引言

固体地球内部含有大量气体，这些气体是最活跃且最易运移的物质组分，尤其是地幔中的气体或挥发份会发生脱气作用而被运移至壳内或地表（陶明信等，2005），并且在一定的构造条件及地表覆盖条件下富集，表现为某些气体成分的浓度偏高，从而反映出固体地球内部的构造信息及深部地球化学信息。基于气体的构造地球化学观测已广泛应用于地震地质等相关研究之中，包括断裂构造活动、隐伏型活动断裂探测、地震与火山活动观测等（Fu et al，2005，2017a；Weinlich et al，2006；Lombardi，Voltattorni，2010；Li et al，2013；Neri et al，2016）。地下气体组分（H₂，Rn和CO₂等）能够客观地、灵敏地反映地壳的应力应变状态（李营等，2009）。而地震活动前后，通常能够从断裂带上捕获到气体组分浓度异常的信息。Ito等（1999）对日本中部约罗（Yoro）活动断裂带的分析结果表明，1998年名古屋（Nagoya）M5.4地震及之前4次微震的震前、震时均观测到了流体H₂异常；Barman等（2016）在印度西孟加拉地邦巴克斯瓦尔（Bakreswar）地热活动区的观测研究表明，²²²Rn的异常信号与相关地区的地震活动高度相关；Fu等（2017b）分析了2016年我国台湾美农M_L6.6地震前两周内，位于不同位置的土壤气观测站点同步观测到的土壤Rn异常，其结果反映出孕震阶段土壤气体浓度的变化；Weinlich等（2016）在捷克波西米亚地震活动区，观测到2008年新教堂（NovýKostel）震群事件震前CO₂浓度降低，偏离正常的年变曲线，并在地震发生时异常结束。因此，H₂，Rn和CO₂等气体的地球化学特征与地震活动之间存在某种确定的联系，可以将其作为前兆监测的有效手段之一。同时，气体地球化学在隐伏断层探测方面也有广泛的应用，Fu等（2005）在台湾南部通过多剖面多气体组分的观测确定了He和CO₂气体异常与潮州隐伏活动断裂之间的联系；Yuce等（2017）通过Rn和CO₂浓度的观测证实了阿米克盆地死海（Dead Sea）断裂与卡拉苏（Karasu）断裂之间推测的隐伏断裂存在。大量活动断层的地球化学探测研究也表明，断裂带土壤气体浓度曲线特征不仅能显示断层的位置，而且能反映断裂的规模、产状、活动性等地壳内部构造信息（刘菁华等，2006；周晓成等，2011；张慧等，2013；李源等，2018）。然而，气体地球化学在活断层探测方面的应用更多地受制于地壳地球物理条件、地质构造特征以及覆盖层介质的物性状况等，在缺乏翔实的地球物理探测资料的前提条件下，气体地球化学探测结果与地质构造间的确切关系往往较模糊。在 “新乡市活动断层探测与地震危险性评价” 项目的支持下，通过地球物理与跨断层联合钻孔详勘等方法获取了汤东断裂带的精确位置、构造特征以及活动年代等信息。本文拟通过多期跨断层气体地球化学流动监测，分析汤东断裂带土壤气体的分布特征，进一步探讨气体地球化学观测的构造基础，并获取气体地球化学观测的关键指标。

目前，汤阴地堑地下流体监测的主要手段为地下水位、水化学等指标，气体地球化学监测基础相对薄弱。因此，在汤东断裂带开展气体地球化学研究可以为汤东活动断裂带的进一步精准地球化学监测提供理论基础，亦可为区域经济社会发展规划与震害防御工作提供科学依据。

1.   研究区概况和研究方法

1.1   研究区概况

汤阴地堑位于太行山隆起区与华北平原沉降区的交会区域（图1）。汤阴地堑是太行山隆起与内黄隆起之间的一个北东向凹陷，其东西边界分别受汤东断裂带和汤西断裂控制，南北分别被新乡—商丘断裂和安阳南断裂所控制。新构造运动时期，汤阴地堑受NNE-NE向断裂控制，汤东断裂带和汤西断裂形成了北东向地堑，其基底为三叠系地层，主要发育于古近纪，最大厚度达2 500 m；新近纪以后，汤阴地堑在整体下沉的基础上继承性下降，最大沉积厚度约为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）。本文主要研究目标为汤东断裂带主断裂，是汤阴地堑的东部构造边界，走向NNE，倾向NW，以正断层活动为主，全长约为100 km，断层倾角在近地表约为50—60°，向下逐渐变缓，在4 000—4 500 m深度近于水平，是典型的铲型断层，其最新活动时代为晚更新世早期（中国地震局地球物理勘探中心，2016）。深地震反射剖面结果表明，汤东断裂带下方存在一条高角度断裂带，该断裂带切割了岩石圈底界，属于岩石圈尺度的深大断裂（中国地震局地球物理勘探中心，2016），具有大地震发生的构造背景。该断裂带是本文研究区的主要发震构造，规模较大、活动性较强，对河南省新乡市城区有着较高的地震危险性。公元344年M6卫辉东、1737年M5½封丘、1814年M5½汤阴和2008年M_L4.8封丘地震均发生在该断裂带周边。

图  1  研究区区域构造及测线位置

F₁：汤西断裂；F₂：汤中断裂；F₃：汤东断裂带；F₄：新商断裂；F₅：盘古寺断裂；F₆：凤凰岭断裂

Figure  1.  Regional geology structure and location of observation lines for the target fault

F₁：Tangxi fault；F₂：Tangzhong fault； F₃：Tangdong fault zone； F₄：Xinshang fault；F₅：Pangusi fault；F₆：Fenghuangling fault

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1.2   研究方法

在充分参考汤东断裂带地球物理与跨断层详勘资料（中国地震局地球物理勘探中心，2016）的基础上，选取跨断层联合钻孔详勘两条剖面XZ₁和XZ₂ （图1），即南端的张河村与北端的邢李庄所在位置进行跨断层土壤气流动观测。每条测线以断裂带为中心，以15—30 m为间距布设测点，依次进行气体观测。野外监测工作分别于2017年10月、2018年1月和6月进行，测量时用钢钎在测点并列打两个深度约为0.8 m的钻孔，将气体取样器置于孔内，封住孔口，用硅胶管连接便携式Rn、痕量H₂监测仪和便携式多组分监测仪，分别进行土壤H₂，Rn和CO₂浓度的现场测定。Rn浓度用Alpha GuARD P2000测氡仪测定，仪器灵敏度50 cpm/（kBq·m⁻³），仪器校准误差小于3%；H₂浓度用杭州超距ATG-300H便捷式测氢仪测定，仪器检出限为5×10⁻⁹ L，仪器校准误差小于5%；CO₂浓度用德尔格多气体检测仪测定，仪器灵敏度为0.1%，量程为5%。由于土壤层的气体释放不稳定，监测过程中观测数据不断变化，因此在每测点气体浓度测定期间（15 min内）， H₂和Rn分别测量5个和10个观测数据，H₂取最大值作为该测点气体观测值，Rn取最后8个观测数据的平均值作为观测值。最后，运用EXCEL和SPSS13.0软件对所获观测数据进行统计分析处理。

2.   结果与分析

2.1   断裂带气体分布及季节动态

张河测线位于汤东断裂带南端，全长800 m，分别于2017年10月和2018年1月、6月进行了分期测量，数据统计结果列于表1。可以看出，H₂浓度介于1.07×10⁻⁶—110.40 ×10⁻⁶，且各测量期次间H₂浓度表现为6月显著高于10月和1月（p＜0.05，p表示显著水平），而1月又略高于10月。总体上，H₂浓度在测线上分布的离散程度较高，空间差异较大，其中，6月H₂浓度的四分位间距和标准差最大，峰值与背景值的比值（峰背比）较大，测点间浓度差异程度显著，对断裂破碎带的指示作用最为明显。而Rn浓度介于4.64—46.70 kBq/m³之间，各测量期次之间未呈显著差异，6月Rn浓度略高于其它两期。总体上，Rn浓度在测线上分布的差异较明显，其中，6月Rn浓度的四分位间距、标准差以及峰背比最大，数据离散程度较高，对断裂破碎带的指示效果较明显。虽然仅测量了1月和6月两期的CO₂浓度，且测点间距较大，但CO₂浓度总体上依然能够较好地指示断裂破碎带的位置，且与两期次所测H₂和Rn浓度的吻合程度较高。CO₂浓度值介于0.15%—5% （超过仪器量程），且6月浓度显著高于1月（p＜0.05）。

表  1  汤东活动断裂带土壤气H₂，Rn和CO₂浓度分布特征

Table  1.  Statistics on characteristics of soil H₂，Rn and CO₂ concentrations on Tangdong active fault zone

测线	指标	时间	测点数	最大值	最小值	平均值	中值	下四 分位	上四 分位	四分位 间距	标准差	峰背比	背景值
张 河 村	H2/10−6	10月	34	23.70	1.07	6.29	5.00	2.38	10.67	8.29	5.25	4.39	8.93
		1月	32	44.42	2.78	8.47	6.02	4.36	8.14	3.78	8.32	6.75
		6月	30	110.40	1.58	21.47	13.65	5.61	26.10	20.49	25.85	8.02
	Rn/（kBq·m−3）	10月	34	38.14	8.56	18.20	17.56	14.08	21.47	7.39	6.66	2.25	17.38
		1月	32	37.35	9.76	17.54	17.01	13.45	19.81	6.36	5.72	2.21
		6月	30	46.70	4.64	19.68	17.52	13.63	25.05	11.42	8.89	2.58
	CO2	1月	17	0.54%	0.15%	0.29%	0.22%	0.19%	0.40%	0.21%	0.12 %	1.99	—
		6月	16	5.00%	0.73%	2.00%	1.47%	0.92%	3.13%	2.21%	1.34%	2.78
邢 李 庄	H2/10−6	10月	33	82.19	11.41	37.62	34.83	22.76	49.09	26.33	17.77	2.35	41.20
		1月	30	185.3	10.6	58.70	44.48	19.71	77.17	57.46	47.57	3.98
		6月	30	87.79	0.27	34.81	30.94	16.26	44.26	28.01	24.73	2.82
	Rn/(kBq·m−3)	10月	33	62.60	10.11	28.39	24.91	19.69	36.72	17.04	12.67	2.38	29.00
		1月	30	62.21	14.0	35.29	33.93	24.08	45.28	21.20	12.48	1.81
		6月	30	59.96	7.52	24.58	22.01	12.69	33.35	20.66	14.02	2.71
	CO2	1月	16	0.78%	0.16%	0.38%	0.36%	0.19%	0.50%	0.31%	0.20%	2.22	—
		6月	14	2.00%	0.52%	1.09%	0.98%	0.63%	1.53%	0.91%	0.51%	2.04

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邢李庄测线位于汤东断裂带北端，全长约为700 m，土壤气测量工作与张河测线同期进行。此测线上，H₂浓度介于0.27×10⁻⁶—185.30 ×10⁻⁶之间，各测量期次间差异明显，1月H₂浓度显著高于6月和10月（p＜0.05），10月又略高于6月，其中1月四分位间距、标准差和峰背比最大，H₂浓度的差异程度较高，对断裂位置的指示作用明显。Rn浓度介于7.52—62.60 kBq/m³，各期次数值差异明显，1月Rn浓度显著高于6月和10月，10月又略高于6月，与各期次的H₂浓度相似。CO₂浓度介于0.16%—2.00%之间，6月显著高于1月（p＜0.05），总体上，CO₂浓度分布也能指示断裂带的存在，尤其与Rn浓度分布的吻合程度高。

2.2   断裂带气体活动背景值

取两测线各期次对应测点的H₂浓度和Rn浓度的平均值作为各测点综合观测值，对数据进行K-S非参数检验，除张河测线的H₂ （p＝0.03）外，其它气体的浓度综合观测值均符合正态分布，因此取综合观测值的平均值作为各组分的背景值。为避免极值对背景值所产生的影响，剔除极值后取平均值作为组分活动背景值（Walia et al，2009；Zhou et al，2017），本文将大于平均值加2倍均方差的值视为极值，以剔除极值后的背景值加2倍均方差作为气体异常点判定下限（Baubron et al，2002；Fu et al，2005），异常幅度以峰背比来表征。

图2给出了张河村测线H₂，Rn和CO₂浓度的分布情况。可见该测线的H₂和Rn浓度各期次观测值的分布特征相似，高值点的重现性较好，观测结果的可信度高（图2a，c）。从3期对应测点的平均值来看，平均值曲线与各期次曲线间有较好的对应关系，H₂和Rn浓度高值点的同步性较好（图2b，d）；H₂和Rn气体背景值分别为（8.93±3.92）×10⁻⁶，（17.38±4.28） kBq/m³。在90—185 m距离处，H₂和Rn的浓度同步出现高值异常，峰背比分别为5.1和2.3。此外，在480 m距离处H₂浓度也出现高值异常（图2b），Rn在此处虽未达到异常限，但也同步出现峰值（图2d）。与此同时，CO₂浓度在H₂和Rn浓度异常部位也同步出现峰值（图2e）。

图  2  张河村测线H₂ （a，b），Rn （c，d）和CO₂ （e，f）浓度的分布特征

Figure  2.  Distribution characteristics of soil H₂ （a，b），Rn （c，d） and CO₂ （e，f）concentrations on Zhanghecun measurement line

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将测点各组分浓度值与相应组分最大值之比作为各组分浓度的相对值，相对值分析结果（图2f）显示，H₂，Rn和CO₂浓度的曲线形状相似，高值点吻合程度高。地球物理与跨断层联合钻孔详勘结果表明，主断裂在距离测线320 m处（中国地震局地球物理勘探中心，2016）。本文的监测结果显示，主断裂以西135 m和230 m距离处，以及该主断裂以东130 m距离处，H₂，Rn和CO₂浓度显示同步相对高值（图2f），与地球物理与跨断层联合钻孔详勘结果基本一致，表明观测气体组分对断裂带有较好的指示作用。

图3给出了邢李庄测线H₂，Rn和CO₂浓度分布情况。该测线各期次土壤H₂和Rn浓度的分布特征相似，高值点重现性较好（图3a，c）。从3个期次对应测点的平均值（图3b，d）可以看出，平均值曲线与分期测量曲线间有较好的对应关系，曲线形态能够反映断裂带的位置；该测线H₂和Rn浓度的背景值分别为（41.20±16.64）×10⁻⁶和（29.00±8.28） kBq/m³；H₂浓度在测线270 m和330—345 m距离处出现高值异常，而Rn在270—285 m处出现同步异常，此外Rn在30—60 m处也显示高值异常。而CO₂浓度在H₂和Rn同步异常的部位也出现峰值（图3e）。

图  3  邢李庄测线H₂ （a，b），Rn （c，d）和CO₂ （e，f）分布特征

Figure  3.  Distribution characteristics of soil H₂ （a，b），Rn （c，d） and CO₂ （e，f）concentrations on Xinglizhuang meansurement line

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H₂和Rn浓度相对值的分析结果显示，二者的曲线形态特征相似，尤其在270 m处高值异常部位吻合得非常好（图3f）。地球物理与跨断层联合钻孔详勘结果显示，主断裂位于测线210 m处（中国地震局地球物理勘探中心，2016）。本文的气体监测结果显示，H₂和Rn浓度在主断裂以西60 m处出现同步高值异常，与地球物理与跨断层联合钻孔详勘结果基本一致，表明气体地球化学异常与断裂破碎带之间存在较好的对应关系，气体组分高值异常为断裂存在的地表显示。

3.   讨论与结论

3.1   气体地球化学特征的构造基础

断裂带气体异常是地壳应力应变特征的反映，在构造应力作用下，岩层产生构造变形，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）。断裂破碎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。众多断层气观测实践表明，在断裂带附近可观测到土壤H₂，Rn和CO₂等气体组分异常，且气体异常程度与岩层的破碎程度密切相关（Fu et al，2005；刘舒波等，2012；Kumar et al，2017；Yuce et al，2017）。汤东断裂带的观测结果显示，沿张河村测线与邢李庄测线的H₂，Rn和CO₂气体高值异常均出现在主断裂附近，主要异常点出现在断裂带上盘位置距主断裂60—130 m距离处，张河村测线的气体观测效果更为明显，各观测期次间各观测组分的同步性较好。地球物理与跨断层联合钻孔详勘结果表明，张河村测线上主断裂的上断点埋深为77 m，邢李庄测线上断点埋深为114 m，主断裂的最新活动时期为晚更新世早期（中国地震局地球物理勘探中心，2016）。本文气体观测结果与地球物理探测结果之间的对应关系较好，土壤气体高值异常是断裂破碎带存在的表征，H₂，Rn和CO₂能敏感地指示断裂带的位置。断裂带的高渗透性为气体运移提供了优越条件，同时也是气体地球化学观测的构造基础。然而气体高值异常点出现在主断裂以西的上盘位置，而非主断裂带所在位置，这与汤东断裂的构造变形性质和活动习性密切相关。该断裂为右旋走滑正断型，走向为NEN，倾向NW，断裂错断过程中上盘更容易形成大量的次级断裂或裂隙，这些裂隙构成了内部气体运移的通道，导致气体组分在上盘构造的有利部位强烈释放。而主断裂本身可能因为挤压、走滑被断层泥、糜棱岩等物质胶结，通透性降低、导气作用弱化从而导致气体不易逸散。汤东断裂带的地球物理勘探结果（中国地震局地球物理勘探中心，2016）也表明，在主断裂以西存在多条次级断裂，次级断裂和裂隙的存在对地壳深浅部气体的释放有积极作用。

3.2   断裂带气体来源及迁移

土壤气体成分来源多样，由来自地幔及地壳深部、地壳浅部、沉积层以及大气的气体成分在近地表土壤层混合交织而成，且成因复杂。不同来源的H₂在近地表混合，构成气体活动的背景值，断裂带的存在极大地增强了土层的渗透性，增强了深部与浅部来源间的联系，使断裂带的特征突显于背景之上。H₂的生成机制主要包括：① 新鲜矿物表面的水岩作用（Sugisaki et al，1983），② 超基性铁镁质岩体在一定水热条件下的氧化还原反应（Seyfried et al，2007；Yoshizaki et al，2009），③ 含碳酸盐岩岩层中来自深部的富含CO₂，CH₄，H₂，H₂O的化学活动性流体与碳酸盐岩围岩发生化学反应（Sun et al，2017），④ H₂O在放射性条件下的辐射分解作用（Dubessy et al，1988），⑤ 土壤中的生物作用等（Eisbrenner，Evans，1983；Sugimoto，Wada，1995；Peters，Conrad，1996）。对于汤东断裂而言，H₂来源可能与上述①，③，⑤过程有关，汤东断裂带主断裂是晚更新世以来的活动断裂，断裂错动过程中，新生的破裂岩体表面的新鲜矿物与水之间发生水岩作用，流体中质子的活性被改变，在新形成的矿物表面生成硅醇基，进而生成大量的氢离子和氢气（Sugisaki et al，1983；Saruwatari et al，2004）。同时，汤阴地堑所在的中下地壳存在低速体，在其东侧下部存在一条高角度的深大断裂（刘保金等，2012；中国地震局地球物理勘探中心，2016）。在此种构造条件下，汤东断裂切穿沉积盖层，深入结晶基底，通过深大断裂与低速体甚至上地幔连通，富含CO₂，CH₄，H₂，H₂O的化学活动性流体沿该断裂带向上运移，与寒武系、奥陶系灰岩相互作用并通过机制③生成部分H₂，继而沿断裂带逸出。此外，生物作用生成的H₂也可能是H₂的重要来源。位于汤阴地堑北部的安阳南断裂的痕量氢定点连续监测（观测井深8 m）数据的周年动态分析结果表明，H₂浓度与地温、气压呈极显著正相关关系（p＜0.001），12月至1月的H₂浓度达到峰值。而张河村测线的数据监测结果显示，夏季（6月底）H₂浓度显著高于1月和10月，这可能与两条测线表层的土壤质地有关，张河村测线为砂质土壤，质地疏松多孔，而邢李庄测线为黏质土壤，孔隙度相对较低。夏季，在强烈的生物作用下，表层土壤生物活动生成的H₂在裂隙和孔隙发育的部位强烈逸出。

汤东断裂带的Rn观测结果也显示，Rn与H₂、CO₂在断裂带附近同步出现高值异常。Rn主要来自土壤或岩层中铀、钍、镭等放射性物质衰变。Ciotoli等（2007）指出，氡是断裂和地震活动最有效的示踪剂之一，对地震的构造过程有重要的指示作用，对地震活动前的构造应力积累也有很好的反映（Fu et al，2008；Walia et al，2008)。土壤Rn浓度异常与活动断裂的位置密切相关（Kumar et al，2017）。由于Rn的地球化学性质，²²²Rn不能通过扩散迁移机制进行长距离传输，但可通过载气输送到岩石或地表的孔隙空间中（Yuce et al，2010，2017）。而CO₂作为Rn的优良载气，通过CO₂的作用使Rn长距离迁移，因此能通过Rn与CO₂的关系对Rn的迁移机制进行深入解析（Sciarra et al，2018）。在这种被动的迁移机制的作用下，二者在Rn与CO₂的散点图中可能表现为Rn浓度随CO₂浓度的增加而增加；此外，Rn浓度的增加也可能是由于气体的浅部循环使得Rn在土壤孔隙空间中的积累所致。从图4a可以看出：Ⅰ部分Rn的浓度不随CO₂浓度而增加，高浓度的Rn可能主要由于土壤浅部循环积累而形成；Ⅱ部分则表现为Rn浓度随CO₂浓度快速增加，Rn浓度的增加则可能反映地壳深部信息；而Ⅲ部分则表现为CO₂浓度快速增加，而Rn变化缓慢，高浓度CO₂可能是由于CO₂的水平迁移作用造成的。而图4b是夏季（6月底）的观测结果，可以看出Rn可以分为两部分，Ⅰ部分与图4a相似，Ⅱ部分则包含图4aⅡ和Ⅲ部分信息。对比图4a与图4b可以看出，冬季观测结果能将Ⅲ部分划分开来，但夏季则会同Ⅱ混合在一起，主要是由于夏季生物化学作用强烈，CO₂浓度快速增加，掩盖了图4a中的Ⅱ部分信息。由此可知，汤东断裂带气体可能包括深部来源信息。同时，研究区也存在深部物质来源的构造基础，汤阴地堑所在的中下地壳存在低速体，且汤东断裂下部存在一条高角度深大断裂（刘保金等2012；中国地震局地球物理勘探中心，2016）。Zhang等（2016）等对北京西部盆岭山区的泉水溶解气体³He和⁴He与δ¹³C研究表明，包含幔源信息的同位素值与地震层析成像P波速度负异常之间有很好的一致性。至于汤东断裂带深部气体来源及贡献尚需进一步进行气体成分分析与同位素组成研究。

图  4  2018年1月（a）和6月（b）汤东断裂Rn浓度与CO₂浓度的相关性

Ⅰ表示气体浅部循环，Ⅱ表示可能包含部分深部来源气体，Ⅲ表示气体水平迁移

Figure  4.  The relationships between Rn and CO₂ concentration in Tangdong active fault zone

Ⅰ indicates that Rn mainly comes from shallow gas circulation，Ⅱ indicates that the fault gases could contain partial deep-source information，Ⅲ indicates that CO₂ mainly comes from gas horizontal migration

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综上，汤东断裂带两测线不同测量期次H₂，Rn和CO₂浓度存在较好的同步性与重现性，断裂带附近显示高值异常，与活断层探测结果之间有较好的对应关系，气体高值异常是断裂存在的表征，且H₂，Rn和CO₂能敏感地指示断裂带位置。气体异常主要受断裂构造控制，汤东断裂带下方的深大断裂和汤阴地堑中下地壳的低速体对深部气体释放有重要作用，气体组分可能蕴含部分地壳深部信息。鉴于H₂，Rn和CO₂作为构造地球化学观测指标的敏感性与有效性，应对目标断裂的构造活动性进行长期连续观测，同时进一步开展气体组分来源与贡献研究，以强化气体地球化学指标对断裂构造活动性的指示意义，增强区域防震减灾工作的有效性。