海原断裂带东南段土壤气体地球化学特征

周晓成 王传远 柴炽章 司学芸 雷启云李 营 谢 超 刘胜昌

1)中国科技大学地球和空间科学学院，合肥 230026

2)中国地震局地震预测研究所，北京 100036

3)中国科学院烟台海岸带研究所，烟台 264003

4)宁夏回族自治区地震局，银川 750001

5)河北理工大学，唐山 063009

海原断裂带东南段土壤气体地球化学特征

周晓成1，2)王传远3)柴炽章4)司学芸4)雷启云4)李 营2)谢 超2)刘胜昌5)

1)中国科技大学地球和空间科学学院，合肥 230026

2)中国地震局地震预测研究所，北京 100036

3)中国科学院烟台海岸带研究所，烟台 264003

4)宁夏回族自治区地震局，银川 750001

5)河北理工大学，唐山 063009

在海原断裂带东南段4个地点跨断层测量了土壤气中He、H2、N2、O2、CH4、C2H6、Rn和Hg的浓度及 He、H2、CH4、Rn和 Hg的通量。测量结果表明，N2/O2、Hg和 Rn的背景值分别是 4.2、50.4ng/m3和5.8k Bq/m3;土壤气中He和CH4在海原断裂带东南段端部有强烈异常，并且脱气强烈，通量分别达到6.9mgm-2d-1和390mgm-2d-1;土壤气中H2和Rn是指示海原断裂东南段破裂位置非常有利的气体组分，在靠断裂中部区域通量达到最高，分别为5.5mgm-2d-1和828.6m Bqm-2s-1;土壤气中Hg在断裂带的异常可作为指示断裂破裂位置的参考信号，其通量最高达到211.2ngm-2h-1。

海原断裂带 土壤气 地球化学

0 引言

大地震一般都能形成大规模的地表破裂带，造成巨大的经济损失和人员伤亡(Ma et al.，2006;张培震等，2009)。1920年海原地震形成长240km的地表破裂(邓起东等，1987)。海原断裂带东南段位于南北地震带北段。汶川地震之后，南北地震带北段成为研究热点。土壤气体的地球化学特征可反映地震活动断层的活动情况。在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断裂与中国的福州隐伏断裂(King et al.，1996;Giammanco et al.，1998;Wang et al.，2006b)上观测到了土壤气中 Rn、Hg、CO2、He、H2和 CH4等组分的显著异常。海原断裂带为地下气体逃逸提供了良好的通道，在该断裂带中西段的土壤气测量表明Rn、Hg和H2在断层附近形成高值异常带(姜大庸等，1990，2000)。目前，在海原断裂带东南段土壤气测量研究较少。因此，本次研究区域选择了海原断裂带东南段。本文的主要目的是讨论海原断裂带东南段的气体地球化学特征及其与断层的关系。

1 地震地质概况

海原断裂带西起甘肃景泰，经宁夏海原，东至固原，宽l～3km，长240km，由11条次级剪切断层组成。断裂走向在海原以西为280°～290°，海原以东为320°(国家地震局地质研究所等，1990)。根据断裂几何形态、地貌和活动习性，可以将海原断裂带分为西、中、东3段(Zhang et al.，2003)。本次研究区域主要是硝口-蔡祥断层，它是海原走滑断裂东南段的一条最主要的次级剪切断层。硝口-蔡祥断层南起固原硝口，向北经响水沟、叶家河、上大寨、猫儿沟，北端终止于唐家山西北，控制了小南川盆地东北缘。硝口-蔡祥断层全长55km左右，走向为320°～330°，从整体来看，是一条主断层面倾向SW的逆走滑断层(图1)。硝口-蔡祥断层主要发育于下白垩系六盘山群与渐新统和中新统红层之间，主断面向SW倾斜，断层破碎带宽度达数十m至一二百m，带内常发育次级断层，形成一条复杂的断裂带。地表沿断裂带可形成宽度为几m至几十m的槽形地带及小型地堑构造，有时也可见到小型正断层，尤其是1920年海原地震地表破裂带常表现为这种构造地貌组成的负地形带，并伴随明显的左旋走滑位移，错距为数m。与这种表层构造相伴随，常见断层上盘六盘山群逆冲到断层下盘新近纪地层之上，在这种逆走滑断层带中还夹入了晚第四纪黄土和全新世地层，同一地段又使河流、冲沟发生如上所述的左旋变位(国家地震局地质研究所等，1990)。

图1 海原断裂带东南段地质构造图以及土壤气测线分布图(据国家地震局地质研究所等，1990;Zhang et al.，2003)Fig.1 Geological and tectonic map of the southeastern part of Haiyuan Faults and distribution of soil gas samplings(after Institute of Geology，State Seismological Bureau et al.，1990;Zhang et al.，2003).

2 测量方法

在海原断裂东南段硝口、八只窑、蔡祥堡和小南川进行了土壤气测量，测量分2段时间完成，2007年10月20日至11月10日现场测量了土壤气中的 He、H2、O2、N2、Hg、CH4和 C2H6的浓度，测线是L1～L10;2008年4月25日至5月6日在原来测线的位置测量了土壤气中的Rn的浓度，测线是L1～L9，测点间距为10～30m(图1)，测点主要位于河流阶地和河漫滩上。在断裂带气体异常区进行气体逸散通量测量，L1～L7每个测线有1个通量测点，T8测点位于小南川盆地中央。

土壤气体组分的浓度测量采样使用传统方法(周晓成等，2007;李营等，2009)。气汞采用RA-915+型塞曼效应汞分析仪现场测量，检测限为1ng/m3;He、H2、N2、O2、CH4和 C2H6采用AgilentMacro 3000便携式气相色谱仪测量，He和H2的检测限为10ppm，CH4和C2H6的检测限为50ppm;气氡采用RAD7测氡仪现场测量。土壤气体组分的浓度测值的误差都＜10%。

气体逸散通量观测采用静态暗箱法(Nakano et al.，2004;Lehmann et al.，2004;Wang et al.，2006a)。采样箱用5mm厚白色不透明的聚四氟乙烯制成半径为20cm的半球壳。He、H2、CH4的通量测量是用针管抽取气样现场测量，观测时间为1h，每间隔5min抽取观测箱内气体1次，并记下取气样时的箱内温度以及观测前后的大气温度和气压。土壤气氡是测氡仪连续循环抽气1h，5min测得1个值。土壤气汞也是测汞仪连续循环抽气20min，1s测得1个值。

3 结果

3.1 海原断裂带东南段土壤气组分浓度分布特征

在海原断裂带东南段，土壤气中 He、H2、N2、O2、CH4、C2H6和 Hg 浓度测点共268 个，土壤气Rn的浓度测点共220个。海原断裂带东南段土壤气中Rn、Hg、He、H2、N2、O2和CH4浓度的空间分布有很大差异。C2H6在所有测点的浓度都低于检测限。在断裂带东南端硝口，土壤气中He、N2/O2和 CH4浓度达到最高，分别是 65.3ppm、16.1(空气 N2/O2=3.7) 和537.7ppm。在靠断裂带中部的蔡祥堡，土壤气中H2和Rn浓度达到最大，分别是369.7ppm和38.3k Bq/m3;在断裂带北端小南川，Hg的最大值为245ng/m3(图2～5，表1)。

图2 硝口地区的土壤气测线(L1)浓度分布图Fig.2 Distribution of concentration of soil gas at Xiaokou.阴影代表异常区，箭头代表断裂所在位置

3.2 土壤气组分浓度的背景值和异常界

通过对 N2/O2、Hg和 Rn数据进行Kolmogorov-Smirnov检验判断分布类型，结果为3个变量都 p＜0.05。因此，N2/O2、Hg和Rn数据是非正态分布。最后，对数据进行对数转换来更好地进行正态拟合，计算几何平均值。N2/O2、Hg和Rn的背景值分别是4.2、50.4ng/m3和5.8k Bq/m3。一般在非活动断裂地区土壤气中He的浓度接近空气浓度 5.2ppm(Baubron et al.，2002)，H2的浓度 ＜1ppm(Turhan et al.，2007)。在本次测量中，在非断裂区域He和H2的浓度都低于仪器的检测限是10ppm，因此，把He和H2的异常界定为10ppm。N2/O2、Hg和Rn的异常界使用QQ图来定(Ciotoli et al.，2007)，最后确定异常界为：N2/O2是 4.33，Hg 是 174ng/m3，Rn 是 10.8k Bq/m3。

表1 海原断裂带东南段土壤气浓度分布范围和平均值Table 1 Range and average values of soil gas in the southeastern part of Haiyuan Fault zone

3.3 土壤气中He、H2、CH4、Hg和Rn通量变化特征

海原断裂带东南段断层部位土壤气中Rn、Hg、He、H2、和CH4的8个通量测点空间分布也有很大的差异。在硝口T1测点，He和CH4的通量达到最大值，分别为6.9和390mgm-2d-1，其它点低于检测限。在八只窑T3和蔡祥堡T4测点，H2通量分别是5.5和4.6mgm-2d-1，其它点低于检测限。在八只窑T2测点，土壤气汞通量达到最高值，为211.2ng m-2h-1。在蔡祥堡T5测点，土壤气氡通量最高值达到828.6m Bqm-2s-1(表2)。

4 讨论

4.1 土壤气中He和CH4在海原断裂带东南段端部有强烈异常

在海原断裂带东南段端部的测点主要分布在河漫滩上，河流沉积物以粗砂为主，含少量砾石。土壤气测量测线L1第14点位于海原断裂带上，在这里有大量的冒气泡的泉眼出现。在14点及附近，CH4异常值达到537.7ppm，He异常值最高为65.3ppm(图2)。在八只窑、蔡祥堡和小南川土壤气中He异常幅度较小，而CH4低于检测限。这些异常特征可能主要与断裂端部的应力和土壤气体He，CH4的来源有关。

海原左旋走滑断裂带东南端存在一个强烈的挤压应力区，而六盘山地区位于它的南部，在构造性质上属于海原活动断裂带的端部挤压调整区(国家地震局地质研究所等，1990)。岩石、岩体中稀有气体He的发射能反映地质体中现存的应力状态，在应力集中带He有明显的发射，在量值上比空气高几十倍，而且可以随应力集中带的迁移而迁移(Zhu et al.，2003)。He有高的活动性和在水中有低的溶解度的特性，由于这些原因He有很高的扩散特性，扩散系数比N2、O2高10倍左右。在硝口，泉水溢出气中3He/4He(R/Ra)的值为0.02(3He/4He(R/Ra)＜1)，这说明He气主要来自壳源(姜大庸等，2000)。硝口土壤气中He的通量远远高于大陆地表He的通量 1.5 × 10-5mg m-2d-1(Sano et al.，1986)。海原左旋走滑断裂带东南端的应力集中可能是控制土壤气He浓度异常的主要因素。

图3 八只窑地区的土壤气测线浓度分布图Fig.3 Distribution of concentration of soil gas at Bazhiyao.

图4 蔡祥堡地区的土壤气测线浓度分布图Fig.4 Distribution of concentration of soil gas at Caixiangpu.

海原断裂带东南段处于六盘山盆地的西南缘，而六盘山盆地有极其丰富的油气显示，在平面上也主要分布在盆地西南部的山前带，在地表露头及浅井钻探中，白垩系及新近系中均见到了油气显示(李昌鸿，2009)。在硝口，土壤气CH4的通量与意大利Siena Graben Arbia断层土壤气中甲烷的通量80mgm-2d-1(Etiope et al.，2002)相比，是比较高的。因此，在硝口测得的CH4可能主要来自地下埋藏的天然气藏。

4.2 土壤气中H2和Rn是指示海原断裂破裂位置非常有利的指标

在测线L1～L6及L8与断裂带相交处，土壤气中H2的浓度都有明显的异常(图2～5)。在硝口，L1测线上土壤气中H2的浓度异常宽度250m，在八只窑测线L3上异常宽度160m，在蔡祥堡测线L4上异常宽度300m。在测线L1～L6上，土壤气中Rn浓度在断裂带及附近都有明显的异常，异常宽度20～150m。土壤气中H2和Rn异常在断裂中部蔡祥堡达到最大值，而在断裂两端异常幅度相对较小。

图5 小南川地区的土壤气测线浓度分布图Fig.5 Distribution of concentration of soil gas at Xiaonanchuan.

表2 海原断裂带东南段Rn和Hg的逸散通量Table 2 Flux of Rn and Hg in soil gas in the southeastern part of Haiyuan Fault zone

土壤气中H2和Rn异常特征与其来源以及断裂带内破裂有很大关系。断裂带内的H2主要来源于断裂带裂隙的新生表面和水发生反应生成的H2(Kameda et al.，2003)。因此，断裂带的破裂强度越大，破裂新生裂隙越多，相应生成的H2也越多。Wakita等(1980)沿Yamasaki走滑断裂带测得土壤气中H2浓度高达3%。加拿大安大略省东南部康沃尔市江边沼泽地里的2个气体喷发点上H2的通量是0.58μgm-2d-1(Poissant et al.，2007)，远小于八只窑T3测点的通量。海原断裂带东南段土壤气Rn主要来源于土壤中富含放射性铀、钍系列元素的岩石。海原断裂带白垩纪地层主要是六盘山群乃家河组，该组碳酸盐、砂岩和泥岩的铀和钍的平均含量分别是6，6，＜5和10，10，10ppm，高于中国东部碳酸盐平均铀和钍含量(白生明等，2003)。同心-海原-固原盆地砂岩型铀矿主要物质来源是六盘山前白垩纪地层，其次为白垩系露头剥蚀区，而且寒武纪、二叠纪、石炭纪地层区域伽马底数均较高，并已发现众多铀矿化点及异常点带(吕森等，2009)。新生破裂的产生使岩石的氡射气表面积增大，射气能力增加。土壤气氡在断裂带中部蔡祥堡T5测点的通量比有代表性的陆地表面土壤气氡通量15.5m Bqm-2s-1(Wilkening etal.，1972)高出53倍。在意大利中部的Fucino山间盆地，土壤气氡通量在非断层地区一般是10m Bqm-2s-1，在断层区一般在45m Bqm-2s-1以上，最高可以达到120m Bqm-2s-1(Ciotioli et al.，2007)。

在测线L1、L2、L4、L6和L9与断裂带相交处，土壤气中N2/O2都有明显的异常 (图2～5)，特别是在测线L1、L4、L6和L9上，土壤气中N2/O2在断裂带上和H2的异常对应非常好。在硝口，N2/O2异常值最高为16.3，异常宽度达到142m。土壤气中的O2和N2主要来自空气，海原断裂带东南段土壤气中O2与N2和H2的相关系数分别是-0.4和-0.48，土壤气中O2浓度减少主要是植物的根系吸收，嗜氧细菌消耗引起(Hanslin et al.，2005)，另外还有一部分可能是氢气与氧气发生反应而引起(Ota et al.，2007)。

4.3 土壤气中Hg在断裂带的异常可作为指示断裂破裂的参考指标

土壤气Hg在海原断裂带异常较少，只在测线L2和L9与断裂带相交处，土壤气中Hg有明显的异常 (图4，5)。并且，在L1测线上的12点，土壤气中Hg浓度很低，只有4ng/m3。土壤气中Hg的分布特征表明在海原断裂带有几个主要因素控制Hg的浓度。从土壤气Hg浓度分布可以看出位于河流阶地的农田里的土壤气Hg的浓度要明显高于河漫滩上的测点，主要有2个原因，一是河漫滩沉积物空隙大，储气性差，二是阶地农田里施用肥料和农药，造成土壤中Hg的浓度增加(王荔娟等，2007)。所以，在4个区域土壤气Hg的测量受人为因素干扰较大，其主要来源不仅有地壳深部而且有许多人为污染源。在硝口，偏低Hg值可能的原因是在12点附近发现了大量泉眼流出的硫磺，硫磺与汞易发生反应生成硫化汞沉淀，使Hg浓度偏低(图4)。在美国内华达州背景区域测得土壤气汞通量4.2ngm-2h-1(Gustin，2003)。Wang等(2006a)在重庆市农田土壤表面测得的土壤气汞通量是(85.8±32.4)ngm-2h-1。海原断裂带土壤气汞通量与之相比，也是明显偏高。因此，土壤气中Hg在断裂带的异常，在指示断裂破裂的位置时可作为很好的参考指标。

5 结论

在海原断裂东南段进行了土壤气测量，结果表明：N2/O2、Hg和Rn的背景值分别是4.2、50.4ng/m3和5.8kBq/m3;在海原断裂带东南段端部土壤气中He和CH4有显著异常，并且脱气强烈;土壤气中H2和Rn是指示海原断裂东南段破裂位置非常有利的气体组分，在靠断裂中部通量最高;土壤气中Hg在断裂带的异常可作为指示断裂破裂位置的参考指标。

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THE GEOCHEM ICAL CHARACTERISTICSOF SOIL GAS IN THE SOUTHEASTERN PART OF HAIYUAN FAULT

ZHOU Xiao-cheng1，2)WANG Chuan-yuan3)CHAIChi-zhang4)SIXue-yun4)LEIQi-yun4)LIYing2)XIE Chao2)LIU Sheng-chang5)
1)School of Earth and Space Sciences，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China
2)Institute of Earthquake Science，China Earthquake Administration，Beijing 100036，China
3)Yantai Institute of Coastal Zone Research，Chinese Academy of Sciences，Yantai 264003，China
4)Earthquake Administration of Ningxia Hui Autonomous Region，Yinchuan 750001，China
5)Hebei Polytechnic University，Tangshan 063009，China

The concentration of soil gas He，H2，N2，O2，CH4，C2H6，Rn，Hg and flux of soil gas He，H2，CH4，Rn，Hg were surveyed at four sites(Xiaokou，Bazhiyao，Caixiangpu and Xiaonanchuan)in the southeastern part of Haiyuan Fault.Soil-gas concentrations of more than 200 samples were obtained.The results show that the background values of N2/O2，Hg，Rn were 4.2，50.4ng/m3and 5.8k Bq/m3，respectively.Themaximum concentrations of He and CH4were 65.3 and 537.7ppm，respectively，at the end of the southeastern part of Haiyuan Fault.Furthermore，soil gas He and CH4were intensively degassed.Themaximum flux of He and CH4in soil gas was 6.9and 390mgm-2d-1，respectively.These may be caused by stress concentration at the end of the southeastern part of Haiyuan Fault.H2and Rn in soil gaswere powerful components as indicators of location of the southeastern part of Haiyuan Fault.Themaximum concentrations of H2and Rn in soil gas were 369.7ppm and 38.3k Bq/m3near themiddle of the southeastern part of Haiyuan Fault.Themaximum fluxes of H2and Rn in soil gaswere 5.5mgm-2d-1and 828.6m Bqm-2s-1，respectively.Thesemay be related with the intensive rupture of themiddle of the southeastern partof Haiyuan Fault.The anomalies of Hg in soil gas at the fault were good reference indicators.The maximum flux of Hg in soil gas was 211.2ngm-2h-1.

Haiyuan Fault zone，soil gas，geochemistry

P315.72+4

A

0253-4967(2011)01-0123-10

2009-10-19收稿，2010-06-17改回。

中国地震局地震预测研究所基本科研业务专项(0207690234)资助。

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.01.012

周晓成，男，1978年生，2005年在中国地震局地震预测研究所获构造地质专业硕士学位，现为中国科技大学在读博士生，助理研究员，主要从事构造地球化学、流体地球化学方面的研究，电话：010-88015473，E-mail：zhouxiaocheng 188@163.com。