原创 《矿物岩石地球化学通报》编辑部 2024-04-22 12:10

路畅¹，李营¹，周晓成¹，陈志¹，天娇¹，李中平⁴，郭正府²，徐胜³，郑国东^4，5，吕瑞瑞⁶

1. 中国地震局地震预测研究所，北京 100036；

2. 中国科学院地质与地球物理研究所，北京100029；

3.天津大学地球系统科学学院，天津 300072；

4. 中国科学院西北生态环境资源研究院，兰州 730000；

5.地下水质与健康教育部重点实验室，中国地质大学（武汉）环境学院，武汉 430078；

6. 中国地震应急搜救中心，北京 100049

地震是最为严重的自然灾害，尤其是中强地震，经常导致大量人员伤亡和经济损失，例如2008年5月12日我国汶川发生的8.0级特大地震就造成了近7万人遇难，37万余人受伤，直接经济损失高达8452.15亿元。令人遗憾的是，目前的地震预测还是尚未解决的世界性科学难题。在已有的研究中，流体（包括气体和液体）地球化学手段在地震领域已经受到重视和广泛应用。随着地震观测技术的不断提升和相关研究的不断深入，科学家们发现地球“呼吸”中的气体与地震活动息息相关，特别是其中的稀有气体，例如氦气、氡气等。这些稀有气体的地球化学特征在地震监测和科学研究中的应用比较常见，而且已经取得了很多成果，其广阔的应用前景得到科学界和相关管理部门的高度关注。

1 稀有气体的组成和应用稀有气体（Noble gas）来源于德语Edelgas，1898年德国科学家胡戈·埃德曼（Hugo Erdmann）首次使用。稀有气体是指元素周期表中0族元素对应的气体单质（图1）。由于这些气体不易提取及发生化学反应，也被称为“惰性气体”。在常温常压下，它们是性质相近的一系列元素，是无味、无色的单原子气体，且化学反应性极低。稳定的稀有气体包括氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr），氙（Xe），其中丰度最大的是Ar，占大气的0.934%，其他气体则非常稀少。放射性的稀有气体包括氡（Rn）和人工合成的放射性稀有气体鿫（Og），后者的半衰期只有181毫秒，所以人们对它的关注还很少。

据中国化学会和国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）修改

稀有气体特殊的物理化学性质决定了它们在多个领域具有广泛的用途，例如可用于电子特气（半导体、微电子和相关的太阳能电池等产业的基础原料）、电光源（霓虹灯是应用最广泛的电光源，当夜晚来临时，五彩斑斓的霓虹灯把城市粉饰得熠熠生辉）、人造空气（潜水员所用的氧气瓶内的气体）以及保护气等等。在地球科学领域，由于地球各个圈层都分布着不同含量的稀有气体，并且自然界中稀有气体的化学活动性和丰度较低。因此，在地质作用过程中，其化学和同位素组成的变化几乎不受化学反应和生物作用过程的影响，而仅取决于混合、扩散、溶解、吸附及核反应等物理过程。

同位素，又称为同位素核素，是指同一化学元素之下的不同核素。同一种元素的所有同位素都具有相同的质子数目（即原子序数），但中子数目不同，所以它们的质量数不同。由于这些核素属于同一种化学元素，在化学元素周期表上占同一个位置，因此得名同位素。根据原子核的稳定性，同位素分为稳定同位素和放射性同位素两大类。稳定同位素在自然界中相对稳定，常用来追溯物质的来源；放射性同位素会自发发生核衰变，而且遵循半衰期定律，可用来确定物质的年龄，即同位素定年。目前自然界中发现的稀有气体稳定同位素组成包括^3,4He、^20,21,22Ne、^36,38,40Ar、^{78,80,82,83,84,86}Kr、^{124,126,218,129,130,131,132,134,136}Xe（下划线为自然界中占主要比例的稳定核素），以及放射性元素Rn，Rn已知有34个同位素，其中最稳定的是²²²Rn。这些气体的组分和同位素组成在地球科学研究中发挥着重要作用，如在地球的构造演化历史、物质循环、地质定年、油气资源和金属矿产勘探、地震预测等研究中可用于定年和示踪等。

2 稀有气体在地震监测中的应用

地震的孕育和发生是地下物质迁移、能量释放和应力改变的过程和结果。在这一过程中，断裂带及其周边区域由地下释放的气体特征、尤其是地球化学特征会发生改变。稀有气体在地球的各个圈层内都有分布，可以客观、灵敏地反映地壳中应力、应变状态，已经广泛地应用于地震监测。换言之，如果把地球比作一个成年人，科学家使用的各种地球观测手段就好比是医院里五花八门的检查项目。地震波观测就如同CT检查，岩石学研究就类比骨骼分析，而流体观测就像血液分析，可以直接反映“地球”内部的诸多信息。地震就好像人“生病”了，可以通过分析“血液”的组成与变化来提前预知。最新的研究表明，地震前，地下岩石中的气体释放会发生很多变化，其中包括氡（Rn）、氦（He）、氩（Ar）等稀有气体元素及其同位素组成和性状的变化。这些变化可能与地震前的地下岩石的活动有关。因此，通过监测稀有气体的组分和同位素比值的变化，可以寻找地震的潜在迹象。

氡是最早用于地震监测的稀有气体元素，它是铀（U）和钍（Th）元素通过放射性衰变产生的一种放射性气体，在地壳中广泛存在。自然界中Rn的浓度比较低而且半衰期很短，只有3.825天。氡的释放主要受环境的物理条件（地质条件、大气等）控制，而不受化学过程的影响，在地壳应力、岩石裂隙等地质构造活动发生变化时，地下水或土壤中的氡浓度能够记录到这一过程，因此被广泛用于监测构造与地震活动。

人类历史上第一次关于水氡（地下水中包含的氡）作为地震前兆的测量可以追溯到1927年。而首次报道土壤气体中的氡在地震监测中的应用是日本科学家，他们沿日本东京地区断裂带进行了两年的氡测量记录，成功观测到了1953年12月发生的一次8.0级地震前后氡浓度异常变化，尤其在地震临近时，土壤气中的氡浓度会显著升高。自1966年乌兹别克斯坦首都塔什干发生的5.3级地震记录到的震前水氡异常的文章发布后，中国、美国、日本、意大利、伊朗和土耳其等多震国家，陆续都有文献和报道记载到“氡前兆”这一现象。

我国文献记载的氡监测地震的案例最早的是1969年7月18日渤海7.4级地震。震前的8～9月（1968年0～11月），天津地区多个井孔中的水氡浓度出现缓慢上升的异常；在震前3～4个月（1969年3～4月），各井孔水氡出现急剧上升；之后，处于高值波动，直至发震，而且同步现象明显（图2）。人类历史上较为成功的地震预报案例是1975年2月4日中国辽宁南部的海城7.4级地震。地震前有10个水氡观测点发现异常，为这次地震预测提供了有效依据。科学家们经过研判对这次地震进行了准确预测并发布了短临预报，地震前由官方组织撤离民众，拯救了十几万人的生命。可惜的是，此次地震预报模式并没有在后续的工作中成功复制，学界关于海城地震预报这一事件的争论延续至今。