地球内部的气体是地球化学场中反应最活跃、最易迁移的流体物质^[1]。它不仅包含着丰富的地幔乃至原始地球的化学信息，而且由于其脱气运移是在一定的构造条件下发生的，因此在一定程度上可以反映深部的构造问题^[2]。前人开展跨断层土壤气勘测时发现，土壤中CO₂、Rn、H₂等浓度的变化可以有效地揭示断层的位置、规模、活动性等内部构造信息^[3-12]，在地震活动前后，通常可以在断裂带上捕获到气体异常信息。多年的地下流体监测表明，地下气体有着较高的映震效能^[13-17]。

CO₂作为化学性质相对活泼的地下气体，是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。据前苏联科拉半岛CK-3号超深钻和德国巴伐利亚州KTB超深钻的研究资料显示，地壳气体成分中CO₂含量居首位^[18]。研究发现，全球CO₂释放点的分布与地震活动带分布基本一致^[19]；车用太等^[20]根据怀来断层带土壤CO₂和其他地下流体的典型异常成功预报了张北-尚义地震；在台湾新城断裂土壤CO₂和Rn监测点记录到大量的地震前兆异常^[21]；Weinlich等^[22]在捷克波西米亚地震活动区，观测到2008年新教堂（NovýKostel）震群事件震前CO₂浓度异常，并在地震发生时异常结束；上官志冠等^[23]认为现代活动断裂释放的CO₂绝大部分来自地壳深部，并有两种主要的释放机制，一些CO₂直接由活动断裂带深部正在进行的热动力变质作用产生并通过活动断裂不断释放，另一些CO₂可能源自地壳更深的部位甚至上地幔，而活动性断裂起主要的通道作用。因此，深入开展CO₂释放规律的研究，对于识别地震异常、预测地震、解释地下流体的孕震机理有着广泛的科学和现实意义^[24]。

目前，在汤阴地堑边界断裂汤东断裂开展的土壤气体化学特征研究表明，土壤CO₂等能够敏感地指示断裂带位置，断裂带上的气体异常主要受构造控制^{[9, 25]}。但目前对该区域气体地球化学背景缺乏整体认识，对不同断裂、不同区域之间土壤CO₂含量及空间分布特征缺乏系统调查和综合研究。鉴于此，本文拟通过在汤阴地堑南部网格化布点并野外监测土壤CO₂含量的方法，分析土壤CO₂的空间分布特征，阐明不同断裂带以及不同区域气体活动背景，为本区域的气体地球化学监测提供科学依据。

汤阴地堑位于太行山隆起区和华北平原的交接部位。汤阴地堑是太行山隆起和内黄隆起间的一个NE向凹陷，其东西边界分别受汤东和汤西断裂控制，南北分别被新乡-商丘断裂和安阳断裂所围限，总体走向NNE，南北长约100 km，东西宽20～25 km（图1）。汤阴地堑及其两侧的地层岩性和沉积层厚度差别巨大，西部太行山区，地表主要出露太古界、元古界震旦系、古生界寒武系、奥陶系、石炭系和二叠系，局部为中生界地层。东部丘陵及平原区，主要出露新近系和第四系。汤阴地堑的基底为三叠系，主要发育于古近纪，最大厚度达2500 m。新近纪以后，在整体下沉的基础上，具继承性下降的趋势，最大沉积厚度约800 m，其中第四系沉积厚度较薄。构造活动以汤西断裂和汤东断裂较强，其中靠近太行山山前的汤西断裂活动强度南强北弱。汤阴地堑南部历史上发生过1814年的汤阴5.5级地震和344年汲县6.0级地震^①。

图  1  研究区域地质构造概况及测点分布图

在汤阴地堑南部布设观测网格进行土壤气测量，测点间距约1.5 km，共布设观测点380个（图1）。采用野外流动观测的方法于2019年3—4月进行土壤CO₂含量测量，气象条件相对稳定，同时避开降水时段和农业灌溉区域，使监测效果达到最佳。CO₂浓度用德尔格多气体检测仪测定，仪器灵敏度为0.01%，量程为5%。具体测量步骤如下：

1）仪器放置采样点处，打开仪器电源开关，预热仪器；

2）选用打孔钢钎，用锤子在土壤中打1个大约70 cm深的孔。拔出钢钎，迅速插入土壤气体取样器，顶端地表土壤部分用土壤密封压实，以防止抽气时空气进入孔中；

3）用硅胶管将仪器与取样器连接，中间接好干燥塔，进行浓度测量，CO₂记录一个最高值，其观测数据采用EXCEL、SPSS13.0、ArcGis10.2进行统计分析处理。

由汤阴地堑南部380个土壤CO₂含量统计结果（表1）看出，CO₂含量介于0.07%～5%之间。对所有观测数据进行K-S检验，不符合正态分布，需对数据进行对数变换，变换后的Q-Q统计结果见图2。将小于异常值的点的数据取平均值作为背景值，汤阴地堑南部土壤CO₂含量背景值为0.6%，异常阈值为2.35%。

图  2  土壤CO₂含量对数正态分布图

由汤阴地堑南部土壤CO₂含量空间分布（图3）可以看出，研究区域土壤CO₂含量大于异常阈值的测点主要分布在中东部覆盖层较厚的区域，且基本上分布于断裂带及其附近区域。

图  3  土壤CO₂含量空间分布图

以第四系等厚线为依据，将研究区划分为西部（等厚线≤50 m）、中部（50 m＜等厚线≤200 m）和东部（等厚线＞200 m）3个区域，分区分析其活动背景及其异常阈值（表1）。西部测点CO₂含量介于0.07%～5%之间，其异常阈值（0.96%）、背景值（0.28%）不仅低于中、东部区域，且低于整个研究区域，覆盖层环境是影响区域土壤CO₂含量的重要因素；西部区域大于异常阈值的测点分布范围广且分散，只有极少点分布在汤西断裂及其附近（图4），高值异常点受观测环境（覆盖层、土地利用类型、植被等）的影响较大，汤西断裂对其约束性不强。中部测点CO₂含量介于0.09%～5%之间，异常阈值为1.96%，背景值为0.63%；CO₂含量大于异常阈值的测点主要分布在汤中断裂、汤东断裂以及新乡-商丘断裂及其附近区域。东部测点CO₂含量介于0.08%～5%之间，异常阈值为2%，背景值为0.67%；与中部测点相似，其大于异常阈值测点主要分布在汤中断裂、汤东断裂、新乡-商丘断裂及其邻近区域，表明构造对气体高值点的分布有较强的控制作用。

图  4  土壤CO₂分区空间分布图

以汤西、汤中、汤东3条断裂带为中心，选取东西两侧约1.5 km范围内测点的CO₂含量，进一步考察其构造活动性（图5），以大于异常阈值测点的平均值与背景值的比值来表征构造活动程度（活动度）^[26]（表1）。沿汤西断裂共计选取33个测点，其CO₂含量介于0.07%～1.2%，背景值0.21%，异常值0.67%，活动度4.29；沿汤中断裂共计选取51个测点，其CO₂含量介于0.16%～3.05%，背景值0.66%，异常值1.66%，活动度3.53；沿汤东断裂共计选取66个测点，其CO₂含量介于0.17%～5%，背景值0.65%，异常值2.35%，活动度5.6。汤西断裂主要展布于西部区域，其土壤CO₂的平均值、标准差、异常阈值、背景值皆低于所在区域，表明汤西断裂对异常点的约束能力较弱，其构造活动性不强。汤东断裂主要展布于中东部区域，其异常值高于中、东部区域，表明汤东断裂活动性强。

图  5  主要断裂土壤CO₂分布

3条主要断裂带中，汤中断裂、汤东断裂背景值、异常值远高于汤西断裂，汤东断裂活动度（5.6）大于汤西断裂（4.29）、汤中断裂（3.53），表明汤东断裂构造活动性最强，这与汤东断裂是研究区唯一的晚更新世活动断裂，且在其下方存在一条高角度、切割了岩石圈底界的深大断裂的构造背景相吻合^②。

运用ArcGIS10.2统计分析模块，采用径向基函数空间插值方法进行地统计分析生成CO₂含量空间等值线图（图6）。从图6可以看出，研究区土壤CO₂含量在空间上呈现西北低、东南高的特征，主要以50 m等厚线为界限，反映出覆盖层是影响研究区域土壤CO₂含量的一个因素。研究区西部一部分等值线高值中心走向与汤西断裂的走向一致，另一部分高值中心受到覆盖层厚度的影响在断裂带外围呈斑块状分布。而中东部区域等值线高值中心呈线状分布，与区域断裂带走向基本一致，反映出断裂是地下气体CO₂逸出的主要通道。

图  6  土壤CO₂空间等值线图

土壤气体成分来源复杂多样，由来自地幔及地壳深部、地壳浅部、沉积层以及大气的气体成分在近地表土壤层混合交织，构成了气体活动的背景值^[9]。断裂、裂谷等通常具有高渗透性和大孔隙度的特征，为地球内部气体运移提供了通道，使气体在此富集从而使其特征突显于背景之上。地壳中的CO₂主要源自地壳和地幔^[27]。Sugisaki等^[28]提出构造活动地区土壤CO₂异常的主要来源为：①地幔脱气作用；②碳酸盐岩变质作用和分解作用；③土壤有机质分解作用；④植物根系和微生物呼吸作用等几方面。通常，断裂带CO₂是这些来源混合的结果^[29]。土壤气浓度不仅受到地震活动、断层活动等的控制，还受气象条件、土壤类型、沉积层厚度等因素的影响，而活动断裂带中的CO₂、H₂、Rn等土壤气的浓度较高。因此，决定活动断裂带土壤气浓度大小的因素中，环境条件是次要的^{[1, 16]}。本文主要从区域土壤CO₂含量空间差异及其与构造的关系展开讨论。

监测数据表明，研究区土壤CO₂含量呈现西部低中东部高的特征，其背景值、异常值表现出自西向东逐渐递增的变化趋势，这与研究区自西向东覆盖层厚度逐渐增加的趋势一致，中、东部区域土壤CO₂含量背景值远高于西部区域，分别是西部区域背景值的2.25、2.39倍。覆盖层是影响区域土壤CO₂含量空间差异的主要因素之一。研究区西部寒武-奥陶系灰岩大面积出露，第四系覆盖层较薄，土壤CO₂来源少，因而西部区域土壤CO₂含量总体较低。中、东部区域为冲洪积平原区，地势平坦，浅层10 m内绝大部分是粉质粘土和粉砂，土地利用方式为耕地，土壤类型为壤土，植被大多为小麦、油菜及果树等，自然条件有利于土壤有机质的分解，植物根系和微生物呼吸作用较强，从而造成中、东部区域土壤CO₂含量背景值较高。同时，中、东部区域为汤阴地堑的主体发育区，基底为三叠系，主要发育于古近纪，最大厚度达2 500 m。新近纪以后，在整体下沉的基础上，具有继承性下降的趋势，最大沉积厚度约800 m，第四系普遍存在，厚度多在100 m以上。活动断裂的存在既为浅部来源的CO₂运移提供便利条件，又可为来自下地壳甚至上地幔的CO₂提供释放通道，从而形成中东部区域高值点主要沿汤中断裂、汤东断裂及新乡-商丘断裂分布的特征，进而导致中、东部区域土壤CO₂含量背景值的升高，表明构造对土壤CO₂释放具有重要的控制作用。

断裂带的高渗透性和多孔隙度为地下气体的运移释放提供了通道。众多观测表明，土壤气体与构造具有很好的相关性，在断裂带上可观测到土壤CO₂、Rn、H₂等气体异常，且断裂活动性与破碎程度也会影响到其释放效果。监测结果表明，在各断裂附近均出现了土壤CO₂高值异常点。从等值线空间分布图看出，中东部区域等值线高值中心呈线状分布，与区域断裂带走向基本一致，表明构造对土壤CO₂释放的控制作用。从各断裂带的释放强度来看，CO₂含量平均值、标准差、异常值表现为汤西断裂<汤中断裂<汤东断裂，汤西断裂背景值远小于汤中断裂、汤东断裂，而汤中断裂、汤东断裂背景值相当。为了更有效地评价3条断裂带的活动性，本文将大于异常阈值测点的平均值与背景值的比值来表征区域构造活动程度，发现汤东断裂活动性最强，汤中断裂、汤西断裂活动性较弱，与“新乡市活断层探测与地震危险性评价”项目的研究结果一致。该项目研究认为，汤西断裂和汤中断裂最新活动时代均为中更新世断裂，而汤东断裂最新活动时代为晚更新世，且汤东断裂下方存在一条高角度、切割了岩石圈底界的岩石圈尺度的深大断裂，汤西断裂和汤中断裂分别在8～10 km和5～6 km深度处收敛并到汤东断裂上^③。在此种构造条件下，汤东断裂切穿沉积盖层，深入结晶基底，通过深大断裂与低速体甚至上地幔联通，富含CO₂的地球深部流体沿断裂带向上运移，在地表富集形成高值点，从而使汤东断裂带及其附近土壤CO₂含量突显在区域背景之上。

综上，汤阴地堑南部土壤CO₂含量在空间上呈现出西部低、中东部高的特征，这与研究区自西向东覆盖层厚度增大的趋势相对应。中、东部区域CO₂高值异常点主要沿断裂带分布，而西部区域除了部分高值异常点沿断裂带分布之外，高值异常点还在断裂带外围呈斑块状分布。其中，汤东断裂CO₂活动性最强。研究区域土壤CO₂含量主要受断裂构造、沉积层、地表植被等因素的综合影响，气体高值点主要分布在断裂及其附近表明活动断裂是地球内部气体释放的通道，CO₂是活动构造的有效示踪剂。

通过对汤阴地堑南部土壤CO₂含量的分析讨论，理清了研究区域土壤CO₂的空间分布特征，揭示了其与构造、覆盖层等之间的联系。但由于CO₂化学性质活泼、气体来源多样、成因复杂，地球内部CO₂在向地表迁移过程中可能会有地表CO₂的混入，从而给地震异常的识别带来困难，故对下一步工作提出几点建议。

1）为准确地识别土壤CO₂的真正来源，可综合运用³He/⁴He、CO₂/³He和δ¹³C-CO₂的值来进行判别。

2）CO₂是其他微量气体Rn等向地表运移的载体，在气体地球化学监测中应配合其他气体进行综合观测，同时应该设立温度、降水、气压等辅助观测。汤东断裂作为研究区唯一的活动断裂，应该加强对断裂带CO₂含量的连续观测。

致谢　审稿过程中获得专家提出的建设性修改意见，在此向他们表示衷心感谢。