我国跨断层水准测量始于20世纪70年代，是一种观测精度较高、能够直接反映断层活动的形变观测手段，其物理意义明确，在地球动力学、活动构造和地震预测研究中得到了广泛应用(薄万举等，2001；郭良迁等，2007)。许多研究者利用跨断层形变观测资料分析断层的活动速率、活动性质和三维活动量等(薄万举等，1998；李腊月等，2016)，这为研究区域断层动力学特征提供了大量的佐证。此外，还有研究者将主成分分析、时频分析、灰色关联度综合指标等方法引入跨断层资料的分析中(方颖等，2015；张希等，2018)。但上述方法是基于排除跨断层观测中各种干扰因素后进行的，同时，上述部分方法是在具备断层基线观测和水准观测的条件下开展的。西代村跨断层短水准观测场地位于汤西断裂上，其跨断层测段观测数据自2012年起出现加速上升，截至2018年10月，累计变化量高达10.6 mm。由于未搜集到该场地周边地下水位、气象三要素和附近采石场开采情况等资料，不能判定该异常是否由干扰所致，因此，不能盲目地采用跨断层形变资料分析方法来分析断层的活动速率等。此外，该场地无基线测量，监测内容单一，无法有效完整地监测到地震活动异常信息(陆明勇等，2018)。研究表明，跨断层形变资料异常持续时间与震级间成正比关系，且异常幅度有随异常持续时间增加而增大的趋势(李杰等，2010)。西代村跨断层水准观测数据变化是否由构造活动引起，断层近期活动状态如何值得探究。

跨断层土壤气为地球内部沿活动板块或块体边界及其它地壳薄弱带向地表迁移释放的气体。土壤气的浓度变化特征能客观灵敏地反映地壳应力状态，相关研究被认为是一种示踪断裂活动的有效途径，目前该方法已成为探索地震前兆与评价断裂活动性的重要方法之一(汪成民等，1991；刘菁华等，2006；李营等，2009；周晓成等，2011)。但目前将跨断层土壤气测量与跨断层水准测量结合的研究较少，本文在跨断层水准测量的同时，开展跨断层土壤气Rn和H₂的测量，旨在通过各期土壤气浓度、背景值等变化特征判定水准观测数据趋势性上升是否由构造活动引起以及断层近期活动状态。

西代村跨断层水准场地跨过汤西断裂。该断裂是汤阴地堑的西边界，也是太行山区与南华北平原的主要分界线。断裂南起新乡，经太公泉、青羊口、庙口，过宜沟后，逐渐隐伏于汤阴以西的丘陵中，倾向120°，倾角75°，全长70 km(图 1)。跨断层水准场地附近活断层探测开挖的探槽揭露，中更新世晚期或晚更新世早期的棕黄色粘土与鹤壁组砾岩呈断层接触，断面平滑，可见到NW向的斜向擦痕，反映出该断裂东盘沿断层面作斜向滑动的右旋正断层，为晚更新世以来的活动断裂。

图 1(Fig.1)

图 1 区域地质构造与测线分布 Fig.1 Regional geology structure and measuring line distribution

在探槽露头北约280 m处布设1条与跨断层水准测量剖面平行的跨断层土壤气Rn和H₂的测量剖面，剖面走向与断层走向近垂直(图 2)。根据现场测量环境，设置测线方向由西向东，测线长度为480 m，测点间距30 m，共17个测量点(图 2)。分别于2018年4月、7月、10月开展3期Rn和H₂测量。同时，为提高观测数据的可靠性，于2018年8月在原测线北20 m处布设1条与其平行的测线开展1期Rn和H₂测量，测点间距20 m，加密处间距10 m。测量时先用钢钎在测量点并列打2个孔深0.80 m、孔径0.03 m的钻孔，然后将麻花钻取样器插入其中封孔。用硅胶管连接便携式Rn气与痕量H₂监测仪进行土壤H₂与Rn浓度现场测定。Rn浓度用Alpha GuARD P2000测氡仪测定，仪器灵敏度50 cpm/(kBq/m³)，仪器校准误差小于3%。H₂浓度使用杭州超距公司ATG-300H便捷式测氢仪，仪器检出限5×10^-12，仪器校准误差小于5%。

图 2(Fig.2)

图 2 断层土壤气测线布设与跨断层水准点布设 Fig.2 Layout of fault soil gas survey line and cross fault benchmark

现场测量时测氡仪的参数为0.5 mL/min的抽气模式、1 min的采样间隔，每个测点记录20个Rn浓度值、5个H₂浓度值。由于土壤层气体释放不稳定，因此取每个测点气体浓度最大值作为该测点气体观测值。对各期土壤气H₂、Rn浓度观测值分别进行K-S非参数检验，结果表明p > 0.05，观测值均通过检验，土壤气H₂、Rn浓度观测值正态分布。同时，为客观反映该区土壤气背景值，利用Excel中箱形图对观测数据进行处理，筛选出异常高值并去除，然后取剩余测点测值的算术平均值作为每期观测的背景值。

4期土壤气H₂测量结果显示，该区土壤气H₂浓度背景值处于低浓度水平，变化范围为0.40×10^-6—1.44×10^-6，4期中H₂浓度最大值仅为11.50×10^-6。2018年7月、8月2期H₂浓度异常值主要集中在距起点150—210 m处，该处为断裂通过处。另外2期测值对断裂位置的显示不明显，可能与当时的测量环境等因素有关。图 3为西代村跨断层土壤气H₂、Rn各期浓度。由图 3的第1、2期测量数据可见，断裂上盘土壤气H₂浓度较下盘低，这可能是上盘为中更新世晚期或晚更新世早期的棕黄色粘土覆盖，而下盘为新近纪鹤壁组砾岩，第四纪覆盖层较薄所致。与不活动断层相比，活动断层处气体释放更为剧烈。已有研究表明，与历史地震有关的活动断层中H₂浓度通常为百分之几(Sugisaki et al，1983)，而与历史地震无关的第四纪断层中H₂浓度至多为100.00×10^-6，因此可将H₂作为检测断层活动与否的一项辅助手段(王博等，2017)。而该区测量结果中H₂浓度最大值仅为11.50×10^-6，远小于100.00×10^-6，同时，2018年8月、10月背景值低于该区空气H₂浓度背景值(0.50×10^-6)。4期H₂浓度背景值的相对变化量也不大，最大变化量为-0.55×10^-6—0.49×10^-6，说明断层近期可能处于相对稳定的状态。

图 3(Fig.3)

图 3 西代村跨断层土壤气H2、Rn各期浓度(a)H2；(b)Rn Fig.3 Concentration of cross-faults soil gas H2 and Rn in different periods in Xidai village

4期土壤气Rn测量结果显示，该区土壤气Rn浓度背景值为44.8—61.0 kBq/m³，最大值为109 kBq/m³，异常值主要集中在距起点150—210 m处，该处可能为断裂通过处。4期中Rn浓度最大值、背景值和均值分别为80.4—109.0 kBq/m³、44.8—61.0 kBq/m³、45.3—67.6 kBq/m³(表 1)，变化幅度均在正常范围内。

表 1(Table 1

表 1 4期跨断层土壤气浓度测量结果Table 1 Measurement results of 4-period cross-faults soil gas concentration 测量时间 测点个数 H2浓度/10-6 Rn浓度/(kBq/m3) 最大值 背景值 平均值 最大值 背景值 平均值 2018-04 17 3.48 0.95 1.33 80.7 50.3 54.3 2018-07 17 11.50 1.44 2.04 94.6 61.0 64.2 2018-08 17 5.59 0.49 0.99 100.0 44.8 45.3 2018-10 16 0.72 0.40 0.43 109.0 60.4 67.6

表 1 4期跨断层土壤气浓度测量结果 Table 1 Measurement results of 4-period cross-faults soil gas concentration

西代村跨断层水准观测场地内布设有5座基本水准标尺，第0点为基岩点，第1—4点均为土层点，标石材料为钢筋混凝土，共4个测段，测线与断层夹角105°，点间直线距离1-2为42 m，3-2为250 m，3-4为40 m，3-0约500 m，单程共计900 m(图 2)。其中，3-0、3-2测段自2012年起出现了张性趋势性变化。截至2018年10月，3-2高差累计变化量达10.6 mm(图 4)。

图 4(Fig.4)

图 4 西代村跨断层水准 Fig.4 The curves of cross-fault leveling in Xidai village

为更好地对比跨断层水准结果和土壤气测量结果，在水准测量日期前后同时开展土壤气测量，跨断层水准测量周期为2个月，测量时间为2018年4月、6月、8月、10月，土壤气测量时间为2018年4月、7月、8月、10月。土壤气测量路线与水准测量路线基本平行。将4期H₂和Rn浓度测量的背景值、均值变化量与2018年4—10月跨断层3-2段、3-0段高差变化量作对比分析(表 2)。为统一坐标轴，同时为反映4期的变化量，对比时各期数据分别与2018年4月测量数据作差分分析。

表 2(Table 2

表 2 跨断层水准测量与土壤气H2、Rn测量对比Table 2 The comparison chart of the cross-fault leveling and the soil gas measurement 测项 测量时间 3-2高差/mm 3-2高差累计变化/mm 3-0高差/mm 3-0高差累计变化/mm 水准 2018-04 3657.27 0 5665.83 0 2018-06 3657.37 0.10 5665.95 0.12 2018-08 3658.44 1.17 5667.74 1.91 2018-10 3658.01 0.74 5667.25 1.42 测项 测量时间 H2浓度背景值/10-6 背景值累计变化/10-6 H2浓度均值/10-6 均值累计变化/10-6 土壤气H2 2018-04 0.95 0 1.33 0 2018-07 1.44 0.49 2.04 0.71 2018-08 0.49 -0.46 0.99 -0.34 2018-10 0.40 -0.55 0.43 -0.90 测项 测量时间 Rn浓度背景值/kBq·m-3 背景值累计变化/kBq·m-3 Rn浓度均值/kBq·m-3 均值累计变化/kBq·m-3 土壤气Rn 2018-04 50.3 0 54.3 0 2018-07 61.0 10.7 64.2 9.9 2018-08 44.8 -5.5 45.3 -9.0 2018-10 60.4 10.1 67.6 13.3

表 2 跨断层水准测量与土壤气H2、Rn测量对比 Table 2 The comparison chart of the cross-fault leveling and the soil gas measurement

2018年4—10月，跨断层水准3-2段、3-0段高差变化幅度相对较大，最大变化量为1.17 mm、1.91 mm，断裂呈加速扩张。但4期土壤气H₂浓度背景值和均值变化幅度较小，为-0.90×10^-6—0.71×10^-6，同时，土壤气Rn浓度背景值变化幅度为-5.5—10.7 kBq/m³，均值变化幅度为-9.0—13.3 kBq/m³(表 2)。监测H₂浓度变化是一种指示断层活动性的新手段，具有较强的映震灵敏性，也是地震短临预测的重要手段之一(张炜等，1988；刘耀炜等，2006)。在中国唐山、宁河、海城、大同等地震前后北京附近水井中溶解H₂浓度均急剧增加，变化幅度较大(汪成民等，1991)，震前H₂浓度出现比正常起伏范围高几、十几、甚至上百倍的大幅度变化(车用太等，1995)。在地震孕育过程中，应力场发生改变时，地下Rn的含量将发生显著的变化(车用太，2002)。从4期土壤气测量结果来看，4期土壤气浓度变化幅度均在相对稳定的范围内，未出现大幅度变化，推测近期断裂带可能处于相对稳定状态。

考虑到仅依靠4期土壤气浓度测量数据分析汤西断裂近期的活动状态存在一定的局限性，本文对该断裂带附近的小震活动进行了分析。2013年1月至2019年6月，汤西断裂带及其附近未发生M_L≥2.0地震。对2008年以来豫北地区49次M_L≥2.5地震的视应力计算结果显示(何重阳等，2019)，应力高值集中在聊兰断裂濮阳—鄄城段范县地区，汤西断裂附近视应力处于极低值区。这也说明该断裂近期活动较弱。上述结果与该区活断层探测结果基本一致，活断层探测中天然剖面和钻孔资料共同反映该断裂新近纪活动强烈，第四纪早、中更新世仍活动，但第四纪晚更新世以来未见活动迹象。

(1) 4期土壤气H₂浓度测量结果显示，该区土壤气H₂浓度背景值处于低水平，H₂浓度异常值主要集中在距起点150—210 m处，该处为断裂通过处。4期中Rn浓度最大值、背景值和均值变化幅度均在正常范围内，Rn浓度异常值主要集中在距起点150—210 m处，该处可能为断裂通过处，因土壤气显示断裂通过处与该区探槽显示的断裂位置一致。

(2) 4期土壤气测量结果及断裂带附近地震活动特征显示，近期断裂带可能处于相对稳定状态，跨断层水准异常与断层活动间关系不大。但考虑到断裂的活动及地质过程都是以百万年为单位的，仅依靠4期土壤气H₂和Rn浓度测量结果来判定断裂活动性还值得商榷。

建议在该区开展跨断层水准与跨断层土壤气同步测量，以期获得更多观测数据进行更科学充分的对比。