断层逸出气测量在活动断裂研究中的应用

摘要：从断层逸出气测量应用于活动断裂研究的工作原理、研究方法及技术思路入手，对沂沭断裂带、海原8.5级地震断裂、鲜水河断裂带和山东平原地区活动断裂等的断层逸出气进行系统地分析、对比和研究，探讨了断层逸出气与断层活动性和贯通性之间的关系，及其在断层几何学研究和平原地区活断层探测中的应用等问题。结果表明：断层逸出气Rn，Hg的含量和变化梯度可以作为评价断层活动性和贯通性的参考指标，断层逸出气测量为断层几何学和运动学研究提供了一种快捷方便的探测方法，是确定隐伏断层具体位置的有效手段之一。

关键词：断层逸出气;活动断裂;断层活动性;断层几何学;平原地区

中图分类号：P315.724文献标识码：A文章编号：1000-0666（2020）04-0620-10

0引言

地壳在应力作用下发生形变和破裂（郭增建，秦保燕，1979;马瑾，1987;Scholz，1996;马胜利，马瑾，2003），产生地震和断裂（韩竹军等，1996;王彦斌等，2000;付碧宏，王萍，2009）。在这一过程中，地壳内岩体、流体中伴随着能量的传递和物质的交换（汪成民，李宣瑚，1991a），地下流体的某些化学组分对此会有灵敏的反映（蔡祖煌，1986;张炜等，1987;李彤起等，1990;耿杰，张昭栋，1997），并通过活动断裂在地表显示出来（朱宏任等，1988;赵振燊等，2011），被称为断层逸出气（汪成民等，1991a）。断层逸出气为获取地壳深部信息（马弗良诺夫，1981;张炜等，1988;刘耀伟等，1989）、确定断层空间分布（张慧等，2010;韩晓昆等，2013）、研究断层活动特征和运动习性等提供了探测窗口（王华林等，1991a;孟广魁等，1997）。

测量断层逸出气和深部溢出物质是地球化学勘探中用于寻找矿床、地热和油气资源的有效方法之一。20世纪80年代至今，为了寻求断层逸出气测量在地震科学和断层活动性研究中的可能性，国内外学者相继在美国的圣安德烈斯断裂（King et al，1996）、日本的Yamasaki断裂（Wakita et al，1980）、意大利的Pernicana断裂（Giammanco et al，1998）和我国的阿尔金断裂带（张必敖等，1987）、鲜水河断裂带（朱宏任等，1988;陈建民等，1991）、海河隐伏断裂（邵永新，2007）、海原断裂带（姜大庸，阎贤臣，1990）、玛曲断裂带（赵振燊等，2011）、夏垫断裂（韓晓昆等，2013）、西秦岭北缘断裂带（李晨桦等，2016）、郯庐断裂带（郑海刚等，2016;张扬等，2016;耿杰等，2018）等开展了许多卓有成效的工作，如利用断层逸出气测量探测断层的位置、研究断层活动性和断层几何学、评价断裂地震危险性等，取得了许多有价值的认识、成果和进展。

在前人研究工作基础上，本文简要介绍了利用断层逸出气研究活动断裂的工作原理、研究方法及技术思路，通过对沂沭断裂带（汪成民等，1988，1991b;耿杰等，2018）、海原8.5级地震断裂（姜大庸，阎贤臣，1990）、郯城8.5级地震断裂（汪成民等，1988）、鲜水河断裂带（朱宏任等，1988;陈建民等，1991）和山东平原地区活动断裂（王华林等，1991b）的断层逸出气进行系统分析，探讨了断层逸出气与断层活动性和贯通性之间的关系、断层逸出气在断层几何学研究和平原地区活断层探测中的应用等问题。

1基本原理、研究方法及技术思路

地球被视为一个新陈代谢的活体，是一个巨大的、复杂的、可以与外界交换能量的开放系统，地球逸出气是探索地球内部构造、地震和火山活动的重要窗口。构造运动是地壳活动的标志，正在活动的断层又是构造运动最突出的部位，它与地震的发生有着十分密切的关系。由于断裂破碎带内充填物少、未胶结、连通性好，往往成为地下深部流体的通道。而活动断裂又常常是地下水活动和储存的场所，也是天然气体储存和富集的有利场所（蔡振业，刘永建，1991）。深部地下流体沿着断裂带向上运移和富集，在断裂带上方覆盖层形成了漏斗形的断层逸出气体异常晕（张炜等，1987）。马弗良诺夫（1981）的研究结果表明，一些深大断裂附近出现了明显的汞蒸气浓度的异常，而最高的浓度出现在地震活动最多的深断裂区。大量的测量和研究成果表明，活动断裂上方会出现断层逸出气异常带（图1），可以利用气体地球化学测量方法确定断裂位置和断层活动性。因此，断层逸出气成为获取地壳深部信息、确定断层空间分布、研究断层活动特征和运动习性、捕捉断裂活动和地震前兆的窗口。这是断层逸出气在活动断裂研究中应用的基本原理。

利用断层逸出气研究活动断裂的方法和步骤如下：

（1）在综合分析探测区域地质构造条件和场地测试条件的基础上，选取典型活动断裂和适宜的断层逸出气测量仪器和设备，选择合理的测量点距和测项，进行点面相结合的断层逸出气测线和测网布设，开展断层逸出气取样、观测，获得可靠的资料。这是断层逸出气应用于活动断裂研究中的重要基础。

（2）采用合理的数据处理方法，获得断层逸出气测值剖面曲线和平面分布图。通过断层活动时代、断层活动强度、断裂切割深度和地震活动与断层逸出气峰值曲线对比，研究断层逸出气含量和变化梯度与断层活动强度、活动时代、贯通性和地震活动的关系。

（3）通过断层逸出气含量、变化梯度曲线和平面分布等值线图与活动断层几何分布图对比，研究断层几何学、运动学与断层逸出气的关系。

（4）平原地区活动断裂研究遵循技术思路：①在平原地区选取典型活动断裂，进行断层逸出气测量（Rn，Hg等气体），确定活动断裂位置并初步评价断裂活动性;②在断层逸出气测量确定的活动断裂两侧布设钻孔联合剖面，在钻探过程中进行岩芯编录，包括地层的颜色、成份、颗粒大小、含水程度和化石情况等，取14C和释光样品（TL等）进行年代测试;③通过活动断裂两侧的地层层位、岩性、岩相和年代样品对比，确定断层的活动量、性质和时代，从而使平原地区活断层研究定量化。

2断层逸出气与断层活动性和贯通性关系一般认为原生Hg直接来源于地幔，在地幔物质的长期分异过程中，由于Hg具有较高的挥发性，会沿深部断裂活动和运移，在深大断裂上部附近富集。通常人们把Hg作为可以反映断层活动特征和深部贯通性的元素（刘耀炜等，1989）。H2化学性质比较稳定，不具有挥发性，是揭示岩石新鲜破裂程度最直接的气体，可作为断裂活动的元素。在强活动断层和强震中区往往出现高Rn异常，通常把Rn作为反映应力集中程度的元素。因此，断层逸出气Rn，Hg和H2的含量和变化梯度可以作为评价断层活动性和贯通性的参考指标。

2.1沂沭断裂带

沂沭断裂带是郯庐断裂带最为活动的段落，主要由4条断裂组成，自东向西依次为昌邑—大店断裂（F1）、安丘—莒县斷裂（F2）、沂水—汤头断裂（F3）和鄌郚—葛沟断裂（F4）。沿沂沭断裂带最为活动的安丘—莒县断裂上发生过公元前70年安丘7级地震和1668年郯城8.5级地震（图2）。通过对汪成民等（1988）在沂沭断裂带上完成的12条断层逸出气测量剖面和耿杰等（2018）在安丘—莒县断裂上完成的4条断层逸出气测量测线上的断层逸出气曲线进行分析、对比和研究，获得如下认识：

（1）活动断裂断层逸出气释放量大小可以作为断裂活动强度的判定指标。沂沭断裂带上12条剖面断层逸出气释放量曲线（图3）显示，F2+5断裂的何庄至岌山段，即1668年郯城8.5级地震断层段断层逸出气峰值最大，断裂活动性最剧烈（图3b）。F2+5断裂断层逸出气释放量由南向北逐渐变小，与断裂活动时代由新到老一致，即F2+5断裂南段全新世活动向北段过渡到晚更新世活动。同时发现组成沂沭断裂带的4条断裂（图3a）中，逸出气释放量的大小顺序为F2+5（峰值为303脉冲/2 min）、F1（峰值为271脉冲/2 min）、F3（峰值为141脉冲/2 min）、F4（峰值为40脉冲/2 min）。其中，F2+5断裂断层逸出气释放量最大，与地震地质调查、14C绝对年龄测量和地震活动分析结果（王华林等，2017）一致。沂沭断裂带东地堑2条断裂（F1和F2）的活动强度大于西地堑2条断裂（F3和F4）;沂沭断裂带东地堑两条断裂活动时代较西地堑两条断裂新。

（2）断裂活动性质和活动强度不同，可以产生不同的构造组合和裂隙分布，从而控制着跨活动断层测线的地球化学测项测值分布特征。安丘—莒县断裂上4条断层逸出气曲线显示（耿杰等，2018），跨公元前70年安丘7级地震断裂活动段的眉村和安丘测线的地球化学组分最大测值分别为：CRn为89.61～203.29 kBq·m-3，CCO2为0.55%～1.45%，CH2为117.20～287.20 ppm;跨1668年郯城8.5级地震断裂活动段的岭泉和麦坡测线的地球化学组分最大测值分别为：CRn为57.80～165.04 kBq·m-3，CCO2为1.45%～2.43%，CH2为389.90～634.70 ppm。汪成民等（1991a，b）研究发现，CRn和CH2可分别作为应力集中和断裂贯通性的指标，一般CRn值越大，应力集中越强;CH2值越大，断裂贯通性越好。分析认为，安丘段的应力集中高于郯城段，而郯城段的断裂贯通性高于安丘段。

（3）在相同的断裂活动段上，正断层断层逸出气释放量大于逆断层断层逸出气释放量。通过对安丘—莒县断裂上的4条断层逸出气曲线研究还发现，眉村和岭泉测线为跨正断层测线，安丘和麦坡测线为跨逆断层测线，跨正断层测线的CRn，CCO2和 CH2最大测值总体高于跨逆断层测线测值。这是因为正断层产生于引张应力环境，逆断层产生于挤压应力环境，引张应力环境更有利于张裂隙的产生，形成地球化学组分的运移通道，而挤压应力环境更有利于裂隙的闭合，但不利于张裂隙的产生。

2.2鲜水河断裂带

鲜水河断裂带位于青藏高原东南缘的四川西部地区，是一条NW走向的弧形左旋走滑断裂带。曾发生过1816年炉霍7级和1973年炉霍7.9级大地震。沿鲜水河断裂带各段都保存有清晰而完好的地表破裂变形带。将朱宏任等（1988）和陈建民等（1991）沿鲜水河断裂带进行的断层逸出气研究成果与断裂和地震活动资料进行对比研究，认为断层逸出气Rn和Hg的含量和变化梯度可以作为评价断层活动性和贯通性的参考指标。

综合前人研究资料，绘制鲜水河断裂带断层逸出气测量平面、剖面与地震分布图（图4）。图4显示，侏倭—炉霍段Hg峰值为900～1 200 ng，Rn异常值为60脉冲/2min，发生过1816年炉霍7级和1973年炉霍7.9级大地震;道孚段Hg峰值为300 ng，Rn异常值为55脉冲/2min，发生过道孚6.9级大地震;中谷段Hg峰值为150 ng，其附近近年无大震记录。综上，断层逸出气Rn和Hg的含量大小与地震活动强度具有良好的对应关系。

2.3海原8.5级地震断裂

1920年海原8.5级地震是近代以来全球范围内发生过的最大的地震之一，沿海原活动断裂发生，在地表形成一条明显的地震断裂，东起硝口，向NWW延伸，至兴泉堡终止，总长215 km。海原地震断裂由多条长度、性质不同的断层组成，呈雁行排列，均具有左旋走滑特征（邓起东等，1987）。

姜大庸和阎贤臣（1990）对海原8.5级地震断裂的断层逸出气进行了测试和研究，断层逸出气测线分布见图5，其中，Ⅲ和Ⅷ测线布设在走滑断层运动产生的引张区，V测线布设在走滑断层运动产生的挤压区，Ⅶ 测线布设在活动断裂以外的老断层上。图5显示，海原地震断裂上Hg的基值相对稳定，各测线Hg峰值为基值的2～4倍，Hg峰值变化幅度最大的为Ⅳ，Ⅷ测线，这里也是Rn的高异常段。V测线Hg峰值异常没有Ⅳ，Ⅷ 测线明显，位于老断层上的Ⅶ测线Hg的异常幅度最小，峰值为基值的1.3倍。

从Rn测定结果看，各段上Rn的变化幅度差别较大，拉张区大于挤压区。2个拉张盆地中2条测线Rn变幅最大，峰值为基值的4～9倍。位于老断层的Ⅶ测线Rn变幅远低于海原地震断裂上各测线的变幅，峰值为基值的1.3倍。

（1）对沂沭断裂带和鲜水河断裂带断层逸出气测量资料与断裂活动和地震活动的分析、对比和研究成果表明，断层逸出气Rn，Hg的含量和变化梯度可以作为评价断层活动性和贯通性的参考指标;断裂活动性质和活动强度不同，可以产生不同的构造组合和裂隙分布，从而控制着跨越活动断层测线的地球化学测项测值分布特征;在相同断裂活动段上，正断层逸出气释放量大于逆断层逸出气释放量。

（2）断层逸出气测量可以应用到断层几何学和运动学研究之中。通过对海原8.5级地震断裂和典型共轭交会断裂的断层逸出气研究发现，走滑断裂枢纽部位和走滑运动伴生的拉分区、挤压区具有不同地球化学场特征。根据断层逸出气测量获得的地球化学场分布特点，可以确定走滑断裂枢纽部位、拉分区和挤压区，为断层几何学和运动学研究提供一种快捷方便的探测方法。

（3）大量的跨越活动断裂的断层逸出气测量结果表明，根据断层逸出气异常特征可以确定平原隐伏区断裂的具体位置，断层逸出气测量是隐伏断层探测中非常有效的手段之一。本文通过断层逸出气测量和工程钻探剖面联合探测了山东平原地区的益都断裂和小宋—解元集断裂活动性，确定了断裂位置、位移量、活动时代和活动性质，具有良好的效果。

断层逸出气作为地壳应力集中和断裂活动的敏感组分，在活动断裂研究中有着广泛的应用前景，需要我们不懈的努力和探索。

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Application of Measurements of Fault Overflow Gases

in Active Fault Research

GENG Jie

（Shandong Earthquake Agency，Jinan 250014，Shandong，China）

Abstract

Starting from the technical thought，working principle and research method of fault overflow gas measurement applied to active fault research，in this paper，we have discussed the relationship between fault overflow gases and fault activity and continuity，the application of fault overflow gases in fault geometry research and active fault detection in plain area，based on the systematic analysis，comparison and study of the fault overflow gas of Yishu Fault Zone，Haiyuan M8.5 earthquake fault，Xianshuihe fault and Shandong plain active fault.The results show that the content and change gradient of Rn and Hg of fault overflow gas can be used as the reference index to evaluate fault activity and continuity，the fault overflow gas measurement provides a quick and convenient detection method for the study of fault geometry and kinematics，which is a very effective means to determine the specific location of hidden faults.

Keywords：fault overflow gases;active fault;fault activity;fault geometry;plain area