海原斷裂帶東南段土壤氣體地球化學(xué)特征

周曉成 王傳遠(yuǎn) 柴熾章 司學(xué)蕓 雷啟云李 營 謝 超 劉勝昌

1)中國科技大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026

2)中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036

3)中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所，煙臺 264003

4)寧夏回族自治區(qū)地震局，銀川 750001

5)河北理工大學(xué)，唐山 063009

海原斷裂帶東南段土壤氣體地球化學(xué)特征

周曉成1，2)王傳遠(yuǎn)3)柴熾章4)司學(xué)蕓4)雷啟云4)李 營2)謝 超2)劉勝昌5)

1)中國科技大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026

2)中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036

3)中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所，煙臺 264003

4)寧夏回族自治區(qū)地震局，銀川 750001

5)河北理工大學(xué)，唐山 063009

在海原斷裂帶東南段4個(gè)地點(diǎn)跨斷層測量了土壤氣中He、H2、N2、O2、CH4、C2H6、Rn和Hg的濃度及 He、H2、CH4、Rn和 Hg的通量。測量結(jié)果表明，N2/O2、Hg和 Rn的背景值分別是 4.2、50.4ng/m3和5.8k Bq/m3;土壤氣中He和CH4在海原斷裂帶東南段端部有強(qiáng)烈異常，并且脫氣強(qiáng)烈，通量分別達(dá)到6.9mgm-2d-1和390mgm-2d-1;土壤氣中H2和Rn是指示海原斷裂東南段破裂位置非常有利的氣體組分，在靠斷裂中部區(qū)域通量達(dá)到最高，分別為5.5mgm-2d-1和828.6m Bqm-2s-1;土壤氣中Hg在斷裂帶的異?？勺鳛橹甘緮嗔哑屏盐恢玫膮⒖夹盘枺渫孔罡哌_(dá)到211.2ngm-2h-1。

海原斷裂帶 土壤氣 地球化學(xué)

0 引言

大地震一般都能形成大規(guī)模的地表破裂帶，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡(Ma et al.，2006;張培震等，2009)。1920年海原地震形成長240km的地表破裂(鄧起東等，1987)。海原斷裂帶東南段位于南北地震帶北段。汶川地震之后，南北地震帶北段成為研究熱點(diǎn)。土壤氣體的地球化學(xué)特征可反映地震活動斷層的活動情況。在美國的圣安德烈斯斷裂、日本的跡津川和牛首斷層、意大利的Pernicana斷裂與中國的福州隱伏斷裂(King et al.，1996;Giammanco et al.，1998;Wang et al.，2006b)上觀測到了土壤氣中 Rn、Hg、CO2、He、H2和 CH4等組分的顯著異常。海原斷裂帶為地下氣體逃逸提供了良好的通道，在該斷裂帶中西段的土壤氣測量表明Rn、Hg和H2在斷層附近形成高值異常帶(姜大庸等，1990，2000)。目前，在海原斷裂帶東南段土壤氣測量研究較少。因此，本次研究區(qū)域選擇了海原斷裂帶東南段。本文的主要目的是討論海原斷裂帶東南段的氣體地球化學(xué)特征及其與斷層的關(guān)系。

1 地震地質(zhì)概況

海原斷裂帶西起甘肅景泰，經(jīng)寧夏海原，東至固原，寬l～3km，長240km，由11條次級剪切斷層組成。斷裂走向在海原以西為280°～290°，海原以東為320°(國家地震局地質(zhì)研究所等，1990)。根據(jù)斷裂幾何形態(tài)、地貌和活動習(xí)性，可以將海原斷裂帶分為西、中、東3段(Zhang et al.，2003)。本次研究區(qū)域主要是硝口-蔡祥斷層，它是海原走滑斷裂東南段的一條最主要的次級剪切斷層。硝口-蔡祥斷層南起固原硝口，向北經(jīng)響水溝、葉家河、上大寨、貓兒溝，北端終止于唐家山西北，控制了小南川盆地東北緣。硝口-蔡祥斷層全長55km左右，走向?yàn)?20°～330°，從整體來看，是一條主斷層面傾向SW的逆走滑斷層(圖1)。硝口-蔡祥斷層主要發(fā)育于下白堊系六盤山群與漸新統(tǒng)和中新統(tǒng)紅層之間，主斷面向SW傾斜，斷層破碎帶寬度達(dá)數(shù)十m至一二百m，帶內(nèi)常發(fā)育次級斷層，形成一條復(fù)雜的斷裂帶。地表沿?cái)嗔褞Э尚纬蓪挾葹閹譵至幾十m的槽形地帶及小型地塹構(gòu)造，有時(shí)也可見到小型正斷層，尤其是1920年海原地震地表破裂帶常表現(xiàn)為這種構(gòu)造地貌組成的負(fù)地形帶，并伴隨明顯的左旋走滑位移，錯(cuò)距為數(shù)m。與這種表層構(gòu)造相伴隨，常見斷層上盤六盤山群逆沖到斷層下盤新近紀(jì)地層之上，在這種逆走滑斷層帶中還夾入了晚第四紀(jì)黃土和全新世地層，同一地段又使河流、沖溝發(fā)生如上所述的左旋變位(國家地震局地質(zhì)研究所等，1990)。

圖1 海原斷裂帶東南段地質(zhì)構(gòu)造圖以及土壤氣測線分布圖(據(jù)國家地震局地質(zhì)研究所等，1990;Zhang et al.，2003)Fig.1 Geological and tectonic map of the southeastern part of Haiyuan Faults and distribution of soil gas samplings(after Institute of Geology，State Seismological Bureau et al.，1990;Zhang et al.，2003).

2 測量方法

在海原斷裂東南段硝口、八只窯、蔡祥堡和小南川進(jìn)行了土壤氣測量，測量分2段時(shí)間完成，2007年10月20日至11月10日現(xiàn)場測量了土壤氣中的 He、H2、O2、N2、Hg、CH4和 C2H6的濃度，測線是L1～L10;2008年4月25日至5月6日在原來測線的位置測量了土壤氣中的Rn的濃度，測線是L1～L9，測點(diǎn)間距為10～30m(圖1)，測點(diǎn)主要位于河流階地和河漫灘上。在斷裂帶氣體異常區(qū)進(jìn)行氣體逸散通量測量，L1～L7每個(gè)測線有1個(gè)通量測點(diǎn)，T8測點(diǎn)位于小南川盆地中央。

土壤氣體組分的濃度測量采樣使用傳統(tǒng)方法(周曉成等，2007;李營等，2009)。氣汞采用RA-915+型塞曼效應(yīng)汞分析儀現(xiàn)場測量，檢測限為1ng/m3;He、H2、N2、O2、CH4和 C2H6采用AgilentMacro 3000便攜式氣相色譜儀測量，He和H2的檢測限為10ppm，CH4和C2H6的檢測限為50ppm;氣氡采用RAD7測氡儀現(xiàn)場測量。土壤氣體組分的濃度測值的誤差都＜10%。

氣體逸散通量觀測采用靜態(tài)暗箱法(Nakano et al.，2004;Lehmann et al.，2004;Wang et al.，2006a)。采樣箱用5mm厚白色不透明的聚四氟乙烯制成半徑為20cm的半球殼。He、H2、CH4的通量測量是用針管抽取氣樣現(xiàn)場測量，觀測時(shí)間為1h，每間隔5min抽取觀測箱內(nèi)氣體1次，并記下取氣樣時(shí)的箱內(nèi)溫度以及觀測前后的大氣溫度和氣壓。土壤氣氡是測氡儀連續(xù)循環(huán)抽氣1h，5min測得1個(gè)值。土壤氣汞也是測汞儀連續(xù)循環(huán)抽氣20min，1s測得1個(gè)值。

3 結(jié)果

3.1 海原斷裂帶東南段土壤氣組分濃度分布特征

在海原斷裂帶東南段，土壤氣中 He、H2、N2、O2、CH4、C2H6和 Hg 濃度測點(diǎn)共268 個(gè)，土壤氣Rn的濃度測點(diǎn)共220個(gè)。海原斷裂帶東南段土壤氣中Rn、Hg、He、H2、N2、O2和CH4濃度的空間分布有很大差異。C2H6在所有測點(diǎn)的濃度都低于檢測限。在斷裂帶東南端硝口，土壤氣中He、N2/O2和 CH4濃度達(dá)到最高，分別是 65.3ppm、16.1(空氣 N2/O2=3.7) 和537.7ppm。在靠斷裂帶中部的蔡祥堡，土壤氣中H2和Rn濃度達(dá)到最大，分別是369.7ppm和38.3k Bq/m3;在斷裂帶北端小南川，Hg的最大值為245ng/m3(圖2～5，表1)。

圖2 硝口地區(qū)的土壤氣測線(L1)濃度分布圖Fig.2 Distribution of concentration of soil gas at Xiaokou.陰影代表異常區(qū)，箭頭代表斷裂所在位置

3.2 土壤氣組分濃度的背景值和異常界

通過對 N2/O2、Hg和 Rn數(shù)據(jù)進(jìn)行Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)判斷分布類型，結(jié)果為3個(gè)變量都 p＜0.05。因此，N2/O2、Hg和Rn數(shù)據(jù)是非正態(tài)分布。最后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換來更好地進(jìn)行正態(tài)擬合，計(jì)算幾何平均值。N2/O2、Hg和Rn的背景值分別是4.2、50.4ng/m3和5.8k Bq/m3。一般在非活動斷裂地區(qū)土壤氣中He的濃度接近空氣濃度 5.2ppm(Baubron et al.，2002)，H2的濃度 ＜1ppm(Turhan et al.，2007)。在本次測量中，在非斷裂區(qū)域He和H2的濃度都低于儀器的檢測限是10ppm，因此，把He和H2的異常界定為10ppm。N2/O2、Hg和Rn的異常界使用QQ圖來定(Ciotoli et al.，2007)，最后確定異常界為：N2/O2是 4.33，Hg 是 174ng/m3，Rn 是 10.8k Bq/m3。

表1 海原斷裂帶東南段土壤氣濃度分布范圍和平均值Table 1 Range and average values of soil gas in the southeastern part of Haiyuan Fault zone

3.3 土壤氣中He、H2、CH4、Hg和Rn通量變化特征

海原斷裂帶東南段斷層部位土壤氣中Rn、Hg、He、H2、和CH4的8個(gè)通量測點(diǎn)空間分布也有很大的差異。在硝口T1測點(diǎn)，He和CH4的通量達(dá)到最大值，分別為6.9和390mgm-2d-1，其它點(diǎn)低于檢測限。在八只窯T3和蔡祥堡T4測點(diǎn)，H2通量分別是5.5和4.6mgm-2d-1，其它點(diǎn)低于檢測限。在八只窯T2測點(diǎn)，土壤氣汞通量達(dá)到最高值，為211.2ng m-2h-1。在蔡祥堡T5測點(diǎn)，土壤氣氡通量最高值達(dá)到828.6m Bqm-2s-1(表2)。

4 討論

4.1 土壤氣中He和CH4在海原斷裂帶東南段端部有強(qiáng)烈異常

在海原斷裂帶東南段端部的測點(diǎn)主要分布在河漫灘上，河流沉積物以粗砂為主，含少量礫石。土壤氣測量測線L1第14點(diǎn)位于海原斷裂帶上，在這里有大量的冒氣泡的泉眼出現(xiàn)。在14點(diǎn)及附近，CH4異常值達(dá)到537.7ppm，He異常值最高為65.3ppm(圖2)。在八只窯、蔡祥堡和小南川土壤氣中He異常幅度較小，而CH4低于檢測限。這些異常特征可能主要與斷裂端部的應(yīng)力和土壤氣體He，CH4的來源有關(guān)。

海原左旋走滑斷裂帶東南端存在一個(gè)強(qiáng)烈的擠壓應(yīng)力區(qū)，而六盤山地區(qū)位于它的南部，在構(gòu)造性質(zhì)上屬于海原活動斷裂帶的端部擠壓調(diào)整區(qū)(國家地震局地質(zhì)研究所等，1990)。巖石、巖體中稀有氣體He的發(fā)射能反映地質(zhì)體中現(xiàn)存的應(yīng)力狀態(tài)，在應(yīng)力集中帶He有明顯的發(fā)射，在量值上比空氣高幾十倍，而且可以隨應(yīng)力集中帶的遷移而遷移(Zhu et al.，2003)。He有高的活動性和在水中有低的溶解度的特性，由于這些原因He有很高的擴(kuò)散特性，擴(kuò)散系數(shù)比N2、O2高10倍左右。在硝口，泉水溢出氣中3He/4He(R/Ra)的值為0.02(3He/4He(R/Ra)＜1)，這說明He氣主要來自殼源(姜大庸等，2000)。硝口土壤氣中He的通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大陸地表He的通量 1.5 × 10-5mg m-2d-1(Sano et al.，1986)。海原左旋走滑斷裂帶東南端的應(yīng)力集中可能是控制土壤氣He濃度異常的主要因素。

圖3 八只窯地區(qū)的土壤氣測線濃度分布圖Fig.3 Distribution of concentration of soil gas at Bazhiyao.

圖4 蔡祥堡地區(qū)的土壤氣測線濃度分布圖Fig.4 Distribution of concentration of soil gas at Caixiangpu.

海原斷裂帶東南段處于六盤山盆地的西南緣，而六盤山盆地有極其豐富的油氣顯示，在平面上也主要分布在盆地西南部的山前帶，在地表露頭及淺井鉆探中，白堊系及新近系中均見到了油氣顯示(李昌鴻，2009)。在硝口，土壤氣CH4的通量與意大利Siena Graben Arbia斷層土壤氣中甲烷的通量80mgm-2d-1(Etiope et al.，2002)相比，是比較高的。因此，在硝口測得的CH4可能主要來自地下埋藏的天然氣藏。

4.2 土壤氣中H2和Rn是指示海原斷裂破裂位置非常有利的指標(biāo)

在測線L1～L6及L8與斷裂帶相交處，土壤氣中H2的濃度都有明顯的異常(圖2～5)。在硝口，L1測線上土壤氣中H2的濃度異常寬度250m，在八只窯測線L3上異常寬度160m，在蔡祥堡測線L4上異常寬度300m。在測線L1～L6上，土壤氣中Rn濃度在斷裂帶及附近都有明顯的異常，異常寬度20～150m。土壤氣中H2和Rn異常在斷裂中部蔡祥堡達(dá)到最大值，而在斷裂兩端異常幅度相對較小。

圖5 小南川地區(qū)的土壤氣測線濃度分布圖Fig.5 Distribution of concentration of soil gas at Xiaonanchuan.

表2 海原斷裂帶東南段Rn和Hg的逸散通量Table 2 Flux of Rn and Hg in soil gas in the southeastern part of Haiyuan Fault zone

土壤氣中H2和Rn異常特征與其來源以及斷裂帶內(nèi)破裂有很大關(guān)系。斷裂帶內(nèi)的H2主要來源于斷裂帶裂隙的新生表面和水發(fā)生反應(yīng)生成的H2(Kameda et al.，2003)。因此，斷裂帶的破裂強(qiáng)度越大，破裂新生裂隙越多，相應(yīng)生成的H2也越多。Wakita等(1980)沿Yamasaki走滑斷裂帶測得土壤氣中H2濃度高達(dá)3%。加拿大安大略省東南部康沃爾市江邊沼澤地里的2個(gè)氣體噴發(fā)點(diǎn)上H2的通量是0.58μgm-2d-1(Poissant et al.，2007)，遠(yuǎn)小于八只窯T3測點(diǎn)的通量。海原斷裂帶東南段土壤氣Rn主要來源于土壤中富含放射性鈾、釷系列元素的巖石。海原斷裂帶白堊紀(jì)地層主要是六盤山群乃家河組，該組碳酸鹽、砂巖和泥巖的鈾和釷的平均含量分別是6，6，＜5和10，10，10ppm，高于中國東部碳酸鹽平均鈾和釷含量(白生明等，2003)。同心-海原-固原盆地砂巖型鈾礦主要物質(zhì)來源是六盤山前白堊紀(jì)地層，其次為白堊系露頭剝蝕區(qū)，而且寒武紀(jì)、二疊紀(jì)、石炭紀(jì)地層區(qū)域伽馬底數(shù)均較高，并已發(fā)現(xiàn)眾多鈾礦化點(diǎn)及異常點(diǎn)帶(呂森等，2009)。新生破裂的產(chǎn)生使巖石的氡射氣表面積增大，射氣能力增加。土壤氣氡在斷裂帶中部蔡祥堡T5測點(diǎn)的通量比有代表性的陸地表面土壤氣氡通量15.5m Bqm-2s-1(Wilkening etal.，1972)高出53倍。在意大利中部的Fucino山間盆地，土壤氣氡通量在非斷層地區(qū)一般是10m Bqm-2s-1，在斷層區(qū)一般在45m Bqm-2s-1以上，最高可以達(dá)到120m Bqm-2s-1(Ciotioli et al.，2007)。

在測線L1、L2、L4、L6和L9與斷裂帶相交處，土壤氣中N2/O2都有明顯的異常 (圖2～5)，特別是在測線L1、L4、L6和L9上，土壤氣中N2/O2在斷裂帶上和H2的異常對應(yīng)非常好。在硝口，N2/O2異常值最高為16.3，異常寬度達(dá)到142m。土壤氣中的O2和N2主要來自空氣，海原斷裂帶東南段土壤氣中O2與N2和H2的相關(guān)系數(shù)分別是-0.4和-0.48，土壤氣中O2濃度減少主要是植物的根系吸收，嗜氧細(xì)菌消耗引起(Hanslin et al.，2005)，另外還有一部分可能是氫氣與氧氣發(fā)生反應(yīng)而引起(Ota et al.，2007)。

4.3 土壤氣中Hg在斷裂帶的異常可作為指示斷裂破裂的參考指標(biāo)

土壤氣Hg在海原斷裂帶異常較少，只在測線L2和L9與斷裂帶相交處，土壤氣中Hg有明顯的異常 (圖4，5)。并且，在L1測線上的12點(diǎn)，土壤氣中Hg濃度很低，只有4ng/m3。土壤氣中Hg的分布特征表明在海原斷裂帶有幾個(gè)主要因素控制Hg的濃度。從土壤氣Hg濃度分布可以看出位于河流階地的農(nóng)田里的土壤氣Hg的濃度要明顯高于河漫灘上的測點(diǎn)，主要有2個(gè)原因，一是河漫灘沉積物空隙大，儲氣性差，二是階地農(nóng)田里施用肥料和農(nóng)藥，造成土壤中Hg的濃度增加(王荔娟等，2007)。所以，在4個(gè)區(qū)域土壤氣Hg的測量受人為因素干擾較大，其主要來源不僅有地殼深部而且有許多人為污染源。在硝口，偏低Hg值可能的原因是在12點(diǎn)附近發(fā)現(xiàn)了大量泉眼流出的硫磺，硫磺與汞易發(fā)生反應(yīng)生成硫化汞沉淀，使Hg濃度偏低(圖4)。在美國內(nèi)華達(dá)州背景區(qū)域測得土壤氣汞通量4.2ngm-2h-1(Gustin，2003)。Wang等(2006a)在重慶市農(nóng)田土壤表面測得的土壤氣汞通量是(85.8±32.4)ngm-2h-1。海原斷裂帶土壤氣汞通量與之相比，也是明顯偏高。因此，土壤氣中Hg在斷裂帶的異常，在指示斷裂破裂的位置時(shí)可作為很好的參考指標(biāo)。

5 結(jié)論

在海原斷裂東南段進(jìn)行了土壤氣測量，結(jié)果表明：N2/O2、Hg和Rn的背景值分別是4.2、50.4ng/m3和5.8kBq/m3;在海原斷裂帶東南段端部土壤氣中He和CH4有顯著異常，并且脫氣強(qiáng)烈;土壤氣中H2和Rn是指示海原斷裂東南段破裂位置非常有利的氣體組分，在靠斷裂中部通量最高;土壤氣中Hg在斷裂帶的異常可作為指示斷裂破裂位置的參考指標(biāo)。

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THE GEOCHEM ICAL CHARACTERISTICSOF SOIL GAS IN THE SOUTHEASTERN PART OF HAIYUAN FAULT

ZHOU Xiao-cheng1，2)WANG Chuan-yuan3)CHAIChi-zhang4)SIXue-yun4)LEIQi-yun4)LIYing2)XIE Chao2)LIU Sheng-chang5)
1)School of Earth and Space Sciences，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China
2)Institute of Earthquake Science，China Earthquake Administration，Beijing 100036，China
3)Yantai Institute of Coastal Zone Research，Chinese Academy of Sciences，Yantai 264003，China
4)Earthquake Administration of Ningxia Hui Autonomous Region，Yinchuan 750001，China
5)Hebei Polytechnic University，Tangshan 063009，China

The concentration of soil gas He，H2，N2，O2，CH4，C2H6，Rn，Hg and flux of soil gas He，H2，CH4，Rn，Hg were surveyed at four sites(Xiaokou，Bazhiyao，Caixiangpu and Xiaonanchuan)in the southeastern part of Haiyuan Fault.Soil-gas concentrations of more than 200 samples were obtained.The results show that the background values of N2/O2，Hg，Rn were 4.2，50.4ng/m3and 5.8k Bq/m3，respectively.Themaximum concentrations of He and CH4were 65.3 and 537.7ppm，respectively，at the end of the southeastern part of Haiyuan Fault.Furthermore，soil gas He and CH4were intensively degassed.Themaximum flux of He and CH4in soil gas was 6.9and 390mgm-2d-1，respectively.These may be caused by stress concentration at the end of the southeastern part of Haiyuan Fault.H2and Rn in soil gaswere powerful components as indicators of location of the southeastern part of Haiyuan Fault.Themaximum concentrations of H2and Rn in soil gas were 369.7ppm and 38.3k Bq/m3near themiddle of the southeastern part of Haiyuan Fault.Themaximum fluxes of H2and Rn in soil gaswere 5.5mgm-2d-1and 828.6m Bqm-2s-1，respectively.Thesemay be related with the intensive rupture of themiddle of the southeastern partof Haiyuan Fault.The anomalies of Hg in soil gas at the fault were good reference indicators.The maximum flux of Hg in soil gas was 211.2ngm-2h-1.

Haiyuan Fault zone，soil gas，geochemistry

P315.72+4

A

0253-4967(2011)01-0123-10

2009-10-19收稿，2010-06-17改回。

中國地震局地震預(yù)測研究所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(0207690234)資助。

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.01.012

周曉成，男，1978年生，2005年在中國地震局地震預(yù)測研究所獲構(gòu)造地質(zhì)專業(yè)碩士學(xué)位，現(xiàn)為中國科技大學(xué)在讀博士生，助理研究員，主要從事構(gòu)造地球化學(xué)、流體地球化學(xué)方面的研究，電話：010-88015473，E-mail：zhouxiaocheng 188@163.com。