0 引言

近年来，针对断裂构造进行的地球化学探测逐渐兴起并发展（郑海刚等，2016；王喜龙等，2017；张彬等，2018），氢气作为断裂带释放的主要气体成分之一，具有迁移速度快和穿透力强的特点，能够快速对构造活动产生响应，被认为与地震构造活动密切相关（Wakita et al，1980；张培仁等，1993；杜乐天，2004；周晓成等，2013）。众所周知，自然界氢气的来源主要有断层错动、应力活动和生物质作用等（陈辉，1996；车用太等，2002）。研究表明，地下活动、断裂错动等会导致断层氢气增多，并使之不断沿断裂等地壳薄弱地带向地表运移和释放，活断层是地壳深部气体向大气层释放的天然通道，断层氢气沿断裂向上的运移量明显要高于非断裂部位，逸出空间易集中在断裂附近，而断层氢气这一特点常被用于断层的查找与识别（王广才等，2002；刘菁华等，2006；邵永新等，2007；周晓成等，2013；车用太等，2015；Zarroca et al，2016；孙小龙等，2017）。近年来，很多研究者利用氢气研究地震、断层并取得了较好的效果（范雪芳等，2016；李源等，2018；康健等，2019）。无论是在地震监测预测还是在断裂构造探测方面，氢气浓度观测均被认为是一项有广阔前景的地球化学探测方法（车用太等，2002；刘耀炜等，2006）。

依兰—伊通断裂为郯庐断裂带在我国东北地区的别称。郯庐断裂带是我国东部地区规模最大的断裂。随着研究的深入，近年来在该断裂带黑龙江通河段发现了全新世活动证据，探槽揭示距今1700年前发生过7级以上地震（闵伟等，2011），这一发现彻底颠覆了人们对该断裂带“全新世以来不活动”的认识。古地震往往存在复发周期（徐锡伟等，2000），因此，该断裂带值得重点关注与研究。本文通过对依兰—伊通断裂黑龙江境内重点地段进行跨断层测量氢气研究，探讨氢气与断裂构造间的关系。

1 构造背景

依兰—伊通断裂总体呈NNE—NE向展布，在我国境内总长约1 100 km，是郯庐断裂带渤海以北区段的主要组成部分（徐嘉炜等，1992），也是划分中蒙、中朝和燕山等3个活动地块的重要边界断裂（张培震等，2003）。该断裂基本由近于平行的东、西2条分支断裂（东支：F_4-2；西支：F_4-1）组成，构成一个宽约10—20 km的地堑，一些区段呈NE向沿松花江分布。

依兰—伊通断裂在黑龙江省境内一般被分为3段，即北段（方正—萝北段）、中段（尚志—延寿—方正段）和南段（伊通—舒兰—尚志段）。依兰—伊通断裂北段地震活动明显强于中段和南段，沿依兰—伊通断裂北段有着整个黑龙江省境内最为密集的小震活动，显示了较强烈的现今地壳活动特征。而就北段本身而言，地震活动也是分布不均匀的，北段的萝北地区地震活动要强于北段其他区域。该地区小震活跃，历史上发生过多次中强地震，如1963年6月22日5.8级地震。研究发现，西支断裂比东支断裂活动性明显，在西支通河段发现高2 m左右的断层陡坎等地貌线性影像，延伸长约70 km，逆走滑性质；并在祥顺乡南楼村的探槽剖面发现全新世活动，推测约1700年前发生过强烈古地震事件（闵伟等，2011；疏鹏等，2014）。

2 测试与方法

在依兰—伊通断裂北段西支断裂上从方正至萝北选出8条垂直于断裂的剖面进行观测（图 1），8条观测剖面由南向北分别是方正西测线、祥顺乡测线、松花江农场测线、香兰农场测线、汤原测线、鹤岗南测线、宝泉岭测线和延军农场测线。每条测线布设15—20个测点，测点间等间距，点距分别为10 m、30 m、50 m、100 m，点距的设置与所测断裂的精度、规模有关，也可根据地形地貌和断层类型进行调整。将所观测的断层按照可信度可分为A、B和C三类：A类为具有直接证据，通过探槽、剖面和露头等揭示；B类为间接证据，通过资料、钻探和物探等证实，构造特征非常明显，断层存在的概率很大；C类为推测断层，具有断层指向，存在构造特征，有存在断裂的可能性。如果未发现断层具体位置，可由收集到的资料判断断层可能通过的路径来确定最佳观测位置。

观测仪器为便携式氢气分析仪（ATG-300H），标定后空气检测值一般为0.5×10^-6。测量时在土壤中打1个观测孔，孔径约3 cm，孔深80 cm。先将取样器（麻花钻）吸气端插入孔中并封住气孔，然后用软管将取样器排气端与仪器相连，并启动仪器开始观测，读取最高值。为了减少非构造因素的影响，选同一土质条件的场地进行观测。

3 观测结果 3.1 观测数据

观测时间段为2017年6月—2018年9月，每条测线观测2—5期，得到了断裂上8条测线剖面的氢气浓度数据。其中，在方正西测线、祥顺后山村测线、汤原测线完成2期测量；在香兰农场测线、宝泉岭测线、延军农场测线完成3期测量；在鹤岗南测线完成4期测量；在松花江农场测线完成5期测量。测量数据见表 1。表 1中背景值采用各测点氢气浓度的几何平均值，这种方法能弱化极端数值对整体数据的影响，从而更真实地反映1组数据的整体水平，体现研究区域客观的氢气浓度背景。公式如下

$ G = \sqrt[{^n}]{{{x_1} \cdot {x_2} \cdot \ldots \cdot {x_n}}} $

(1)

式中，G为观测点所有样本的几何平均值；x₁为观测点第1个样本；n为观测点样本数。

3.2 观测剖面

8条测线均跨断层（或疑似断层），观测结果见图 2。

3.2.1 方正西测线

方正西测线位于方正县城西4 km处，横跨断裂布置。断裂在此处的地貌特征表现为大大小小多个湖沼、水泡和隆起呈串状线性分布。地形整体平坦，局部地势北高南低，沿断裂局部有陡坎。陡坎高差约3 m，测线横跨陡坎布置，走向SE。由图 2（a）可见，氢气浓度在陡坎上部有较明显变化，且陡坎上部的氢气浓度明显高于陡坎下部。

3.2.2 祥顺乡测线

祥顺乡测线位于祥顺乡东，与南楼乡已发现的活断层（闵伟等，2011）相距6 km。由于南楼乡地区为水稻田，未找到适合断层氢气观测的理想场地，最终将测线位置选择为该断层的东北沿伸方向。该场地断层地形地貌表现不如南楼乡处明显，地形平坦，缺少连续陡坎，但局部有牵引小型水系和控制河流走向拐点等现象，局部有小水洼、小鼓包等微观地形地貌特征。因此，该测线所跨断层为推测断层，由图 2（b）可见，氢气浓度在疑似断层处有明显起伏。

3.2.3 松花江农场测线

松花江农场测线位于依兰县城西北11 km，卫星影像显示，该位置断层线性构造清晰明显，地势东高西低，陡坎明显，高差3—4 m，走向NE，与松花江河谷近乎平行。2018年11月，黑龙江省地震局韦庆海等在测线旁开挖探槽；2019年11月，沿着断层在测线以西20 km处再开挖一个探槽。2个探槽均捕捉到断裂，揭示了断裂至少在晚更新世以来有过大规模活动。陡坎的高度表明，依兰—伊通断裂在此处活动强烈，且发生过多次古地震事件。在该测线前后进行了5次观测，由图 2（c）可见，除了第3期数据略显凌乱之外，其他4期都较稳定。第1期观测日期与第4期相同，背景值也相差无几（表 1），说明该地区2017年和2018年总体稳定。

3.2.4 香兰农场测线

2018年1月，汤原县香兰农场连续发生3.2级、3.8级地震。2次地震均发生在依兰—伊通断裂西支断裂上，该西支断裂是中小地震多发带（常金龙等，2018）。测线区域有明显NE向陡坎穿过，疑似断裂构造，陡坎高差约0.5 m，局部地势平坦宽缓，南北两侧稍高，中间稍低。陡坎在低洼处通过，测线垂直于陡坎布置。由图 2（d）可见，第2期氢气浓度高值点主要是受冻土层影响所致，分析认为与地震和断层间的关系不明显：①地震会使该区域氢气浓度整体升高，但不会造成测线上某一两个点浓度升高；②一般由断层因素造成的氢气浓度升高会在每期观测都有所体现，而不是只在第1期观测中有体现。而这种氢气浓度突跳情况反而是在冻土观测时常见（康健等，2019）。因冻土并不是均匀分布，与土壤含水量、土壤成分等均有关。第1期观测是在冻土刚形成时期，冻土较薄且不连续，并未造成土壤中氢气的富集；而第2期是在冻土最厚时段（黑龙江北部地区一般到每年5月冻土才开始消融），此阶段会有氢气浓度较高的现象。排除特殊因素，多期观测结果显示，该剖面数据较平稳，未发现明显异常，也未发现陡坎附近存在明显断层特征现象。

3.2.5 汤原东测线

测线距汤原县城东北约13 km，观测2期，因第1期测线修路使之受到破坏，故图 2（e）为换址后的测线结果。测线在松花江冲积平原上，属于同一构造单元，地势平坦，沿断裂分布大小不等的串珠水泡、湖泊，沿线零星分布鼓包隆起。测线附近有探槽揭示断裂断错了全新统土层，证明该段断层全新世有活动。由图 2（e）可见，在疑似断层通过处，氢气浓度异常特征非常明显。

3.2.6 鹤岗南测线

鹤岗南测线存在1条NE向线性陡坎，高差1.5 m，较明显，陡坎向东北逐渐消失，经调查为煤矿塌陷区，深逾千米，该区域同时也是依兰—伊通断裂破碎带通过地带，可视为高角度人工断层进行研究。由图 2（f）可见，断层通过之处断层气浓度存在变化趋势，在3条测线上均变化明显，其中，1条测线为CO₂测量剖面，其曲线特征与同期的氢气观测曲线特征相似。

3.2.7 宝泉岭测线

宝泉岭测线位于宝泉岭农垦局南郊，该区域属松花江冲积平原，地势较平坦，在测线东北方向2 km处有较低缓孤山，在孤山西坡有疑似陡坎，陡坎在平原区消失。在测线范围内断裂踪迹不明显。2017年中国地震局地球物理勘探中心在鹤岗—宝泉岭一带布置了多条EW向地震浅层反射测线，其中有1条就在宝泉岭农场，结果未发现该处有断层迹象（黑龙江省地震工程研究院，2017）。同样，由图 2（g）可见，此次工作在该剖面上也未发现明显异常特征。该剖面地震勘探和此次观测结果均未反映出明显异常特征，因此，宝泉岭测线很可能未横跨到目标断层。

3.2.8 延军农场测线

延军农场测线在黑龙江河谷一级阶地上，横跨1条0.7 m高差陡坎，局部地势西高东低。由图 2（h）可见，整条剖面上各期观测曲线形态较相似，都在陡坎通过处有明显变化，表明陡坎上部氢气浓度高于下部。

3.3 特征分析

（1）观测剖面上每期观测结果不尽相同，但总体特征相似度较好。这主要与季节有关，因受温度和湿度的影响一年四季的观测结果会有所不同（康健等，2019）。

（2）依兰—伊通断裂在本区域以走滑为主。对于以走滑分量为主、没有明显陡坎的断层，若是闭锁状态，则不利于断层气上逸，故断层处氢气浓度一般不会有明显变化；若是开放式断层，裂隙破碎带发育，则有利于深部气体上逸，如果地表被孔隙度较小的粘土类土层覆盖，断层气浓度一般较高（孙小龙等，2017）。在本文的8个剖面上，断层氢气浓度在断层部位多有明显变化，可以看出依兰—伊通断裂北段多为开放状态。

对于倾滑分量为主、陡坎明显的断层来说，多以“一侧高、一侧低”为主要异常特征，通常情况下，上盘高，下盘低（Ciotoli et al，2007；刘学领等，2011；周晓成等，2011）。如松花江农场测线，将其5期观测结果取各段平均值（图 3），可以看出陡坎两侧氢气浓度均值有差别，上盘略高于下盘。

（3）对于陡坎明显的断层，氢气浓度异常现象并不一定突出，如松花江农场测线[图 2（c）]；对于陡坎不明显的断层，氢气浓度也有明显异常现象，如祥顺乡测线[图 2（b）]和汤原测线[图 2（e）]，走滑分量强一些的断层，虽然陡坎不明显，但存在串状水泡、鼓包等明显线性特征。说明地貌形态（陡坎大小、水系牵引）并不是决定异常程度的主要因素。

（4）对于具有直接证据的3条A类断层剖面，在断层通过处都存在异常特征；对于有间接证据的3条B类断层剖面，断层通过处也都有明显异常特征；对于地表无明显构造特征的2条C类断层（推测断层）剖面，都未发现明显构造异常特征，说明断层气的释放会受到断层的影响。

（5）2018年8月在依兰—伊通断裂北段进行了完整的1期观测。在所有测线上均在同一时段内完成观测，同一时刻横向比较，可以有效避免环境变化的影响，直观地观测到断裂氢气浓度分布特征。图 4为2018年8月各测线氢气浓度，由图 4可见，松花江农场测线、香兰农场测线、宝泉岭测线和延军农场测线氢浓度较高。按氢气浓度高低将图 4的测线大致分为成4段，即：方正西测线和祥顺乡测线为第1段；松花江农场测线和香兰农场测线为第2段；汤原测线和鹤岗南测线为第3段；宝泉岭测线和延军农场测线为第4段。可以看出第1、3段氢气浓度较低，第2、4段氢气浓度较高，将这4段的大致范围叠加在2017—2018年地震震中分布图上（图 5），统计1级以上地震可见，第1段8次，第2段16次，第3段7次，第4段27次，因此认为，氢气浓度高低与现代地震活动水平强弱一致，断层氢气可以反映断层构造活动状态。

4 结论与讨论

针对依兰—伊通断裂北段选取8条测线，开展了多期跨断层氢气观测，初步得到以下结论。

（1）断层上氢气浓度会出现异常变化。8条测线中，在有直接证据或间接证据的6条跨断层剖面上，断层附近氢气浓度均有不同程度变化。在推测的2条跨断层剖面上，氢气浓度变化不明显，未能区分异常，说明断层氢气的释放会受到断层的影响。

（2）不同类型的断层上，氢气浓度的异常变化幅度没有明显差异。无论是垂直分量明显的倾滑断层，还是水平分量明显的走滑断层，在氢气浓度异常方面均无显著差异。可见断层产状并不是影响异常变化幅度的主要因素，异常变化幅度或与断层现今活动性和断层规模有关。

（3）断层上断层氢气浓度的高低一般与断层的闭锁程度与开放程度有关，也与地表是否有富集气体的土质条件有关。本文中断层氢气浓度多呈现在断层的一侧高、另一侧低的特点，这可能由断层两侧受挤压状态不均所致。此次观测结果即显示，在松花江农场测线上，断层上盘略高，下盘略低。

（4）沿断裂进行观测可以得到断层氢气浓度分布特征，研究发现，不同地段的断层氢气浓度是有差别的。断层氢气浓度可以反映断裂构造当前的活动状态，构造活跃地带的断层氢气浓度要高于构造不活跃地带，利用该特点可以对断裂活动性进行划分。

（5）断层氢气排放不仅受微观局部断层的影响，更受宏观的地震活动性大环境的影响。

断层氢气观测属于地球化学探测范畴，与众多探测手段一样，其观测结果也具有不确定性和不唯一性，易受观测环境的干扰影响，因此观测选点时应考虑干扰因素。另外，本次工作研究手段较单一，如果配合多种手段联合观测，效果将更理想，所得结果也会更精确。