土壤气是沿断裂破碎带逸出地表的气体, 其浓度和逸出速率能够灵敏和客观地反映地壳应变和应力状态(Pizzino et al., 2004; Li et al., 2009; 邵永新, 2012)。以往的土壤气前兆异常研究表明, 土壤气地震前兆异常幅度与地震震级呈正比, 地震前兆异常数目随震中距减小而增多(Ghosh et al., 2009)。在中国台湾新城断裂上监测到土壤气CO₂和Rn出现大量明显的地震前兆异常(Walia et al., 2009)。断层土壤气地球化学特征可以反映断裂带活动情况和地震危险性。在印度Dhramsala地区北西喜马拉雅断层、 美国的圣安德烈斯断裂、 日本的跡津川和牛首断层、 意大利的Pernicana断裂与中国台湾南部的Hsinhua断裂(King et al., 1996; Giammanco et al., 1998; Vivek et al., 2008; Walia et al., 2010)均观测到了土壤气组分的显著异常。观测到的活动断裂土壤气(Rn、 Hg、 CO₂、 He、 H₂和CH₄等)地球化学异常一般在地震前一天至几个月出现(Quattrocchi et al., 2000; Planinic et al., 2001; Mazek et al., 2002; 晏锐等, 2004; Yang et al., 2005; 刘锦等, 2010)。因此, 监测断层附近逸出气体的变化, 是探索地球内部地质活动的重要技术途径之一, 可为地震预报提供重要依据(Virk et al., 2001; Yang et al., 2005; Du et al., 2006)。近年来土壤气测量在活动断裂探测中也得到广泛应用(周晓成等, 2007; 张慧等, 2010)。大量实验和研究表明, 土壤气中Rn、 Hg和CO₂的测量在活断层探测研究方面极为有效, 其异常分布与断裂位置有良好的对应关系。很多学者利用断层土壤气进行断裂活动性研究(阎贤臣等, 1987; 张炜等, 1988; 汪成民等, 1989; 朱自强等, 1990)和地震趋势判定(林元武等, 1998; Zhou et al., 2010; 刘雷等, 2012), 并取得了大量成果。

近年来, 前人通过断层气地球化学测量, 对蔚县-广灵断裂和口泉断裂的活动性、 地球化学特征和成因进行了研究, 取得了一些成果(张冠亚等, 2015; 王江等, 2017; 王喜龙等, 2017)。蔚县-广灵断裂和口泉断裂均具有显著的气体地球化学异常, 但2条断裂的活动性和地震活动性存在一定差异。

然而, 目前对断层的气体排放研究多是利用单纯的地球化学方法进行的。同时进行地球物理和地球化学探测, 综合对比研究不同断裂带上气体地球化学排放及其成因的报道尚属少见。本文将气体地球化学测量和高密度电法勘探相结合, 综合研究这2条断裂的气体排放特征及其与断裂活动性的关系。

晋冀蒙盆岭构造区位于燕山褶皱系与山西地堑系交会地带, 在强烈的构造活动背景下, 区内断块差异性运动, 盆岭相间构造地貌特征明显、 地震频发(邓起东等, 1973)。目前, 该区共发育了10余个断陷盆地(大多数呈NE、 NEE向展布), 这些断陷盆地与NE-NEE向隆起山地相间斜列展布, 并在其与隆起山地分界处发育多条NE-NEE和EW向的活动断裂, 这些断裂的强烈活动造成了该区山地和盆地的形成与发育, 同时也导致该区地震活动频发(刘光勋等, 1982; 徐锡伟, 1989)。

蔚县-广灵断裂和口泉断裂位于燕山褶皱系与山西地堑系交会地带, 是区内历史地震活动较为频繁的地带(邓起东等, 1973; 刘光勋等, 1982; 徐锡伟, 1989; 徐锡伟等, 1990; 王乃梁等, 1996; 张文朋, 2011)。大量的观测及研究成果表明, 蔚县-广灵断裂和口泉断裂为该区未来可能孕育和发生中强地震的断裂, 受到了构造地质及地震地质学者的关注(徐伟等, 2011a; 李煜航等, 2013; 王霞等, 2015; 王林等, 2017)。蔚县-广灵断裂为山西地堑系北部蔚广盆地南缘断裂, 西起广灵县上白羊村, 东至蔚县的上河村, 全长120km, 总体走向NWW-NEE-NE, 倾向NNE-NW(图1), 其活动分段特征明显、 新构造活动较强, 为1条具有正断性质的活动断裂(周廷儒等, 1991; 李树德, 1997; 徐锡伟等, 2002; 王林等, 2011; Wang et al., 2013)。该断裂带距今9i000a以来共发生3次古地震事件, 复发周期为1i700a, 自有历史记载以来, 断裂附近分别于公元前231年和1618年发生过2次6$\frac{1}{2}$级地震(王林等, 2017)。根据地貌差异, 蔚县-广灵断裂自东向西可分为上虎盆段、 松枝口段、 北口段、 唐山口段和上白羊段5个地震破裂段落, 其中唐山口段属于全新世活动断裂, 平均滑动速率约1.6mm/a(徐锡伟等, 2002)。口泉断裂位于山西地堑系北部大同盆地内, 是大同断陷盆地西边界断裂带, 断裂北起大同市官屯堡附近, 南至山阴县洪涛山前, 全长160km, 走向总体NNE, 倾向SE(图1), 为1条具有正断性质的活动断裂。已有研究表明, 该断裂曾发生过4次地表破裂的古地震事件, 平均间隔约3i740a, 自有历史记载以来, 该断裂附近分别于1022年和1305年发生过2次6$\frac{1}{2}$级地震。据断裂的活动强度和构造特征, 可将口泉断裂分为北、 中、 南3段, 其中石井村-鹅毛口段的构造活动性最强, 其滑动速率为0.4mm/a(邓起东等, 1995; 谢新生等, 2003; 徐伟等, 2011b; 张文朋, 2011)。

图1

Fig. 1

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	图1 晋冀蒙盆岭构造区主要活动断裂与M≥ 5.0地震分布图 F1口泉断裂; F2阳高-天镇断裂; F3怀安镇盆地南缘断裂; F4阳原盆地北缘断裂; F5六棱山北麓断裂; F6蔚县-广灵断裂; F7恒山北麓断裂Fig. 1 Geological map of the basin and range tectonic province in the Shanxi-Hebei-Inner Mongolia border area, and distribution of the earthquakes above magnitude 5.0.

土壤气通量为单位时间内通过单位面积的气体质量。断层土壤气体Rn、 Hg和CO₂的通量异常可以很好地反映地震断裂带的活动情况, 并与断裂位置有很好的对应关系(Carapezza et al., 2009; Italiano et al., 2009)。Walia等(2005)在台湾Shan-Chiao断裂上发现土壤气Rn和He的高值。张慧等(2010)在兰州市主要活动断层上开展断层土壤气试验研究, 结果显示断裂上方Hg和Rn具有明显的峰值异常。Zhou等(2010)在汶川地震陡坎附近发现土壤气中He、 H₂、 CO₂和Rn浓度有明显的高值异常。郑海刚等(2016)在郯庐断裂带安徽段发现土壤气Rn、 Hg和CO₂在断裂带附近较为富集, 对断层位置有一定指示作用。Zarroca等(2012)对西班牙东北部比利牛斯山脉的阿梅尔(Amer)断层进行了地球化学土壤气测量, 发现在高渗透率的断裂带上土壤气CO₂和Rn出现明显高值异常。

高密度电法勘探剖面揭示的断层带与土壤气Rn、 Hg和CO₂通量高值异常位置吻合。这表明断层角砾岩带和碎裂带是气体排放的有利通道, 断层活动性强, 更有利于深部气体的逸散。图4a为蔚县-广灵断裂土壤气Rn、 Hg和CO₂通量分布曲线。由图可见, Rn、 Hg和CO₂通量曲线均出现2组峰值异常形态, 主峰最大值分别为422.20mBq· m^-2· s^-1、 12.36ng· m^-2· h^-1 和 23.23g· m^-2· d^-1, 次峰最大值分别为262.29mBq· m^-2· s^-1、 10.12ng· m^-2· h^-1 和3.77g· m^-2· d^-1。 且Rn、 Hg和CO₂的主峰异常高值均出现在第2个观测井处, Rn和CO₂的次峰异常高值都出现在第7个观测井处, Hg的次峰异常高值都发生在第8个观测井, 各气体通量高值与观测井具有良好的空间对应关系。图4b的高密度电法剖面结果显示, 在测线范围内发育2组构造破碎带, 均已接近地表。王林等(2017)通过野外地质考察和探槽观测认为该断裂至少由2条断层组成, 这与本文结果相符。通量异常主峰与次峰分别出现在2组断层角砾岩带和碎裂岩带附近, 由此可见土壤气Rn、 Hg和CO₂在断裂带的异常可作为指示断裂碎裂程度和位置的参考指标, 也可能反映了主断裂和次生断裂的位置。

图5a为口泉断裂土壤气Rn、 Hg和CO₂通量分布曲线。由图可知, Rn、 Hg和CO₂通量曲线均出现1组峰值异常形态, 其最大值分别为 67.79mBq· m^-2· s^-1、 5.09ng· m^-2· h^-1 和 12.72g· m^-2· d^-1, 而且Rn、 Hg和CO₂的异常高值都出现在75~130m处, 与高密度电法推测的口泉断裂构造破碎带宽度基本一致。由图5b高密度电法剖面可见断裂的上盘构造裂隙发育, 下盘则无明显构造裂隙发育, 构造破碎带接近地表。通量异常峰值也出现在断层的上盘, 它指示了断层的倾向。

地震断裂带土壤气Rn、 Hg和CO₂的异常通量可以很好地反映地震活动断裂带的活动情况。孟广魁等(1997)发现海原活动断裂带土壤气Rn和Hg测值的高低与断层活动性有着明显的对应关系, 即断层活动性越强, 土壤气Rn和Hg的测值越高, 反之则越低。康来迅等(1998)发现西秦岭北缘断裂带土壤气CO₂和N₂的浓度与断层活动的强度呈正比。Ciotoli等(2007)发现活动断裂带上方的土壤气CO₂浓度与通量的异常值可以指示断裂带的活动情况。Lombardi等(2010)通过对比2个研究区内断层土壤气Rn与断层活动性的关系, 发现断层土壤气Rn与断层活动性呈正相关。盛艳蕊等(2015)通过分析新保安-沙城断裂土壤气Rn、 Hg和CO₂通量的空间分布特征, 发现该断裂活动具有分段性, 各段活动强度不一致。王江等(2017)发现口泉断裂土壤气Rn、 Hg和CO₂的地球化学时空变化特征反映了断裂活动性强弱, 断裂活动性强则气体富集、 逸出速率快。

土壤气的异常程度与断裂破碎程度和活动强弱相关, 土壤气浓度和通量强度的空间分布差异为断裂活动性研究提供了有力证据。王林等(2017)计算出蔚县-广灵断裂唐山口段平均滑动速率约1.6mm/a, 徐伟等(2011b)通过计算得到, 口泉断裂石井村至鹅毛口段的滑动速率为0.4mm/a, 唐山口段滑动速率是石井村至鹅毛口段的4倍。由此可见, 蔚县-广灵断裂唐山口段的断层活动性强于口泉断裂石井村至鹅毛口段。蔚县-广灵断裂断层土壤气的脱气率大于口泉断裂(表1), 断裂活动性的强弱与土壤气Rn、 Hg和CO₂的脱气率高低相一致。

本文联合使用高密度电法勘探和气体地球化学测量手段, 结合前人对活动构造的研究成果, 发现土壤气Rn、 Hg和CO₂的通量异常特征与断裂带内碎裂程度有很大关系。土壤气Rn、 Hg和CO₂通量异常和通过高密度电法、 野外探槽确定的断裂位置、 断裂带宽度及断层倾向有很好的一致性, 通量异常的主峰与次峰也可能反映了主断裂和次生断裂的位置。出现较高通量值是因为第四纪覆盖物与深部基岩形成良好的贯通, 有利于气体的逸出, 并且在一定程度上反映了断层活动性的强弱。蔚县-广灵断裂土壤气的脱气率大于口泉断裂, 这是由断裂活动性的差异所导致的, 蔚县-广灵断裂有着更高的滑动速率, 且深部基岩低速体相对口泉断裂分布更多, 破碎程度强。断裂滑动速率快, 为深部流体向上扩散创造了有利条件, 断裂活动强度不同导致相对应的土壤气逸出速率产生差异。将断裂带土壤气体地球化学固定观测与地球物理学等其他学科手段相结合, 对断裂活动性开展研究是行之有效的方法, 对构造地震危险性的分析和判断具有较好的指示性。