在地壳岩石中, 化学和机械变化可释放氢气^[1-4]。地球内部所聚集的氢气沿断裂带向上迁移、逸出^[5]，在其逸出的同时将明显降低岩石、岩层的强度，使断层在低构造应力作用下有可能产生新的断裂，对断层运动也有能动的诱发作用^[6]。本研究利用ATG-300H型便携式测氢仪得到野外断层带土壤氢气浓度数据，从取样方式、采样深度和构造环境等方面探讨其对土壤氢气浓度的影响，并分析跨断层方向和沿断层走向氢气浓度的空间分布特征。

1 测量及分析方法

图 1为土壤氢气测量示意图。取样测量时，先用钢钎在土壤中打孔，孔径30 mm，测孔深度依据土壤密实程度及土壤的原生性而定，一般为50~100 cm。拨出钢钎后，立即将锥形气体取样器插入其中。开始计数前，先抽取一些气体并排掉，用以排除取样器内、取样器与检测仪连接的胶管内的外来气体。ATG-300H型便携式测氢仪每5 min进行一次测量，每次集气30 s后得到一个氢气浓度值。

测量过程中，仪器内置抽气泵通过采样器从测孔中抽取并检测氢气含量，而周围土壤中的气体通过土壤中的孔隙不断从远处向测孔迁移，其迁移速度与土壤孔隙密切相关。如果视测孔附近区域土壤介质为各向同性，空间任意点上的氢气浓度随时间的变化值可用下式描述^[7]：

(1)

式中，C为氢气浓度，D为扩散系数，t为时间，R为与测孔的距离，n为孔隙度，m为单位体积土壤中的氢气含量。可以看出，空间某点的氢气浓度变化主要受土壤中氢气含量m/n和扩散系数D的影响，m/n主要影响浓度曲线的最高值，而扩散系数主要影响浓度值升-降的快慢。

2 测量结果及分析 2.1 测孔和采样器的影响

在北京昌平地区进行采样器、测孔深度对土壤氢气浓度测值的影响分析。测区土壤主要以第四纪覆盖物为主，测点土壤多为闲置的农田耕地。图 2所示为采用不同的采样器在不同的测孔中进行测量的结果，空心圆表示实际测量的浓度值，实线表示利用式(1)拟合得到的理论值。

图 2中P40O曲线为采用锥状采样器在40 cm深的旧孔(用钢钎打完孔后先进行一次氢气浓度测量，约30 min后再进行第二次测量并记录)中测量得到的土壤氢气浓度值。可以看出，在新孔(用钢钎打完孔后立即测量)中测得的氢气浓度值要略高于旧孔中的浓度值，即使二者深度相同。这可能是由于测孔及周围土壤孔隙中原来富集的氢气在第一次测量时被抽吸，导致m/n值减小，在第二次测量时只能依靠由更远的区域向测孔扩散过来的氢气来补充，致使其测值变小，但其扩散系数D变化不大。

图 2中P40N、P60N、P80N曲线分别为采用锥状采样器在40 cm、60 cm、80 cm深的新孔中测得的土壤氢气浓度值。可以看出，深度为60 cm的测孔中测得的氢气浓度值较深度为40 cm的测孔要高，但与80 cm的测孔相同。可见，测孔深度对土壤氢气浓度有一定影响，但大于60 cm后影响不大。利用柱状采样器在60 cm(C60N)和80 cm(C80N)测孔得到的结果也是如此。但是，理论曲线表明，锥状采样器和柱状采样器测值扩散系数D存在明显差异，即锥状采样器得到的扩散系数(2.0 cm²/s)明显高于柱状采样器(1.07、1.33 cm²/s)。

如图 3所示，柱状采样器插入测孔后，其顶部进气部位几乎与周围土壤接触，采样器以下测孔的体积和表面积较小，周围土壤气体向测孔中的扩散能力有限；而锥状采样器插入测孔后与测孔周围土壤有一定的距离，采样器以下测孔的体积和表面积较大，周围土壤气体很容易向测孔中扩散并被锥状采样器吸收，其测得的土壤氢气扩散系数D也会更高。

可见，土壤氢气的浓度值受测孔闲置时间、测孔深度和采样器形状的影响较大。在用ATG-300H型便携式测氢仪进行野外土壤氢气浓度测量时，应尽量采用新孔立即测量。为对同一区域对比分析，应采用相同的采样器、相同的测孔深度。

2.2 跨断层方向的土壤氢气浓度

为了探讨断层带对土壤氢气浓度的影响，本研究在新疆北轮台断裂带开展了跨断层方向的野外测量。如图 4(a)所示，红色直线所示为断层位置，走向近EW向，断层北侧为上盘、地形隆起，而南侧为下盘、地势越向南越平缓。测量时，分别在断层上盘、断层带和断层下盘布设3个测点。采用ATG-300H型便携式测氢仪和锥状采样器，

测孔深度均为80 cm。图 5为9个测点的土壤氢气浓度测值和理论拟合曲线，其中空心圆实际测值，实线为依式(1)得到的拟合曲线。北侧测点F₁、F₂、F₃位于北轮台断裂上盘，中部测点F₄、F₅、F₆位于断层附近，而南侧测点F₇、F₈、F₉位于断层下盘。

结合图 4和图 5可以看出，断层下盘测点(F₇、F₈、F₉)的土壤氢气浓度值较高，断层上盘(F₁、F₂、F₃)和断层附近(F₄、F₅、F₆)测点的土壤氢气浓度值明显低于断层下盘。图 4(b)为依据式(1)得到的拟合曲线参数m/n和D，可以看出，断层下盘的m/n值明显高于断层附近和断层上盘。

北轮台断裂是一条逆断层，受区域构造的压性应力作用，裂隙相对闭合，气体逸出通道被封阻，不利于深部氢气沿断层向浅层地表迁移，只能通过断层两侧的裂隙向上迁移。但是断层两侧上盘和下盘由于变形程度不同，其裂隙发育程度也不相同：断层上盘多出现隆起或弯曲变形，导致地表局部出现张应力作用，裂隙发育且呈开启状态，有利于土壤中的气体向地表及大气逸出，致使底部上迁的氢气持续逸向大气而无法富集；断层下盘地形比较平缓且受到压性作用，其地表裂隙多呈现封闭或半封闭状态，不利于深部迁移上来的氢气向大气逸出而逐渐富集。

2.3 断层走向的土壤氢气浓度

本研究选取海原断裂带^[8]为研究对象，沿其断层走向开展野外土壤氢气浓度的测量。测量方法与北轮台断裂一样，仍采用ATG-300H型便携式测氢仪和锥状采样器，测孔深度均为80 cm。

图 6为沿海原断裂走向方向上6条跨断层测线(图 7(a))的土壤氢气浓度曲线(横坐标为测点距断层位置的距离)。6条测线自西向东依次为Anyuan(AY)、Santang(ST)、Sanquan(SQ)、Wanjia(WJ)、Caiyuan(CY)和Caowa(CW)，各测线均沿断层垂直方向布设，每条测线约10个测点，各测点测量方法和条件相同。可以看出，各测线断层位置处的氢气浓度值多高于断层两侧，且沿断裂走向东部各测线(SQ、WJ、CY和CW)的此特征更为明显。图 7(b)为图 6中6条测线上各测点氢气浓度的统计图，其中红色方块表示断层位置处的氢气浓度值，玫红色圆圈为每条测线各测点氢气浓度的平均值，箱形图为每条测线各测点氢气浓度的整体分布统计。结合图 6和图 7可以看出，海原断裂带沿断层走向方向氢气浓度值存在明显的分段特征，即断层西段(AY、ST和SQ)的土壤氢气浓度值较小，而东段(WJ、CY和CW)的值较高。

海原断裂带为一条典型的走滑型断层，走向NWW向，断层南侧相对向左运动、地形略微隆起，而北侧相对向右运动、地势较为平缓。海原断裂中段在1920-12-16发生过8.5级大地震，近期GPS数据反演的海原断裂带滑动速率和闭锁深度结果显示，相比其东段和西段，海原断裂中段的闭锁深度最浅、走滑和拉张速率最大^[9]。如图 7(a)所示，6条测线中最西端的AY测线位于1920年8.5级地震破裂段的西侧，并未在同震破裂段，而是在西侧老虎山-毛毛山断裂上。研究表明，该断裂为一条闭锁断层，不利于深部气体的上移，因此氢气浓度值较低；而中部的ST和SQ测线位于1920年8.5级地震破裂段中部，该处断层正处于震后愈合阶段，断层处于未闭锁的开启状态，其地表裂隙也会较为发育。这种条件有利于深部气体上移，但也无法使深部气体在浅地表富集，而是直接逸向大气，因此其氢气浓度也较低；西部的WJ、CY和CW测线同处1920年8.5级地震破裂段的西部，该处断层虽然未完全闭锁，但其震后愈合程度较高，地表裂隙也非完全开启，因此，一方面深部气体可沿断层向上运移，另一方面地表半封闭状态的裂隙为氢气的富集提供了良好条件，其氢气浓度也会相对较高。

3 结语

利用ATG-300H型便携式测氢仪，从采样器类型、测孔深度、断层作用等方面，探讨了土壤氢气浓度测量的影响因素与机理，得到如下认识：

1) 土壤氢气浓度曲线与气体扩散理论解基本吻合，其测值曲线的形态主要与土壤中氢气的富集程度(与m/n相关)和扩散系数(D)密切相关。

2) 土壤氢气浓度值受测孔闲置时间、测孔深度和采样器形状的影响较大，每次测量时均应在新打的测孔中进行，成孔后立即测量。为对同一区域对比分析，采样器和测孔深度应保持一致。

3) 断层带上的土壤氢气浓度受构造作用、断层闭锁程度、滑动速率、裂隙发育程度、开启或闭合状态等因素影响较大，它们主要影响深部氢气的向上迁移通道和在地表的富集程度。

致谢: 感谢中国地震局地壳应力研究所张国盟、张磊、中国地震台网中心王博、安徽省地震局方震、甘肃省地震局苏鹤军、新疆维吾尔自治区地震局颜龙等对本文工作的支持。