地球是一个巨大的开放系统。地壳放气现象是岩石圈与大气圈进行物质、能量交换的一种重要形式。它是一种无时不有、无处不在的自然现象。但无论是时间上或空间上，地壳放气现象并非恒定、均速地进行着，它们具有强烈的不均一特点。地壳放气部位在空间上主要集中在洋脊、火山口、活断层、温泉出露点及大震震中区，其他地区则显著减少；主要放气时段多集中出现在火山活动、构造活动、地震活动强烈的时期，其他时间则明显减弱（蔡祖煌等，1981；马宗晋等，1982；汪成民等，1988）。已有研究认为，构造演化和地震孕育过程中地球内部物质迁移、能量释放及应力变化可能是导致活动断裂带释放气体地球化学异常的重要原因（King et al，1996；Italiano et al，2009）。因此，这些经由活动断裂带释放的气体必然携带着丰富的地球内部动力学过程及孕震介质物理、化学演化等重要信息，其气体地球化学特征及异常变化可为地球内部地震孕育及断层活动监视提供重要的科学依据。

近年来，随着气体地球化学观测技术的快速进步，活动断裂带土壤气体地球化学流动观测与研究得到突飞猛进的发展（周晓成，2011）。大量研究（如：马向贤等，2012；郭正府等，2017；王喜龙等，2017）发现，活动断裂带土壤气体地球化学特征及释放强度常与区域构造演化及地震活动密切相关，如：唐山地区土壤气Rn、Hg和CO₂高浓度区与活动断裂展布区的高度吻合，进一步表明，活动断裂带为地球深部气体的集中释放地带；汶川地震破碎带Rn、Hg、He和CO₂浓度异常沿断裂分布，且在余震集中发生的北部地区，土壤气体浓度较高；在中国台湾新城断裂土壤气Rn和CO₂监测点，记录到大量明显的地震地球物理异常；车用太等（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，发现半数以上的断层气Hg异常之后便有地震发生；康春丽等（1999）发现，Hg异常的空间分布不仅与地震的幅度和震中到观测点的距离有关，还与震源和观测点之间的应力场和介质的属性有关；韩晓昆（2014）在唐山断裂带开展了土壤气体地球化学流动观测，分析发现，随区域地震活动强度的增大，唐山断裂带土壤气CO₂、Rn和He浓度明显上升。目前，活动断裂带土壤气体地球化学手段在区域构造演化及地震趋势研判中发挥着越来越重要的作用（杜建国等，2018；赵建明等，2018）。本文从我国地震断层土壤气观测现状、技术思路、数据分析等方面，对土壤气观测进行全面调查，并为深入开展断层土壤气与气体运移关系研究提出设想，以期形成相对成熟的观测技术系统，为开展地震相关研究服务。

断层土壤气是，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他活动性断裂等地壳薄弱地带向地表迁移和释放的气体。断层土壤气流动探测是活动断层探测的常用方法，通过系统测量断层土壤气体组分的化学成分，分析地球化学特征，研究与地震构造活动有关的气体异常变化，从而进行地震预测或预报。中国2016年起开展地震断层土壤气流动观测，监测区域包括天山地震带、青藏高原东北缘、张渤地震带、郯庐地震带及川滇地区，已收集多期土壤气观测数据，为后续开展连续观测提供了背景资料；观测数据经处理分析，可为地震会商提供构造地球化学依据。地震断层土壤气研究已经具备在全国主要地震带、震情危险区开展单期、多期、定期及连续观测的基础条件。

选择观测场地需综合考虑构造分段、断层性质等因素，要求测线跨过主要断层破碎带，地貌上选择有断层出露、形变跨断层的场地等。观测点应避开人为干扰和生物扰动场地及便于长期观测的场地。观测设备使用国内外技术成熟、野外工作稳定的测量仪器，按照技术要求定期进行仪器刻度与校准，保障观测数据质量，达到长期观测值的对比分析要求。

布设测线要求：布设测线须与构造分段、断层性质相结合，各测线应跨过主要断层并尽量垂直于断层走向，尽量选择历史较长的土路作为测量剖面，避开新填土路或垃圾堆放地，尽量避开潜水位埋深浅的地方，观测场地内条件允许的情况下至少需要3条平行测线，以确保测量数据的可靠性。测线间距根据场地条件及断层规模布设，断层土壤气浓度明显出现高值时应加密观测。

断层土壤气体采样一般采用直接采气方式，打孔采取地下某一深度的气体进行分析。取样器顶部多设计为锥形（顶部锥形也可设计有螺旋），以防止空气混入，采样杆中空，内装衬管。在所选剖面的点位上采样时，将取样器打入土壤80 cm，取样器上端导气管接过滤器，现场用采样气泵将取样器和导气管中的空气排出，再开始测量（图 1）。

图 1(Fig.1)

图 1 断层土壤气气体浓度观测装置示意 Fig.1 Schematic diagram of fault soil gas concentration observation device

对断层土壤气测量结果的影响因素有多种，但大致可划分为人为因素、地质因素和气象因素，包括仪器密封性、岩土性质、土壤含水量、气温、气压、地温等。需认真操作，并注意避开上述因素，则可得到满意的测量结果。为保证测量结果质量，应严格按照操作规程进行测量，并需认真检查仪器。

理论上讲，断层释放的任何气体均可作为断层气观测项，但依据研究地震过程中现有震例及从观测技术考虑，目前断层土壤气主要测项有H₂、Hg、CO₂、Rn。

H₂能快速对构造活动产生响应。氢元素具有质量轻、迁移速度快和穿透力强的优越性，在地壳中分布较广泛，尤其是集中分布并释放于断裂带中（车用太等，2015）。在岩石受力变形时，晶格结构破坏可直接释放出矿物晶格中的H₂，新鲜岩石裂隙和破裂面容易发生水岩反应直接产生H₂，地壳中高温活断层产生的局部高温高压可以使H₂S和CH₄转化为H₂。范雪芳等（2016）发现，地震前1周断层土壤H₂浓度突升，变化幅度达正常背景值的20多倍。可见，在地下应力状态改变时，可观测到H₂的异常现象。因此，H₂可能是监测断层活动状态的理想气体。

Hg元素具有电离势较高、穿透能力极强以及挥发性较高的特点，在地下温度和压力发生变化时，Hg蒸气可沿构造裂隙上升至地表，造成土壤气和地下水等介质中Hg浓度异常。

CO₂是地球内部生成的众多流体组分中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，其异常浓度可较好反映地震和断裂带的活动情况。

Rn气体主要来源于断裂层中富含放射性铀、钍系列元素的岩石。因此，断裂带的破裂强度越大，破裂产生的裂隙越多，生成的Rn气体就越多。土壤Rn气体浓度高值测点主要分布在断裂带附近，与断层走向基本一致。理论上，由于Rn的迁移与扩散作用，土壤覆盖的Rn浓度分布会以断层面破碎点为中心，向周围不断递减，导致断层面上的Rn浓度较高，而四周较低。Rn元素的成因主要是断层岩层破碎以及地震活动，土壤母岩的类型与部分垃圾污染对Rn浓度的影响较为有限。

综上所述，H₂、Hg、CO₂、Rn等气体质量轻，粘滞性小，迁移速度快，对地壳动力作用的响应能力灵敏，在地壳与大气中的浓度差异较大（蒋凤亮等，1989），气体异常与断层的现今活动性关系密切。基于上述优势，断层土壤气流动观测以H₂、Hg、CO₂、Rn四种气体为主，且国内外一些学者一直关注4种断层气在地震地球物理监测中的应用。初步的探索结果，不仅在一些地震中得到验证，而且取得一致认识，即4种断层土壤气异常不仅映震灵敏性高，而且其短临前兆性明显，信噪比较高。

目前断层气常用观测仪器有：H₂观测采用Agilent Macro 3000便携式气相色谱仪；CO₂观测采用便携式红外线二氧化碳分析仪（如GXH-3010E型）或气相色谱；Hg测量国际上广泛使用RA-915 +型塞曼效应（Zeeman effect）测汞仪；Rn测定目前使用较为广泛的仪器包括RAD7、RTM2200、Alpha GUARD P2000测氡仪等。

地质信息解析是一个复杂过程，从复杂数据中提取反映某种地质过程的信息是相当不容易的。随着研究的深入及应用范围的扩展，人们提出多种异常处理方法，如均方差法、累积频率法、聚类分析法以及趋势面法等。这些方法均基于统计学应用范畴，因此数据的质量、大小以及方法本身对分析结果均有较大影响，这对真实地质信息的提取较为不利。因此，有必要利用多方法综合的比较结果，选择一种普适性最优方法，可能是比较合理的异常分析方法。

（1）均方差法。一般认为，只存在测量误差的测量数据应是一组符合正态分布的随机变量，其均值（或中值）通常被认为是背景值，背景值之外的值定义为“异常下限”。前人习惯用平均值加n倍均方差作为异常判定的标准——异常下限，这种方法简单、直观，易于计算，在国内文献中大量使用，其问题在于均差前倍数n的确定，n过小，可能出现假异常，n过大又会使异常丢失。因此，n的确定具有人为干扰因素的存在，影响了该方法的数学严谨性，这是考虑其他方法的主要原因之一。均方差法异常下限计算公式为：异常下限（threshold）=平均值+ n（均方差）。

（2）累积频率法。累积频率法通常用于测量数据的正态判定，其数学基础与方法（1）相同，但该方法是从几何学角度入手进行异常判定。一般地，正态分布的随机变量其累积频率应该符合单一直线形态，否则就会出现拐点或曲线形态。因此，累积频率图中拐点的位置显示了数据的分类特征，不同类数据群应具有相应的正态分布直线斜率，这就是利用累积频率法进行异常判定的理论依据。该方法主要以寻找拐点的方式，避开人为系数判定，具有直观、易行、易于识别等特点。

（3）聚类分析。聚类分析的实质是建立一种数据分类方法，能够将一批样本数据按照其在性质上的亲密程度，在没有先验知识的情况下自动进行分类，其数学基础理论与方法（1）、（2）有所不同。在应用地球化学中，利用聚类分析可以从复杂数据中寻找代表不同地质信息的数据群。在断层土壤气测量数据分析应用中，根据掌握的环境条件与地质背景，可将测量数据分解为代表不同信息的数据群，如背景值+异常值、背景值+（阀值+峰值）、检测下限+背景值+（阀值+峰值）等多种数群组合形式，需要参考其他方法的分析结果以及相关已知资料进行甄别。

（4）相关性分析。在地球化学数据处理中，经常要了解2种元素或化学组分之间的相关性，从而了解它们之间的因果或共生关系，从而提取与之相关的地质构造信息。相关分析法本身不是一种异常判断的直接方法，而是其他方法分析异常可信程度的一种间接论证方法。若在其他方法都不能分析出明显的异常阀值，但从曲线形态上能够看出多组分浓度相对同步的“凸凹”形态，这时利用相关性分析可能会得到意想不到的效果，如各组分数据相关性较好，则这种“形态异常”就不应该随意舍弃，还需考虑其他地质因素进行综合分析确定。

（5）趋势面分析法。趋势面分析法与上述方法有所不同，不直接进行异常下限计算或数值分类，而是以一种近似的理论函数进行插值模拟，以空间等值线的形式展现浓度空间曲线梯度的变化。趋势面分析其实是一个二维插值模拟过程，若断层气测量布局范围较小、测线较为密集、测点分布合理，利用趋势面进行异常分析则比较理想。

断层土壤气可以为地下气体的运移提供良好通道，同时地下气体又会对断层活动产生一定响应，二者是相互作用的统一体。目前对二者关系的研究已取得部分成果，但仍停留在宏观或简单的验证方面。所以，深入开展断层土壤气与气体运移关系的研究是当前地球化学的工作重点之一。据此，提出以下设想。

断层气异常多数为短临异常，震前异常突出，变化幅度可达几到几十倍，容易进行识别，不受地域限制。在通过断层气异常进行地震预测过程中，由于断层气地球化学场变化与地应力场或者地下温度场变化相关，因此映震效能好，多数断层气显著异常发生后会发生地震。虽然有可能造成漏报，但极少虚报，故可以与其他学科进行综合观测。

全面梳理现有断层土壤气流动观测方法，形成相对成熟的观测技术系统，完善《断层土壤气流动观测技术规范》。

建设专业仪器检定平台，尽量统一规范测量仪器型号。观测仪器的稳定性对于探测结果来说重要性较强，在野外测量前应对仪器进行标定，每天测量前进行仪器自检，合格后方可进行测量。若出现忽高忽低的变化，需随时检查仪器工作状态，尽可能保证所测数据资料的可靠性。

在测线勘选中，要尽力避开回填新土或垃圾附近地区。若所选测线是新填土，Rn等气体自然不会富集；若垃圾回填土或所选测线一段是老土、一段是新填土等，也不可能获得可靠的数据资料。因此，断层土壤气测线的勘选很重要，要尽可能在土质老且均匀、地形比较平坦和地下水埋深较一致的地段布置测线。

断层土壤气具有质量轻、迁移能力强、映震灵敏的特点，特别是其异常多属短临异常，因此可作为突破地震短临预测科学难关的测项，可增加地球化学断层气流动观测点数量并扩大流动监测网分布范围，进行定期观测。完善现有断层气分析软件，以便定期产出中国大陆主要构造区土壤气地球化学背景场（或异常）信息图表。