1. 引言
地球内部存在大量气体并不断往外释放，而活动断层正是这些气体运移的有利部位。在地震多发区对土壤气的浓度和化学特征等进行的大量调查研究结果显示，地下气体Rn、Hg和CO2等组分能够客观地、灵敏地反映地壳应力状态和地震活动[1]-[5]。我国50余年的地震监测实践表明，地下流体在地震前后经常出现气体异常现象，包括其释放强度及地球化学组成等，且地下气体异常的映震效能较高，是地震前兆监测的主体[6] [7]。由于地壳中的断层和裂缝会被各种化学组分的流体所充填，当地下应力或应变发生改变而引起地壳形变或地震活动时，地下流体的组成、赋存状态等发生变化，并向上运移至地表，从而导致断裂附近土壤气的释放强度和化学组分有所改变。因此，土壤气的地球化学特征变化被认为是一种示踪断裂活动及地震的有效途径，特定断裂带土壤气的时空变化还可以反映所在区域与地震构造活动相关的地壳应力或应变特征变化[8]。活动断层与地震和地质灾害紧密相关，对城市发展和工程安全直接造成严重威胁。当地下应力或应变发生改变而引起地壳形变或地震活动时，地下流体的组成、赋存状态等发生变化，并向上运移至地表，从而导致断裂附近土壤气的释放强度和化学组分有所改变。因此，土壤气的地球化学特征变化被认为是一种跟踪断裂活动及地震的有效途径。
本研究采用流体地球化学野外流动观测手段，以银川盆地内黄河断层灵武段为研究对象，进行断层土壤气布线测量，分析断层CO2、Rn、Hg浓度、通量等地球化学特征；综合运用地质地貌、地球化学探测方法，分析断裂带深部物质贡献与流体地球化学时空变化特征，结合研究区内构造地质研究成果，补充与完善银川盆地活动断层研究基础资料，从而为地震预报和地震安全性评价提供依据。
2. 研究现状
断层气是地球内部气体及挥发组分不断沿着活动板块和活动块体边界以及其它活动性断裂等地壳薄弱地带向地表迁移和释放的气体。断裂带上的微量气体组分(Rn、Hg、H2、CO2等)的变化，主要受断层和断层活动性的影响。活动断层是地表与地下深部联系的通道，断层气从通道中溢出地表并携带大量的构造活动信息，是很好的构造指示剂[9]。在地震孕育过程中，岩石受到的应力改变，导致地壳中发生某些瞬时运动，如裂缝扩张、断层蠕动等，压力驱动下深部的流体沿着断裂及薄弱地带在岩石圈内迁移、聚集或分散，形成地球化学异常。
活动断裂带土壤气组分浓度研究，已成为国内外地球化学前沿领域研究的热点之一，很多学者在一些典型断裂带开展了大量工作[10]。King等(1996)在美国的圣安德烈斯断裂上方观测到了土壤气中Rn、Hg、CO2、He、H2和CH4等组分的显著异常。Wakita等(1980)研究表明在日本Yamasaki断层，H2浓度达到3%。在加纳东南部断裂发育的地区土壤气Rn浓度达到115 kBq/m3，而在没有断层的地区Rn浓度则低于20 kBq/m3 (Amponsah et al., 2008)。车用太和张大维(1995)总结了首都圈地区1990~1992年断层带土壤气观测研究的结果，半数以上的断层气Hg异常之后便有地震发生。康春丽和杜建国(1995)研究发现断层气Hg的异常空间不仅与地震的幅度和震中到观测点的距离有关，而且与震源和观测点之间的应力场和介质的属性有关。
活动断裂带土壤气体通量可以很好地反映地震活动断裂带的活动情况。在地球深部生成的众多流体组分中，CO2是最有可能大量迁移至地表，并在地表某点集中释放的气体之一。在海原断裂东南段破裂带中部的蔡祥堡，土壤气中Rn浓度最高达38.3 kBq/m3，其通量最高达到828.6 mBq/m2S [11]。意大利中部的Fucino山间盆地，土壤气中Rn的通量在非断层地区一般是10 mBq/m2S，在断层区一般在45 mBq/m2S以上，最高可达到120 mBq/m2S。
银川盆地是鄂尔多斯周缘一系列新生代活动强烈的地堑型断陷盆地之一，新生代沉积巨厚，是一个受断裂活动控制、构造运动强烈、地震频发的新构造单元[12]。银川盆地四周由断裂控制，东界是黄河断裂，西界是贺兰山东麓断裂，南界是牛首山东麓断裂，北界是正谊关断裂。盆地有3个沉降中心，分别位于北部平罗西、中部银川北和南部灵武南。其中银川北沉降中心的新生界和第四系厚度分别为7000 m和1609 m。20世纪70年代以来的多次石油地震勘探揭示，银川盆地发育有4条规模较大的NNE向正断层，包括盆地东西两侧呈裸露或半裸露分布的黄河断裂和贺兰山东麓断裂，以及盆地内部呈隐伏状态的芦花台断层和银川断层，这些断层组合构成一个地堑系统。银川地堑是一条规模仅次于板块边界的地壳构造带，且是现代构造活动强烈的活动地区之一[13]。
银川盆地曾发生1739年平罗8级大震，是银川平原上有史以来发生的最大一次破坏性地震。这次地震毁坏城镇、村庄，引起严重的砂土液化，5万余人丧生。1970年以来，在银川盆地及周边活动构造带上先后发生了一系列中强地震，可能揭示了盆地的边界断裂带有重新开始活动的迹象。银川盆地是我国丝绸之路的一个重要节点，不仅人口稠密、经济发达，还是我国重要的能源、化工和资源基地，一旦发生强烈地震，将造成不可估量的经济损失和人员伤亡。
以银川盆地活动断裂为研究对象，前人也开展过大量综合探测工作，包括浅层人工地震勘探、钻孔联合剖面探测、大型探槽探测等，而目前该区域内土壤气测量研究较少[14]。根据南北地震带北段历史地震破裂展布研究成果(“M7专项”)，黄河断裂灵武段属于大震破裂空段区，为未来强震可能发生地段之一。1970年以来，在吴忠－灵武地区发生了5次5级以上地震，显示该断裂段中强地震频发，属于高应力积累区；GPS资料也显示该区段存在位移亏损异常。因此，本研究在黄河断裂灵武段不同段位展开研究工作，采用流体地球化学野外流动观测手段，研究该区域内土壤气体浓度变化特征，土壤气观测项目包括CO2、Rn、Hg浓度及其通量。综合运用地质地貌、地球化学探测方法，探讨研究区段的气体地球化学特征及其与断层的关系。综合野外实测和实验计算模拟研究结果，判定区域内流体地球化学特征成因及机理，从地球化学角度为区域地震活动趋势判定提供基础支撑。
3. 研究区地震地质概况
黄河断裂带北起石嘴山市惠农区东南的陶思兔，循南偏西方向过红崖子、陶乐、月牙湖、临河堡，而后折向南，经灵武东山西麓止于大泉附近，长140 km。构成银川地堑的东侧构造边界。断裂以东为台地、低山地貌，古近系及其更老的地层露出地表。以西为银川平原，第四系厚度数百至千米，第四纪以来断层两侧的垂直差异运动颇为显著。
前人的研究结果表明，黄河断裂带大致以横城为界分为两段，即南部的裸露段和北部的隐伏段。横城以南的裸露段为灵武段，长约47 km；横城以北的隐伏段长93 km。根据野外调查和航片解译结果，黄河断裂灵武段北起横城，向南止于大泉附近。以断层几何和地貌特征为标志，可将其细分为三小段。塌鼻子沟以北为北段，走向NE40˚；塌鼻子沟至大河子沟为中段，沿灵武东山西麓作南北向展布，由单条断裂构成，长度12 km，其西为山前洪积扇，东为山地，是地貌对照最鲜明的一段；大河子沟以南为南段，断裂以东为由中－晚更新世中期洪积物构成的台地，西为黄河冲积平原，总体走向近南北，过海子墩向南呈折线状，走向在北北东、北北西和南北向之间摆动，长度为23 km。大泉以南，断层地貌迹象消失。
黄河断裂灵武段形成于侏罗纪末的燕山运动，实为一条向西倾斜的逆冲断层，构成当时古贺兰山南段的东侧构造边界。到渐新世初，由于区域应力场发生变化而转变成向西倾斜的正断层。
灵武断裂中段的活动位置比较稳定，南段形成较晚，到中–晚更新世晚期才开始发育，北段的早期活动在东支，晚更新世转移到西支断层上。因而，断层活动有向西、向南变新的趋向，强烈的新构造活动，成为本区地震频繁发生的根源。
4. 结果及讨论
4.1. 野外测点布设
根据断裂特征及实地情况，在黄河断裂选出2条活动断裂，分别位于灵武市区北侧和甘露寺，其中甘露寺测点位于黄河断裂灵武段北段，灵武郊区测点位于南段(如图1)。
此次测量共布设2个剖面(剖面编号分别为LW与GLS)，于2023年8月在两个剖面上分别布设2条平行测线，每条测线上布设16个浓度测点，共布置了64个浓度测点和8个通量测点，测线编号分别为LW-1、LW-2、GLS-1、GLS-2。于2024年8在原测线位置分别布设了一条测线，每条测线布设15个浓度测点，共30个浓度测点和4个通量测点，测线编号分别为LW-3、GLS-3。
每条测线垂直断层陡坎走向，所有测线均以断层陡坎为原点，向断层两侧按照距断层陡坎5 m、15 m、25 m、45 m、65 m、105 m、145 m、185 m (每条测线总长370 m)以断裂为中线，测点间距向外逐渐递增，距断裂最远处的测点间距为20 m，最近处的测点间距为5 m。土壤气浓度和通量布点示意图如图2，测点经纬度及测线编号如表1。
在黄河断裂灵武段的甘露寺和灵武郊区各布设一条土壤气观测剖面，共两个观测剖面；每个剖面各布设2条垂直于断层陡坎且间距10 m的平行测线，共4条测线；每条测线垂直断层陡坎走向，所有测线均以断层陡坎为原点，向断层两侧按照距断层陡坎5 m、15 m、25 m、45 m、65 m、105 m、145 m、185 m (每条测线总长370 m)位置确定测点，即每条测线16个测点，共计64个测点。
每个测点进行Rn、Hg、CO2的浓度测量，64个测点共计192个土壤气浓度测值。在距离断层陡坎(测线的原点)两侧5 m与15 m处进行Rn、Hg、CO2的通量测量，即每条测线4个测点，共计24个土壤气通量测值。
4.2. 野外测量
4.2.1. 断裂带土壤气体浓度测量方法
在土壤气体测量过程中，首先在测点处利用长为130 cm，直径3 cm的钢钎打3个深度为100 cm的孔(孔间距 ≥ 0.5m)，将取样器置于孔内，封紧孔口，然后开始进行测量。Rn浓度利用RTM2200型测氡仪野外现场测定，每个测点时间测量时间15 min，当Rn浓度测值超过10,000 Bq/m3时，则需利用空气对仪器进行清洗，该仪器精密度为±10%，其检测限为7.14 Bq/m3。气汞用RA-915 + 型塞曼效应(Zeeman effect)测汞仪现场抽气测量，检测限1 ng/m3，仪器的标定误差 < 3%；CO2用GXH-3010E型便携式红外线CO2分析仪现场抽气测量，检测限是10 ppm [15]。
Figure 1. Tectonic sketch map of Yinchuan Basin and location map of survey points
图1. 银川盆地构造略图及测点位置图
Table 1. Fault gas survey line table of the Lingwu section of the Yellow River Fault
表1. 黄河断裂灵武段断层气测线表
断裂 |
地名(剖面编号) |
经度/˚ |
纬度/˚ |
日期/年月 |
测线名称 |
黄河断裂 |
灵武郊区(LW) |
106.36555 |
38.10397 |
2023.8 |
LW-1 |
LW-2 |
2024.8 |
LW-3 |
甘露寺(GLS) |
106.40125 |
38.31113 |
2023.8 |
GLS-1 |
GLS-2 |
2024.8 |
GLS-3 |
4.2.2. CO2、Hg和Rn通量测量方法
CO2、Hg和Rn的通量是采用静态暗箱法进行测量。通量箱是用5 mm厚白色不透明的聚四氟乙烯制成半径为20 cm的半球壳。
近地表通量测量时选好测量点，开始挖坑，深20 cm，直径大于等于40 cm，挖好后，放好通量箱，接着用粘土封住通量箱边缘，最后，记下取气样时箱内温度，以及观测前后的通量箱内大气温度和气压，把仪器的气体进口与出口与通量箱的进口与出口相连形成回路。
4.3. 数据处理
4.3.1. 土壤气浓度及通量结果
2023年8月在黄河断裂的灵武郊区与甘露寺的2个剖面64个测点测量了土壤气Rn、Hg和CO2浓度，通量测点共8个；2024年8月重复测量中，土壤气Rn、Hg和CO2的测点为30个，通量测点为4个，测量结果见表2、表3。土壤气浓度的测量结果显示：LW测线土壤气体CO2、Rn和Hg的浓度变化范围分别是0.38%~9.23%，4.27~21.92 kBq/m3，6~99 ng/m3。GLS测线土壤气体CO2、Rn和Hg的浓度变化范围分别是0.13%~2.19%，2.58~36.70 kBq/m3，4~44 ng/m3。
Table 2. Measurement concentration values of soil gas in the suburbs of Lingwu
表2. 灵武郊区土壤气测量浓度值
测点代号 |
点号 |
CRn (kBq∙m−3) |
CCO2 (%) |
CHg (ng∙m−3) |
LW-1 |
1 |
7.59 |
5.38 |
28 |
2 |
12.57 |
0.59 |
8 |
3 |
6.85 |
0.68 |
8 |
4 |
5.96 |
0.73 |
12 |
5 |
6.05 |
1.33 |
9 |
6 |
8.62 |
1.89 |
33 |
7 |
8.19 |
1.02 |
30 |
8 |
9.38 |
2.28 |
21 |
9 |
6.37 |
1.04 |
20 |
10 |
10.68 |
2.33 |
37 |
11 |
15.47 |
2.3 |
28 |
12 |
16.56 |
2.34 |
21 |
13 |
8 |
1.33 |
12 |
14 |
8.21 |
1.53 |
7 |
15 |
13.55 |
2.79 |
6 |
16 |
8.94 |
3.48 |
11 |
LW-2 |
1 |
16.7 |
1.27 |
52 |
2 |
15.26 |
1.52 |
23 |
3 |
8.67 |
1.17 |
11 |
4 |
9.88 |
3.14 |
81 |
5 |
10.02 |
1.6 |
48 |
6 |
6.32 |
1.05 |
18 |
7 |
9.75 |
1.54 |
8 |
8 |
9.75 |
1.03 |
16 |
9 |
15.11 |
0.38 |
17 |
|
10 |
21.92 |
3.65 |
17 |
11 |
19.9 |
5.24 |
11 |
12 |
11.77 |
2.14 |
13 |
13 |
8.61 |
2.11 |
16 |
14 |
12.57 |
2.39 |
5 |
15 |
13.85 |
1.79 |
12 |
16 |
6.12 |
9.23 |
6 |
LW-3 |
1 |
13.4 |
5.27 |
50 |
2 |
5.93 |
1.64 |
22 |
3 |
8.61 |
2.2 |
21 |
4 |
5.71 |
1.83 |
99 |
5 |
9 |
1.18 |
14 |
6 |
13.4 |
1.3 |
20 |
7 |
17.9 |
1.08 |
14 |
8 |
13 |
1.21 |
14 |
9 |
13.2 |
0.84 |
16 |
10 |
6.47 |
1.14 |
14 |
11 |
4.42 |
1.21 |
22 |
12 |
4.6 |
4.58 |
23 |
13 |
4.27 |
3.89 |
21 |
14 |
15.9 |
4.76 |
30 |
15 |
4.28 |
2.18 |
14 |
Table 3. Measurement concentration values of soil gas in Ganlusi
表3. 甘露寺土壤气测量浓度值
测点代号 |
点号 |
CRn (kBq∙m−3) |
CCO2 (%) |
CHg (ng∙m−3) |
GLS-1 |
1 |
10.22 |
0.67 |
5 |
2 |
8.76 |
1.17 |
4 |
3 |
8.67 |
0.43 |
5 |
4 |
11.83 |
0.47 |
6 |
5 |
9.34 |
0.72 |
6 |
6 |
10.06 |
0.8 |
9 |
7 |
14.25 |
1.32 |
12 |
8 |
6.92 |
1.59 |
11 |
9 |
11.9 |
0.52 |
14 |
10 |
18.35 |
1.02 |
16 |
11 |
11.5 |
1.52 |
17 |
|
12 |
11.43 |
0.68 |
12 |
13 |
13.78 |
0.44 |
14 |
14 |
11.76 |
0.33 |
23 |
15 |
14.58 |
0.59 |
9 |
16 |
17.75 |
0.42 |
13 |
GLS-2 |
1 |
9.86 |
0.84 |
4 |
2 |
7.73 |
1.36 |
5 |
3 |
8.76 |
0.28 |
6 |
4 |
9.1 |
1.03 |
8 |
5 |
18.82 |
0.81 |
11 |
6 |
17.95 |
1.03 |
9 |
7 |
16.09 |
0.78 |
10 |
8 |
19.9 |
2.02 |
13 |
9 |
8.97 |
1.21 |
9 |
10 |
14.58 |
0.8 |
21 |
11 |
22.33 |
1.34 |
44 |
12 |
36.7 |
0.6 |
19 |
13 |
6.52 |
0.48 |
16 |
14 |
27.65 |
0.92 |
16 |
15 |
22.52 |
0.13 |
12 |
16 |
35.22 |
0.33 |
20 |
GLS-3 |
1 |
1.09 |
13.9 |
20 |
2 |
0.31 |
5.69 |
23 |
3 |
0.52 |
2.58 |
15 |
4 |
0.27 |
6.64 |
21 |
5 |
0.31 |
25.81 |
23 |
6 |
0.27 |
30.76 |
15 |
7 |
0.24 |
27.22 |
17 |
8 |
0.27 |
5.98 |
12 |
9 |
0.97 |
15.42 |
27 |
10 |
0.74 |
5.75 |
15 |
11 |
0.85 |
6.99 |
22 |
12 |
0.5 |
6.11 |
12 |
13 |
0.54 |
7.26 |
17 |
14 |
1.33 |
2.65 |
14 |
15 |
2.19 |
4.3 |
17 |
土壤气体Rn、Hg、和CO2通量测量结果见表4。土壤气通量的测量结果显示：LW测线土壤气体CO2、Rn和Hg的通量变化范围分别是23.25~56.69 g/m2d、14.00~57.70 mBq/m2s、0.19~.5.74 ng/m2h；GLS测线土壤气体CO2、Rn和Hg的通量变化范围分别是8.59~47.31 g/m2d、5.71~32.16 mBq/m2s、0.17~7.22 ng/m2h。
Table 4. Measurement results of soil gas flux
表4. 土壤气通量测量结果
测点代号 |
点号 |
Rn (mBq/m2s) |
CO2 (g/m2d) |
Hg (ng/m2h) |
LW-1 |
5 |
18.17 |
37.91 |
0.19 |
7 |
25.13 |
35.49 |
0.45 |
10 |
14 |
23.25 |
1.22 |
12 |
45.63 |
32.07 |
0.19 |
GLS-1 |
5 |
24.4 |
26.5 |
- |
7 |
24.5 |
16.17 |
0.32 |
10 |
7.02 |
21.26 |
0.78 |
12 |
5.76 |
8.59 |
7.22 |
LW-3 |
6 |
34.48 |
56.69 |
5.5 |
10 |
57.7 |
25.76 |
5.74 |
GLS-3 |
6 |
32.16 |
15.98 |
0.17 |
10 |
5.71 |
47.31 |
1.24 |
4.3.2. 断层土壤气数据异常判断
通过野外的土壤气测量，我们在室内进行数据处理时，对断层土壤气的浓度采用平均值与均方差的概念，其中取平均值作为背景值，平均值与均方差的和作为异常下限，土壤气中所测汞、氡和二氧化碳的单位分别是ng∙m−3、kBq∙m−3、%。且汞、氡、二氧化碳的异常下限和峰值是作为土壤气浓度曲线的异常形态的判定依据，此次测量的土壤气峰值、背景值、异常下限见表5。
Table 5. List of peak values, background values and abnormal lower limits of soil gas survey lines
表5. 土壤气测线峰值、背景值、异常下限一览表
测点代号 |
点数 |
气体组分 |
峰值 |
背景值(K) |
异常下限(K + δ) |
|
|
Rn (kBq∙m−3) |
16.56 |
9.56 |
12.87 |
LW-1 |
16 |
CO2 (%) |
5.38 |
1.94 |
3.18 |
|
|
Hg (ng∙m−3) |
37 |
18.19 |
28.57 |
|
|
Rn (kBq∙m−3) |
21.92 |
12.26 |
16.83 |
LW-2 |
16 |
CO2 (%) |
9.23 |
2.45 |
4.61 |
|
|
Hg (ng∙m−3) |
81 |
22.13 |
42.72 |
|
|
Rn (kBq∙m−3) |
17.9 |
9.34 |
14.04 |
LW-3 |
15 |
CO2 (%) |
5.27 |
2.29 |
3.82 |
|
|
Hg (ng∙m−3) |
99 |
26.27 |
48.41 |
|
|
Rn (kBq∙m−3) |
18.35 |
11.94 |
15.11 |
GLS-1 |
16 |
CO2 (%) |
1.59 |
0.79 |
1.2 |
|
|
Hg (ng∙m−3) |
23 |
11 |
16.22 |
|
|
Rn (kBq∙m−3) |
36.7 |
17.67 |
27.14 |
GLS-2 |
16 |
CO2 (%) |
2.02 |
0.87 |
1.35 |
|
|
Hg (ng∙m−3) |
44 |
13.94 |
23.53 |
|
|
Rn (kBq∙m−3) |
30.76 |
11.14 |
20.55 |
GLS-3 |
15 |
CO2 (%) |
2.19 |
0.69 |
1.23 |
|
|
Hg (ng∙m−3) |
27 |
18 |
22.46 |
4.4. 黄河断裂断层气浓度曲线形态及异常特征分析
在测线剖面方向上，断层气异常多呈尖峰状，在某些断层上，气体异常以多峰谷形出现，常常和断层带的破碎宽度有关。特别是倾角较缓的断层，在断层上盘羽状节理和裂隙往往都比较发育，地下气体可由此向上运移和富集，因此形成了较大宽度的气体异常。所以，根据不同断裂带断层气浓度曲线形态峰值形态的偏度和以及峰值高度、锯齿及光滑程度、异常浓度宽度等几何参数，可以分析判断每个场地断层气的异常特性。
4.4.1. 灵武郊区断层气浓度曲线形态及异常特征分析
图2~7展示的是此次测量所有测线的土壤气Rn、CO2、Hg浓度值及通量值曲线图。
Figure 2. Fault gas concentration and flux values of LW-1 survey line in suburban Lingwu
图2. 灵武郊区LW-1测线断层气浓度及通量值
Figure 3. Fault gas concentration and flux values of LW-2 survey line in suburban Lingwu
图3. 灵武郊区LW-2测线断层气浓度及通量值
Figure 4. Fault gas concentration and flux values of LW-3 survey line in suburban Lingwu
图4. 灵武郊区LW-3测线断层气浓度及通量值
Figure 5. Fault gas concentration and flux values of GLS-1 survey line in Ganlusi
图5. 甘露寺GLS-1测线断层气浓度及通量值
Figure 6. Fault gas concentration and flux values of GLS-2 survey line in Ganlusi
图6. 甘露寺GLS-2测线断层气浓度及通量值
Figure 7. Fault gas concentration and flux values of GLS-3 survey line in Ganlusi
图7. 甘露寺GLS-3测线断层气浓度及通量值
在LW-1测线，氡浓度曲线异常下限为12.87 kBq∙m−3，浓度背景值为9.56 kBq∙m−3，该曲线出现两组峰值异常形态，其中在测线230 m处出现最大峰值，最大值为16.56 kBq∙m−3，约为背景值的1.73倍，另外在测线330 m处也出现浓度异常；二氧化碳浓度曲线的异常下限为3.18%，浓度背景值为1.94%，该曲线出现两组峰值异常形态，其中在测线0 m处出现最大峰值，最大值为5.38%，约为背景值的2.77倍，另外在测线370 m处也出现异常值，异常宽度约15 m左右；汞浓度曲线的异常下限为28.57 ng∙m−3，浓度背景值为18.19 ng∙m−3，浓度曲线在测线160 m处与200 m处出现两组峰值状态，最大值为37 ng∙m−3，约为背景值的2.03倍，异常宽度约20 m左右。
在LW-2测线，氡浓度曲线异常下限为16.83 kBq∙m−3，浓度背景值为12.26 kBq∙m−3，该曲线出现一组峰值异常形态，其中在测线200 m处出现最大峰值，最大值为21.92 kBq∙m−3，约为背景值的1.79倍，异常宽度约15 m左右；二氧化碳浓度曲线的异常下限为4.61%，浓度背景值为2.45%，该曲线出现两组峰值异常形态，其中在测线370 m处出现最大峰值，最大值为9.23%，约为背景值的2.77倍，另外在测线210 m处也出现异常值，异常宽度约25 m左右；汞浓度曲线的异常下限为46.72 ng∙m−3，浓度背景值为22.13 ng∙m−3，浓度曲线在测线0 m处与120 m处出现两组峰值状态，最大值为81 ng∙m−3，约为背景值的3.66倍，异常宽度约20 m左右。
在LW-3测线，氡浓度曲线异常下限为14.04 kBq∙m−3，浓度背景值为9.34 kBq∙m−3，该曲线出现两组峰值异常形态，其中在测线170 m处出现最大峰值，最大值为17.90 kBq∙m−3，约为背景值的1.92倍，异常宽度约15 m左右；二氧化碳浓度曲线的异常下限为3.82%，浓度背景值为2.29%，该曲线出现两组峰值异常形态，其中在测线0 m处出现最大峰值，最大值为5.27%，约为背景值的2.30倍；汞浓度曲线的异常下限为48.41 ng∙m−3，浓度背景值为26.27 ng∙m−3，浓度曲线在测线120 m处出现峰值状态，最大值为99.00 ng∙m−3，约为背景值的3.77倍，异常宽度约20 m左右。
4.4.2. 甘露寺断层气浓度曲线形态及异常特征分析
在GLS-1测线，氡浓度曲线异常下限为15.11 kBq∙m−3，浓度背景值为11.94 kBq∙m−3，该曲线在断层一侧出现两组峰值异常形态，其中在测线200 m处出现最大峰值，最大值为18.35 kBq∙m−3，约为背景值的1.54倍，异常宽度约20 m左右；二氧化碳浓度曲线的异常下限为1.2%，浓度背景值为0.79%，该曲线在断层两侧分别出现两组峰值异常形态，其中在测线180 m处出现最大峰值，最大值为1.59%，约为背景值的2.01倍，另外在测线200 m处也出现异常值，异常宽度约10 m左右；汞浓度曲线的异常下限为16.22 ng∙m−3，浓度背景值为11.00 ng∙m−3，该曲线在断层一侧出现两组峰值异常形态，其中在测线290 m处出现最大峰值，最大值为23.00 ng∙m−3，约为背景值的2.09倍，异常宽度约30 m左右。
在GLS-2测线，氡浓度曲线异常下限为27.14 kBq∙m−3，浓度背景值为17.67 kBq∙m−3，该曲线在断层一侧出现两组峰值异常形态，在测线230 m处出现最大峰值，最大值为36.70 kBq∙m−3，约为背景值的2.08倍，异常宽度约20 m左右；二氧化碳浓度曲线的异常下限为1.35%，浓度背景值为0.87%，该曲线在测线180 m处出现最大峰值，最大值为2.02%，约为背景值的2.32倍，异常宽度约10 m左右；汞浓度曲线的异常下限为23.53 ng∙m−3，浓度背景值为13.94 ng∙m−3，该曲线在测线210 m处出现最大峰值，最大值为44.00 ng∙m−3，约为背景值的3.16倍，异常宽度约15 m左右。
在GLS-3测线，氡浓度曲线异常下限为20.55 kBq∙m−3，浓度背景值为11.14 kBq∙m−3，该曲线在断层左侧附近出现峰值异常形态，最大值为30.76 kBq∙m−3，约为背景值的2.76倍，异常宽度约50 m左右；二氧化碳浓度曲线的异常下限为1.23%，浓度背景值为0.69%，该曲线在断层右侧分别出现一组峰值异常形态，最大值为2.19%，约为背景值的3.17倍；汞浓度曲线的异常下限为22.46 ng∙m−3，浓度背景值为18.00 ng∙m−3，该曲线在断层右侧出现峰值异常形态，其中在测线，最大值为27.00 ng∙m−3，约为背景值的1.50倍，异常宽度约20 m左右。
根据分析可以发现各断裂上土壤气Rn、Hg和CO2浓度及通量值具以下特征：
(1) 同一条断裂上的两条平行侧线土壤气浓度平均值不相同，但具有一致的变化形态，重复性较好。
(2) 测量中Rn和CO2浓度空间分布曲线形态较为一致。
(3) 土壤气Rn、CO2和Hg浓度空间分布曲线在断层面一侧出现单峰或多峰形态。
(4) 土壤气通量与土壤气浓度有较好的相关性，一般土壤气浓度高的测点其通量值也较高。
4.5. 断层气浓度强度空间分布特征分析
国内外研究表明，断层的不同区段，随不同的应力状态及断裂带地下介质状态的差异，表现在断层气异常幅度的大小上或异常的元素种类上。这些差异为研究断裂的分段提供了有力的证据。断裂带土壤气体浓度，反映了断层的历史或现今活动性，而断裂活动性又表现在断裂带地下介质孔隙度、裂隙度大或破裂程度等物理参量上，不同断裂或同一断裂的不同段断层气浓度强度表现不同。因此，根据不同断裂或同一断裂不同段断层气浓度强度的对比研究，可以分析地下介质的物理参量的变化情况以及区域构造及断裂的相对活动程度。因此，对不同断裂或同一断裂的不同段的断层气浓度幅度(浓度强度)空间变化特征的研究，将成为利用地球化学方法研究断裂分段性的一个重要手段。
为了更好地分析黄河断裂土壤气浓度分布特征与断层活动性关系，我们采用平均异常值方法对断层气浓度强度进行定义并分析。平均异常值法，是指利用平均异常浓度值与背景值的比进行浓度的分析，目的是尽量消除变化幅度较大的突跳值的影响，其中平均异常浓度值是单条测线异常值(异常下限为背景值与均方差的和)的平均值，背景值是每条剖面的平均浓度值。本文以两条剖面数据(LW与GLS)为统计样本进行异常下限与背景值计算，利用平均值法进行断层气浓度强度分析，结果见表6。
Table 6. List of soil gas concentration intensities (average abnormal value method) in the Lingwu section of the Yellow River Fault
表6. 黄河断裂灵武段土壤气浓度强度(平均异常值法)一览表
剖面代号 |
浓度强度(平均值法) |
SRn |
SCO2 |
SHg |
LW |
1.58 |
3.01 |
2.70 |
LW-3 |
2.02 |
1.81 |
2.84 |
GLS |
2.06 |
1.83 |
2.35 |
GLS-3 |
2.51 |
2.55 |
1.35 |
由图8可以看出，黄河断裂灵武段土壤气浓度强度具有一定的分布特征，Rn、CO2和Hg浓度强度在研究区的空间分布具有一定的差异性。从空间上而言，黄河断裂灵武段的土壤气浓度强度呈现北低南高的分布特征，在一定程度上反映了该区域的放气能力呈现纵向的差异性。
图9是原有测线上复测的结果展示图，其中2023年8月所测LW测线中的SCO2 = 3.01，SRn = 1.58，SHg = 2.70，而2018年7月所测LW-3测线中的SCO2 = 1.81，SRn = 2.02，SHg = 2.84，根据对比可以发现两期的浓度强度具有一定差异性，CO2测项尤为明显；GLS测线与GLS-3测线也表现出了相同的变化趋势。灵武郊区和甘露寺地区两期土壤气复测具有差异性，可能和黄河断裂灵武段断层活动性有关，具体原因还需进一步分析判断。
通过所有测线曲线形态及空间分布特征分析，我们认为断层气释放能力与断裂带地下介质状态、局部应力状态以及现今及历史地震活动有密切的关系。
(图中左侧为LW测线浓度强度值，右侧为GLS测线浓度强度值。)
Figure 8. Soil gas concentration intensity of LW and GLS survey lines
图8. LW与GLS测线土壤气浓度强度
(图中左侧为LW-3测线浓度强度值，右侧为GLS-3测线浓度强度值。)
Figure 9. Soil gas concentration intensity of LW-3 and GLS-3 survey lines
图9. LW-3与GLS-3测线土壤气浓度强度
4.6. 相关性和地球化学特征及其成因分析
通过上述分析可以发现，土壤气Rn和CO2的浓度与通量空间分布曲线具有较好的一致性。
对各剖面上土壤气Rn和CO2的浓度平均值与通量平均值进行相关性分析，获得土壤气Rn和CO2的浓度相关系数为0.5，土壤气Rn和CO2的通量相关系数为0.6，这与目前关于断裂带土壤气的研究结果基本一致，即土壤气Rn和CO2的浓度和通量均具有一定的正相关性，这也说明研究区土壤气和CO2可能是Rn迁移相的主要组分。此外，本文计算获得的土壤气Rn、CO2和Hg的浓度与其相应通量的相关系数分别为0.4、0.3、0.5，同样表明各土壤气浓度与其自身通量具有较好的相关性。
4.7. 灵武地区地震活动性特征与流体活动特征分析
断层气的浓度强度与断裂带地下介质状态也有着密切的关系。断层气浓度强度反映了断裂带裂隙或孔隙度的大小等地下介质物性参数变化，主要表现为断裂带的破碎及开启程度的变化，而断裂带的开启与裂隙或孔隙度的变化与历史或现今断裂活动习性的差异以及应力变化状态有关。因此可以通过对研究区地震活动性参数空间分布特征分析，结合断层气浓度强度变化特征，从而探讨流体地球化学特征与地震活动性之间的关系。
灵武地区新生代的地质演化和现代地貌的形成受近南北向断裂活动的控制，边界和内部发育一组南北走向的断裂。
石油地震勘探成果揭示，银川地堑南段的构造颇为复杂，内部至少有5条规模不等的隐伏断裂，其倾向或东或西，均属正断层。根据柴炽章等人的研究，灵武断裂是本段断裂中活动性最强的一条断裂，目前记录到的最大地震为5.5级(见表7)。图表示了地震活动与断裂的空间关系。由图可以清楚看到，弱震分布显示为一条清晰的南北走向的条带，此条带内最密集的部分位于黄河断裂灵武段中—南段附近。
总体来说，整个银川地堑南段的大部分破坏性地震均分布在黄河断裂灵武段西侧附近，且自北向南呈递增趋势，及黄河断裂灵武段北段活动性较弱，中至南段活动性较强，这与前面地震断层气浓度强度空间分布特征吻合性非常高。
Table 7. Earthquake catalog with Ms ≥ 5.0 in the work area since 1950
表7. 工作区内自1950年以来发生Ms ≥ 5.0地震目录
序号 |
日期(年/月/日) |
震中位置 |
地点 |
震级(Ms) |
震中烈度 |
纬度 |
经度 |
1 |
1962/12/07 |
38˚03′ |
106˚16′ |
灵武 |
5.4 |
Ⅶ |
2 |
1962/12/18 |
38˚02′ |
106˚11′ |
灵武 |
5.5 |
Ⅶ |
3 |
1971/06/28 |
37˚45′ |
106˚12′ |
吴忠 |
5.1 |
Ⅵ |
4 |
1984/11/23 |
38˚04′ |
106˚13′ |
灵武 |
5.3 |
Ⅶ |
5 |
1987/08/10 |
38˚03′ |
106˚17′ |
灵武 |
5.5 |
Ⅶ |
6 |
1988/01/04 |
38˚06′ |
106˚19′ |
灵武 |
5.5 |
Ⅶ |
7 |
1988/01/10 |
38˚03′ |
106˚16′ |
灵武 |
5.0 |
Ⅵ |
5. 认识及结论
本次研究以银川盆地黄河断裂灵武段土壤气地球化学特征及其构造关系为研究目标，采用流体地球化学野外流动观测手段，研究黄河断裂灵武段不同区段土壤气体浓度变化特征。通过对研究区内主要断裂带观测点的CO2、Rn和Hg浓度及其通量的测量，综合运用地质地貌、地球化学探测方法，分析断裂带深部物质贡献与流体地球化学时空变化特征，结合研究区内构造地质研究成果，补充与完善银川盆地活动断裂研究基础资料，从而为地震预报和地震安全性评价提供依据。初步形成如下结论：
(1) LW测线土壤气体CO2、Rn和Hg的浓度变化范围分别是0.38%~9.23%、4.27~21.92 kBq/m3、6~99 ng/m3，土壤气体CO2、Rn和Hg的通量变化范围分别是23.25~56.69 g/m2d、14.00~57.70 mBq/m2s、0.19~.5.74 ng/m2h；GLS测线土壤气体CO2、Rn和Hg的浓度变化范围分别是0.13%~2.19%、2.58~36.70 kBq/m3、4~44 ng/m3，通量变化范围分别是8.59~47.31 g/m2d、5.71~32.16 mBq/m2s、0.17~7.22 ng/m2h。
(2) 同一条断裂上的两条平行侧线土壤气浓度平均值不相同，但具有一致的变化形态，重复性较好。
(3) 测量中Rn和CO2浓度空间分布曲线形态较为一致，且土壤气Rn的通量值与CO2通量值变化同步，这可能与CO2作为Rn载气有关。
(4) 土壤气Rn、CO2和Hg浓度空间分布曲线在断层面一侧出现单峰或多峰形态。
Figure 10. Distribution of faults and earthquakes in Lingwu area
图10. 灵武地区的断裂与地震分布
(5) 在同一条断裂上，土壤气通量空间分布差异较大。在土壤气中浓度高的地方，其通量值也较高，从图10中可以发现土壤气CO2、Rn和Hg的浓度值与通量值存在正相关关系。
(6) 黄河断裂灵武段土壤气浓度强度具有一定的分布特征，Rn、CO2和Hg浓度强度在研究区的空间分布具有一定的差异性。从空间上而言，黄河断裂灵武段的土壤气浓度强度呈现北低南高的分布特征，在一定程度上反映了该区域的放气能力呈现纵向的差异性。
(7) 银川地堑南段的大部分破坏性地震均分布在黄河断裂灵武段西侧附近，且自北向南呈递增趋势。黄河断裂灵武段北段活动性较弱，中至南段活动性较强，这与该地断层气浓度强度空间分布特征相吻合。
另外本次研究还发现了诸多问题：
(1) 研究区域范围大，化探测点布设少，测线较短。对于控制大规模的活动断裂不好把握。断层气的测量受环境、气候、覆盖层厚度等因素影响，这些都会影响测量结果。
(2) 对研究区的活动断裂断层气的测量并没有连续进行，对于断层气异常趋势的把握不够精确。如果每年能够对化探测点进行跟踪测量，对于断层气异常趋势判断将会更加准确化。
(3) 地球内部系统的演化过程复杂，也决定了活动断裂带的孕震过程极为复杂。要正确研究活动断裂带的应力场机理，单靠断层气异常这一指标来反映比较困难。
(4) 本论文的研究才是一个尝试性的开始，存在的问题也难免较多，并且对断层气异常与其反映的区域应力的过程机理解释上还相当欠缺，应加强这方面的研究。因此，加强多手段、多学科的综合研究，是今后地震危险区判断和划分以及分析地震前兆的主要方法，也是地震地下流体学科未来主要研究方向。
基金项目
宁夏自然科学基金项目(2023AAC03814)。