成都平原隱伏斷層氡氣特征及斷層活動性判別

文 龍，梁 斌，王全偉，朱 兵，付小方，應(yīng)立朝，王 鑫，徐永勝

（1 西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010；2 四川省地質(zhì)調(diào)查院，成都 610081）

1 引言

隱伏斷層是指在地表無出露，潛伏于地表以下的斷層[1]。由于隱伏活動斷裂的突發(fā)錯動產(chǎn)生大地震和地表錯位，形成巨大災(zāi)害，并可能使作為當(dāng)代政治、經(jīng)濟活動中心的城市毀于一旦，因而城市區(qū)隱伏斷層的空間位置、活動性及發(fā)震性受到人們的高度關(guān)注[2-6]。成都平原位于四川盆地西部，西鄰青藏高原東緣的龍門山造山帶，是四川省最重要的工農(nóng)業(yè)基地，同時是西南地區(qū)重要的經(jīng)濟文化中心，成都平原在汶川“5.12”地震中受到重大波及，是有歷史記載以來破壞性最為嚴重的一次地震[7]。成都平原隱伏斷層的空間分布及其地震活動性一直是人們關(guān)注的重要地質(zhì)問題，前人根據(jù)對成都平原地質(zhì)、物探、鉆探、遙感解譯等，推測成都平原存在十?dāng)?shù)條隱伏斷層，其中以北東向隱伏斷層為主，控制了成都平原的基本構(gòu)造格架。因此，對這些隱伏斷層的空間規(guī)模及其活動性研究，對于成都市經(jīng)濟建設(shè)、安全評價具有重要的意義。

近年來，由于氡氣測試方法在研究隱伏斷裂方面具有快速、可靠、經(jīng)濟的優(yōu)勢已得到國內(nèi)外地質(zhì)學(xué)界的重視。本文在綜合分析前人資料的基礎(chǔ)上，對成都平原8條具有代表性的隱伏斷層進行氡氣測量，以進一步確定隱伏斷層的空間位置，研究其氡氣特征和相對活動性強弱，并探討成都平原隱伏發(fā)震斷層氡氣特征。

2 研究區(qū)概況及研究方法

2.1 研究區(qū)概況

圖1 成都平原隱伏斷層氡氣測線剖面圖

成都平原位于四川盆地與青藏高原東南緣接合部位，東至龍泉山西麓，西緣龍門山前山之邊，為軸向呈NE30～40 展布盆地，面積達8 400km2。構(gòu)造位置處于四川盆地西北緣，夾持于龍門山造山帶與四川盆地中的龍泉山褶斷隆起帶之間。成都平原晚新生代，主要是第四紀以來伴隨著青藏高原東南緣龍門山脈大幅度抬升，盆地邊緣急劇下降，形成了一套厚度較大（最大厚達541m）、成因類型多樣的第四系堆積物。成都平原構(gòu)造復(fù)雜，存在十?dāng)?shù)條斷裂，形成了如西部邊緣構(gòu)造中的竹瓦鋪、聚源斷層，中部凹陷的懷遠斷層以及東部邊緣構(gòu)造的新津—成都—德陽斷裂帶、金堂-德陽斷裂帶，這些隱伏斷裂在第四紀表現(xiàn)出不同強度的活動，控制了成都平原的構(gòu)造格架和第四系沉積物的厚度。

2.2 研究方法

本次研究采用美國產(chǎn)DURRIDGE RAD-7型氡氣分析測試儀器對成都平原隱伏斷層進行土壤氡氣濃度現(xiàn)場測定。在氡氣測量過程中，測點間距一般布置為30～50m，在出現(xiàn)異常地段加密至10m 左右，在斷裂構(gòu)造不發(fā)育或氡氣濃度較低的部位，測距可適當(dāng)增大。在地形圖上確定剖面起點及測線的總體方位。野外用羅盤并配合GPS，保持測線總體方位不變。每一個測點用GPS 確定點位、點距。在每一個測點上，先將儀器抽取空氣凈化4分鐘，然后將探桿插入土層中60～70cm，測量過程設(shè)定為3 次循環(huán)過程，每個循環(huán)4分鐘，共獲得3個數(shù)據(jù)。按照儀器使用要求，取第3 次數(shù)據(jù)為該點土壤氡氣濃度數(shù)據(jù)，單位為Bq/m3。

計算背景值時其能否恰當(dāng)?shù)卮_定，直接影響對氡氣特征曲線異常形態(tài)與規(guī)模的判定，并直接影響對隱伏斷層的推斷解釋和分析結(jié)果[8]。由于成都平原隱伏斷層的地質(zhì)背景基本相同，為了消除測線本身長短對異常值的影響，因此，這8 條測線（圖1）的背景值分別取其全部數(shù)據(jù)的平均值，然后經(jīng)平均值加其2倍均方差反復(fù)剔除異常值和零值后的平均值作為它的背景值。根據(jù)中國地震局活斷層探測標準，地球化學(xué)探測異常下限值應(yīng)為該測項的均值與2～4 倍均方差之和，超過此下限被認為異常。根據(jù)我們此次的工作情況，我們?nèi)〗?jīng)過反復(fù)剔除后的均值與其2 倍均方差之和作為其異常下限值。

在對成都平原隱伏斷層的活動性進行判斷時由于國內(nèi)外尚未見到用氡氣測試方法來研究斷裂活動性分級(活動強度級別)統(tǒng)一的標準。本文通過氡氣平均峰倍比值、異常平均值與異常下限值的比值大小對研究區(qū)的8 條隱伏斷層進行相對活動性判別。同時分析了研究區(qū)的其它測試成果資料后，以中國地震臺網(wǎng)地震目錄及南北帶子網(wǎng)-四川臺網(wǎng)地震數(shù)據(jù)，結(jié)合本次系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)，建立成都平原發(fā)震隱伏斷層氡氣特征。

圖2 竹瓦鋪斷層氡氣測量剖面圖

圖3 聚源斷層氡氣測量剖面圖

圖4 懷遠斷層氡氣測量剖面圖

圖5 新津斷層氡氣測量剖面圖

圖6 黃水?dāng)鄬与睔鉁y量剖面圖

3 成都平原隱伏斷層氡氣特征

對成都平原所有隱伏斷層氡氣值進行處理，求得氡氣背景值為696 Bq/m3，異常下限值為2 089 Bq/m3。

3.1 竹瓦鋪斷層氡氣特征

圖1 中測線A（都江堰竹瓦鋪剖面）的起點坐標為X:378719；Y:3416736，終點坐標為X:381772；Y:3412974，剖面全長5 000m，測點130個。其氡氣特征曲線如圖2，異常寬度4 000m，最高峰峰值濃度為63 300Bq/m3，平均異常峰值濃度為11 367.8Bq/m3，最大峰背比為90.9，異常平均值與背景值比為16.3，異常平均值與異常下限值比為5.4。分析可以看出，竹瓦鋪斷層氡氣特征曲線表現(xiàn)為多峰異常，表明該斷層為規(guī)模較大的斷裂帶，斷裂帶可能有多個分支斷層。

前人在對成都平原進行水文，石油，鹽鹵地質(zhì)鉆孔勘探時發(fā)現(xiàn)，成都平原第四系最大厚度出現(xiàn)在郫縣竹瓦鋪，其厚度達到541m。李永昭等[9]研究認為竹瓦鋪東南面的安德鋪為第四系沉積洼地，可能是受竹瓦鋪斷裂控制。并且在郫縣走石山一帶，該斷裂表現(xiàn)為斷續(xù)延伸的斷層殘山，斷層上盤直接出露白堊系灌口組基巖，上覆厚約10 m 的黃褐色亞粘土夾礫石層。第四系與下伏白堊系灌口組的不整合面,被該斷裂錯斷15～20m。該斷裂向東北可延伸至彭州北面。

3.2 聚源斷層氡氣特征

圖1 中測線B（聚源剖面）的起點坐標為X:373688；Y:3427129，終點坐標為X:375687；Y:3425957，剖面全長2 929m，測點59個。其氡氣特征曲線如圖3，異常寬度2 300m，最高峰峰值濃度為47 200Bq/m3，平均異常峰值濃度為11 614.7 Bq/m3，最大峰背比為67.8，異常平均值與背景值比為16.7，異常平均值與異常下限值比為5.6。通過分析可以看出，聚源斷層氡氣剖面異常形態(tài)表現(xiàn)為多峰異常，表明該斷層為深大斷裂帶，斷裂帶可能有多個分支斷層。

根據(jù)何銀武[10]在論成都平原的成生時代及早期沉積物特征表明，在聚源NW 到灌縣的沉積洼地，其厚度達到400m 左右，而在聚源SE 卻迅速變薄，筆者結(jié)合該剖面斷層氡氣特征曲線認為其可能受該斷裂控制。

圖7 廣漢向陽斷層氡氣測量剖面圖

3.3 懷遠斷層氡氣特征

圖1 中測線C（懷遠剖面）的起點坐標為X:378719；Y:3416736，終點坐標為X:381772；Y:3412974，剖面全長1 333m，測點31個。其氡氣特征曲線如圖4，異常寬度1 200m，最高峰峰值濃度為37 000Bq/m3，平均異常峰值濃度為13 873.3 Bq/m3。最大峰背比為53.2，異常平均值與背景值比為19.9，異常平均值與異常下限值比為6.6。通過分析，該斷層氡氣剖面異常形態(tài)表現(xiàn)為多峰異常，表明該斷層為較大斷裂，斷裂帶可能有多個分支斷層。

圖8 金堂官倉斷層氡氣測量剖面圖

3.4 新津—成都—德陽斷裂帶氡氣特征

該斷裂帶縱貫成都平原中部，穿過成都市城區(qū)，是成都斷陷區(qū)內(nèi)部的一條主要活動性斷裂，該斷裂在成都平原西南有良好的出露，稱蒲江一新津斷裂。種種跡象表明，該斷裂帶具有一定的晚第四紀活動性。本文對該隱伏斷裂選擇了新津，黃水，向陽三條剖面進行氡氣測量。

圖1中測線D（新津剖面）的起點坐標為X:387128；Y:3369545，終點坐標為X：388408；Y：3367948，該剖面全長2 375m，測點62個。氡氣特征曲線如圖5，異常寬度200m，最高峰峰值濃度為2 590Bq/m3，平均異常峰值濃度為2 530Bq/m3，最大峰背比為3.7，異常平均值與背景值比為3.6，異常平均值與異常下限值比為1.2。通過分析，新津氡氣剖面表現(xiàn)為很窄的單峰異常，表明新津斷層傾角較陡、覆蓋層不厚。這是因為在該類斷裂帶中，氡氣有較好的天然通道產(chǎn)生對流擴散從而形成較明顯的單峰異常。破碎帶寬度很窄，表明該隱伏斷裂在新津規(guī)模很小。

圖1 中測線E（黃水剖面）的起點坐標為X：392792；Y:3380817，終點坐標為X:394221；Y:3379363。該剖面全長2 123m，測點97個。氡氣特征曲線如圖6，異常寬度1 900m，最高峰值濃度為36 700Bq/m3，平均異常峰值濃度為7 792.4Bq/m3，最大峰背比為52.7，異常平均值與背景值比為11.2，異常平均值與異常下限值比為3.7。

圖9 德陽八角斷層氡氣測量剖面圖

圖1 中測線F（廣漢向陽剖面）的起點坐標為X:424960；Y:3419877，終點坐標為X:423409；Y:3421387,該剖面全長2 215m，測點92個。氡氣特征曲線如圖7，異常寬度900m，該斷層氡氣剖面異常形態(tài)表現(xiàn)為多峰異常，最高峰峰值濃度為6 460Bq/m3，平均異常峰值濃度為3 453.3 Bq/m3，最大峰背比為9.3，異常平均值與背景值比為5.0，異常平均值與異常下限值比為1.7。

通過對新津—成都—德陽斷裂帶三個氡氣剖面進行分析，其氡氣剖面異常形態(tài)、規(guī)模和活動性都表現(xiàn)不同，筆者認為該斷裂帶具有分段性。前人對蒲江-新津-成都-德陽斷裂進行了大量的研究認為[11,12]蒲江一新津斷裂往北延入成都平原后以左階羽列形式經(jīng)雙流、成都、廣漢直達德陽附近。根據(jù)衛(wèi)星影象上羽列間隔的距離，可大致將該隱伏斷裂分為3 段，即新津-雙流段，成都-新都段，廣漢-德陽段。通過氡氣所表現(xiàn)的曲線特征，也進一步表明該斷裂帶確實表現(xiàn)為分段性，并且各段的活動性強弱也不同。

3.5 金堂-德陽斷裂帶氡氣特征

金堂-德陽斷裂位于成都平原的東部邊緣，本文選擇在金堂官倉和德陽八角兩條剖面進行氡氣測量。

圖1 中G（金堂官倉剖面）的起點坐標為X:446668；Y:3421837，終點坐標為X：441003；Y：3421441，該剖面全長6 231m，測點113個。氡氣特征曲線如圖8，異常寬度1 900m。該斷層氡氣剖面異常形態(tài)表現(xiàn)為多峰異常，最高峰峰值濃度為7 270Bq/m3，平均異常峰值濃度為4 072.9Bq/m3，最大峰背比為10.4，異常平均值與背景值比為5.9，異常平均值與異常下限值比為1.9。

圖1 中測線H（德陽八角剖面）的起點坐標為X:444784；Y:3438403，終點坐標為X:444033；Y:3438387，該剖面全長762m，測點44個。氡氣特征曲線表現(xiàn)為圖9，異常寬度600，該斷層氡氣剖面異常形態(tài)表現(xiàn)為多峰異常，最高峰峰值濃度為16 800Bq/m3，平均異常峰值濃度為6 546.9Bq/m3，最大峰背比為24.1，異常平均值與背景值比為9.4，異常平均值與異常下限值比為3.1。

4 成都平原隱伏斷層活動性判別

表1 成都平原隱伏斷層相對活動性

4.1 相對活動性判別

斷層氡氣濃度受地質(zhì)背景、斷層活動性等多種因素影響，用氡氣濃度來進行斷裂活動性分級(活動強度級別)沒有統(tǒng)一的判別標準，僅有個別研究者，根據(jù)其經(jīng)驗，提出了少數(shù)僅適應(yīng)于局部地區(qū)性應(yīng)用的相對活動性判別[13,14]。本文對成都平原8 條具有代表性的隱伏斷層的氡氣值進行了分析，以氡氣異常平均值與背景值比值、異常平均值與異常下限值的比值大小來劃分隱伏斷層的相對活動性強弱（表1）。其活動性由強到弱為：懷遠斷層、聚源斷層、竹瓦鋪斷層、黃水?dāng)鄬?、德陽八角斷層、金堂斷層、向陽斷層、新津斷層。表明位于成都平原中西部邊緣的隱伏斷層活動性強于東部的隱伏斷層，成都平原隱伏斷層活動性受龍門山構(gòu)造的控制。

4.2 發(fā)震斷層氡氣特征

斷層氡氣異常特征與斷層發(fā)震之間的關(guān)系是研究斷層活動性以及應(yīng)用氡氣測量數(shù)據(jù)進行地震監(jiān)測的重要內(nèi)容。成都平原部分隱伏斷層在汶川“5.12”地震以后發(fā)生了數(shù)量較多、不同震級的地震，本文以中國地震臺網(wǎng)和南北帶子網(wǎng)—四川臺網(wǎng)地震數(shù)據(jù)為依據(jù)，統(tǒng)計從1970年至今竹瓦鋪斷層、聚源斷層、懷遠斷層三條具有代表性發(fā)震斷層的地震數(shù)據(jù)，結(jié)合氡氣測量數(shù)據(jù)，以期建立發(fā)震斷層氡氣判別標志，為成都平原隱伏斷層地震監(jiān)測提供依據(jù)。發(fā)震斷層地震次數(shù)統(tǒng)計見（表2）。

表2 發(fā)震斷層地震次數(shù)統(tǒng)計

通過分析研究，這三條發(fā)震斷層在汶川“5.12”地震之后活動性都有所加強。這三條發(fā)震斷層都發(fā)生過4～4.9 級地震，并在聚源發(fā)生過5～5.9 級地震，而這三條發(fā)震斷層的氡氣異常平均值與背景值比在16.3～19.9，異常平均值與異常下限值比為5.4～6.6。因此，本文結(jié)合這三條發(fā)震斷層的地震數(shù)據(jù)和氡氣特征進行對比研究認為當(dāng)成都平原隱伏斷層氡氣異常平均值與背景值比在16.3～19.9，異常平均值與異常下限值比在5.4～6.6 范圍內(nèi)，其具有發(fā)生4.0·6.0 級中強震的能力；同時發(fā)生3.0～4.0 級有感地震的次數(shù)最多。

5 結(jié)論

對成都平原隱伏斷層氡氣的研究表明，成都平原隱伏斷層表現(xiàn)為多峰異常，并具有異常強度高，異常寬度大的特點，表明這些隱伏斷層規(guī)模較大，次級斷層多，活動性較強的特點。對成都平原隱伏斷層的相對活動性進行研究，位于成都平原西部邊緣的隱伏斷層活動性強于東部的隱伏斷層，表明成都平原隱伏斷層活動性受龍門山構(gòu)造的控制。同時，當(dāng)隱伏斷層氡氣異常平均峰背比在16.3～19.9，氡氣異常平均值與異常下限值比為5.4～6.6 范圍內(nèi)，其具有發(fā)生4.0～6.0 級中強震的能力；同時發(fā)生3.0～4.0 級有感地震的次數(shù)最多。

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