祁連山斷裂帶中東段斷層土壤氣氡濃度強度時空分布特征及其地震危險性分析

萬悅 蘇鶴軍 李晨樺 周慧玲

摘要：

基于祁連山斷裂帶中東段9個觀測點2016—2021年的土壤氣體氡濃度觀測數(shù)據(jù)，深入分析其濃度強度時空分布特征。同時結(jié)合歷史大震背景、現(xiàn)今地震活動與斷裂帶滑動速率的對比分析，從地球化學(xué)的角度對祁連山斷裂帶中東段進(jìn)行地震危險區(qū)段判定。研究表明：祁連山斷裂中東段土壤氣體氡濃度強度的空間分布特征為東強西弱，其時間序列變化特征總體呈下降趨勢;斷層土壤氣氡濃度強度的空間分布特征、歷史及現(xiàn)今地震活動和斷裂滑動速率具有較好的耦合性。研究結(jié)論可以提供研究區(qū)深部地下流體活動的證據(jù)，對進(jìn)一步研究追蹤未來可能發(fā)生地震的斷層和活動段具有重要意義。

關(guān)鍵詞：

祁連山斷裂帶中東段; 土壤氣氡; 時空演化特征

中圖分類號： P315.724????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號： 1000-0844（2023）02-0491-10

DOI：10.20000/j.1000-0844.20221221003

Spatial and temporal distribution characteristics of soil gas radon

concentration intensity in the mid-eastern segment of the

Qilianshan fault zone and its seismic hazard analysis

WAN Yue1， SU Hejun1，2，3， LI Chenhua1，2，3， ZHOU Huiling1，2，3

（1. Lanzhou Institute of Seismology， CEA， Lanzhou 730000， Gansu， China;

2. Gansu Lanzhou Geophysics National Observation and Research Station， Lanzhou 730000， Gansu， China;

3. Gansu Earthquake Agency， Lanzhou 730000， Gansu， China）

Abstract：

Based on the observation data of soil gas radon concentration from nine measurement points from 2016 to 2021， the spatial and temporal distribution characteristics of radon concentration intensity in the mid-eastern segment of the Qilianshan fault zone were analyzed. Combining this analysis with strong historical earthquakes， present seismic activities， and fault zone sliding rate， the seismic hazard zones of the mid-eastern segment of the Qilianshan fault zone were determined from a geochemical perspective. The study results show that the study area has stronger soil gas radon concentration intensity in the eastern segment than in the western segment， and the change characteristics of the time series show a decreasing trend. The spatial distribution characteristics of soil gas radon concentration intensity， historical and present seismic activities， and fracture sliding rate are well coupled. This study provides evidence of deep underground fluid activity in the study area， which is vital in tracing the faults and active segments with seismic risk.

Keywords：

the mid-eastern segment of the Qilianshan fault zone; soil gas radon， spatial and temporal evolution characteristics

0 引言

地下流體是地球系統(tǒng)中最活躍的物質(zhì)成分，攜帶有地殼深部構(gòu)造活動的信息，在地球演化過程中發(fā)揮著重要作用［1-2］?；顒訑嗔褞堑叵铝黧w流出的通道，也是地震成核和發(fā)生的重要部位［3-6］?；顒訑嗔褮怏w的地球化學(xué)特性經(jīng)常受區(qū)域應(yīng)力作用、地下介質(zhì)以及斷裂帶地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境的影響［7］，具體表現(xiàn)為斷層活動的差異性使得不同斷裂或同一斷裂不同區(qū)段的破碎、開啟以及閉合程度存在差異，從而導(dǎo)致對應(yīng)的斷層土壤氣濃度強度不同。因此，斷層氣濃度強度的差異性為研究斷裂的分段性提供了強有力的證據(jù)，不同斷層或同一斷層不同區(qū)段的斷層土壤氣濃度強度空間分布特征的研究成為討論斷層分段性的重要手段之一［8］。20世紀(jì)90年代，石雅镠等［9］測量了秦嶺北緣大斷裂的斷層土壤氣濃度，并依據(jù)該斷裂的斷層氣濃度空間分布研究斷裂各段的地震危險性［9］。同時期進(jìn)行相同工作的還有康來迅等［10］和張必敖等［11］，這些工作為利用斷層土壤氣進(jìn)行斷層活動性和地震危險區(qū)段研究提供了新思路。李晨樺等［12］通過監(jiān)測祁連山斷裂帶中部土壤氣體氡濃度的變化，并結(jié)合地震活動參數(shù)b值分布特征，圈定了未來可能發(fā)生6級以上地震災(zāi)害的斷裂段，其正是2016年門源地震的發(fā)生區(qū)域。由此可見，攜帶深部信息的地下流體是進(jìn)行地震監(jiān)測的有效目標(biāo)之一。

祁連山斷裂帶中東段地震活動強烈，破壞性極強，歷史上曾多次發(fā)生7級以上強震?！?016—2025年中國大陸地震危險區(qū)研究”將祁連山斷裂帶中東段劃定為青藏高原東北緣七個重點危險區(qū)之一。本文選取2016—2021年祁連山斷裂帶中東段9個觀測剖面的土壤氣體氡（Rn）濃度觀測數(shù)據(jù)，重點分析該區(qū)域跨斷層土壤氣體氡濃度強度的時空演化特征;結(jié)合歷史與現(xiàn)今地震活動特征，對祁連山斷裂帶中東段的活動習(xí)性進(jìn)行分析，研究斷層土壤氣異常和應(yīng)力場變化之間的關(guān)系，以期為追蹤未來可能發(fā)生地震的斷層和活動段提供深部地下流體活動證據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

祁連山斷裂帶中東部主要位于青藏高原東北緣，北部與阿拉善地塊相連，東部與鄂爾多斯地塊毗鄰，大地構(gòu)造位置屬于北祁連褶皺帶與河西走廊過渡帶的交接部位，受到印度板塊和歐亞板塊的持續(xù)擠壓和遠(yuǎn)距離碰撞作用的影響［13-15］。該地區(qū)構(gòu)造變形大，與多條活動斷裂相交，地震活動頻繁且強烈，是中國大陸地殼運動最強烈的區(qū)域之一［16-18］。祁連山中東段的主要活動斷裂包括肅南—祁連斷裂、榆木山斷裂、民樂—大馬營斷裂、皇城—雙塔斷裂、冷龍嶺斷裂和天溝橋—黃羊川斷裂等（圖1），這些活動斷裂共同構(gòu)成了青藏高原東北緣的弧形構(gòu)造體系［17］。中、晚更新世以來，該區(qū)域斷裂性質(zhì)基本上以左旋走滑性質(zhì)為主，并兼具一定的逆沖性質(zhì)。該區(qū)域曾發(fā)生過多次強震，最大的一次是1927年古浪MS8.0地震，時間上最近的一次是2022年門源MS6.9地震［19-20］。

2 測量儀器與分析方法

2.1 測線布設(shè)及測量

本研究在長溝寺、鶯落峽、滾家莊、水磨村、青松寨、扁都口、皇城、滿家莊與關(guān)家臺共計9個站點進(jìn)行斷層土壤氣氡濃度觀測（表1）。測線跨斷層布設(shè)，每條測均布設(shè)8～12個測點，相鄰測點間隔10 m。土壤氣體調(diào)查采樣時間是2016—2021年每年的6月，共6期，在此期間沒有發(fā)現(xiàn)明顯的氣象變化。此外，所有的采樣和測量程序都是在9：00至18：00進(jìn)行，以減少氣候?qū)y量結(jié)果的影響。測量儀器采用Alpha GUARD PQ2000便攜式測氡儀，最低檢出限為2 Bq/L，標(biāo)準(zhǔn)偏差<3％。

跨斷層土壤氣的現(xiàn)場采樣過程如下：（1）用鋼釬在土壤中鉆一個直徑為3 cm、深度為80 cm的孔;（2）將麻花鉆取樣器或鋼管取樣器插入其中并封住孔，以隔離取樣器;（3）用橡皮管將取樣器與測量儀器連接起來，進(jìn)行取樣。值得注意的是，需要在取樣前將取樣器中殘留氣體排出。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

單獨分析各場地的斷層土壤氣氡濃度分布，并計算其背景值和異常值。地球化學(xué)背景值反映了特定元素或成分在某個斷層區(qū)的正常積累水平，因此背景值可以設(shè)為每條測線去除跳躍值后的平均濃度值。異常閥值可以用背景值加上“n”個標(biāo)準(zhǔn)差（n=1，2，3，…）來表示，這里n的取值為1。通過計算和評估，最終決定采用最大值法來確定斷層土壤氣氡的濃度強度。最大值法是利用各場地斷層土壤氣最大異常濃度值與該場地背景值的比值表示濃度強度，這樣可以更好地解釋每個剖面濃度強度的峰值。此外，該方法可以最大限度地減少影響氣體釋放的場地因素的差異，如土壤和巖石的特性［21-24］。表2列出了9條測線的計算結(jié)果，其中Dmax表示斷層土壤氣氡最大異常濃度值，Smax表示斷層土壤氣氡最大異常濃度強度。

3 結(jié)果與討論

3.1 祁連山斷裂帶中東段斷層土壤氣氡濃度強度時空演化特征

圖2為部分測線跨斷裂測量剖面6期的氡濃度曲線圖。由圖2可知，斷裂處的氡濃度高于斷裂兩側(cè)，且在不同期次獲得的觀測數(shù)據(jù)及曲線形態(tài)都具有較好的一致性，表明數(shù)據(jù)真實可靠。祁連山斷裂帶中東段斷層土壤氣氡的濃度強度空間分布如圖3所示。由圖3可知，祁連山斷裂帶中東段斷層土壤氣氡濃度強度總體呈東強西弱的分布特征，這與該斷裂帶地下水水化學(xué)分析得到的化學(xué)活性空間分布特征一致［25］，且2016—2021年斷層土壤氣濃度強度整體較為穩(wěn)定。2016年，中段的青松寨土壤氣氡濃度強度最高（5.42），西段的滾家莊、水磨村和鶯落峽濃度強度最低。2017—2020年，每年的氡濃度強度最高值均出現(xiàn)在東段的關(guān)家臺和滿家莊，最低值均位于西段的鶯落峽、滾家莊和水磨村場地。

2017—2019年，關(guān)家臺的氡濃度強度值分別為3.25、3.18和3.31，2020年滿家莊為2.99。此外，包括榆木山斷裂帶和民樂—大馬營斷裂帶中部在內(nèi)的區(qū)域，氡濃度強度不分段，分布在1.62～2.63之間。2021年，斷裂帶氡濃度強度的空間分布特征不再明顯，滾家莊的氡濃度強度最低，長溝寺則與之相反，其余7個場地的數(shù)值均勻分布在1.81～1.97之間。綜上所述，斷層土壤氣氡濃度強度的空間分布隨時間出現(xiàn)變化，這表明了斷裂帶活動的演變特征，但是東強西弱的空間分布特征總體保持穩(wěn)定。

祁連山斷裂帶中東段斷層土壤氣氡濃度強度時間演化如圖4所示。由圖可知，該區(qū)域土壤氣氡濃度強度的時間演化總體呈下降趨勢。2016—2021年，長溝寺、水磨村和皇城的斷層土壤氣氡濃度強度時間演化特征總體表現(xiàn)為“下降-上升-下降-上升”型，其余6個場地則表現(xiàn)為“下降-上升-下降”波動趨勢。2016—2019年，只有滿家莊場地的斷層土壤氣氡濃度強度在2018—2019年出現(xiàn)微弱的轉(zhuǎn)折下降，其余所有場地的時間演化特征均表現(xiàn)為“下降-上升”趨勢。2019—2021年，鶯落峽、青松寨、扁都口和關(guān)家臺的斷層土壤氣氡濃度強度表現(xiàn)為持續(xù)下降，滾家莊和滿家莊則表現(xiàn)為先上升后下降，而長溝寺、水磨村和皇城的演化趨勢表現(xiàn)為下降后轉(zhuǎn)折上升。

地震的發(fā)生通常伴隨著地下應(yīng)力的緩慢積累與突然釋放，應(yīng)力改變會引起地殼介質(zhì)微裂隙的開合［26］。張慧等［27］以青藏塊體北部地區(qū)具有代表性的逆沖地震為例，根據(jù)堅固體理論模式建立模型，數(shù)值模擬結(jié)果表明大震前靠近震源區(qū)的氡異常呈現(xiàn)“下降-上升”形態(tài)，且越接近震源區(qū)，反轉(zhuǎn)上升變化越明顯，而區(qū)域大斷裂水氡異常形態(tài)則主要表現(xiàn)為趨勢下降。因此，9個場地在2016—2019年出現(xiàn)的斷層土壤氣氡濃度強度轉(zhuǎn)折上升趨勢可能是對2019年發(fā)生在滾家莊旁的甘州MS5.0地震的反應(yīng)。2019—2021年，皇城出現(xiàn)的“下降-上升”趨勢可能是對2022年門源MS6.9地震的反應(yīng)。皇城—雙塔斷裂是冷龍嶺斷裂西段的伴生斷裂，承擔(dān)了冷龍嶺斷裂西段的逆沖分量［28］，且該場地與門源地震震中相距僅30 km，因此對門源地震反應(yīng)較為明顯。基于張慧等［27］在堅固體孕震模式下進(jìn)行的地下流體異常數(shù)值模擬結(jié)果，長溝寺與水磨村的斷層土壤氣氡濃度強度波動趨勢可能是對2022年門源MS6.9地震的反應(yīng)，也可能與區(qū)域地下介質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)變化有關(guān)［22］。截至2022年4月，該區(qū)域b值仍處于下降過程［29］，應(yīng)持續(xù)關(guān)注其后續(xù)變化特征。綜上所述，祁連山斷裂帶中東段的斷層土壤氣氡隨時間演化總體呈現(xiàn)下降趨勢，少數(shù)場地出現(xiàn)異常波動，可能與區(qū)域地下應(yīng)力變化、地震活動等影響因素有關(guān)［30］。

3.2 祁連山斷裂帶中東段地震活動分布特征和斷裂帶活動性

1970—2021年祁連山斷裂帶中東段地震活動的空間分布如圖1所示。由圖可知，該區(qū)域地震活動具有較明顯的分段性。公元前1831年至公元1969年，西段出現(xiàn)一次MS7.0以上地震記錄，即1609年紅崖堡MS7.3地震，至今離逝時間503年;中東段則出現(xiàn)兩次MS7.0以上地震記錄，即1927年古浪MS8.0和1954年山丹MS7.3地震，至今離逝時間分別為95年和68年。5.0≤MS≤6.0地震分段如下：東段地震活動頻次較高，如門源1986年MS6.4、2016年MS6.4和2022年MS6.9地震等均發(fā)生在該區(qū)域;西段地震活動記錄相對東段則有所減少，最近一次為2019年甘州MS5.0地震。MS≤5.0地震分段如下：東段小震活動相對于西段較為頻繁，其中皇城—雙塔斷裂帶、冷龍嶺斷裂帶以及兩條斷層的交匯處是祁連山斷裂帶中東段小震集中區(qū)域;西段小震活動相對較弱，水磨村—扁都口地震活動較少，其余區(qū)域地震活動空間分布均勻（圖4，測線0.1°范圍1級以上地震）?？傮w來說，祁連山斷裂帶中東段地震活動具有東強西弱的特征，小震活動主要集中在東段，這與該斷裂的斷層氣濃度強度空間分布特征一致（圖3）。因此，斷層土壤氣濃度強度空間分布在一定程度上反映了區(qū)域的地震活動水平［8，31］，通常在小震活動前后土壤氣氡濃度強度出現(xiàn)轉(zhuǎn)折性變化。祁連山斷裂帶西段最近一次大震的離逝時間為508年，區(qū)域應(yīng)力快速調(diào)整結(jié)束，斷裂帶重新閉合，地下流體活動減弱，深部氣體擴(kuò)散受阻，易形成強震孕震背景;而祁連山斷裂帶東段大震離逝時間僅68年，區(qū)域應(yīng)力還處于調(diào)整階段，斷裂帶尚未完全閉合，易發(fā)生中小地震［31］。張增煥［32］采用數(shù)字地震學(xué)與傳統(tǒng)地震學(xué)對該地震空區(qū)進(jìn)行相關(guān)分析得出的結(jié)果與本文的結(jié)果一致，發(fā)現(xiàn)祁連山北緣斷裂與榆木山斷裂是低b值區(qū)域。郭瑛霞等［29］對祁連山中東段進(jìn)行了b值空間掃描計算，結(jié)果表明該區(qū)域的b值也是東高西低。綜上，說明目標(biāo)斷裂帶的西段區(qū)域應(yīng)力積累水平高，小震頻率低，發(fā)生中強地震的概率高。

斷裂滑動速率反映了斷裂上應(yīng)變能的積累速率，代表斷裂的長時間與平均活動水平［33］，斷裂滑動速率的確定有助于了解斷裂的活動習(xí)性和地震危險性［34］。陳干等［35］通過利用遙感影像解譯、野外地質(zhì)調(diào)查、斷錯位移測量和地貌面年齡測定等手段，結(jié)合前人研究成果，估算出榆木山斷裂晚第四紀(jì)以來的逆沖滑動速率為（0.55±0.15） mm/a，左旋滑動速率為（0.95±0.11） mm/a?；诟骷夒A地上陡坎的位錯量和年代數(shù)據(jù)，民樂—大馬營斷裂晚更新世以來垂直滑動速率的線性擬合結(jié)果為（0.91±0.09） mm/a［13］?；食恰p塔斷裂帶皇城段的滑動速率為2.5～3.5 mm/a［36］，且該斷裂在全新世經(jīng)歷了重大活動，最突出的是1927年的古浪MS8.0地震，形成了28 km長的地表破裂帶［37］。由于交通與工作環(huán)境的限制，冷龍嶺斷裂的研究程度較低，前人將該區(qū)段晚第四紀(jì)滑動速率限定在3～24 mm/a這個較為寬泛的范圍內(nèi)［34］。雖然冷龍嶺斷裂的第四紀(jì)滑移率一直存在爭議，但它仍被認(rèn)為是祁連—海原斷裂帶中滑移率最高的斷層，在高原變形中起著重要作用［38-41］。綜上可以看出，皇城—雙塔斷裂帶和冷龍嶺斷裂帶比其他斷裂帶更活躍，說明東段斷裂的開放程度相對西段更顯著，這與祁連山斷裂帶中東段斷層土壤氣氡濃度強度的空間分布模式有很好的耦合性。

綜上所述，斷層土壤氣濃度、地震活動和斷裂滑動速率的空間分布特征具有較高的一致性，表明斷層氣釋放能力受到斷裂帶地下介質(zhì)狀態(tài)、局部應(yīng)力狀態(tài)以及歷史和現(xiàn)今地震活動的影響［42-44］，而不同斷裂和同一斷裂不同段的開啟閉合程度和活動強度的差異也反映了地下介質(zhì)狀態(tài)和應(yīng)力積累的區(qū)別，導(dǎo)致各斷裂的氣體釋放能力存在顯著差異［22-23，44-48］。

4 結(jié)語

本文通過對祁連山斷裂帶中東段斷層土壤氣氡濃度強度的空間分布特征與時間演化特征進(jìn)行分析，同時結(jié)合地震和構(gòu)造地質(zhì)資料進(jìn)行對比研究，初步得出以下結(jié)論：

（1） 祁連山斷裂帶中東段斷層氣氡濃度強度總體表現(xiàn)出東強西弱的分布特征，時間演化則總體呈下降趨勢，顯示中強以上地震孕育背景。

（2） 祁連山斷裂帶中東段的斷層土壤氣氡濃度強度、歷史與現(xiàn)今地震活動和斷裂帶滑動速率之間存在較好的耦合性，具體表現(xiàn)為東段中小地震頻次高，斷裂帶滑動速率較高，斷層土壤氣濃度相對較高;西段小震活動性弱，大震離逝時間長，斷裂帶滑動速率較低，斷層土壤氣濃度同樣相對較低，具有中強以上地震孕育特征。

（3） 基于祁連山斷裂帶中東段2016—2021年6期斷層土壤氣氡濃度觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合地震活動的空間分布特征等研究結(jié)果，綜合結(jié)論（1）、（2），我們認(rèn)為該斷裂西段強震的潛在危險性較大，而東段中小地震的可能性一直存在。

由于收集到的震例較少以及跨斷層土壤氣體流動觀測數(shù)據(jù)收集年限較短，相關(guān)研究還有待深入，但是斷層土壤氣作為一項重要的構(gòu)造地球化學(xué)手段，對中長期地震前兆監(jiān)測仍具有一定的指示意義。

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