劉永梅王華林王紀強周曉成孫玉濤陳 志1)中國呼和浩特010010內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局2)中國濟南250021山東省地震工程研究院3)中國北京100036中國地震局地震預(yù)測重點實驗室4)中國北京100029中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所
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郯廬斷裂帶山東段土壤氣體地球化學(xué)特征
劉永梅1)王華林2)王紀強2)周曉成3)孫玉濤4)陳 志3)
1)中國呼和浩特010010內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局2)中國濟南250021山東省地震工程研究院3)中國北京100036中國地震局地震預(yù)測重點實驗室4)中國北京100029中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所
摘要斷裂帶土壤氣濃度測量是活動斷裂地震危險性評價的重要手段之一。根據(jù)郯廬斷裂帶山東段安丘—莒縣斷裂和黃線弧形斷裂斷層土壤氣中Rn、CO2和Hg的濃度,探討斷層氣體地球化學(xué)特征。測量結(jié)果表明:安丘—莒縣斷裂Rn、CO2和Hg的濃度異常明顯,且Rn和CO2的濃度異常具有較好的相關(guān)性。郯廬斷裂帶山東段沂沭斷裂土壤氣中,Rn和CO2濃度異常沿斷裂由南向北變小,二者濃度異常與斷裂活動性有一定關(guān)系。
關(guān)鍵詞Rn;CO2;Hg;土壤氣;地球化學(xué);郯廬斷裂山東段
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本文收到日期:2015-04-15
地球內(nèi)部存在大量氣體并不斷往外釋放氣體(King,1986;汪成民等,1991;Du et al,2008),這些氣體主要有Rn、Hg、CO2、He、H2、O2、Ar、N2和CH4等(Lombardi et a1,1990;King et a1,1996),氣體地球化學(xué)方法在活動斷層研究方面起重要作用(汪成民等,1991) ?;顒訑鄬邮菤怏w和液體遷移的有利部位,活動斷層帶內(nèi)裂隙充填物越松散,其裂隙導(dǎo)氣性越好(孟廣魁,1997)。在對汶川地震陡坎附近土壤氣He、H2、CO2、Rn等研究中發(fā)現(xiàn),陡坎處氣體地球化學(xué)出現(xiàn)明顯高值異常,可見,地震破裂帶土壤中氣體濃度異??赡芘c余震活動和區(qū)域應(yīng)力場變化有關(guān)(周曉成等,2012)。
安丘—莒縣斷裂是沂沭斷裂帶的主要活動斷裂,是沂沭斷裂帶中活動時代最新、活動強度最大的一條斷裂(王華林,1996),對強震的發(fā)生具有明顯的控制作用(王志才等,2005)。黃縣弧形斷裂是魯東斷塊陸域發(fā)現(xiàn)的最為典型的晚更新世活動斷裂(王華林,2008)。因此,本次研究區(qū)域選擇安丘—莒縣斷裂和黃縣弧形斷裂帶辛莊段,討論氣體地球化學(xué)特征及與斷層的關(guān)系,對于地震預(yù)報和地震安全性評價工作具有重要意義。
郯城—廬江斷層帶(簡稱郯廬斷裂帶)是中國東部的一條NNE走向的巨型斷裂,在中國境內(nèi)長達2 400多千米,從渤海中部穿過,在山東省內(nèi)區(qū)段稱為沂沭斷裂帶。沂沭斷裂帶由4條斷裂組成,從東到西分別為:昌邑—大店斷裂、安丘—莒縣斷裂、沂水—湯頭斷裂和鄌郚—葛溝斷裂。其中安丘—莒縣斷裂為區(qū)內(nèi)規(guī)模最大的斷裂之一,總體呈10°—20°方向延伸,北起安丘市穆村鎮(zhèn),經(jīng)安丘白芬子、諸城市孟疃、茅埠、青峰嶺、莒縣一線。斷裂主要有2支:①白芬子—浮來山斷裂,為八畝地組形成以前的壓扭性平移斷裂,該組形成以后活動性減弱,并被長期改造,區(qū)域上連貫性差;②安丘—莒縣方向斷裂,是大盛群沉積時形成、新生代仍活動的斷裂,區(qū)域上延伸穩(wěn)定且較平直,目前多發(fā)育在大盛群及王氏群紅土崖組中,反映了安丘—莒縣斷裂隨著盆地擴展相對位置向盆地內(nèi)部遷移,安丘—莒縣斷裂寬度0.5—2.5 km,若包括早期形成的白芬子—浮來山斷裂,寬度可達4—6 km,有1組相互平行斷面構(gòu)成斷裂構(gòu)造帶,不同區(qū)段斷裂特征存在差異(宋明春等,2003)。根據(jù)斷裂活動性的最新研究成果,認為安丘—莒縣斷裂仍是占主導(dǎo)地位的活動斷裂,與1668年的郯城81/2級地震和公元前70年安丘7級地震的發(fā)生具有密切關(guān)系(王志才等,2005;王華林等,1998)。黃縣弧形斷裂位于膠遼斷塊內(nèi),渤海強震構(gòu)造區(qū)東南部。具體構(gòu)造位置位于郯廬斷裂帶東側(cè),渤?!嗔褞蟼?cè)(圖1)。黃縣弧形斷裂距郯廬斷裂最東側(cè)的昌邑—大店斷裂約30 km,斷裂走向由北段的北東東向轉(zhuǎn)為南段的北北東向,其中,北段斷裂組成黃縣盆地南部邊界,稱為黃縣斷裂,而南段斷裂控制著花崗巖和金礦礦化帶及第四系和第三系的分布。本文研究重點是北東東向黃縣弧形斷裂,斷裂走向20°—30°,傾向西,傾角70°—80°。斷裂北端與黃縣斷裂相交,向南經(jīng)黃山館鎮(zhèn)東、辛莊鎮(zhèn)、金嶺鎮(zhèn)東、朱橋鎮(zhèn)和苗家鎮(zhèn),空間上表現(xiàn)為微向西突出的弧形展布,全長約45 km。黃縣弧形斷裂的活動長度、位移量和滑動速率等均較大,可以認為黃縣弧形斷裂是魯東斷塊陸域發(fā)現(xiàn)的最為典型的晚更新世活動斷裂(王華林等,2008)。本文研究重點是安丘—莒縣斷裂和黃縣弧形斷裂的局部斷裂,詳見圖1。
圖1 安丘—莒縣斷裂和黃縣弧形斷裂測線布置(據(jù)晁洪太等,1997)Fig.1 The location of survey lines across the Anqiu-Juxian fault and the Huangxian arc fault (modi fi ed after Chao et al, 1997)
在郯廬斷裂帶山東段布設(shè)5條測線,4條在安丘—莒縣斷裂上,1條在黃縣弧形斷裂上。在安丘地震臺附近布設(shè)1條測線C1,在濰坊市何家村布設(shè)2條測線C3、C4,C3、C4測線間距5 m,濰坊市眉村布設(shè)1條測線C2,招遠市辛莊鎮(zhèn)布設(shè)1條測線C5,共77個測點(表1)。測線垂直斷層走向進行測點的布設(shè),各測線測點間距20 m。野外現(xiàn)場測量斷裂帶土壤氣中的CO2、Rn和Hg濃度。野外采樣是在測點處打孔,深度約80 cm,將取樣器置于孔內(nèi),封住孔口,然后進行取樣。氣汞用RA-915+型塞曼效應(yīng)汞分析儀現(xiàn)場抽氣測量,檢測限1 ng/m3;CO2使用便攜式紅外線CO2分析儀現(xiàn)場抽氣測量,CO2的檢測限是10 ppm;氣氡是用RAD7測氡儀現(xiàn)場抽氣測量。土壤氣體組分的濃度測值誤差均小于10%(Zhou et al,2010)。
表1 郯廬斷裂帶山東段土壤氣體(Rn、CO2和Hg)測線位置、長度和測點數(shù)Table 1 Main parameters of soil gas (Rn,CO2and Hg) survey lines that across the eastern segment of the Tancheng-Lujiang fault zone
3.1 土壤氣體濃度平均值和異常界限
野外現(xiàn)場測量斷裂帶土壤氣中Rn、CO2和Hg濃度數(shù)據(jù)。郯廬斷裂帶山東段土壤氣體(Rn、CO2和Hg)濃度平均值和最大值見表2。在安丘測線,土壤氣中Rn和Hg濃度的平均值和最大值高于其他測線;在眉村段測線,土壤氣中Rn、CO2和Hg濃度的平均值和最大值最低;在辛莊測線,土壤氣中Rn和Hg濃度的平均值和最大值僅次于安丘—莒縣斷裂安丘測線,而CO2濃度的平均值和最大值高于其他測線。郯廬斷裂帶山東段土壤氣體(Rn、CO2和Hg)濃度異常界限計算方法是,平均值加1倍標準偏差。
表2 郯廬斷裂帶山東段土壤氣(Rn、CO2和Hg)濃度平均值和異常界限Table2 The average concentrations and the anomaly thresholds of soil gas (Rn, CO2and Hg) across the eastern segment of the Tancheng -Lujiang fault zone
3.2 土壤氣體濃度異常特征
在安丘—莒縣斷裂C1測線土壤氣Rn、CO2和Hg濃度分布見圖2,由圖2可知:Rn在測線斷裂位置140 m處,240 m和300 m處出現(xiàn)單點異常,其他測點Rn濃度變化范圍不大;CO2在測線220—260 m處呈單峰異常,240 m處出現(xiàn)1.43%的異常高值,在該剖面濃度變化范圍為0.11%—1.43%,襯度達3.6;Hg在測線0 m處出現(xiàn)34 ng/m3的異常高值,40 m處出現(xiàn)小幅單點異常,在該剖面濃度變化范圍為(1—34)ng/m3,襯度達4.4。
在安丘—莒縣斷裂C2測線土壤氣Rn、CO2和Hg濃度分布見圖3,由圖3可知:Rn濃度在測線0—20 m處出現(xiàn)小幅異常,在140 m和300 m處出現(xiàn)單點異常,其他測點變化范圍不大;CO2在測線0 m處出現(xiàn)單點異常;Rn和CO2的濃度測值變化相關(guān)性較高;Hg在該剖面的濃度變化范圍為(1—34)ng/m3,襯度達4.4;Hg在C2測線0 m處出現(xiàn)8 ng/m3的異常極高值。
圖2 安丘—莒縣斷裂安丘地震臺附近土壤氣Rn、CO2和Hg濃度分布Fig.2 Rn, CO2and Hg concentrations in Anqiu Seismic Station along the Anqiu-Juxian fault
圖3 安丘—莒縣斷裂眉村鎮(zhèn)附近土壤氣Rn、CO2和Hg濃度分布Fig.3 Rn, CO2and Hg concentrations in the Mei village along the Anqiu-Juxian fault
土壤氣組分不同,土壤類型不同,何家村測線土壤大部分是粘土夾砂土。在安丘—莒縣斷裂何家村附近平行布設(shè)C3、C4測線,野外現(xiàn)場測量斷裂帶土壤氣中的Rn和CO2濃度。Rn在測線C3的斷裂位置處出現(xiàn)明顯異常值,其他測點Rn濃度變化范圍不大,僅在370 m處出現(xiàn)小幅單點異常,C4斷裂位置處出現(xiàn)明顯的異常值,其他測點Rn濃度變化范圍不大。CO2在測線C3上210—280 m處呈小幅雙峰異常,在C4測線上210 m處出現(xiàn)單點異常,其他測點CO2濃度變化范圍不大(圖4)。由圖4可見,Rn和CO2的濃度測值變化相關(guān)性較高。
在黃縣弧形斷裂C5測線土壤氣Rn、CO2和Hg濃度分布見圖5,由圖5可知:Rn在180 m和220 m處出現(xiàn)單點異常,其他測點Rn濃度變化范圍不大(圖5);CO2在180 m和220 m處出現(xiàn)單點異常,濃度變化范圍為0.07%—1.78%,襯度達3.1;Hg在測線20 m和140 m處出現(xiàn)單點異常;Rn和CO2的濃度測值變化相關(guān)性較高。
Rn、Hg的濃度平均值和最大值在安丘—莒縣斷裂安丘地震臺附近剖面上測值最高,分別為21.39 kBq/m3、7.8 ng/m3及48.58 kBq/m3、34 ng/m3。CO2濃度平均值和最大值在黃縣弧形斷裂辛莊剖面上測值最高,為0.57%和1.78%??傮w而言,Rn、Hg在安丘剖面的異常幅度最大,辛莊、眉村、何家村剖面濃度峰值依次降低,CO2在辛莊剖面的異常幅度最大,安丘、眉村、何家村剖面濃度峰值依次降低。
圖4 安丘—莒縣斷裂何家村附近土壤氣Rn和CO2濃度分布Fig.4 Rn and CO2concentrations in the Hejia village along the Anqiu-Juxian fault
圖5 黃縣弧形斷裂辛莊附近土壤氣Rn、CO2和Hg濃度分布Fig.5 Rn, CO2and Hg concentrations in Xinzhuang village along the Huangxian arc fault
4.1 土壤氣體異常與斷裂空間位置的映對
C1測線和C3、C4測線土壤氣的Rn和CO2濃度出現(xiàn)單峰形態(tài),C5測線在斷裂帶內(nèi)土壤氣的Rn、CO2和Hg濃度出現(xiàn)雙峰形態(tài),有明顯異常。由于Rn、Hg異常的形成與活斷層的規(guī)模大小、活動程度、斷層傾向及傾角、破碎帶寬度、充填物的透氣性、覆蓋層厚度等因素有關(guān),同時受氣候條件、地貌、植被影響(Xie et al,2004),所以形成的異常曲線形態(tài)各異。C1測線在斷裂帶上出現(xiàn)異常值,還在240—300 m處出現(xiàn)Rn、CO2異常高值,Rn異常濃度最高達48.58 kBq/m3,可能是因為第四紀覆蓋物與深部基巖存在良好貫通,在一定程度上反映了斷層的活動性強。在C1測線0 m處,Hg出現(xiàn)單點異常,而Rn、CO2濃度在異常界限之下,因此推斷此處Hg異常與斷裂無關(guān)。C2測線在0 m處,Rn、CO2和Hg出現(xiàn)單點異常,且異??臻g位置較一致(圖3),推斷該范圍內(nèi)氣體異常由斷裂引起,可能有次級斷裂生成。C3測線的斷裂帶上Rn出現(xiàn)異常,在測線280 m和370 m處,CO2和Rn出現(xiàn)異常。斷裂帶內(nèi)土壤氣中Rn和CO2的濃度變化相關(guān)性較高,主要是因為,土壤氣中CO2作為Rn的載氣,攜帶Rn從深部運移到地表(表2)。分析野外現(xiàn)場測量斷裂帶土壤氣中的Rn、CO2和Hg濃度分布圖(圖2—圖5),兩條斷裂帶5條測線內(nèi)土壤氣中Rn和CO2的濃度變化相關(guān)性較高,主要是因為,地球內(nèi)部逸出氣體,如CO2、CH4等運移速度快(Yang et al,2003;Fu et al,2008),可以作為Rn的載氣,將地球深部的Rn運移至地表,造成土壤氣CO2濃度和Rn濃度相關(guān)性較高。在意大利Fucino平原東部和西部,土壤氣CO2濃度和Rn濃度相關(guān)系數(shù)分別可達0.7和0.5(Ciotoli et al,2007);在中國臺灣南部Hsinhua斷層,二者相關(guān)系數(shù)達0.49(Walia et al,2010);在唐山斷裂,二者相關(guān)系數(shù)高達0.81(Li et al,2013)。C5測線是斷裂兩側(cè)有異常,且異??臻g位置較一致(圖5)。由郯廬斷裂帶東側(cè)黃縣弧形斷裂剖面(王華林等,2008)可知,該斷裂核部由斷層泥和碎裂碎粉巖組成,滲透性低,而斷裂兩側(cè)的破碎帶主要由破裂的巖石組成,滲透性較高,氣體受到斷裂的阻隔,從斷層兩側(cè)裂隙溢出,所以土壤氣Rn、CO2和Hg濃度呈現(xiàn)雙峰模式。
4.2 斷裂活動性分析
由于C2測線和C3、C4測線基本屬于研究區(qū)同一部分,處于前第三系和第四系接壤地層,而C1測線處于前第三系地層,所以將安丘—莒縣斷裂上4條測線分為2段,即C1測線為安丘—莒縣斷裂安丘段, C2、C3、C4測線為安丘—莒縣斷裂眉村段。根據(jù)野外現(xiàn)場測量斷裂帶土壤氣中的Rn、CO2和Hg濃度數(shù)據(jù),計算安丘段三者濃度平均值分別為21.39 kBq/m3、0.4%、7.8 ng/m3,最大值分別為48.58 kBq/m3、1.43%、34 ng/m3;眉村段三者濃度平均值分別為15.94 kBq/m3、0.3%、2.2 ng/m3,最大值分別為37.36 kBq/m3、0.63%、8ng/m3??梢?,安丘—莒縣斷裂安丘段Rn、CO2和Hg濃度平均值和最大值均大于眉村段。與王華林等(1998)給出的“沂沭斷裂沿斷裂發(fā)生的地震強度由南東向北西衰減,沿斷裂由南東向北西變小”的結(jié)論基本一致。
黃縣弧形斷裂C5測線上土壤氣體(Rn、CO2和Hg)濃度平均值和最大值分別為17.5 kBq/m3、0.57%、5.6 ng/m3和36.35 kBq/m3、1.78%、13 ng/m3,而安丘—莒縣斷裂安丘段C1測線土壤氣體(Rn、CO2和Hg)濃度平均值和最大值分別為21.39 kBq/m3、0.4%、7.8 ng/m3和48.58 kBq/m3、1.43%、34 ng/m3。可見,安丘—莒縣斷裂的土壤氣體(Rn、Hg)濃度平均值和最大值均高于黃縣弧形斷裂測值,因此推斷黃縣弧形斷裂內(nèi)CO2濃度異常可能是由于地表生物活動較強、有機物分解較高等因素引起,與斷裂活動無關(guān)。
在安丘—莒縣斷裂北段進行土壤氣測量,結(jié)果表明:①安丘—莒縣斷裂安丘段具有明顯的土壤斷層氣異常顯示,在5條測線上均出現(xiàn)峰值異常區(qū)域。從測量結(jié)果可知,3條剖面所出現(xiàn)的區(qū)域與斷層出露位置具有較好的對應(yīng)關(guān)系;②斷裂帶土壤氣中Rn和CO2的濃度變化相關(guān)性較高;③郯廬斷裂研究范圍中安丘—莒縣斷裂安丘段斷裂土壤氣中Rn、CO2和Hg濃度高于安丘—莒縣斷裂眉村段,安丘—莒縣斷裂土壤氣中Rn和Hg濃度高于黃縣弧形斷裂,與王華林等(1998)給出的沿斷裂由南東向北變小結(jié)論基本一致;④斷層土壤氣中Rn、CO2和Hg的濃度異常與斷裂活動性有一定關(guān)系。
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Geochemical characteristics of soil gas (Rn, CO2and Hg) in the Shandong section of Tanlu fault zone
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1) Earthquake Administration of Inner Mongolia Autonomous Region, Hohhot 010010, China 2) Institute of Earthquake Engineering of Shandong Province,Jinan 250014, China 3) Key Laboratory of Earthquake Prediction, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China 4) Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
Abstract
Measurement of soil gas concentration is one of the most important means of seismic hazard assessment of the fault zone. According to the concentration of Rn, CO2and Hg in the Anqiu – Ju County fault zone, geochemical characteristics were discussed. The results show that the maximum concentrations of Rn, CO2and Hg in the fault zone reached 48.58 kBq/m3, 1.43% and 34 ng/m3, respectively. The concentration of CO2and Rn had good positive correlation in the fault zone. The abnormal concentration of Rn and CO2decreased from South to North along Tanlu fault in Shandong Province. There may be a certain relationship between the concentration anomaly and fault activity.
Key words:Rn,CO2,Hg,soil gas,geochemistry,Tanlu fault zone in Shandong Province
doi:10. 3969/j. issn. 1003-3246. 2016. 01. 010
基金項目:國家科技支撐計劃專題——郯廬地震帶中段地震活動規(guī)律及地震危險區(qū)判定研究(2012BAK19B04-01)及中國地震局地震預(yù)測研究所基本科研業(yè)務(wù)費專項部門任務(wù)專項(2014IES0303)共同贊助
作者簡介:劉永梅 (1983— ),女,蒙古族,山西省朔州市右玉縣人,助理工程師,學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)從事地震監(jiān)測工作。