引言

断裂带是地球放气的窗口之一，以往的研究表明，断层土壤气地球化学特征能反映区域应力场变化（Pizzino等，2004；Du等，2008；Zhou等，2010；Lombardi等，2010），可为监测断裂地震活动和危险性提供地球化学依据。华北地区是中国大陆地震活动强烈的地区之一，自新生代至今，华北裂陷盆地活动强烈，近期显示出频繁地震活动的特征，华北地区因此成为国际地球科学界关注的热点区域（王椿镛等，2016）。1976年唐山7.8级地震后，地质学家和地球物理学家对唐山震源区开展了大量研究，获得了大量地质、地球物理学研究成果（徐杰等，1998；Huang等，2009；尤惠川等，2002；李传友等，2007；刘保金等，2011；王椿镛等，2016），但缺乏反映深部结构特征的地球化学资料。部分学者对地球化学测量进行了研究，获得了有意义的成果（Li等，2013；Wang等，2013；Han等，2014）。Li等（2013）对唐山地区断层土壤气进行测量，结果显示，唐山-古冶断层为地球化学异常区域，表明土壤气异常受孕震断层控制。上述研究多为小比例尺研究，对唐山断裂带分段气体地球化学特征及与断裂带活动关系等的研究较少。

为此，本文分3期对唐山断裂带分段土壤气浓度和通量进行测量，时间分别为2017年10月、2018年4月、2018年10月，分析唐山断裂带分段地球化学特征，综合地质、地球物理研究成果，研究唐山断裂带分段地球化学变化特征与断裂活动的关系。

1.   地震地质概况

唐山地区在构造上位于燕山褶皱带南缘，发育较厚的元古宙、下古生代和晚古生代含煤建造。中生代燕山运动形成一系列褶皱和断裂，中生界缺失。新生代以来，北部抬升、南部下沉，构造差异明显，第四系覆盖层由北向南逐渐加厚（尤惠川等，2002）。

唐山断裂带是由多条相互平行的NNE-NE向断裂组成的区域性活动断裂带（图 1），深地震反射剖面揭示，断裂浅部为花状构造，在深部切割和扰动了下地壳物质和壳幔过渡带，控制该区地震的孕育与发生（李传友等，2007；刘保金等，2011）。有历史地震记录以来，该断裂带附近发生5级以上地震15次，最大地震为7.8级地震（1976年）。已有小震精定位、震源机制解等研究结果表明，唐山断裂带具有分段特征，分为南、北两段，北段自西向东依次分布着陡河断裂（F1）、巍山-长山南坡断裂（F2）和唐山-古冶断裂（F3），南段自西向东分布着唐山-丰南断裂（F4）和唐山断裂（F5）（Shedlock等，1987；尤惠川等，2002；李轶群等，2008；杨雅琼等，2016）。其中陡河断裂在巍山-长山西北麓沿陡河分布，走向NE，倾向NW，正断层，断裂越向东北方向活动性越强，两侧第四系最大落差150—200m；巍山-长山南坡断裂断续出露于巍山-长山南麓，走向NE，倾向NW，倾角达80°，以挤压逆冲为主，断层NW盘为奥陶系灰岩，SE盘为石灰系泥砂岩；唐山-古冶断裂为唐山发震断裂的分支断裂，走向NE—NEE，倾向SE，倾角50°—60°，逆冲兼走滑性质；唐山-丰南断裂由3条平行断裂组成，向下数百米至千米多汇为1条，北段走向NNE，向南折为NE向，倾向NW，高角度逆冲断层，奥陶系灰岩由NW向SE逆冲到二叠系含煤系地层上；唐山断裂由2条相距300m左右的平行断层组成，即开滦煤矿命名的4、5号断层，东侧5号断层倾向NWW，倾角70°—80°，为逆走滑性质，西侧4号断层近直立或倾向NWW，向下650m与5号断层相接，组成“Y”形结构，为正断走滑性质。

图 1  唐山断裂带地质构造图（尤惠川等，2002；尹宝军，2010）

Figure 1.  Tectonic map of the Tangshan fault zone (based on You et.al., 2002; Yin et al., 2010)

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2.   野外测量及数据分析

2.1   测点布置

垂直断裂走向布设测线（图 1），每条测线布置约15个测点，以断点为中心，测点间距依次为0m、5m、10m、10m、20m、20m、40m、40m，测量Rn、Hg、CO₂浓度，取样深度为60—80cm（侯彦珍等，1994），在浓度高值点测量土壤20cm深度处的Rn、Hg通量。

2.2   测量方法

在测点处打孔，将取样器置于孔内，封住孔口后取样。用P2000/RAD7型测氡仪现场抽气测量Rn浓度，检测限为1Bq/m³，更换仪器前做对比测量，误差＜10%。用RA-915⁺型塞曼效应汞分析仪现场抽气测量Hg浓度，检测限为1ng/m³。用华云二氧化碳分析仪抽气测量CO₂浓度，分辨率为0.01%。Rn和Hg通量采用静态暗箱法测量，采用厚度5mm、半径20cm的聚四氟乙烯通量箱（Zhou等，2010）。Rn、Hg通量采样间隔分别为10min、1s，采样时间分别至少为1h、30min。

3.   土壤气测量结果

3.1   土壤气浓度测量结果

唐山断裂带5条断层土壤气浓度测量结果见表 1，因每条断层第四系覆盖层厚度、土壤类型等不同，分别对每条断层土壤气组分CO₂、Rn、Hg浓度测值进行K-S检验，对于不服从正态分布的数据剔除高值，用剩余数据的平均值与2倍标准差之和确定每条断层的异常下限（Al-Hilal等，2010）。

表 1  唐山断裂带土壤气浓度测量结果

Table 1.  The result of soil gas concentrations in the Tangshan fault zone

剖面	气体组分	时间/年-月	最小值	最大值	平均值	3期平均值	异常下限
徐庄子	Rn/kBq·m-3	2017-10	1.00	26.86	12.18	12.66	28.27
		2018-04	1.18	23.90	10.81
		2018-10	4.19	29.10	14.98
	Hg/ng·m-3	2017-10	5.00	55.00	18.00	13.00	29.00
		2018-04	3.00	30.00	10.00
		2018-10	3.00	38.00	12.00
	CO2/%	2017-10	0.00	4.40	0.82	1.04	1.72
		2018-04	0.32	1.66	1.10
		2018-10	0.35	3.41	1.21
巍峰山	Rn/kBq·m-3	2017-10	4.11	25.60	12.34	11.45	33.56
		2018-04	2.05	22.11	11.27
		2018-10	5.21	17.90	10.75
	Hg/ng·m-3	2017-10	3.00	28.00	11.00	13.00	26.00
		2018-04	3.00	60.00	15.00
		2018-10	7.00	57.00	14.00
	CO2/%	2017-10	0.00	0.85	0.39	0.52	1.57
		2018-04	0.15	1.12	0.56
		2018-10	0.23	1.31	0.62
四王庄	Rn/kBq·m-3	2017-10	1.38	16.59	8.80	9.31	33.58
		2018-04	1.00	19.26	8.00
		2018-10	1.54	19.19	11.14
	Hg/ng·m-3	2017-10	5.00	18.00	10.00	15.00	14.00
		2018-04	7.00	54.00	18.00
		2018-10	6.00	32.00	17.00
	CO2/%	2017-10	0.00	0.43	0.22	0.77	3.45
		2018-04	0.12	2.22	0.55
		2018-10	0.37	3.02	1.55
孩儿屯	Rn/kBq·m-3	2017-10	1.34	8.98	4.18	4.90	8.02
		2018-04	1.00	15.52	6.34
		2018-10	2.53	6.20	4.17
	Hg/ng·m-3	2017-10	6.00	38.00	12.00	16.00	35.00
		2018-04	4.00	45.00	18.00
		2018-10	7.00	36.00	18.00
	CO2/%	2017-10	0.38	4.86	1.71	0.99	2.07
		2018-04	0.04	3.24	0.72
		2018-10	0.34	1.53	0.55
重广庵	Rn/kBq·m-3	2017-10	3.29	19.18	8.62	9.11	19.36
		2018-04	4.35	24.86	11.21
		2018-10	1.39	18.04	7.50
	Hg/ng·m-3	2017-10	3.00	11.00	6.00	12.00	28.00
		2018-04	7.00	19.00	11.00
		2018-10	5.00	38.00	18.00
	CO2/%	2017-10	0.68	2.45	1.22	1.04	2.32
		2018-04	0.26	1.43	0.59
		2018-10	0.30	2.48	1.30

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3.2   土壤气通量测量结果

土壤气通量测量结果见表 2，由表 2可知，2017年10月唐山断裂重广庵剖面Rn通量高于其他剖面；2018年4月唐山断裂带Rn通量较低，Hg通量以唐山-古冶断裂孩儿屯剖面最高，2018年10月唐山断裂带Rn、Hg通量较低。

表 2  唐山断裂带土壤气Rn和Hg通量测量结果

Table 2.  The result of flux for Rn and Hg in the Tangshan fault zone

组分	时间	徐庄子	巍峰山	四王庄	孩儿屯	重广庵
Rn/mBq·m-2·s-1	2017-10	3.70	6.40	1.70	1.60	11.90
	2018-04	—	—	0.60	0.50	0.70
	2018-10	1.30	1.40	1.80	0.70	—
Hg/ng·m-2·h-1	2017-10	0.10	—	1.40	0.10	0.02
	2018-04	—	—	0.60	15.60	0.70
	2018-10	0.60	—	—	—	0.40

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4.   分析与讨论

4.1   唐山断裂带土壤气地球化学特征

唐山断裂带各分支断裂土壤气浓度曲线如图 2—图 6，图中虚线为异常下限，0m处为断点位置。土壤气Rn、Hg、CO₂浓度能反映地壳深部信息，同时也受土壤类型、气象因素、人为因素等影响，测量期间气象因素较相似，有效降低了其对断层土壤气测量的影响。在异常分析中2种及以上土壤气成分同时出现异常，异常信度更高。

图 2  陡河断裂土壤气浓度测值曲线

Figure 2.  The curve of soil gas concentrations in the douhe fault

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图 3  巍峰山-长山南坡断裂土壤气浓度测值曲线

Figure 3.  The curve of soil gas Weifengshan—changshan nanpo fault

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图 4  唐山-丰南断裂土壤气浓度测值曲线

Figure 4.  The curve of soil gas concentrations in the Tangshan—fengnan fault

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图 5  古冶断裂土壤气浓度测值曲线

Figure 5.  The curve of soil gas concentrations in the Tangshan—Guye fault

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图 6  唐山断裂土壤气浓度曲线

Figure 6.  The curve of soil gas concentrations in the Tangshan fault

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（1）陡河断裂徐庄子剖面测线走向为西北到东南，3期Rn、Hg、CO₂浓度变化范围分别为1—29.1kBq/m³、3—55ng/m³、0—4.4%（图 2）。Rn是惰性气体，扩散速率低、运移距离短，沿断裂向上运移受CO₂等载气的控制（Yang等，2003），已有测量结果也显示土壤气Rn与CO₂在空间分布上呈高度相关关系（Li等，2013）。由图 2可知，距离断裂100—145m处出现CO₂高值异常，Rn变化平稳，没有同步异常，这可能与影响CO₂浓度的因素有关，高值异常附近有树和卫生间，高值来源可能为植物呼吸作用、有机物分解和生物活动等（Irwin等，1980）。测线布设在陡河水库附近，受陡河电厂大气汞干沉降影响（吴婷婷等，2017），Hg浓度在断裂两侧均出现高值异常。

（2）巍峰山-长山南坡断裂巍峰山剖面测线走向为由北向南，3期Rn、Hg、CO₂浓度变化范围分别为2.05—25.6kBq/m³、3—60ng/m³、0—1.31%（图 3），3种土壤气浓度均值都低于2014—2016年均值（杨江等，2017）。由图 3可知，Rn、Hg出现高值异常，而作为Rn沿断裂向上运移的载气CO₂无同步高值异常，推断其高值异常可能与剖面土质粒度和成分有关（侯彦珍等，1994），该剖面上盘表层为第四系黏土，而Rn、Hg浓度与土壤中黏土含量成正比（Jong等，1994），因此出现高值异常。断裂下盘为砂岩，孔隙度大，利于CO₂与大气交换，正常情况下下盘CO₂浓度应低于上盘，但实际测量结果显示下盘CO₂浓度高于上盘，高浓度可能反映土壤表层微生物活动（Irwin等，1980）。

（3）唐山-丰南断裂四王庄剖面测线走向为由西向东，3期Rn、Hg、CO₂浓度变化范围分别为1—19.26kBq/m³、5—54ng/m³、0—3.02%（图 4）。Rn无高值异常，Hg和CO₂在断裂两侧出现不同步的高值异常，因测线位于农田内，可能是农药、肥料及微生物活动引起的Hg和CO₂浓度高值（王荔娟等，2007）。

（4）唐山-古冶断裂孩儿屯剖面测线走向为由北向南，Rn、Hg、CO₂浓度变化范围分别为1—15.52kBq/m³、4—45ng/m³、0.04%—4.86%（图 5）。Rn、Hg、CO₂浓度在断裂附近出现双峰（或多峰），钻孔资料显示该断裂为全新世以来的活动断裂（彭远黔等，2017），倾角较缓，断层羽状节理和裂隙比较发育，形成较宽的破碎带，利于气体向上运移和富集，造成Rn、Hg、CO₂高值异常范围大。2018年4月Rn、Hg、CO₂浓度出现同步高值异常。

（5）唐山断裂重广庵剖面测线走向为由东向西，3期Rn、Hg、CO₂浓度变化范围分别为1.39—24.86kBq/m³、3—38ng/m³、0.26%—2.48%（图 6）。2018年10月，Rn、CO₂、Hg土壤气浓度在断裂附近出现同步高值异常，但CO₂出现多个散点高值，因测线所处位置有树林覆盖，有机物分解或生物来源较丰富，CO₂浓度高值除地壳深部来源外还受环境因素等影响。

唐山断裂Rn通量为11.9mBq·m^-2·s^-1，低于陆地表面土壤气Rn通量均值15.5mBq·m^-2·s^-1（Ciotoli等，2007），其余断裂Rn通量测值较低，Rn受土壤含水量影响较大（侯彦珍等，1994），而唐山地区地下水位埋深较低，当土壤中含水量饱和或接近饱和时，土壤气Rn变成溶解气，逸出气减少，因此整个唐山断裂带Rn逸出通量较低。

已有研究结果表明，唐山7.8级地震震中区上地壳下部约20km深度附近存在高导低速体，并延续到下地壳，地震发生在高低速交界部位偏高速区一侧，并认为震源体下方存在的低速体可能促进了地震的发生（徐杰等，1998；Huang等，2009；尤惠川等，2002；刘保金等，2011；王椿镛等，2016），杨歧焱等（2018）研究表明，唐山地震区下方低速异常体可能与深部流体有关，唐山断裂带下方存在切穿莫霍面的深断裂（刘保金等，2011），为深部流体上涌提供了通道。

唐山-古冶断裂Hg通量为44.5ng·m^-2·h^-1（2017年）、15.6ng·m^-2·h^-1（2018年），比全球陆地表面平均Hg通量（0.11ng·m^-2·h^-1）高几百倍，高于森林地区Hg通量14.23ng·m^-2·h^-1及城区Hg通量7.8±7.1ng·m^-2·h^-1（Ma等，2013）。该测线浓度最高值为45ng/L，明显高于现代土壤汞平均值0.01—0.5mg/kg（熊定国等，1994），该剖面处无环境污染及人为因素等影响，Hg高值异常表明其为地壳深部来源气体。

孟广魁等（1997）研究结果表明，在同条断裂带测量条件大体一致的情况下，活动强烈的地段土壤气浓度高于其他地段。Ciotoli等（2007）研究结果表明，活动断裂附近土壤气浓度与通量异常能反映断裂活动性。断裂活动增强，利于深部气体沿断裂向上逸出，造成断裂附近土壤气浓度高值（盛艳蕊等，2015；赵建明等，2018）。唐山断裂带及周边区域土壤气Rn、Hg、CO₂浓度背景值分别为5.55kBq/m³、12ng/m³、0.28%（Li等，2013），2017—2018年唐山断裂带土壤气浓度变化较小，可能反映断裂带整体活动较弱；唐山-古冶断裂、唐山断裂土壤气浓度均值高于区域背景值，且Rn、Hg、CO₂浓度出现同步高值异常，孟庆筱等（2014）研究结果表明，唐山断裂带东北方向在构造应力作用下存在明显破裂趋势，由此推断唐山-古冶断裂、唐山断裂活动增强。

4.2   地球化学特征与地震活动性的关系

据全国5级以上地震目录统计，1970年以来唐山断裂带及其周边共发生5级以上地震14次，其中5.0—5.9级12次、7.0—7.9级2次，最大的地震是1976年7月28日唐山市7.8级地震，至今震区仍有中小地震活动。小震重新定位结果显示，地震集中在唐山断裂带，且呈条带状分布，深度多为5—15km。2017—2018年唐山断裂带地震活动水平较弱，小震主要分布在唐山断裂和唐山-古冶断裂附近，这与断层土壤气异常分布有较好的对应关系（图 7），反映了土壤气浓度变化与地震活动性具有较好的相关性（Du等，2008；Zhou等，2010；Lombardi等，2010）。

图 7  2017—2018年唐山断裂带地震空间分布图

Figure 7.  Spatial distribution of earquakes along the Tangshan fault zone during 2017—2018

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5.   结论

对2017—2018年唐山断裂带5条分支断层3期土壤气Rn、Hg、CO₂浓度及Rn、Hg通量测量结果进行分析，得出以下结论：

（1）利用平均值+2倍均方差确定每条断裂土壤气浓度异常限，其中唐山-古冶断裂和唐山断裂出现土壤气Rn、Hg、CO₂同步高值异常，但不同土壤类型及环境污染等因素也会引起土壤气浓度高值异常。

（2）3期土壤气测量结果变化较小，表明唐山断裂带整体活动偏弱。M_L1.0以上地震多集中在唐山断裂和唐山-古冶断裂，显示这2条断裂活动增强，这与土壤气异常分布有较好的相关性，表明土壤气地球化学空间变化特征能反映断裂带分段活动性。