断层土壤气是断裂带地壳中最活跃的组分，当地壳应力发生变化时，它能够将地下深部信息及时传递至地表^[1]。赵洁等对西秦岭北缘断裂带定点台站断层土壤气观测发现，气氡、二氧化碳和痕量氢观测数据具有地球固体潮变化的特征。此外，气氡、二氧化碳与气温呈正相关变化关系、与气压呈负相关变化关系，痕量氢测值大多在背景值上下波动，与气温、气压的作用关系不明显。通过降雨分析发现，气氡、痕量氢、二氧化碳均不受降雨影响。结合相关震例分析，气氡在震前表现出明显的临震信息^[2]。王喜龙等研究表明，当地下应力发生改变时，会引起地壳变形，为地下流体释放更多的向上运移通道，进而导致断层土壤气的释放强度和化学组分发生改变^[3]。葛良全等研究发现，断层土壤气测值形态呈现多种测项同步变化特征，若要利用断层土壤气逸出浓度开展地震预报研究，应配备多种气体测项进行对比观测，这将比观测单一测项气体的浓度预测地震的效能高^[4]。孙小龙等在研究断层土壤气逸出浓度影响因素时发现，断层性质、滑动速率、裂隙发育程度以及断层开启或闭合程度等因素，直接影响深部气体在地表的富集程度^[5]。根据中国地震局活断层探测技术要求，利用断层气逸出浓度异常来判断断层活动性时，需要计算出测线上某种气体逸出浓度的下限值。具体方法是，首先计算出测线上某种气体逸出浓度测值的平均值，再加上各测值的2～4倍均方差，由此得出气体逸出浓度的下限值，超出此下限值的测量位置，推断可能存在活动断层^[6]。

地震监测预报观测的地下流体，如地下水、地下气体等，其运移通道和逸出浓度受控于应力变化比较明显，一旦地壳应力状态发生改变，就会引起地下流体运移加快和重新富集。进一步研究发现，地下气体迁移能力强于液体，当地下断层发生错动时，其更容易沿断裂带逸出地表，可被相关仪器监测到，从而作为地震短临跟踪观测项目。此外，受经济社会发展和人类生产活动影响（如抽水灌溉、污水排放等），地下水动态变化较大，化学组分也可能发生变化，其观测稳定性不如断层气。因此，断层气观测是目前业内公认的有效的地震短临预报监测手段。当中小地震发生或地下应力发生变化时，地表很难看到岩体破裂或覆盖层变化，也很难通过肉眼看出震源区各类信息传播到地表，只能通过专业仪器进行监测分析，才能捕捉到一些前兆信息。所以，如果要想长期开展断层土壤气台阵观测，就需要不断提高观测系统的稳定性和可靠性。为此，宿迁市断层土壤气集气设施采取开挖基坑和围挡堆土方式，尽可能连续采集到新鲜的断层土壤逸出气体，具有采气率高、使用寿命长、气密性好等特点。自宿迁市断层土壤气观测台阵投入运行以来，为研究郯庐断裂带宿迁段土壤气逸出浓度年变规律、捕捉地震前兆异常信息提供了重要科技支撑。

郯庐地震带是我国东部规模最大的地震带，呈北北东走向，沿郯城—庐江断裂带展布，包括郯庐断裂带两侧及其邻近地区与之平行或斜交的次级断裂。纵观郯庐地震带中、强震的分布情况，其地震活动的空间分布是不均匀的，基本格局具有明显的分段性。结合地质构造、地球物理场特征等分析，北段（肇兴—沈阳）基底刚度较软，结构相对简单，有记载发生最大地震为5.8级，中段（沈阳—宿迁）遭受的剪切应力大，易于积累发生地震的能量，该段曾先后发生1668年郯城8.5级地震、1888年渤海湾7.5级地震、1969年渤海7.4级地震、1975年海城7.3级地震等强烈地震，地震灾害特点强度大、频度低，南段（宿迁—广济）构造介质相对较软，结构也比较简单，积累的构造应力量级不高，地震活动强度不大，但地震活动频度相对北段要高一些。郯庐断裂带在宿迁区域内具有明显的分段特征，形成“两堑夹一垒”的构造格局。

“十二五”期间实施的宿迁市城市活动断层探测与地震危险性评价项目成果显示，郯庐断裂带宿迁段有5条主干断裂，分别为早中更新世王庄集—苏圩断裂（F₁）、第四纪早期大官庄—双庄断裂（F₂）、晚更新世城岗—耿车活动断裂（F₃）、第四纪早期窑湾—高作断裂（F₄）、全新世桥北镇—宿迁断裂（F₅）。考虑到断层土壤气逸出浓度与断层活动性具有较强的相关性，在断层气观测站点规划建设时，沿全新世断层F₅建设6个观测站（宿迁、埠子、归仁、泗洪、车门、峰山观测站），沿第四纪早期断层F₂建设1个观测站（古楚观测站），沿晚更新世断层F₃建设3个观测站（蔡集、上塘、天岗湖观测站），形成覆盖郯庐断裂带宿迁段的断层土壤气观测台阵，见图1。每个台站安装全自动在线式氡（贝谷科技BG2015R型）、氢（杭州超矩ATG-6118H型）、二氧化碳（杭州超矩ATG-C600型）浓度观测仪，以及辅助观测项目气温、气压、降雨量和地温（北京壳所DLZ-1型），对宿迁境内存在潜在地震灾害风险的F₂、F₃和F₅断层土壤气逸出浓度进行实时监测。由于宿迁市断层气观测台阵数据于2022年1月正式接入江苏省地震行业专网，之前部分站点数据（宿迁站、泗洪站）因仪器调试、故障维修等原因，造成个别测项仪器自身存储数据丢失或者部分时间段数据形态质量不高，并且考虑到地温与气温年变形态基本保持一致，这里针对2022年1月以来数据年变形态好、连续率高的8个台站（埠子、归仁、车门、峰山、古楚、蔡集、上塘、峰山）的氡和10个台站（宿迁、埠子、归仁、泗洪、车门、峰山、古楚、蔡集、上塘、峰山）的氢、二氧化碳数据，同时对各个台站的辅助测项数据进行研究，分析数据变化规律、与气温气压相关性、干扰因素影响以及映震能力等。

图1 宿迁市断层土壤气观测台阵布局及观测设施Fig.1 Layout and facilities of Suqian seismic array for fault soil gas observation

地震前兆观测任务主要是捕捉震前异常信息，进行地震监测科学研究，分析映震关系和预报效能，服务地方经济社会安全发展。在地震前兆观测过程中，会遇到各种外界因素干扰，有人为操作、环境变化、仪器故障等原因，需要花费大量时间调查核实，掌握各类干扰源性质和特征，综合研究分析予以剔除，提升监测预报预警效能。前兆学科的数据分析和干扰因素的排除密不可分，数字化气氡观测作为新的观测方法，其干扰因素的认识与排除只能是随着观测环境条件的多样化、观测台站数量的增加以及资料的积累而逐步深化^[7]。构造活动地区的断裂带地幔脱气、碳酸盐变质分解、有机质氧化、微生物和植物的呼吸作用会产生二氧化碳，即断层土壤气二氧化碳可来源于壳幔成因和生物成因。范雪芳等在山西东郭断层气氢浓度异常调查与研究中指出，影响地震前兆资料产出的因素很多，既有外部环境、观测系统、随机（人为）干扰等，在异常核实的过程中须逐一排查，剔除非震兆异常^[8]。宿迁市地震服务中心技术人员通过断层土壤气观测台阵选点勘测、仪器运行、异常核实等工作，积累了大量的观测数据。对发现的数据异常信息进行研究发现，干扰因素造成的图像异常与正常数据形态对比明显，比较容易判定和识别。断层土壤气观测干扰因素主要有气候因素、人为干扰、场地环境、仪器运维以及载气作用等。

2.1 气候因素影响分析

地震监测台站建成后，观测点地下岩性、构造、覆盖层等地质因素基本不变，仪器运行、采样方式设置也会长期保持稳定，断层土壤气逸出浓度呈现出季节性变化特征，可能与各种气候因素密切相关，常见的气候影响因素有气温、气压、降雨等。在提取断层气数据地震前兆异常信息时，必须正确识别这类干扰因素并予以排除。

（1）氡与气温、气压的关系。从近3年的数据变化规律可以看出，土壤气氡逸出浓度跟气温、气压一样，具有明显的年变规律（波峰和波谷形态交替出现），蔡集站、埠子站、天岗湖站土壤气氡逸出浓度呈现夏高冬低年变规律，古楚站、归仁站、上塘站、车门站、峰山站土壤气氡逸出浓度呈现夏低冬高年变规律。由于宿迁站、泗洪站测氡仪出现故障，造成数据形态不好，配件一直未采购到位，对这两个台站土壤气氡数据不作分析，数据图像仅作参考。进一步分析数据发现，土壤气氡逸出量最大值小于或等于5.87 Bq/L的台站，氡浓度与气温变化呈正相关、与气压变化呈负相关（蔡集站、埠子站、天岗湖站）；土壤气氡逸出量最大值在8.01~60.3 Bq/L的台站，氡浓度与气温变化呈负相关，与气压变化呈正相关（古楚站、归仁站、上塘站、车门站、峰山站），见图2、图3所示。

图2 宿迁市断层气台站氡浓度与气温的关系Fig.2 Relationship between radon concentration and temperature at fault gas stations in Suqian

图3 宿迁市断层气台站氡浓度与气压的关系Fig.3 Relation between radon concentration and air pressure at fault gas stations in Suqian

分析出现这种现象的原因可能是：土壤气氡数据低值的站点（蔡集站、埠子站、天岗湖站）氡气主要来源于地表，本身背景值较低，夏秋季节地表植被发育或腐烂，站点二氧化碳浓度升高，受二氧化碳载气作用影响，土壤气氡逸出浓度随之相应会升高；土壤气氡数据高值的站点（古楚站、归仁站、上塘站、车门站、峰山站）氡气主要来源于地下深部气体，夏秋季节宿迁地区雨水增多，上游来水也增多，地表水系得到补充，地下水位抬升，土壤颗粒吸收水分后湿度和密度均增加，土壤致密性增强而透气性降低，抑制了地下深部气体上升通道，导致土壤气氡逸出浓度降低，而冬季土壤含水量降低，透气性增强，地下深部气体能够较好地逸出到地表，从而被仪器检测到。

（2）氢与气温、气压的关系。郯庐断裂带宿迁段各台站土壤气氢逸出浓度受台址位置、地质构造等条件影响，与气温、气压年变相关性不是很明显。归仁站、埠子站、蔡集站、天岗湖站建在行政单位或企业附近，场地覆盖层因建筑施工受到破坏，在人工填土和夯实地基过程中，抑制了土壤气氢逸出通道，导致这4个台站测得的土壤气氢浓度不高，数据比较恒定，常年几乎无变化或者变化幅度很小。宿迁站、泗洪站建在全新世活动断层F₅上，这两个台址均有基岩出露且处于破碎带，土壤气氢逸出浓度要稍高，呈现年变规律，与气温基本呈正相关，与气压基本呈负相关。峰山站也处于全新世活动断层F₅上，其土壤气氢逸出浓度也呈现较好的年变规律，每年1月份开始逐渐上升，3月份达到最大值，之后慢慢下降，6月份达到最小值，之后7～12月基本处在低值区段。在半年时间区段内与气温、气压呈现相关性（1～3月与气温呈正相关、与气压呈负相关，4～6月与气温呈负相关、与气压呈正相关，7～12月与气温、气压没有呈现相关性）。上塘站、古楚站、车门站土壤气氢数据变化形态较好，一致性较高，受到气温、气压等外界环境影响很小,这3个台站分别位于F₃、F₂、F₅断层上，监视3条不同活动年代断层活动性，可作对比观测。见图4、图5。

图4 宿迁市断层气台站氢浓度与气温的关系Fig.4 Relationship between hydrogen concentration and temperature at fault gas station in Suqian

图5 宿迁市断层气台站氢浓度与气压的关系Fig.5 Relationship between hydrogen concentration and air pressure at fault gas stations in Suqian

（3）二氧化碳与气温、气压的关系。宿迁市断层土壤气二氧化碳浓度年变规律较明显，呈现夏、秋高，冬、春低的变化形态，且与气温成正相关，与气压呈负相关（见图6、图7）。

图6 宿迁市断层气台站二氧化碳浓度与气温的关系Fig.6 Relationship between carbon dioxide concentration and temperature at fault gas stations in Suqian

进一步分析数据发现，各台站每年7～8月气温数据达到最高值，9～10月土壤气二氧化碳浓度达到最大值，土壤气二氧化碳浓度相较气温数据变化呈现出滞后性，滞后期大约2个月，但是土壤气二氧化碳浓度相较气压数据变化具有较好的同步相关性，二者变化趋势基本保持一致，没有出现明显的提前或滞后现象。结合台站布局和空间地理位置分析，夏、秋季二氧化碳浓度偏高原因可能是，宿迁地处中国东南部，属东亚季风气候区，处在亚热带和暖温带的气候过渡地带，每年7～8月宿迁地区气温最高，降雨丰富，空气潮湿，土壤湿度大，植被生长茂盛，呼吸作用增强，测得的二氧化碳浓度逐渐升高但未达到最高值，9～10月后气温逐渐降低，植被生长速度减缓且进入衰败腐殖阶段，植被根系、落叶等与地下土壤、微生物发生物理化学反应，能够产生更多的二氧化碳，从而导致测得的二氧化碳浓度达到峰值。

图7 宿迁市断层气台站二氧化碳浓度与气压的关系Fig.7 Relationship between carbon dioxide concentration and air pressure at fault gas stations in Suqian

（4）降雨对土壤气氡观测影响。BG2015R型测氡仪工作原理是：氡进入闪烁室后，氡及其子体衰变发出的α粒子使闪烁室壁上的硫化锌涂层产生微弱的闪光，仪器内部的光电倍增管收集到闪光，把这种光信号变成电脉冲，经过电子学线路把电脉冲放大，最后被处理器记录下来^[9]。连续强降雨对郯庐断裂带宿迁段土壤气氡观测的影响主要是破坏测氡仪闪烁室硫化锌涂层。由于宿迁地势较低，辖区内河流湖泊较多，水系发达且地下水埋深较浅，出现连续强降雨后，地下水得到快速补充，受场地水文地质条件限制，在部分站址较洼的集气坑内形成汇积，由于测氡仪抽气功率相较痕量氢、二氧化碳仪器大很多，地下积水会沿导气管被抽出地表，来不及回流至地下即通过导气管被抽进仪器闪烁室，造成闪烁室进水破坏了硫化锌涂层，导致氡数据快速下降（见图 10），不能真实反映断层气氡逸出数值，这类影响主要发生在每年的6～7月雨水丰沛季节。如2022年7月5日天岗湖站、2023年7月4日埠子站、2022年6月29日归仁站、2022年7月6日泗洪站均因连续强降雨导致测氡仪闪烁室进水，造成土壤气氡浓度急剧下降，待更换闪烁室配件后，数据渐渐恢复正常，见图8红色虚线部分。

图8 断层土壤气氡浓度受降雨影响曲线Fig.8 Curves of radon concentration in fault soil gas affected by rainfall

2.3 其他相关因素影响分析

土壤氡浓度异常与断层类型、破碎程度、覆盖层厚度、分层特征以及活动性密切相关，不同类型覆盖层中土壤氡分布不同，破碎带致密的覆盖层中土壤氡对流速度慢、扩散系数小，测得的土壤氡逸出浓度较小，松散的破碎带覆盖层中测得的土壤氡逸出浓度测较大^[11]。植被发育区域二氧化碳浓度异常可能是由于地表生物活动较强、有机物分解较高等因素引起，与断裂活动无关。氢气是非极性分子，难溶于水，在土壤中的背景值也较低，一旦断层土壤气氢测值出现大幅变动，即大大超出背景值，可用于地震前兆异常判别。郯庐断裂带宿迁段地震构造环境为土壤气氡及其载体向上迁移提供了有利通道，受断层活动性影响，处于F₅断层最南端的车门站、峰山站的土壤气氡、氢、二氧化碳浓度，明显高于其他断层上的测值，也明显高于此条断层上的其余台站测值，这也映证了前人提出的郯庐断裂带宿迁段南段活动性高于北段，以及宿迁市活断层探测成果得出的F₅断层活动性强于其余两条断层这一结论。仪器运维影响主要是设备更换、备机不足等导致数据连续率和质量降低，如宿迁站、泗洪站测氡仪出现故障，由于备机不足无法及时更换导致数据形态不好，影响了整体观测质量。关于载气作用对断层土壤气影响主要表现为，某一种气体逸出浓度大小可能随另外一种气体逸出量变化而变化。由于氡是一种具有天然放射性的稀有气体，一般不与其它物质发生化学作用，但可被其它物质所吸附，通过地层断裂带进入土壤。近年来，针对二氧化碳对氡气的载气作用及二者相关性，国内外地震地质学家已进行过多次实验和相关论证。王喜龙等对首都圈地区35条剖面上土壤气氡和二氧化碳的浓度平均值与通量平均值进行了相关性分析，获得土壤气氡与二氧化碳的浓度相关系数为0.46，土壤气氡与二氧化碳的通量相关系数为0.66，表明土壤气氡与二氧化碳的浓度和通量均具有一定的正相关性，证实土壤气二氧化碳对氡气具有很好的载气作用^[3]。分析郯庐断裂带宿迁段土壤气氡与二氧化碳逸出浓度相关性发现，二者浓度变化有较好的一致性，也从侧面反映出二氧化碳具有载气作用，作为氡气的载体，能够反映出断层带内土壤气氡逸出浓度变化特征（见图 10）。

图9 天岗湖站氢、二氧化碳浓度异常曲线及台站外部环境Fig.9 Abnormal curve of hydrogen and carbon dioxide concentrations and external environment of Tianganghu Station

大量实地测量案例表明，断层土壤气逸出浓度高低不仅与断层所处的位置、覆盖层的厚度以及气体上升通道的畅通程度有关，还与断层带的破碎程度和闭锁程度密切相关。断层带破碎程度主要表现在地下岩层的气体渗透率方面，破碎程度越高，断层气体的渗透率就越高，破碎程度越低（断层处于闭锁状态），断层气体的渗透率就越低。单友磊等对郯庐断裂带宿迁段5条主干断裂断层土壤气氡M值、B值、A值、N值、相对活动度、异常下限、异常衬度等指标参数进行计算，发现断层土壤气氡逸出浓度高低与断裂活动性强弱有很好的对应关系，断层土壤气氡逸出浓度越高，断裂活动性就越强^[12]。孟亚锋等研究认为郯庐断裂带中、南段邻近部分处于闭锁状态，地震活动性较弱，相比之下中段北部、南段南部地震活动性较强，与断层土壤气测量结果基本一致^[13]。Yang T F和Tsvekova T等在探索断层土壤气氡浓度与孕震关系时发现，在M_L4.5级以上地震前数天或数周，在距离震中数十至数百公里的范围内能观察到氡浓度的变化，数值常常表现为“尖峰”或“突升”^[14-15]。因此，断层构造应力变化会导致地下流体组分、运动形式和逸出浓度发生变化，沿断裂带形成地球化学异常带，开展断层土壤气多组分监测和高密度布点，可大大减小单台仪器故障和外部环境因素对观测结果的影响，依托宿迁市断层土壤气观测台阵平台，研究郯庐断裂带宿迁段断层土壤气随时空变化特征，可能捕捉到断层活动和地震孕育信息。虽然宿迁地处郯庐断裂带，但从1970年来地震分布来看，断裂带上的宿迁地区明显属于少震弱震区，为映证断层土壤气观测台阵效能，这里选取2022年3月19日泗洪M_L3.7级地震（近年来台网记录到的宿迁及邻区最大地震）前台阵氡数据变化特征进行分析。图 11为2022年2月19日至3月31日土壤气氡监测数据，3月1日蔡集、天岗湖、泗洪、归仁、上塘5个台站氡数据出现同步趋势变化（下降—上升，持续时间1天，平均变化幅度46.7%），3月16日至18日蔡集、天岗湖、泗洪、归仁、上塘、峰山6个台站氡数据出现同步趋势变化（下降—转平—上升，持续时间3天，平均变化幅度70.0%），3月19日蔡集、天岗湖、泗洪、归仁、上塘5个台站氡数据再次出现同步趋势变化（下降—上升，持续时间1天，平均变化幅度43.6%），19日当天氡数据下降至谷底时，19时09分在泗洪县发生M_L3.7级地震，距离台站最小震中距约2 km，最大震中距约38 km。从数据变化曲线可以看出，这个变化规律对应地震发生比较明显，对于开展短、临预报分析具有指示意义。当超过半数台站氡浓度同步下降幅度超过70%，持续时间3天左右时，需关注台阵监控范围内有感及以上地震发生，时间尺度属于短临预报。

图 10 宿迁市断层气台站氡、二氧化碳浓度相关性Fig.10 Correlation of radon and carbon dioxide concentrations at fault gas stations in Suqian

图 11 泗洪ML3.7级地震前观测台阵断层土壤气氡同步趋势变化曲线Fig.11 Synchronous trend change curves of radon in fault soil gas observed by seismic array before Sihong ML3.7 earthquake

通过分析郯庐断裂带宿迁段断层土壤气逸出浓度特征及其影响因素，开展数据变化与地震前兆相关性研究，得出以下结论：

（1）强降雨对气氡观测影响较大，主要表现在影响仪器运行上，对氢、二氧化碳观测影响较小。由于测氡仪抽气功率比痕量氢、二氧化碳仪器大，当台站出现连续强降雨后，测氡仪会将集气坑积水抽进闪烁室，破坏了闪烁室硫化锌涂层，导致测得的氡数据快速下降。另外，气氡受二氧化碳载气作用影响，二者存在正相关性（浓度变化一致性），可通过测量二氧化碳浓度和通量，来反映氡逸出浓度变化特征。

（2）气氡浓度与气温、气压相互关系比较复杂，氡逸出量较小的台站，氡浓度与气温呈正相关、与气压呈负相关，氡逸出量较大的台站，氡浓度与气温呈负相关，与气压呈正相关，说明氡气来源不同，其浓度与气温、气压相关性也不同。氢浓度受台站环境、构造背景等条件影响，与气温、气压年变相关性不是很明显，但处在活动性强的断层上的站点氢浓度跟气温、气压会呈现出相关性变化规律。二氧化碳浓度年变规律较明显，呈现夏、秋高，冬、春低的变化形态，且与气温成正相关，与气压呈负相关。此外，二氧化碳浓度相较气温呈现出2个月的滞后期，相较气压具有较好的同步性，可能受地表植被生长发育影响。

（3）台阵氡数据映震经验说明，断层运动会造成区域应力调整，导致地下气体产生富集和迁移，沿破碎带覆盖层孔隙逸出地表，使得断层带沿线气体逸出浓度出现同步异常变化。根据观测台阵运维经验，开展断层土壤气多组分多站点监测，应拓宽时空维度重点关注多台测项同步趋势变化，排除单台仪器故障和外界因素干扰，提升捕捉地震前兆异常信息的效能。此外，还要进一步改进集气设施，提高观测系统的稳定性和可靠性，为台阵观测提供源源不断的地下深部气体，从而获取具有震源物理意义的前兆预测参数。