0 引言

在地球内部蕴藏着大量高温高压状态的气体。由于这些气体与地表大气之间存在巨大温度压、浓度差，因此地球内部不停地往地表大气中释放气体（周晓成等，2017）。断裂带、火山和洋脊地带等地壳薄弱的部位（Ware et al，1984；Shangguan et al，2002；Mayhew et al，2013），是地下气体集中逸出带。与断层活动有关的从断层中逃逸出的气体称为断层气。断层H₂观测作为一种新的观测手段，具有连续性、稳定性较好，干扰因素较少等优点，已在山西、云南、安徽、新疆和河北等地取得了较好的效果。因此，开展断层H₂的释放特征与断裂活动性间的关系、断层H₂浓度短临跟踪监测技术等方面的研究工作，对提升地震监测预测水平具有一定的意义。多年来，国内外地球化学工作者对断层H₂进行了大量研究工作。研究发现，H₂浓度变化与断裂活动性间有密切关系（Wakita et al，1980；Sugisaki et al，1983；邵济安等，2010）；Poissant等（2007）对加拿大火山喷气口H₂的释放通量测量结果表明，该喷气口H₂的释放通量高达42 μg·m^-2·h^-1；2008年汶川8.0级地震后，沿汶川地震破裂带释放了大量H₂（Zhou et al，2010, 2016；周晓成等，2012）。周晓成等（2017）对首都圈西北部9条活动断裂上土壤H₂浓度的研究表明，从西向东H₂浓度呈增加的趋势。

岱海断陷带位于阴山—张渤带和山西断陷带的交汇部位，主要受北侧的蛮汉山山前断裂和南侧的岱海—黄旗海盆地南缘断裂控制。区域断裂发育，中小地震活动频繁。岱海断陷带是地壳应力变化易于集中的部位，该区域也是开展断层H₂的地球化学特征与断裂活动性、地震活动性间关系以及断层H₂短临跟踪监测技术等研究的理想场所。目前，针对晋冀蒙交界地区（内蒙古一侧）的地球化学测量及特征分析等工作开展得很少，这使得对该区域异常的确定存在困难，因此，本文对活动断裂带内H₂地球化学特征及其与断裂活动性间的关系进行了研究，以逐步实现内蒙古地区与目前山西带北部地球化学流动测量的无缝连接，更好地为晋冀蒙交界地震危险区震情跟踪和判定提供服务。

1 地质背景

岱海断陷带又称岱海—黄旗海断陷带，位于河套断陷带和山西断陷带的交汇地带，包括岱海凹陷和黄旗海凹陷，全长超过100 km（图 1）。应力场整体上为NE向的相对挤压和NW向的相对拉张，走向约60°—70°，主要由北侧的蛮汉山山前断裂和南侧的岱海—黄旗海盆地南缘断裂控制（图 1）。2条断层均属于活动断层，活动时代在晚更新世（Q₃）到全新世（Q₄），周围的断陷带都是历史地震和现代地震多发地带（冉勇康等，2003；江娃利等，2003）。蛮汉山山前断裂（F₄）西起黑老妖，经永兴、杏树贝、东水头一带向东延伸，断裂走向约65°，全长约80 km。而岱海—黄旗海盆地南缘断裂（F₅）西起双古城水库，经头道沟、六苏木、联合庄、坝底、海流苏太、乌兰察布市南东测的井子沟一带向东延伸，断裂走向约65°，全长约110 km。据资料（毕珉烽，2012）显示，断陷带基底为片麻岩，其上不整合覆盖了厚约100 m的上新统（N₂）湖相紫红色砂质泥岩。第四纪（Q）河湖相厚度一般为100—250 m，东南部最厚的地区达400 m。岱海断陷带缺失全部的古生代（P₂）地层和大部分的中生代（M₂）地层，太古界（Ar）地层大面积出露地表，仅仅在断陷带的东南和西北侧有部分侏罗纪（J）和白垩纪（K）地层出露。新生代（K₂）以来该地区以抬升剥蚀作用为主。

2 野外测量 2.1 测点布设

宏观上，岱海断陷带的活动以正断层为主，走滑分量不明显。土壤气观测场地是根据野外地质观测和前人所得地质资料（毕珉烽，2012）以及断层的总体特点——自西向东活动性由强变弱确定的。在该断陷带上，选择2条主控断裂——蛮汉山山前断裂和岱海—黄旗海盆地南缘断裂上活动性较强的凉城县段作为研究对象，选取4个观测剖面：蛮汉山山前断裂为永兴镇韩家棚村（N1）、三苏木泉卜村（N2），岱海—黄旗海盆地南缘断裂为双古城单台子（S1）、六苏木三道沟村（S2），详细剖面布设见图 1。2条断裂内布设的土壤H₂浓度测量剖面编号以从西向东的顺序排列。每个剖面上视情况平行布设2条测线，每条测线方向尽量垂直于断裂陡坎走向。N1、N2剖面上每条测线上设20个浓度测点，测线间距10 m，测点间距10 m（Zhou et al，2016）。由于观测剖面特殊的地表环境，S1、S2剖面上的测线1只布设5个H₂浓度测点，测线2布设15个H₂浓度测点，为了增加H₂浓度数据的代表性，在局部布设加密点（表 1）。

2.2 测量依据及方法

断裂土壤H₂是一种质量小、粒径小、渗透性强、粘度低、易于扩散的气体。H₂在空气中含量很低，仅为0.5×10^-6；在地壳中其含量为n×10^-6—n×10^-4，集中分布在5—8 km深度，主要从断层带上扩散到空气中。H₂浓度变化与断裂活动、地震活动间关系明显，特别是地震前n—n×10天常常表现出信噪比很高的异常，异常值是正常背景值的n—n×10²倍（车用太等，2015）。地壳中的H₂主要来源于生物化学作用与化学作用（蒋凤亮等，1989；胁田宏，1993）。作为地球内部物理化学场变化的产物，在构造活动强烈期及地震活动时期，H₂会从断裂内向外大量逸散，或溶解在经过深循环的地下热水中而被带出地表。断层H₂不仅是断层活动、地震活动的伴随产物，而且对断层活动、地震发生有直接诱发作用。因此，开展断层H₂释放特征与断裂活动性之间的关系及断层H₂测量中的影响因素、断层H₂成因机制等研究，对提高地震监测预测能力有一定的帮助。

在野外现场测量断裂带土壤H₂浓度的过程中，为了减少监测深度、气象因素等对H₂浓度的影响，需开展同深度地温和环境气温、气压、风速同步观测。首先用钢钎在布设好的测点打孔，孔径3 cm，深度约80 cm（李营等，2009；周晓成等，2011），然后拔出钢钎，立即将加了集气杆的锥形麻花钻气体取样器插入孔内，进行现场取样、测量。为避免气象条件引起的土壤湿度、气温、气压变化影响土壤H₂浓度测量结果，每条测线均在1天内完成（孙小龙等，2016）。每个测点采样间隔2 min，采样时间30 s，采样3次。由于土壤H₂浓度受测孔闲置时间、测孔深度和采样器形状、孔径等的影响较大，故每次测量均应在新打的测孔中进行，成孔后立即测量（孙小龙等，2017）。使用杭州电子科技大学和杭州超距科技有限公司研制的ATG-300H便携式测氢仪现场抽气测量，H₂浓度的检测限是0.5×10^-6，误差≤5%。

3 结果 3.1 测量结果

对研究区域的4个剖面进行土壤H₂浓度测量，共获得122组数据（表 2）。由表 2可见，永兴镇韩家棚村N1剖面H₂浓度为1.20×10^-6—327.20×10^-6，三苏木泉卜子村N2剖面H₂浓度为66.24×10^-6—920.10×10^-6；双古城水库S1剖面H₂浓度为73.30×10^-6—225.90×10^-6，六苏木三道沟村S2剖面H₂的浓度为54.22×10^-6—306.80×10^-6；4个观测剖面H₂浓度平均值分别为51.46×10^-6、249.74×10^-6、130.58×10^-6、112.93×10^-6，浓度最大值分别为327.20×10^-6、920.10×10^-6、225.90×10^-6、306.80×10^-6。结果表明，断层带附近的H₂浓度明显大于其他取样点，而且距断层越远，H₂浓度越小。由于断层带周围岩石破碎，裂缝较多，因此断层带附近是气体运移的良好通道（Evans et al，1997）。

以蛮汉山山前断裂永兴镇韩家棚剖面为例，共布设2条测线，每条测线20个测点。图 2为韩家棚N1剖面上40个测点的3次测量结果及其平均值（每个测点间隔2 min测1个值，共3个）。由图 2可见，3次测量值和均值的同步性、一致性均较好。通过对比分析，从2条断裂带的土壤H₂浓度测量结果可以看出，其他剖面的测值与韩家棚剖面结果类似，4个剖面122个测点的3次测量结果及其均值的同步性、一致性均较好。

3.2 断裂带土壤气H₂浓度特征

在永兴镇韩家棚村和三苏木泉卜子村垂直于蛮汉山山前断裂方向进行了土壤H₂浓度测量。从蛮汉山山前断裂2个剖面土壤H₂浓度[图 3（a），3（b）]可以看出，土壤H₂浓度的较高值主要集中在河沟（断裂带）附近。韩家棚N1剖面河沟（断裂）两侧河流阶地H₂浓度测值偏高，河沟谷底测值偏低。图 3（a）为2条测线每个测点测量最大值。由图 3（a）可见，在测距为90—200 m处出现2条测线测值反方向变化。测线1测距120—170 m处是致密黄土，H₂浓度测值较高[图 2（a），3（a）]；测线2测距150—190 m处未加集气杆（集气杆易被黄土堵塞），H₂浓度测值明显偏高，180 m处又为致密黄土，故出现异常高值[图 2（b），3（a）]。三苏木泉卜子村N2剖面北面是河沟（断裂），河沟南界即0 m处测点出现H₂浓度异常高值，之后测值变化平稳，直到测距130—150 m处又出现了河沟（次断裂），使得两侧测值偏高[图 3（b）]。分析发现，岱海断陷带主要断裂的土壤H₂浓度特征与活动断裂内部构造和裂隙发育程度有密切关系。活动断裂带内孔隙度十分发育，距活动断裂带越远，孔隙度越小，越不发育。Annunziatellis等认为（2008），一般情况下在有正断层断裂核部或只有单一断裂面的断裂带上，断裂核部裂隙密度较小，渗透性较低。而破碎带裂隙密度较大，渗透性较高。土壤气体的运移受断裂面或断裂核部的阻隔，从断裂核部及断裂带两侧破碎带中的裂隙渗出，使得断裂带上的土壤H₂浓度曲线表现为双峰形态[图 3（a），3（b）]。永兴镇韩家棚村N1和三苏木泉卜子村N2断层都以张性正断层为主，且破碎带裂隙发育，渗透性较高。本文研究结果与活动断裂带活动性越强，断裂带内硅酸岩新鲜破裂面越发育，则产生的H₂越多的已有结果（Kita et al，1980, 1982；Kameda et al，2004）相吻合。

在双古城单台子S1剖面和六苏木三道沟S2剖面垂直于岱海—黄旗海盆地南缘断裂进行了土壤H₂浓度测量。岱海—黄旗海盆地南缘断裂2个观测剖面上共42个测点，2个观测剖面均选在断裂上盘位置[图 3（c），3（d）]。由图 3（c）、3（d）可以看出，2个剖面H₂浓度测值变化较平稳，只有六苏木三道沟S2剖面的130—135 m（加密点）处出现异常高值，其他测点H₂浓度测值均在80.00×10^-6—200.00×10^-6波动变化，其原因可能是加密处为致密黄土，且接近断裂上下盘界限处。

由图 3可见，韩家棚村N1剖面测线1测值介于1.00×10^-6—90.00×10^-6，测线2介于1.00×10^-6—330.00×10^-6；三苏木泉卜子村N2剖面测线1测值介于60.00×10^-6—930.00×10^-6，测线2介于90×10^-6—560×10^-6；双古城单台子S1剖面测线1测值介于70.00×10^-6—150.00×10^-6，测线2介于70.00×10^-6—230.00×10^-6；六苏木三道沟S2剖面测线1测值介于70.00×10^-6—110.00×10^-6，测线2介于50.00×10^-6—310.00×10^-6。与其他剖面测线的测值相比，韩家棚N1剖面测线1测值明显偏低。使用集气杆对测线1进行测量时，集气孔堵塞是韩家棚N1剖面H₂浓度测值明显低于其他剖面的主要原因。

4 讨论

研究区山前主要以Q₄（全新统）地层为主，由于地幔抬升，岱海断陷盆地的发育主要受蛮汉山山前断裂和岱海南缘断裂2条NE向正断层控制。总体上，岱海断陷带位于鄂尔多斯块体的东北端，由（毕珉烽，2012）研究可知，该地区的主压应力方向为NE向，与区域构造活动方向一致，即由于青藏高原隆升从SW侧挤压鄂尔多斯块体，块体在北东端表现为NE方向挤压的应力场环境。图 4为4个观测剖面H₂浓度背景值（均值）与1970年以来区域2.0级以上地震活动间的关系。由图 4可以看出，活动性最强的区域为凉城NE方向三苏木及附近。此次测量中断层H₂浓度的最大值、均值也位于北缘断裂附近的三苏木泉卜子村。岱海—黄旗海盆地南缘断裂上的双古城单台子S1剖面H₂浓度测值高于六苏木三道沟村S2剖面，基本表现出南缘断裂上西高东低的浓度分布特征。总之，整体表现为断裂活动性、地震活动性越强，则断层H₂浓度的背景值和均值也越大。这种现象可能是断层活动及地震孕育过程中，在应力应变作用下地下介质条件发生改变，岩体变形破裂或发生化学反应而导致地球放气异常（杜建国等，1997；Lombardi et al，2010）。

5 结论

土壤H₂的浓度变化与断裂及地震活动密切相关，通过对岱海断陷带2条活动断裂4个剖面测区的土壤H₂浓度测量可以得出以下结论。

（1）2条断裂4个剖面3次测量结果及其均值的同步性、一致性均较好。

（2）蛮汉山山前断裂带韩家棚村N1剖面H₂浓度小于泉卜子村N2剖面，岱海—黄旗海盆地南缘断裂单台子S1剖面H₂浓度大于三道沟S2剖面。整体表现为断裂活动性、地震活动性越强，断层H₂浓度的背景值也越大。

（3）岱海断陷带2条主控活动断裂上断裂两侧测点的土壤H₂浓度明显大于断裂河沟谷底测点。

中国地震局地震预测研究所杜建国、李营、周晓成老师在研究过程中给予意见和建议，内蒙古自治区地震局杨彦明、戴勇给予了指导和帮助，在此一并表示感谢。