摘要：气体地球化学方法在活动断层研究方面起着重要的作用，活动断裂带释放的气体组分中含大量的二氧化碳、水蒸气及少量的烃类气体、氮气、氢气和稀有气体等，断裂带土壤气体典型的地球化学特征变化能够反映由断裂或地震活动引起的区域地壳应力应变的变化。一系列研究观测事实证明土壤气CO2、Rn、He和Hg等浓度异常是寻找地震活动断裂带非常有效的方法，且在活动断裂带附近对地震发生具有非常敏感的响应性。
关键词：土壤气体；地球化学特征；活动断裂带
第一章 引言
气体地球化学是一门研究自然界呈气态的元素及化合物的形成、运移、聚集和分布规律的科学。观测与研究的对象主要有 Rn、Hg、CO2、He、H2、O2、Ar、N2和CH4等及其比值[1]。根据气体组分的特征，可将其分为三种类型，烃类气体、非烃类气体以及元素周期表中的零族元素。气体地球化学主要是研究这些气体的地球化学特征、成因类型、运移、积聚规律及其所参与的地球动力学过程和表征的地质学意义。
地震预报研究表明气体地球化学前兆现象是可以反映地震活动的[2]。一些地震前兆如地下水、气体以及某些动物的异常表现等都直接或间接地与震前的气体地球化学异常有关。气体地球化学方法在活动断层研究方面起着重要的作用。活动断层是气体和液体迁移的有利部位，活动断层带内裂隙充填物越松散，其裂隙的导气性越好。此外，隐伏断层活动会改变其上覆土壤的结构，造成一些气体元素在断层上方相对富集。而土壤气中氡、氦、汞等浓度测量在活断层探测研究方面是极为有效的。
第二章 土壤气在地震科学中的应用
2.1 断裂带土壤气异常形成机理
地下深部富含He，Rn，CO2等气体成分，不断向地表扩散运移。地表之下的深大断裂为地壳深部或地慢气体向地表运移提供了通道。气体的运移方式主要为扩散和对流，在活动断裂带的气体可以被高速运移，其机制主要为[3]：在压力驱动下连续不断的气体通过干燥的断裂流动；在压力驱动下连续不断的气体替换饱和断裂中的水；在含水层和被水充满的断裂依靠气泡的浮力上升运移。断裂带及其附近土壤气浓度高，土壤气浓度异常可以勘探隐伏断裂。
断裂带土壤气浓度变化与构造及地震活动密切相关，在地壳内部不同区域的孔隙和断裂充填着不同成分的流体。在地震孕育过程中，地壳发生形变，引发地壳内裂隙张开、断裂蠕滑等构造活动，并促使断裂内的流体发生运移，造成其周围地区的流体地球化学特征发生变化。因此，断裂带土壤气体浓度的变化能够反映由断裂或地震活动引起的区域地壳应力应变的变化。
2.2断裂带土壤气体特征变化的影响因素
气体沿着断裂中高渗透性裂隙运移并释放，而裂隙分布受断裂控制。断裂带结构一般有四类[2]：第一种是由单一的断裂核部及环绕其周围破碎带组成；第二种是多个断裂核部及两侧的破碎带相互交叉组成；第三种断裂带形态单一，表现为单一的断层面，断面两侧破碎带空间尺度较小；第四种是无断裂核部，但具有复杂的网状结构，发育高密度次生渗透率高的裂隙断裂核部通常由断层泥、碎裂岩和超碎裂岩组成；破碎带由破裂和次级断裂构成。土壤气体的运移受到断裂面或者断裂核部的阻隔，而从断裂核部以及断裂带两侧破碎带中的裂隙渗出，是以土壤气体浓度曲线在断裂带上表现为双峰形态。
土壤气体浓度空间变化特征和土壤类型密切相关即使断裂带两侧的岩石化学组成无差异，被不同类型的土壤覆盖，断裂上方也会出现不同土壤气体浓度曲线形态特征。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆断裂被砂质土壤、泥质土壤、砾质土壤覆盖时，其上方土壤气体浓度曲线形态分布特征不同。在砂质土壤、泥质土壤和砾质土壤中，其渗透性从高到底分别是：砾质土壤，砂质土壤，泥质土壤，而以上三种土壤覆盖的隐伏断裂上方土壤气体浓度峰值的从高到低依次是：砂质土壤，泥质土壤以及砾质土壤。由于砾石土壤渗透性非常大，导致空气对土壤气体的污染和稀释，使得在砾质土壤覆盖的断裂上测得土壤气浓度峰值非常低[2]。
2.3断裂带土壤气体地球化学研究进展
断裂带土壤气地球化学在全球范围内有广泛的研究。
张扬等[5]在郯庐断裂带江苏段的重岗、晓店、桥北和何庄4个地点跨断层测量了土壤气中CO2、Rn以及Hg的浓度。测量结果表明：土壤气中CO2、Rn和Hg的浓度异常主要集中分布在断裂带内及附近，且与活动断裂带地震活动性有很好的一致性。
Mahajanetal.[6]在印度喜马拉雅山脉西北段新构造区域进行了土壤气Rn和He浓度的测量，测量结果表明在沿Dehar线性构造，沿喜马拉雅山前断裂处土壤气Rn和He的浓度高，表明了存在平行于喜马拉雅山前断裂的隐伏断裂。结合土壤气Rn和Hg的模型与地貌学和地质调查为构造环境的变化提供了有效地约束条件。周晓成等[7]根据呼和浩特地区隐伏断层土壤气中氡、汞的浓度，探讨了断层的气体地球化学特征及其确定隐伏断层的方法。在呼和浩特地区8条测线上进行了土壤气中氡、汞浓度野外现场测量在8个地球化学剖面中有7个在断层带上发现了异常。根据断层带上土壤气氡、汞异常特征确定了断层的具体位置。土壤气氡、汞测量是隐伏断层探测中非常有效的手段。
第三章 结语
事实证明土壤气Rn、He和Hg等浓度异常是寻找地震活动断裂带非常有效的方法，且在活动断裂带附近对地震发生具有非常敏感的响应性。
在过去的一个世纪中，学者们开展了大量地壳形变、测震学、地球物理以及地球化学等方面的地面定点和流动观测，对探索预测地震做出了巨大努力，但是地震预报仍是当今世界未解决的科学难题。传统的地基测量具有精度高、可靠性强等优点，但其都是单点测量，受空间局限，使人们无法获取大面积动态连续的地震前兆场信息，制约了地震预报的发展。所以随着卫星遥感技术的发展，应该结合并加强遥感热红外（地表温度、大气温度、亮温、长波辐射、地表潜热通量）等技术在地震观测当中的应用，其宏观性强、精度高、重复观察周期短、不受地面条件限制等优点，可成为研究断裂活动性及发现地震前后异常现象的重要观测手段，大大提高地震监测的能力。
参考文献：
[1]郭涛，徐世光，王瑞雪. 气体地球化学在环境资源领域的研究[J]. 内蒙古科技与经济，2015，（17）：50-51
[2]李圣强，杜建国. 氡、氦等气体地球化学在地震科学研究中的进展[J]. 地球科学进展，1998，（03）：23-30.
[3]崔月菊. 大地震前后CO、O3和CH4遥感地球化学异常特征[D].中国地质大学（北京），2014.
[4]张扬，戴波，周晓成. 郯庐断裂带江苏段土壤气体地球化学特征研究[J]. 地震研究，2016，（03）：444-449+527.
[5]MahajanS，Walia V，Bajwa B S，et al. Soil-gas radon/hefium surveys in some neotectonicareas of NWHimalayan foothills，India[J].Natural Hazardsand EarthSystem Sciences. 2010，10：1121一1127.
[6]周晓成，郭文生，杜建国，王传远，刘雷. 呼和浩特地区隐伏断层土壤气氡、汞地球化学特征[J]. 地震，2007，（01）：70-76.
论文作者:王祎
论文发表刊物:《防护工程》2018年第33期
论文发表时间:2019/2/23
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