0 引言

地质氢气作为一种新兴的潜在清洁能源与揭示地球深部过程的关键示踪剂，其形成与逸出机制受到日益广泛的关注(Zgonnik，2020；Combaudon，2023；贾东辉等，2025)。地质成因氢气主要源自地球深部岩浆脱气、水岩反应、水的辐射分解以及含铁岩石蚀变等过程(Klein et al，2020；韩双彪等，2021)。Wakita等(1980)认为氢气可以作为断层活动的指标，近年来研究进一步揭示，活动断层将促进氢气的迁移和分布(Jia et al，2025；Fang et al，2018)。因此，探测断层带的氢气逸出，对于理解构造应力驱动下的流体-岩石相互作用及地球内部物质运移规律具有重要意义。目前，相关研究主要集中于氢气空间分布与断层构造的关联及其与地震活动在时间上的对应关系(刘兆飞等，2019；胡宁等，2022；康健等，2019；刘海洋等，2020)。然而，传统的流动观测时间连续性不足，而震例研究又常因构造复杂性导致机理解释困难，这限制了对“构造应力-氢气响应”完整链条的深入理解。

氢气逸出变化受区域构造应力场作用，应力积累水平通过影响孔隙压变化调控氢气的逸出。目前评估区域构造应力背景水平的方法主要有基于地震活动分析的b值方法和基于岩石力学行为的加卸载响应比方法(LURR)。b值大小与区域平均应力水平呈反比关系，b值越低，通常指示应力越高，但其准确性对震级完备性具有高度依赖(Wu et al，2018；张鹏等，2025)。LURR方法则通过周期性的潮汐应力加载和卸载引起的响应来判断地壳介质处于线弹性阶段或者非线性应力屈服阶段，从而评估区域构造应力水平(尹祥础等，1991；余怀忠等，2026)。其在中强地震前地应变的异常捕捉、前震活动的检测识别等方面发挥了显著作用，并基于多方法组合预测地震模型通过了预测效能检验，在中国CSEP检验中心平台作为主要方法进行了推广应用(于晨等，2025；余怀忠等，2025)。综合来看，对于重点分析特定区域构造的应力集中程度和稳定性，LURR方法可能更适用于判断构造应力水平及裂隙扩展情况。

本研究选取塔里木盆地与天山构造带结合部这一独特的强构造活动区为天然实验场(图 1)。在印度板块的持续推挤下，该区域发育了柯坪断裂、北轮台断裂等一系列大型逆冲-走滑断裂，地震活动频繁，构造应力高度集中(张先康等，2002；Li et al，2022)。强烈的构造变形为氢气的生成与释放创造了有利条件，而深大断裂及其伴生的次级裂隙网络则为氢气的运移和逸出提供了高效通道(宋和平，2005；张君峰等，2023)。本研究旨在通过对阿克苏与库尔勒观测点断层氢气的系统监测，结合地震活动LURR所反映的区域构造应力演化动态，聚焦于构造应力驱动下的断层氢气逸出动态特征，以期从氢气生成与逸出的双重角度揭示其与构造活动的内在联系，为深化断层活动和地震孕育机制的认识提供新的流体地球化学依据。

1 数据与方法 1.1 观测数据

本研究涉及的观测数据主要包括断层氢气观测数据、地震活动观测数据、地质构造参数等。断层氢气观测数据包括阿克苏和库尔勒两个观测站的数据，站点分别位于柯坪断裂端部和北轮台断裂转换衔接处(图 1)。阿克苏和库尔勒氢气观测站自2013年开始观测，使用的仪器均为杭州超矩科技有限公司生产的ATG-6118H痕量氢气在线分析仪，检出限为0.5×10^-8，平均相对误差≤5%。观测孔均为人工开孔，孔深分别为1.25m和1.7m，裸孔直径分别为0.8m和1m。观测孔底部放置集气桶，上部连接PVC输气管，再用导气软管与仪器连接，最后回填砂石(刘海洋等，2020)。观测数据为小时采样，从整体数据来看，观测较为平稳，具有一定的年变趋势。前人研究认为断层氢气观测与气温、气压有一定相关性，其中阿克苏氢气与气温正相关，相关系数为0.74(图 2)，与气压相关性一般(钟骏等，2021)；氢气最大测值约为5.51ppm，最小测值约为0.11ppm，平均值为1.93ppm。库尔勒氢气与气压正相关，相关系数为0.66，与气温负相关；氢气最大测值约3.71ppm，最小测值0.01ppm，平均值为0.66ppm。

地震观测数据选取观测台站所处断层周围附近的小震活动作为指标(图 1中蓝色地震为LURR计算地震)，从图 1可以看到断层周围地震活动比较密集，分布范围基本沿断层展布。针对阿克苏断层氢气，因其位于柯坪断裂E端，断层近NEE走向，因此选取的是观测台站以西沿断裂长300km、断裂两侧宽100km范围内的地震活动；针对库尔勒断层氢气，因其位于断层转换位置，其走向为近NW-SE，故选择观测台站两侧沿断裂长200km、断裂两侧宽100km范围内的地震活动，受区域构造控制，地震主要分布在造山带内。地质构造参数数据主要收集前人研究成果以及研究区内地震震源机制参数(刘海洋等，2020；闫玮等，2023)。

1.2 计算方法 1.2.1 多元线性回归分析方法

氢气观测数据受到气温、气压等因素影响，本研究采用多元线性回归分析方法消除这些因素对氢气观测造成的影响，获得反映构造活动的氢气变化。以影响氢气观测数据的气温、气压数据为自变量X，以氢气观测数据为因变量Y，总体回归模型为

$ Y=\beta_0+\beta_1 X_1+\beta_2 X_2+\beta_3 X_3+\cdots+\beta_m X_m+\xi $

(1)

其中，β₀，β₁，β₂，β₃，…，β_m为回归系数，ξ为误差项，用最小二乘方法确定β₀，β₁，β₂，β₃，…，β_m的估值。为计算方便，作如下代换

$ \left.\begin{array}{l} x_{1 r}^{\prime}=x_{1 r}-\bar{x}_1 \\ x_{2 r}^{\prime}=x_{2 r}-\bar{x}_2 \\ \cdots \cdots \cdots \cdots \cdots \\ x_{m r}^{\prime}=x_{m r}-\bar{x}_m \\ y_r^{\prime}=y_r-\bar{y} \\ \hat{y}^{\prime}=\hat{y}-\bar{y} \end{array}\right\} $

(2)

其中

$ \begin{aligned} & \bar{x}_j=\frac{1}{n} \sum\limits_{r=1}^n x_{j r} \\ & \bar{y}=\frac{1}{n} \sum\limits_{r=1}^n y_r \end{aligned} \quad(j=1, 2, \cdots, m) $

(3)

则式(1)变为

$ y^{\prime}=b_1 x_1^{\prime}+b_2 x_2^{\prime}+\cdots+b_m x_m^{\prime} $

(4)

且有

$ b_0=\bar{y}-\sum\limits_{j=1}^n a_j \bar{x}_j $

(5)

此时，有等效残差方程为

$ y_r^{\prime}=b_1 x_{1 r}^{\prime}+b_2 x_{2 r}^{\prime}+\cdots+b_m x_{m r}^{\prime}+\varepsilon_r $

(6)

对式(6)实施最小二乘求解，得到正则方程组

$ \left.\begin{array}{l} \lambda_{11} b_1+\lambda_{12} b_2+\cdots+\lambda_{1 m} b_m=\lambda_{1 m+1} \\ \lambda_{21} b_1+\lambda_{22} b_2+\cdots+\lambda_{2 m} b_m=\lambda_{2 m+1} \\ \cdots \cdots \cdots \cdots \cdots \cdots \cdots \cdots \cdots \cdots \cdots \cdots \\ \lambda_{m 1} b_1+\lambda_{m 2} b_2+\cdots+\lambda_{m m} b_m=\lambda_{m m+1} \\ \lambda_{m+11} b_1+\lambda_{m+12} b_2+\cdots+\lambda_{m+1 m} b_m=\lambda_{m+1 m+1} \end{array}\right\} $

(7)

通过以上公式即可求出各回归系数，代入式(1)即确定回归方程(蒋骏等，2000)。利用回归方程计算氢气观测数据去除气象因素之后的残差，作为断层氢气的自然动态释放，原始数据与处理后的数据如图 3所示。

1.2.2 LURR方法

本研究基于地震活动，利用LURR计算方法评估区域构造应力动态演化情况。LURR定义为

$ Y=\frac{X_{+}}{X_{-}} $

(8)

式中，“+”表示加载，“-”表示卸载。P和R分别代表载荷和响应，ΔR为载荷P发生微小ΔP时响应R的变化，X为响应率，表示为

$ X=\lim\limits_{\Delta P \rightarrow 0}\left(\frac{\Delta R}{\Delta P}\right) $

(9)

当区域构造应力水平较低时，系统处于弹性阶段，加载响应与卸载响应相当，X₊≈X_-，Y≈1。当应力水平较高，系统处于扩容阶段时，加载响应明显大于卸载响应，X₊>X_-，Y>1。以小震释放的能量作为响应量，计算LURR时间序列，公式表达为

$ Y=\frac{\left(\sum\nolimits_{i=1}^{N_{+}} E_i^m\right)_{+}}{\left(\sum\nolimits_{i=1}^{N_{-}} E_i^m\right)_{-}} $

(10)

其中，E_i为第i个地震释放出的能量，N₊和N_-为加载和卸载阶段的地震总数。当m=1时，E_m为地震释放的能量，当m=1/2时，E_m为贝尼奥夫(Benioff)应变。本研究使用断层附近0~4.0级小震的Benioff应变计算LURR时间序列，小震的加卸载判断按照潮汐应力在构造剪切应力方向上的有效应力进行判定(贾东辉等，2024)。因不同区域构造参数不同，为了从整体上研究区域构造应力演化情况，需要确定构造区的主要构造参数。本研究中，利用震源机制参数反演该区域的主要应力方向(图 4)，基于主要应力方向确定该区域的关键构造参数，从而进行LURR计算。图 4结果显示，库尔勒区域构造应力方向主要为近EW向，阿克苏区域构造应力优势方向为近NW向。

1.2.3 R值评估检验方法

为评估区域构造应力与断层氢气逸出变化之间的定量关系，本研究引入R值评估检验方法进行量化。R值评估方法是一种直观高效的相关性效能检验方法，可以评估两者在一定时间内的相关性，在效能评价中应用广泛(张国民等，2002；马宏生等，2004；王喜龙等，2022)。本研究将该方法与氢气评估相结合，具体公式为

$ R=c-b=\frac{\text { 氢气响应高值次数 }}{\text { 氢气高值总次数 }}-\frac{\text { LURR } \text { 高值预测占用总时间 }}{\text { 研究总时间 }} $

(11)

其中，c为响应率，b为响应时间占有率。将R值与具有97.5%置信水平的R₀进行比较，若R＞0，且R≥R₀，则通过效能检验，说明两者在某时间段内具有较强相关性。

2 结果

对地震活动按照窗长50天、步长30天计算研究区域的LURR值，氢气观测数据选取月均值，以对比分析两者之间的相关性特征。图 5(a)为库尔勒氢气与LURR计算结果的对比，图中显示，LURR在2015—2017年、2019年、2021年、2023年均出现了显著的高值波动变化，可能代表了区域构造应力的起伏变化；氢气数据在2015—2018年、2020年、2021年、2023年出现了显著的高值变化，反映了氢气逸出量在这些时间段出现了显著的增加。从对比结果来看，LURR高值时间与氢气的逸出具有一定的准同步性，可能反映了两者之间的内在联系。图 5(b)为阿克苏氢气与LURR计算结果的对比，图中显示LURR在2016年、2018年、2021年、2023年出现了显著的高值起伏波动，氢气数据在2016年、2017年、2019年、2022年、2023年出现了显著的逸出量增加。LURR高值反映了构造应力水平的升高，氢气的高值则代表了逸出量的增加，库尔勒和阿克苏两个区域的LURR和氢气高值在某种程度上具有一定准同步性，反映了LURR与氢气之间的内在相关性。

3 讨论与分析 3.1 构造应力驱动下的氢气逸出特征

阿克苏和库尔勒地区的LURR与氢气观测结果显示，二者高值变化呈现准同步特征，即LURR升高后往往伴随氢气逸出的高值现象。氢气高值的出现时间明显滞后于LURR高值。采用R值评估方法对两者相关性进行统计检验(图 6)，结果表明在6个月时间尺度内，阿克苏地区的检验结果R值均小于0，说明LURR高值与氢气高值之间的响应关系不显著；而在8个月时，R值为0.59，临界值R₀为0.46，满足R>R₀，检验通过，表明该时段内两者关系显著。因此，阿克苏地区在LURR出现高值约8个月后，断层氢气逸出量显著增加。图 6(b)展示了库尔勒地区LURR高值与氢气逸出的R值检验结果，由图可见在4个月时已出现R>R₀>0，通过显著性检验；最佳相关时段为6个月，此时R值为0.53，R₀为0.31，两者关系最为显著，即该地区LURR高值出现约6个月后断层氢气逸出量显著上升。综合阿克苏和库尔勒两区域的R值评估结果可知，LURR高值异常出现后6~8个月，通常会伴随断层氢气逸出的高值。该结果与刘月等(2023)及Yue等(2022)关于LURR与地震活动、地壳形变的观测结论具有一定相似性，进一步支持了“LURR高值异常出现6个月后中强地震风险可能升高”的认识，反映了构造应力作用下岩体破裂失稳的前兆特征。

图 3中处理后的库尔勒氢气平均测值为0.29ppm，阿克苏氢气平均测值为0.66ppm，后者约为前者的2.3倍，阿克苏和库尔勒氢气虽均处于塔里木块体和天山块体盆山结合处，但是所处构造活动状态不同。张明敏(2019)研究认为天山地区地壳以压缩状态为主，剪切应变作用呈现西强东弱的趋势。GPS速度场研究显示(观测台站分布见图 1)，阿克苏氢气所在的柯坪断裂附近GPS形变速率约15mm/a(李瑞，2020)，库尔勒氢气所在的北轮台断裂附近GPS形变速率约2mm/a(Yao et al，2018)，前者约为后者的7.5倍。GPS观测数据提供了地壳形变信息，对构造变形机制具有一定指示意义(郑刚，2018)，GPS形变速率的差异说明阿克苏氢气所处的位置构造变形更强烈。相对于库尔勒氢气，可能由于构造变形的差异导致了阿克苏氢气释放的差异。

3.2 区域构造应力与氢气释放的内在机制

区域构造应力与氢气释放之间具有密切的成因联系。在构造应力持续加载作用下，岩石孔隙压力升高，促进了深部水-岩反应(如橄榄岩蛇纹石化)的进行，尤其在高温热液还原环境中，该类反应可生成大量氢气(Truche et al，2024)；同时，构造应力作用引发岩石破裂，形成优势运移通道，为氢气的逸出创造了条件(周晓成等，2017)。以阿克苏氢气逸出区所在的柯坪断隆为例，该区发育近EW-NEE走向的“铲式”逆断裂，这些断裂向深部归并于6~10km处的寒武系滑脱面(Allen et al，1999)，构成深部气体向上逸出的重要输导体系(图 7)。深部来源的氢气亦可能通过幔源脱气或放射性水解等机制形成，沿深大断裂向上运移。该区位于塔里木盆地块体向天山块体俯冲的前缘带，深大断裂系统不仅为深部氢气(可能来源于岩浆脱气或古老烃类裂解)向上迁移提供了通道，其所在的隆-坳构造格局同时具备良好的生-储-盖组合条件，有利于氢气的聚集与保存(张君峰等，2023)。因此，区域构造应力通过驱动断裂活动、增强水-岩反应以及促进深部气体释放，共同控制了氢气的生成、运移与逸出过程(韩双彪等，2021；孟庆强等，2021)。值得关注的是，近年研究表明，蛇绿岩等特定构造单元中的断裂系统可赋存大量氢气，并在应力作用下发生显著脱气，进一步印证了构造活动对氢气成藏与释放的关键控制作用。

4 结论

本研究基于南天山构造带阿克苏与库尔勒观测点的长期断层氢气监测数据，结合区域小震活动LURR，系统分析了构造应力驱动下的断层氢气逸出特征，得到如下主要结论：

(1) LURR高值异常与断层氢气逸出高值之间存在准同步变化特征，氢气响应具有显著滞后性。R值评估检验表明，阿克苏氢气在LURR高值出现约8个月后氢气逸出显著增强(R=0.59，R₀=0.46)，库尔勒氢气滞后时间约为6个月(R=0.53，R₀=0.31)。综合分析认为，区域构造应力升高6~8个月后，断层氢气逸出显著增强。

(2) 不同构造部位的氢气逸出强度存在明显差异。阿克苏地区平均氢气逸出浓度(0.66 ppm)约为库尔勒地区(0.29 ppm)的2.3倍，反映其更强的断层活动背景。GPS形变速率显示柯坪断裂带附近速率(约15mm/a)远高于北轮台断裂带(约2mm/a)，揭示西强东弱的构造变形格局对氢气释放可能具有控制作用。

(3) 区域构造应力通过驱动断裂活动、促进深部水-岩反应(如蛇纹石化)、增强裂隙串通，共同调控氢气的生成、运移与逸出过程。深大断裂系统构成氢气从寒武系滑脱面向上输导的关键路径，而隆-坳构造格局可能为氢气聚集与保存提供了有利条件。

本研究从流体地球化学角度证实，断层氢气逸出动态可作为反映区域构造应力变化的有效指标，其滞后响应特征对理解中强地震孕育过程中的岩体破裂失稳前兆具有参考价值。