Geochemical characteristics of soil gases on the Huangzhuang-Gaoliying fault in Beijing and their indications for seismic activity
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摘要: 通过对2017年5月土壤气CO2，Rn和Hg的野外流动测量以及2020年9月1日至2021年6月30日期间土壤气监测站Rn的连续监测，利用残差法和地震指数KS方法对黄庄—高丽营断裂南北段的活动差异和区域地震活动进行了分析。结果表明，与首都圈地区其它断裂相比，黄庄—高丽营断裂是首都圈地区活动性相对较强的活动断裂，断裂北段的土壤气体浓度和通量较南段更高，且北段上盘的CO2和Rn浓度明显高于下盘，指示断裂北段具有更强的活动性。对土壤气连续监测站数据进行分析，结果显示监测站的Rn浓度与气温、土壤温度和气压之间无明显相关性。2021年3月25日北京顺义ML3.0地震前6天，监测站记录到Rn浓度出现异常升高，增加了一倍，且震后异常持续了一个月。顺义ML3.0地震前后Rn浓度的异常变化表明监测站的土壤气Rn浓度对KS＞0.1的地震有很好的响应。Abstract: Based on the field flow observation of soil gas （CO2, Rn and Hg） in May of 2017 and continuous monitoring of soil gas Rn from September 1, 2020 to June 30, 2021, the residual signal and seismic index KS are used to study the activity difference between the south and north segments of Huangzhuang-Gaoliying fault and their regional seismicity. The results indicate that this fault is a relatively active fault compared with other faults in the capital circle region of China. The concentrations and fluxes of the soil gases in the north segment of the fault are higher than those in the south segment. And the CO2 and Rn concentrations in the hanging wall of the northern segment are significantly higher than those in the footwall. These indicate that the northern segment of the fault has stronger activity. Analyses on the continuous monitoring station data of soil gas Rn show there is no significant correlation between Rn concentration and air temperature, soil temperature, and air pressure. The Rn concentration at the monitoring station, six days prior to the Shunyi ML3.0 earthquake on March 25, 2021, was recorded to significantly increase, which doubled and persisted for a month after the earthquake. The anomalous variations of Rn concentration before and after the Shunyi ML3.0 earthquake indicate that the soil gas Rn concentration at the monitoring station exhibits a strong response to earthquakes with KS＞0.1.
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Keywords:
- soil gas /
- geochemistry /
- seismicity monitoring /
- Huangzhuang-Gaoliying fault
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引言
活动断裂带是地球内部物质和能量交换的主要地带，因其贯通了地球深部系统（岩石圈）和地表系统（土壤圈—生物圈—水圈—大气圈）而成为地球强烈脱气的重要通道（Wakita et al，1980；陶明信等，2005）。已有研究认为，构造演化和地震孕育过程中，地球内部物质迁移、能量释放及应力变化均可能导致活动断裂带出现气体地球化学异常（陈志等，2014；Yuce et al，2017；刘兆飞，2020）。因此，这些经由活动断裂带释放的气体必然携带着丰富的反映地球内部动力学过程及孕震介质物理、化学演化等的重要信息，这些气体的地球化学特征及异常变化可为地球内部地震孕育及断裂活动监测提供重要的科学依据（Zheng et al，2013；Chen et al，2018）。
近年来，随着气体地球化学流动观测技术及相关学科基础研究的飞速发展，活动断裂带土壤气体地球化学流动观测技术发展迅猛（周晓成，2011；Miklyaev et al，2020）。大量观测研究显示，活动断裂带土壤气体（Rn，Hg，CO2等）的释放强度常与区域构造演化及地震活动密切相关（郭正府等，2017；Shukla et al，2020），且断裂带的活动性越强，其土壤气体释放强度就越大（王江等，2017；Yang et al，2018），因此借由活动断裂带土壤气体（Rn，Hg，CO2等）的地球化学特征变化能够识别隐伏断裂（Chiodini et al，1999；Li et al，2013；Fu et al，2017b）。在新疆北天山活动构造带，土壤气体CH4和CO2的释放强度与各断裂带的活动强度及破裂程度呈正相关（Chen et al，2019）。唐山地区土壤气Rn，Hg和CO2浓度高值沿唐山断裂带的集中分布，进一步表明活动断裂带为地球深部气体的逸出通道（李营等，2009；Li et al，2013；李静等，2018）；且随该区域地震活动强度的增大，唐山断裂带土壤气CO2，Rn和He浓度明显上升（Han et al，2014）。此外，唐山大地震等强震形成的构造破碎区，至今仍是地球脱气的重要通道（Zhou et al，2016；Chen et al，2018）。
北京市作为我国的政治、经济和文化中心，市区及其周边地区的地震活动情况一直是全社会关注的焦点。黄庄—高丽营断裂为北京市及其周边地区活动性较强的断裂之一，规模较大，跨越北京市南北，并且该断裂历史上曾发生过多次较强烈的地震。自2019年4月至2021年3月，研究区内连续发生5次ML3.0—3.5地震。然而，目前关于黄庄—高丽营断裂仅见少数构造地质、大地测量和地球物理探测方面的报道（徐锡伟等，2002；张磊等，2017a），构造活动性方面的分析较为欠缺。鉴于此，本文拟对断裂带土壤气体地球化学进行分析研究，深入剖析黄庄—高丽营断裂及其不同段的构造活动性特征，并通过建立土壤气Rn连续监测站对区域内的地震活动进行监控，以期揭示黄庄—高丽营断裂的活动性以及周边的地震活动，为北京市及其周边地区未来地震活动研判及跟踪观测部署提供参考。
1. 地震地质概况
北京市地处地震设防烈度Ⅶ度以上地区，自公元1 000年以来，影响该地区的强震（MS≥6.0）达25次之多（吴清，高孟潭，2018）。自1967年以来，北京地区小震震中主要沿黄庄—高丽营断裂和南口—孙河断裂分布，且多数地震发生于黄庄—高丽营断裂北部（杨景春等，1981）。自公元438年至2021年，黄庄—高丽营断裂附近发生M5.0地震12次，M6.0地震5次，1679年9月2日发生M8.0地震1次（图1）。
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图 1 研究区地质图（改自马丽芳，2002）及地震分布图F1：黄庄—高丽营断裂；F2：南口—孙河断裂；F3：顺义—良乡断裂。黑色圆圈代表公元438年12月24日至2020年5月26日的地震事件，蓝色圆圈代表2020年9月1日至2021年6月30日的地震事件（国家地震科学数字中心，2021a，b)；地裂缝位置引自刘明坤等（2014）、张磊等（2017a，b）和赵帅等（2018）；断裂数据引自邓起东等（2002）Figure 1. Schematic geological map （modified from Ma，2002） and earthquakes in this studyF1：Huangzhuang-Gaoliying fault；F2：Nankou-Sunhe fault；F3：Shunyi-Liangxiang fault. Black circles stand for the earthquakes from December 24，AD 438 to May 26，2020，and blue circles for those from September 1，2020 to June 30，2021 （National Earthquake Data Center，2021a，b）. The locations of ground fissures are cited from Liu et al （2014），Zhang et al （2017a，b） and Zhao et al （2018）. Fault data are cited from Deng et al （2003）黄庄—高丽营断裂北起北京市密云西田各庄，向南至河北省涞水附近，全长约145 km，总体走向北东，倾向南东，倾角为70°—80°，为新近纪隐伏断裂，是北京凹陷西界的主控断裂（图1；徐锡伟等，2002；张磊等，2017a）。该断裂主要表现为正断倾滑性质，在大灰厂等地显示出右旋逆走滑分量。断裂基岩深度附近垂直断距较大，向上延伸至第四系地层，产状逐渐变陡，呈“铲式”断裂的特点（汪良谋等，1990）。根据黄庄—高丽营断裂的构造特点，以永定河为界，将其分成南北两段，南段大部分出露地表，北段则隐伏于平原之下，断裂活动强度总体表现为北强南弱（徐杰等，1992）。断裂北段在全新世以来的强烈蠕滑变形过程中，沿断裂上盘诱发了线性分布的地裂缝、地面塌陷、墙体路面开裂等地质灾害现象，局部表现为“Y”字形断裂组合特征，断裂两侧第四系地层落差在高丽营附近达140—208 m，北段第四系地层的平均垂直位移速率为0.11—0.17 mm/a （焦青等，2005；张磊等，2017a，b）。而南段为晚更新世早期活动断裂，在芦井一带中更新统底界断距为14 m，上更新统底界断距为0.9 m，可能是1658年涞水M6.0地震的发震构造（周永恒等，2021）。黄庄—高丽营断裂附近上部地层为第四系松散堆积层，沉积物成因类型较简单，以河流相冲积物为主体，下覆地层主要为古新世页岩或泥岩，断裂两端少量出露侏罗系晚期二长花岗岩、中生代砂岩及古生代白云岩（冯利斌，2011）。
2. 土壤气体地球化学测量方法
2.1 土壤气体流动测量
在黄庄—高丽营断裂的北段西王路（XWL）剖面（剖面中心位置：116.5°E，40.2°N）和南段大灰厂（DHC）剖面（剖面中心位置：116.1°E，39.9°N）上，垂直断裂走向分别布置一条NW−SE方向的测线（图1），测线的中心尽量布设在该断裂附近。在测线上布置14—16个浓度测点，沿测线NW方向第一个测点记为点1，测点间距介于10—40 m不等，其间距随距断裂面距离的增加而逐渐增大（图2a）。另外，在断裂上、下盘各布设两个通量测量点，使其与断裂的距离分别为15 m和45 m。为降低土壤结构、生物干扰及气象变化对测量结果的影响，均选取土壤结构类似、远离人为活动、植被少且单一的地区布设测线，且均在一天之内完成每条测线的测量工作。
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图 2 土壤气测点布设 （a）、浓度测量方法 （b） 及通量测量方法 （c） 示意图Figure 2. Schematic diagrams for layout of measuring sites of soil gas （a） and measurement methods of soil gas concentration （b） and flux （c）土壤气野外流动测量采用与李营等（2009）和Chen等（2018）相同的方法。流动测量于2017年5月完成，该时段华北地区的气温相对稳定，且降雨较少，可以有效地避免整个野外测量期间气候因素带来的干扰和影响。土壤气Hg浓度和通量测量采用俄罗斯LUMEX公司生产的RA-915＋型塞曼效应（Zeeman effect）测汞仪，设定流速为10 L/min，检测限为2 ng/m3，标定误差为±3%。土壤气CO2浓度和通量测量采用北京华云分析仪器研究所有限公司生产的GXH-3010E型便携式红外CO2分析仪，设定流速为0.5 L/min，检测限为10−5，标定误差为±2%。土壤气Rn浓度测量采用德国SARAD公司生产的RTM2200检测仪，设定流速为0.5 L/min，检测分析限为67 Bq/m3，标定误差＜10%。土壤气Rn通量测量采用美国Durridge公司生产的RAD7检测仪，设定流速为1 L/min，检测限为4 Bq/m3，标定误差为±5%。
土壤气浓度测量流程如下：首先在测量点处用钢钎打一个深约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（图2b）。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。土壤气通量测量采取密闭气室法（图2c），该方法是目前国际公认的测量土壤气释放通量的最佳方法（Chiodini et al，1999；Kitto，2005）。土壤气通量测量是通过将半径为0.2 m的通量箱与仪器相连，而后记录密闭气室内气体的累积浓度值与时间之间的变化关系而得到。测量过程中，记录土壤温度和大气压力，并采集地下20 cm处的土壤样品。
土壤气通量F的计算公式如下（Chiodini et al，1999）：
$$ F＝\frac{{T}_{\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{d}}}{{P}_{\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{d}}}\cdot \frac{{V}_{\mathrm{c}}{P}_{\mathrm{c}}}{{{T}_{\mathrm{c}}A}_{\mathrm{c}}}\cdot \frac{{\mathrm{d}}{{c}}}{{\mathrm{d}}{{t}}}\text{，} $$ (1) 式中：Pstd为标准大气压强（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），dc/dt为通量箱里的浓度增加速率。
2.2 土壤气体Rn连续监测
土壤气Rn连续监测是在断裂附近野外测量结果高值点的位置开挖一个5 m深的井（图3），为便于气体循环，在集气孔底部铺设20 cm厚的砾石层，然后将北京赛睿环仪科技有限公司的NRSM-D01型地埋式土壤氡在线检测仪的探头置于井底，用黄土回填以便保持密封性。之后将在线监测仪与探头、太阳能供电系统、信号发射装置相连，每一小时记录一次土壤气体Rn浓度、气象数据和地下5 m处的土壤温度，并通过互联网传输至服务器。NRSM-D01型地埋式土壤氡在线监测仪的测量范围为200—5×107 Bq/m3，灵敏度≥0.02 cph/（Bq·m−3）；该仪器使用能谱法测量Rn浓度，可以区分土壤中的222Rn和220Rn，且该仪器为被动采样，避免主动采样对氡扩散的影响。
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图 3 土壤气Rn连续监测站的示意图（a）和实际施工图（b）以及探头安装图（c）Figure 3. Schematic diagram （a） and actual construction drawing （b） of continuous monitoring station of soil gas Rn and probe installation （c）3. 土壤气地球化学测量结果
在黄庄—高丽营断裂现场测量土壤气体组分CO2，Rn和Hg的浓度和通量，共获得90个浓度有效数据（表1）以及24个通量有效数据（表2）。由表1和表2可见本研究中，黄庄—高丽营断裂土壤气CO2，Rn和Hg浓度分别为0.17%—2.84%，2.76—33.68 kBq/m3和0—8 ng/m3；土壤气CO2，Rn和Hg通量分别为0—48.56 g/（m2·d），0—107.90 mBq/（m2·s）和0—28.89 ng/（m2·h）。
表 1 黄庄—高丽营断裂土壤气体浓度Table 1. The concentration of soil gases in the Huangzhuang-Gaoliying fault点位 CO2浓度 Rn浓度/（kBq·m−3） Hg浓度/（ng·m−3） 点位 CO2浓度 Rn浓度/（kBq·m−3） Hg浓度/（ng·m−3） DHC-1 0.71% 14.99 4 XWL-1 2.01% 26.21 5 DHC-2 0.68% 13.85 2 XWL-2 2.14% 20.77 4 DHC-3 0.42% 9.22 2 XWL-3 1.19% 17.88 5 DHC-4 1.19% 33.68 5 XWL-4 1.24% 19.69 4 DHC-5 0.64% 19.29 5 XWL-5 2.15% 28.37 4 DHC-6 1.63% 23.66 3 XWL-6 1.91% 33.07 5 DHC-7 0.55% 6.45 6 XWL-7 2.84% 22.86 3 DHC-8 0.81% 6.25 3 XWL-8 1.16% 23.32 3 DHC-9 0.94% 7.26 2 XWL-9 1.58% 29.92 8 DHC-10 0.42% 3.28 0 XWL-10 1.32% 20.84 1 DHC-11 0.71% 4.28 2 XWL-11 1.78% 27.36 5 DHC-12 0.83% 10.49 1 XWL-12 1.74% 28.57 4 DHC-13 0.17% 4.91 2 XWL-13 2.79% 22.99 2 DHC-14 0.50% 6.03 3 XWL-14 2.47% 31.12 4 DHC-15 0.54% 5.51 3 平均值 1.88% 25.21 4 DHC-16 0.32% 2.76 3 平均值 0.69% 10.74 3 表 2 黄庄—高丽营断裂土壤气体通量Table 2. The flux of soil gases in the Huangzhuang-Gaoliying fault点位 CO2通量
/（g·m−2·d−1）Rn通量
/（mBq·m−2·s−1）Hg通量
/（ng·m−2·h−1）点位 CO2通量
/（g·m−2·d−1）Rn通量
/（mBq·m−2·s−1）Hg通量
/（ng·m−2·h−1）DHC-1 26.03 24.25 28.89 XWL-1 48.56 54.01 0 DHC-2 25.29 16.46 0 XWL-2 29.95 45.32 15.81 DHC-3 13.05 0 0 XWL-3 17.55 50.20 0.27 DHC-4 0 1.01 0 XWL-4 24.59 107.90 0 平均值 16.09 10.43 7.22 平均值 30.16 64.36 4.02 本文使用的土壤气Rn连续监测站数据的时段为2020年9月1日至2021年6月30日，期间内XWL站Rn浓度为29 531.10—78 218.80 Bq/m3，平均值为53 112.71 Bq/m3；DHC站Rn浓度为1 241.56—18 278.80 Bq/m3，平均值为8 803.89 Bq/m3。
4. 分析与讨论
4.1 黄庄—高丽营断裂活动性分析
4.1.1 与首都圈其它断裂的活动性对比
首都圈地区为中国大陆地区的主要地震活动带之一，区域内大多数断裂为全新世以来的活动断裂，这些断裂活动性强，脱气强度大，自公元前231年以来共发生M5.0以上地震（包括1679年三河MS8.0地震、1976年唐山MS7.8地震）200余次（徐锡伟等，2002），部分活动断裂带的CO2通量最大值超过北方农田土壤CO2通量最大值的14倍（李静等，2018）。近年来，为了满足首都圈地震重防区地震活动监测工作的重大需求，地震系统相关部门已陆续在首都圈地区的主要活动断裂带开展了土壤气体的地球化学流动测量（Li et al，2013；Han et al，2014；李静等，2018；赵建明等，2018；Chen et al，2018），其中，王喜龙等（2017）通过野外流动测量系统地获取了首都圈地区18条主要活动断裂35个剖面上的土壤气体CO2和Rn浓度和通量测值。
随着断裂活动性的增强，岩石中通常会产生新的破裂，这会增强断裂带地层的渗透性，从而使地下裂隙连通，加速地球深部气体向地表的运移。因此，活动性较强的断裂，其土壤气体浓度及释放通量通常也越大（Baixeras et al，2001；苏鹤军等，2013；Yang et al，2018）。将黄庄—高丽营断裂DHC剖面和XWL剖面的土壤气体CO2和Rn浓度和通量的平均值与首都圈地区18条主要活动断裂上35个剖面的结果（所用仪器型号与本文一致，测量时间同为5月）进行对比，结果如图4所示，可见：黄庄—高丽营断裂XWL剖面上的CO2和Rn浓度平均值分别高于首都圈地区97%和92%的测量剖面（图4a），其CO2和Rn通量平均值分别高于首都圈地区46%和89 %的测量剖面（图4b）；DHC剖面上的CO2和Rn浓度平均值分别高于首都圈地区76%和73%的测量剖面，其CO2和Rn通量平均值分别高于首都圈地区19%和22%的测量剖面。夏垫断裂和唐山断裂是首都圈地区的两条超壳断裂，分别为1679年三河MS8.5地震和1976年唐山MS7.8地震的发震断裂。相较于这两条断裂，黄庄—高丽营断裂XWL剖面上的CO2浓度平均值高于夏垫断裂的三个测量剖面和唐山断裂的两个测量剖面，Rn浓度平均值高于夏垫断裂的一个测量剖面和唐山断裂的两个测量剖面，Rn通量平均值高于夏垫断裂的两个测量剖面和唐山断裂的两个测量剖面，CO2通量平均值高于夏垫断裂的一个测量剖面。上述对比分析表明，黄庄—高丽营断裂为目前首都圈地区活动性相对较强的活动断裂，可能存在一定的地震危险性。
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图 4 首都圈地区主要活动断裂带土壤气体CO2和Rn的浓度（a）和通量（b）的平均值对比图首都圈其它剖面数据引自王喜龙等（2017）；断裂数据引自邓起东等（2002）；DEM数据来自Bigemap软件Figure 4. Comparison of the mean values of the soil gas （CO2 and Rn） concentrations （a） and fluxes （b） in the fault zones in the capital areaThe data of other profiles in the capital circle region of China are cited from Wang et al （2017）。 Fault data are taken from Deng et al （2003），and DEM data are from Bigemap software4.1.2 土壤气体地球化学特征的影响因素
在非火山区，除断裂活动因素外，断裂带土壤气体地球化学特征还可能会受到季节（İnan et al，2012；Moreno et al，2016；Miklyaev et al，2020）、气象条件（Winkler et al，2001；Kitto，2005）、基岩类型（Baixeras et al，2001；Papp et al，2008）、植被及土壤化学组成（Lehmann et al，2000；Han et al，2014）等因素的影响。XWL和DHC剖面为同一断裂的不同段，直线距离约为46 km，这两条剖面均在同一天内完成测量，且测量期间无降雨。在测线布设时已选择植被相对较少的地区进行测量，以减少植被的影响。因此，气象条件和植被因素对土壤气体地球化学特征南北段差异的影响均可忽略不计。
在XWL剖面上，黄庄—高丽营断裂附近地层为第四系沉积物；在DHC剖面上，断裂上盘是震旦系灰岩，下盘为石炭—二叠系砂页岩（徐平，2006）。通常区域地层为花岗岩和酸性岩脉时，土壤气Rn浓度最高，其次为页岩、石灰岩和砂岩（Baixeras et al，2001）；此外，地下岩石中碳酸盐岩的分解也会导致土壤气CO2浓度的增加（王云等，2015）。但是本研究土壤气测量结果反而是XWL剖面的Rn和CO2浓度和通量均高于DHC剖面（表1和表2），因此岩石类型也不是影响区域土壤气体地球化学特征的主要因素。
对黄庄—高丽营断裂DHC剖面和XWL剖面地下20 cm土壤样品中的总碳（TC），Hg，U和Ra含量进行分析，结果显示两剖面的U和Ra含量相近，而DHC剖面土壤样品的TC和Hg含量远高于XWL剖面，分别为XWL剖面的5.5倍和1.7倍（表3）。但是，XWL剖面除了Hg通量平均值低于DHC剖面外，CO2和Rn浓度和通量的平均值以及Hg浓度平均值均高于DHC剖面（表1和表2），故土壤化学组成对地球化学特征的影响同样相对较小。
表 3 DHC和XWL剖面土壤样品中的TC，Hg，U和Ra的含量Table 3. The content of TC，Hg，U and Ra in the soil samples from the DHC and XWL profiles剖面 TC含量 Hg含量
/（ng·g−1）U含量
/ （Bq·kg−1）Ra含量
/ （Bq·kg−1）DHC 2.2% 91.0 25.2 20.0 XWL 0.4% 53.2 24.0 25.6 注：样品由核工业北京地质研究院分析测试中心进行检测 另外，土壤气体CO2浓度与Rn浓度呈强相关性，CO2通量与Rn通量也呈中等相关性，而Hg浓度与CO2浓度、Rn浓度和通量之间，除了Hg浓度与Rn浓度呈中等相关性外，其它均为极弱相关或无相关（图5）。由于CO2为Rn从地下向上运移的载气，CO2浓度与Rn浓度之间的强相关性表明，黄庄—高丽营断裂DHC剖面和XWL剖面上CO2和Rn气体主要受断裂活动的控制，断裂的活动增强了断裂带的渗透性，更有利于深部CO2和Rn气体的集中释放（Yuce et al，2017；Chen et al，2018）。
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图 5 黄庄—高丽营断裂土壤气体CO2，Rn和Hg浓度及通量相关性Figure 5. The correlativity among concentrations and fluxes of the soil gases CO2，Rn and Hg on Huangzhuang-Gaoliying fault因此，气象条件、基岩类型、植被及土壤化学组成均不是影响黄庄—高丽营断裂DHC剖面和XWL剖面土壤气地球化学特征差异的主要因素，两剖面的土壤气Rn，Hg和CO2的排放可能主要受断裂活动的控制。
4.1.3 南、 北段的土壤气地球化学特征对比
由于活动断裂是地下深部气体向上运移的良好通道，借由该通道来自地下深部的气体富集于断裂上方的土壤中。但由于断裂的活动性不同，地下岩石的破碎程度不同，同一条断裂的不同段通常会呈现不同的土壤气地球化学特征，并且断裂带土壤气的浓度和通量越高，断裂的活动性越强。因此，断裂带土壤气体地球化学特征是评估断裂活动的良好指标（Yang et al，2018；刘兆飞等，2019）。
据已有研究成果，在断裂带土壤气体浓度分布剖面中，高于异常上限的测值通常被视为与断裂活动有关的异常值，本研究将剖面土壤气体浓度平均值$\overline M $加上一倍标准偏差σ作为异常上限（张慧等，2010；赵振燊等，2011；刘永梅等，2016）。此外，由于断裂带内部裂隙发育不连续性，异常区域通常涵括连续异常区域之间较小的非异常区域（Seminsky et al，2013，2014；刘兆飞，2020）。
从黄庄—高丽营断裂南段DHC剖面土壤气体CO2，Rn和Hg浓度曲线图（图6a）中可以观察到，断裂下盘土壤气体CO2，Rn和Hg浓度出现异常，异常区域集中分布于距离断裂位置100 m的范围内，上盘土壤气体浓度略低于下盘。黄庄—高丽营断裂北段XWL剖面（图6b）中，在断裂附近出现了一个土壤气体CO2，Rn和Hg浓度异常区域。此外，在断裂上盘距断裂约100 m处也出现了一个土壤气体CO2和Rn浓度异常区域。整体上，上盘土壤气体CO2和Rn浓度明显高于下盘。张磊等（2017a，b）获取的浅层人工地震勘探资料揭示，黄庄—高丽营断裂北段为主断裂和次级断裂组成的“Y”字型断裂组合。该地震勘探剖面距离XWL剖面仅约2 km，故推断XWL剖面土壤气浓度曲线呈双峰形态是由于断裂上盘存在一个反向次级断裂。
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图 6 DHC剖面（a）和XWL剖面（b）土壤气体CO2，Rn和Hg浓度分布图Figure 6. Distribution of concentrations of soil gases CO2，Rn and Hg on the DHC profile （a） and XWL profile （b）对比黄庄—高丽营断裂南段DHC剖面与北段XWL剖面的土壤气浓度和通量结果显示，北段CO2，Rn浓度和通量以及Hg浓度明显高于南段，仅Hg通量低于南段，其中：XWL剖面土壤气体CO2，Rn和Hg浓度平均值分别为DHC剖面的2.7倍、2.3倍和1.4倍，XWL剖面土壤气体CO2和Hg浓度最大值分别为DHC剖面的1.7倍和1.3倍，XWL剖面的Rn浓度最大值接近于DHC剖面；XWL剖面CO2和Rn通量平均值分别为DHC剖面的1.9倍和6.2倍，CO2和Rn通量最大值分别为DHC剖面的1.9倍和4.4倍，Hg通量平均值和最大值仅为DHC剖面的0.6倍和0.5倍（表1和表2）。整体上，黄庄—高丽营断裂北段XWL剖面土壤气体浓度和通量均高于南段DHC剖面。
北京地区主应力方向和区域构造活动研究表明，黄庄—高丽营断裂的活动性具有明显的分段性，第四纪期间活动性由南向北逐渐增强，其南段第四纪活动不明显，北段第四纪活动强烈，平均滑移速率为0.11—0.17 mm/a，且北段近年来断裂活动持续增强（徐锡伟等，2002；焦青等，2005）。1967年以来发生在黄庄—高丽营断裂附近的地震，大多数集聚于断裂北部区段（杨景春等，1981）。另外，野外测量过程中，在黄庄—高丽营断裂北段地表可见规模性、集丛性的地裂缝（图1），多处有建筑墙体开裂和变形，裂缝宽度可达50 m，活动速率介于3.5—13.3 mm/a之间（刘明坤等，2014；张磊等，2017a），地裂缝的总体走向与所在位置断裂的走向一致，并存在持续向NE方向发展的趋势（赵帅等，2018）。郭萌等（2013）通过对探槽、物化探成果和地表裂缝监测数据的综合分析认为，黄庄—高丽营断裂北段形成的这些地裂缝为构造地裂缝，其形成和发育的控制因素和主要动力源于该断裂北段的构造活动。以上分析结果全面地揭示了黄庄—高丽营断裂北段的强构造活动，因此，本文推断黄庄—高丽营断裂活动北强南弱的特征是北段XWL剖面的土壤气体浓度和通量高于南段DHC剖面的主要原因。
4.2 土壤气连续监测站Rn浓度变化与地震活动的关系
为了更好地监测北京黄庄—高丽营断裂附近的地震活动，选取XWL剖面和DHC剖面土壤气Rn浓度最高的位置布设了两个土壤气体连续监测站，观测时间为2020年9月1日至2021年6月30日，共计303天，每小时记录一个数据。期间研究区发生了203个地震事件，其中M0—0.9地震事件155个，M1.0—1.9地震事件44个，M2.0地震事件3个，M3.0地震事件1个（图1）。
由于土壤气Rn的时间序列常呈日周期性变化（Barbosa et al，2010），因此本文采用连续监测站每日24小时的平均值，即日均值，来减小日周期性的影响（图7a）。从DHC连续监测站的日均值变化可以观察到，DHC站的Rn浓度日均值变化相对平缓，整体上呈“W”型，为下降—上升—下降—上升的趋势。两个低谷时间大致在2020年10月和2021年5月左右，最高峰大约出现在2021年1月。从XWL连续监测站的日均值变化可以观察到，XWL站的Rn浓度日均值整体呈下降—上升—下降的趋势，在2021年1月左右达到一个低谷后上升，于2021年4月到达最高峰，然后持续下降。土壤Rn浓度的时间序列也常呈现夏高冬低的季节变化特征（İnan et al，2012；Moreno et al，2016；Miklyaev et al，2020），由图7b可以发现XWL连续监测站受到季节的影响程度高于DHC连续监测站。然而，这并不是导致XWL连续监测站Rn浓度曲线在2021年4月明显变化的原因。
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图 7 土壤气连续监测站的Rn浓度小时值、日均值变化和研究区内的地震事件（a）以及土壤温度、气温（b）、气压（c）和日降雨量（d）Figure 7. Hourly variation and daily mean variation of Rn concentration at continuous monitoring stations of soil gas and earthquake events in the study area （a），as well as soil temperature，atmospheric temperature （b），atmospheric pressure （c） and daily rainfall （d）图7为连续监测站Rn浓度与气象条件之间的关系，可以看出，XWL和DHC连续监测站的气温、土壤温度以及气压变化曲线基本一致，相关系数分别为1.00，0.99和0.87。虽然XWL和DHC剖面连续监测站的日降雨量有所差异（相关系数为0.55），但两站的降雨季节、降雨时间基本相同，仅降雨量存在差异。因此，若降雨量影响Rn浓度的变化，则XWL和DHC连续监测站的Rn浓度曲线应同步变化，仅变化幅度不同。综上所述，XWL和DHC连续监测站所处的气象条件基本一致，因此气象条件不是导致XWL和DHC连续监测站Rn浓度差异的主要因素。
此外，固体潮（周期为14—15 d）对连续监测站Rn浓度的周期性影响同样不可忽视（Crockett et al，2006；Richon et al，2012；Barberio et al，2018），本文使用残差信号（residual signal）来消除固体潮的周期效应（Fu et al，2017a，b），Rn浓度的残差信号R（t）表示为：
$$ R{ （ }{t}{ ） }＝{R}_{\mathrm{R}\mathrm{n}}{ （ }t{ ） }－{\overline M}_{\text{Rn}} （ t ） ， $$ (2) 式中RRn（t）为某一时刻t的Rn浓度日均值，${\overline M}_{\text{Rn}} （ t ） $为t时刻之前14天Rn浓度的滑动平均值，即：
$$ {\overline M}_{\text{Rn}}{ （ }t{ ） }＝\frac{1}{14}\sum _{{t}{－13}}^{{t}}R_{\mathrm{R}\mathrm{n}} （ t ） {\text{.}}$$ (3) 地震活动也是影响土壤气连续监测站Rn浓度变化的一个重要因素，从图8a中可见：地震的时间序列和周频次与XWL连续监测站Rn浓度曲线呈现出相同的变化趋势。2021年3月至5月Rn浓度日均值出现明显的阶梯状突跳，明显偏离了正常浓度曲线，而在此时段内，2021年3月25日北京顺义发生了一次ML3.0地震，该地震距离XWL连续监测站仅约10 km，因此，该突跳极有可能是该地震所致。ML3.0地震发生前6天Rn浓度突然增高了1倍，且在震后一天达到了峰值，为144.81 kBq/m3；震后30天Rn浓度持续稳定在一个较高的水平；直至4月24日，Rn浓度才下降并恢复至正常水平，约67 kBq/m3。对于2021年3月25日ML3.0地震，XWL连续监测站的Rn浓度震前和震后异常持续时间总共约36天。
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图 8 土壤气连续监测站地震事件和地震周频次（a）、Rn浓度残差变化（b）以及XWL站（c）和DHC站（d）的KS值变化Figure 8. Earthquake events and their weekly frequency （a），variations of residual of Rn concentrations at continuous monitoring stations of soil gases （b），and KS variation at the stations XWL （c） and DHC （d）各地震事件的震级和震中距不同，其对连续监测站的影响也不同，为此本文使用地震指数KS来评估地震活动对连续监测站的影响（Molchanov et al，2003；Schekotov et al，2007），即
$$ {K}_{\text{S}}＝{ （ 1＋ {10}^{-0.5\text{M}}R ） }^{-2.33} \frac{{10}^{0.75M}}{10R} ，$$ (4) 式中，R为震中距，M为震级。
由式（4）可见，地震指数KS可以有效地评估地震释放能量随震中距的衰减，地震指数与连续监测站处的地震能量成正比（Molchanov et al，2003；Schekotov et al，2007）。Biagi等（2003，2006）通过地震指数和水文地球化学方法相结合研究了地震发生前后泉水中离子浓度、逸出气浓度和流速等异常变化的特征，并发现这些异常变化随着KS值的增大而增强。Shukla等（2020）通过地震指数和2009—2017年土壤气Rn连续监测数据对喜马拉雅加尔瓦尔地区中强地震的前兆异常进行了研究，结果显示86%的地震前土壤气Rn浓度出现异常。
DHC连续监测站的Rn浓度残差曲线相对稳定，在−2.13—4.13 kBq/m3之间波动（图8b），同时该监测站的KS值相对较低（图8d），且该站所处断裂位置的活动性较弱。因此，DHC连续监测站并未对地震活动呈明显的响应。而XWL连续监测站的Rn浓度残差从2021年3月19日开始增加，并在3月20日达到最高值，为63.71 kBq/m3；随后持续下降，在4月25日达到最低值，为−60.19 kBq/m3，并于5月7日恢复到正常水平（图8b）。从XWL连续监测站KS值（图8c）可以观察到，2021年3月25日ML3.0地震和2月16日ML1.8地震的KS值均高于0.1，但由于ML1.8地震震级过小，XWL连续监测站的Rn浓度并未出现明显的变化。因此，ML3.0地震的发生是导致XWL连续监测站Rn浓度变化的可能原因。综上所述，黄庄—高丽营断裂上的XWL连续监测站能够对该断裂附近的地震事件进行有效的监控。
花岗岩压裂实验已经证明，在低应力条件下，花岗岩中原始微孔隙闭合，这使得Rn浓度保持在背景值或较低水平，但随着应力的不断累积，岩石微裂隙发展、连通和破碎，进而导致Rn浓度不断升高（Girault et al，2017）。顺义ML3.0地震前，XWL连续监测站的Rn浓度曲线一直保持在一个相对稳定的水平（图7a），这可能意味着地震前监测站周围的应力水平较低。此外，距XWL连续监测站SW向830 m处有一条方世渠，距离4 km处有一条温榆河，这两条水体的存在使得XWL监测站附近地层中的孔隙水含量相对较高。由于孔隙水的阻碍，226Ra衰变释放α粒子时的反冲能量难以让Rn从孔隙水中逃离，降低了Rn的扩散系数，从而抑制了Rn的运移（Phong Thu et al，2020）。因此低应力条件和孔隙水的共同作用，使地表观测到的Rn浓度并没有呈现明显变化。根据Martinelli （1991）提出的膨胀-扩散模型可知：当构造应力增加时，微裂隙定向扩展并出现在岩石孔隙附近；随着应力的不断累积，岩石中的微裂隙逐渐发育和扩张；当微裂隙将岩石孔隙与断裂相贯通时，孔隙和微裂隙中的气体快速地沿着断裂缝隙向上运移。在顺义地震发生前的孕震阶段，应力挤压导致微裂隙逐渐定向扩展和贯通，使孔隙和微裂隙中的气体沿黄庄—高丽营断裂释放，因此在震前6天形成了Rn浓度高峰。在地震发生过程中，由于震中距仅为10 km，地震波的传播会导致孔隙和微裂隙的振动（Zafrir et al，2009），促进了Rn的释放，使Rn浓度在震后一天达到了最高峰。由于应力的释放，微裂缝逐渐闭合，这也导致震后Rn浓度逐渐降低。当微裂缝与断裂不再贯通时，孔隙水的阻碍使Rn浓度迅速降低，最终恢复至正常状态。
5. 结论
断裂带土壤气体地球化学是研究断裂活动性和地震活动监测的有效手段之一，本文在土壤气CO2，Rn和Hg野外流动测量的基础上，对比了黄庄—高丽营断裂南北段的活动差异，并确定了土壤气Rn连续监测站的建设位置；通过土壤气监测站2020年9月1日至2021年6月30日的监测数据，利用残差法和地震指数KS方法，对断裂附近的区域地震活动进行了分析。
土壤气流动测量结果表明，黄庄—高丽营断裂为首都圈地区活动性相对较强的活动断裂。与首都圈地区18条活动断裂土壤气体CO2，Rn和Hg浓度和通量相比，黄庄—高丽营断裂土壤气体CO2，Rn的浓度和通量以及Hg通量的最大值明显高于首都圈地区60%以上的断裂。
此外，在研究过程中发现，黄庄—高丽营断裂南北段存在活动性差异，断裂北段的活动性明显强于南段。断裂南段仅断裂附近存在土壤气体浓度异常区，断裂上盘土壤气浓度略低于下盘；而断裂北段在断裂附近和断裂上盘均出现土壤气体浓度异常区，且断裂上盘土壤气浓度明显高于下盘。整体上，断裂北段的土壤气体浓度和通量均高于南段。
与之前的研究相比，本文对黄庄—高丽营断裂的土壤气体地球化学特征进行了详细的研究，并首次在国内建立了土壤气体Rn连续观测站进行地震监测。本文结合残差法、地震指数KS以及XWL和DHC土壤气连续监测站的Rn浓度数据，对黄庄—高丽营断裂附近的地震进行了研究。研究显示监测站的土壤气Rn浓度与土壤温度和土壤压力无明显相关性。此外，对于2021年3月25日北京顺义发生的ML3.0地震，震中距10 km的XWL监测站Rn浓度震前和震后异常总共持续了36天，并在震前6天出现异常，Rn浓度增加了一倍。这表明监测站的土壤气Rn浓度对KS＞0.1的地震有很好的响应。
本文的研究结果对于监测北京市及其周边地区未来地震活动具有重要现实意义。但由于北京地区震例较少，且土壤气Rn浓度连续监测站布设时间较短，暂时无法系统地建立区域地震活动与Rn浓度之间的经验公式。因此，在黄庄—高丽营断裂以及其它地区还需进行更多的实地考察和监测，以进一步揭示土壤气体与断裂活动、地震活动之间的关系机制，并探索更准确有效的地震监测方法。
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图 1 研究区地质图（改自马丽芳，2002）及地震分布图
F1：黄庄—高丽营断裂；F2：南口—孙河断裂；F3：顺义—良乡断裂。黑色圆圈代表公元438年12月24日至2020年5月26日的地震事件，蓝色圆圈代表2020年9月1日至2021年6月30日的地震事件（国家地震科学数字中心，2021a，b)；地裂缝位置引自刘明坤等（2014）、张磊等（2017a，b）和赵帅等（2018）；断裂数据引自邓起东等（2002）
Figure 1. Schematic geological map （modified from Ma，2002） and earthquakes in this study
F1：Huangzhuang-Gaoliying fault；F2：Nankou-Sunhe fault；F3：Shunyi-Liangxiang fault. Black circles stand for the earthquakes from December 24，AD 438 to May 26，2020，and blue circles for those from September 1，2020 to June 30，2021 （National Earthquake Data Center，2021a，b）. The locations of ground fissures are cited from Liu et al （2014），Zhang et al （2017a，b） and Zhao et al （2018）. Fault data are cited from Deng et al （2003）
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图 2 土壤气测点布设 （a）、浓度测量方法 （b） 及通量测量方法 （c） 示意图
Figure 2. Schematic diagrams for layout of measuring sites of soil gas （a） and measurement methods of soil gas concentration （b） and flux （c）
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图 3 土壤气Rn连续监测站的示意图（a）和实际施工图（b）以及探头安装图（c）
Figure 3. Schematic diagram （a） and actual construction drawing （b） of continuous monitoring station of soil gas Rn and probe installation （c）
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图 4 首都圈地区主要活动断裂带土壤气体CO2和Rn的浓度（a）和通量（b）的平均值对比图
首都圈其它剖面数据引自王喜龙等（2017）；断裂数据引自邓起东等（2002）；DEM数据来自Bigemap软件
Figure 4. Comparison of the mean values of the soil gas （CO2 and Rn） concentrations （a） and fluxes （b） in the fault zones in the capital area
The data of other profiles in the capital circle region of China are cited from Wang et al （2017）。 Fault data are taken from Deng et al （2003），and DEM data are from Bigemap software
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图 5 黄庄—高丽营断裂土壤气体CO2，Rn和Hg浓度及通量相关性
Figure 5. The correlativity among concentrations and fluxes of the soil gases CO2，Rn and Hg on Huangzhuang-Gaoliying fault
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图 6 DHC剖面（a）和XWL剖面（b）土壤气体CO2，Rn和Hg浓度分布图
Figure 6. Distribution of concentrations of soil gases CO2，Rn and Hg on the DHC profile （a） and XWL profile （b）
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图 7 土壤气连续监测站的Rn浓度小时值、日均值变化和研究区内的地震事件（a）以及土壤温度、气温（b）、气压（c）和日降雨量（d）
Figure 7. Hourly variation and daily mean variation of Rn concentration at continuous monitoring stations of soil gas and earthquake events in the study area （a），as well as soil temperature，atmospheric temperature （b），atmospheric pressure （c） and daily rainfall （d）
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图 8 土壤气连续监测站地震事件和地震周频次（a）、Rn浓度残差变化（b）以及XWL站（c）和DHC站（d）的KS值变化
Figure 8. Earthquake events and their weekly frequency （a），variations of residual of Rn concentrations at continuous monitoring stations of soil gases （b），and KS variation at the stations XWL （c） and DHC （d）
表 1 黄庄—高丽营断裂土壤气体浓度
Table 1 The concentration of soil gases in the Huangzhuang-Gaoliying fault
点位 CO2浓度 Rn浓度/（kBq·m−3） Hg浓度/（ng·m−3） 点位 CO2浓度 Rn浓度/（kBq·m−3） Hg浓度/（ng·m−3） DHC-1 0.71% 14.99 4 XWL-1 2.01% 26.21 5 DHC-2 0.68% 13.85 2 XWL-2 2.14% 20.77 4 DHC-3 0.42% 9.22 2 XWL-3 1.19% 17.88 5 DHC-4 1.19% 33.68 5 XWL-4 1.24% 19.69 4 DHC-5 0.64% 19.29 5 XWL-5 2.15% 28.37 4 DHC-6 1.63% 23.66 3 XWL-6 1.91% 33.07 5 DHC-7 0.55% 6.45 6 XWL-7 2.84% 22.86 3 DHC-8 0.81% 6.25 3 XWL-8 1.16% 23.32 3 DHC-9 0.94% 7.26 2 XWL-9 1.58% 29.92 8 DHC-10 0.42% 3.28 0 XWL-10 1.32% 20.84 1 DHC-11 0.71% 4.28 2 XWL-11 1.78% 27.36 5 DHC-12 0.83% 10.49 1 XWL-12 1.74% 28.57 4 DHC-13 0.17% 4.91 2 XWL-13 2.79% 22.99 2 DHC-14 0.50% 6.03 3 XWL-14 2.47% 31.12 4 DHC-15 0.54% 5.51 3 平均值 1.88% 25.21 4 DHC-16 0.32% 2.76 3 平均值 0.69% 10.74 3 
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表 2 黄庄—高丽营断裂土壤气体通量
Table 2 The flux of soil gases in the Huangzhuang-Gaoliying fault
点位 CO2通量
/（g·m−2·d−1）Rn通量
/（mBq·m−2·s−1）Hg通量
/（ng·m−2·h−1）点位 CO2通量
/（g·m−2·d−1）Rn通量
/（mBq·m−2·s−1）Hg通量
/（ng·m−2·h−1）DHC-1 26.03 24.25 28.89 XWL-1 48.56 54.01 0 DHC-2 25.29 16.46 0 XWL-2 29.95 45.32 15.81 DHC-3 13.05 0 0 XWL-3 17.55 50.20 0.27 DHC-4 0 1.01 0 XWL-4 24.59 107.90 0 平均值 16.09 10.43 7.22 平均值 30.16 64.36 4.02
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表 3 DHC和XWL剖面土壤样品中的TC，Hg，U和Ra的含量
Table 3 The content of TC，Hg，U and Ra in the soil samples from the DHC and XWL profiles
剖面 TC含量 Hg含量
/（ng·g−1）U含量
/ （Bq·kg−1）Ra含量
/ （Bq·kg−1）DHC 2.2% 91.0 25.2 20.0 XWL 0.4% 53.2 24.0 25.6 注：样品由核工业北京地质研究院分析测试中心进行检测
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