0 引言

活动断裂带地球化学气体逸出浓度特征研究对探索活动断层运动、捕捉地震地球物理异常具有重要意义。我国先后在首都圈地区、川滇试验场、天山地震带等开展断层土壤气浓度观测试验和研究，其映震效能已被国内外诸多震例证实，如：1998年1月10日张北—尚义M_S 6.2地震前1—2个月，怀来后郝断层气CO₂出现转折性下降异常（林元武等，1998）；2001年10月27日云南永胜M_S 6.0地震前2个月，距震中250 km的四川冕宁断层气CO₂日测值在8—9月出现高值异常，异常高出正常值约46%，异常结束后发生地震（官致君等，2003）；2020年1月19日新疆伽师M_S 6.4地震前近1年，柯坪断裂土壤气Rn、H₂出现整体性超阈值的异常变化现象等（闫玮等，2022）。

土壤气氡作为一种地下信息指示性示踪剂，在寻找隐伏铀矿、圈定油气藏边界和解决水文、工程地质中断裂带的分布问题以及预报地震灾害等方面效果显著（Miklavčić et al，2008；姚锦其等，2009；陈希泉等，2011）。然而，受地表各类因素影响，断层气氡浓度观测记录到大量非震信息（曹玲玲等，2014）。分析发现，气氡浓度与土壤温度呈正相关关系，土壤湿度的大幅度变化也会导致气氡浓度的异常，少量降雨对气氡浓度影响较小，但强降雨后气氡浓度骤降。强降雨后地表积水通过对流作用和抽吸作用，改变了土壤的物理性质和气氡浓度的变化（汪栋等，2014）。实践证明，断层土壤气Rn的逸出浓度与地质构造特征、断裂活动程度、岩石性质、覆盖层厚度、土壤透析度、气象因素等均有关系。在水系交错、植被发育的我国东南地区，断层土壤气氡逸出浓度还受到地下水等外部环境因素的影响。

近年来，宿迁市地震监测技术人员先后在江苏省茅山断裂带、郯庐断裂带宿迁段开展了断层土壤气观测示范研究，取得了可靠的连续观测数据。为了捕捉构造区域内应力场变化和地震地球物理异常，“十三五”期间，宿迁市辖区沿郯庐断裂带规划建设10个断层土壤气观测站，用于监测郯庐断裂带宿迁段断层土壤气Rn、H₂和CO₂的逸出浓度。本文以郯庐断裂带宿迁段断层土壤气Rn浓度为例，分析强降雨对我国东南部地区气氡观测的影响。

1 郯庐断裂带宿迁段地质概况

郯庐断裂带是华北地台、扬子地台以及胶苏褶皱带的边界断裂带，破裂深度可至岩石圈底部，平均宽度约30 km。深度地震反射剖面揭示，该断裂带由多条断裂组成，这些断裂构造面呈近直立的舒缓波状形态，构成典型的“花状”构造。宿迁市城市活动断层探测与地震危险性评价结果表明，宿迁市境内存在3条具备潜在发震风险的断裂，分别为桥北镇—宿迁断裂（F₅）、大官庄—双庄断裂（F₂）和城岗—耿车断裂（F₃）。F₅断裂是郯庐断裂带宿迁段主干断裂，从新沂市至泗洪县连续展布延伸，长度达160 km，宽度达100—1 000 m，最新活动年代为全新世，该断裂沿线是宿迁市主要地震灾害潜在风险区；F₂断裂穿过骆马湖至双庄、龙河集一带，在宿迁境内总长约60 km，属第四纪早期断裂；F₃断裂大致始于山东墨河，向南经百草塘、城岗、骆马湖、蔡集镇、凌城镇，至安徽赤山、红塔附近，在宿迁境内长度约50 km，属晚更新世活动断层。在沂沭断裂带内，F₅和F₂、F₃断裂共同组成两堑夹一垒结构中地垒的东、西边界，F₅断裂沿NNE向穿过宿迁市主城区，延伸至泗洪县城区后进入安徽境内（许汉刚等，2017）。研究表明，活动断层是地下深部流体运移的主要通道，地下气体，特别是Rn、Hg、CO₂等一些穿透能力强的气体，通过活动断层形成的通道逸出至地表，在断层上方的土壤中富集，形成断层气。断裂带上微量气体组分和浓度的变化，主要受断层活动的影响，因此断层气能够携带大量地下构造活动信息，对开展震情监视跟踪具有重要意义（任峰等，2017）。

宿迁市在开展断层土壤气观测台网规划建设时，充分考虑断裂活动性质与发震等级的响应关系，按照不同活动年代断层发震等级高低，在F₅断裂上沿NNE向布设6个台站，并在活动性较弱的F₃断裂、F₂断裂分别布设3个和1个台站，形成覆盖郯庐断裂带宿迁段的断层土壤气观测台阵（图 1）。

2 宿迁市断层土壤气台阵观测

“十三五”期间，宿迁市地震服务中心沿郯庐断裂带布设10个断层土壤气连续固定监测台站（图 1），对郯庐断裂带宿迁段断层土壤气氡等地下逸出气体开展连续定点观测。该项目2017年12月起实施，2019年7月陆续投入试验观测，2022年1月下旬观测数据正式接入江苏省地震行业专网，可通过专业软件随时调取数据用于地震监测分析。

在宿迁市断层土壤气观测台阵布设过程中，实施建设观测房、集气坑，配备标准机柜、取气装置，使用BG2015R型测氡仪（贝谷科技有限公司研制）进行氡观测，同时配置气温、气压、降雨量、地温等辅助测项。

观测房建（面积约25 m²）在采气坑之上，以确保采气坑、观测仪器、配套设施同处观测房内，避免风吹日晒、雨雪冰冻等影响，达到常年连续固定观测的技术要求。作为断层气观测的关键环节，在进行集气坑设计时，需充分考虑地表植被、地下水埋深以及强降雨等外部环境干扰因素，为此采取人工堆土、地面标高抬升方法排除上述外部环境影响。具体方法如下：①在植被茂盛等环境干扰较多场地，开挖正方形基坑，边长3 m、挖深3 m；②在坑壁四周用厚塑料膜覆盖，并浇筑混凝土作为围挡，以隔断坑内外的横向气体交换，坑内回填卵石至地表；③在地面继续浇筑混凝土围挡，高出地表 2 m，在内部继续回填卵石，并埋设PVC集气管，埋深约1.5 m；④在采气管上端设置倒三角形或倒梯形塑料漏斗作为储气仓，储气仓与混凝土壁之间用厚塑料薄膜覆盖，最大限度地收集地下逸出气体；⑤储气仓上端接PVC软管作为采气管，四周回填黄沙至混凝土壁顶端，PVC软管另一端连接仪器进气口进行连续采样观测（图 2）。

3 宿迁市断层土壤气Rn浓度影响因素分析

对断层土壤气氡的定点观测发现，氡浓度呈现一定年变规律，这种年变规律与气候条件有一定关系。土壤中氡气浓度的分布与地下地质构造、断裂、岩石性质以及矿产资源分布有着密切关系。因此，测定氡浓度可以勘查铀矿、追踪断裂、划分地层以及在工程地质中探明断层、岩溶等。但是，在这些应用中普遍存在气象因素的干扰，使应用效果受到一定影响（石玉春等，1994）。朱自强等（1991）分析了八宝山断层气氡浓度与降雨的关系，发现连续强降雨后断层气氡浓度会降低。土壤湿度较高时测定的土壤氡浓度较低，主要是因为，雨水在渗透到土壤表层时，氡就会向土壤深度扩散，而且水会在一定程度上增加土壤的密度，这样氡气聚集在土壤之中，难以向外扩散（张成友，2017）。对于地处中国大陆东南部的宿迁地区，辖区内水系发达，平常地下水埋深较浅，夏季强降雨天气较多，强降雨过后地下水得到迅速补充，导致潜水面快速抬升。由于测氡仪内置抽气装置功率较大，连续抽气时间较长，当采气坑产生积水时，仪器抽到的积水不能及时回流至地下，测氡仪闪烁室容易进水发生故障，硫化锌镀层遭受破坏，不能对氡气形成反射，造成测得的土壤气氡浓度急速下降，对日常数据分析造成影响。

3.1 宿迁市断层土壤气氡浓度变化特征

宿迁市断层土壤气氡观测采用BG2015R型测氡仪，主机采用可更换式圆柱筒形闪烁室采样器，可对空气氡、土壤氡和水氡进行快速采样和测量。该测氡仪采用光电倍增管和可更换式闪烁室，当氡气进入闪烁室后，氡气及其子体衰变发出的α粒子使闪烁室壁上的硫化锌产生微弱闪光，被仪器自带的处理器记录下来（邱永平，2020）。为使得闪烁室不被破坏，测量水氡的前提是，把溶解在水中的氡气分离出来，且闪烁室不能出现积水现象，否则硫化锌镀层会被损毁。

自2022年1月下旬正式投入观测以来，宿迁市断层土壤气氡观测经受了台风、雨雪、霜冻、强对流天气等外部环境影响，总体运行状况较好，数据连续率较高（图 3）。由图 3可见，宿迁市断层土壤气氡观测台阵中，数据形态较好的有宿迁、上塘、蔡集、车门、古楚、峰山6个台站，数值变化幅度在3.5 Bq/L—25.5 Bq/L，数据呈下降—转折—上升—下降—转折—上升反复变化特征，周期约15天，尖峰时段多出现在每个月的月底或月初，谷峰时段多出现在每个月中旬。宿迁每年6—8月强降雨频繁，地下水得到快速补充，地下水位快速抬升，观测期间，埠子、归仁、泗洪、天岗湖台采气坑有积水现象，土壤气氡数据因仪器进水急剧下降（图 3中椭圆标注）。总体而言，宿迁断层土壤气氡浓度短期变化形态无明显规律性，出现多个单峰、双峰、多峰现象，无明显日变化、月变化特征，考虑到宿迁市断层土壤气氡台阵投入观测时间不长，需积累长期数据进行综合分析。

3.2 强降雨对断层土壤气氡观测的影响

杜建国等（1998）在八宝山断裂带逸出气氡测量时发现，大气降水可使土壤湿度增大，土壤空隙被雨水填充，引起粘土矿物膨胀，导致土壤气氡脱气受阻。断层气氡数据映震特征表明，若有异常数据畸变与偏离，应首先检查仪器及外界干扰情况，综合分析加以排除（黄春玲等，2015）。在日常观测中，归仁台、泗洪台、天岗湖台、埠子台断层土壤气氡在2022年、2023年6月底至7月初出现大幅下降，为此调取异常时段监测数据，对断层土壤气氡观测影响因素进行分析（天岗湖台、归仁台调取2022年6月1日至8月31日数据，埠子台调取2023年6月1日至8月31日数据，泗洪台调取2022年6月1日至10月31日数据，该台测氡仪2022年7月20日至10月11日停测，期间数据缺失）。如图 4所示，归仁台断层土壤气氡2022年6月29日、天岗湖台断层土壤气氡2022年7月5日、泗洪台断层土壤气氡2022年7月6日、埠子台断层土壤气氡2023年7月4日分别出现大幅下降。

经现场核实和综合分析，认为土壤气氡数据变化可排除仪器故障或人为干扰因素的影响，但上述台站测氡仪闪烁室均出现进水并伴随泥沙沉积现象，且与测氡仪连接的集气管中有大量积水尚未回流至地下（图 5）。对天岗湖台、埠子台、归仁台、泗洪台降雨量和土壤气氡数据进一步分析发现，天岗湖台记录到2022年7月4日出现强降雨，日降雨量达76.9 mm，持续1天后，土壤气氡数据在7月5日出现大幅下降。埠子台2023年7月初降雨量较小，但土壤气氡数据在7月4日出现大幅下降，调查发现，埠子台附近稻田灌溉积水，可能导致采气坑积水，从而造成测氡仪闪烁室进水。归仁台在2022年6月27日记录到有较大降雨，6月29日达最大降雨量（86.4 mm），当天土壤气氡数据出现大幅下降。泗洪台记录到2022年7月4日出现较大降雨，7月5日达最大降雨量（61.8 mm），7月6日降雨量明显减小，强降雨持续2天后，土壤气氡数据出现大幅下降。土壤气氡数据下降后维持在极低值区段，说明测氡仪闪烁室进水后，水氡析出气体量少，且闪烁室硫化锌镀层被损坏，导致测量氡值较小。

King等在研究美国加利福尼亚州3条逆冲断层气氡浓度时发现，夏季（干燥）气氡浓度值在断裂带两侧表现为双峰特征，在冬季（多雨）则明显降低，认为雨季气氡被限制在饱含水的覆盖层土壤下，降低了气氡渗透率（史杨等，2017）。值得一提的是，天岗湖台仪器闪烁室于2022年7月20日进行更换，排除集气管积水后，其断层气氡测值快速恢复至正常区段。归仁台、泗洪台、埠子台测氡仪闪烁室备件不足未及时更换，闪烁室和集气管积水排出后，土壤气氡测值仍处在低值区段。为防止再次出现闪烁室进水现象，将3个台站测氡仪采气管底端向上拔出1 m左右，从堆积于地面的土壤层采气，即从积水位上方采气，从而解决了3个台站测氡仪闪烁室再次进水的问题。而且，宿迁市断层气观测台阵集气室采用鹅卵石填充并填有粗砂（图 2），有足够储气空间，台址周边土壤覆盖层较为松散，不易出现固结现象，说明归仁台、泗洪台、天岗湖台、埠子台断层土壤气氡浓度突然下降由测氡仪闪烁室进水所致，并非降水或灌溉积水导致土壤板结，从而降低气氡渗透率导致。

其他台站未出现断层土壤气氡浓度的突然下降和其他明显特征变化现象，可能是因为降水量小未达到积水条件，或者虽然出现强降雨，但台站场址不易积水，测氡仪闪烁室未出现进水现象。

在自然界中，氡属于惰性元素，在水中溶解度不大，一般不与其他元素发生化学反应，其迁移特征能够反映地球内部信息。但是氡迁移速率低，运移距离短，在扩散过程中一般需要相应的气体作为载体，甲烷、氮气、二氧化碳等气体均可作为氡的载体。实验研究表明，氡的浓度与断层土壤气中二氧化碳的析出率呈较好的正相关性（Toutain et al，1999；Zhuo et al，2005），如：Li等（2013）研究发现，张渤地震带东段唐山地区断层土壤气氡与二氧化碳的浓度相关系数高达0.81，进一步证实了二氧化碳对土壤氡气具有载气作用。由于二氧化碳溶解于水，遇水可发生化学反应，受降雨等导致的采气坑渗水、积水等影响，二氧化碳浓度会相应发生明显变化，载气功能降低将导致氡浓度同步下降。考虑到氡、二氧化碳从同一采气坑取气，因此调取归仁台、泗洪台、天岗湖台、埠子台断层土壤气氡、二氧化碳数据进行同步分析。如图 4所示，埠子台、归仁台断层土壤气氡、二氧化碳受强降雨影响同步性较好，天岗湖台、泗洪台断层土壤气二氧化碳受强降雨影响不大。天岗湖台更换测氡仪闪烁室后，将采气管底端向上拔出1 m，从地面土壤堆积层采气，未再次出现闪烁室进水损坏现象，因此测得的断层土壤气氡数据恢复正常。而埠子台、归仁台、泗洪台因未更换受损闪烁室，土壤气氡测值仍处于低值。

综合分析认为，宿迁市断层土壤气观测台阵位于中国大陆东南部，辖区内河湖水系发达，地下水储量丰富且埋深较浅，且季节性降雨较明显，每年6—8月强对流天气频发，降雨量占比达70%以上，强降雨导致河湖水位上升，台站周边地下水得到快速补充，从而导致潜水面抬升，在部分台站采气坑易形成积水，且受场址条件所限短期内难以排除，因测氡仪抽气泵功率较大，会将积水沿集气管抽进闪烁室，造成闪烁室损坏无法正常工作，从而导致土壤气氡测值突然下降。其他台站测氡仪无进水现象，可能与台站场址条件有关，或者有快速泄流通道，采气坑不易形成积水。

4 结论与讨论

（1）通过对郯庐断裂带宿迁段断层土壤气氡站点堪选及一段时间的观测试验发现，在我国中西部地区普遍适用的采气坑设计施工方案在宿迁地区有一定局限性。这是因为，宿迁市地处我国东南部地区，水系发达，地下水位高，取气深度较浅，不能够有效解决夏季强降雨、地下水埋深较浅、淤泥层透气性差等外界因素干扰，严重影响了断层土壤气氡仪器运行和观测数据质量。

（2）受夏季强降雨影响，归仁台、泗洪台、天岗湖台测氡仪闪烁室出现进水现象，土壤气氡测值急速下降。埠子台若出现大量积水不及时泄流，也可能导致采气坑积水，从而影响断层土壤气氡观测。其余台站无测氡仪进水现象，可能与台站所处地理位置、地质地貌环境或有泄流通道有关，台站场址本身不易形成积水。上述台站均已建成并投入运行，重新选址建设可能性不大，为解决测氡仪进水问题，可考虑对观测系统进行改进。根据杭州市等一些南方台站的观测经验，在仪器进气口前端接上干燥器并定期更换，或者参照水氡观测原理，在连接测氡仪的抽气软管与埋入采气坑内的PVC硬管之间加装气水分离装置，若测氡仪抽取到地下水，经气水分离装置析出氡气，经过干燥剂干燥后输入测氡仪闪烁室，从而达到保护监测仪器、降低更换配件成本、提升观测数据质量的效果。

（3）宿迁市断层土壤气监测台阵规划建设和观测运行积累的大量工作经验，可供有断层土壤气监测需求的地区借鉴。对于断层土壤气氡集气设施，既要考虑布在断层上或断裂破碎带内，又要考虑地形地貌因素，科学规划选址布局，在水系发达、水网密度大、流域面积广的地区要与大型河流、湖泊或水库保持足够距离，避开地势低洼易积水地段，或设计集气坑泄流通道，或增加抗干扰装置，技术要求重点排除地下水干扰，以缩短台站建设周期，提高建台效率，降低运维成本。