赵影　陈志　吕坚　肖孟仁　胡婷霞　刘兆飞　何鸿毅　罗齐彬　王成楠　胡旭东

摘要：通过野外流动观测，获取了2005年江西九江—瑞昌MS5.7地震震中所处的瑞昌盆地139个测点的土壤气体Rn和CO₂浓度数据。地质统计分析显示，瑞昌盆地Rn、CO₂背景浓度分别为7.33 kBq/m³和0.50%，异常界浓度分别为27.50 kBq/m³和6.00%。Rn和CO₂浓度空间分布结果表明：Rn浓度异常呈NE向优势分布特征，可能反应了当前赣北区域的构造应力场状态；Rn和CO₂浓度的同步异常带与刘家—范家铺—城门山断裂带、瑞昌盆地东南缘断裂重合较好；Rn、CO₂浓度异常分布对比分析显示瑞昌盆地东南方向的断裂活动性较西北方向的断裂活动性强，推测瑞昌盆地内相关地震活动与盆地东南方向断裂构造关联性较大。

关键词：九江—瑞昌地震；土壤气；地球化学；Rn；CO₂

中图分类号：P315.724文献标识码：A文章编号：1000-0666（2023）04-0542-09

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2023.0059

0引言

大量调查研究表明，活动断裂带因其裂隙相对发育而成为地球深部气体集中脱气的重要地带，经断裂带释放气体的地球化学特征与断裂的活动性密切相关（陈多福等，2005；Bhongsuwan et al，2011；Walia et al，2013；Han et al，2014；Chen et al，2018）。如意大利Fucino盆地断裂带内土壤气体Rn通量大多高于45 mBq/（m²s），最高达120 mBq/（m²s），显著高于盆地内非断裂带区域的10 mBq/（m²s）（Ciotoli et al，2007）。中國台湾南部潮州断裂及周边地区土壤气体He和CO₂浓度高值异常聚集条带与潮州断裂的展布基本重合（Fu et al，2005）。Li等（2013）、赵元鑫（2021）对唐山断裂带及周边地区的土壤气体进行地球化学野外探测发现，CO₂、Rn、Hg、He 和H₂的浓度异常高值集中出现于唐山断裂带内，且土壤气体浓度异常强度与区域断裂活动呈现较强的相关性。近年来，土壤气体地球化学特征研究已成为隐伏断裂探测及断层活动性评估的重要方法之一（周晓成等，2012；Li et al，2013；Wang et al，2014；Fu et al，2017；Chen et al，2018），如Mahajan等（2010）基于印度喜马拉雅山脉西北段新构造区域土壤气体Rn和He浓度的高值空间展布特征，揭露了平行于喜马拉雅山前断裂的一条新的隐伏断裂；Wang等（2006）利用土壤气体Rn和Hg浓度野外探测，进一步确定了福州市内的隐伏断裂展布情况；邵永新等（2007）通过土壤气体Rn和Hg浓度结果与人工地震探测结果的综合分析，将海河隐伏断裂划分为东、西两段，且断裂东段土壤气体浓度明显高于西段，可能指示断裂东段的较强活动性。

已有的观测和研究发现，中强地震的发生通常会造成发震断裂带气体的地球化学异常变化（King，1986；Italiano et al，2008；杜建国等，2018），如唐山MS7.8地震发生后40年对唐山断裂带土壤气体Rn的野外探测发现，唐山地震震中区仍是Rn浓度和通量高值的聚集区域，表明唐山地震及其余震对断裂带的脱气仍存在影响（Chen et al，2018）；通过对汶川MS8.0地震震中区域科学钻探随钻泥浆气体的地球化学监测发现，汶川地震的余震活动也会造成泥浆中气体H₂和 Hg浓度的明显升高（Zhang et al，2014；张彬等，2018）；在捷克波希米亚西北部和印度西部 Koyna-Warna地区均观测到发震断裂带土壤气体Rn浓度在区域地震发生前的增高异常变化，研究认为地震附近构造区应力重分布导致的断层渗透率增加及地震过程中裂隙的演化可能是造成断裂带土壤气体异常变化的主要原因之一（Weinlich et al，2006；Reddy et al，2011）。由此可见，通过地震发生区域主要断裂带及周边地区的土壤气体地球化学探测，有望为发震构造的进一步深入研究提供重要的科学依据。

2005年11月26日在瑞昌盆地发生了华东地区近30年以来震级最大的地震——九江—瑞昌MS5.7地震（卢福水等，2006；李传友等，2008）。该地震的发震构造也引起了众多学者的广泛关注（卢福水等，2006；杨中书等，2007；李传友等，2008；吕坚等，2008；Han et al，2012；曾新福等，2018）。然而，瑞昌盆地断裂错综复杂，且多隐伏于厚的沉积物之下，也给发震构造研究造成极大的困难，现有的关于该地震发震构造的研究报道仍众说不一（陈学忠等，2008；罗丽等，2016）。因此，本文采取土壤气体野外流动观测手段，在获取瑞昌盆地土壤气体Rn和CO₂浓度背景场的基础上，结合区域已有地球物理、地震地质及地表震害等研究成果开展综合研究，进一步探讨九江—瑞昌MS5.7地震的发震构造。

1地震地质背景

赣西北九江瑞昌地区位于秦岭—大别褶皱系和扬子准地台两大构造单元交界部位，该地区的构造活动受以上2个构造单元的控制。瑞昌盆地以北存在两组不同方向的区域大断裂：NE向的庐江—广济断裂（郯庐断裂带南段）和NW向的襄樊—广济断裂。郯庐断裂带是中国大陆一条极为重要的活动断裂带，为中国东部最大的地震活动带（徐嘉炜，马国峰，1992）。其主干断裂沿秦岭—大别造山带的东南边缘延伸，终止于长江岸边的广济（湖北武穴）附近，南段切割并错移大别山带而构成断裂尾端。襄樊—广济断裂是一条区域性深大断裂，构成了秦岭—大别造山南缘边界断裂构造带的东南部分，被认为是扬子地块与秦岭—大别造山带的分界线（图1a）（朱光等，2001；张国伟等，2004）。

瑞昌盆地是位于赣西北九江地区的一个NE向小型盆地，地处幕阜山隆起向鄱阳湖坳陷的过渡地带，长约18 km，宽约5 km，以盆地为中心，其周边300 km内曾发生5级及以上历史地震共8次（图1a）。瑞昌盆地所在断裂带为NE向瑞昌—武宁断裂，北起瑞昌以北，向西南经瑞昌盆地、范家铺、横港、鲁溪至武宁，长约70 km；断裂北段隐伏于开阔的第四系盆地之下，中段隐伏于山间谷地之下，南段出露于基岩之中。断层泥化学分布特征显示，瑞昌—武宁断裂北段围岩为氧化条件，断裂带内部处于还原环境，存在与地下深部流体的交换作用（田素素，2019）。沿断裂走向曾发生1888年3月29日铜鼓5.2级、1995年4月瑞昌4.9级和2004年1月德安4.1级等多次地震（图1a）（李传友等，2008；Han et al，2012；曾新福等，2016）。

瑞昌盆地两侧为志留系—泥盆系碎屑岩组成的NE向山体。东南边缘主要出露新生代地层，盆地西北边缘主要出露下第三系紫红色砾岩、砂砾岩夹粉砂岩。西北边缘的中更新世阶地海拔约40 m，而盆地东南边缘海拔仅约20 m，这表明盆地西北部的抬升速度高于东南部边缘（图1b）（李传友等，2008）。

2土壤气体测量方法

2.1测点布设

按照均匀布点原则，江西省地震局九江地震监测中心站以本次地震精定位震中位置为中心在瑞昌盆地布设土壤气观测网，面积约140 km²，东西长约12 km，南北长约12 km，测点间距约1 km，共布设测点139个（图1b）。测量时间为2021年6月5—20日6：30—10：00、15：00—17：30，可以尽量减少正午气温过高对土壤气体扩散的影响（张磊等，2019）。

2.2测量仪器

Rn浓度测量使用的是RAD7多功能氡检测仪，测量范围是3.70×10^-3～740.00 kBq/m³，采样测量频率为1次/5 min。使用该仪器测量Rn浓度一般取采样开始15 min以后的值，因为Po和Rn达到衰变平衡所需时间大约为218Po半衰期的5倍，即15 min左右。CO₂浓度测量使用GXH-3010便携红外线二氧化碳监测仪，仪器测量误差为±2.00% F·S，分辨率为0.001%，测量范围为0～20.00%，采样测量频率为1次/s。

2.3测量方法

土壤气体测量使用实心钢钎在测点处垂直于地表土壤向下打孔，实心钢钎直径为3 cm，将其打入地面0.8 m以下后拔出，将底部带有花孔的空心采样杆插入孔底。通过乳胶管将采样杆连接到RAD7多功能氡检测仪和GXH-3010E便携红外线二氧化碳监测仪分别进行采样测量（Chen et al，2018）。其中，在Rn浓度测量过程中，仪器进气口前端设置气体过滤器和分子筛干燥剂，以此保护内部探测器免受灰尘和土壤水分的侵害；在CO₂测量过程中，同样通过在进气口前端设置气体过滤器来保护内部探测器免受灰尘的侵害。

2.4仪器稳定性验证

测量结束后，将RAD7多功能氡检测仪送至江西省地震局地震监测氡观测仪检测平台HD-6型多功能自控氡室开展校准验证（赵影等，2021），结果表明仪器重复性、体积活度响应相对误差和相对固有误差三项指标均符合相关技术要求（表1）；使用新鲜空气对GXH-3010E便携红外线二氧化碳监测仪进行进样测试，测试结果为0.04%，排除了仪器自身因素对测量数据准确性的影响。

3结果分析

土壤气体Rn和CO₂数据的统计结果表明，Rn浓度范围为35.70×10-3～79.70 kBq/m³；CO₂浓度变化范围为0.10～10.67%（表2）。Rn和CO₂浓度波动较大，且CO₂浓度明显高于大气 水平（0.04%），而少部分测点Rn浓度明显低于空气水平，小于100.00 Bq/m³（Ciotoli et al，1999；Novelli et al，1999）。均值和中位数显示气体浓度概率分布因异常值的存在而呈偏正态分布，表明样本分布异常。Rn和CO₂浓度数据偏度值分别为1.76和1.25，表明Rn相较CO₂具有较高的分散性分布。

由于土壤气体的成因比较复杂，其浓度异常阈值不能绝对固定，因此有多种地质统计方法确定异常阈值。在某些情况下，上四分位数被认为是可能的异常阈值（Beaubien et al，2003）；或者通过去除异常高值后的平均值加上两倍标准差来确定异常阈值（Baubron et al，2002；Fu et al，2005）。然而，土壤气体异常阈值受构造、岩性、季节变化和人为因素等多种因素的影响，为此，结合此次密集采样特点，本文采用更加客观的分位数-分位数图（Q-Q图）方法。该方法是一种区分背景值和异常值之间的不同群体的有效方法（Kafadar，Spiegelman，1986；Sinclair et al，1991；Cheng et al，1994）。同时，本文采用了基于更复杂统计推导的Q-Q图方法：在Q-Q图的基础上，通过近似直线段的方法确定气体异常阈值，即取这些直线段交点所对应的纵坐标值分别作为背景值与异常阈值。最终结果显示：Rn、CO₂背景浓度分别为7.33 kBq/m³、0.50%，异常界浓度分别为27.50 kBq/m³、6.00%（图2）。

4讨论

4.1土壤气体空间分布特征

鉴于实际采样过程中无法做到完全等间距均匀采样，为合理估计未采样区域的土壤气体浓度，本文采用Kriging插值法繪制研究区土壤气体浓度空间等值线图。Kriging插值法是一种以变异函数理论和结构分析为基础，对研究区域未采样位置进行无偏最有效估计的方法。该方法利用了测量点之间的空间关联性，被广泛应用于地球化学、大气、矿场资源的数据处理及异常定位（李如仁等，2020）。考虑到土壤气体数据的空间各向异性，为正确描述研究区土壤气体浓度的空间特征，本文使用Surfer 13软件，通过对各类变异函数模型比对，选取效果较好的指数差变函数模型进行Kriging插值。在该模型下，Rn和CO₂浓度的各向异性比值均为2，各向异性角度分别为48.87°和140.00°。本文采用颜色梯度来表示土壤气浓度的空间变化，浓度值低于异常阈值的区域用蓝色到绿色表示，高于异常阈值区域则用黄色到红色表示（图3）。

图3a显示，Rn浓度异常基本呈点状或带状沿断裂分布，且异常整体呈现NE向优势分布特征。九江地区节理统计表明，新进纪以来太平洋板块俯冲挤压速率减缓，印度板块挤压速率增大。受印度板块NE向挤压的显著影响，区域现代应力场表现为NEE向主压应力场（高坤，2019）。在NEE向应力场影响下，该区域断块山、断陷盆地的边界断裂亦呈NNE至NE走向，如瑞昌—武宁断裂、罗溪—铜鼓斷裂、九江—靖安断裂、新干—湖口断裂等。因此，研究区Rn浓度异常的NE向优势分布特征可能反映了当前赣北区域构造应力状态。

CO₂浓度异常除沿刘家—范家铺—城门山断裂带、瑞昌盆地东南缘隐伏断裂附近有点状分布外，在整个研究区并未显示其它明显特征（图3b）。相比于Rn，CO₂来源较为复杂，存在地幔脱气、变质分解、有机质氧化、微生物作用等。非火山地区的高CO₂含量往往由深大断裂导致，且CO₂可以作为确定构造活动和地震危险性的良好指示剂（Irwin，Barnes，1980；Annunziatellis et al，2003）。笔者推测，刘家—范家铺—城门山断裂带、瑞昌盆地东南缘隐伏断裂可能比研究区其它断裂切割深度大。

以瑞昌盆地为界，盆地东南方向Rn和CO₂浓度异常较盆地西北方向异常分布更为密集、带状分布更为明显，最高异常均分布在盆地东南方向（图3）。相关研究表明，断裂活动性的增强，通常会在岩石中产生新的破裂，增加断裂带地层的渗透性，从而使地下裂隙连通，加速地球深部气体向地表的运移，其土壤气体浓度及释放通量通常也越大（Baixeras et al，2001；苏鹤军等，2013；Yang et al，2018），以上对比分析显示瑞昌盆地东南方向断裂活动性相对较强。Rn和CO₂浓度异常分布显示，沿瑞昌盆地东南缘隐伏断裂走向往NE向延伸仍有带状异常分布，笔者推测该缘隐伏断裂在前人已探明基础上往NE向存在一定程度延伸，且延伸部分异常带分布区域可能为该隐伏断裂与丁家山—狮子山岛隐伏断裂交汇部位（图3）。

4.2土壤气体同步异常带与地震活动关联性分析

研究区Rn和CO₂浓度呈现出两条NE向同步异常带，与刘家—范家铺—城门山断裂带、瑞昌盆地东南缘隐伏断裂重合较好，显示以上两条断裂可能具有较高的破碎程度。在震区周边固定台站及震后流动台站所获取的余震重新定位结果显示：本次MS5.7地震共发生220次ML≥1.0余震，精定位结果显示大部分余震分布于刘家—范家铺—城门山断裂和瑞昌盆地东南缘隐伏断裂附近（罗丽等，2016），且本次地震的3次ML≥4.0余震同样分布在以上两条断裂附近（表3），表明以上两条断裂及附近区域地壳应力变化相对较大（图3）。花岗岩压裂实验已经证明，在低应力条件下，花岗岩中原始微孔隙闭合，使Rn浓度保持在背景值或较低水平，但随应力的不断累积，岩石微裂隙的发展、连通和破碎导致Rn浓度不断升高（Girault et al，2017）。膨胀-扩散模型提出，当构造应力增加时，微裂隙定向扩展并出现在岩石孔隙附近。随着应力的不断累积，岩石中的微裂隙逐渐发育和扩张。当微裂隙将岩石孔隙与断裂相贯通时，孔隙和微裂隙中的气体通过断裂快速向上运移（Martinelli et al，1991）。刘家—范家铺—城门山断裂带、瑞昌盆地东南缘隐伏断裂所在区域强烈且持久的地震带来的应力扰动可能改变了岩石的物理性质和化学成分，如密度、孔隙度、弹性、含水量和离子组成等（刘耀炜，任宏微，2009；Du et al，2010），从而导致微裂缝的发育和扩张。当岩石微裂隙将岩石孔隙与断裂相贯通时，刘家—范家铺—城门山断裂、瑞昌盆地东南缘隐伏断裂及附近土壤气体通过断裂运移的路径变得更多，从而表现出了较高土壤气浓度（图4）（Holub，Brady，1981；Zhang，Sanderson，1996）。

本次M_S5.7地震震后震害调查结果显示：此次地震引发地面塌陷、砂土液化、地表裂缝、崩坍等多种震害也主要分布在主震震中东南方向，且呈NE走向优势分布；地震造成的房屋倒塌同样呈NE走向带状分布（曾新福等，2018），表明此次地震导致震中东南方向破裂已沿NE走向延伸至地表，说明刘家—范家铺—城门山断裂、瑞昌盆地东南缘隐伏断裂及附近区域可能应力变化较大，导致裂隙贯通至地表，为气体运移提供了较好的通道。浅层地震勘探显示瑞昌盆地东南缘隐伏断裂出现了地震波反射层偏移，进一步揭示出该断裂是一条NE向发育的隐伏正断层，中更新世以下地层出现10～12 m位移，表明该断层第四纪显著活动（Han et al，2012）。刘家—范家铺—城门山断裂带为瑞昌盆地南东缘一条近NE向控制断裂，在震源区域倾向SE，倾角70°～85°，该断裂第四纪地裂缝较为发育，地裂缝倾角多为65°以上，长度1～6 m（吕坚等，2007，齐信等，2015）。瑞昌盆地东南缘隐伏断裂为正断层，表明了断层附近的拉张环境，以及刘家—范家铺—城门山断裂的高倾角、地裂缝发育，这些均有利于地下气体向上运移，从而表现出较高土壤气浓度（图4）。

5结论

本文利用江西瑞昌盆地内139个Rn和CO₂测点的土壤气体浓度测量结果，讨论了区域内土壤气体Rn和CO₂浓度的空间分布特征，主要得出以下结论：

（1）研究区土壤气体Rn和CO₂浓度范围分别为35.7×10^-3～79.70 kBq/m³和0.10%～10.67%，背景浓度分别为7.33 kBq/m³、0.50%，异常界浓度分别为27.50 kBq/m³、6.00%。Rn和CO₂浓度异常整体呈点状或带状分布，Rn浓度异常呈现NE向优势分布特征，可能反应了赣北区域当前构造应力状态。

（2）土壤气体Rn和CO₂浓度同步异常带与刘家—范家铺—城门山断裂、瑞昌盆地东南缘断裂重合较好，且Rn和CO₂浓度异常分布对比分析显示瑞昌盆地东南方向断裂活动性较西北方向强，推测瑞昌盆地内相关地震活动与盆地东南方向断裂构造关联性较大。该区域具有气体地球化学敏感性，适合开展地震地球化学土壤气体长期连续监测。

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Geochemical Characteristics of Soil Gas（Rn，CO₂）in the

Ruichang Basin，Jiangxi Province

ZHAO Ying CHEN Zhi LYU Jian XIAO Mengren HU Tingxia LIU Zhaofei

HE Hongyi LUO Qibin WANG Chengnan HU Xudong

（1.Observatory for Geodynamic of the East Yangtze Block in Jiujiang，Jiangxi Province，Jiujiang 332006，Jiangxi，China）

（2.Jiangxi Earthquake Agency，Nanchang 330096，Jiangxi，China）

（3.CEA Key Laboratory of Earthquake Forecasting，Institute of Earthquake Forecasting，

China Earthquake Administration，Beijing 100036，China）

（4.Engineering Research Center for Seismic Disaster Prevention and Engineering Geological Disaster

Detection of Jiangxi Province，Nanchang 330013，Jiangxi，China）

（5.Geological Survey of Jiangxi Province，Nanchang 330096，Jiangxi，China）

Abstract

The concentration of the soil gases Rn and CO₂at 139 sites within 140 km2 in the Ruichang Basin，in which the epicenter of the Jiujiang-Ruichang MS5.7 earthquake on November 26，2005 is located，is measured.The geostatistical analysis shows that the background values of the concentration of Rn and CO₂are 7 330 Bq/m3，0.50%，and the abnormal boundary values of the concentration are 27 500 Bq/m3，6.00%，respectively.The anomalous values of Rn are distributed in NE direction，which is consistent with the current state of tectonic stress field in northern Jiangxi.The zone which has synchronous high-value anomaly of Rn and CO₂is in line with the Ruichang-basin southeast marginal fault and the Liujia-Fanjiapu-Chengmenshan marginal fault.The distribution of abnormal concentration of Rn and CO₂shows that the fault activity in the southeast direction of the Ruichang Basin is stronger than that in the northwest direction.The earthquake activity in the Ruichang Basin may be closely related to the fault structure in the southeast direction of the Basin.

Keywords：the Jiujiang-Ruichang earthquake；soil gas；geochemistry；Rn；CO₂