蒋雨函 高小其 杨朋涛 刘冬英 孙小龙 向 阳 朱成英 汪成国
1)应急管理部国家自然灾害防治研究院，地壳动力学重点实验室，北京 100085 2)新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐 830011
地球内部发生的各种物理、 化学场变化以及构造体之间的相互作用，都会使地下深部气体沿着活动断裂带、 板内块体边界、 火山等地壳薄弱带向上逸散。断层土壤气浓度及逸出速率能灵敏、 客观地反映地下应力、 应变状态及构造活动状态，因此常被用来鉴识断裂带的活动状态、 探寻隐伏断层及开展地震危险性研究等(Chiodinietal.，2011；
张冠亚等，2015；
孙小龙等，2016；
张磊等，2018；
蒋雨函等，2021)。中国多年的地震监测实践表明，地震前后常会出现断层土壤气异常现象，且地下断层土壤气体的映震效能较高(杜乐天，2005；
刘耀炜等，2006)。
天山山脉是大陆内部规模最大的典型构造复活型造山带(张培震等，1996；
邓起东等，2000；
吕红华等，2010)，其山前或盆地边缘俯冲及逆掩断层较为发育(朱爽等，2021)。近年来，学者们对新疆北天山地区的断裂带、 断层滑动、 构造活动、 地震活动等进行了大量研究工作(刘建明等，2017；
杨文等，2018；
李艳永等，2019；
陈建波等，2021)。本研究于2017—2020年在北天山温泉—精河7级地震危险区和乌苏—和静6级地震危险区中的6条主要活动断裂进行多次土壤气Rn、 CO2、 Hg浓度测量，这6条活动断裂分别为博罗科努-阿其克库都克断裂(下文简称博阿断裂)、 库松木契克山前断裂、 喀什河断裂、 那拉提断裂、 霍尔果斯-吐谷鲁断裂及独山子-安集海断裂。在获取北天山地区气体地球化学背景场的同时，探究了该区域主要活动断裂上的土壤气地球化学特征与地震、 断层活动性的关系。
博阿断裂是北天山与中天山的分界线，是板块聚合的边界(沈军等，2003；
杨晓平等，2008；
李杰等，2016；
高朝军等，2017)。中新生代以来，天山的强烈隆起使其重新活动(杨晓平等，2000)，从而导致强震、 大地震的发生(沈军等，2003；
高朝军等，2017)，如1765年2月9日精河县约6级地震、 1944年3月10日乌苏南M7强震及1971年8月乌苏南M4.8地震等。库松木契克山前断裂发育在天山推覆体前缘的褶皱-逆断裂带上(陈建波等，2007)，位于北天山西段北缘，是区域性活动断裂(刘兆才，2019)，2011年新疆精河MS5.0 地震及2017年8月9日精河MS6.6 地震就发生在此断裂附近(白兰淑等，2017)。喀什河断裂带是一条复杂断裂带，曾发生过1812年新疆尼勒克8级大地震和1993年喀什河河源东北5.8级地震。吴国栋等(2010)发现尼勒克8级大地震已使喀什河断裂带东段彻底破裂，目前处于相对平静期，而此断裂带西段可能是大地震活动的主要区段。那拉提断裂是一条长期活动的大型构造带(钱青等，2007)，曾发生过多次断错地表的强震活动(吴传勇等，2014)。霍尔果斯-吐谷鲁断裂于早更新世晚期活动非常强烈，在中更新世晚期—晚更新世早期再次发生大规模断层逆冲活动，断错地表，在晚更新世末期断层第3次发生强烈活动(邓起东等，1999；
王兆明等，2006)。独山子-安集海断裂带由多条断裂及上盘反冲断层构成(荆燕等，2005；
刘冠中等，2009)，是北天山地震带上一条重要的活动断裂，历史上曾发生过4次6级左右的强震(朱海之等，1990)。
2.1 观测点布设
我们在博阿断裂带西段的精河附近布设了JHA、 JHB 2条测线，并分别设置了15个测点，点间距为100m；
在库松木契克山前断裂带东段精河附近布设了JHC测线，共包括28个测点，点间距为500m；
在独山子-安集海断裂带独山子附近布设了DS测线，在霍尔果斯-吐谷鲁断裂带大丰镇附近布设了DF测线，在喀什河断裂带尼勒克附近布设了NL测线，在那拉提断裂分别布设了NE、 NW 2条测线，并分别设置了15个测点，点间距为150m(图 1)。
2.2 测量方法
用钢钎在测点处打孔，孔径约30mm，深80cm，之后将麻花钻取样器插入孔中并旋紧(密封)，将测量仪器链接在取气口处进行测量。CO2浓度采用北京华云GXH-3010E1E二氧化碳测量仪测量，测量误差<6% ；
Rn浓度采用Alpha GUARD p2000测氡仪测量，仪器灵敏度为50cpm/kBq·m-3，测量误差<3% ；
Hg浓度采用Lumex RA915M测汞仪测量，测量误差<5% 。
对土壤气Rn、 CO2、 Hg浓度均采用平均值与均方差方法进行分析，用R和δ1、Q和δ2、K和δ3表示，以平均值为背景值，并分别取R+δ1、Q+δ2及K+δ3作为Rn、 CO2、 Hg的异常下限，异常下限和最大值(峰值)作为Rn、 CO2、 Hg浓度曲线异常形态的判定依据(张慧等，2010)，以2017年8月测量数据为例，如表1 所示。
表 1 2017年8月北天山断裂带土壤气Rn、 CO2、 Hg的浓度Table1 Soil gas Rn，CO2 and Hg concentrations in the north Tianshan fault zone in August 2017
图 2 博阿断裂带测线的Rn、 CO2、 Hg浓度变化曲线Fig. 2 Variations of Rn，CO2 and Hg concentrations on the measuring line of the Bo-A fault zone.
在JHA测线上，Rn浓度的最高值为37065Bq/m3, 是背景值20149Bq/m3的1.8倍；
CO2浓度的最高值为0.14%，是背景值0.1%的1.4倍；
Hg浓度的最高值为331ng/m3，是背景值52ng/m3的6.3倍，气氡、 气汞浓度曲线多为单点异常，而单点异常大多是干扰因素导致的；
在JHB测线上，Rn浓度的最高值为40074Bq/m3，是背景值25353Bq/m3的1.6倍，在JHB02—04处多次显示峰值异常；
CO2浓度在JHB04处出现峰值，最高值为0.82%，是背景值0.24%的3.4倍；
Hg浓度的最高值为213ng/m3，是背景值36ng/m3的5.9倍。在测线JHA上，3种气体的浓度始终在背景值附近波动(图 2)；
在JHB测线上，Rn的浓度值在JHB02—04处偏高；
CO2浓度明显在JHB04处重复出现单峰高值现象，而Hg浓度在JHB14处多次出现高值现象，2种气体在JHB测线的不同测点上存在单个高峰，可能与该气体的运移路径或气体来源不同有关。
在JHC测线上，Rn浓度在JHC16处多次出现峰值现象，最高值为99802Bq/m3，是背景值32859Bq/m3的3倍；
CO2浓度的最高值为0.55%，是背景值0.18%的3倍；
Hg浓度在JHC02—09处多次出现峰值且分布范围较大，最高值为277ng/m3，是背景值46ng/m3的6倍。如图 3 所示，Rn在JHC14—17处浓度值较高，尤其在JHC16达到峰值，且明显高于另外几条测线，CO2始终在背景值附近波动，但明显在JHC18测点处存在峰值现象；
Hg在多个测点出现高值情况，分布趋势不一致，可能与Hg浓度易受到土壤、 气象等条件影响有关。Rn、 CO2浓度的分布曲线趋势相对一致，而JHC16—18测点可能位于断裂破碎带的位置。
图 3 库松木契克山前断裂带测线的Rn、 CO2、 Hg浓度变化曲线Fig. 3 Variations of Rn，CO2，Hg concentrations on the measuring line of Kusongmuqike mountain piedmont fault zone.
在NL测线上，Rn浓度在NL02、 11出现峰值，最高值为50356Bq/m3，是背景值20338Bq/m3的2.4倍；
CO2浓度在NL01、 09出现峰值，最高值为2.14%，是背景值0.8%的2.6倍；
Hg浓度在NL11、 12出现峰值，但为单点异常值，最高值为142ng/m3，是背景值16ng/m3的8.8倍。如图 4 所示，3种气体的分布趋势基本保持一致，3种气体均在NL01—02、 NL09—10附近出现单峰、 多峰高值现象，可能与NL09测点位于断层出露位置有关。
图 4 喀什河断裂带测线的Rn、 CO2、 Hg浓度变化曲线Fig. 4 Variations of Rn，CO2，Hg concentrations on the measuring line of the Kashi River fault zone.
图 5 那拉提断裂带测线的Rn、 CO2、 Hg浓度变化曲线Fig. 5 Variations of Rn，CO2，Hg concentrations on the measuring line of Nalati fault zone.
在NW测线上，Rn浓度的最高值为80549Bq/m3，是背景值55394Bq/m3的1.4倍；
CO2浓度分布基本保持一致，最高值为2.65%，是背景值0.28%的9.5倍，为单点异常；
Hg浓度的最高值为56ng/m3，是背景值13ng/m3的4.3倍；
在NE测线上，Rn浓度的最高值为47435Bq/m3，是背景值32228Bq/m3的1.5倍，为单点异常；
CO2浓度在NE08、 11、 12出现峰值现象，最高值为1.05%，是背景值0.39%的2.7倍；
Hg浓度的最高值为62ng/m3，是背景值17ng/m3的3.6倍，为单点异常。如图 5 所示，在NW测线上，Rn浓度的分布趋势始终不稳定，但均远高于NE测线，可能与断层的构造形态或其他外界干扰有关；
而CO2、 Hg的浓度分布相对稳定，趋势一致，始终在背景值附近波动，并在NW09出现高值单峰，这可能与该点位于断层出露位置有关。
图 6 独山子-安集海断裂带测线Rn、 CO2、 Hg浓度变化曲线Fig. 6 Variations of Rn，CO2，Hg concentrations on the measuring line of Dushanzi-Anjihai fault zone.
在DS测线上，Rn浓度的最高值为49232Bq/m3，是背景值29173Bq/m3的1.7倍；
CO2浓度的最高值为0.38%，是背景值0.23%的1.7倍；
Hg浓度的最高值为134ng/m3，是背景值22ng/m3的6.1倍，为单点异常。如图 6 所示，气体各组分的变化趋势一致，Rn、 CO2在该测线上始终保持稳定，且3种组分的变化趋势基本重合；
Hg偶尔存在单点高值现象，可能与其他干扰因素有关。
图 7 霍尔果斯-吐谷鲁断裂带测线的Rn、 CO2、 Hg浓度变化曲线Fig. 7 Variations of Rn，CO2 and Hg concentrations on the measuring line in the Horgos-Tugulu fault zone.
在DF测线上，Rn浓度的最高值为78834Bq/m3，是背景值29680Bq/m3的2.7倍；
CO2浓度在DF03、 06、 11出现多峰高值，最高值为3.85%，是背景值0.88%的2倍；
Hg浓度的最高值为287ng/m3，是背景值57ng/m3的5倍。如图 7 所示，Rn浓度在DF测线上的整体分布趋势一致，在DF04存在单峰高值现象，CO2浓度在DF03、 06、 11处均出现高值，Hg浓度在DF03、 08、 12出现高值，说明除断层出露处DF08外还存在其他断裂破碎位置；
除此之外，Hg浓度较其他测线上的测值偏高，可能与外部干扰因素有关。
断裂带土壤气的地球化学异常特征与断层的活动性关系密切。土壤气组分Rn在测线JHC、 NW及DF上的浓度相对较高，说明这些测线所在的断裂具有较强的活动性；
测线上的气体浓度曲线存在多峰，说明除断层出露位置外断裂带上还存在其他断裂破碎位置。
4.1 断层土壤气观测的空间分布特征
断层土壤气的浓度分布主要与断裂带的内部构造有关。地幔或地壳深部气体浓度高，断裂活动导致断裂带岩石较为破碎，渗透性好，气体便由此向外扩散运移(Toutainetal.，1999；
Etiopeetal.，2002)。气体沿着断裂带中不连续分布的高渗透性通道运移，并从有限空间中分布的气孔中排放，气孔的大小与分布均受到断裂变形及其演化的影响(Annunziatellisetal.，2008)。土壤气Rn、 CO2、 Hg的浓度异常可以很好地反映出地震断裂带的活动情况，与断裂的位置也存在良好的对应关系(周晓成等，2007；
Waliaetal.，2008)。土壤气的时空变化可以反映出该地区与地震构造活动相关的地壳应力应变状态特征(Fuetal.，2008)。
Rn、 CO2、 Hg浓度曲线的空间分布差异大，基本在断层出露处有明显峰值现象，若有其他部位出现明显的高值现象，说明还存在其他破碎位置。此外，Rn在多条测线上的浓度分布趋势较为稳定，仅NW测线的气氡浓度出现不规则分布，可能与那拉提断裂具备花状构造特征有关(吴传勇等，2014)。
4.2 活动断裂带的活动性对比讨论
Rn的来源包括空气、 地表岩石、 土壤中天然放射性核素铀、 镭、 钍经过衰变形成以及压力作用下地壳深部沿断裂、 裂隙等通道逸出地表的气体(Etiopeetal.，2002)。Rn存在于土壤或岩石的裂隙中时，迁移速率低，但当Rn被作为载体运移时，可迅速从地下深处运移至地表，载体气体一般有CO2、 CH4或N2(Toutainetal.，1999；
Etiopeetal.，2002；
Yangetal.，2003)。CO2的化学性质活泼，易与热液体系组分发生化学反应(Toutainetal.，1999)，主要来源包括空气、 有机物分解、 生物活动、 地球深部脱气及碳酸盐岩变质作用等(Ciotolietal.，2007)。Hg在常温下即可蒸发，扩散与穿透能力很强，当地下压力与温度发生改变时，汞蒸汽便会沿着地下裂隙等气体通道上升至地表(Zhouetal.，2010)。Li等(2013)研究了唐山地区的断层土壤气，结果表明土壤气浓度异常带与断裂带具有空间一致性，强调了CO2在该区域充当Rn的载体。而本文的Pearson相关系数显示，研究区内的测线上，Rn与CO2的浓度均无明显相关性，证明在研究区内CO2并非Rn的运移载体。由于Hg的性质活跃、 来源丰富，在研究区内多条断裂的测线上呈现出气体浓度值偏高的复杂形态，如库松木契克山前断裂、 独山子-安集海断裂等，这可能与断裂所处位置的特殊性有关。
周晓成等(2017)证实了土壤气浓度的空间分布位置与断裂带的分布具有一致性，并指出Rn、 H2是指示破裂位置的有效气体，Hg具有一定参考性。本文同样以Rn作为判断断裂带破碎位置和断层活动性的有效气体，而由于CO2、 Hg存在诸多干扰因素，故将其作为辅助判断手段。在研究区内的8条测线中，JHC、 NW及DF测线上的Rn浓度高值均高于另外几条测线，也高于作者在呼图壁储气库同期测量的结果，据此初步判断库松木契克山前断裂、 那拉提断裂以及霍尔果斯-吐谷鲁断裂的断层活动性较强。而NW测线和NE测线均在同一条断裂带上，前者的Rn浓度远高于后者，这种现象可能是西北端的地下断层构造形态更为复杂或破碎程度更高所致。
4.3 地震活动
在地震多发地区对断层土壤气的浓度及化学特征的研究结果表明，断层土壤气中Rn、 Hg、 CO2等组分能够客观、 灵敏地反映地壳应力状态和地震活动(Yangetal.，2005；
Lietal.，2013；
Sunetal.，2017)。地震等构造活动导致地下应力发生改变，从而导致地下气体组分或其浓度产生异常变化，同时区域地壳应力状态的变化也是导致断裂、 褶皱乃至地震发生的重要原因(张杰等，2018)，地震的孕育及发生与区域内应力的长期积累及释放有直接联系，大地震的发生也会导致地壳应力的变化(张志斌等，2020)。张杰等(2018)将近年来在工程建设与地震监测中获得的天山地区地应力资料相结合并开展分析，表明研究区域的应力积累程度较高，区域内整体较稳定，但局部断层滑动趋势风险较大。
本文选取中国地震台网中心给出的2016年12月—2021年11月119次MS≥2地震的数据，包括2016年12月8日呼图壁县MS6.2 地震与2017年8月9日精河县MS6.6 地震，其中精河地震发生在天山北脉博罗科努山北沿、 准噶尔盆地西南端的库松木契克山前断裂东段附近。此外，归纳了其中5级以上地震到测线的震中距(表2)。
表 2 5级以上地震与测线的震中距Table2 Epicentral distance of earthquakes with magnitude 5 and above to the measuring lines
近年来，研究区西部与东部小地震频发(图 1)，其内部应力易得到释放，而小地震频率较低的区域应力积累程度高，更易发生强震(张杰等，2018)。据表2 结果可知，精河县发生的2次较大地震与JHA、 JHB、 JHC及NL测线的距离均在50km以内，尤其是JHC测线，距精河MS6.6 地震震中仅8km；
DF测线距离呼图壁MS6.2 地震震中较近，约31km，但此后该测线区域附近小地震频发，并未发生震级较大地震。另外，其土壤气浓度组分值也相对较高，所在的断裂带活动性较强，由于DF测线附近小地震频发，应力易得到释放，因此另外几条测线所在的精河区域断层活动性高，该区域的地震危险性也相对较高。
本文在2017年8月精河地震发生后开展测量工作，在库松木契克山前断裂上布设的JHC测线上出现明显的Rn高值现象，且其最大值逐年升高。由于是在地震发生后进行的测量，因此判断浓度最大值逐年升高的原因可能是地震发生后短时间内断裂带并未发生明显变化，而在随后的地下应力调整过程中，断裂带的破碎情况发生变化，导致气体浓度值明显升高。综上，依据断层土壤气浓度测量结果、 断层活动性分析及地震分布情况判断，北天山温泉—精河地震危险区更易发生较强地震，具有更高的地震危险性。
据蒋雨函等(2021)给出的呼图壁储气库气体浓度与储气库内部压力的关系，反观北天山地区，由于该区域地下应力积累程度较高，其地下应力变化或许可以反映于断层土壤气浓度变化上，并推断当应力变化高于一定数值时，可能会发生断裂、 褶皱，甚至是地震活动。
2017年8月9日精河MS6.6 地震后，我们在新疆北天山2个地震危险区内的6条断裂带附近布设了8条断层土壤气测线，于2017—2020年进行了6、 7期流动测量，对其土壤气体地球化学特征进行了讨论，结合同期地震分布推断出相对具有地震危险性的区域，并得到了以下结论：
(1)研究区内的库松木契克山前断裂和霍尔果斯-吐谷鲁断裂的跨断层土壤气地球化学特征表现为：
在断层出露位置或其他断裂破碎位置上的断层土壤气浓度更高，具有单峰或双峰形态。
(2)Rn是研究断裂带分布、 指示断裂破碎位置和判断断层活动性的有效研究手段；
研究区内的库松木契克山前断裂、 那拉提断裂以及霍尔果斯-吐谷鲁断裂具有较强的构造活动性。
(3)乌苏—和静地震危险区内小地震频发，应力易得到释放；
而北天山温泉—精河地震危险区内小地震发生频率相对较低，区域应力积累程度相对较高，断层活动性强，更易发生中强震，存在地震危险性。
总之，开展新疆北天山地区主要活动断裂的活动性探测及地震风险评估工作具有十分重要的科技和现实意义。未来可选择活动性强的断裂带进一步加强断层气定点连续和定期流动观测，可以适当弥补北天山地区定点前兆台站监测能力较低的问题。通过多年连续观测，既可以分析断裂带不同区段的地球化学特征，又可以研究断裂带不同孕震阶段的分类特征，从而为未来地震危险区段划分和震情跟踪分析提供地球化学资料与技术支撑。
致谢北天山地区地球化学观测项目立项和执行期间，应急管理部国家自然灾害防治研究院刘耀炜研究员给予了方向性指导；
观测剖面勘选期间，新疆维吾尔自治区地震局向志勇高级工程师给予了现场指导；
4年的定期观测期间，新疆维吾尔自治区地震局、 山东省地震局、 宁夏回族自治区地震局、 甘肃省地震局、 吉林省地震局、 山西省地震局和云南省地震局的多位同事参与了现场观测工作。在此一并表示感谢！