0 引言

地球内部的气体是地球化学场中最为敏感、迁移性最强的物质，是可直接将地球深部信息携带至地表的载体，其释放量对地壳应力应变反应较为灵敏(Toutain et al，1999；李营等，2009)。当地壳应力或应变发生变化时，脱气作用释放的气体会沿着地壳薄弱地带向上运移至地表，从而导致断层和裂隙中的土壤气体的释放强度和化学组分发生改变，在地表富集形成某些气体成分的浓度异常(Woodruff et al，2009；Li et al，2013；Han et al，2014)。土壤气体的浓度变化特征能反映所在区域与地震构造活动相关的地壳应力应变场的变化，目前，气体地球化学在寻找隐伏断裂、研究断裂活动性及地震活动等领域应用较为广泛。众多学者研究表明，在利用地球化学方法探测隐伏断裂时，土壤气体浓度分布特征不仅能显示断层的位置，而且能反映断裂的宽度、产状、活动性等信息(刘晓辉等，2009a；周晓成等，2011；Tawfiq et al，2015；郑海刚等，2016；李源等，2018)，同时对探索地震前兆与评价断裂活动性起到重要作用，为监测断裂活动性及地震危险性提供地球化学依据(Pizzino et al，2004；Zhou et al，2010)。李营等(2009)在延怀盆地土壤气体地球化学背景场测量时发现，该区域气体浓度在空间上表现出东高西低的特征，认为与延怀盆地东部构造活动性比西部活动性强有关；杨江等(2019)在唐山断裂带南西段王兰庄和北东段巍峰山土壤气体浓度测量结果表明，气体浓度的空间分布特征与断裂活动有一定相关性。在地热活动区的观测研究表明，土壤气体的异常变化与该地区地震活动相关性较强(Varekamp et al，1984)；Fu等(2016)在中国台湾美农M_L6.6地震前周边不同位置的土壤气体观测站点均观测到土壤Rn异常，反映出地震孕震阶段整体区域土壤气体浓度会发生变化；王基华等(1994)在南口—孙河断裂测量断层气Hg浓度较高，且起伏波动较大，异常期间首都圈及其周围地区4级左右地震较多；Weinlich等(2016)在捷克波希米亚地震活动区观测到2008年新教堂(NovýKostel)震群发生前CO₂浓度降低，与正常年动态不符，并在地震发生后异常结束。

断层气体Rn、CO₂、Hg对构造地震活动的响应也十分敏感，地震的震级越大，断裂土壤气体异常幅度越大，通过观测断裂带土壤Rn、CO₂、Hg气体含量变化，可了解断裂活动性及地壳内部应力应变状态等信息(汪成民等，1991；Fytikas et al，1999；Choi et al，2005；Weinlich et al，2006；Walia et al，2009；周晓成等，2011；王喜龙等，2021)。2008年汶川8.0级地震后开展的汶川地震断裂带科学钻探研究表明，在地下深部同震破碎带上气汞浓度表现相对不明显，但存在土壤总汞(total mercury，以下简称THg)的高含量异常带(Yang et al，2015；Zhang et al，2014)。Hg元素具有较强的穿透性，地下深部构造活动产生的Hg元素会沿着断裂裂隙等通道向上迁移至地表，地震断裂带土壤中Hg以游离态和吸附态形式存在，受区域构造背景、表层环境干扰以及断裂深部3种补给源补给，各状态下的Hg相互转化、吸附与解吸附过程及影响因素相对复杂(伍宗华等，1994)。研究土壤Hg分布特征可以分析区域断裂分布、产状及活动状态，从而反映地壳内部应力场变化等信息(周晓成等，2007；刘晓辉等，2009b)。

1989年和1991年阳原盆地西侧冀晋交界附近发生了2次中强地震震群，盆地东侧应力随之调整，意味着阳原盆地开启新的地震活跃周期(徐锡伟等，1991；韦宝珠等，1992)。阳原盆地东侧地震活动主要集中在盆地北缘断裂附近，GPS显示该断裂的拉张和走滑运动均不明显，可能处于闭锁状态，中段是该断裂最主要也是规模最大的活动断层段(徐锡伟等，2002；崔笃信等，2016)。前人对该段地质调查仅发现晚更新世活动证据，但近年来通过沿阳原盆地北缘断裂多处野外地震地质调查及地形地貌勘测，证实阳原盆地北缘断裂中段在全新世时期有过活动，认为该断层是一条全新世活动断裂。该结论改变了以往对该断裂晚更新世活动的认识。目前该区域存在测震学、流动重力、流动地磁、定点前兆等多项异常，仍存在发生中强地震的背景^①。因此，本文对阳原盆地北缘断裂中段开展地球化学跟踪测量，结合地震活动及定点前兆观测数据，确定阳原盆地北缘断裂带中段土壤气空间分布特征及其构造活动性。

① 河北省地震局. 2021. 河北省2022年度地震趋势会商报告.

1 地质构造背景

阳原盆地位于晋冀蒙交界区，盆地西至山西大同，东至张家口化稍营，北部为熊耳山山脉，南部为六棱山和凤凰山，是晋冀蒙盆岭构造区内典型的地堑状断陷盆地。阳原盆地北缘断裂为阳原盆地的北边界断裂，西起石宝庄，向东北经元通寺、朱坊沟、豹峪，台家庄、南口村、红寺村至油坊沟，总体走向NE-NEE，倾向SE，倾角60°~70°，正断层，全长约76km(图 1(a))。该断裂沿宽十几至百米的太古宇挤压破碎带发育，是阳原盆地北缘的主控断裂。以苇子水和三官庙的基岩区和阶区为界，将阳原盆地北缘断裂分成西、中、东三段(段瑞涛等，1995；冉勇康，2000)。该断裂附近曾发生一系列中等地震，如1545年5.3级、1978年5.2级和1988年4.2级地震等(徐锡伟等，2017)。

断裂中段是该断裂主要活动段。由于断裂两侧差异升降幅度较大，地表广泛分布晚更新世以来的冲洪积扇。台家庄、南口村等地可见错断更新世中晚期地层剖面，如南口村被断错的晚更新世晚期的冲沟阶地被堆积物所覆盖，说明最后一次地表断层错动发生在晚更新世末期至全新世初期。在台家庄地表形成高3~6m的断层陡坎，断层切割了TL年龄为距今(48.7±3.9)ka的晚更新世黄土，垂直位移量达6.2m。西段走向近EW，据野外调查，在元同寺、朱坊沟、豹峪等地均可见老断层破碎带及砖红色、灰白色断层泥的地质剖面，但未错断晚更新世地层，其活动性越往西越弱(徐锡伟等，2002)。综合分析认为，阳原盆地北缘断裂带各区段活动性有明显差异，晚更新世以来活动较强地段为中段。

2 测量方法

2020年9月和2021年4月在阳原盆地北缘断裂带进行跨断层土壤气体Rn、CO₂及Hg浓度原位测量。依据野外地质考察及构造活动特征，测量时考虑气象(气温、气压、降雨量)、土壤(温度、湿度)等因素的影响(Iskandar et al，2004)。测量剖面布设在阳原盆地北缘断裂带中段大蟒沟、姚家庄、南口村及台家庄(图 1(b))，便于分析断裂中段的活动性，每个剖面布置1条测线，共布设4条测线。在断裂面附近测点间距为5~10m，远离断裂面测点间距加大至20~40m，出现异常高值时进行加密观测。大蟒沟、姚家庄、南口村、台家庄测线的测点个数分别为15、15、22、19，测线长度分别为300m、200m、570m、450m。测量期间选择在未降雨时段，研究区雨季降雨量较小，以阵雨为主，因此2期测量受降雨影响较小。测量前进行土壤湿度检测，保证湿度小于10%。在测量过程中，土壤取气钻密封于孔径约30mm、深度80cm左右的采样孔上。采用Alpha GUARD P2000测氡仪对Rn进行测量，每个氡样测量间隔1min，记录15个数据，在每个氡样测量完成后对测氡仪进行净化，该测氡仪携带方便，操作简单，仪器操作范围：氡浓度2~2000000Bq/m³；采用GXH-3010E型便携式红外线CO₂分析仪对CO₂进行测量；采用杭州超距测汞仪对Hg进行测量，仪器标定误差为3%，检测限为1ng/L，测量时间10min。上述仪器的标定误差均小于10%。在测量前进行同点位空气组分浓度测量，保证测量数据的有效性。

2021年4月采集南口村、台家庄测线上各气体监测点位的深部土壤样品，采样深度为150~200cm。为避免取样过程中的污染，所有样品均保存在密封的聚乙烯袋内，送至河北省地矿中心实验室，对土壤样品中THg、Fe₂O₃、MnO、总有机碳含量进行检测，并在测量前对土壤样品进行晾晒与筛样。按照土壤成分分析国家标准物质(GBW07403、GBW07423)的粒度，以用于测试分析。THg含量按照区域地球化学样品分析方法第十七部分：汞量测定蒸气发生—冷原子荧光光谱法DZ/T0279.17-2016利用XGY1011A原子荧光分光光度计进行检测，仪器标定误差为0.8%；Fe₂O₃、MnO含量按照区域地球化学样品分析方法第一部分：三氧化二铝等24个成分量测定粉末压片—X射线荧光光谱法DZ/T0279.1-2016利用X荧光光谱仪进行检测，仪器标定误差为0.14%；总有机碳(total organic carbon，简写为TOC)含量按照区域地球化学样品分析方法第二十七部分：有机碳量测定重铬酸钾容量DZ/T0279.27-2016利用法玻璃量器进行检测，仪器标定误差为0.05%(中华人民共和国国土资源部，2016)。

3 测量结果

阳原盆地北缘断裂带大蟒沟、姚家庄、南口村、台家庄剖面上的土壤气体Rn、CO₂及Hg浓度两期测点共132个。两期测量土壤气体平均测值均高于空气中的气体浓度(Rn：10Bq/m³，CO₂：0.03%，Hg：6ng/m³)。在数据分析前，首先采用SPSS(Statistical Package for the Social Sciences)软件对测量数据进行K-S检验，剔除不符合正态分布的数据，之后按正态分布的异常下限计算规则，将土壤气观测数据平均值与其2倍标准差之和作为异常下限。大蟒沟剖面两期土壤气体Rn、CO₂及Hg浓度变化范围分别为1240~4780Bq/m³、0.14%~0.88%、5.85~10.23ng/m³；姚家庄剖面两期土壤气体Rn、CO₂及Hg浓度变化范围分别为1030~4518Bq/m³、0.07%~0.83%、6.20~10.50ng/m³；南口村剖面两期土壤气体Rn、CO₂及Hg浓度变化范围分别为1500~13500Bq/m³、0.05%~0.82%、6.80~29.82ng/m³；台家庄剖面两期土壤气体Rn、CO₂及Hg浓度变化范围分别为2000~13966Bq/m³、0.04%~0.58%、5.60~12.30ng/m³(表 1)。土壤样品检测结果显示，南口村剖面土壤THg含量变化范围6.4~37.1ng/g，平均值为18.3ng/g，异常下限为34.1ng/g；Fe₂O₃含量变化范围4.85%~9.20%，平均值为5.99%；MnO含量变化范围694~1176μg/g，平均值为936μg/g；TOC含量变化范围0.11%~1.22%，平均值为0.49%。台家庄剖面土壤THg含量变化范围6.1~19.8ng/g，平均值为12.4ng/g，异常下限为18.4ng/g；Fe₂O₃含量变化范围4.13%~8.80%，平均值为5.15%；MnO含量变化范围822~3330μg/g，平均值为1836μg/g；TOC含量变化范围0.09%~1.14%，平均值为0.36%(表 2)。

4 分析与讨论 4.1 土壤气体地球化学特征

从测量结果(图 2)来看，Rn、CO₂气体浓度在断层陡坎和破碎带上出现峰值，气体浓度测值具有一定吻合性和重复性。Rn运移速率低，距离短，在运移过程中需要相应的气体作为载体才能运移至地表，各剖面Rn、CO₂浓度空间分布曲线一致性相对较好，运用SPSS进行相关性分析，得到大蟒沟、姚家庄、南口村、家庄剖面的相关系数分别为0.774、0.367、0.485和0.489，这种情况与CO₂为Rn的载体有关。断层面由中间向两侧依次分布为断层泥、构造角砾岩、碎裂岩和破裂的岩石，地下深部释放的气体沿断裂活动产生的裂隙向地表运移(Etiope et al，2002)。从南口村、台家庄剖面的测量数据来看，断裂两侧均出现高值异常，可能是由于该处断裂活动性相对较强，产生的裂隙较多，为气体向上迁移提供了通道。土壤气体释放浓度除受构造活动、地壳厚度、地震活动影响外，也受土壤类型、气象条件、人为干扰等因素制约(Irwin et al，1980；韩晓昆，2014)。两期测量气象因素较为相似，各剖面土壤类型基本一致，测量所用仪器及参数、人员、位置均未发生变化，有效降低了环境及人为因素对断裂带土壤气体测量的影响。在构造活动区，土壤气中CO₂的来源除构造活动外，还包括碳酸盐岩分解、有机质氧化及微生物、植物呼吸作用等(李营等，2009)。第二期CO₂测量浓度明显低于第一期，第一期测量时间在4月底，第二期测量时间在9月，测线周边有植被发育，9月周边植被明显繁密。前人在对该区域进行气体地球化学特征研究时发现，CO₂测量浓度受周边植被影响较强(杨江，2018)。因此，两期测量数据的变化可能受植物呼吸作用、有机物分解和生物活动等影响，测量结果的差异可能是由季节性因素造成的。Rn浓度相对变化较小，与Rn为惰性气体、相对不活泼、受干扰影响较小有关(Etiope et al，2002)。因此，该区域Rn浓度变化能更好地反映断裂活动状态。

大蟒沟、姚家庄剖面土壤气体Hg浓度两期未出现明显变化，各测点测值波动相对较小；南口村剖面土壤气体Hg浓度两期具有明显变化，第一期测值高于背景值5倍左右；台家庄剖面土壤气体Hg浓度两期未出现明显变化，但各测点之间测值变化较大。研究表明，断裂深部Hg元素有较强的穿透性，能够扩散到大气中，但在向上运移过程中易受到各种因素的影响(Yang et al，2015；Zhang et al，2014)。Hg相互转化、吸附与解吸附过程及影响因素相对复杂(魏家珍等，1992)，为更好地分析土壤气Hg来源及分布特征，本研究对南口村、台家庄剖面土壤气体含量与吸附态土壤THg含量进行对比分析，并探讨影响因素。前人研究认为，有机物质和铁锰氧化物吸附作用是控制土壤THg分布的主要因素(Deison et al，2012；王莉霞等，2014；陈力等，2019)。南口村剖面土壤THg与TOC、Fe₂O₃、MnO的相关系数分别为0.35、-0.09、0.45；台家庄测线上土壤THg与TOC、Fe₂O₃、MnO的相关系数分别为0.53、-0.30、-0.33。结果表明，南口村剖面TOC及MnO的吸附作用是控制土壤THg含量变化的主要因素，台家庄剖面TOC的吸附作用是控制土壤THg的主要因素，Fe₂O₃含量对土壤THg影响较小。前人研究表明，断裂带的活动状态，如断层的滑动速率、闭锁深度、愈合程度等因素，会导致浅地表中气Hg的富集程度存在差异，基于TOC能够吸附Hg元素这一特征，断裂带土壤THg能够反映出一段时间内断裂带气体Hg的释放和吸附程度(Sun et al，2017)。从图 3可以看出，土壤气体含量与THg含量分布高度吻合，因此THg浓度能反映断层活动状态。南口村测线土壤THg的最高含量为37.1ng/g，台家庄村测线土壤THg的最高含量为19.8ng/g，均高于该区域深层土壤THg含量13ng/g，THg含量高值点可能是由断裂构造引起的。南口村剖面的深层THg含量高于台家庄剖面，且南口村剖面周围无环境污染及人为因素干扰，同时前人研究认为该区域断裂Hg受深源供给控制，浓度升高可能与该区构造活动有关(李营等，2009；盛艳蕊，2015)，两期土壤气体Hg浓度受周边环境影响不大，第一期土壤气体Hg高值异常可能与地壳深部来源有关。

对于同一条断裂而言，不同地段所处的应力环境不同，其活动性会有区别，从而导致断裂土壤气体的运移(Walia et al，2009)。大蟒沟、姚家庄、台家庄剖面土壤气浓度曲线主要表现为单峰聚集模式，在测线两端土壤气浓度变化趋势较为平缓，断裂附近气体浓度变化明显；南口村剖面断裂两侧出现高值异常点(图 3)，可能与断裂周边活动性不同有一定相关性(Mahajan et al，2010)。从空间分布特征来看，南口村相对于大蟒沟、姚家庄、台家庄剖面测值出现高值异常点数量较多，气体释放浓度相对也较高。断裂带破碎程度的强弱改变了岩层及土壤的渗透性，岩层的破碎程度决定了断裂带附近气体异常程度，从而导致断裂不同位置土壤气浓度有所差异(Seminsky et al，2009；Yuce et al，2017；Kumar et al，2017)。因此，各剖面气体浓度的差异性可能是由于活动强度与破碎程度不同产生的。通过计算气体释放强度(K_Q)来分析各剖面气体释放强度的差异性，从而判定各剖面断裂带的破碎程度。K_Q=中部测点平均值/两端测点平均值，选取距离断点100m范围内测点数据计算中部测点平均值，距离断点100m范围以外测点数据计算两端测点平均值(Ioannides et al，2003)。大蟒沟剖面Rn、CO₂及Hg释放强度(K_Q)分别为1.56、1.60和1.01；姚家庄剖面Rn、CO₂及Hg释放强度(K_Q)分别为1.44、1.17和1.06；南口村剖面Rn、CO₂及Hg释放强度(K_Q)分别为1.96、1.69和0.92；台家庄剖面Rn、CO₂及Hg释放强度(K_Q)分别为1.19、0.98和1.07(表 3，图 4)，由此可见南口村剖面释放强度相对其他剖面较高。从地质构造分布来看，南口村剖面位于阳原盆地北缘断裂及右所堡—松枝口断裂两条深大断裂交汇处，断裂交汇处构造应力较为集中，活动性相对较强，产生的裂隙较多，为气体向上迁移提供了通道。研究表明，断裂交汇处断裂较为破碎，破碎程度会导致地层渗透系数不同，从而导致断裂不同位置土壤气体浓度有所差异(闻学泽，1998)。综合分析认为，造成各剖面土壤气体浓度释放的差异主要是由断裂带各位置破碎程度不同导致的，地质构造结构及同一断裂不同区段构造活动性不同引起了气体浓度空间分布具有一定的差异性。

4.2 断裂活动性初步分析

目前，利用土壤气体浓度测量数据来判定断层活动还未形成统一的方法，本研究利用平均值和最大值比值法进行土壤气浓度强度计算。浓度强度=A/B，其中A为各测量场地测量值的最大值，B为各测量场地测量值的平均值，对4个测量剖面两期Rn、Hg、CO₂数据进行单独计算。大蟒沟剖面两期Rn、Hg、CO₂浓度强度分别为1.51、1.34、1.61和1.68、1.22、1.72；姚家庄剖面两期Rn、Hg、CO₂浓度强度分别为1.50、1.20、1.44和1.63、1.24、1.64；南口村剖面两期Rn、Hg、CO₂浓度强度分别为2.11、1.40、1.78和1.90、1.21、3.28；台家庄剖面两期Rn、Hg、CO₂浓度强度分别为2.34、1.70、1.59和2.11、1.20、1.75。结果表明，除南口村剖面两期CO₂浓度强度相对有所变化，其他破面浓度强度并未出现明显变化(图 5)。由此表明，阳原盆地北缘断裂中段目前处于平静期，活动水平相对较弱。

在地震前能观测到地下Rn、Hg、H、He、CO₂等活跃成分的异常变化(康健等，2019；蒋雨函等，2021；Zhou et al，2020、2021)，且被国内外诸多震例所证实，如定点CO₂连续观测在张北—尚义地震前12天提出了较好的短临预报意见(林元武等，1998)，美国一些科学家在加州圣安德烈斯断层也进行了逸出氢的观测，并发现微震活动与氢气逸出具有一定联系(Wakita et al，1980)。定点CO₂及H₂连续观测方法日趋成熟，已经成为流体学科年度地震趋势研究和震情强化跟踪的重要判据之一。距离大蟒沟测线约35km处有土壤气体CO₂与H₂连续观测点，因此，本次收集到2020—2021年该观测点CO₂、H₂连续观测数据进行对比分析。从观测数据(图 6)来看，CO₂呈现正常年变规律，未出现明显异常变化；H₂数据未出现突跳及阶变等前兆异常变化，变化相对较为平稳。该结果与断裂带气体浓度强度分析结果较为一致，表明该断裂及附近区域构造活动水平相对较弱。

据统计，2020年1—12月沿断裂带附近发生M_S1.0以上地震4次，2021年1—10月沿断裂带附近发生M_S1.0以上地震2次，从地震活动水平来看，断裂带附近地震活动水平较弱。前人研究表明当土壤气体释放浓度变化较大时，附近地区地震活动性较强，反之，地震活动性较弱(王博等，2010)。此次两期土壤气浓度强度无明显变化，且两期气体释放浓度处于较弱的水平，表明该区域土壤气体释放浓度能反映出一定时间内区域构造活动性。利用数字地震学方法对断裂周边活动性进行分析，选取2019年10月—2021年10月期间M_L≥ 2.0地震的震源机制解，采用Michael等(1990)提出的应力场反演方法，将震源机制密集区以0.2°×0.2°进行网格化，选取每个网格节点及其周围至少10个震源机制进行应力张量反演，采用ZMAP程序计算出每个节点应力场的压应力S1方位，在此基础上，进一步计算了各节点震源机制一致性参数，并用应力张量方差来表征应力场的非均匀性程度。结果显示，阳原盆地北缘断裂中段仍处于低值集中区(图 7)，且阳原盆地北缘断裂位于晋冀蒙地震危险区边缘，所在区域存在多项测震学异常，指示该区域未来存在发生中强地震的危险。结合土壤气体浓度结果与数字地震学结论分析认为，阳原盆地北缘断裂中段存在发生中等地震的背景，但目前断裂活动性相对较弱。

5 结论

本文对阳原盆地北缘断裂带中段大蟒沟、姚家庄、南口村、台家庄剖面土壤气体Rn、CO₂、Hg浓度及南口村、台家庄剖面土壤中的THg、TOC、Fe₂O₃、MnO成分进行研究，通过野外测量数据和实验室检测数据分析，得到以下认识：

(1) 两期气体浓度测值具有一定吻合性、重复性，该区域土壤气体浓度对断裂活动性有一定的指示作用。各剖面Rn、Hg、CO₂气体浓度高值点分布在断层陡坎和破碎带上，利用断层气在该区域探测隐伏断裂的浅层位置具有可行性。

(2) 断裂带周边土壤THg含量主要受TOC的吸附作用所控制，基于TOC能够吸附Hg元素的特征，断裂带土壤THg能够反映出一段时间内地下气Hg的释放和吸附程度；土壤THg含量空间分布与土壤气体含量分布具有高度的吻合性，因此THg浓度能反映一段时间内断裂活动状态。

(3) 南口村剖面气体释放强度(K_Q)相对高于其他剖面，造成各剖面土壤气体浓度释放的差异主要与地质构造结构及断裂活动性有关。

(4) 两期气体浓度强度计算结果变化不大，结合周边固定点CO₂、H₂连续观测数据、地震活动性及数字地震学结果分析认为，阳原盆地北缘断裂中段目前处于平静期，构造活动水平相对较弱，但未来可能具有发生中强地震的背景。

通过综合分析阳原盆地北缘断裂带气体地球化学时空分布特征与断裂活动关系，可为未来监测断裂活动和震情跟踪提供地球化学背景。