辽宁朝阳-北票断裂跨断层水准与断层土壤气地球化学特征对比分析

王喜龙 杨梦尧 孔祥瑞 杨振鹏

1 辽宁省地震局，沈阳市黄河北大街44号，110034 2 内蒙古科瑞资产评估有限公司，呼和浩特市南二环路48号，150105

研究表明，构造地球化学观测方法对监视断层活动状态、查找隐伏断层及研究断裂带地下气体释放特征均具有很好的指示意义[1]，且目前已积累了一定数量的震例[2]。此外，该方法也可为跨断层水准观测数据出现异常的可靠性与科学性提供对比与验证[3-4]。由于跨断层水准及构造地球化学观测均是研究构造活动比较直观有效的观测手段，本文应用构造地球化学观测方法对位于朝阳-北票断裂上的北票黄花营子水准场地及朝阳桃花吐水准场地开展测量，并将测量结果与水准异常进行对比分析，以判定断裂特征及水准异常的可靠性。

1 地质构造背景

朝阳-北票断裂位于辽宁省辽西隆起带上，南起葫芦岛市建昌县，北至北票市黑城子镇，全长约200 km，总体走向NE，倾向以NW为主(图1)。该断裂以朝阳市为界分为南北两段，朝阳以南断层倾向存在差异，倾角较陡，断层主要位于侏罗系和白垩系地层中，表现为反扭正断性质；朝阳以北断层倾角相对较缓，断层表现为逆冲推覆体构造特征，断裂地表行迹清晰。朝阳-北票断裂南北两段的活动强度有所不同，其中北段在中更新世时期活动明显，晚更新世早期也有活动，且活动强度大、活动时间长，形成张性正断错动；南段则主要在早、中更新世有所活动，活动性较弱[5]。

图1 辽西地区历史中强震和构造简图(1970～2019年)Fig.1 Tectonic setting and historical moderate-strong earthquakes of the western Liaoning area from 1970 to 2019

本文研究的北票黄花营子跨断层水准场地和朝阳桃花吐跨断层水准场地均位于朝阳-北票断裂北段，资料显示，黄花营子附近断层上盘以粘土为主，下盘主要为砂页岩，断层错距约为4 m，表现为正断性质(图2(a))。从桃花吐附近的断层剖面(图2(b))可以看出，老断裂带上可见中、上更新统地层错动，新断层表现为正断性质，断层错距约为6 m。

图2 朝阳-北票断裂剖面Fig.2 The profile of the Chaoyang-Beipiao fault

2 土壤气测量方法

在对北票黄花营子跨断层水准观测场地进行土壤气测量的过程中，为了能跨越水准场地的同时尽可能穿越断裂带，本文对测量路线进行延长。北票黄花营子跨断层水准观测场地的水准测线长约500 m，经实地勘察后，在测量条件允许的情况下将土壤气测线向两侧延长约2 km(图3(a))。朝阳桃花吐水准观测场地由于地质条件及环境限制，土壤气测线与水准测线长度基本一致，未能向两侧进行延伸，测线长约1 km(图3(b))。

为有效排除气象及地表植被等外界因素对土壤气观测结果的影响，土壤气测量时间选为2018-06，观测时段为08:00～17:00，2条剖面一次性完成测量。此外，为了能更好地控制断层，提高结果的科学性，土壤气测点的间距在水准测线范围内与测线两端也有所不同。水准测线范围内的土壤气测点较为密集，间距为15～20 m；水准测线外围测点间距保持在50～70 m。黄花营子跨断层水准观测场地共布设52个土壤气测点，桃花吐水准场地共布设21个土壤气测点。土壤气Rn使用Rad 7测氡仪进行测定，CO2与CO均采用GXH-3010E便携式气体检测仪进行测定，H2浓度使用ATG-300H便携式氢分析仪进行测定。具体测量方法参考文献[3]。

图3 朝阳-北票断裂跨断层土壤气测点布置示意图Fig.3 Measuring points for the concentration of soil gas crossthe Chaoyang-Beipiao fault

3 数据结果分析

对黄花营子和桃花吐水准场地进行土壤气Rn、CO2、CO和H2浓度测量，共获得365组有效数据，其中Rn 146组，CO2、CO和H2各73组。对各测点土壤气浓度数据进行求平均值等处理，获得土壤气Rn、CO2、CO和H2浓度变化范围，具体见表1。

表1 朝阳-北票断裂土壤气Rn、CO2、CO和H2浓度

利用箱式图法对测量数据进行背景值及异常下限计算，去除异常高值点，并将剩余测点的平均值作为每条测量剖面的背景值，取背景值加2倍标准差作为异常下限。计算结果表明，黄花营子水准场地土壤气Rn、CO2、CO和H2浓度的背景值分别为5.42 kBq/m3、0.35%、0.38 ppm和101.38 ppm，各气体浓度异常下限分别为9.8 kBq/m3、0.63%、0.73 ppm和224.95 ppm；桃花吐水准场地土壤气Rn、CO2、CO和H2浓度的背景值分别为4.22 kBq/m3、0.93%、0.52 ppm和36.59 ppm，各气体浓度异常下限分别为7.24 kBq/m3、1.74%、1.19 ppm和85.23 ppm。

4 分析与讨论

4.1 北票黄花营子水准数据变化特征

结合历史震例对1995年以来黄花营子水准观测数据进行分析。1995年以来该场地水准数据共出现5次异常，均表现为趋势转向变化(图4)，其中3次趋势转向异常对应地震。近期数据变化显示，2017～2019年水准数据由压性转为张性变化，数据变化形态与2013年内蒙古科尔沁5.3级地震前具有一定的相似性。

图4 北票黄花营子跨断层水准数据变化曲线Fig.4 The change curve of cross-fault leveling data in Huanghuayingzi, Beipiao

4.2 朝阳桃花吐水准数据变化特征

桃花吐水准自观测以来数据连续稳定，夏高冬低年变规律明显。2003年内蒙古巴林左旗M5.9地震、2013年内蒙古科尔沁M5.3地震及2016年朝阳M4.6和M4.3地震前均有明显异常出现，异常主要表现为破年变加速上升与高值波动等张性变化。近年数据变化显示，桃花吐水准在2017年底再次出现高值波动的张性变化，异常出现时间与北票黄花营子水准的张性异常出现时间具有准同步性(图5)。

图5 桃花吐跨断层短水准数据变化曲线Fig.5 The change curves of cross-fault leveling data in Taohuatu

4.3 土壤气浓度地球化学特征分析

4.3.1 北票黄花营子水准场地土壤气地球化学特征

对黄花营子测段土壤气Rn、CO2、CO和H2浓度数据进行分析，结果见图6。可以看出，土壤气Rn浓度变化具有中部高、两侧偏低的特征，高值主要集中在测点11～39之间；在水准测线范围内，土壤气Rn浓度高值主要集中在测点15～23和测点26～35两个区段。土壤气CO2浓度变化整体相对比较平稳，仅存在少数散点高值变化；在水准测线范围内，土壤气CO2浓度变化稳定，测值主要集中在0.2%～0.4%之间。土壤气CO浓度变化较为分散，高值主要集中在测点2～9、测点25～30及测点46～49三个区段；在水准测线范围内，土壤气CO浓度高值主要集中在水准测线中部地区。土壤气H2浓度变化的高值主要集中在测点5～8、测点15～23、测点28～39及测点49～51四个区段；在水准测线范围内，土壤气H2浓度高值主要集中在水准测线两侧地区，形态与土壤气Rn浓度变化具有一定的相似性。对比北票黄花营子水准场地发现，在水准测线外围，土壤气浓度高值主要集中在测点2～10区段(CO2、CO和H2)及测点47～51区段(CO2和H2)；在水准测线区域，土壤气高值主要集中在测点15～23和测点26～35两个区段，主要表现为土壤气Rn和H2浓度高值。

研究表明，土壤气浓度异常与断裂展布具有明显的相关性[6]，由于地下赋存大量流体，当应力改变引起断裂发生形变时，地下流体的组成和赋存状态就会发生改变，流体会沿裂隙向上运移至地表，从而导致断裂附近的土壤气组分及浓度发生变化[9]。而土壤气H2对地下介质动力加载作用响应灵敏[8]，且断裂带土壤气H2主要来自岩石新生破裂的水岩反应[9]，因此断裂带土壤气H2浓度的变化最能反映断裂的活动性特征[10]。断裂带内H2浓度变化与断裂活动呈正相关性，与地震活动也具有明显的正相关性[9]。另外，Rn为惰性气体，能够较好地反映地球的深部信息[11]，且由于其固有的地球化学特性，常被用于勘探隐伏断裂[12]。构造活动区土壤气中CO2的来源则较多，包括地幔来源、碳酸盐岩分解、有机质氧化及微生物、植物呼吸作用等[1]。

对比黄花营子场地土壤气的地球化学变化特征发现，在气候环境和测量土壤等外界条件基本一致的情况下，水准测线范围内的土壤气Rn、H2及CO浓度具有明显的准同步高值变化，且Rn和H2的双峰式特征明显，表明水准测线区域地下介质较为破碎，朝阳-北票主干断裂在水准测线内穿过。此外，水准测线范围内的土壤气H2浓度存在多点浓度高于200 ppm，双峰最大值分别为303.4 ppm和259.5 ppm，明显高于异常下限224.95 ppm；土壤气Rn浓度的最大值也高达14.35 kBq/m3，明显高于异常下限9.8 kBq/m3，表明断裂可能处于张性状态，地下裂隙增多、增大导致土壤气浓度出现高值异常。与北票水准数据进行对比发现，2016年朝阳发生M4.6和M4.3双震后，黄花营子水准在2017年开始出现张性变化，2019-07以后变化速率虽然有所减小，但仍维持张性状态。对比该测段土壤气Rn和H2浓度异常特征结果，进一步表明北票黄花营子水准数据具有张性变化，且主要由断裂活动导致。对比水准测线外围土壤气浓度变化特征发现，在测点2～10区段存在土壤气H2、CO2和CO浓度的小幅同步高值变化，在测点49～51区段存在土壤气H2和CO2浓度的小幅同步高值变化，这可能反映朝阳-北票断裂的次级断裂通过该测段。

4.3.2 朝阳桃花吐水准场地土壤气地球化学特征

对桃花吐测段土壤气Rn、CO2、CO和H2浓度数据进行分析，结果见图7。可以看出，土壤气Rn浓度总体变化较为平稳，仅在测点16～19区段高于异常下限，其中测点19的浓度最大，为18.15 kBq/m3。土壤气H2浓度在测点1～18区段变化相对平稳，测值主要集中在10～50 ppm之间，在测点19～21区段明显升高，其中测点19浓度最大，为399 ppm，远高于异常下限85.23 ppm。土壤气CO2浓度在测点1～16区段变化较为平稳，所有测点浓度值均低于异常下限，在测点17～19区段变化较大，最大值在测点18，达到4.53%。土壤气CO浓度在测线范围内存在2处高值变化，分别为测点7～11和测点19～20区段，最大值在测点7，浓度为2.6 ppm。

图6 北票黄花营子土壤气Rn、CO2、CO和H2浓度变化曲线Fig.6 The variation curves of concentration for soil gases Rn, CO2, CO and H2 in Huanghuayingzi, Beipiao

图7 朝阳桃花吐土壤气Rn、CO2、H2和CO浓度变化曲线Fig.7 The variation curves of concentration for soil gases Rn, CO2, H2 and CO in Taohuatu, Chaoyang

对土壤气Rn、CO2、CO和H2浓度变化特征进行整体分析发现，4种土壤气浓度数据具有共性特征，即在测点16～20区段范围内，4种土壤气浓度具有明显同步高值变化特征，且大部分测值均高于各自计算得到的异常下限，表明该测段范围内地下介质可能较破碎，为断裂主要通过地段。

为进一步验证上述结论，将土壤气浓度观测结果与桃花吐水准数据进行对比分析，基于相关地质资料推断，在桃花吐水准场地范围内，朝阳-北票断裂经过的位置主要在水准3号测点附近。将水准测线与构造地球化学观测测线进行对比(图3)发现，测点16～20区段正好位于水准3号测点附近，验证了该处为朝阳-北票断裂的主要经过地区。为验证该结论的准确性，本文在测量期间对桃花吐水准场地附近区域进行地质勘查，结果发现，在测线西南几百米处存在1条地质剖面，该剖面出露较为明显的正断层，断层走向经过测点16～20之间，与土壤气高值异常区域一致，证实该测段土壤气浓度的同步性高值异常变化特征主要由构造因素引起，表明构造地球化学观测对探测断裂的具体位置具有一定的指示意义。从图7可以看出，土壤气CO浓度的高值变化主要表现为单点式特征，且高值分散，不具有同步性变化特征，这可能与高值单点处所处的地质地貌特征及地表植被影响有关[1]，指示地下存在断裂的可能性较小。虽然土壤气CO浓度在测点8～11区段表现为高值变化，但其他3种土壤气未出现与其同步的高值变化，且由于测量时间为6月中旬，该测量地段植被为农作物，可能受施肥、微生物与植物呼吸、有机分解等的影响，指示构造作用的可能性相对较小。

对比桃花吐水准数据发现，在2016年朝阳M4.6和M4.3双震后，2017年水准数据开始下降，呈现压性变化特征；但2018年水准数据开始上升，呈现张性变化特征；2019年上半年张性变化特征明显，虽然2019年下半年变化速率有所减小，但仍维持在张性变化状态(图5)，且2018年以来与黄花营子水准数据具有一定的准同步性变化特征。将水准数据张性变化特征与土壤气浓度变化特征进行对比可知，土壤气Rn、CO2、CO和H2浓度在测点16～20区段具有同步高值变化特征，且存在多点浓度值高于异常下限，土壤气同步高值异常区域与朝阳-北票断裂呈现的张性变化对应，表明桃花吐水准数据出现的张性变化与断裂活动增强有一定的联系。

4.4 辽西地区地震活动性特征分析

对辽西及辽蒙交界地区的地震活动性进行统计分析发现，2017～2019年研究区范围内共发生ML≥2.0地震68次，其中2.0≤ML<3.0地震58次，ML≥3.0地震10次，最大地震为2019-06-09辽宁建平ML3.9地震，地震活动较往年有所增强(图1)。对该时段小震空间分布特征进行分析可知，2017年以来辽西及辽蒙交界地区小震活动相对集中，地震序列显著增多且震群活动频繁，区域性地震序列及震群活动反映了该地区应力场的调整作用。将地震活动性与北票黄花营子水准数据和桃花吐水准数据的准同步张性变化特征及构造地球化学观测结果进行综合对比发现，辽西地区在该时段处于应力释放期，表明水准数据的异常变化与构造地球化学测量结果具有真实性。

5 结 语

通过对辽西地区朝阳-北票断裂黄花营子水准场地和桃花吐水准场地进行跨断层土壤气浓度测量，并结合水准数据对该地区土壤气地球化学特征进行对比分析，得出以下结论：

1) 黄花营子场地土壤气Rn、CO2、CO和H2浓度变化范围分别为1.027～14.35 kBq/m3、0.1%～0.77%、0.2～1.4 ppm和21.45～303.4 ppm；桃花吐场地土壤气Rn、CO2、CO和H2浓度变化范围分别为1.88～18.15 kBq/m3、0.23%～4.53%、0.2～2.6 ppm和12.03～399 ppm。

2)北票黄花营子水准数据与土壤气浓度变化特征的对比结果表明，朝阳-北票断裂的主干断裂在水准测线范围内经过，且断裂位置的土壤气浓度异常特征明显，北票黄花营子水准数据2018年以来呈现的张性变化特征主要是断裂活动增强所致。

3)在实地勘察基础上将朝阳桃花吐水准数据与土壤气浓度变化特征进行对比分析，结果表明，朝阳-北票主干断裂位于桃花吐水准3号测点附近，土壤气Rn、CO2、CO和H2浓度的同步高值异常变化与断裂位置对应，桃花吐水准数据2018年以来的张性变化真实可靠，主要与构造活动有关。

4)将土壤气测量结果与水准观测数据和辽西地区地震活动进行综合对比分析，结果表明，构造地球化学方法在判定水准数据异常的可靠性及查找断裂具体位置方面具有较好的指示意义。