引言

气体构造地球化学方法已广泛应用于构造活动监测、隐伏型活动断裂探测等地震地质相关研究之中（Fu et al，2005，2017；Weinlich et al，2006；Lombardi，Voltattorni，2010；Li et al，2013；Neri et al，2016）。地下气体组分变化能够客观、灵敏地反映地壳的应力、应变状态（李营等，2009），Rn作为土壤气体的重要组分，被认为是构造地球化学观测的有效指标之一。²²²Rn是一种无色、无味的放射性稀有气体，主要来自于土壤或岩层中²³⁸U衰变系列中²²⁶Ra的自然衰变（Nazaroff，1992；Jaishi et al，2014）。自然界中²²² Rn自然丰度较高且半衰期大（3.823天），而在封闭环境中含量最高（Sciarra et al，2018）。研究表明，Rn是断裂和地震活动最有效的示踪剂之一，对地震构造过程有重要的指示作用（Ciotoli et al，2007），Rn浓度的重大变化与地壳构造活动之间存在某种内在联系。通常在地震活动前后，在相关活动断裂带上能捕捉到Rn浓度异常信息（Barkat et al，2018；Tareen et al，2019；Papachristodoulou et al，2020）。同时，Rn的时空分布特征能够很好地指示隐伏型断裂的构造位置及反映地震活动前的构造应力积累状态（Burton et al，2004；Fu et al，2008；Walia et al，2008；Yuce et al，2017；Li et al，2019）。但是，土壤Rn含量不仅受到断裂带岩层的渗透性、构造活动性等地质条件的制约，还受到沉积物厚度、土壤颗粒组成、孔隙度、放射性物质含量以及温度、气压、降水量等气象要素的影响（Perrier et al，2009；Kumar et al，2017；Sciarra et al，2017；Kandari et al，2018；Sun et al，2018；Yang et al，2018；Chowdhury et al，2019）。通常不同断裂、不同区域，以及同一区域不同断裂构造之间土壤Rn含量及空间分布特征迥异。汤阴地堑处于地层隆起区与沉降区的过渡地带，地质环境特殊，构造复杂。目前，在该地堑边界断裂—汤东、汤西以及安阳南断裂开展的土壤Rn研究结果表明，土壤Rn含量能够敏感指示断裂位置，且三条断裂带之间活动背景差异明显（胡宁等，2019；王明亮等，2019）。为进一步了解不同断裂带间活动背景的差异，需对汤阴地堑土壤Rn的空间分布特征进行深入研究。

鉴于此，本文拟通过在汤阴地堑南部网格化布点并野外监测土壤Rn浓度，分析土壤Rn浓度的空间分布特征，阐明不同断裂带和不同区域气体活动背景及活动程度，揭示其与断裂构造、岩性、覆盖层厚度等之间的联系，和以期为本区域的气体地球化学监测及防震减灾相关工作提供科学依据。

1.   研究区概况和研究方法

汤阴地堑位于太行山隆起区与华北平原沉降区的交接部位（图1），是太行山隆起和内黄隆起间的一个北东向凹陷，其东西边界分别受汤东和汤西断裂控制，南北分别以新商断裂和安阳断裂为界。受NNE−NE向断裂控制，新构造时期形成北东向地堑，基底为三叠系地层，主要发育于古近纪，最大沉积厚度达2500 m；新近纪以后，地层在整体下沉的基础上，具继承性下降的趋势，最大沉积厚度约800 m，其中第四系沉积厚度较薄（中国地震局地球物理勘探中心，2016）。汤阴地堑及其两侧的地层岩性和沉积层厚度差别巨大，西部太行山区，地表主要出露地层为太古界、元古界震旦系、古生界寒武系、奥陶系、石炭系和二叠系，局部为中生界地层；东部丘陵及平原区，主要出露地层为新近系和第四系（刘保金等，2012）。

图  1  汤阴地堑地质构造及监测点分布图

F₁：汤西断裂；F₂：汤中断裂；F₃：汤东断裂；F₄：新商断裂；F₅：盘古寺断裂；F₆：凤凰岭断裂；F₇：朱营断裂；F₈：薄壁断裂；F₉：九里山断裂；F₁₀：百泉断裂，下同。底图引自中国地震局地球物理勘探中心（2016）

Figure  1.  Geological map and sampled points plot of Tangyin graben

F₁：Tangxi fault；F₂：Tangzhong fault；F₃：Tangdong fault；F₄：Xinshang fault；F₅：Pangusi fault；F₆：Fenghuangling fault； F₇：Zhuying fault；F₈：Bobi fault；F₉：Jiulishan fault；F₁₀：Baiquan fault，the same below. Modified after Geophysical Exploration Center，China Earthquake Administration （2016）

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新乡市活断层探测资料表明（中国地震局地球物理勘探中心，2016），研究区内主要断裂带为：汤西断裂带、汤中断裂带、汤东断裂带以及新商断裂带，除汤西断裂带有局部露头之外，其余均为隐伏型断裂。其中：汤西断裂带是一条走向NNE、倾向SE的高角度正断层在研究区内卫辉市西代村十里河桥下有出露，该处槽探结果表明其最新活动时代为中更新世，在隐伏区的浅层人工地震显示其可分辨的上断点埋深为65—200 m；汤中断裂带为汤阴地堑内部一条走向NNE、倾向SE的正断层。浅层人工地震探测结果表明该断裂可分辨的上断点埋深为135—180 m，其最新活动时代为早、中更新世；汤东断裂带为汤阴地堑东边界，是一条走向NNE、倾向NW的铲型正断裂。跨断层联合钻孔结果表明上断点埋深为77—103 m，最新活动时代为晚更新世早期。此外，深地震反射剖面表明，汤东断裂带下方存在一条高角度断裂带，其切割了岩石圈底界，属于岩石圈尺度的深大断裂，存在大地震发生的构造背景。344年卫辉东M6、1737年封丘M5${\raise0.5ex\hbox{$\scriptstyle 1$}\kern-0.1em/\kern-0.15em\lower0.25ex\hbox{$\scriptstyle 2$}}$、1814年汤阴M5${\raise0.5ex\hbox{$\scriptstyle 1$}\kern-0.1em/\kern-0.15em\lower0.25ex\hbox{$\scriptstyle 2$}} $及2008年封丘M_L4.8等地震活动均与汤阴地堑边界断裂活动密切相关。

在汤阴地堑南部布设土壤气观测网格，测点间距约1.5 km，共计布设观测点380个（图1）。采用野外流动观测的方法于2019年3月底至4月底进行土壤Rn浓度测量。野外观测时段研究区气象条件相对稳定，新乡市辖区平均气温为13.1—18.8℃ ，降水量为11.7—60 mm，观测期间避开降雨时段，以减小降水对观测结果的影响。测量前按照仪器维护要求进行校准，全部测点使用同一台测氡仪（Alpha GUARD P2000）观测，仪器灵敏度为50 cpm/（kBq·m⁻³），仪器校准误差小于3%。测量时先用钢钎在测点并列打两个深度约为80 cm的钻孔，将气体取样器置于孔内，封住孔口，用硅胶管连接测氡仪，现场测定Rn浓度。由于土层气体释放不稳定，监测过程中观测数据不断变化，因此在每个测点（15分钟内）进行10次Rn数据观测。在数据分析处理时取后8个观测数据的平均值作为观测值并用ArcGIS10.2，EXCEL和SPSS13.0软件对数据进行统计分析处理，不同断裂带间Rn浓度的比较采用方差分析。

2.   结果与分析

2.1   土壤Rn浓度及其异常阈值

汤阴地堑南部380个土壤Rn观测数据统计分析结果如表1所示。可以看出Rn浓度介于3.09—78.54 kBq/m³，且Rn浓度主要分布于19.10—35.56 kBq/m³。Q-Q （分位数）图分析结果表明（图2），全部观测数据可分为3部分，其中，B部分为气体活动背景，C部分为高于背景的异常值，Rn浓度异常阈值下限为48.40 kBq/m³，背景均值（B部分平均值）为27.22 kBq/m³。A，B和C数据占比分别为5.5%，87.7% 和6.8%。其中，Rn浓度小于10 kBq/m³的低值异常测点，一半以上分布在断裂带及其附近，受断裂破碎带的影响，Rn浓度被大气稀释，浓度降低；而另外一部分低值异常数据主要分布在研究区东部的非断裂带区域，可能受到表层土壤湿度的影响（此部分测点地表大气湿度显著高于其它测点），表层土壤孔隙部分被水分封闭，气体逸出性降低，使原本属于低值背景的测点偏离低值背景。

表  1  汤阴地堑南部土壤Rn浓度分布特征

Table  1.  The soil radon concentration statistical characteristics of southern Tangyin graben

	测点数	最大值 /（kBq·m−3）	最小值 /（kBq·m−3）	平均值 /（kBq·m−3）	中值 /（kBq·m−3）	下四分位 /（kBq·m−3）	上四分位 /（kBq·m−3）	标准差 /（kBq·m−3）	背景值 /（kBq·m−3）	异常阈值 /（kBq·m−3）	异常 衬度
全部测点	380	78.54	3.09	28.27	27.15	19.10	35.56	12.96	27.22	48.40	2.13
西部测点	111	67.61	3.09	34.11	33.76	24.16	43.55	14.41	33.36	58.51	1.92
东部测点	269	78.54	4.88	25.86	25.18	18.20	32.69	11.50	25.40	44.59	2.11
汤西断裂	36	58.58	7.19	32.85	31.88	25.75	41.85	12.02	32.96	54.80	1.72
汤中断裂	43	51.91	7.88	26.43	24.93	19.78	30.41	11.13	26.59	46.87	1.89
汤东断裂	68	71.40	7.16	23.28	22.58	14.34	29.19	11.80	22.38	38.64	2.38

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图  2  汤阴地堑南部的土壤Rn分布Q-Q图

Figure  2.  The Q-Q plots of soil radon concentration in southern Tangyin graben

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2.2   土壤Rn空间分布及主要断裂的异常衬度

土壤Rn浓度空间分布如图3所示，可以看出，Rn浓度大于异常阈值下限的测点主要分布于西部覆盖层较薄的区域，其次主要分布于汤中断裂与汤东断裂及其邻近区域。以第四系等厚线为依据将研究区划分为西部（等厚线≤50 m）和东部（等厚线＞50 m）两个区域，以分析地质条件对观测结果的影响，其分区统计结果列于表1。由于分区测点Rn浓度与沿断裂带测点Rn浓度均符合正态分布，因此采用平均值加2倍均方差的方法确定Rn浓度异常值，将去除异常值与低背景值（图2中A部分）后的平均值作为背景值。西部测点Rn浓度介于3.09—67.61 kBq/m³，背景均值为33.36 kBq/m³。从图3还可以看出，有近1/3的大于异常阈值的测点分布于汤西断裂带邻近区域，其余测点则呈斑块状分布于断裂带外围，汤西断裂对Rn浓度分布的约束能力在一定程度上被较高的背景所掩盖。东部测点Rn浓度介于4.88—78.54 kBq/m³，背景均值为25.40 kBq/m³。Rn浓度大于异常阈值的测点主要沿汤中断裂、汤东断裂以及新商断裂分布，构造对气体高值异常点的分布具有重要的控制作用。此外，在东部地区还有部分大于异常阈值的测点分布于断裂带外围，这些测点和汤中、汤东断裂附近的部分测点组成与第四系等厚线近似平行的异常条带，推测在此区域存在NE向隐伏断裂。综合分析两个区域的土壤Rn分布特征，其背景均值、异常阈值下限等均呈自西向东递减的变化趋势，且东部地区的高值异常主要沿断裂带分布。结果表明，研究区内自西向东随着覆盖层厚度的增加，由覆盖层厚度较薄导致的岩层出露对土壤Rn浓度的影响逐步减弱，而断裂构造对气体含量高值的控制作用逐步增强。

图  3  汤阴地堑土壤Rn浓度空间分布

Figure  3.  The spatial distribution plot of soil radon concentration in Tangyin graben

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沿断裂带走向，以断裂带为中心，选取东西两侧各1.5 km范围内的测点的Rn浓度，计算气体异常衬度（大于异常阈值测点Rn浓度的平均值与背景均值的比值），来进一步考察各主要断裂带Rn的异常程度。统计分析结果列于表1。研究区内三条主要断裂的异常衬度表现为汤东（2.38）大于汤西（1.72）、汤中（1.89），表明汤东断裂带Rn浓度异常程度最高，这与汤东断裂是晚更新世以来的活动断裂，且在其下方存在一条高角度、切割了岩石圈底界的深大断裂的构造背景相吻合。

2.3   土壤Rn浓度地统计分析

运用ArcGIS10.2地统计分析模块，采用径向基函数规则样条空间插值方法进行地统计分析，生成Rn浓度空间等值线图（图4）。由图4可见，研究区西部一部分等值线高值中心走向与汤西断裂带走向一致，另一部分高值中心受到出露地层的影响在断裂带外围呈斑块状分布。在研究区中东部地区，等值线高值中心连线分布规律表现为两类：① 高值中心连线与断裂带（汤中、汤东等）走向基本一致，反映出断裂构造对土壤气释放的控制作用；② 在新乡市与卫辉市之间，高值中心连线与第四系等厚线近似平行，推测此区域应该存在一条规模较大的隐伏断裂。至于该隐伏断裂存在的合理性在其它方面也有据可循：① 从地质构造图（图1）可以看出，异常条带所在区域第四系等厚线较密集、梯度较大，表明第四系地层厚度变化较剧烈，可能存在断裂构造活动；② 在研究区及其邻近区域，历史上共发生M6地震两次，分别为公元344年12月的卫辉东和1587年4月的修武东地震，两次地震分别位于Rn异常条带两端，距离研究区边缘分别为5和15 km，两次地震震中连线与异常条带近乎完全重合，地震活动或许与推测隐伏断裂有关；③ 从构造应力场方面进行分析，研究区存在出现NE-SW向次级断裂的力学基础。研究区及其附近中小地震震源机制力轴张量反演结果（中国地震局地球物理勘探中心，2016）表明，该区域的最大与最小主应力方位角分别为77°和163°，且最大和最小应力轴接近水平构造应力场。在此构造应力作用下，NNE 向的汤西断裂、汤东断裂发生右旋走滑变形，在地堑内部必然产生近NS 向的拉分作用，从而在新乡与卫辉之间易发生ENE 向张性走滑构造变形。

图  4  汤阴地堑南部土壤Rn空间等值线及结果解释

Figure  4.  The contours map of soil Rn concentration and geophysical interpretation for southern Tangyin graben

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3.   讨论与结论

3.1   Rn浓度空间差异

土壤Rn浓度不仅与构造密切相关而且受到沉积层厚度及岩石、土壤放射性物质含量的影响。本文的监测结果表明，在汤阴地堑西部、东部土壤Rn浓度存在显著差异，西部Rn浓度显著高于东部（P＜0.01）。这种差异与研究区地质背景密切相关，研究区西部处于太行山隆起与汤阴地堑交接的过渡部位，第四系覆盖层厚度较薄，寒武系和奥陶系灰岩大面积出露，与西部毗邻的太行山山前的前寒武系地层中片岩、片麻岩、麻粒岩、混合花岗岩等不同程度的变质岩广泛分布，局部地区零星出露新生代岩浆岩。Choubey等（1999）在加瓦尔喜马拉雅的研究表明，土壤Rn浓度受岩石、构造、铀含量以及土壤厚度等因素的控制，其中Rn浓度和铀含量之间呈显著正相关关系。Kumar等（2017）的研究也表明，Rn浓度与活动断裂的位置密切相关，且Rn的析出率与土壤镭含量以及土壤孔隙度显著正相关。土壤Rn主要来源于铀、钍等放射性物质衰变。岩石类型及分布是评估Rn浓度的重要影响因素（Choubey et al，1999）。通常，铀、镭、钾等放射性物质在三大岩类中的含量依次为岩浆岩＞变质岩＞沉积岩（Barnet et al，2018；Giustini et al，2019），土壤Rn含量在花岗岩、变质岩地区最高，而在沉积岩地区较低，Rn含量与铀含量显著正相关（Ramola et al，2006）。研究区西部及其毗邻地区大面积出露的沉积岩及变质岩中放射性物质衰变产生的Rn通过岩石裂隙或覆盖的土壤层孔隙以扩散和平流迁移的方式直接向地表释放，从而造成在西部浅覆盖地区土壤Rn高值不仅沿断裂带分布，还受覆盖层不连续的影响，在断裂带外围呈斑块状分布，从而造成了土壤Rn浓度背景值的整体抬升。同时，西部土壤Rn浓度的分布特征还受到人类活动的影响。奥陶系灰岩广泛出露的自然背景，为石料开采提供了便利条件。在研究区西部存在不同规模的采石场（图4），在灰岩的开采过程中，爆破作业使周围基岩产生大量裂隙，增加了薄覆盖层下伏岩层的渗透性，为Rn的运移提供了通道，从而使采石场周围的土壤Rn浓度呈现斑块状高值。

东部地区是汤阴地堑主体发育区，在新构造运动的作用下，在三叠系基底的基础上沉积了最大厚度达2500 m的古近系地层；而新近纪以后，在整体下沉的基础上，保持继承性下降的趋势，最大沉积厚度达800 m，其中第四系厚度普遍在100 m以上。巨厚的沉积层抑制了Rn的逸散，而断裂构造的存在大大增加了岩层的渗透性，为Rn释放提供了有利条件，从而造成在中东部地区土壤Rn浓度一部分高值点基本沿着汤中断裂、汤东断裂以及新商断裂等构造带分布，另一部分高值点与第四系等厚线近似平行的格局。Choubey等（2007）在喜马拉雅构造活动区分析岩石和断裂构造对土壤Rn浓度的影响时也得出，在变质程度较低的岩石类型中，在无断裂构造影响下，土壤Rn浓度相对较低；而在石英岩（控制铀的矿化）伴随花岗岩侵入地区，在深部断裂的作用下土壤Rn的浓度达到最高。

3.2   断裂构造与土壤Rn浓度

断裂带的存在增强了岩层及土壤的渗透性，为地下不同来源气体的迁移提供了良好的通道。岩石破裂实验显示，在应力作用下，随着宏观裂隙的发展，为岩石Rn析出不断提供新的表面，使观测Rn浓度显著增加（Tuccimei et al，2010；Mollo et al，2011）。断层气观测实践表明，在断裂带附近可观测到土壤Rn等气体组分浓度异常（Fu et al，2005；Kumar et al，2017；Yuce et al，2017），断裂构造对土壤Rn释放具有重要的控制作用。本文观测结果也表明，在断裂带附近均出现了土壤Rn高值异常，等值线空间分布也显示，断裂带走向与高值中心点连线走向基本一致，显示了断裂带对土壤气释放的支配作用。“新乡市活断层探测与地震危险性评价”项目在本次土壤气监测区内布设的浅层人工地震测线（图4，5）（中国地震局地球物理勘探中心，2016）。对比分析表明，在研究区中东部地区气体高值中心与人工地震显示的断点之间有较好的对应关系，但个别断点或断裂带附近Rn浓度值较低，这可能是断裂带局部地段受到大气的稀释作用，或者是由右旋走滑的构造变形使破裂面局部被断层泥等细粒物质胶结闭合，气体不易逸散所致。从人工地震勘探与气体监测结果的角度分析，中东部地区Rn浓度高值与主断裂、次级断裂或者推测隐伏断裂之间联系密切。

图  5  浅层人工地震剖面Ⅱ（a）和Ⅲ（b）解释断点

Figure  5.  Interpretation of faults located on shallow artificial seismic profiles Ⅱ （a） and Ⅲ （b）

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从研究区内各主要断裂带土壤Rn释放强度来看，汤西断裂Rn浓度显著高于汤东断裂（P＜0.05），Rn浓度平均值、背景均值均表现为汤西断裂＞汤中断裂＞汤东断裂。但仅仅从断裂带气体浓度值来评估气体构造活动性往往存在一定的局限性，Rn浓度值不仅受到断裂构造的控制，还受到Rn释放源、岩层的物理属性、气象条件以及人类活动等因素的综合影响，采用Rn浓度相对值（衬度）来评价断裂带的气体构造活动程度更为合理，评价结果可用于不同断裂之间活动性的对比。Rn浓度衬度结果表明汤东断裂带的气体异常衬度最高，汤西断裂带较低，且整个汤阴地堑南部气体异常衬度东部高于西部。此现象是汤阴地堑南部构造活动背景的反映。“新乡市活断层探测与地震危险性评价”（中国地震局地球物理勘探中心，2016）的探测结果表明，汤东断裂带上浅层人工地震显示的主断裂断点F_P27，F_X9，F_P16 （图4，5）均错断中更新世底界，相应的上断点埋深分别约为90，110和90 m。而断点F_P13错断晚更新世底界地层，相应的上断点埋深约为50 m。该断裂带上的两条跨断层联合钻孔（图4）结果表明，南部张河村剖面主断裂错断层位为中更新统第4段底界，上断点埋深为103 m。北部邢李庄剖面（图4）主断裂错断层位为上更新统第1段底界，上断点埋深为77 m。表明汤东断裂带最新活动时代为晚更新世早期。同时，深地震反射剖面（图4中Ⅵ剖面）反映的汤阴地堑南部深部孕震环境显示，汤东断裂下方存在一条高角度、切割了岩石圈底界的岩石圈尺度的深大断裂，汤西断裂与汤中断裂分别在8—10 km和5—6 km深度处收敛归并到汤东断裂上。而汤西断裂带上，西代村十里河桥下的断层出露处的探槽（图4）探测结果揭示，该处中更新统地层与汤西断裂呈断层接触，全新统覆盖于断裂之上，该断裂在中更新世有过活动。断裂南部（研究区之外）的浅层人工地震结果显示，汤西主断裂错断第四系底界，可分辨的上断点埋深约为75 m。汤中断裂带浅层人工地震表明，主断裂断点F_P23，F_E9 （图4，5）分别错断早更新世底界与第四系底界，上断点埋深分别约为145和180 m，表明汤中断裂带活动时代为早、中更新世。因此，从浅部构造展布和深部孕震环境来看，汤东断裂带规模大、埋藏深度小、切割深度深，其活动性最强，344年卫辉东M6地震震中位于该断裂带东部10 km处。汤东断裂下伏深大断裂的存在为深部来源气体的运移提供了良好通道，深部来源的Rn在载气（CO₂等）的作用下，长距离移动至地表释放，显示出较高的气体异常衬度。因此，土壤Rn异常衬度的空间分布特征是研究区地质构造背景的地球化学表现。

综上，汤阴地堑南部土壤Rn浓度，在研究区西部（以第四系等厚线50 m为界），受到岩石单元和人类石料开采活动的影响，Rn浓度背景值高于东部。在西部高浓度背景影响下，Rn浓度高值异常点除沿汤西断裂带分布外，还在断裂带外围呈斑块状分布，断裂带对气体释放的控制作用在一定程度上被掩盖。而东部地区，覆盖层较厚，Rn浓度背景值较低，部分高值异常点主要沿汤中、汤东断裂带分布，显示出构造对气体迁移的控制作用，另一部分高值异常点与第四系等厚线近似平行分布，推测此处存在一条规模较大的隐伏断裂。此外，从研究区主要断裂带Rn异常衬度来看，汤东断裂带高于汤西、汤中断裂带。综合分析研究区地质背景和深部孕震环境认为，Rn异常衬度的这一表现是汤阴地堑南部构造活动背景的反映。土壤Rn能有效用于汤东活动断裂带的构造活动监测，而对位于隆起区与沉降区过渡地带、局部出露于地表，且受人类活动影响较大的汤西断裂带要充分考虑环境背景的影响。