认为这是地震前兆异常，并预测该地区即将发生5级以上地震(Reddy et al，2017)。在日本地区的研究中，研究人员发现2016年熊本7.3级地震前3~4个月，当地δ¹⁸O值升高了0.38‰，震后上升至0.51‰，而δD值在期间没有明显变化，认为这是因为地震促使含水层岩石产生破裂加强了水-岩作用，进而导致水和岩石之间的氧交换，从而在δD值不变的情况下使得δ¹⁸O值上升(Sano et al，2020b)。类似的现象也出现在2016年日本西南部鸟取6.6级地震前后。对含水层岩石进行破碎实验、岩石氦脱气和δ¹⁸O值位移表明，氧同位素异常与应力变化直接相关(Onda et al，2018)。以意大利中部的苏尔莫纳和马泰塞地区为2个监测节点进行水文地球化学分析，研究发现，虽然在2017—2020年期间发生了3次地震(震级分别为M_W3.9、M_W4.1和M_W4.4)，但除M_W4.1事件外，这些地震并没有出现明显的水文地球化学异常。然而，M_W4.1地震发生在地壳深处(约17km)的一条大型正断层上，而且在地震前出现了微弱但可探测的硼和δ¹¹B水文地球化学异常，这些异常与2016年中部亚平宁山脉M_W6.0地震前的异常相似但较为温和。因此，研究结果表明，B和δ¹¹B具有地震敏感性，震前水文地球化学异常主要出现在M_W≥5.0的地震前，而长而深的断层等特殊条件下也可能会出现微弱的异常(Franchini et al，2021)。

地热流体中的幔源氦同位素值常常在大地震前后发生变化(Klemperer et al，2013)，一些研究表明，深层地下水中氦同位素异常变化与断层体积应变变化存在定量关系，可以在无钻孔应变仪的区域监测到地震前的应变变化(Sano et al，2016)。Zhou等(2017)研究了理塘M_S5.1地震前的理塘断裂带沿线温泉气体地球化学时空变化，发现温泉中³He/⁴He比值为0.06~0.93Ra，断裂带中含有高达11.1%的幔源氦。禾尼泉、德达泉、措拉泉和毛垭地震台的³He/⁴He比值和δ¹³C_CO2值在地震前发生了明显的变化(图 2)，表明上涌的地幔流体进入地壳对青藏高原东南部的走滑断层活动起着重要作用(Zhou et al，2017)，显示该断层作为深部地幔流体通道。因此，监测地热流体中的氦同位素可以提供有价值的信息，进而预测大地震的发生。

3 地下流体中的同位素与构造活动性

地下流体同位素特征是分析活动断层中流体耦合机制和流体对地震影响的有效工具(Buttitta et al，2020)。水-岩反应作用会削弱岩石抗压和抗剪强度以及断裂摩擦力(Wästeby et al，2014)。在不同的构造和水文地质背景下，与地震活动相关的水化学变化在世界范围内均有报道，以意大利中部亚平宁山脉为背景，2009年拉奎拉序列期间，观测到热泉中溶解气体成分变化及断裂带附近氡异常(Bonfanti et al，2012；Quattrocchi et al，2012)，研究者发现放射性地壳气体Ar和He的强烈增加，表明地震区深层长期储存着高压气体(Chiodini et al，2011)，超压气体储层可能引发地壳深处的地震(Chiodini et al，2020)。2016—2017年亚平宁中部地震序列中，研究者将碳同位素数据与Na/Li地温计数据结合，发现在地震期间呈现出碳同位素响应的泉水具有类似北亚平宁山脉深部钻孔的CO₂分压，这表明这些泉水可能受到了与地震有关的深部CO₂混合效应的影响(Barbieri et al，2020)。地下流体被认为与断层弱化和孔隙压力增大有关(Kennedy et al，1997；Claesson et al，2007)，且可能在已经承受严重压力的脆性地壳中触发地震(Sano et al，2020a)。在圣安德烈斯断层区，Lee等(2016)提出断层削弱与富含³He的地幔流体有关。许多研究表明地震活动性与地幔流体有关，在纽波特—英格尔伍德断层报告了深层地震和高³He/⁴He比率之间的关联性(Inbal et al，2016)。因此，地下流体同位素特征对于描述断裂内部流体循环和地热构造特征的作用至关重要。研究发现秦岭北缘断裂带的温泉水循环深度与构造活动性密切相关，在甘肃段与青海段，温泉水循环深度浅，水的弱化作用小，容易积累应力成为强震危险区；相反，陕西段的温泉水循环深度较大，在强弱化作用的影响下不会积累大量应力难以孕育强震(汪万红等，2008)，因此，温泉水循环深度是影响地震危险性的关键因素之一。

大地热流是约束地质构造与构造活动的重要指标，能够记录深部热学信息(Tardani et al，2016)。相关研究发现智利安第斯山脉南部火山区(SVZ)的热流体的特点是有广泛的氦、氮和碳同位素值，断裂系统对氦、氮和碳同位素特征有着控制作用，同时也促进了流体的深层循环(Tardani et al，2016)。在地热梯度带区域，由于两侧地层物性的差异，容易发生高频地震(唐晗晗等，2020)，而局部熔融体和上地壳底部的高温水或热液可能是导致地震的直接热力源(张汝惠等，1991)。氦同位素研究有助于识别深源流体(地幔/地壳)逸出气(Burnard et al，2013)，评估由岩石圈热结构不均而产生的热应力和流体对岩石的弱化作用对强震的孕育过程影响(王云等，2018；Umeda et al，2013)。大地热流值包含了上地幔和地壳热的贡献，而地下流体中的氦同位素比值来自于上地幔和地壳的放射性成因。因此，氦同位素比值与大地热流值之间存在着密切的关系(Polyak et al，1979)，可表示为

$ q=18.231 \times \lg R+181.82 $

(11)

式中，R为测试样品的氦同位素比值，q代表大地热流值(mW/m²)。

土耳其安纳托利亚地区长期的地震活动源于其构造环境和地热系统。地热流体来源于大气降水，在断层系统中循环积累能量，其年龄大于60年(Baba et al，2022)。氢氧稳定同位素数据表明，地热流体具有对流上升和将上地壳热量传导到地表的特征，而氚同位素数据表明热水具有深部循环的特征(Aydin et al，2020；Pasvanoǧlu，2020)。西部地区的同位素数据显示，地热流体主要是由海水的局部补给和深循环形成的。交错断层对地热流体的上升和沉积非常有利(Uzelli et al，2017)。研究发现深部岩浆室周围热区的流体和气体输送机制受到侵入岩浆的深度和上层地壳断层的渗透性的影响(Karao lu et al，2019)。西南部德尼兹利盆地的地幔挥发物可能上涌到软流圈，并沿着构造不连续面上升(Alçiçek et al，2019)。因此，分析构造环境和地热系统之间的关系，评估该地区地热流体的水文地球化学特征，对于了解该地区长期的地震活动具有重要作用。

研究断裂带活动性的重要指标之一是断裂带气体(He、CO₂、CH₄)浓度变化(Chiodini et al，2011)及其同位素特征(³He/⁴He、δ¹³C_CO2、δ¹³C_CH4)(Kulongoski et al，2013；孙小龙等，2016；Sciarra et al，2017)，这些特征能够刻画气体在迁移过程气体特征的改变程度(Bräuer et al，2016)。有研究表明幔源氦贡献与气体CO₂浓度正相关(Cornides et al，1986)，δ¹³C值与³He/⁴He比值在断裂带呈正相关关系，且相当一部分逸出的CO₂来自岩石圈地幔(Palcsu et al，2014)，其可以归因于地幔流体的高压对断层的削弱作用(Lee et al，2019)。圣安德列斯断层系统(SAFS)中的纽波特—英格伍德断裂带(NIFZ)深部的氦同位素比值高达5.3Ra，有强烈的地幔氦信号，研究结果表明NIFZ是唯一与深部地幔相连的断层，是该地区地幔流体运移与热量输送的主要通道(Boles et al，2015)。Sano等(2014)在研究东日本大地震后的地震活动性时发现，震后一个月断裂带附近底层海水的³He/⁴He高于背景值，推测是受地幔影响的流体和高氦比流体在构造活动中被释放出来，这些高压流体可能促进了地震的产生。断裂带的温泉气体地球化学特征与构造活动性有紧密的联系，其稳定同位素(δ¹³C和³He/⁴He)在地震前后会发生变化(Chen et al，2015)。刘洁等(2022)则研究了陇县—宝鸡断裂带的CO₂气体浓度和碳同位素特征，结合三端元混合模型发现南段岐山—马召断裂气体渗透性与地下构造连通性强，而北段固关—虢镇断裂气体活动性弱、断层闭锁程度高，未来发生地震的危险性高。研究发现同位素值的时间和空间变化与构造活动性相关(Du et al，2006)。在对金沙江—红河断裂带的温泉气体地球化学特征研究中，该区域的H₂浓度出现峰值(图 3)。由于红河断裂南段深部流体上涌对断裂的弱化作用，该区域的构造活动性与校正氦同位素值呈上升趋势，说明幔源物质上涌与断裂活动性密切相关，并且深部流体对地震孕育具有促进作用(周晓成等，2020)。

4 地震过程分析中的非构造影响

在地震发生过程中，地壳表层的水、气体、土壤等介质受到应力应变作用的影响，其元素含量和同位素组成会出现明显的异常变化，例如断裂带土壤气体(CO₂、CH₄、Rn、Hg等)、断裂带附近温泉水、井水和地下水的水化学离子(Na⁺、K⁺、SO₄^2-、Cl^-、Na⁺、TDS等)、温泉气体(H₂、He、Rn、CO₂等)的浓度以及温泉气体中稳定同位素的比值(³He/⁴He和δC¹³_CO2)等。判识地震因素和环境因素引起的地下水化学异常变化、排除干扰，是地震监测和预测研究中的关键问题(张国盟等，2015)。水化学组分异常通常与地下流体运移过程中的水-岩反应有关。Sato等(2020)研究了2016年熊本地震后泉水中硝酸盐浓度变化异常现象，结果表明主震后土壤中的硝酸盐通过强降雨渗入含水层，且强震影响植物吸收的硝酸盐含量，二者结合导致泉水中硝酸盐浓度增加(Sato et al，2020)。因此，结合不同的特征可以识别异常现象，并进一步研究其与地震活动的关系。水温异常反映地下深部热流活动的状态。以2022年云南宁蒗M_S5.5地震为例，该地震前迪庆流体观测井水位和水温同时出现上升异常(图 4)，利用氢氧同位素特征和离子浓度特征综合分析表明此次异常反映了该区域深部构造活动(杨黎等，2022)。

较大地震后可能会出现新异常，需要判别是震后效应还是新地震的前兆异常。震后效应是地震发生后应力场向新的平衡态过渡中出现的与已发生地震有关的现象，包括已发生地震导致的异常和余震区应力调整；新地震的前兆异常是地震发生后，原有异常出现新变化或新异常，这些异常可能与后续的强震有关。2014年的南纳帕地震引起之前干涸的泉眼重新涌现水流，研究表明泉水中的δD和δ¹⁸O值显著低于地震前水平，排除浅层水补给的可能性，研究认为这是地震引起的渗透性增强所导致的同震响应，综合分析认为泉水来自于震后释放的附近山区地下水(Wang et al，2015)。2016年熊本7.0级地震后，许多研究加深了对地震如何在区域范围内影响地下流体系统的理解，震后区域内地下水最大异常水位上升11m，研究发现震后山区含水层水被释放并与断裂带含水层的地下水混合，山脚泉水δD和δ¹⁸O值更低，意味着有来自高海拔水补给(Hosono et al，2020b)；Ide等(2020)使用氟氯碳化合物(CFCs)对地下水年龄进行追踪，推断观察到的变化是由于当地山脉的地震断裂导致的渗透性增强，从而释放出附近山脉的水。有研究者结合地球化学和同位素示踪技术对2016—2017年亚平宁中部地震序列对卡皮亚诺溪流域的地下水系统造成的影响进行分析，结果表明地震序列会暂时改变正常断层的行为，使得含水层孔隙压力变化渗透性增强，地下水流显著地垂直于断层走向分流(Mammoliti et al，2022)，大多数离子和δD和δ¹⁸O值没有变化，表明是含水层内变化造成对地下水系统的影响(Rosen et al，2018)。综合上述研究中所观察到的水文地质变化，发现地震期间，山地水的释放输送会影响区域的地下水系统，而同位素有可能成为识别同震异常的理想追踪器。

5 地震地下流体监测点映震效能评估

将同位素地球化学方法应用于断裂带和地震监测点附近的水文地球化学背景信息调查和地震流体异常资料完善(Rufino et al，2021)，对于评估地下流体的地震前兆信息、流体在孕震过程中的作用以及井孔的映震效能等方面具有重要参考价值。地震会导致含水层破裂，深部热液流体注入，不同层间流体混合，水-岩反应加剧，造成水化学变化(Barberio et al，2017；Hosono et al，2018)。因此，与大气起源的地下水相比，地壳深部和深断裂有关的原生水或变质水具有更强的映震灵敏度。对于交替缓慢、封闭性强的地下水，其映震灵敏度强于离补给区近、交替强、开放性的地下水。地下流体观测点的映震能力可能与携带深部构造活动信息的地下水年龄有关。因此，地下水年龄是评估泉点映震能力的重要指标(潘树新等，2001)。地下水的年龄越大，在地下贮留的时间就越长，不能及时地反映出地壳内部地球化学环境的变化；相反，年龄过短的地下水由于水-岩反应不充分，也不能完全反映地壳内部地球化学环境的变化，因此映震能力会降低。而年龄适中的地下水中的某些化学组分可以更完整地显示异常形态，这有利于地震前兆的监测(刘耀炜等，2009)。

地下水补给来源、循环深度、水-岩反应程度对水位、水氡等映震效能的影响是亟待解决的问题之一。研究人员分析了山西省4口井(泉)的水氡观测资料，结合氢氧同位素特征、水-岩平衡状态和地下水循环深度，通过已发生的地震对观测资料进行效能检验，发现温泉井中夏县井和奇村井的映震特征均优于临猗井(穆慧敏等，2019)。分析计算无震时期地震监测点的水质类型、补给混合特征、循环深度与来源等水文地球化学特征，可以为地震监测点流体数据分析以及异常落实与短临跟踪工作奠定基础，并为地震监测点的映震效能判定提供依据。多次6级以上中强地震的震例资料表明，地下流体水位和水化学观测资料的异常与地震活动对应较好，特别是短临异常映震效果更好(汪成民，1990)。了解观测井孔地下水补给来源对于利用观测资料识别前兆异常及准确把握映震效能十分重要，而水化学实验分析则可以为观测井水的补给来源及水循环过程提供科学参考。胡小静等(2018)通过水化学特征结合区域地下水相关性分析和井下电视探视，对云南江川渔村井地下水循环状态与补给来源进行研究，确定了其与周边大型水体星云湖等无明显水力联系(胡小静等，2018)。

在地震监测方面，断层气变化特征可为断裂带异常评价提供背景数据和相关依据(Zhou et al，2021)，同位素气体地球化学方法优越性显著。高断层气含量的部位其断裂带断层活动越强，是由于在构造应力的作用下，深部气体沿着发展的活动板块和活动块体边界以及其他活动性断裂等地壳薄弱地带向上运移，导致断层气在断裂带附近富集(吴华平等，2009)。Yuce等(2017)对死海断层(DSF)土壤气体与断层分布之间的关系进行研究，发现深部地壳气体组分表现出高Rn和CO₂浓度，且高浓度异常沿该区域内的南北和西北-东南趋势的断层分布，与DSF和阿米克盆地的盆地边界断层以及卡拉苏断层等相符，结果表明，氡浓度和CO₂(通量和浓度)是追踪该地区深部断层活动的良好指标。孙小龙等(2016)利用土壤气浓度、水化学组分等多种手段对海原断裂带的构造活动性进行分析，研究结果显示，该区水-岩作用强，水-岩平衡状态高，循环深度大，水泉离补给区远，水循环周期长，新老水体交换慢，同时含幔源气体。综合分析表明，海原断裂带闭锁程度较弱，但与地壳深部的连通性较强，这有利于地下流体的扩散和运移。已有相关的研究表明，地震可能是在岩浆气体优先迁移的断裂带内触发(Aizawa et al，2016)。

6 总结与展望 6.1 总结

地下流体同位素地球化学方法在地震监测预测研究方面有助于深入认识深部流体的活动特征，分析地震的孕育、发生以及地震前兆的成因，从而使得地下流体观测资料在地震科学研究中发挥更加重要的作用。通过同位素地球化学方法确定地下流体来源的原理，可以研究地下流体循环特征，进而评估地质构造活动的程度。而利用同位素地球化学方法能够认识流体异常成因(Hosono et al，2020a)，识别地震前兆异常，开展地震预测研究。此外，深部流体同位素示踪技术结合深源流体监测和地球物理方法，有可能揭示地震孕育、流体与震源之间的作用关系(Umeda et al，2015；Luetkemeyer et al，2016；Sanz et al，2020)。同位素地球化学方法不仅可以构建断裂带流体地球化学背景特征，还可以用于地震监测点映震效能的评估。因此，同位素地球化学是一种具有很高潜力的地震监测预测技术。首先，同位素技术可以在微观尺度上对地震前的地质环境进行深入研究，从而获得地震发生前的信息，提高地震预测的准确性。其次，同位素技术可以尝试对地震孕育过程进行分析，从而对地震机制、地震动力学等方面进行深入研究，提升对断层系统演化和地震周期的理解，为地震预测和防御提供科学依据(Gold et al，2015；Rockwell et al，2018)。此外，同位素地球化学还可以用于研究地震震源机制，以便更好地了解地震产生的原因(Okuyama et al，2016)。

近年来，地球化学分析测试技术得到长足发展，其中稀有气体同位素示踪、非传统稳定同位素示踪、氪和碳等同位素定年技术得到不断完善。这些进展使得同位素示踪和定年技术日益成熟，为地震监测预测的研究提供了更为精确的工具和方法。然而，同位素地球化学在地震监测预测方面的应用尚存诸多困难和局限。传统的地下流体同位素监测面临着严峻的挑战。首先，同位素技术的研究尚处初步阶段，在一些复杂的地质环境中缺乏系统科学的解释。其次，同位素技术在应用中受到多方面的限制，如样品数量和质量、采集方式、分析技术等。因此，在未来的研究中，有必要进一步深入探究同位素技术，以期在实际应用中更好地发挥其作用。

6.2 展望

未来同位素地球化学在地震监测预测方面的研究仍将有很大的潜力。首先，需要加强同位素地球化学基础理论的研究，以确定更多同位素比例变化与地震活动之间的关系。其次，随着观测技术的不断提高和数据处理方法的进一步完善，地震前地球内部的化学环境变化将得到更加细致和准确的描述，从而为地震监测预测提供更多技术支撑。

此外，中国地震科学实验场项目将在重点区域广泛布设观测点，与主要断裂带密集观测相结合，并应用多种地球化学观测手段对同位素进行监测分析。这将进一步加大同位素地球化学观测与研究，为认识构造地震的成因机理和预测方法建立提供新的依据与支撑。

另一方面，随着全球地震监测网络的不断完善，同位素地球化学在地震监测预测方面的应用将得到更广泛的推广和应用。为此，《中国地球物理站网(地下流体)规划(2023—2030)》已经编制完成，该规划最显著的特色是实现规模化观测。通过扩大站网规模、增加站点和测项数量，提升地震监测能力。新规划还提出了全国地震中心站配备氢氧同位素仪等仪器设备的措施，以中心站辐射基准站与基本站，完成各区域内同位素的普查和跟踪测试分析研究。这一规划的实施将大幅度提升同位素地球化学方法在地震监测预测研究中的应用。

最后，在未来的研究中，同位素地球化学与其他地球科学技术(如传统地震地下流体学、地球物理学和地质学)的结合和应用也将提高地震监测预测的精确度。通过加大对地震前兆的研究力度，同时结合其他监测预测手段(如卫星遥感)，形成一个综合的监测预测体系。同位素地球化学还将与人工智能、机器学习等技术结合，以便更快速、准确地进行地震监测预测，不断提高同位素地球化学在地震监测预测方面的应用效果。同位素地球化学在地震监测预测研究方面仍有很大的发展空间，将在未来的研究中发挥重要作用，为地震监测预测提供更多有力的技术支持。