Study on the influence of local mountainous topography to fault dynamic rupture
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摘要: 基于曲线网格有限差分方法研究了垂直走滑断层在不同山体地形情况下的动力学破裂传播，分析并讨论了局部山体地形对断层破裂过程及相应地面地震动的影响，得到了各模型断层面的动力学破裂过程及相应的地表峰值速度特征。研究结果表明，山体地形尺度（山体高度及底部延展距离等）对断层动力学破裂过程影响较大，进而影响到相应的地面地震动分布。当山体地形处于自由地表上亚剪切向超剪切转换的位置附近时，山体地形会阻碍断层面上自由地表超剪切的产生。一般而言，对于具有一定埋深的断层，当山体地形底部延展距离一定时，山体高度越高，其对自由地表超剪切的阻碍程度越大；当山体高度一定时，地形底部延展距离越大，越会阻碍自由地表超剪切的产生，这种破裂过程的变化会导致相应地面地震动呈现不同特征的分布。此外，还探讨了断层破裂过程及相应地震动对成核区外初始剪切应力变化的响应，结果显示，当初始剪切应力较高时，高应力降引起的超剪切破裂会对断层破裂及相应的地震动分布起主导作用。Abstract: In this study, the curved grid finite-difference method was implemented to investigate the effect of local irregular topography on the dynamic rupture process of a vertical strike-slip fault and the resultant strong ground motions. The rupture propagation and ground motions were simulated with different irregular topography in a three-dimensional homogeneous half-space. Our results show that the scale of ridge topography including its height and bottom extension size has great impact on the dynamic rupture process, and then will affect the distribution of ground motions. The mountainous topography will obstruct the generation of super-shear induced by free surface when it is located near the subshear-to-supershear transition position on free surface. Generally, for the faults with a certain buried depth, with the same size of topography bottom extension, the higher the mountain height is, the stronger prevention it has on the generation of super-shear. In addition, when the mountain height is fixed, the larger extension of mountain bottom size has more obstacles to the generation of the super-shear induced by free surface. The variation of fault rupture process will make different distribution of ground motions. Furthermore, the response of dynamic rupture process and the corresponding ground motion to the change of initial shear stress outside the nucleation area was discussed. Our result shows that with the high initial shear stress, the super-shear induced by high stress drop also plays an important role in dynamic rupture and distribution of the resultant ground motion.
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引言
地震预测一直以来都是国际地震学的前沿问题。在各种地震预测指标中，地下深部流体在地震孕育与构造活动的反应较为灵敏，地下流体、土壤中的气Rn，CO2和Hg等的浓度会在地震前出现异常变化，由此可以获取到区域构造活动等信息（汪成民，1990；杜建国等，1997）。在此过程中，地下深部气体会沿着断裂带通道向上运移，因此监测断裂带附近的土壤气浓度，可以判定断裂带的活动性，并对周边区域的地震危险性进行评价（杜建国，康春丽，2000；刘耀炜等，2006）。Guerra 和Lombardi （2001）在意大利西南部的Pisticc进行断层土壤气浓度分析时发现，土壤气浓度的空间分布特征与断层构造类型有关，活动断层上的土壤气逸出量相对较大，而且当区域地震活动水平较高时土壤气的逸出量也会增加；Zhou等（2010）在汶川地震破裂区跨龙门山断裂带测量土壤气浓度，其结果显示Rn，Hg和CO2的浓度在该断裂带的南段与北段明显不同，由此推测断层土壤气浓度的变化与区域地震活动性及构造应力场有关，即随着地震活动的增强，断裂带气体释放的路径得以扩展，有利于气体向上迁移，而地震活动较弱或者封闭的断裂阻碍了深部气体向地表运移；刘雷等（2012）在玉树地震后进行断裂带土壤气Hg等相关气体的连续观测，其结果表明地震前后震区应力场的改变使得断裂带释放的气体含量发生改变，进而导致区域内土壤气的地球化学特征发生变化。以上研究表明断层气监测对研究断裂活动具有重要参考意义。在构造地球化学测量中，在斯洛文尼亚的Raven断裂和我国的夏垫隐伏断裂、石亭江等地区隐伏断裂附近也观测到土壤气浓度的显著变化（张晚霞等，1995；刘晓辉，童纯菡，2009；Tawfiq，Jaleel，2015）。因此，在断裂带附近开展土壤气测量不仅对判定断裂带活动性及区域地震危险性具有重要意义，还可为探寻隐伏断裂提供相关地球化学依据。
延怀盆地位于张家口—渤海地震带与山西地震带的交会处，断层活动明显。目前该区域在测震学、跨断层水准、GPS速度场等多方面存在异常①。根据已有地震记录，截止到2020年该区域发生M6以上地震4次，M4以上地震29次，1937年至1967年先后发生8次M5以上地震，几乎每年都有有感地震发生。以往该区域的土壤气地球化学测量和跨断层测量结果均表明该区土壤气组分（Rn，CO2等）的浓度异常分布与断裂位置及地震活动性有较好的对应（李营等，2009；盛艳蕊等，2015），但在已有的断裂气体研究中，并未分析土壤中其它相关元素的浓度（或含量）是否影响了气体浓度。为使研究更加全面，本文拟对怀涿盆地北缘断裂开展气体地球化学跟踪测量，同时与区域土壤Hg （total mercury，简称为THg） 浓度进行对比分析，判定气体来源，并结合以往地质学研究成果及断裂周边地震活动性来确定怀涿盆地北缘断裂南西段和北东段的土壤气空间分布特征及其构造意义，进而研究断裂活动性，寻找断裂带的可能活动地段，以期为地震危险性分析和震情判定提供地球化学依据。
1. 区域地震地质背景
怀涿盆地位于中朝准地台燕山台褶带西段的宣龙复式向斜内，在区域构造上处于内蒙地轴南缘东西向构造岩浆岩带上的尚义—赤城—平泉断裂带与太行山NNE向构造岩浆岩带的上黄旗—乌龙沟断裂带相交区域内。在这两个断裂带的影响下，怀涿盆地总体呈NE−SW向展布的不规则长条形，盆地内断裂构造十分发育，按其产状可分为ENE向、NE向、近NS向和NW向等四组（图1），其中ENE向和NE向断裂构造多在燕山期形成，主要分布在北部基岩山区的南缘，断裂规模较大，很大程度上控制了怀涿盆地的形成（冉洪流，周本刚，2004）。
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图 1 怀涿盆地周边地区断裂与破坏性地震分布图（引自冉志杰等，2019）Figure 1. Distribution map of faults and destructive earthquakes around Huaizhuo basin （after Ran et al，2019）如图1所示，怀涿盆地的西北边界断裂—怀涿盆地北缘断裂北起怀来东北角的杏林堡，沿西南方向经西洪站、小水峪、青山村、郝家坡，终止于长疃一带，全长58 km，走向NE，倾向SE，倾角50°—75°，为倾滑正断性质，由五个破裂段组成（徐锡伟等，2002）。该断裂两盘的地貌反差明显，总断距约3 000 m，晚更新世以来的垂直断距约34 m。陈绍绪等（2003）利用大地水准测量资料分析晋冀蒙交界地区13条主要断裂的活动状态，其结果显示：1983—1992年怀涿盆地北缘断裂的平均速率超过2 mm/a，高于该区域其它活动断裂的滑动速率，活动性相对较强。怀涿盆地北缘断裂沿线不同时期的冲洪积扇或冲沟阶地面上发育高矮不等的断层陡坎、基岩断层三角面等断错地貌现象，表明该断裂是一条晚更新世—全新世活动断层，该断裂历史上发生过多次M5地震（谢富仁等，2007；Al-Hilal，Al-Ali，2010）。
2. 测量方法
2020—2021年期间在怀涿盆地北缘断裂开展了四期跨断层土壤气Rn，CO2和Hg浓度的原位重复测量。依据前人研究结果及野外地质考察，同时考虑测量时气象（气温，气压，降雨量）、土壤（温度、湿度）等因素的影响（Iskandar et al，2004），将测量剖面布设在断裂带南西段郝家坡村和北东段小水峪村，便于观测断裂不同区段的活动性。郝家坡、小水峪剖面野外露头明显，郝家坡剖面上盘的位移差为1 m左右，小水峪剖面上盘的位移差为0.7 m左右。每个剖面布置一条测线，在断层面附近测点间距为5 m，远离断层面测点间距加大至30—40 m （图2），当测到高值异常点时，进行加密观测。测量前利用土壤湿度计进行检测，确保两剖面的土壤湿度差小于10%。郝家坡剖面在2020年6月的测点为16个，其它三期测量的测点均为15个，测线长度为290 m；小水峪剖面在每期的测点均为15个，测线长度为290 m。
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图 2 剖面土壤气浓度测点分布示意图 （单位：m）Figure 2. Distribution of soil gas concentration measuring points （ unit：m ）测量过程如下：每个测点用钢钎打一个导向眼插入取样器，深度约80 cm，孔径约30 mm。用橡皮管连接气泵与取样器，排出橡皮管内和取样器内的残留气体，之后采集气体样品。令流速为1.0 L/min，抽气时间为2 min，取样体积为2 L，Rn采用AlphaGUARD P2000测氡仪进行测量，该仪器携带方便、操作简单。仪器测量范围：Rn浓度为2—2×106 Bq/m3，每个氡样的测量间隔为1 min，记录15个数据，在测量每个氡样后对测氡仪进行净化；CO2采用GXH-3010E型便携式红外线CO2分析仪（北京华云仪器）进行测量；Hg采用杭州超距测汞仪进行测量，仪器标定误差为3 %，检测下限为1 ng/m3，测量时长为10 min。上述仪器的标定误差均小于10%。测量前进行同点位的空气组分浓度测量，以保证测量数据的有效性。
3. 测量结果
怀涿盆地北缘断裂南西段的郝家坡剖面和北东段小水峪坡面121个土壤气Rn，CO2和Hg浓度测点的测量结果显示，土壤气测值均高于空气中相应组分的浓度（Rn：10 Bq/m3，CO2：0.03%，Hg：6 ng/m3），表明测量结果有效。在进行数据分析前，首先对土壤气体测量数据通过SPSS （Statistical Product Service Solutions）软件进行K-S检验，对于不符合正态分布的数据予以剔除，其次将土壤气测量数据的平均值与其2倍标准差之和作为异常下限计算法则来进行异常下限的计算。
郝家坡剖面和小水峪剖面的土壤气体浓度测量结果详见表1，土壤气体浓度的变化情况如图3和图4所示。从其中初步分析归纳出以下特征：
表 1 怀涿盆地北缘断裂南西段和北东段土壤气测量结果统计表Table 1. Statistics on soil gas measurement results in the southwest and northeast sections of the north margin fault of Huaizhuo basin剖面 测量
年月Rn浓度/（Bq·m−3） CO2浓度/% Hg浓度/（ng·L−1） 变化范围 平均值 标准差 异常
下限变化范围 平均
值标准
差异常
下限变化范围 平均
值标准
差异常
下限郝
家
坡2020-06 2 794—11 151 5 515.56 1 899.31 9 314.17 0.18—0.81 0.37 0.18 0.73 13.24—31.82 19.82 4.82 29.45 2020-09 3 286—15 608 8 166.87 3 287.19 14 741.25 0.54—2.86 1.26 0.64 2.55 6.40—10.14 8.74 1.07 10.88 2021-05 5 000—13 000 9 633.34 2 418.58 14 470.49 0.20—1.00 0.58 0.21 1.00 6.50—13.00 8.24 1.79 11.82 2021-09 6 100—17 675 10 168.87 3 234.12 16 637.11 0.64—2.62 1.21 0.58 2.37 7.80—20.60 10.49 3.40 17.28 小
水
峪2020-06 1 020—3 831 2 271.80 1 011.91 4 295.62 0.06—0.46 0.22 0.12 0.47 6.54—35.65 14.97 7.00 28.96 2020-09 1 247—6 796 3 345.40 1 525.84 6 397.08 0.22—1.03 0.58 0.25 1.08 6.07—9.95 8.29 0.94 10.17 2021-05 1 010—4 500 2 730.00 1 177.08 5 084.16 0.29—0.64 0.41 0.13 0.65 9.00—63.00 31.40 17.89 67.17 2021-09 1 400—4348 2 905.53 1 043.05 4 991.64 0.31—0.64 0.49 0.10 0.69 7.76—13.00 9.67 1.53 12.73 ![]()
图 3 郝家坡剖面土壤气浓度分布特征Figure 3. Distribution characteristics of soil gas concentration in Haojiapo profile1） Rn，CO2和Hg浓度高值分布在断裂带附近，对断裂浅层位置有一定的指示作用，其中Rn和CO2的指示作用较为明显；
2） 断裂带土壤气Rn和CO2浓度变化具有很好的相关性，四期测量中Rn和CO2浓度的时空分布曲线较为一致；
3） 郝家坡剖面土壤气Rn，CO2和Hg的浓度平均值明显大于小水峪剖面；
4） Rn，CO2和Hg的浓度呈明显的季节变化特征。
4. 分析与讨论
4.1 土壤气地球化学特征
断裂带气体异常变化通常能反映地壳的应力应变特征，即在构造应力作用下，岩层发生构造变形，地球内部气体沿着断裂及伴生裂隙等地壳薄弱地带逸散到大气中，从而造成地表土壤层中气体组分浓度异常（周晓成等，2012）。郝家坡剖面Rn浓度与CO2浓度的空间分布曲线如图3和图4所示，可以看出两曲线一致性较好，相关系数为0.732，具有明显的相关性；小水峪剖面Rn浓度与CO2浓度的空间分布曲线一致性相对较差，相关系数仅为0.486；两种气体的异常浓度高值点主要分布在断裂带附近。断层面由中间向两侧依次分布着断层泥、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所产生的裂隙向地表运移（Etiope，Martinelli，2002），因此，在断裂带附近气体浓度相对较高。郝家坡剖面的测量数据结果表明，断裂两侧均出现高值异常，可能是由于该断裂西段活动性强，产生的裂隙较多，为气体向上迁移提供了通道。土壤气浓度测量易受土壤类型、气象因素和人为因素等影响（Irwin，Barnes，1980），其中每期测量的气象因素相对变化不大，有效地降低了气象因素对断层土壤气测量的影响。在构造活动区，土壤气中的CO2除源于构造活动外，还源于碳酸盐岩分解、有机质氧化以及微生物、植物的呼吸作用等（李营等，2009）。由图3和图4可见：每年第二期的CO2测量浓度明显高于当年第一期，每年第一期测量时间为5月底至6月初，第二期测量时间为9月份，两期测量的气象因素较为一致，所用仪器及参数、测量人员和测点位置均未改变，数据具有可靠性。测线周边植被发育，9月份测量时周边植被明显繁密，因此，二期高值可能是受植物呼吸作用、有机物分解和生物活动等影响所致。郝家坡剖面的CO2浓度相对小水峪剖面变化较大，可能与该剖面植被较为发育有关，因此两剖面测量结果的差异可能是季节性因素所致。Rn浓度相对变化较小，可能因为Rn的化学性质不活泼，为惰性气体，所以受干扰影响较小（Etiope，Martinelli，2002），依此看来该区域的Rn浓度能够较好地反映断裂活动信息。
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图 4 小水峪剖面土壤气浓度分布特征Figure 4. Distribution characteristics of soil gas concentration in Xiaoshuiyu profile通过观测断裂带附近土壤中Hg浓度的变化，可了解断裂活动状况以及地壳内部应力应变状态等（Zhang et al，2014；Yang et al，2015）。刘晓辉等（2009）关于成都平原西部土壤Hg异常来源的研究表明，地下深部Hg物质通过断裂等通道容易被运移至地表，即土壤气中所测的Hg有的来自第四纪地层以下深度。处于断裂深部的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各种因素的影响；而大气中的Hg也可以通过降水进入土壤，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，申春生，1992；周晓成等，2007），这使得土壤气Hg浓度出现空间分布不均匀的现象。张磊等（2019）对安宁河断裂地表破裂带土壤Hg、总有机碳、主量元素的含量进行研究，其结果表明土壤Hg与土壤气Hg浓度的峰值位置较为一致，表明两者之间具有一定的关系。为更好地分析土壤气Hg来源及分布特征，本研究收集该区域2018年的土壤THg浓度数据和Hg浓度数据进行对比分析，结果如图5和图6所示。可见：深层与表层土壤THg浓度的高值异常点主要沿断裂带及断裂交会处分布；浅层土壤THg浓度的高值异常点可能受周边工厂大气Hg排放沉降及农药、肥料及微生物活动影响所致（王荔娟，胡恭任，2007；吴婷婷等，2017）。至于深层THg浓度，郝家坡剖面较高于小水峪剖面，而对于表层THg浓度，郝家坡剖面远大于小水峪剖面，表明郝家坡剖面周边土壤表层的THg浓度受环境影响明显，小水峪剖面的环境污染及人为因素的干扰相对较小。将图5和图6与图3和图4相结合可以看出，第三期THg浓度高值异常与地壳深部来源有关，出现异常高值变化可能与6月以来张家口—渤海地震带的地震活动水平升高有关；郝家坡剖面距离县城较近，周边工厂释放的Hg源导致该区域的Hg浓度背景值较高，且第一期测量时间在6月份，一定程度上也会受到周围农田施肥等因素的影响，因此第一期异常值受环境影响的可能性较大。
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图 5 怀涿盆地土壤深层Hg （深度2 m）浓度分布图Figure 5. Distribution of Hg （2 m depth） content in deep soil layer of Huaizhuo basin![]()
图 6 怀涿盆地土壤表层Hg浓度分布图Figure 6. Distribution of Hg content in shallow soil layer of Huaizhuo basin李营等（2009）在延怀盆地开展的区域气体地球化学研究表明，该区域土壤气Rn，CO2和Hg浓度的平均值分别为8 105.8 Bq/m3，0.396%和9.7 ng/m3，而本研究中郝家坡剖面四期测量的Rn，CO2和Hg浓度均高于该区域平均值，小水峪剖面的CO2和Hg浓度高于该区域平均值。小水峪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，断层附近气体浓度变化明显（图4）；郝家坡剖面断层两侧出现浓度高值异常点（图3），可能与断层周边裂隙较为发育有一定的相关性（Mahajan et al，2010）。对于同一条断裂而言，不同地段所处的应力环境不同，其活动性会表现出差异，因而造成断裂土壤气体的运移（Walia et al，2009）。从空间分布特征来看，郝家坡剖面浓度高于小水峪剖面浓度（图7），可能与怀涿盆地北缘断裂各段的活动强度和破碎程度不一致有关。断裂破碎程度的强弱改变了岩层及土壤的渗透性，而且众多研究已表明，岩层的破碎程度决定了断裂带附近气体浓度的异常程度，从而导致断裂不同位置的土壤气浓度有所差异（Seminsky，Bobrov，2009；Kumar et al，2017；Yuce et al，2017）。因此，通过分析剖面上气体浓度的空间分布特征能够判定断裂带的破碎程度，两剖面气体释放强度的差异性可通过计算释放强度KQ来分析（Ioannides et al，2003）。KQ为中部测点浓度平均值与两端测点平均值之比，选取距离断点100 m范围内的测点数据计算中部测点平均值，选取距离断点100 m范围以外的测点数据计算两端测点平均值。南西段郝家坡剖面上Rn，CO2和Hg的释放强度KQ分别为1.14，1.26和1.61，北东段小水峪剖面上相应的释放强度KQ分别为1.08，0.78和1.53 （表2），郝家坡剖面与小水峪剖面所处的地质环境、断裂带两侧土壤性质及测量时土壤湿度基本一致。据前人研究表明，该断裂带在几何形态上被划分为五段，小水峪剖面位于XH段，晚更新世以来该段的断层活动水平相对较弱；郝家坡剖面位于SC段，晚更新世以来该段的断层活动增强（冉勇康等，1992）。结合释放强度分析认为南西段郝家坡剖面断裂带的破碎程度较强于北东段小水峪剖面。综合分析认为，两个剖面的破碎程度不同是造成土壤气空间分布差异的主要因素，同一断层不同区段的构造活动性造成了气体浓度空间分布的差异性。
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图 7 怀涿盆地北缘断裂土壤气时空分布图底图DEM地形数据来自NASA提供的SRTM数据Figure 7. Spatio-temporal distribution of soil gases in the north margin fault of Huaizhuo basinBottom DEM topographic datas from SRTM datas provided by NASA表 2 怀涿盆地北缘断裂带南西段和北东段土壤气释放强度$K_Q $ Table 2. Soil gas release intensity KQ in the southwest and northeast segments of the north margin fault of Huaizhuo basinRn浓度平均值/（Bq·m−3） Rn浓度
的KQCO2浓度平均值 CO2含量
的KQHg浓度平均值/（ng·L−1） Hg浓度
的KQ剖面 中部测点 两端测点 中部测点 两端测点 中部测点 两端测点 郝家坡 8 666.88 7 616.16 1.14 0.28% 0.23% 1.26 18.42 11.51 1.61 小水峪 2 876.27 2 639.69 1.08 0.11% 0.14% 0.78 18.00 11.69 1.53 4.2 土壤气浓度与断裂活动性初步分析
研究土壤气体的逸出水平主要为判定断层活动性，一般情况下，同一断层土壤气释放较强的地区，其断层活动性较强，反之则弱（孟广魁等，1997；耿杰，2020），而土壤气浓度同时与区域应力应变、岩石渗透性密切的相关（陈绍绪等，2003；Koike et al，2014a；Kobeissi et al，2015）。Ioannides等（2003）在希腊北部和西北部的五个活动断层现场监测了土壤气Rn剖面，其结果表明，Rn沿断层带的空间分布异常特征明显与当地构造有关；Koike等（2014b）在日本西部的七条活动断层上进行Rn浓度研究，其结果显示，岩层孔隙压力受活动断裂应力应变积累发生改变，而这一定程度上会以Rn浓度的异常表现出来。
目前利用土壤气Rn浓度判定断层活动性尚未形成统一的标准，因此本文利用异常衬度评价方法对怀涿盆地北缘断裂的未来活动性进行研究（张平安，2006；邵永新，2012；何超枫等，2016）。异常衬度通过C＝A/N来计算，其中C为异常衬度，A为异常区域内异常测值的平均值，N为正常区域内测量值的平均值，评价方法详见表3。对郝家坡和小水峪两剖面四期Rn测量数据进行异常衬度计算，得到郝家坡剖面和小水峪剖面的异常衬度分别为2.01和2.48，均处于2＜C＜5范围内，说明怀涿盆地北缘断裂在较近的地质年代曾发生过较强的活动，现今活动性较弱或不明显。
表 3 土壤气断裂活动性评价标准Table 3. Evaluation criteria of soil gas fracture activity异常衬度C 断层活动性评价 1＜C＜2 现今已基本停止活动 2≤C＜5 在较近的地质年代曾发生过较强活动，
现今活动较弱或活动不明显5≤C＜8 在较近的地质年代曾发生过较强活动，
现今仍具有较强的活动性C≥8 现今活动强烈 距离怀涿盆地北缘断裂带南16 km处有定点连续观测井（怀4井）。该井为地热自留井，其地质构造属于EW向阴山构造带内蒙古台背斜以南、NE向祁吕构造系与燕山沉降带的交会部位，井孔位于多条活动构造的交会部位，是用于地震观测的“穴位”。在活动断裂带和热泉区附近，深部循环较深，因此在此处富集的Hg更能反映来自深部的信息。以往研究表明：怀4井水化学含量的变化对其周围260 km范围内的M≥4.0地震具有一定指示（张凤秋等，2005）。因此，本次收集了怀4井2020—2021年的水Rn，CO2和Hg的连续观测资料进行对比分析，从数据（图8）上来看，水Hg和Rn资料近两年来变化相对较为平稳，未出现突跳及阶变等前兆异常变化，测值整体较低，CO2数据也符合正常年变规律，未出现异常变化。这与断裂带气体浓度分析结果较为一致，表明该区域的构造活动水平整体较低。
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图 8 怀4井水Rn，CO2及水Hg测项时序图Figure 8. Variation curve of contents of radon，carbon dioxide and mercury in water of Huai-4 well据古地震研究统计，沿怀涿盆地北缘断裂晚更新世以来共揭示了17次古地震事件，平均重复间隔约为3 300 a，断裂活动最强时期为晚更新世（冉勇康等，1992），断裂带及周边曾发生M5.0—5.9地震2次、M6.0—6.9地震1次。从地震目录数据统计来看，1970年以来该断裂带及其周边发生ML5.0以上地震1次，ML4.0以上地震8次。从近几年来看，2017—2018年该断裂带及其周边发生ML2.0以上地震11次，2019—2020年发生ML2.0以上地震8次，ML3.0以上地震1次，2021年1—9月发生ML2.0以上地震2次，ML3.0以上地震1次，断裂带及其周边地震活动水平较弱（图9）。这与断层土壤气Rn浓度异常衬度判定断裂活动性有较好的一致性，反映了土壤气浓度变化与地震活动性具有较好的相关性（Zhou et al，2010）。
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图 9 怀涿盆地周边地区现代地震空间分布图Figure 9. Spatial distribution of modern earthquakes around Huaizhuo basin5. 讨论与结论
本文对怀涿盆地北缘断裂南西段郝家坡剖面和北东段小水峪的土壤气Rn，CO2和Hg浓度的分布进行研究，通过野外测量和室内数据分析，得出以下结论：
1） 郝家坡剖面土壤气Rn，CO2和Hg的浓度平均值分别为8 371.16 Bq/m3，0.85%，14.82 ng/m3；小水峪剖面土壤气Rn，CO2和Hg的浓度平均值分别为2 813.18 Bq/m3，0.42%，13.08 ng/m3，说明郝家坡剖面土壤气释放浓度相对较强。结合两剖面释放强度KQ分析认为，该断裂带南西段和北东段的土壤气地球化学空间差异性特征可能与断裂活动有关。
2） 该区域土壤气浓度高值点主要分布于断裂附近，因此可以通过开展土壤气浓度测量来探测该区域隐伏断裂的浅层位置。
3） 通过对土壤气测量结果、周边定点台站水化学资料及近年来地震活动性对比分析认为，怀涿盆地北缘断裂以往发生过较强的活动，但其活动性目前相对较弱。
本文综合分析怀涿盆地北缘断裂带气体的地球化学时空分布特征与断裂活动关系，旨在为未来断裂活动监测和震情跟踪提供地球化学背景。本研究尚存在一些不足之处。由于土壤气浓度变化易受各种因素的影响，因此在未来进行土壤气背景研究时，应探讨野外断层气测量辅助设备、采样方式和环境等因素对测量结果的影响；同时为避免干扰因素的影响，应增加惰性气体（He，Ne，Ar）的测量，分析气体比值（He/Ne，He/Ar，Ne/Ar）变化，能更好地反映断裂气体地球化学特征。本文研究显示区域土壤THg浓度高值异常的分布趋势与断裂走向一致，这表明两者具有一定相关性。地球自身排气作用产生的Hg沿断裂向上运移至地表，形成地表土壤汞含量异常，断裂为来自地下深部的汞的迁移提供了有利条件，在迁移至地表后土壤THg与土壤气Hg的转化过程较为复杂，后续应对其转化机理进行深入分析，更好地发挥地球化学方法在地质构造中的作用。
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图 1 三维断层及地形模型 （a）与断层面所在垂直剖面 （b）示意图
蓝色矩形表示埋深为200 m的垂直走滑断层，黄色方形表示成核区，灰色区域表示包含吸收边界的高强度区
Figure 1. Three dimensional fault and topography model （a） and vertical profile along fault plane （b）
The blue rectangle depicts the 3-D vertical strike-slip fault，the yellow square indicates the nucleation area and the grey are aindicates a high strength area including absorbing boundary
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图 2 成核区外初始剪切应力为5 MPa时各模型断层面上的破裂起始时间等值线分布
图（a）为水平自由地表模型；图（b）−（f）为山体地形高度分别为400，600，800，1 000和1 100 m时的模型
Figure 2. Initial time contours of ruptures on fault plane for different models with initial shear stress 5 MPa outside the nucleation area
Fig. （a） is for flat free surface model；Figs. （b）−（f） are for Gaussian hill models with height 400，600，800，1 000 and 1 100 m，respectively
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图 3 成核区外初始剪切应力为5 MPa时各模型断层面上峰值滑动速率分布
图（a）为水平自由地表模型；图（b）−（f）为山体地形高度分别为400，600，800，1 000和1 100 m时的模型
Figure 3. Distribution of peak slip rate on fault plane for different models with initial shear stress 5 MPa outside of the nucleation area
Fig. （a） flat free surface model；Figs. （b）−（f） are for Gaussian hill models with height 400，600，800 ，1 000 and 1 100 m，respectively
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图 4 成核区外初始剪切应力为5 MPa时各模型地表峰值速度的平行断层面水平分量分布
图（a）为水平自由地表模型；图（b）−（f）为山体地形高度分别为400，600，800，1 000和1 100 m时的模型
Figure 4. Fault-parallel component of peak ground velocity distribution for different models with initial shear stress 5 MPa outsidethe nucleation area
Fig. （a） is for flat free surface model；Figs. （b）−（f） are for Gaussian hill models with height 400，600，800，1 000 and 1 100 m，respectively
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图 5 成核区外初始剪切应力为5 MPa时各模型地表峰值速度的垂直断层面水平分量分布
图（a）为水平自由地表模型；图（b）−（f）为山体地形高度分别为400，600，800，1 000和1 100 m时的模型
Figure 5. Fault-normal component of peak ground velocity distribution for different models with initial shear stress 5 MPa outside the nucleation area
Fig. （a）is for flat free surface model；Figs. （b）−（f） are for Gaussian hill models with height 400，600，800，1 000 and 1 100 m，respectively
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图 6 山体地形高度为800 m时不同山体地形底部延展距离a0下各模型断层面上的破裂起始时间分布
Figure 6. Initial time contours of rupture on fault plane for the models with different a0 when Gaussian hillheight is 800 m
（a） a0＝1 000 m；（b） a0＝1 500 m；（c） a0＝2 000 m
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图 7 山体地形高度为1 000 m时不同山体地形底部延展距离a0下各模型断层面上的破裂起始时间分布
Figure 7. Initial time contours of rupture on fault plane for the models with different a0 when Gaussian hillheight is 1 000 m
（a） a0＝1 000 m；（b） a0＝1 500 m；（c） a0＝2 000 m
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图 8 山体地形高度为800 m时不同山体地形底部延展距离a0下各模型的地表峰值速度的平行断层面水平分量分布
Figure 8. Fault-parallel component of peak ground velocity distribution for the models with different a0 when Gaussian hillheight is 800 m
（a） a0＝1 000 m；（b） a0＝1 500 m；（c） a0＝2 000 m
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图 9 山体地形高度为800 m时不同山体地形底部延展距离a0下各模型的地表峰值速度的垂直断层面水平分量分布
Figure 9. Fault-normal component of peak ground velocity distribution for the models with different a0 when Gaussian hillheight is 800 m
（a） a0＝1 000 m；（b） a0＝1 500 m；（c） a0＝2 000 m
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图 10 成核区外初始剪切应力为5.6 MPa时各模型断层面上破裂起始时间分布
图（a）为水平自由地表模型；图（b）−（f）为山体地形高度分别为400，600，800，1 000和1 100 m时的模型
Figure 10. Initial time contours rupture on fault plane for different models with initial shear stress 5.6 MPa outside the nucleation area
Fig. （a） is for flat free surface model；Figs. （b）−（f） are for Gaussian hill models with height 400，600，800，1 000and 1 100 m，respectively
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图 11 成核区外初始剪切应力为5.6 MPa时各模型地表峰值速度的平行断层面水平分量分布
图（a）为水平自由地表模型；图（b）−（f）为山体地形高度分别为400 ，600，800，1 000和1 100 m时的模型
Figure 11. Fault-parallel component of peak ground velocity distribution for different models with initial shear stress 5.6 MPa outside of the nucleation area
Fig. （a） is for flat free surface model；Figs. （b）−（f） are for Gaussian hill models with height 400，600，800，1 000 and 1 100 m，respectively
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图 12 成核区外初始剪切应力为5.6 MPa时各模型地表峰值速度的垂直断层面的水平分量分布
图（a）为水平自由地表模型；图（b）−（f）为山体地形高度分别为400，600，800，1 000和1 100 m时的模型
Figure 12. Distribution of fault-normal component of peak ground velocity for different models with initial shear stress 5.6 MPa outside the nucleation area
Fig. （a） is for flat free surface model；Figs. （b）−（f） are for Gaussian hill models with height 400，600，800，1 000 and 1 100 m，respectively
表 1 断层面的模型参数
Table 1 Model parameters on fault plane
区域 初始剪切应力σ0/MPa 剪切破裂强度σu/MPa 残余应力σr/MPa 临界滑动弱化距离Dc/m 断层成核区内 10.1 10.0 0 0 断层成核区外 5.0 10.0 0 0.2 断层外 5.0 200.0 0 20.0 
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1. 郝风云，王志罡，张文璟，张子鸣，段旦. 气体地球化学勘查在覆盖区找矿的应用——以新疆金坝金矿为例. 地质找矿论丛. 2024(04): 536-543 . 
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