岱海断陷带断层H2释放特征与断层活动性间的关系

2021-04-18刘永梅丁风和尹战军刘改梅

地震地磁观测与研究 2021年1期

关键词：测线活动性剖面

刘永梅丁风和尹战军刘改梅

1）中国呼和浩特 010010 内蒙古自治区地震局

2）中国银川 750001 宁夏回族自治区地震局

3）中国内蒙古自治区 015000 内蒙古巴彦淖尔市地震局

0 引言

在地球内部蕴藏着大量高温高压状态的气体。由于这些气体与地表大气之间存在巨大温度压、浓度差，因此地球内部不停地往地表大气中释放气体（周晓成等，2017）。断裂带、火山和洋脊地带等地壳薄弱的部位（Ware et al，1984；Shangguan et al，2002；Mayhew et al，2013），是地下气体集中逸出带。与断层活动有关的从断层中逃逸出的气体称为断层气。断层H2观测作为一种新的观测手段，具有连续性、稳定性较好，干扰因素较少等优点，已在山西、云南、安徽、新疆和河北等地取得了较好的效果。因此，开展断层H2的释放特征与断裂活动性间的关系、断层H2浓度短临跟踪监测技术等方面的研究工作，对提升地震监测预测水平具有一定的意义。多年来，国内外地球化学工作者对断层H2进行了大量研究工作。研究发现，H2浓度变化与断裂活动性间有密切关系（Wakita et al，1980；Sugisaki et al，1983；邵济安等，2010）；Poissant 等（2007）对加拿大火山喷气口H2的释放通量测量结果表明，该喷气口H2的释放通量高达42 μg·m-2·h-1；2008 年汶川8.0 级地震后，沿汶川地震破裂带释放了大量H2（Zhou et al，2010，2016；周晓成等，2012）。周晓成等（2017）对首都圈西北部9 条活动断裂上土壤H2浓度的研究表明，从西向东H2浓度呈增加的趋势。

岱海断陷带位于阴山—张渤带和山西断陷带的交汇部位，主要受北侧的蛮汉山山前断裂和南侧的岱海—黄旗海盆地南缘断裂控制。区域断裂发育，中小地震活动频繁。岱海断陷带是地壳应力变化易于集中的部位，该区域也是开展断层H2的地球化学特征与断裂活动性、地震活动性间关系以及断层H2短临跟踪监测技术等研究的理想场所。目前，针对晋冀蒙交界地区（内蒙古一侧）的地球化学测量及特征分析等工作开展得很少，这使得对该区域异常的确定存在困难，因此，本文对活动断裂带内H2地球化学特征及其与断裂活动性间的关系进行了研究，以逐步实现内蒙古地区与目前山西带北部地球化学流动测量的无缝连接，更好地为晋冀蒙交界地震危险区震情跟踪和判定提供服务。

1 地质背景

岱海断陷带又称岱海—黄旗海断陷带，位于河套断陷带和山西断陷带的交汇地带，包括岱海凹陷和黄旗海凹陷，全长超过100 km（图1）。应力场整体上为NE 向的相对挤压和NW 向的相对拉张，走向约60°—70°，主要由北侧的蛮汉山山前断裂和南侧的岱海—黄旗海盆地南缘断裂控制（图1）。2 条断层均属于活动断层，活动时代在晚更新世（Q3）到全新世（Q4），周围的断陷带都是历史地震和现代地震多发地带（冉勇康等，2003；江娃利等，2003）。蛮汉山山前断裂（F4）西起黑老妖，经永兴、杏树贝、东水头一带向东延伸，断裂走向约65°，全长约80 km。而岱海—黄旗海盆地南缘断裂（F5）西起双古城水库，经头道沟、六苏木、联合庄、坝底、海流苏太、乌兰察布市南东测的井子沟一带向东延伸，断裂走向约65°，全长约110 km。据资料（毕珉烽，2012）显示，断陷带基底为片麻岩，其上不整合覆盖了厚约100 m 的上新统（N2）湖相紫红色砂质泥岩。第四纪（Q）河湖相厚度一般为100—250 m，东南部最厚的地区达400 m。岱海断陷带缺失全部的古生代（P2）地层和大部分的中生代（M2）地层，太古界（Ar）地层大面积出露地表，仅仅在断陷带的东南和西北侧有部分侏罗纪（J）和白垩纪（K）地层出露。新生代（K2）以来该地区以抬升剥蚀作用为主。

图1 岱海断陷带地质背景Fig.1 Geology map of Daihai fault zone

2 野外测量

2.1 测点布设

宏观上，岱海断陷带的活动以正断层为主，走滑分量不明显。土壤气观测场地是根据野外地质观测和前人所得地质资料（毕珉烽，2012）以及断层的总体特点——自西向东活动性由强变弱确定的。在该断陷带上，选择2 条主控断裂——蛮汉山山前断裂和岱海—黄旗海盆地南缘断裂上活动性较强的凉城县段作为研究对象，选取4 个观测剖面：蛮汉山山前断裂为永兴镇韩家棚村（N1）、三苏木泉卜村（N2），岱海—黄旗海盆地南缘断裂为双古城单台子（S1）、六苏木三道沟村（S2），详细剖面布设见图1。2 条断裂内布设的土壤H2浓度测量剖面编号以从西向东的顺序排列。每个剖面上视情况平行布设2 条测线，每条测线方向尽量垂直于断裂陡坎走向。N1、N2 剖面上每条测线上设20 个浓度测点，测线间距10 m，测点间距10 m（Zhou et al，2016）。由于观测剖面特殊的地表环境，S1、S2 剖面上的测线1 只布设5 个H2浓度测点，测线2 布设15 个H2浓度测点，为了增加H2浓度数据的代表性，在局部布设加密点（表1）。

表1 岱海断陷带2 条主控断裂不同段断层H2浓度测量剖面位置和取样点数量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 测量依据及方法

断裂土壤H2是一种质量小、粒径小、渗透性强、粘度低、易于扩散的气体。H2在空气中含量很低，仅为0.5×10-6；在地壳中其含量为n×10-6—n×10-4，集中分布在5—8 km 深度，主要从断层带上扩散到空气中。H2浓度变化与断裂活动、地震活动间关系明显，特别是地震前n—n×10 天常常表现出信噪比很高的异常，异常值是正常背景值的n—n×102倍（车用太等，2015）。地壳中的H2主要来源于生物化学作用与化学作用（蒋凤亮等，1989；胁田宏，1993）。作为地球内部物理化学场变化的产物，在构造活动强烈期及地震活动时期，H2会从断裂内向外大量逸散，或溶解在经过深循环的地下热水中而被带出地表。断层H2不仅是断层活动、地震活动的伴随产物，而且对断层活动、地震发生有直接诱发作用。因此，开展断层H2释放特征与断裂活动性之间的关系及断层H2测量中的影响因素、断层H2成因机制等研究，对提高地震监测预测能力有一定的帮助。

在野外现场测量断裂带土壤H2浓度的过程中，为了减少监测深度、气象因素等对H2浓度的影响，需开展同深度地温和环境气温、气压、风速同步观测。首先用钢钎在布设好的测点打孔，孔径3 cm，深度约80 cm（李营等，2009；周晓成等，2011），然后拔出钢钎，立即将加了集气杆的锥形麻花钻气体取样器插入孔内，进行现场取样、测量。为避免气象条件引起的土壤湿度、气温、气压变化影响土壤H2浓度测量结果，每条测线均在1 天内完成（孙小龙等，2016）。每个测点采样间隔2 min，采样时间30 s，采样3 次。由于土壤H2浓度受测孔闲置时间、测孔深度和采样器形状、孔径等的影响较大，故每次测量均应在新打的测孔中进行，成孔后立即测量（孙小龙等，2017）。使用杭州电子科技大学和杭州超距科技有限公司研制的ATG-300H 便携式测氢仪现场抽气测量，H2浓度的检测限是0.5×10-6，误差≤5%。

3 结果

3.1 测量结果

对研究区域的4 个剖面进行土壤H2浓度测量，共获得122 组数据（表2）。由表2 可见，永兴镇韩家棚村N1 剖面H2浓度为1.20×10-6—327.20×10-6，三苏木泉卜子村N2 剖面H2浓度为66.24×10-6—920.10×10-6；双古城水库S1 剖面H2浓度为73.30×10-6—225.90×10-6，六苏木三道沟村S2 剖面H2的浓度为54.22×10-6—306.80×10-6；4 个观测剖面H2浓度平均值分别为51.46×10-6、249.74×10-6、130.58×10-6、112.93×10-6，浓度最大值分别为327.20×10-6、920.10×10-6、225.90×10-6、306.80×10-6。结果表明，断层带附近的H2浓度明显大于其他取样点，而且距断层越远，H2浓度越小。由于断层带周围岩石破碎，裂缝较多，因此断层带附近是气体运移的良好通道（Evans et al，1997）。

表2 岱海断陷带土壤H2剖面测量结果Table 2 Statistics of soil gas profile measurement data in the Daihai fault zone

以蛮汉山山前断裂永兴镇韩家棚剖面为例，共布设2 条测线，每条测线20 个测点。图2 为韩家棚N1 剖面上40 个测点的3 次测量结果及其平均值（每个测点间隔2 min 测1 个值，共3 个）。由图2 可见，3 次测量值和均值的同步性、一致性均较好。通过对比分析，从2 条断裂带的土壤H2浓度测量结果可以看出，其他剖面的测值与韩家棚剖面结果类似，4 个剖面122 个测点的3 次测量结果及其均值的同步性、一致性均较好。

图2 韩家棚村剖面H2浓度测量结果（a）测线1；（b）测线2Fig.2 Measurements of H2concentration in the Hanjiapeng village section

3.2 断裂带土壤气H2浓度特征

在永兴镇韩家棚村和三苏木泉卜子村垂直于蛮汉山山前断裂方向进行了土壤H2浓度测量。从蛮汉山山前断裂2 个剖面土壤H2浓度[图3（a），3（b）]可以看出，土壤H2浓度的较高值主要集中在河沟（断裂带）附近。韩家棚N1 剖面河沟（断裂）两侧河流阶地H2浓度测值偏高，河沟谷底测值偏低。图3（a）为2 条测线每个测点测量最大值。由图3（a）可见，在测距为90—200 m 处出现2 条测线测值反方向变化。测线1 测距120—170 m 处是致密黄土，H2浓度测值较高[图2（a），3（a）]；测线2 测距150—190 m 处未加集气杆（集气杆易被黄土堵塞），H2浓度测值明显偏高，180 m 处又为致密黄土，故出现异常高值[图2（b），3（a）]。三苏木泉卜子村N2 剖面北面是河沟（断裂），河沟南界即0 m处测点出现H2浓度异常高值，之后测值变化平稳，直到测距130—150 m 处又出现了河沟（次断裂），使得两侧测值偏高[图3（b）]。分析发现，岱海断陷带主要断裂的土壤H2浓度特征与活动断裂内部构造和裂隙发育程度有密切关系。活动断裂带内孔隙度十分发育，距活动断裂带越远，孔隙度越小，越不发育。Annunziatellis 等认为（2008），一般情况下在有正断层断裂核部或只有单一断裂面的断裂带上，断裂核部裂隙密度较小，渗透性较低。而破碎带裂隙密度较大，渗透性较高。土壤气体的运移受断裂面或断裂核部的阻隔，从断裂核部及断裂带两侧破碎带中的裂隙渗出，使得断裂带上的土壤H2浓度曲线表现为双峰形态[图3（a），3（b）]。永兴镇韩家棚村N1 和三苏木泉卜子村N2 断层都以张性正断层为主，且破碎带裂隙发育，渗透性较高。本文研究结果与活动断裂带活动性越强，断裂带内硅酸岩新鲜破裂面越发育，则产生的H2越多的已有结果（Kita et al，1980，1982；Kameda et al，2004）相吻合。

图3 4 个观测剖面H2浓度测量结果（a）韩家棚村剖面；（b）泉卜子村剖面；（c）单台子剖面；（d）三道沟剖面Fig.3 Measurements of H2concentration in four observation profiles

在双古城单台子S1 剖面和六苏木三道沟S2 剖面垂直于岱海—黄旗海盆地南缘断裂进行了土壤H2浓度测量。岱海—黄旗海盆地南缘断裂2 个观测剖面上共42 个测点，2 个观测剖面均选在断裂上盘位置[图3（c），3（d）]。由图3（c）、3（d）可以看出，2 个剖面H2浓度测值变化较平稳，只有六苏木三道沟S2 剖面的130—135 m（加密点）处出现异常高值，其他测点H2浓度测值均在80.00×10-6—200.00×10-6波动变化，其原因可能是加密处为致密黄土，且接近断裂上下盘界限处。

由图3 可见，韩家棚村N1 剖面测线1 测值介于1.00×10-6—90.00×10-6，测线2介于1.00×10-6—330.00×10-6；三苏木泉卜子村N2 剖面测线1 测值介于60.00×10-6—930.00×10-6，测线2 介于90×10-6—560×10-6；双古城单台子S1 剖面测线1 测值介于70.00×10-6—150.00×10-6，测线2 介于70.00×10-6—230.00×10-6；六苏木三道沟S2 剖面测线1 测值介于70.00×10-6—110.00×10-6，测线2 介于50.00×10-6—310.00×10-6。与其他剖面测线的测值相比，韩家棚N1 剖面测线1 测值明显偏低。使用集气杆对测线1 进行测量时，集气孔堵塞是韩家棚N1 剖面H2浓度测值明显低于其他剖面的主要原因。

4 讨论

研究区山前主要以Q4（全新统）地层为主，由于地幔抬升，岱海断陷盆地的发育主要受蛮汉山山前断裂和岱海南缘断裂2 条NE 向正断层控制。总体上，岱海断陷带位于鄂尔多斯块体的东北端，由（毕珉烽，2012）研究可知，该地区的主压应力方向为NE 向，与区域构造活动方向一致，即由于青藏高原隆升从SW 侧挤压鄂尔多斯块体，块体在北东端表现为NE 方向挤压的应力场环境。图4 为4 个观测剖面H2浓度背景值（均值）与1970 年以来区域2.0 级以上地震活动间的关系。由图4 可以看出，活动性最强的区域为凉城NE 方向三苏木及附近。此次测量中断层H2浓度的最大值、均值也位于北缘断裂附近的三苏木泉卜子村。岱海—黄旗海盆地南缘断裂上的双古城单台子S1 剖面H2浓度测值高于六苏木三道沟村S2 剖面，基本表现出南缘断裂上西高东低的浓度分布特征。总之，整体表现为断裂活动性、地震活动性越强，则断层H2浓度的背景值和均值也越大。这种现象可能是断层活动及地震孕育过程中，在应力应变作用下地下介质条件发生改变，岩体变形破裂或发生化学反应而导致地球放气异常（杜建国等，1997；Lombardi et al，2010）。

图4 4 个观测剖面H2浓度背景值（均值）与1970 年以来区域地震活动间的关系Fig.4 Relationship between H2concentration background value (mean)and regional seismic activity in 4 observation profiles