江蘇郯廬斷裂帶斷層氣測量與地球化學(xué)特征

戴波，張楊，王凱

（江蘇省地震局，南京210014）

江蘇郯廬斷裂帶斷層氣測量與地球化學(xué)特征

戴波，張楊，王凱

（江蘇省地震局，南京210014）

對郯廬斷裂帶江蘇段斷層氣體CO2、Rn以及Hg濃度進行測量，選擇在重崗、曉店、橋北和何莊四個跨斷層測點。確定了各剖面上斷層氣體的地球化學(xué)特征的背景值和異常下限值，然后計算出郯廬斷裂帶江蘇段的斷層氣異常襯度值數(shù)據(jù)結(jié)果。斷層氣體的濃度值異常主要集中分布在斷裂帶內(nèi)及附近，活動斷裂帶地震活動性和斷層氣體的濃度值異常有很好的一致性。

背景值；斷層；襯度

0 引言

大規(guī)模的地表破裂帶往往伴隨著大地震所導(dǎo)致的大規(guī)模的地表巖石活動而生成。郯廬斷裂帶在中元古代因地殼運動形成。而郯廬斷層帶的江蘇段主要形成于三疊紀末期，在最初曾是一條走滑斷層，位于中朝板塊和揚子板塊之間的秦嶺-大別碰撞帶的東側(cè)[1]。在中生代燕山造山運動時期，由于太平洋板塊向西俯沖到歐亞板塊的下方，板塊壓力使郯廬斷層帶沿南北向大幅度延伸，然后逐步轉(zhuǎn)變成為逆沖斷層。在第四紀時期，郯廬斷裂帶進一步發(fā)展為右行走滑-逆沖斷層。沿著這一斷裂帶在歷史上發(fā)生了很多的大地震，例如1668年7月28日，山東郯城8.5級大地震、1975年2月24日，遼寧海城7.3級大地震等。汶川地震之后，地震帶的研究又成為新的熱點。通過解讀地震活動斷層土壤氣體的地球化學(xué)特征，能夠反映出其活動情況[2]。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上，都觀測到了斷層氣體中CO2、Rn、Hg、CH4、H2和He等氣體成分的顯著性異常變化[3]。隨著地殼運動對地表環(huán)境的破壞，使得地下儲存著的大量氣體物質(zhì)，如二氧化碳、氡氣、汞氣、甲烷、氫氣、微量一氧化碳、氦氣、硫化氫和苯系列等氣體，能夠通過斷裂或滑坡邊界所產(chǎn)生的裂縫向地表方向遷移釋放出來[4]。

一般而言，在斷裂及其附近土壤，氣體濃度測值較高，隨著遠離斷裂，其濃度測值逐漸降低，趨于背景值或在背景值上下浮動。郯廬斷裂帶為地下氣體逃逸提供了良好的通道，目前，由于對郯廬斷裂帶江蘇段的跨斷層土壤氣體的測量研究還相對比較稀少。因此，本次研究區(qū)域選擇了郯廬斷裂帶江蘇段。通過橫跨斷裂走向觀測斷層氣體中Rn、Hg與CO2的含量大小，來綜合判定郯廬斷裂帶江蘇段的地球化學(xué)特征及其活動性。

1 郯廬斷裂江蘇段地震地質(zhì)概況

表1 郯廬斷裂帶江蘇段各測量段的斷裂參數(shù)Table 1 Fracture parameters of the fault zone in Jiangsu section of each measurement period

郯廬斷裂帶是在第四紀時期新構(gòu)造運動強烈復(fù)活之后，在中國華北、東北的東部地區(qū)形成了一條顯著的右旋走滑斷裂帶。是一條以巖石圈為尺度所劃分的構(gòu)造邊界帶（表1、圖1）。郯廬斷裂帶在江蘇重崗一橋北段為白堊紀紅色砂巖逆沖覆于晚更新世粘土地層之上[5-6]。

安丘-莒縣斷裂（F5），發(fā)育于昌邑-大店斷裂（F1）和白粉子-浮來山斷裂（F2）之間，是郯廬斷裂帶在江蘇境內(nèi)的主要分支。北起莒縣小土嶺，南至泗洪峰山，全長約260 km，走向N10°～20°E。該斷裂控制一系列串珠狀北北東走向的小山包，江蘇境內(nèi)自北而南有馬陵山、南馬陵山、嶂山、赤山、重崗山、峰山等。地表破裂帶沿這些小山包的一側(cè)發(fā)育，斷裂發(fā)育不完整，而是由一系列自然的斷層呈斜列展布構(gòu)成。本次研究所在的區(qū)段描述如下：

（1）麥坡-何莊段。在麥坡-何莊一帶，斷層線呈向西突出的弧形，斷裂地貌明顯，斷層崖發(fā)育，沖溝顯示出右旋變位現(xiàn)象。

（2）王莊集-橋北鎮(zhèn)段。該段位于王莊集與橋北鎮(zhèn)間，全長13 km，控制南馬陵山的東邊界。斷裂走向N5°E，斷層面傾向SE或NW，為高角度斷裂?？鐢嗔褯_溝具有明顯的右旋變位，反映出斷裂的走滑運動性質(zhì)。

（3）曉店段。該段斷裂長6 km，走向N10°E，傾向NW，是西側(cè)山體與東側(cè)平原的分界斷裂，斷層線平直。

（4）重崗山段。該段位于重崗山的西側(cè)，斷層線略具弧形，向西突出。斷裂走向N0°～5°E，傾向SE，全長12 km，地貌上表現(xiàn)清晰，構(gòu)成了低山與平原的分界線，斷層崖明顯。

2 測量方法

首先，選擇郯廬斷裂江蘇段重崗、曉店、橋北和何莊四個斷裂層進行土壤氣測量，通過在土壤中打孔實時地抽取土壤氣體，然后測量其中CO2、Rn和Hg的濃度值。測量線是跨越斷層的，測點之間平均間隔為10～30 m，測點主要位于斷裂帶上。其中在重崗剖面布置了2條平行測線，剖面方向盡量與斷裂走向垂直，測點間距為10 m，測線間距為8 m。測量步驟如下：

圖1 郯廬斷裂帶江蘇段示意圖Fig.1 Schematic diagram of Jiangsu section in the Tanlu fault zone

（1）儀器放置采樣點處，選擇潮濕度不大的測點進行測量，打開儀器電源開關(guān)，預(yù)熱儀器。

（2）選用打孔鋼釬，用錘子在土壤中打大約70 cm深的孔，拔出鋼釬，迅速插入土壤氣體取樣器，頂端地表土壤部分用土壤密封壓實，以防止抽氣時空氣進入孔中。

（3）用軟橡膠皮管將儀器與取樣器連接，中間接好干燥塔，進行濃度測量。

其中儀器抽取氣體的流速大概為1.2 L/min，測量時間為5 min。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?？鐢鄬油寥罋怏wCO2、Rn和Hg的濃度測值的誤差都在10%以內(nèi)[6]。在測量過程中，測氡儀采取三次讀數(shù)，每次持續(xù)5 min，最后采用其最大值數(shù)據(jù)結(jié)果錄入。CO2儀與氣汞儀也是在15 min內(nèi)讀取最大值結(jié)果進行錄入。圖2為測量示意圖在在野外測量過程中，為了避免偶然因素對測量結(jié)果的影響，對濃度較高的異常點進行了重復(fù)測量，其中Rn的重復(fù)檢測點占總測點數(shù)的11.5%，Hg和CO2的重復(fù)檢測點占總測點數(shù)的7%，此外，由于土壤氣容易受其他因素影響，因而測量多種土壤氣體組分比單一組分更可靠。在斷裂發(fā)育部位，容易引起多種土壤氣體組分聚集，呈現(xiàn)一致的濃度異常;反之，當(dāng)構(gòu)造不發(fā)育時，各土壤氣體組分呈現(xiàn)一致異常的幾率較小，這樣可以有效識別與斷裂無關(guān)的異常。本次測量工作客觀地反應(yīng)了各斷層土壤氣體組分在郯廬斷裂帶的分布特征。

圖2 測量示意圖Fig.2 Measurement schematic

3 測量結(jié)果分析

在郯廬斷裂帶江蘇段，測點總共為43個。通過柯爾莫可洛夫-斯米洛夫檢驗來分析測量數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布，采用顯著性水平默認值α=0.05。通過Matlab編程對測量數(shù)據(jù)進行分析，最終均符合正態(tài)分布。因此，背景值等于平均值，異常下限的結(jié)果等于背景值加上2倍標準差。異常強度可用襯度來表示，即用斷層氣CO2、Rn和Hg濃度測值與其背景值的比值來表示。

斷層土壤濃度異常特征如下：在重崗測點CO2、Rn和Hg異常點數(shù)分別占該剖面的10%、10%、10%。其中CO2異常點在第四測點，距離斷裂73.25 m處，襯度為3.75；Rn異常點位于第七測點距斷裂21.48 m處；Hg異常點在第六測點，距離斷裂44.36 m處。異常部分主要集中在距斷裂21.48 m~73.25 m之間。

在曉店測點CO2、Rn和Hg異常點數(shù)分別占該剖面的9.1%、9.1%、9.1%。其中CO2異常點在第三測點，距離斷裂21.39m處；Rn異常點位于第八測點距斷裂81.48 m處；Hg異常點在第一測點，距離斷裂298.95 m處。異常數(shù)據(jù)的分布不是很均勻。

表2 郯廬斷裂帶江蘇段斷層土壤氣體測量結(jié)果統(tǒng)計Table 2 The fault gas measurements of Jiangsu section in Tanlu fault zone

在橋北測點CO2、Rn和Hg異常點數(shù)分別占該剖面的9.1%、9.1%、18.2%。其中CO2異常點在第一測點，距離斷裂174.73 m處；Rn異常點位于第九測點距斷裂33.07 m處；Hg異常點在第二、五測點，距離斷裂155.99 m、108.11 mm處。異常數(shù)據(jù)的分布不是很均勻。在大量的降雨之后，土壤中的孔隙幾何形狀、大小都沒有恢復(fù)到被堵塞或切斷前的狀態(tài)，這樣就會大幅度的影響土壤氣中Rn、Hg元素向地表進行擴散與遷移，因此，氡、汞濃度的測量結(jié)果會高出背景值較多。

在何莊測點CO2、Rn和Hg異常點數(shù)分別占該剖面的9.1%、18.2%、9.1%。其中CO2異常點在第五測點，距離斷裂33.08 m處；Rn異常點位于第二、十測點距斷裂12.82 m、134.74 m處；Hg異常點在第八測點，距離斷裂74.4 m處。異常數(shù)據(jù)的分布不是很均勻。表2為郯廬斷裂帶江蘇段斷層氣體測量結(jié)果統(tǒng)計圖。圖3為郯廬斷裂帶江蘇段斷層氣體測點圖，其中圓點為斷裂處，圖4為何莊，橋北，曉店，重崗四個測點斷層土壤氣體含量折線圖。

4 測量數(shù)據(jù)解釋

斷層土壤氣CO2、Rn和Hg等濃度異常是尋找地震活動斷裂帶非常有效的方法，土壤氣體CO2、Rn和Hg等在活動斷裂帶附近對地震發(fā)生具有非常敏感的的響應(yīng)性。土壤是由巖石風(fēng)化而生成的，與巖石相比，其結(jié)構(gòu)較為疏松，而且表面積較大，土壤孔隙度較多，因此土壤中所含氣體易于擴散逃逸到大氣環(huán)境中。之前土壤氣體的地震前兆異常資料表明，地震的震級越大，土壤氣體地震前兆異常的幅度越明顯，與到震中的距離成反比分布，離震中越近的土壤氣體測點，前兆異常數(shù)目越多。

活動斷裂帶是深部氣體主要的釋放通道，通過海原斷裂帶東南段和汶川MS8.0地震破裂帶的土壤氣體地球化學(xué)特征研究發(fā)現(xiàn)，斷裂帶土壤氣濃度CO2、Rn和Hg濃度與斷裂的破裂（垂直位移和水平位移）大小和地震活動性息息相關(guān)，斷裂帶土壤氣濃度CO2、Rn和Hg濃度在一定程度上能反映斷裂裂隙發(fā)育程度[2，7]。雖然，在活動斷裂帶土壤氣體地球化學(xué)測量當(dāng)中會受到地下水位、氣象條件、沉積物的差異和儀器測量誤差的影響，但是，在活動斷裂附近，活動斷裂深部脫氣強弱是控制斷層氣強度主要因素。

圖3 郯廬斷裂帶江蘇段斷層土壤氣體測點圖圓點為斷裂Fig.3 The measuring points of fault gas of Jiangsu section in Tanlu fault zone

圖4 何莊，重崗，橋北，曉店四個測點斷層土壤氣體含量折線圖Fig.4 The soil gas content curves of measuring points of Hezhuang，Chonggang，Qiaobei，Xiaodian

地震活動斷裂帶土壤氣體CO2異常濃度和通量，可以很好地反映地震活動、斷裂帶的活動情況。在地球內(nèi)部生成的眾多流體組分中是最有可能大量遷移至地表，并在地表某點集中釋放的氣體之一。

斷層土壤氣中Rn的濃度分布異常和下層的斷裂帶內(nèi)部巖石破裂有非常大的關(guān)聯(lián)。Rn氣體主要來源于斷裂層中富含放射性鈾、釷系列元素的巖石。因此，斷裂帶的破裂強度越大破裂產(chǎn)生的裂隙越多，生成的Rn氣體就越多。土壤Rn氣體濃度高值測點主要在斷裂點附近，與斷層走向基本一致。理論上，由于Rn的遷移與擴散作用，因此，土壤覆蓋層的Rn濃度的分布就會以斷層面破碎點為中心，向周圍不斷地遞減，最終斷層面上的Rn濃度較高，而四周較低。而Rn元素的成因主要是斷層巖層破碎以及地震活動導(dǎo)致。而土壤母巖的類型與部分垃圾污染對Rn濃度的影響性較為有限。

Hg元素具有電離勢較高、穿透能力非常強以及揮發(fā)性較高的特點，汞蒸汽可以通過破碎帶或裂隙揮發(fā)到地表上部。而當(dāng)巖石在構(gòu)造應(yīng)力作用下發(fā)生破裂的過程中，巖石在受到擠壓之后，壓力與溫度會迅速增大，使巖石中的汞化合物會迅速地完成一系列化學(xué)反應(yīng)。生成的汞蒸汽在熱力與壓力同時作用下，沿著構(gòu)造裂隙向地表上方擴散。因此Hg元素的對斷裂活動及溫度變化反應(yīng)非常靈敏。

5 結(jié)語

活斷層探測工作的主要任務(wù)是研究斷層的活動性強弱。根據(jù)不同地區(qū)斷層研究分析表明，同一條斷層活動性強的部分斷層氣濃度測值較高，活動性弱的部分則濃度測值較低。郯廬斷裂帶斷裂各剖面斷層氣中CO2、Rn和Hg的濃度異常分析得到以下結(jié)論：

（1）斷層氣中CO2、Rn和Hg的濃度異常主要集中分布在斷裂帶內(nèi)及附近由各剖面斷層土壤氣中CO2、Rn和Hg的濃度異?？臻g分布可以得出，CO2、Rn和Hg的濃度異常分布在斷裂左右兩側(cè)50 m范圍之內(nèi)，這主要與活動斷裂內(nèi)裂隙的發(fā)育有直接的關(guān)系。斷層帶上斷層氣CO2濃度異常襯度是2.74～3.75，Rn濃度異常襯度是2.05～5.73，斷層氣Hg濃度異常襯度是1.84～3.96。因此把異常襯度最大的測點定為隱伏斷層所在的位置。跨斷裂土壤氣CO2、Rn和Hg的濃度測量發(fā)現(xiàn)，在斷裂上及附近CO2、Rn和Hg的濃度異常明顯，離開斷裂，異常幅度逐漸減少。

（2）活動斷裂帶地震活動性和斷層氣中CO2、Rn和Hg的濃度異常有很好的一致性對跨斷層土壤氣體CO2、Rn和Hg濃度的測量分析，可以確定了各剖面上斷層氣體的地球化學(xué)特征的背景值和異常下限值。郯廬斷裂上的多種土壤氣體組分異常表明，利用多種土壤氣體組分可以有效地勘探隱伏斷裂。

在第四系風(fēng)化土壤覆蓋層較厚的條件下，運用斷層氣體CO2、Rn和Hg濃度測量方法對郯廬斷裂帶江蘇段土壤氣體化學(xué)特征的測量結(jié)果分析表明，該方法在隱伏活斷層探測方面具有測量速度快、花費經(jīng)濟、結(jié)果有效的優(yōu)點，是在活動斷層初勘階段中可利用的有效方法。由于斷層氣測量結(jié)果受斷層的活動性、開啟程度、土壤條件等諸多因素的影響，其測量結(jié)果在這方面的應(yīng)用還需要進一步深入研究。

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DAI Bo，ZHANG Yang，WANG Kai
（Earthquake Administration of Jiangsu Province，Nanjing 210014，China）

The paper measured the concentration of fault gas（CO2，Rn and Hg）of Jiangsu section in Tanlu fault zone,by selecting the measuring points located in Chonggang，Xiaodian，Qiaobei and Hezhuang four faults.The paper determined the background value and the lower limit abnormal value of geochemical characteristics of each cross section of the fault,and calculated the fault gas abnormal contrast results of Jiangsu section in the fault zone.Fault gas（CO2，Rn and Hg)concentrations anomalies mainly distributed in the fracture zone and its adjacent area，the seismic activity active fault and the concentration anomalies of soil gas anomalies have good consistency.

Background values；Faults；Contrast

P315.2

A

1001-8662（2016）03-0104-06

10.13512/j.hndz.2016.03.015

Fault Gas Measurements and Geochemical Characteristics in Jiangsu Section of the Tan-Lu Fault Zone

2015-07-12

測量臺網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專項（20160511）

戴波（1987-），工程師，主要從事地震前兆數(shù)據(jù)觀測.

E-mail：249225204@qq.com.

戴波，張楊，王凱.江蘇郯廬斷裂帶斷層氣測量與地球化學(xué)特征[J].華南地震，2016，36（3）：104-109.[DAI Bo，ZHANG Yang，WANG Kai.Fault Gas Measurements and Geochemical Characteristics in Jiangsu Section of the Tan-Lu Fault Zone[J].South china journal of seismology，2016，36（3）：104-109.]