郯廬斷裂帶江蘇段土壤氣體地球化學(xué)特征研究

張揚　戴波　周曉成

摘要：

為討論郯廬斷裂帶江蘇段土壤氣體CO2、Rn以及Hg的地球化學(xué)特征，在重崗、曉店、橋北和何莊4個地點跨斷層測量了土壤氣中CO2、Rn以及Hg的濃度。測量結(jié)果表明：郯廬斷裂帶江蘇段上土壤氣CO2、Rn和Hg的濃度異常襯度分別為274～375， 205～573和184～396。土壤氣中CO2、Rn和Hg的濃度異常主要集中分布在斷裂帶內(nèi)及附近，且與活動斷裂帶地震活動性有很好的一致性。

關(guān)鍵詞：土壤氣體；地球化學(xué)特征；濃度異常襯度；郯廬斷裂帶

中圖分類號：P315724文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2016）03-0444-06

0引言

大斷裂帶及其附近常發(fā)生大地震，而大地震往往造成大規(guī)模的地表破裂帶。郯廬斷裂帶江蘇段主要形成于三疊紀末期，最初是一條走滑斷層，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)（黃耘等，2011）。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（張鵬等，2011）。歷史上該斷裂帶發(fā)生過多次大地震，如1668年7月28日山東郯城85級大地震、1975年2月24日遼寧海城73級大地震等（鄭穎平等，2012）。汶川地震之后，該地震帶又成為新的研究熱點。隨著地殼運動對地表環(huán)境的破壞，地下的大量氣體物質(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，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（周曉成等，2012a，李營等，2009）。因此，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（周曉成等，2011）。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，都觀測到了土壤氣體中CO2、Rn、Hg、CH4、H2和He等濃度的顯著異常變化（King et al，1996）。

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，且在活動斷裂帶附近對地震發(fā)生具有非常敏感的響應(yīng)性。土壤是由巖石風化而生成的，與巖石相比，其結(jié)構(gòu)較為疏松，表面積較大，孔隙度較高，因此土壤中所含氣體易于擴散逃逸到大氣環(huán)境中。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，且與震中距成反比分布，距離震中越近的土壤氣體測點的前兆異常數(shù)目越多。

地震活動斷裂帶土壤氣CO2是地球內(nèi)部生成的眾多流體組分中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，它的異常濃度和通量，可以很好地反映地震活動和斷裂帶的活動情況（周曉成等，2012b）。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分布在斷裂點附近，與斷層走向基本一致。理論上，由于Rn的遷移與擴散作用，土壤覆蓋層的Rn濃度的分布會以斷層面破碎點為中心，向周圍不斷地遞減，這導(dǎo)致斷層面上的Rn濃度較高，而四周較低。Rn元素的成因主要是斷層巖層破碎以及地震活動，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、穿透能力極強以及揮發(fā)性較高的特點，Hg蒸汽可以通過破碎帶或裂隙揮發(fā)到地表上部。而當巖石在構(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Hg化合物迅速地完成一系列化學(xué)反應(yīng)。生成的Hg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元素對斷裂活動及溫度變化反應(yīng)非常靈敏。

一般而言，斷裂及其附近土壤，氣體濃度測值較高，隨著到斷裂距離的增加，其濃度測值逐漸降低，趨于背景值或在背景值上下浮動（周曉成等，2012a）。郯廬斷裂帶為地下氣體逃逸提供了良好的通道。目前，對郯廬斷裂帶江蘇段上跨斷層土壤氣體的測量研究還相對較少，因此，本文選取該段為研究區(qū)域，通過分析橫跨斷裂走向觀測土壤氣Rn、Hg與CO2的含量大小，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。通過對郯廬斷裂帶江蘇段跨斷層土壤氣體測量，確定斷層位置、貫通和應(yīng)力集中情況，并考察開展斷層氣測量與地震危險區(qū)確定的可能性。

1地震地質(zhì)概況

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)形成的一條顯著的右旋走滑斷裂帶，是一條以巖石圈為尺度而劃分的構(gòu)造邊界帶。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（施煒等，2003）。

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，北起莒縣小土嶺，南至泗洪峰山，全長約260 km，走向10°N—20°E。該斷裂控制一系列串珠狀北東走向的小山包，自北而南有西北嶺、左山、中華山、芨山、馬陵山、南馬陵山、嶂山、赤山、重崗山、峰山等。地表破裂帶往往沿這些小山包的一側(cè)發(fā)育，也并非是一條完整的斷裂，而是由一系列自然的斷層呈斜列展布構(gòu)成（圖1）。本文研究所在的區(qū)段的斷裂參數(shù)如表1所示。

（1）麥坡—何莊段

在麥坡一帶，斷裂呈直線狀，變現(xiàn)為王氏組二段（K2w2），以高角度逆沖到王氏組三段（K2w3）之上，同時兼有走滑運動量。由于王氏組三段（K2w3）地層很軟，被強烈侵蝕，加上斷層兩側(cè)地層顏色對比明顯，所以野外所見斷裂地貌非常壯觀。

在大尚莊—何莊一帶，斷層線呈向西突出的弧形，由王氏組（K2w）逆沖于晚更新世（Qp3）地層形成的地臺之上，并錯斷了全新世（Qh）地層，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N5oE，斷層面傾向SE或NW，為高角度斷裂。斷裂西側(cè)南馬陵山與東側(cè)沖積平原形成明顯對照，斷層線平直，斷裂變現(xiàn)為東盤下降，西盤上升。在北部王莊集一帶斷裂剖面表現(xiàn)為逆沖性質(zhì)，南部橋北鎮(zhèn)一帶斷裂剖面表現(xiàn)為正斷性質(zhì)。如橋北鎮(zhèn)探槽剖面，揭示斷層面近直立，斷裂西側(cè)為紫紅色砂巖（K2w），斷層破碎帶，擠壓片理、構(gòu)造透鏡體發(fā)育明顯；斷裂東側(cè)為第四紀土層，下部晚更新世（Qp3）淺黃褐色黏土，較板實；上部為全新世（Qh）黃色含砂土層，內(nèi)含少量石英礫石，較松軟。第四紀土層與斷層泥之間邊界清漸，也有部分混染現(xiàn)象。跨斷裂沖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?？刂粕襟w發(fā)育，表現(xiàn)為西盤王氏組（K2w）逆沖于上更新統(tǒng)（Qp3）之上，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0°N—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。在剖面上，斷裂東側(cè)為紫紅色砂巖（K2w），近斷裂處為紫紅色砂巖破碎帶，夾有斷層泥。斷裂西側(cè)為第四紀沉積，下部為灰綠色、深灰色黏土，上部為黃褐色砂土、亞黏土和粉砂層。

2土壤氣測量方法

首先選擇郯廬斷裂江蘇段重崗、曉店、橋北和何莊4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的濃度值測量示意圖見圖2。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。測量步驟為：（1）儀器放置在采樣點處，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12 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測氡儀進行現(xiàn)場抽氣測量?？鐢鄬油寥罋釩O2、Rn和Hg的濃度測值的誤差都在10%以內(nèi)。由于土壤氣體的濃度測量過程是一個不夠穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，為測量其土壤含量結(jié)果，應(yīng)取最大值進行讀數(shù)。在實際測量過程中，測氡儀采取3次讀數(shù)，每次持續(xù)5 min，最后采用數(shù)據(jù)錄入取最大值（Zhou et al，2010）。CO2儀與氣汞儀也是在15 min內(nèi)讀取最大測值進行錄入。

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。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115%，Hg和CO2的重復(fù)檢測點占總測點數(shù)的7%。每條剖面都具備1～2條平行測線，對于測線的選擇，遵循測線盡量垂直于斷層的走向這一條基本原則，通過比較同一剖面上不同平行測線的測量濃度，保證了數(shù)據(jù)的可信度。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映了各土壤氣體組分在郯廬斷裂帶的分布特征。

3土壤氣測量結(jié)果分析

在郯廬斷裂帶江蘇段，測點總共有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=005，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，即用土壤氣CO2、Rn和Hg濃度測值與其背景值的比值來表示。

4討論

活動斷裂帶是深部氣體主要的釋放通道，通過對海原斷裂帶東南段和汶川MS80地震破裂帶的土壤氣體地球化學(xué)特征分析研究，發(fā)現(xiàn)斷裂帶土壤氣CO2、Rn和Hg濃度與斷裂的破裂（垂直位移和水平位移）大小和地震活動性相關(guān)，并在一定程度上能反映斷裂裂隙發(fā)育程度（周曉成等，2011；Zhou et al， 2010）。雖然在活動斷裂帶土壤氣體地球化學(xué)測量中土壤氣會受到地下水位、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的主要因素。

斷層活動性的研究是活斷層探測工作的任務(wù)之一。對不同地區(qū)斷層的研究表明，同一條斷層活動性強的部分斷層氣測值高，活動性弱的部分測值低。斷層帶上土壤氣CO2，Rn和Hg濃度值分別在003%～858%， 0274～62886 kBq·m-3和 5～73 ng·m-3之間。距斷裂帶越近，濃度值結(jié)果高的測點數(shù)目越集中，隨著距斷裂帶距離增大，濃度異常測點的數(shù)量逐漸降低，而且濃度值也隨之下降。尤其在曉店段，土壤氣體濃度異常數(shù)量最多，斷裂活動性最強，明顯高于其他3個測點。這與曉店段地震活動性強具有很好的一致性，而橋北段土壤氣體濃度異常數(shù)量較少，也與其地震活動性相對較弱呈現(xiàn)對應(yīng)關(guān)系。

土壤氣中CO2、Rn和Hg濃度的地球化學(xué)特征總結(jié)如下：

（1）斷裂所有剖面的背景值和最大值：

斷裂4個剖面土壤氣中CO2、Rn和Hg的濃度背景值分別是08 %、147 kBq·m-3和116 ng·m-3。土壤氣中CO2，Rn和Hg濃度最高達到858%、62886 kBq·m-3和73 ng·m-3，土壤氣中CO2和Rn的濃度是相當高的。

（2）斷裂各剖面的平均值和最大值的空間變化：

CO2濃度最大值和平均值的高值主要集中于何莊測線，Rn的濃度最大值和平均值的高值主要集中在何莊和重崗段，Hg的濃度最大值和平均值的高值主要集中何莊和橋北段。

（3）斷裂各剖面的異常空間變化：

本文研究斷裂土壤氣CO2，Rn和Hg濃度各個剖面采用統(tǒng)一異常界，具體有以下幾個原因：①斷裂巖性的復(fù)雜性、斷裂性質(zhì)和分布的多樣性；②對于斷裂深部結(jié)構(gòu)的了解很少；③數(shù)據(jù)信息提取中減少人為干預(yù)，CO2、Rn和Hg的濃度異常分別是206 %、245 kBq·m-3和27 ng·m-3，且分別主要集中分布在何莊段、重崗段和何莊段。

5結(jié)論

通過對郯廬斷裂4個剖面土壤氣中CO2、Rn和Hg的濃度異常進行分析，得出如下結(jié)論：

（1）土壤氣CO2、Rn和Hg的濃度異常主要集中分布在斷裂帶內(nèi)及附近。由各剖面土壤氣濃度異?？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。斷層帶土壤氣CO2、Rn和Hg異常襯度分別為274～375、205～573和184～396，因此把異常襯度最大的測點定為隱伏斷層所在的位置。對跨斷裂土壤氣CO2、Rn和Hg的濃度測量發(fā)現(xiàn)，斷裂上及其附近的CO2、Rn和Hg濃度異常明顯，隨著距離斷裂距離增大，異常幅度逐漸減少。

（2）活動斷裂帶地震活動性和土壤氣中CO2、Rn和Hg的濃度異常有很好的一致性。通過對郯廬斷裂帶江蘇段跨斷層土壤氣CO2、Rn和Hg濃度的測量分析，確定了各剖面上土壤氣體的地球化學(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。

在此特向中國地震局地震預(yù)測研究所周曉成老師、防災(zāi)科技學(xué)院陳志偉和范安慶在郯廬斷裂帶江蘇段土壤氣體測量中給予的多方面的支持和幫助表示感謝。

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