岱海斷陷帶斷層H2釋放特征與斷層活動(dòng)性間的關(guān)系

劉永梅 丁風(fēng)和 尹戰(zhàn)軍 劉改梅

1）中國(guó)呼和浩特 010010 內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局

2）中國(guó)銀川 750001 寧夏回族自治區(qū)地震局

3）中國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū) 015000 內(nèi)蒙古巴彥淖爾市地震局

0 引言

在地球內(nèi)部蘊(yùn)藏著大量高溫高壓狀態(tài)的氣體。由于這些氣體與地表大氣之間存在巨大溫度壓、濃度差，因此地球內(nèi)部不停地往地表大氣中釋放氣體（周曉成等，2017）。斷裂帶、火山和洋脊地帶等地殼薄弱的部位（Ware et al，1984；Shangguan et al，2002；Mayhew et al，2013），是地下氣體集中逸出帶。與斷層活動(dòng)有關(guān)的從斷層中逃逸出的氣體稱為斷層氣。斷層H2觀測(cè)作為一種新的觀測(cè)手段，具有連續(xù)性、穩(wěn)定性較好，干擾因素較少等優(yōu)點(diǎn)，已在山西、云南、安徽、新疆和河北等地取得了較好的效果。因此，開展斷層H2的釋放特征與斷裂活動(dòng)性間的關(guān)系、斷層H2濃度短臨跟蹤監(jiān)測(cè)技術(shù)等方面的研究工作，對(duì)提升地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)水平具有一定的意義。多年來，國(guó)內(nèi)外地球化學(xué)工作者對(duì)斷層H2進(jìn)行了大量研究工作。研究發(fā)現(xiàn)，H2濃度變化與斷裂活動(dòng)性間有密切關(guān)系（Wakita et al，1980；Sugisaki et al，1983；邵濟(jì)安等，2010）；Poissant 等（2007）對(duì)加拿大火山噴氣口H2的釋放通量測(cè)量結(jié)果表明，該噴氣口H2的釋放通量高達(dá)42 μg·m-2·h-1；2008 年汶川8.0 級(jí)地震后，沿汶川地震破裂帶釋放了大量H2（Zhou et al，2010，2016；周曉成等，2012）。周曉成等（2017）對(duì)首都圈西北部9 條活動(dòng)斷裂上土壤H2濃度的研究表明，從西向東H2濃度呈增加的趨勢(shì)。

岱海斷陷帶位于陰山—張渤帶和山西斷陷帶的交匯部位，主要受北側(cè)的蠻漢山山前斷裂和南側(cè)的岱海—黃旗海盆地南緣斷裂控制。區(qū)域斷裂發(fā)育，中小地震活動(dòng)頻繁。岱海斷陷帶是地殼應(yīng)力變化易于集中的部位，該區(qū)域也是開展斷層H2的地球化學(xué)特征與斷裂活動(dòng)性、地震活動(dòng)性間關(guān)系以及斷層H2短臨跟蹤監(jiān)測(cè)技術(shù)等研究的理想場(chǎng)所。目前，針對(duì)晉冀蒙交界地區(qū)（內(nèi)蒙古一側(cè)）的地球化學(xué)測(cè)量及特征分析等工作開展得很少，這使得對(duì)該區(qū)域異常的確定存在困難，因此，本文對(duì)活動(dòng)斷裂帶內(nèi)H2地球化學(xué)特征及其與斷裂活動(dòng)性間的關(guān)系進(jìn)行了研究，以逐步實(shí)現(xiàn)內(nèi)蒙古地區(qū)與目前山西帶北部地球化學(xué)流動(dòng)測(cè)量的無縫連接，更好地為晉冀蒙交界地震危險(xiǎn)區(qū)震情跟蹤和判定提供服務(wù)。

1 地質(zhì)背景

岱海斷陷帶又稱岱?！S旗海斷陷帶，位于河套斷陷帶和山西斷陷帶的交匯地帶，包括岱海凹陷和黃旗海凹陷，全長(zhǎng)超過100 km（圖1）。應(yīng)力場(chǎng)整體上為NE 向的相對(duì)擠壓和NW 向的相對(duì)拉張，走向約60°—70°，主要由北側(cè)的蠻漢山山前斷裂和南側(cè)的岱?！S旗海盆地南緣斷裂控制（圖1）。2 條斷層均屬于活動(dòng)斷層，活動(dòng)時(shí)代在晚更新世（Q3）到全新世（Q4），周圍的斷陷帶都是歷史地震和現(xiàn)代地震多發(fā)地帶（冉勇康等，2003；江娃利等，2003）。蠻漢山山前斷裂（F4）西起黑老妖，經(jīng)永興、杏樹貝、東水頭一帶向東延伸，斷裂走向約65°，全長(zhǎng)約80 km。而岱?！S旗海盆地南緣斷裂（F5）西起雙古城水庫(kù)，經(jīng)頭道溝、六蘇木、聯(lián)合莊、壩底、海流蘇太、烏蘭察布市南東測(cè)的井子溝一帶向東延伸，斷裂走向約65°，全長(zhǎng)約110 km。據(jù)資料（畢珉烽，2012）顯示，斷陷帶基底為片麻巖，其上不整合覆蓋了厚約100 m 的上新統(tǒng)（N2）湖相紫紅色砂質(zhì)泥巖。第四紀(jì)（Q）河湖相厚度一般為100—250 m，東南部最厚的地區(qū)達(dá)400 m。岱海斷陷帶缺失全部的古生代（P2）地層和大部分的中生代（M2）地層，太古界（Ar）地層大面積出露地表，僅僅在斷陷帶的東南和西北側(cè)有部分侏羅紀(jì)（J）和白堊紀(jì)（K）地層出露。新生代（K2）以來該地區(qū)以抬升剝蝕作用為主。

圖1 岱海斷陷帶地質(zhì)背景Fig.1 Geology map of Daihai fault zone

2 野外測(cè)量

2.1 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

宏觀上，岱海斷陷帶的活動(dòng)以正斷層為主，走滑分量不明顯。土壤氣觀測(cè)場(chǎng)地是根據(jù)野外地質(zhì)觀測(cè)和前人所得地質(zhì)資料（畢珉烽，2012）以及斷層的總體特點(diǎn)——自西向東活動(dòng)性由強(qiáng)變?nèi)醮_定的。在該斷陷帶上，選擇2 條主控?cái)嗔选U漢山山前斷裂和岱海—黃旗海盆地南緣斷裂上活動(dòng)性較強(qiáng)的涼城縣段作為研究對(duì)象，選取4 個(gè)觀測(cè)剖面：蠻漢山山前斷裂為永興鎮(zhèn)韓家棚村（N1）、三蘇木泉卜村（N2），岱?！S旗海盆地南緣斷裂為雙古城單臺(tái)子（S1）、六蘇木三道溝村（S2），詳細(xì)剖面布設(shè)見圖1。2 條斷裂內(nèi)布設(shè)的土壤H2濃度測(cè)量剖面編號(hào)以從西向東的順序排列。每個(gè)剖面上視情況平行布設(shè)2 條測(cè)線，每條測(cè)線方向盡量垂直于斷裂陡坎走向。N1、N2 剖面上每條測(cè)線上設(shè)20 個(gè)濃度測(cè)點(diǎn)，測(cè)線間距10 m，測(cè)點(diǎn)間距10 m（Zhou et al，2016）。由于觀測(cè)剖面特殊的地表環(huán)境，S1、S2 剖面上的測(cè)線1 只布設(shè)5 個(gè)H2濃度測(cè)點(diǎn)，測(cè)線2 布設(shè)15 個(gè)H2濃度測(cè)點(diǎn)，為了增加H2濃度數(shù)據(jù)的代表性，在局部布設(shè)加密點(diǎn)（表1）。

表1 岱海斷陷帶2 條主控?cái)嗔巡煌螖鄬親2濃度測(cè)量剖面位置和取樣點(diǎn)數(shù)量Table 1 Statistics of H2measurement profile position and number of sampling points in different sections of the main fault in the Daihai fault zone

2.2 測(cè)量依據(jù)及方法

斷裂土壤H2是一種質(zhì)量小、粒徑小、滲透性強(qiáng)、粘度低、易于擴(kuò)散的氣體。H2在空氣中含量很低，僅為0.5×10-6；在地殼中其含量為n×10-6—n×10-4，集中分布在5—8 km 深度，主要從斷層帶上擴(kuò)散到空氣中。H2濃度變化與斷裂活動(dòng)、地震活動(dòng)間關(guān)系明顯，特別是地震前n—n×10 天常常表現(xiàn)出信噪比很高的異常，異常值是正常背景值的n—n×102倍（車用太等，2015）。地殼中的H2主要來源于生物化學(xué)作用與化學(xué)作用（蔣鳳亮等，1989；脅田宏，1993）。作為地球內(nèi)部物理化學(xué)場(chǎng)變化的產(chǎn)物，在構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈期及地震活動(dòng)時(shí)期，H2會(huì)從斷裂內(nèi)向外大量逸散，或溶解在經(jīng)過深循環(huán)的地下熱水中而被帶出地表。斷層H2不僅是斷層活動(dòng)、地震活動(dòng)的伴隨產(chǎn)物，而且對(duì)斷層活動(dòng)、地震發(fā)生有直接誘發(fā)作用。因此，開展斷層H2釋放特征與斷裂活動(dòng)性之間的關(guān)系及斷層H2測(cè)量中的影響因素、斷層H2成因機(jī)制等研究，對(duì)提高地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)能力有一定的幫助。

在野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量斷裂帶土壤H2濃度的過程中，為了減少監(jiān)測(cè)深度、氣象因素等對(duì)H2濃度的影響，需開展同深度地溫和環(huán)境氣溫、氣壓、風(fēng)速同步觀測(cè)。首先用鋼釬在布設(shè)好的測(cè)點(diǎn)打孔，孔徑3 cm，深度約80 cm（李營(yíng)等，2009；周曉成等，2011），然后拔出鋼釬，立即將加了集氣桿的錐形麻花鉆氣體取樣器插入孔內(nèi)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣、測(cè)量。為避免氣象條件引起的土壤濕度、氣溫、氣壓變化影響土壤H2濃度測(cè)量結(jié)果，每條測(cè)線均在1 天內(nèi)完成（孫小龍等，2016）。每個(gè)測(cè)點(diǎn)采樣間隔2 min，采樣時(shí)間30 s，采樣3 次。由于土壤H2濃度受測(cè)孔閑置時(shí)間、測(cè)孔深度和采樣器形狀、孔徑等的影響較大，故每次測(cè)量均應(yīng)在新打的測(cè)孔中進(jìn)行，成孔后立即測(cè)量（孫小龍等，2017）。使用杭州電子科技大學(xué)和杭州超距科技有限公司研制的ATG-300H 便攜式測(cè)氫儀現(xiàn)場(chǎng)抽氣測(cè)量，H2濃度的檢測(cè)限是0.5×10-6，誤差≤5%。

3 結(jié)果

3.1 測(cè)量結(jié)果

對(duì)研究區(qū)域的4 個(gè)剖面進(jìn)行土壤H2濃度測(cè)量，共獲得122 組數(shù)據(jù)（表2）。由表2 可見，永興鎮(zhèn)韓家棚村N1 剖面H2濃度為1.20×10-6—327.20×10-6，三蘇木泉卜子村N2 剖面H2濃度為66.24×10-6—920.10×10-6；雙古城水庫(kù)S1 剖面H2濃度為73.30×10-6—225.90×10-6，六蘇木三道溝村S2 剖面H2的濃度為54.22×10-6—306.80×10-6；4 個(gè)觀測(cè)剖面H2濃度平均值分別為51.46×10-6、249.74×10-6、130.58×10-6、112.93×10-6，濃度最大值分別為327.20×10-6、920.10×10-6、225.90×10-6、306.80×10-6。結(jié)果表明，斷層帶附近的H2濃度明顯大于其他取樣點(diǎn)，而且距斷層越遠(yuǎn)，H2濃度越小。由于斷層帶周圍巖石破碎，裂縫較多，因此斷層帶附近是氣體運(yùn)移的良好通道（Evans et al，1997）。

表2 岱海斷陷帶土壤H2剖面測(cè)量結(jié)果Table 2 Statistics of soil gas profile measurement data in the Daihai fault zone

以蠻漢山山前斷裂永興鎮(zhèn)韓家棚剖面為例，共布設(shè)2 條測(cè)線，每條測(cè)線20 個(gè)測(cè)點(diǎn)。圖2 為韓家棚N1 剖面上40 個(gè)測(cè)點(diǎn)的3 次測(cè)量結(jié)果及其平均值（每個(gè)測(cè)點(diǎn)間隔2 min 測(cè)1 個(gè)值，共3 個(gè)）。由圖2 可見，3 次測(cè)量值和均值的同步性、一致性均較好。通過對(duì)比分析，從2 條斷裂帶的土壤H2濃度測(cè)量結(jié)果可以看出，其他剖面的測(cè)值與韓家棚剖面結(jié)果類似，4 個(gè)剖面122 個(gè)測(cè)點(diǎn)的3 次測(cè)量結(jié)果及其均值的同步性、一致性均較好。

圖2 韓家棚村剖面H2濃度測(cè)量結(jié)果（a）測(cè)線1；（b）測(cè)線2Fig.2 Measurements of H2concentration in the Hanjiapeng village section

3.2 斷裂帶土壤氣H2濃度特征

在永興鎮(zhèn)韓家棚村和三蘇木泉卜子村垂直于蠻漢山山前斷裂方向進(jìn)行了土壤H2濃度測(cè)量。從蠻漢山山前斷裂2 個(gè)剖面土壤H2濃度[圖3（a），3（b）]可以看出，土壤H2濃度的較高值主要集中在河溝（斷裂帶）附近。韓家棚N1 剖面河溝（斷裂）兩側(cè)河流階地H2濃度測(cè)值偏高，河溝谷底測(cè)值偏低。圖3（a）為2 條測(cè)線每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量最大值。由圖3（a）可見，在測(cè)距為90—200 m 處出現(xiàn)2 條測(cè)線測(cè)值反方向變化。測(cè)線1 測(cè)距120—170 m 處是致密黃土，H2濃度測(cè)值較高[圖2（a），3（a）]；測(cè)線2 測(cè)距150—190 m 處未加集氣桿（集氣桿易被黃土堵塞），H2濃度測(cè)值明顯偏高，180 m 處又為致密黃土，故出現(xiàn)異常高值[圖2（b），3（a）]。三蘇木泉卜子村N2 剖面北面是河溝（斷裂），河溝南界即0 m處測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)H2濃度異常高值，之后測(cè)值變化平穩(wěn)，直到測(cè)距130—150 m 處又出現(xiàn)了河溝（次斷裂），使得兩側(cè)測(cè)值偏高[圖3（b）]。分析發(fā)現(xiàn)，岱海斷陷帶主要斷裂的土壤H2濃度特征與活動(dòng)斷裂內(nèi)部構(gòu)造和裂隙發(fā)育程度有密切關(guān)系?；顒?dòng)斷裂帶內(nèi)孔隙度十分發(fā)育，距活動(dòng)斷裂帶越遠(yuǎn)，孔隙度越小，越不發(fā)育。Annunziatellis 等認(rèn)為（2008），一般情況下在有正斷層斷裂核部或只有單一斷裂面的斷裂帶上，斷裂核部裂隙密度較小，滲透性較低。而破碎帶裂隙密度較大，滲透性較高。土壤氣體的運(yùn)移受斷裂面或斷裂核部的阻隔，從斷裂核部及斷裂帶兩側(cè)破碎帶中的裂隙滲出，使得斷裂帶上的土壤H2濃度曲線表現(xiàn)為雙峰形態(tài)[圖3（a），3（b）]。永興鎮(zhèn)韓家棚村N1 和三蘇木泉卜子村N2 斷層都以張性正斷層為主，且破碎帶裂隙發(fā)育，滲透性較高。本文研究結(jié)果與活動(dòng)斷裂帶活動(dòng)性越強(qiáng)，斷裂帶內(nèi)硅酸巖新鮮破裂面越發(fā)育，則產(chǎn)生的H2越多的已有結(jié)果（Kita et al，1980，1982；Kameda et al，2004）相吻合。

圖3 4 個(gè)觀測(cè)剖面H2濃度測(cè)量結(jié)果（a）韓家棚村剖面；（b）泉卜子村剖面；（c）單臺(tái)子剖面；（d）三道溝剖面Fig.3 Measurements of H2concentration in four observation profiles

在雙古城單臺(tái)子S1 剖面和六蘇木三道溝S2 剖面垂直于岱?！S旗海盆地南緣斷裂進(jìn)行了土壤H2濃度測(cè)量。岱?！S旗海盆地南緣斷裂2 個(gè)觀測(cè)剖面上共42 個(gè)測(cè)點(diǎn)，2 個(gè)觀測(cè)剖面均選在斷裂上盤位置[圖3（c），3（d）]。由圖3（c）、3（d）可以看出，2 個(gè)剖面H2濃度測(cè)值變化較平穩(wěn)，只有六蘇木三道溝S2 剖面的130—135 m（加密點(diǎn)）處出現(xiàn)異常高值，其他測(cè)點(diǎn)H2濃度測(cè)值均在80.00×10-6—200.00×10-6波動(dòng)變化，其原因可能是加密處為致密黃土，且接近斷裂上下盤界限處。

由圖3 可見，韓家棚村N1 剖面測(cè)線1 測(cè)值介于1.00×10-6—90.00×10-6，測(cè)線2介于1.00×10-6—330.00×10-6；三蘇木泉卜子村N2 剖面測(cè)線1 測(cè)值介于60.00×10-6—930.00×10-6，測(cè)線2 介于90×10-6—560×10-6；雙古城單臺(tái)子S1 剖面測(cè)線1 測(cè)值介于70.00×10-6—150.00×10-6，測(cè)線2 介于70.00×10-6—230.00×10-6；六蘇木三道溝S2 剖面測(cè)線1 測(cè)值介于70.00×10-6—110.00×10-6，測(cè)線2 介于50.00×10-6—310.00×10-6。與其他剖面測(cè)線的測(cè)值相比，韓家棚N1 剖面測(cè)線1 測(cè)值明顯偏低。使用集氣桿對(duì)測(cè)線1 進(jìn)行測(cè)量時(shí)，集氣孔堵塞是韓家棚N1 剖面H2濃度測(cè)值明顯低于其他剖面的主要原因。

4 討論

研究區(qū)山前主要以Q4（全新統(tǒng)）地層為主，由于地幔抬升，岱海斷陷盆地的發(fā)育主要受蠻漢山山前斷裂和岱海南緣斷裂2 條NE 向正斷層控制。總體上，岱海斷陷帶位于鄂爾多斯塊體的東北端，由（畢珉烽，2012）研究可知，該地區(qū)的主壓應(yīng)力方向?yàn)镹E 向，與區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)方向一致，即由于青藏高原隆升從SW 側(cè)擠壓鄂爾多斯塊體，塊體在北東端表現(xiàn)為NE 方向擠壓的應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境。圖4 為4 個(gè)觀測(cè)剖面H2濃度背景值（均值）與1970 年以來區(qū)域2.0 級(jí)以上地震活動(dòng)間的關(guān)系。由圖4 可以看出，活動(dòng)性最強(qiáng)的區(qū)域?yàn)闆龀荖E 方向三蘇木及附近。此次測(cè)量中斷層H2濃度的最大值、均值也位于北緣斷裂附近的三蘇木泉卜子村。岱?！S旗海盆地南緣斷裂上的雙古城單臺(tái)子S1 剖面H2濃度測(cè)值高于六蘇木三道溝村S2 剖面，基本表現(xiàn)出南緣斷裂上西高東低的濃度分布特征?？傊?，整體表現(xiàn)為斷裂活動(dòng)性、地震活動(dòng)性越強(qiáng)，則斷層H2濃度的背景值和均值也越大。這種現(xiàn)象可能是斷層活動(dòng)及地震孕育過程中，在應(yīng)力應(yīng)變作用下地下介質(zhì)條件發(fā)生改變，巖體變形破裂或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致地球放氣異常（杜建國(guó)等，1997；Lombardi et al，2010）。

圖4 4 個(gè)觀測(cè)剖面H2濃度背景值（均值）與1970 年以來區(qū)域地震活動(dòng)間的關(guān)系Fig.4 Relationship between H2concentration background value (mean)and regional seismic activity in 4 observation profiles

5 結(jié)論

土壤H2的濃度變化與斷裂及地震活動(dòng)密切相關(guān)，通過對(duì)岱海斷陷帶2 條活動(dòng)斷裂4 個(gè)剖面測(cè)區(qū)的土壤H2濃度測(cè)量可以得出以下結(jié)論。

（1）2 條斷裂4 個(gè)剖面3 次測(cè)量結(jié)果及其均值的同步性、一致性均較好。

（2）蠻漢山山前斷裂帶韓家棚村N1 剖面H2濃度小于泉卜子村N2 剖面，岱?！S旗海盆地南緣斷裂單臺(tái)子S1 剖面H2濃度大于三道溝S2 剖面。整體表現(xiàn)為斷裂活動(dòng)性、地震活動(dòng)性越強(qiáng)，斷層H2濃度的背景值也越大。

（3）岱海斷陷帶2 條主控活動(dòng)斷裂上斷裂兩側(cè)測(cè)點(diǎn)的土壤H2濃度明顯大于斷裂河溝谷底測(cè)點(diǎn)。

中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所杜建國(guó)、李營(yíng)、周曉成老師在研究過程中給予意見和建議，內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局楊彥明、戴勇給予了指導(dǎo)和幫助，在此一并表示感謝。