西秦嶺北緣斷裂帶斷層氣濃度空間分布特征與強(qiáng)震危險(xiǎn)性分析①

蘇鶴軍，張 慧，李晨樺，伍劍波，周慧玲

（1．中國地震局地震預(yù)測研究所蘭州創(chuàng)新基地，甘肅 蘭州 730000；2．中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000））

0 引言

近十多年來，沿巴顏喀拉地塊四周邊緣地區(qū)相繼發(fā)生了多次大震，如西緣的瑪尼MS7．9地震、西北緣的昆侖山口MS8．1地震，東緣的汶川MS8．0地震和廬山MS7．0地震，南緣的玉樹MS7．1地震以及東北緣附近的岷縣漳縣MS6．6地震。這些地震事件的時(shí)空變化特征表明巴顏喀拉地塊正處于一個(gè)新的地震活躍期，同時(shí)加強(qiáng)了與其毗鄰的柴達(dá)木、祁連地塊地震活動(dòng)形勢，特別是岷縣漳縣MS6．6地震處于巴顏喀拉地塊和祁連地塊地的接合部位，這是否意味著青藏塊體東北緣的柴達(dá)木、祁連次級地塊開始活躍，值得引起大家的重視。另外，根據(jù)汶川地震的震源破裂分布，萬永革等［1］計(jì)算了在周圍斷層上的庫侖破裂應(yīng)力變化，結(jié)果表明汶川8．0級地震的發(fā)生使得西秦嶺斷裂東段上庫侖破裂應(yīng)力加載效應(yīng)尤為顯著。因此，加強(qiáng)對西秦嶺北緣斷裂帶地震危險(xiǎn)性分析研究，對未來區(qū)域地震形勢判定具有迫切的現(xiàn)實(shí)意義。

西秦嶺北緣斷裂帶地處青藏高原東北邊緣，是青藏高原北部大型活動(dòng)斷裂帶之一［2－4］。該斷裂帶東端與秦嶺北緣斷裂相連，往西經(jīng)天水、武山、漳縣、至臨夏以西，往西經(jīng)青海南山與柴達(dá)木北緣斷裂相接，全長600km左右，走向280°～310°。由于西秦嶺北緣斷裂帶具有特殊的地球動(dòng)力學(xué)構(gòu)造背景，因此該斷裂一直倍受廣大地球科學(xué)研究者的關(guān)注。

西秦嶺北緣斷裂帶由一組近于平行的NWW走向斷裂組成，并形成了一系列拉分盆地或階區(qū)，如鍋麻灘拉分區(qū)、蓮麓盆地、漳縣盆地、鴛鴦鎮(zhèn)和鳳凰山拉分區(qū)等。根據(jù)這些斷層階區(qū)、斷層不同段的幾何特性、運(yùn)動(dòng)特征以及斷層性質(zhì)等，構(gòu)造地質(zhì)學(xué)將其劃分為四個(gè)次級段，從東到西分別為鍋麻灘斷裂段（F1）、漳縣斷裂段（F2）、鴛鳳斷裂段（F3）和 天水以東段（F4）［2］。西秦嶺斷裂的走滑特性與拉分構(gòu)造有利于深部氣體向地表富集，是地球化學(xué)方法研究的理想場所（圖1）。

圖1 西秦嶺北緣斷裂帶展布與斷層氣測線布置圖Fig．1 Distribution of Northern margin fault zone of Xiqinling and gas survey lines

本文通過西秦嶺北緣斷裂帶斷層氣地球化學(xué)特征與歷史和現(xiàn)今地震活動(dòng)特征的對比分析，并結(jié)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究成果，對西秦嶺北緣斷裂帶不同段落的活動(dòng)習(xí)性進(jìn)行深入探討，從地球化學(xué)的角度，識別出該斷裂帶潛在大震危險(xiǎn)區(qū)段，為未來地震趨勢判斷及震情跟蹤提供重要的基礎(chǔ)資料。

1 測量儀器與方法

測量對象有測Hg、測Rn兩項(xiàng)。Hg測量采用JM－4數(shù)字金膜測汞儀，具有體積小、輕便、靈敏度高等特點(diǎn)，最低檢出限為10～2ng；Rn的測量采用FD－3017RaA測氡儀，為一種瞬時(shí)測氡儀器，極限探測靈敏度為0．37Bq／L。

取樣方法是：首先用鋼釬打一個(gè)導(dǎo)向眼插入取樣器，用橡皮管將FD－3017RaA測氡儀與取樣器連接，排出橡皮管內(nèi)及取樣器內(nèi)的殘留氣體，然后開始正式取氡樣。取樣體積為1．5L。完成氡的取樣后，再將取樣器與JM－4數(shù)字金膜測汞儀及大氣采樣儀連接，流速0．5L／min，抽氣時(shí)間2min，取樣體積為1L。

2 西秦嶺北緣斷裂帶斷層氣空間變化特征

國內(nèi)外研究表明，在斷層的不同區(qū)段由于區(qū)域應(yīng)力和地下介質(zhì)狀態(tài)的不同，逸出斷層氣的濃度大小和斷層氣組分的種類存在一定的差異，而這些氣體濃度大小與組分種類的差異又為研究斷裂的分段提供了有力的證據(jù)，因此對不同斷裂或同一斷裂的不同段的斷層氣濃度強(qiáng)度空間變化特征的研究將成為利用地球化學(xué)方法研究斷裂分段性的一個(gè)重要手段［5－7］。上個(gè)世紀(jì)90年代，蘭州地震研究所的石雅镠、張必敖、康來迅等人曾對該斷裂帶氣體地球化學(xué)進(jìn)行過相關(guān)研究：石雅镠等［6］通過沿?cái)嗔褞厝軞庵形⒘繗怏w（H2、He、Ar等），對斷層不同段地震危險(xiǎn)性進(jìn)行分析，結(jié)果認(rèn)為和政－天水段為潛在強(qiáng)震危險(xiǎn)段；康來迅等人［5］通過 N2、O2、CO2等進(jìn)行濃度強(qiáng)度分析，結(jié)果認(rèn)為西秦嶺北緣斷裂帶東段（鴛鴦鎮(zhèn)拉分盆地以東）為6級地震的潛在強(qiáng)震危險(xiǎn)段。這些工作為利用斷層帶地下氣體研究斷層活動(dòng)不均勻性及地震危險(xiǎn)區(qū)段分析開創(chuàng)了新的思路。但由于受當(dāng)時(shí)理論與技術(shù)手段等諸多因素的限制，在斷層氣測項(xiàng)和測線布置的空間密度及均勻度等方面對整個(gè)西秦嶺斷裂帶活動(dòng)習(xí)性的分段研究不夠詳細(xì)，主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一是西秦嶺北緣斷裂帶溫泉水的出露點(diǎn)在空間上相對集中在F2和F3段，這在一定程度上限制了利用水溶氣組分及其濃度進(jìn)行整個(gè)西秦嶺斷裂帶的分段活動(dòng)特征研究的普遍性與合理性；二是測量的斷層氣組分為一些常量氣體，易受淺層地表或大氣環(huán)境的影響，而且斷層氣的測點(diǎn)也相對集中在漳縣以東區(qū)段，存在測線布置較少，測量范圍較窄，測量空間分辨率較差等問題，同樣影響對整個(gè)斷裂帶氣體濃度空間分布特征的系統(tǒng)分析。針對這一現(xiàn)象，本文在查閱構(gòu)造地質(zhì)學(xué)對西秦嶺北緣斷裂帶活動(dòng)分段性最新研究成果的基礎(chǔ)上，選擇斷層氣微量氣體成份Hg和Rn為主要測項(xiàng)，盡量在西秦嶺北緣斷裂帶各主干斷層上進(jìn)行均勻布置12條測線，以提高斷層氣濃度空間變化的分辨率和整體布局的合理性。我們從西到東布置了A、B、C、D四個(gè)測量區(qū)，其中，A區(qū)位于F1西端，布設(shè)HT1、HT2兩條測線；B區(qū)位于F2西側(cè)，布設(shè) HT3、HT4、HT5、HT6四條測線；C區(qū)位于F2東側(cè)，布設(shè)HT7、HT8兩條測線；D區(qū)位于F3西側(cè)，布設(shè)HT9、HT10兩條測線；E區(qū)位于F4西側(cè)，布設(shè)HT11、HT12兩條測線（圖1、表1）。這樣設(shè)置測線的主要目的是盡可能地均勻分布在每一主干斷裂上。

表1 西秦嶺北緣斷裂帶各剖面斷層氣濃度強(qiáng)度Table 1 Intensity of fault gas concentration in various sections of Northern margin fault zone of Xiqinling

另外，為了更好地對西秦嶺北緣斷裂帶斷層氣濃度分布特征與斷層活動(dòng)性關(guān)系進(jìn)行分析，我們曾對單個(gè)剖面濃度曲線形態(tài)進(jìn)行詳細(xì)分析。結(jié)果表明：西秦嶺北緣斷裂帶斷層氣曲線形態(tài)對斷裂帶的位置、斷層性質(zhì)及幾何形態(tài)均具有明確的指示性，并能夠初步識別斷裂寬度，破裂程度等特性，表明我們的測量數(shù)據(jù)真實(shí)可靠［8］。本文主要以西秦嶺北緣斷裂帶不同段活動(dòng)習(xí)性及地震危險(xiǎn)性研究為目的，在前面已有工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對西秦嶺斷裂帶斷層氣空間變化特征進(jìn)行詳細(xì)分析［9－10］。具體方法為把所有剖面所獲得的全部數(shù)據(jù)作為總體樣，再將每一剖面最大異常值除以總樣本平均值作為異常濃度強(qiáng)度（表1），然后投影到斷層空間展布圖上，可直觀地比較分析斷裂帶各主干斷裂斷層氣濃度變化情況。

圖2 西秦嶺北緣斷裂帶斷層氣濃度強(qiáng)度分布圖Fig．2 The histogram distribution diagram of gas concentration along the Northern margin fault of Qinling

圖2為汞氡濃度強(qiáng)度空間分布特征圖。由圖可以看出，西秦嶺北緣斷裂帶斷層氣汞、氡濃度強(qiáng)度具有明顯的分段特性，總體呈中間高兩端低的分布特征，其中F2西側(cè)的黃香溝段斷層氣濃度強(qiáng)度最大；F2東側(cè)的漳縣、F3東側(cè)的武山段次之；F1和F4段相對較小。由此西秦嶺北緣斷裂帶可分成三段：西段為峽城以西段，中段為峽城－漳縣－武山段，東段為天水以東段，這種分段特性可能與區(qū)域歷史強(qiáng)震及現(xiàn)今地震活動(dòng)特征存在一定關(guān)聯(lián)，因此我們有必要對西秦嶺北緣斷裂帶地震活動(dòng)特征進(jìn)行分析探討。

3 西秦嶺北緣斷裂帶地震活動(dòng)和b值空間分布特征

斷裂帶土壤氣體濃度不僅與斷層性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)特征、斷裂帶地下介質(zhì)孔隙度、裂隙度大或破裂程度等物理參量等直接相關(guān)，還與歷史大震背景及或現(xiàn)今地震活動(dòng)習(xí)性等關(guān)系緊密［7］。西秦嶺北緣斷裂帶是全新世活動(dòng)斷裂帶，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，地震發(fā)生頻繁，歷史上發(fā)生過多次大震。據(jù)中國地震局大震目錄和小震目錄統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：在西秦嶺北緣斷裂帶為中心線的50km范圍內(nèi)共發(fā)生7．0～7．9級地震2次，6．0～6．9級地震4次，5．0～5．9級地震8次，4．0～5．9地震20次。這些地震活動(dòng)具有明顯的時(shí)空差異性。

（1）歷史地震的空間分布差異性。從空間分布影像來看，西秦嶺北緣斷裂帶各主干段地震分布具有明顯的差異性：西段（夏河－峽城段，F(xiàn)1）沒有6．0級以上的中強(qiáng)地震記錄；東段天水北道以東（F4）段只有1次6．0級地震；而中強(qiáng)地震主要集中在中段（F2、F3），如BC47年的隴西6 3/4級地震、128年甘谷6．5級地震、143年渭源漳縣邊界7級地震、600年車場下附近的6．0級地震、734年天水7級地震以及1765年武山6．5級地震等。

（2）最近歷史大震離逝時(shí)間的差異性。F2段143年7級地震距今已有1813年；F3段最近的1765年武山6．5級地震距今只有248年（有人認(rèn)為該地震為1717年通渭7 1/2地震的余震）；F4段最近的600年6．0級地震距今為1413年。

綜上所述，西秦嶺北緣斷裂帶歷史與現(xiàn)今地震活動(dòng)具有明顯的分段特征：東段（F4）地震活動(dòng)性較弱，西段（F1）次之，而中段（F2、F3）地震活動(dòng)的強(qiáng)度和頻度相對較大。另外，現(xiàn)今小震活動(dòng)影像與歷史大震空間分布特征相一致，即西秦嶺北緣斷裂帶歷史上發(fā)生過大震的區(qū)段同時(shí)是現(xiàn)今小震活動(dòng)頻繁的區(qū)段（圖3）。而且這些區(qū)段的斷層氣濃度強(qiáng)度也相對較高，因此斷層氣濃度空間分布特征在一定程度上反映的是區(qū)域地震活動(dòng)水平。對于發(fā)生過大震的區(qū)段，如果最近一次大震離逝時(shí)間較短，區(qū)域應(yīng)力還處于一個(gè)較長時(shí)間的恢復(fù)期，地震產(chǎn)生的地下裂隙正在愈合過程中，這個(gè)過程易于形成中小地震孕育背景，也有利于地下深部氣體向地表逸出并形成異常，如西秦嶺北緣斷裂帶的F2和F3主干斷層；反之，如最近一次大震離逝時(shí)間較長，已過區(qū)域應(yīng)力快速調(diào)整階段，斷裂帶重新粘合閉鎖，地下深部氣體運(yùn)移路徑重新受阻，地下流體活動(dòng)減弱，逐漸形成強(qiáng)震孕震環(huán)境，強(qiáng)震危險(xiǎn)性增強(qiáng)，如西秦嶺北緣斷裂帶的F1和F4主干斷層。

b值是一個(gè)刻畫大小地震比例關(guān)系的參量?；趹?yīng)力的高低與b值成反比關(guān)系，Wiemer及Wyss等［12－13］利用b值的空間分布特征研究活動(dòng)斷裂帶現(xiàn)今相對應(yīng)力水平的空間分布，從中區(qū)分出正處于相對高應(yīng)力積累的段落或者凹凸體段落。易桂喜等曾將b值的空間分布特征用于判定活動(dòng)斷裂帶不同段現(xiàn)今應(yīng)力積累水平，由此判定斷裂帶不同段落現(xiàn)今活動(dòng)習(xí)性與強(qiáng)震危險(xiǎn)地段的相關(guān)研究［14－15］。通常認(rèn)為，高b值表示小震頻率高，發(fā)生中強(qiáng)地震的危險(xiǎn)性小，反映區(qū)域應(yīng)力積累水平較低；反之，低b值表示小震頻率低，發(fā)生中震地震的危險(xiǎn)大，反映區(qū)域應(yīng)力積累水平較高。而a值與b值正好相反［16－19］。

圖3 西秦嶺北緣斷裂帶歷史與現(xiàn)今地震活動(dòng)特征圖Fig．3 Characteristics of historical and recent seismic activity on Northern margin fault of Xiqinling

本文采用了1965—2009年全國地震目錄，利用ZMAP程序?qū)ξ髑貛X北緣斷裂帶b值進(jìn)行空間掃描計(jì)算。其計(jì)算方法為最大似然法，網(wǎng)格的劃分0．1°×0．1°，掃描半徑50km。圖4是西秦嶺北級斷裂帶地震活動(dòng)參數(shù)b值水平空間分布特征圖，由圖可以看出，西秦嶺北緣斷裂帶b值在水平空間上具有明顯的分段性：高b值主要集中在斷裂帶中段（F2和F3）；而低b值主要集中在斷裂東段（F4）及西段（F1）。根據(jù)b值空間分布特征，我們可以把西秦嶺北緣斷裂活動(dòng)性大致分為以下三段：西段鍋麻灘斷裂（F1）、中段漳縣斷裂和鴛鳳斷裂（F2、F3）、東段天水以東（F4），這與利用斷層氣濃度空間分布特征分段性分析的結(jié)果是一致的，表明斷層氣濃度與現(xiàn)今地震活動(dòng)的頻度與強(qiáng)度之間存在一定的關(guān)聯(lián)性，這就是利用斷層氣濃度空間分布特征進(jìn)行斷裂活動(dòng)分段性研究及地震危險(xiǎn)性分析的理論基礎(chǔ)。

4 結(jié)論與探討

本文通過西秦嶺北緣斷裂帶不同段斷層氣濃度強(qiáng)度空間分布特征分析，結(jié)合地震、構(gòu)造地質(zhì)資料及地震活動(dòng)性參數(shù)b值對比研究，初步形成以下結(jié)論：

（1）西秦嶺北緣斷裂帶斷層氣汞、氡濃度強(qiáng)度具有明顯的分段特性：總體呈中間高兩端低的分布特征，其中F2西側(cè)的黃香溝段斷層氣濃度強(qiáng)度最大，F(xiàn)2東側(cè)的漳縣、F3東側(cè)的武山段次之，F(xiàn)1和F4段相對較小。由此西秦嶺北緣斷裂帶可分成三段：西段為峽城以西段，中段為峽城－漳縣－武山段，東段為天水以東段。

（2）西秦嶺北緣斷裂帶歷史與現(xiàn)今地震活動(dòng)具有明顯的分段特征：東段（F4）地震活動(dòng)性較弱，西段（F1）次之，而中段（F2、F3）地震活動(dòng)的強(qiáng)度和頻度相對較大。這與斷層氣濃度強(qiáng)度空間分布特征相一致，即西秦嶺北緣斷裂帶歷史上發(fā)生過大震的區(qū)段同時(shí)是現(xiàn)今小震活動(dòng)頻繁的區(qū)段，而且斷層氣濃度強(qiáng)度也相對較高，因此，斷層氣濃度空間分布特征在一定程度上反映的是區(qū)域地震活動(dòng)水平。筆者認(rèn)為：利用斷層氣地球化學(xué)方法與地震學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)等其它學(xué)科手段相結(jié)合，對斷層活動(dòng)性研究是種行之有效的方法。

（3）綜合斷層氣濃度、歷史地震背景以及現(xiàn)今地震活動(dòng)特征等研究結(jié)果，我們認(rèn)為西秦嶺北緣斷裂帶兩端（鍋麻灘F1段和天水以東F4段）強(qiáng)震潛在危險(xiǎn)性較大；而中段（武山－漳縣F2、F3段）中小地震的可能性一直存在。

圖4 西秦嶺北緣斷裂帶b值空間變化特征Fig．4 b－value space variation characteristics of Northern margin fault of Xiqinling

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