近期，全民科学素质纲要实施工作办公室公布2026全国优质科普作品征集活动入选作品名单，中国地震局地震预测研究所路畅等人撰写并发表的《地球的呼吸：稀有气体揭示地震的秘密》由矿物岩石地球化学学会申报，成功入选全国优质科普作品。

2026全国优质科普作品征集活动由全民科学素质纲要实施工作办公室组织实施，面向全民科学素质纲要实施工作办公室成员单位、全国学会、协会、研究会、省级科协等广泛征集优质科普作品，入选的作品紧扣新时代公众科普需求，充分体现了我国科普内容创作的整体发展成效，是服务全民科学文化素质提升的重要载体。

撰稿人：路畅

审稿人：刘静

地球的呼吸：稀有气体揭示地震的秘密

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，目前的地震预测仍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。

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。

据中国化学会和国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）修改

图1 元素周期表

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、^{124,126,128,129,130,131,132,134,136}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10～11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。

图2 渤海地震水氡异常形态特征（引自刘伯礼等，1975）

随着调查研究的不断深入以及观测技术的更新进步，更多的监测和研究结果发现，氦、氖、氩等稀有气体也可能成为地震前兆的潜在指标之一。例如，1979年5月至1981年1月，美国加利福尼亚州中部发生了8次4级以上地震（震中距监测站小于160千米），其中有6次震前土壤气体中的氦浓度都出现下降。据此，美国政府在加利福尼亚州沿圣安地列斯断裂带建立了十个气体监测站，用于观测土壤气中氦浓度的异常变化，结果发现在地震前几周土壤气中的氦浓度会有所下降，而在震后的一定时间会恢复到震前的水平。1977年，俄罗斯科学家在地震活跃的堪察加半岛每三天采集一次泉水样品进行水中氩浓度测试，他们发现，水中的氩浓度与地震活动有明显的相关性。世界各国的地震工作者经过半个多世纪的监测实践，成功捕捉到稀有气体地震前兆异常的实例不胜枚举，已证明稀有气体与地震活动息息相关。

目前，稀有气体观测在世界各国都有比较广泛的应用，并且为了提高观测数据质量与认识前兆机理进行了很多研究。比如，印度通过连续的土壤气Rn观测，就氡气对地震的响应距离和地震前兆异常时间进行了系统总结和归纳，提高了土壤气Rn异常对地震响应时间和距离的认识；意大利通过对土壤气Rn观测数据进行有效处理，识别出Rn的周期性变化规律，排除了土壤气Rn变化的非地震活动干扰因素的影响；波西米亚对不同深度（30、 70和270米）的深井进行土壤气Rn连续观测并进行对比，为选取更合理观测深度提供依据；我国台湾地区已将土壤气Rn观测建成在线实时系统，提高了前兆识别的效率，在地震观测和预报方面取得明显进展。自2020年起，中国地震局地震预测研究所在首都圈地区主要活动断裂带建立了14个土壤气Rn连续观测站，旨在捕捉有效的地震前兆异常，并通过土壤气Rn观测数据（图3），针对该地区一些地震活动给出有效的短临监测意见，在首都圈地区地震会商中发挥了明显作用。

图3 唐山市陡河观测站土壤气Rn连续观测站数据

3 稀有气体在地震研究中的应用

稀有气体，尤其是稀有气体同位素体系对了解地球早期历史、地幔-地壳的物质循环，固体地球的脱气以及同位素定年等都具有重要的科学意义和应用价值，是了解地质构造活动的有利武器。稀有气体的来源有地幔、壳源和大气三种主要类型。不同来源的气体，其组分呈现出不同的地球化学和同位素特征，这是开展稀有气体地球化学研究的重要基础。

地震的发生是由于地球岩石圈内能量的突然释放所产生的地震波而引起的地球表面的晃动，地球上的地震都主要发生在断裂带及其周缘。因此，研究断裂带（或断层）活动性以及稀有气体释放与地震活动之间的关系，对认识地震活动规律意义重大。在断裂带观测到的氦浓度与氦同位素比值（³He/⁴He），在地震预测中展现出引人瞩目的潜力。因为氦的释放与地球内部的活动和地壳运动密切相关，氦浓度或同位素很有可能成为地震的先兆信号。首先，氦同位素比值反映了地球内部不同深度的物质来源。岩石中的⁴He主要来自放射性元素的衰变，而³He主要来源于地幔深部。地震发生前地壳可能经历应力变化，导致深部物质上涌、释放，从而改变氦同位素比值。其次，地震发生前地壳中的岩石经历应力变化，可能导致岩石内的氦同位素释放。3He的释放增加可能意味着地下应力的增大，这可能是地震即将发生的前兆。此外，不同地区的地下构造和地壳运动情况不同，因此，氦同位素比值在不同地区可能表现出特定的分布模式。通过对比不同地区的氦同位素比值及其变化，科学家可以发现地震的可能迹象，并进行地震危险性评估。

近年来，基于稀有气体同位素与地震活动关系的研究受到广泛关注。比如，日本科学家对2004年和2007年两次在日本中部发生的6.6级地震进行综合分析，通过高密度的氦同位素观测，他们发现震源区域的氦同位素比值较高，并认为是含地幔氦的流体沿可渗透的通道运移到浅层，导致高角度的正断层重新激活而引发了地震。在我国地震活跃的川滇地区，科研人员也开展了多项研究。在青藏高原东缘的玉树-甘孜-鲜水河断裂、安宁河断裂和龙门山断裂等地震活跃断裂带的“Y”型交汇区域，他们对断裂带温泉气体³He/⁴He（氦同位素比值）与断层滑移速率的关联性进行了系统分析，发现富二氧化碳流体的上涌可能促进了断层的快速滑动，增强了断层的渗透率，导致地幔氦快速脱气，提出了深部流体运移导致的超压状态孕震假说；此外，研究人员还结合氦同位素组成，指出深部流体上涌过程中触碰到刚性地壳通道，热液储层形成超高压状态，可能是澜沧断裂带发生7级以上地震的重要原因。这些基于稀有气体同位素的研究，帮助我们更深入的认识地震孕育和发生过程，也证明稀有气体不仅在地震监测中有着广泛的应用潜力，在地震危险性、流体孕震机理与深部物质运移等研究领域也有着重要意义。

4  展望

地震预报需要对地震发生的时间、震级与地点进行准确判定。目前，尽管地震工作者们可以捕捉到一些与地震相关的稀有气体异常变化，这有望作为可靠的地震前兆，但距离准确的地震预报，还需要充分认识地震孕育和发生过程中的物理化学变化，因此以下几方面需要着重关注：

（1）由于地质构造的非均一性，不同区域的稀有气体地球化学特征及来源差异明显，需要对潜在的地震发生区域进行实际的野外观测，明确无震时期地球化学背景值；

（2）对气体样品的采样和分析方法目前尚不统一，常见的稀有气体采样容器有不锈钢瓶、铜管、玻璃瓶（钠、钼、石英材质）、采样袋（塑料与铝箔材质）。不同采样容器都有其适用条件及优缺点，其密封性、运输保存条件等都会影响到分析数据。完善采样和分析方法从而提高数据的准确性和一致性是认识稀有气体组分的重要一步；

（3）无法有效识别地震异常指标，地震前的稀有气体异常变化不同，有正异常也有负异常，异常的变化幅度、地震活动前异常变化时间以及响应距离等都还不明确。目前，稀有气体地球化学用于地震研判还处于经验判定阶段，这需要研究不同构造区域的稀有气体地球化学特征及其成因机理，结合大数据模型的人工智能技术识别异常，以逐渐提高地震异常指标判定的准确性。

地震预报是全世界科学家长期瞩目的科学难题，但经过几代科学家们的不懈努力，已经在防震减灾领域取得了一些令人振奋的好成绩。目前的研究已证明，地球“呼吸”中的稀有气体与地震活动息息相关，随着监测手段和分析技术的不断创新进步、地震地球化学机理研究的综合深入，这些稀有气体元素必将在地震预测研究中发挥更加重要的作用！

引证格式：路畅,李营,周晓成,等.地球的呼吸：稀有气体揭示地震的秘密.矿物岩石地球化学通报,2024,43(6):1315-1318.

主要参考文献：

Renouf, Edward. 1901. Noble gases. Science. 13 (320): 268-270 

Chalov P I, Tuzova T V, Alekhian V M. 1978. Long-term variations of radio isotope parameters in crustal fracture water and the prediction of earthquakes. Physics of the Solid Earth, 13: 638–642 

D’Alessandro A, Scudero S, Siino M, et al. 2020. Long-term monitoring and characterization of soil radon emission in a seismically active area. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 21, e2020GC009061

Deb A, Gazi M, Ghosh J, et al. 2018. Monitoring of soil radon by SSNTD in Eastern India in search of possible earthquake precursor. Journal of Environmental Radioactivity, 184–185: 63–70

Hatuda Z. 1953. Radon content and its change in soil air near the ground surface. Memoirs of College of Science, University Kyoto, Series B, 4(6): 285–306

Imamura G. 1947. Report on the observed variation of the Tochiomata hot spring immediately before the Nagano earthquake of July 15, 1947. Kagaku, 11: 16–17

Kingsley S P, Anderson C W, Biagi R. 1999. Analysis of argon concentration anomalies in underground water in Kamchatka (Russia). Il Nuovo Cimento C, 22: 3–4

Kumar A, Walia V, Lin S J, et al., 2020. Real‑time database for geochemical earthquake precursory research. Natural Hazards, 104: 1359–1369

Liu W, Zhang M L, Chen B Y, et al. 2023. Hydrothermal He and CO2 degassing from a Y-shaped active fault system in eastern Tibetan Plateau with implications for seismogenic processes. Journal of Hydrology, 620(B): 129482

Okabe S. 1956. Time variation of the atmospheric radon content near the ground surface with relation to some geophysical phenomena. Memoirs of College of Science, University Kyoto, Series A, 28: 99–115

Reimer G M. 1981. Helium soil-gas variations associated with recent central California earthquakes: Precursor or coincidence? Geophysical Research Letters, 8(5): 433–435

Riggio A, Santulin M. 2015. Earthquake forecasting: A review of radon as seismic precursor. Bollettino di Geofisica Teorica ed Applicata. 56(2): 95–114

Roques C, Weber U, Brixel B, et al. 2020. In situ observation of helium and argon release during fluid-pressure-triggered rock deformation. Scientific Reports, 10: 6949

Shiratoi K. 1927. The variation of radon activity of hot spring. Tohoku Imperial Univ. Scientific Report, Series 3, 16, 1725–1730

Sugisaki, 1978. Changing He/Ar and N2/Ar ratios of fault air may be earthquake precursors. Nature, 275, 209–211

Ulomov V I, Mavashev B Z. 1971. Forerunners of the Tashkent earthquakes. Izvestia Akadamiyi Nauk Uzbeckistan SSR, pp. 188–200

Umeda K, Ninomiya A, McCrank G F. 2008. High 3He emanations from the source regions of recent large earthquakes, central Japan. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 9: Q12003

Wang Y C, Zhou X C, Tian J, et al., 2022. Volatile characteristics and fluxes of He-CO2 systematics on the southeastern Tibetan Plateau: Constraints on regional seismic activities. Journal of Hydrology, 617(14): 129042

Woith H, Daskalopoulou K, Zimmer M. 2020. Multi-level gas monitoring: a new approach in earthquake research. Frontiers in Earth Science, 8: 585733

Zheng G D, Martinelli G, Wang Y X, et al., 2022. Notes for a history of gas geochemistry. Journal of Earth Sciences, 33(6), 1614–1623

李营，陈志，胡乐等. 2022. 流体地球化学进展及其在地震预测研究中的应用. 科学通报, 67(13): 1404–1420

李营，方震，张晨蕾, 等. 2023. 地震流体地球化学短临预测研究进展与展望. 地震地质, 45(3): 593–621

李中平, 邱华宁, 陈文, 等. 2023. 氩同位素地球化学:探究地球演化和地质年代学工具. 矿物岩石地球化学通报, 42(5): 1198–1203

李中平. https://blog.sciencenet.cn/blog-3549522-1410995.html

刘伯礼, 万迪堃, 汪成民. 1975. 利用地下水氡浓度异常变化预报地震的探讨. 地球物理学报, 4: 279–283

宋宏, 李立武, 汤庆艳, 等. 2022. 常见稀有气体采样容器研究进展及意义. 地质科学, 57(1): 274–293

天娇, 庞忠和, 李义曼, 等. 2023. 地热气体研究进展. 地质学报, 96(5):1752–1766

徐胜, 张茂亮, 郑国东. 2019. 稀有气体地球化学应用研究进展. 中国矿物岩石地球化学学会第17届学术年会论文摘要集

周子谦, 颜静, 蔡宁静, 等. 2023. 元素王国的“竹林七贤”——稀有气体元素. 大学化学, 38(7): 27–31