地震是群灾之首，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，目前地震预测还是尚未解决的世界性科学难题。在地震领域已有的研究中，流体（包括气体和液体）地球化学手段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。
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
图1 元素周期表
在地球科学领域，由于地球每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。这些气体的组分和同位素组成在地球的构造演化历史、物质循环、油气资源和金属矿产勘探、地震预测等研究中发挥着重要作用。
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的地球化学特征会发生改变。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。
氡是最早用于地震监测的稀有气体元素，它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。地下水或土壤中的氡浓度能够记录到地壳应力、岩石裂隙等地质构造活动变化过程，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。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表后，中国、美国、日本、意大利和土耳其等多震国家的研究，陆续证实地震“氡前兆”现象的存在。
目前，稀有气体观测在世界各国仍有比较广泛的应用。比如，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2），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2 唐山市陡河观测站土壤气Rn连续观测站数据
稀有气体在地震研究中的应用
稀有气体有地幔、地壳和大气三种主要来源。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。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。其原因是，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气体来源深度的不同。在气体组分中，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，在不同地区氦同位素比值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。
展望
地震预测需要对地震发生的时间、震级与地点进行准确判定。尽管目前可以捕捉到一些与地震相关的稀有气体异常变化，但距离准确的地震预测，还需要充分认识地震孕育和发生过程中的物理化学变化，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野外观测，明确无震时期地球化学背景值。
（2）气体样品的采样和分析方法目前尚不统一。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结果。完善采样和分析方法，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）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，基于稀有气体地球化学的地震研判还处于经验判定阶段。需要以不同构造区域的稀有气体地球化学特征及其成因机理为基础，结合大数据模型的人工智能技术识别异常，逐渐提高地震异常指标判定的准确性。
防灾减灾救灾事关人民生命财产安全，事关社会和谐稳定。目前的研究已证明，地球“呼吸”中的稀有气体与地震活动关系密切。随着监测手段和分析技术的不断创新、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。
防震减灾融媒体工作室 出品
指导： 中国地震局公共服务司（法规司）
作者：中国地震局地震预测研究所 路畅 李营 周晓成 陈志 天娇
中国科学院地质与地球物理研究所 郭正府
天津大学 徐胜
中国科学院西北生态环境资源研究院 李中平
中国地质大学（武汉）郑国东
中国地震应急搜救中心 吕瑞瑞