Gas emission from active fault zones around the Jilantai faulted depression basin and its implications for fault activities
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摘要: 为了研究吉兰泰断陷盆地周缘断裂带气体排放及其对断层活动性的指示意义，在盆地周缘4条活动断裂上布设了5条土壤气测量剖面和1条电磁测量剖面，观测了土壤气中Rn，Hg和CO2的浓度、释放通量和地电阻率，对各测量剖面进行了土壤化学组分分析，计算得到了断层活动性相对指数KQ。研究结果显示：土壤气体CO2和Rn受渗透性较低的粉砂土阻挡，主要沿结构破碎的断层上盘逃逸，并形成浓度高峰；吉兰泰盆地南缘土壤气Rn，Hg和CO2的浓度和释放通量最高，可能与盆地西南缘花岗岩中U和Ra的运移以及盆地南缘碳酸盐岩的分解有一定的关系。各测量剖面的断层活动性相对指数KQ值的变化特征表明，正断层和逆断层的KQ值大于走滑断层，且巴彦乌拉山山前断裂上的KQ值最高，揭示其活动性最强，有可能是地震发生的潜在危险区。Abstract: Soil gases from fault zones are good indicators of tectonic and seismic activities, to which many seismologists and geochemists have been paid much attention. Five measuring sections for soil gas and one for earth resistivity were designed on the four active faults around the Jilantai basin, northwestern China. The data of earth resistivity, concentration and flux of soil gases Rn, Hg and CO2 were attained, and the chemical compositions of soil were analyzed in all sections and the relative index KQ of fault activity was calculated. All the results showed that soil gases CO2 and Rn were blocked by sandy soil layers with low permeability and escaped along the hanging wall of the faults with broken structures, easily forming concentration peaks. High concentrations and fluxes of Rn, Hg and CO2 were distributed in the southern margin of the Jilantai basin, which might be related to the migration of U and Ra in granites in southwestern margin of the basin and the decomposition of local carbonate rocks in south margin of the basin. The variation characteristics of relative index KQ of fault activity in each section indicated normal and reverse faults with higher KQ values than strike-slip faults. The maximum KQ value was observed in the piedmont fault of Bayanwula mountains, probably indicating that this fault is of the strongest activity and is also a potential area of high seismic hazards.
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Keywords:
- Jilantai faulted depression basin /
- fault zone /
- soil gases /
- geochemistry /
- flux /
- fault activity
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引言
断裂带是地球深部脱气的重要部位，经由断裂带释放的地下气体因携带地球内部物质组成与能量交换的大量信息而成为探索地球内部物质演化和动力学过程的重要信息源（Baubron et al，2002 ；Becken et al，2008 ）。众多观测结果显示，断裂带土壤气体地球化学特征和释放强度与区域构造演化及地震活动密切相关（Woodruff et al，2009 ；马向贤等，2012；郭正府等，2017；王喜龙等，2017），构造演化和地震孕育过程中地球内部物质迁移、能量释放和应力变化等可能是导致断裂带天然气体异常的重要原因（King et al，1996 ；Italiano et al，2009 ）。近年来，随着观测技术和基础研究的不断发展，断裂带土壤气体地球化学方法已经在区域构造演化和地震趋势研判中发挥着举足轻重的作用（Zhou et al，2016 ；杜建国等，2018），例如：唐山地区土壤气Rn，Hg，CO2，H2和He高浓度区与活动断裂展布区的高度吻合，表明活动断裂带是地球深部气体集中释放的通道（Li et al，2013 ），断裂活动速率越大，深部脱气强度越高（Chen et al，2019 ），而且断裂带断层泥中的CO2，H2和Ar等吸附气体的浓度对断层活动性也有很好的指示意义（Ma et al，2015 ）；Yang等（2018）基于土壤气Rn浓度和断层活动性指数KQ的对比研究表明，安宁河断裂南段的活动性明显高于则木河断裂北段。汶川MS8.0地震后，随着余震的衰减，龙门山断裂带土壤气体He和H2的浓度也随之降低（Zhou et al，2010 ）。首都圈地区主要活动断裂带土壤气体Rn的调查研究显示，土壤气体Rn的浓度和通量的最大值出现在唐山MS7.8地震震中区，可能与唐山地震及其余震的震后效应有关（Chen et al，2018 ）。
近年来的一些研究结果表明，地球物理勘查方法与气体地球化学探测技术的有机结合，可以更加深入地剖析活动断裂带气体地球化学特征与断裂带结构及活动性之间的关系（Revil et al，2004 ；Finizola et al，2009 ）。Zarroca等（2012）结合电法勘探技术和土壤气体地球化学方法对西班牙阿梅尔（Amer）断层的深入研究结果表明，对于土壤气体来源较深的断裂带，土壤气体地球化学方法能够更有效地判定断裂带的地震活动特征。这些方法在我国也有少量应用研究，如赵建明等（2018）的综合研究显示蔚县—广灵断裂的土壤气体浓度和释放通量均比口泉断裂高，指示蔚县—广灵断裂的活动性较强。
吉兰泰断陷盆地位于鄂尔多斯地块西北边缘，地处宁夏—内蒙交界处，区内构造活动强烈，地震活动较频繁，盆地周缘发育一系列大型活动断裂带，这些活动断裂带的活动控制了吉兰泰断陷盆地内部及周缘的地震活动（曹刚，2001）。为了深入研究该盆地周缘断裂带气体排放及其对断层活动性的指示意义，本文拟进行土壤气Rn，Hg和CO2的浓度和释放通量野外流动测量，计算断层活动性相对指数KQ，并结合电法勘探结果，探讨吉兰泰断陷盆地周缘不同性质断裂带的气体排放特征和断层活动性，为吉兰泰断陷盆地及其周缘未来地震趋势研判等提供气体地球化学科学依据。
1. 地震地质背景
吉兰泰断陷盆地（105°E—108°E，38.4°N—41.5°N）位于鄂尔多斯地块西北边缘、阿拉善地块东缘（图1a），其长轴沿NE向延伸。吉兰泰盆地海拔为1 023—1 100 m，西陡东缓，第四纪地层的最大厚度为400 m （图1b）。盆地基底为前寒武纪花岗片麻岩，其上被中生代下白垩统不整合覆盖；盆地内部构造复杂，有一系列被NE，EW及NW向次级断裂分割的凸起和凹陷，NNE走向的桌子山西缘断裂、磴口—本井断裂、黄河断裂带、巴彦乌拉山山前断裂和狼山山前断裂等共同控制着盆地的发育和演化（曹刚，2001）。
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图 1 研究区构造简图和1970年7月19日至2018年6月10日的地震分布（a）以及垂向剖面AA' 简图（b）F1：巴彦乌拉山山前断裂；F2：狼山山前断裂；F3：桌子山西缘断裂；F4：正谊关断裂Figure 1. The tectonic settings and distribution of earthquakes from 19 July 1970 to 10 June 2018 in the studied area （a） and the vertical profile AA' （b）F1：Bayanwula mountain Piedmont fault；F2：Langshan mountain Piedmont fault；F3：Zhuozi mountain Western margin fault of；F4：Zhengyiguan fault研究区内构造活动性强，1970年7月19日至2018年6月10日期间发生了74次ML3.0以上地震，其中ML3.0—3.9地震42次，ML4.0—4.9地震29次，ML5.0以上地震3次（图1），震源深度为4.9—39.1 km，2015年4月15日研究区内发生内蒙古阿拉善左旗MS5.8地震，震中位于（39.8°N，105.3°E），震源深度为10 km。
1920年海原MS8.5地震之前，鄂尔多斯地块的中强地震主要发生于东缘、西缘和南缘，历史上发生过6次MS8.0—8.9地震，地块北缘仅于公元849年发生过MS7.0地震。1920年海原MS8.5地震之后，鄂尔多斯地块周缘发生的6次MS6.0以上中强地震全部发生在西北缘，西北缘地区是近50年来鄂尔多斯周缘中强地震最为活跃的地段（徐伟进等，2008；高立新等，2012，2017）。2008年5月12日汶川MS8.0地震后，鄂尔多斯地块的西北缘发生中等地震。已有研究（高立新等，2010，2012）表明，该区域具备发生MS7.0以上强震的构造背景，处于强震空区的内蒙古临河至蒙宁交界地区（包含研究区）是强震危险区域。
2. 测量方法
2.1 土壤气测量
2017年7—8月在巴彦乌拉山山前断裂（F1）、狼山山前断裂（F2）、桌子山西缘断裂（F3）和正谊关断裂（F4）上布设了5条土壤气剖面（图1，表1），共9条测线，完成了土壤气Rn，Hg和CO2浓度和通量的现场测量，共计浓度测量点140个，通量测量点20个。
表 1 土壤气Rn，Hg和CO2测量剖面基本信息Table 1. Basic information about the measurement sections for soil gases Rn，Hg and CO2剖面 剖面编号 断裂 断裂编号 断裂性质 北纬/° 东经/° 巴彦乌拉 BYWL 巴彦乌拉山山前断裂 F1 正断层 39.5 105.2 乌兰巴兴 WLBX 狼山山前断裂 F2 正断层 40.4 106.2 那仁乌布尔嘎查 NRWBEGC 狼山山前断裂 F2 正断层 40.9 106.6 大路盖 DLG 桌子山西缘断裂 F3 逆断层 40.0 106.8 正义关 ZYG 正谊关断裂 F4 左旋走滑 39.3 106.7 注：土壤气剖面的经纬度是测线中央（剖面与断层相交处）的经纬度。 垂直断层走向布设1—2条平行测线，线距10 m，测线中央位于断层上。每条测线布设14—16个测量点，断裂附近（≤30 m）点距设为10 m，远离断裂30 m后，点距设为20—40 m。在断层上下盘各布设2个通量测量点，点距为30 m （图2）。野外定点采用GPS定位，测线长度使用米尺测量。为了研究土壤化学组成与测量结果的关系，采集各剖面断层处（测线0 m）地下20 cm深的土样。为降低岩土类型和土壤层厚度对测量结果的影响，测线布设时尽可能保持测线所切过的松散沉积物厚度和岩性大体一致。为避免气象条件变化产生的影响，每条测线均在同一天内完成测量工作。
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图 2 土壤气浓度和通量布点示意图Figure 2. Measuring sites for the concentration and flux of soil gases土壤气Rn，Hg和CO2浓度测量方法参见周晓成等（2007）和李营等（2009），在测量点处先用钢钎打深约80 cm的孔洞，再将空心采样杆放置于孔内，密封后连接仪器进行测量。为了保证测量结果的准确性，对测值异常点至少进行两次复测。土壤气Hg浓度使用RA-915＋型塞曼效应测汞仪进行测量，标定误差为3%，检测限为1 ng/m3；CO2浓度使用华云GXH-3010E型红外CO2分析仪测量，标定误差为±2%，检测限为0.001%；Rn浓度使用RTM2200型测氡仪测量，标定误差＜10%，检测限为67 Bq/m3。
土壤气Rn，Hg和CO2释放通量测量采用静态暗箱法（Lehmann et al，2004 ；Wang et al，2006 ）。将半球型通量箱（半径0.2 m）埋入通量测量点地下20 cm处，分别将仪器的进、出气口与通量箱的出、进气口相连，测量通量箱内气体各组分的浓度随时间的变化，并记录箱内温度和气压。Hg和CO2通量测量使用的仪器与浓度测量所使用的相同，Rn通量测量使用RAD7测氡仪，标定误差为±2%，检测限为4 Bq/m3。释放通量F的计算公式为
$F {\text{＝}} \frac{{{T_{\rm{std}}}}}{{{P_{\rm{std}}}}} \cdot \frac{{{V_{\rm c}}{P_{\rm c}}}}{{{T_{\rm c}}{A_{\rm c}}}} \cdot \frac{{{{\rm d}Q}}}{{{{\rm d}t}}},$
(1) 式中：Pstd为标准大气压（101.325 kPa）；Tstd为标准温度0 ℃（273.15 K）；Vc为通量箱的体积，单位为m3；Pc为通量箱内的气压，单位为Pa；Tc为通量箱内的温度，单位为K；Ac为通量箱覆盖的土壤面积，单位为m2；Q为气体浓度；dQ/dt为通量箱里气体各组分浓度的增加速率。
2.2 可控源音频大地电磁测量方法
可控源音频大地电磁（controlled source audio-frequency magnetotellurics，缩写为CSAMT）测量方法具有工作效率高、抗干扰能力强、勘探深度大、分辨率高等优点，已被广泛应用于隐伏断裂探测（谭儒蛟等，2007；李帝铨等，2008）和矿产勘查（于昌明，1998；石昆法等，2001）。CSAMT法是一种频率域电磁测深方法，该方法基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程组，给出了电场Ex，磁场Hy与视电阻率ρs的关系式（何继善，1990；石昆法等，2001）：
${\rho _{\rm{s}}} {\text{＝}} \frac{1}{{5f}} \cdot \frac{{{{\bigr| {{E_x}} \bigr|}^2}}}{{{{\bigr| {{H_y}}\bigr|}^2}}},$
(2) 式中f为频率。由式（2）可知，由地面上观测的两个正交的水平电磁场Ex和Hy，可得到地下的视电阻率ρs。根据电磁波的趋肤效应理论，导出趋肤深度公式为
$H{\text{≈}}356\sqrt {\frac{\rho_{\rm s} }{f}} ,$
(3) 式中H为探测深度。从式（3）可见：当电阻率固定时，电磁波的探测深度与频率成反比，即：高频时，探测深度浅；低频时，探测深度深。因此可以通过人工激发交变电磁场源，接收不同频率的电磁波信号，以达到测深的目的。
为了探明狼山山前断裂的地下展布形态、产状、延伸情况及地下岩性变化特征与土壤气地球化学特征的关系，在WLBX剖面布设了一对供电电极A和B，供电极距为1 km （图3）。在AB中垂线向两边张角各30°的扇形区域内沿平行于AB的方向布置一条测深线（NE130°），收发距为7 km，测深线与土壤气测量线位置相同，断层上下盘各选取3个测深点，点距为60 m，测量深度不小于1 km。使用加拿大凤凰公司V8多功能电法仪进行测量，工作频率范围为1—7 680 Hz。电场测量所使用的电极极差＜2 mV，电极埋入深度＞30 cm，每个极坑注水，保持其与土壤良好接触，水平磁棒（Hy）的布设角度为40°。利用加拿大凤凰地球物理有限公司开发的CMT.PRO软件和中国地质大学（武汉）电法勘探研究组开发的CSAMT-SW软件，对测量数据进行解释。
3. 测量结果
3.1 土壤气浓度
根据前人研究经验，以每条测线各测点浓度的平均值Qmean作为背景值，平均值加减0.5倍标准偏差（Qmean±σ/2）作为浓度异常的上下界限（表2），将浓度高于背景值（Q＞Qmean）的测值视为受人为活动、断层破碎程度、气象条件等因素影响的测值，将高于异常上限的测值（Q＞Qmean＋σ/2）视为与断层有关的异常值（Yang et al，2018 ；Seminsky，Bobrov，2009）。由于断裂带内部裂隙发育程度不同，浓度异常的区域时常不连续，若两个连续异常（Q＞Qmean）区域之间存在面积较小的非异常区域，可将该区域考虑在异常区域之内（Seminsky，Bobrov，2009；Seminsky，Demberel，2013，Seminsky et al，2014 ）。Qmax为异常区域内浓度的最大值，Qmin为断层异常区域外紧邻异常区浓度的最小值。
表 2 土壤气Rn，Hg和CO2浓度的测量结果Table 2. Measurement results of the concentrations of soil gases Rn，Hg and CO2测线编号 测项 Qmean σ Qmean＋σ/2 Qmean－σ/2 Qmax Qmin KQ BYWL-1 CO2 0.08% 0.03 0.09% 0.07% 0.14% 0.06% 2.33 BYWL-2 0.11% 0.04 0.13% 0.09% 0.18% 0.04% 4.50 DLG-1 0.10% 0.02 0.11% 0.08% 0.14% 0.06% 2.33 DLG-2 0.10% 0.04 0.12% 0.08% 0.23% 0.07% 3.29 NRWBEGC-1 0.22% 0.06 0.25% 0.19% 0.38% 0.14% 2.71 WLBX-1 0.14% 0.05 0.16% 0.11% 0.28% 0.11% 2.55 WLBX-2 0.12% 0.03 0.13% 0.10% 0.16% 0.07% 2.29 ZYG-1 0.23% 0.06 0.26% 0.20% 0.32% 0.16% 2.00 ZYG-2 0.22% 0.06 0.25% 0.19% 0.36% 0.15% 2.48 BYWL-1 Hg 13 6 16 10 30 6 5.00 BYWL-2 10 3 11 8 15 6 2.50 DLG-1 12 4 14 10 24 8 3.00 DLG-2 12 3 13 11 19 8 2.38 NRWBEGC-1 10 4 12 8 18 4 4.50 WLBX-1 10 3 11 8 16 8 2.13 WLBX-2 10 3 11 9 15 7 2.14 ZYG-1 9 2 10 8 12 7 1.85 ZYG-2 11 3 12 9 15 7 2.14 BYWL-1 Rn 9.784 6.768 13.168 6.400 27.827 4.403 6.32 BYWL-2 16.966 18.015 25.973 7.958 60.091 3.974 15.12 DLG-1 2.486 1.099 3.036 1.937 4.975 0.739 6.73 DLG-2 2.417 0.947 2.891 1.944 4.381 1.008 4.35 NRWBEGC-1 9.394 2.899 10.843 7.944 13.376 5.818 2.30 WLBX-1 2.215 0.417 2.423 2.007 2.842 1.643 1.73 WLBX-2 2.018 0.674 2.355 1.681 3.764 0.739 5.09 ZYG-1 7.058 2.409 8.263 5.854 10.420 3.833 2.72 ZYG-2 7.289 1.970 8.274 6.304 10.822 4.706 2.30 注：Rn和Hg的浓度Q的单位分别为kBq·m−3和ng·m−3；Qmean，σ，Qmean＋σ/2，Qmean－σ/2，Qmax和Qmin分别为每条测线上浓度的平均值、标准偏差、异常上限、异常下限、最大值和最小值；KQ为断层活动性指数。 图4—8给出了BYWL，WLBX，NRWBEGC，DLG和ZYG这5条剖面的土壤气浓度变化曲线图。从图4可以观察到，巴彦乌拉山山前断裂BYWL剖面上，测线1的CO2浓度异常区（灰色阴影区，即与断层有关的异常区域）出现在断层上盘，测线2的异常区出现在断层附近和上盘；两条测线上的Hg浓度异常区出现在断层附近和下盘，Rn浓度异常区出现在断层附近。狼山山前断裂WLBX剖面上（图5），两条测线的CO2浓度异常区出现在断层上盘，Hg浓度异常区主要位于断层附近，Rn浓度异常区出现在断层两盘，且呈双峰特征。由于狼山山前断裂NRWBEGC剖面（图6）地形较陡起伏大，仅布设了一条测线，CO2和Hg浓度异常区在断层两盘呈双峰出现，Rn浓度异常区出现在断层附近和上盘，且由断层下盘到上盘呈上升趋势。桌子山西缘逆冲断裂DLG剖面上（图7），两条测线的CO2和Hg浓度异常区出现在断层两盘，Rn浓度异常区出现在断层附近。正谊关走滑断裂ZYG剖面上（图8），两条测线的CO2和Hg浓度异常区出现在断层附近，测线1的Rn浓度异常区出现在断层两盘，测线2只在断层一盘出现异常区。
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图 4 BYWL剖面测线1 （左）和2 （右）上的土壤气浓度Q变化曲线Figure 4. Soil gas concentration Q curves of measuring lines 1 （left panels） and 2 （right panels） on the section BYWL![]()
图 8 ZYG剖面测线1 （左）和2 （右）上的土壤气浓度变化曲线Figure 8. Soil gas concentration curves of measuring lines 1 （left panels） and 2 （right panels） on the section ZYG![]()
图 5 WLBX剖面测线1 （左）和2 （右）上的土壤气浓度变化曲线Figure 5. Soil gas concentration curves of measuring lines 1 （left panels） and 2 （right panels） on the section WLBX![]()
图 6 NRWBEGC剖面测线上的土壤气浓度变化曲线Figure 6. Soil gas concentration curves of measuring line on the section NRWBEGC![]()
图 7 DLG剖面测线1 （左）和2 （右）上的土壤气浓度变化曲线Figure 7. Soil gas concentration curves of measuring lines 1 （left panels） and 2 （right panels） on the section DLG3.2 CSAMT测量结果
WLBX剖面地处狼山西段余脉，构造特征显著，地表可见明显陡坎和断层出露线。区内主要出露第四系地层，视电阻率处于10—50 Ω·m之间。由于应力作用，断裂构造破坏了原岩（地层）的连续性，破碎后形成很多空隙，通常反映为较原岩明显增高的高阻异常特征。标高约1 000 m以上的部分，水平距离−25—75 m之间存在明显的 “U” 型高阻异常（图9），推断为断裂破碎带，走向约NE30°，倾向SE，倾角约50°；标高处于900—1 000 m之间的，受狼山山前断裂的影响，地层发生错断，电阻率等值线呈 “双仁” 状；标高900 m以下的，电阻率ρ＜17 Ω·m，电阻率等值线基本呈水平状，电阻率变化平缓，无明显的断裂构造。结合研究区的地质情况（张复，2015），本文推测浅部约25 m以内为第四系砂土、风成细沙和砂砾，标高900—1 000 m之间为含砾砂岩，标高900 m以下为新近系的泥岩、砂质泥岩及砂质泥岩互层。
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图 9 WLBX剖面物探布线（左）和电阻率层析成像图（右）Figure 9. Layout map of geophysical prospecting line （left） and the electric resistivitytomography for the section WLBX （right）4. 讨论
4.1 跨断层浓度特征和成因
活动断裂带地层常具有高的渗透率和孔隙度，是深部气体向上运输的重要通道，在活动断裂带地表经常观测到明显的气体地球化学异常现象（Irwin，Barnes，1980；King，1986；Ghosh et al，2009 ）。吉兰泰断陷盆地及其周缘不同性质活动断裂的土壤气体Rn，Hg和CO2浓度剖面表现出不同的空间分布形态。正断层巴彦乌拉山山前断裂上的BYWL剖面、正谊关走滑断裂上的ZYG剖面在断层主断面附近出现明显的CO2和Hg浓度峰值，而正断层狼山山前断裂上的WLBX剖面（Rn，CO2）、NRWBEGC剖面和桌子山西缘逆冲断裂上的DLG剖面（Hg，CO2）则在断层主断面上出现浓度低值，在远离断层面处却出现一个或两个浓度峰值（图4—8）。深部气体沿断裂带的运移主要受断裂带内裂隙发育程度的控制（Toutain，Baubron，1999；Fu et al，2017 ）。若断裂带内部发育高密度的共轭张性节理，则将增加断面处岩层的渗透率和孔隙度，为深部高浓度气体的集中逸散提供优选通道，故在断层主断面附近常出现明显的土壤气体浓度单峰（Annunziatellis et al，2008 ；Sun et al，2018 ）。断层核部上的岩石经过错动—破碎—研磨而形成的细粒物质与断裂带内水岩相互作用形成的一些黏土矿物等相结合生成断层泥（付碧宏等，2008；Zheng et al，2008 ；王华林等，2017），断层泥及其它破碎产物常充填到断裂带的裂隙中，导致渗透性降低，土壤气的运移受到阻隔，而从远离核部的两侧破碎带中的裂隙逸出，表现为双峰形态（Faulkner et al，2003 ；Annunziatellis et al，2008 ；Sun et al，2018 ）。
断层上气体的地球化学特征的空间变化主要由断层性质、地下物质结构和岩性所决定。为了切实把握断层结构等，采用CSAMT法在WLBX气体测量剖面上同时进行了大地电磁测量，用以探索断层地下结构和岩石性质对气体释放的影响，结果如图10所示。可以看出，在电阻率层析成像剖面（图10a）中，断层上盘距剖面中心水平距离50—125 m之间存在低阻区（＜17 Ω·m），该区域也是土壤气CO2和Rn浓度峰值出现的区域（图10b）。野外考察显示，该低阻区为破碎较强的含砾砂岩裸露区，而测量剖面的其它区域均为粉砂土（高阻）覆盖区域，在周边区域渗透性较低的粉砂土的阻挡下，断层上盘的低阻区成为周边土壤气体的集中逃逸区域，因而在其上方观测到明显的CO2和Rn浓度峰值（Schütze et al，2012 ）（图11）。但是，CO2和Rn浓度在断层上较低，这可能是由于空气沿断层裂隙混入对土壤气造成稀释所致（Giammanco et al，2009 ；Zarroca et al，2012 ）。Hg在断层上出现浓度高峰，可能是由于Hg相对CO2和Rn具有更强的挥发性和穿透能力（杨江，2018），不易受上覆粉砂土的阻挡（图10b）。
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图 10 电阻率层析成像刻面图（a）与WLBX剖面的气体浓度曲线图（b）图中Rn，Hg和CO2浓度为两条测线上浓度的平均值Figure 10. The electric resistivity tomography （a） and the concentration curves （b） for the section WLBXThe concentrations of Rn，Hg and CO2 are the average concentrations on the two measuring lines4.2 浓度与释放通量的空间分布特征
将各剖面的Rn，Hg和CO2的浓度和释放通量分别除以其平均值（表3），获得测值的相对大小，结果如图12所示。可见：Rn浓度在BYWL剖面上最高，CO2浓度在ZYG和NRWBEGC剖面上最高，而Hg浓度结果差异较小；Rn和Hg通量在BYWL剖面最高，CO2通量在ZYG剖面最高。上述结果表明，吉兰泰断陷盆地南缘断裂带土壤气具有高浓度和高释放通量的特征。
表 3 土壤气剖面的平均浓度Q和释放通量FTable 3. The average values of concentration Q and flux F at each soil gas section剖面 FCO2/（g·m−2·d−1） FRn/（mBq·m−2·s−1） FHg/（ng·m−2·h−1） QCO2 QRn/（kBq·m−3） QHg/（ng·m−3） BYWL 11.76 39.07 7.46 0.09% 13.375 11 ZYG 15.17 12.71 0 0.23% 7.174 10 DLG 10.52 22.82 0 0.10% 2.452 12 NRWBEGC 9.38 17.25 3.69 0.22% 9.394 10 WLBX 6.54 5.17 0.62 0.13% 2.117 10 平均值 10.67 19.40 2.35 0.15% 6.902 11 ![]()
图 12 各测点断层气浓度Q和释放通量F的空间分布示意图Figure 12. Spatial distribution map of concentration Q and flux F of fault gases at all the measuring sites在非火山区，除断裂因素外，土壤气体排放还会受到气象条件（Winkler et al，2001 ）、深部基岩组成（Papp et al，2008 ）、浅部土壤次生黏土矿物和土壤化学组成及植被（Lehmann et al，2000 ；Han et al，2014 ）的影响。本文研究区属温带大陆性干旱气候，大部分为戈壁和荒漠区，年降雨量较少（109 mm/a）（杨丽萍，2008），且我们观测工作集中在7—8月完成，整个测量期间未出现降雨天气。因此，气象和地表植被因素对断裂带气体观测结果的影响可以忽略不计。另外，野外测量过程中，对各土壤气体现场测量剖面均进行了土壤样品采集，分析了各土壤样品中放射性物质（U，Th，Ra和K）含量、总碳（TC）和总汞（Hg），结果列于表4。
表 4 土样化学组分分析测试结果Table 4. The test results of chemical composition analysis of soil samples剖面 CU/（Bq·kg−1） CTh/（Bq·kg−1） CRa/（Bq·kg−1） CK/（Bq·kg−1） TC含量 CHg/（ng·g−1） BYWL 39.8 46.2 28.7 616 0.972% 1.54 DLG 24.2 36.8 23.7 546 0.762% 13.30 NRWBEGC 40.2 52.7 30.6 944 0.163% 5.67 WLBX 17.6 17.6 13.0 553 0.577% 5.85 ZYG 8.1 44.5 27.2 559 2.420% 28.90 注：所采土样于2017年8月由核工业地质研究所进行检测；C为质量活度。 222Rn是惰性气体，为铀系中226Ra衰变的产物，半衰期为3.825天，其迁移速度低，易被活性炭、黏土等吸附。通常，Rn在花岗岩中的含量最高，其次是页岩、石灰岩和砂岩（Baixeras et al，2001 ）。钻孔资料显示研究区内地下有多个黏土层，黏土矿物以伊利石（约86%）和高岭石（约11%）为主（牟雪松等，2018）。另外，研究区西南缘巴彦乌拉山和狼山出露的基岩主要为花岗岩、片麻岩、砾岩等（韩清，1982）。一方面，来自地壳的以游离态或吸附态存在的Rn将CO2，CH4和N2等作为载气向地表运移（Etiope，Martinelli，2002）；另一方面，在风化作用和地下水运移作用下，富含U和Ra的基岩碎块、溶解铀（U6＋）和Rn从盆地边缘向盆地内运移，并在砂岩储层中聚集，然后通过断层向地表运移（刘菁华，2006；Chen et al，2018 ）（图13）。因此，充足的物源、有利的砂岩储层及多层的黏土吸附层，共同造成了研究区西南缘BYWL剖面（巴彦乌拉山）和NRWBEGC剖面（狼山）较高的Rn浓度和释放通量，同时也造成了这两个剖面土壤中相对较高的U，Th和Ra含量（表4）。
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图 13 研究区气体排放模型图Figure 13. Schematic diagram for gas degassing model of the studied area自然界中的CO2主要有无机和有机两种成因，而碳酸盐岩的分解是无机成因CO2的重要来源之一（王云等，2015）。研究区南缘的贺兰山北部山体主要为碳酸盐岩、灰岩、白云岩和石英岩（曹刚，2001）。除土壤有机成因CO2外，地下深部发生碳酸盐岩热分解，以及碳酸盐岩与地下水发生的水岩相互作用，均会产生大量的CO2 （魏国孝，2011；王云等，2015），这可能是导致研究区南缘的ZYG剖面（贺兰山北缘）具有较高的CO2浓度和释放通量的重要原因之一（图13）。碳酸盐岩的存在也造成ZYG剖面土壤中TC含量远高于其它剖面（表4）。
Hg主要来源于地球深部和某些含汞的硫化物矿床成矿后汞蒸气的挥发（程鉴基，1997）。研究区5个剖面的Hg浓度结果差异较小（10—12 ng/m3），通量差异较大（0—7.46 ng·m−2/h），其中，BYWL剖面上Hg通量远大于其它剖面，而其土壤中Hg含量却小于其它剖面（表4）。另外，已有地质调查资料表明，区域内不存在大范围的硫化物矿床，也未发现含硫化物的岩石出露（韩清，1982）。因此，研究区域内各观测点Hg通量的空间分布差异，可能与研究区域内的断裂活动性差异有关。
断裂带土壤气的地球化学特征与构造及地震活动密切相关（Woodruff et al，2009 ；Zhou et al，2016 ），与中国其它地区的土壤气体Rn，Hg，CO2浓度和释放通量（图14）进行比较可知，研究区Rn和Hg的浓度和通量值较高，均高于唐山地区、山西地震带北段、延怀盆地和怀安盆地，略低于汶川地震破裂带，而CO2的浓度和通量值与山西地震带北段、延怀盆地和怀安盆地测量结果接近，略低于唐山断裂带，明显低于汶川地震破裂带。汶川地震破裂带炭质泥岩和煤层发育（王萍等，2009），且地下含有丰富的天然气藏（Zheng et al，2013 ），汶川MS8.0地震的发生加剧了龙门山断裂带下覆CO2气体沿破裂带的逸散（Chen et al，2015 ；周晓成等，2017），这可能是导致汶川地震破裂区CO2浓度和释放通量远高于吉兰泰断陷盆地周缘断裂带的主要原因之一。综上所述，吉兰泰断陷盆地周缘断裂带存在较高的土壤气Rn，Hg，CO2浓度和释放通量，可能是中国大陆未来地震发生的潜在危险区之一，需要重点关注。
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图 14 中国不同地区土壤气浓度和释放通量对比图Figure 14. Contrast map of concentrations and fluxes of soil gases from different places in China4.3 断层活动性
由于不同断层所处区域地质的地理背景不同，其土壤气体背景值往往存在较大差异，仅依各断裂带测值的相对大小来研判不同断裂的活动性，必然会存在一定的不确定性（邵永新，2012）。
土壤气体断层活动性分析相对指数KQ是近年来建立的断层活动性研判的指标之一。已有研究表明，该指标可以有效地降低区域背景因素对断裂带活动性综合研判所造成的影响，能够更有效地体现断层的活动性（Seminsky，Bobrov，2009；Seminsky，Demberel，2013；Seminsky，et al，2014 ）。计算KQ指数的前提是每条剖面的测量均是在气象条件、岩土类型等背景因素一致的情况下进行，且研究的断层均为活动断层。通常，具有较高KQ值的断层，其活动性相对较强（Yang et al，2018 ）。
研究区9条测线上Rn，Hg和CO2的KQ值变化范围为1.73—15.12。根据KQ平均值变化，将其划分为3个区域（图15）：KQ＞5.0为高活动性区，2.5＜KQ＜5.0为中活动性区和KQ＜2.5为低活动性区。由图15可见：BYWL-2测线的KQ平均值位于高活动性区，ZYG两条测线和WLBX-1测线的KQ平均值则位于低活动性区，其它均位于中等活动性区。除BYWL-2和NRWBEGC-1测线外，Rn和Hg的KQ曲线变化趋势相近，CO2的KQ曲线趋势虽有一定变化，但变化幅值较小。研究区5个剖面的KQ平均值从大到小分别为BYWL （正断层），DLG （逆断层），WLBX （正断层），NRWBEGC （正断层），ZYG （走滑断层）。结果表明，正断层和逆断层的KQ平均值大于走滑断层，且BYWL剖面的KQ平均值最高，这说明巴彦乌拉山山前断裂具有相对较强的活动性，其发震危险性较高，应该予以重点关注。
5. 讨论与结论
本文通过吉兰泰断陷盆地周缘断裂带土壤气Rn，Hg和CO2的浓度和通量测量，结合前人研究资料及电法勘探结果，对该地区的土壤气体排放特征和断层活动性进行分析，得到以下结论：
结合土壤气地球化学方法和可控源音频大地电磁法对狼山山前断裂的研究表明，跨断层土壤气浓度变化受断层地下结构控制，气体受渗透性较低的粉砂土（高阻）阻挡，沿断层上盘破碎较强的含砾砂岩（低阻）集中逃逸，形成CO2和Rn浓度峰值。由于空气沿断层裂隙混入对土壤气造成稀释，导致CO2和Rn在断层附近的浓度较低。Hg具有较强的挥发性和穿透能力，不易受上覆粉砂土的阻挡，故在断层附近出现浓度峰值。
吉兰泰断陷盆地南缘的断裂带土壤气Rn，Hg和CO2具有高浓度和高释放通量的特点。狼山和巴彦乌拉山地区的花岗岩中U和Ra的运移导致盆地西南缘Rn的浓度和通量较高。贺兰山北部碳酸盐岩的热分解及其与地下水之间的水岩相互作用，导致盆地南缘CO2的浓度和通量较高。Hg通量的空间分布差异可能与研究区域内的断裂活动性差异有关。
应用断裂带土壤气评估断层活动性的方法有很多，既有使用相对活动强度（最高值与背景值的比值）（刘菁华，2006）和异常衬度（邵永新，2012）的方法，也有使用异常最高值（张慧等，2005）来分析断层活动性的。Seminsky等通过地球物理方法计算了蒙古中部、贝加尔湖西部和安加拉南部地区共41条断层的断层滑移速率，并结合土壤气地球化学结果，提出了断层活动性指数KQ （Seminsky，Bobrov，2009；Seminsky，Demberel，2013；Seminsky et al，2014 ）。该方法可以排除区域背景因素的影响，有效地对断层活动性进行分析，说明了该方法的合理性。
本次研究的土壤气Rn，Hg和CO2的KQ值变化范围为1.73—15.12。Rn和Hg的KQ曲线变化幅度明显，曲线趋势相近，CO2的KQ曲线变化不明显，说明土壤气Rn和Hg的指示性优于CO2。但Rn和Hg的指示性哪个更强，还需进一步研究。研究区内正断层和逆断层的KQ值要大于走滑断层。BYWL剖面的KQ值最高，说明巴彦乌拉山山前断裂活动性最强，可能是地震发生的潜在危险地区。
本研究对运用断裂带土壤气评估断层活动性及未来地震潜在危险区的研判具有参考意义，但本文仅对吉兰泰断陷盆地进行了一期测量，下一步应对巴彦乌拉山山前断裂进行长期连续观测，监测该断裂的活动性变化，同时进一步开展气体组分来源与贡献研究，对地震危险区进一步研判。
宁夏回族自治区地震局杜鹏副研究员、王晓涛博士等在野外数据采集中给予帮助并提供了相关地质构造资料，内蒙古第二地质矿产勘查开发有限责任公司对CSAMT法勘探结果予以解释并绘制图件，审稿专家对本文进行细致审阅并提出了宝贵意见，作者在此一并表示衷心的感谢。
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图 1 研究区构造简图和1970年7月19日至2018年6月10日的地震分布（a）以及垂向剖面AA' 简图（b）
F1：巴彦乌拉山山前断裂；F2：狼山山前断裂；F3：桌子山西缘断裂；F4：正谊关断裂
Figure 1. The tectonic settings and distribution of earthquakes from 19 July 1970 to 10 June 2018 in the studied area （a） and the vertical profile AA' （b）
F1：Bayanwula mountain Piedmont fault；F2：Langshan mountain Piedmont fault；F3：Zhuozi mountain Western margin fault of；F4：Zhengyiguan fault
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图 2 土壤气浓度和通量布点示意图
Figure 2. Measuring sites for the concentration and flux of soil gases
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图 4 BYWL剖面测线1 （左）和2 （右）上的土壤气浓度Q变化曲线
Figure 4. Soil gas concentration Q curves of measuring lines 1 （left panels） and 2 （right panels） on the section BYWL
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图 8 ZYG剖面测线1 （左）和2 （右）上的土壤气浓度变化曲线
Figure 8. Soil gas concentration curves of measuring lines 1 （left panels） and 2 （right panels） on the section ZYG
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图 5 WLBX剖面测线1 （左）和2 （右）上的土壤气浓度变化曲线
Figure 5. Soil gas concentration curves of measuring lines 1 （left panels） and 2 （right panels） on the section WLBX
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图 6 NRWBEGC剖面测线上的土壤气浓度变化曲线
Figure 6. Soil gas concentration curves of measuring line on the section NRWBEGC
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图 7 DLG剖面测线1 （左）和2 （右）上的土壤气浓度变化曲线
Figure 7. Soil gas concentration curves of measuring lines 1 （left panels） and 2 （right panels） on the section DLG
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图 9 WLBX剖面物探布线（左）和电阻率层析成像图（右）
Figure 9. Layout map of geophysical prospecting line （left） and the electric resistivitytomography for the section WLBX （right）
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图 10 电阻率层析成像刻面图（a）与WLBX剖面的气体浓度曲线图（b）
图中Rn，Hg和CO2浓度为两条测线上浓度的平均值
Figure 10. The electric resistivity tomography （a） and the concentration curves （b） for the section WLBX
The concentrations of Rn，Hg and CO2 are the average concentrations on the two measuring lines
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图 12 各测点断层气浓度Q和释放通量F的空间分布示意图
Figure 12. Spatial distribution map of concentration Q and flux F of fault gases at all the measuring sites
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图 13 研究区气体排放模型图
Figure 13. Schematic diagram for gas degassing model of the studied area
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图 14 中国不同地区土壤气浓度和释放通量对比图
数据引自Li等（2013），Zhou等（2016）和杨江（2018）
Figure 14. Contrast map of concentrations and fluxes of soil gases from different places in China
Data is after Li et al （2013），Zhou et al （2016） and Yang （2018）
表 1 土壤气Rn，Hg和CO2测量剖面基本信息
Table 1 Basic information about the measurement sections for soil gases Rn，Hg and CO2
剖面 剖面编号 断裂 断裂编号 断裂性质 北纬/° 东经/° 巴彦乌拉 BYWL 巴彦乌拉山山前断裂 F1 正断层 39.5 105.2 乌兰巴兴 WLBX 狼山山前断裂 F2 正断层 40.4 106.2 那仁乌布尔嘎查 NRWBEGC 狼山山前断裂 F2 正断层 40.9 106.6 大路盖 DLG 桌子山西缘断裂 F3 逆断层 40.0 106.8 正义关 ZYG 正谊关断裂 F4 左旋走滑 39.3 106.7 注：土壤气剖面的经纬度是测线中央（剖面与断层相交处）的经纬度。 
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表 2 土壤气Rn，Hg和CO2浓度的测量结果
Table 2 Measurement results of the concentrations of soil gases Rn，Hg and CO2
测线编号 测项 Qmean σ Qmean＋σ/2 Qmean－σ/2 Qmax Qmin KQ BYWL-1 CO2 0.08% 0.03 0.09% 0.07% 0.14% 0.06% 2.33 BYWL-2 0.11% 0.04 0.13% 0.09% 0.18% 0.04% 4.50 DLG-1 0.10% 0.02 0.11% 0.08% 0.14% 0.06% 2.33 DLG-2 0.10% 0.04 0.12% 0.08% 0.23% 0.07% 3.29 NRWBEGC-1 0.22% 0.06 0.25% 0.19% 0.38% 0.14% 2.71 WLBX-1 0.14% 0.05 0.16% 0.11% 0.28% 0.11% 2.55 WLBX-2 0.12% 0.03 0.13% 0.10% 0.16% 0.07% 2.29 ZYG-1 0.23% 0.06 0.26% 0.20% 0.32% 0.16% 2.00 ZYG-2 0.22% 0.06 0.25% 0.19% 0.36% 0.15% 2.48 BYWL-1 Hg 13 6 16 10 30 6 5.00 BYWL-2 10 3 11 8 15 6 2.50 DLG-1 12 4 14 10 24 8 3.00 DLG-2 12 3 13 11 19 8 2.38 NRWBEGC-1 10 4 12 8 18 4 4.50 WLBX-1 10 3 11 8 16 8 2.13 WLBX-2 10 3 11 9 15 7 2.14 ZYG-1 9 2 10 8 12 7 1.85 ZYG-2 11 3 12 9 15 7 2.14 BYWL-1 Rn 9.784 6.768 13.168 6.400 27.827 4.403 6.32 BYWL-2 16.966 18.015 25.973 7.958 60.091 3.974 15.12 DLG-1 2.486 1.099 3.036 1.937 4.975 0.739 6.73 DLG-2 2.417 0.947 2.891 1.944 4.381 1.008 4.35 NRWBEGC-1 9.394 2.899 10.843 7.944 13.376 5.818 2.30 WLBX-1 2.215 0.417 2.423 2.007 2.842 1.643 1.73 WLBX-2 2.018 0.674 2.355 1.681 3.764 0.739 5.09 ZYG-1 7.058 2.409 8.263 5.854 10.420 3.833 2.72 ZYG-2 7.289 1.970 8.274 6.304 10.822 4.706 2.30 注：Rn和Hg的浓度Q的单位分别为kBq·m−3和ng·m−3；Qmean，σ，Qmean＋σ/2，Qmean－σ/2，Qmax和Qmin分别为每条测线上浓度的平均值、标准偏差、异常上限、异常下限、最大值和最小值；KQ为断层活动性指数。
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表 3 土壤气剖面的平均浓度Q和释放通量F
Table 3 The average values of concentration Q and flux F at each soil gas section
剖面 FCO2/（g·m−2·d−1） FRn/（mBq·m−2·s−1） FHg/（ng·m−2·h−1） QCO2 QRn/（kBq·m−3） QHg/（ng·m−3） BYWL 11.76 39.07 7.46 0.09% 13.375 11 ZYG 15.17 12.71 0 0.23% 7.174 10 DLG 10.52 22.82 0 0.10% 2.452 12 NRWBEGC 9.38 17.25 3.69 0.22% 9.394 10 WLBX 6.54 5.17 0.62 0.13% 2.117 10 平均值 10.67 19.40 2.35 0.15% 6.902 11
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表 4 土样化学组分分析测试结果
Table 4 The test results of chemical composition analysis of soil samples
剖面 CU/（Bq·kg−1） CTh/（Bq·kg−1） CRa/（Bq·kg−1） CK/（Bq·kg−1） TC含量 CHg/（ng·g−1） BYWL 39.8 46.2 28.7 616 0.972% 1.54 DLG 24.2 36.8 23.7 546 0.762% 13.30 NRWBEGC 40.2 52.7 30.6 944 0.163% 5.67 WLBX 17.6 17.6 13.0 553 0.577% 5.85 ZYG 8.1 44.5 27.2 559 2.420% 28.90 注：所采土样于2017年8月由核工业地质研究所进行检测；C为质量活度。
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