西秦岭北缘断裂带土壤气定点监测与初步结果分析

高曙德, 赵 洁, 王爱国, 张向红, 曹玲玲, 张 昱, 武善艺, 苏小忠, 杨 超

(1. 中国地震局兰州地震研究所, 甘肃 兰州 730000;2. 兰州地球物理国家野外科学观测研究站, 甘肃 兰州 730000)

0 引言

西秦岭北缘断裂位于南北地震构造带北段,是甘肃东南部地区强震活动频发的地质构造单元,如143年甘谷7级、734年天水7级等历史地震就发生在该断裂带上(图1)。据统计,有文献记载以来沿西秦岭北缘断裂带就发生过6级以上地震9次之多[1-2]。邵延秀等[3]根据历史地震考证结果和最新地质考察,从地质构造活动、历史地震的复发周期和离逝时间等综合分析,目前西秦岭北缘断裂带上存在两个地震空段,其中黄香沟段和漳县段发生单段破裂的可能性最大,天水段发生单段破裂的概率次之(图1)。曹娟娟等[4]对西秦岭北缘断裂的地震危险性结合早期的地质调查结果做概率评价得到,从2002年算起在近百年间该地区发生强震的累积概率达到90%及以上;2013年7月22日距离西秦岭北缘主断裂带50 km左右(NWW向的东昆仑断裂与西秦岭北缘断裂之间的构造转换区)发生了岷县—漳县MS6.6地震。该地区构造应力积累主要来源于青藏高原东北部东昆仑断裂的向北挤压和向东的运动作用[5],西秦岭北缘走滑断裂带上中强地震频繁发生也与上述的运动密切关联。因此,包括西秦岭北缘断裂带在内的甘东南地区是中国地震局多年划定的年度地震危险监视区,加强对该区主干活动断裂带的地点监测具有重要现实意义。根据中国地震局震情监视工作要求和甘肃省地震局震情的跟踪方案部署,在西秦岭北缘断裂带天水段新建毛集、马窑、原家庄3个观测站,开展断层土壤气等地球物理场的观测,通过较长时间的资料积累,研究 Rn、H2、CO2、CH4等参量的变化特征,为断层的活动和地震预测、预报提供支撑。

F1: 西秦岭北缘断裂(F1-1: 天水—宝鸡断裂段,F1-2: 天水—武山断裂段,F1-3: 漳县—黄香沟断裂段,F1-4: 锅麻滩断裂段); F2: 六盘山断裂;F3: 渭河断裂; F4: 秦岭北麓断裂;F5: 礼县—罗家堡断裂; F6: 徽成盆地边缘断裂; F7: 临潭—宕昌断裂; F8: 光盖山—迭山断裂; F9: 通渭断裂; F10: 西巩驿—李店断裂; F11: 会宁—义岗断裂; F12: 马衔山北缘断裂; F13: 拉脊山断裂; F14: 固城断裂; F15: 杨河—固城断裂图1 西秦岭北缘(天水段)断层气监测站分布Fig.1 Distribution of fault gas monitoring stations in the northern margin of West Qinling (Tianshui section)

从活动断裂几何学和运动特征分析,走滑活动断裂及其拉分构造区有利于深部气体向地表富集,为温泉水及断层气的出露提供了良好的地质条件,是开展断层气研究的理想场所。史杰等[6]对西秦岭北缘断裂带的温泉水渗流特征研究表明,沿断裂带走向分布的温泉循环深度大,出露温度普遍较高,携带了丰富的地壳深部信息,是研究深循环水、气等参量与地震活动关系的天然实验场。苏鹤军等[7-8]在西秦岭北缘断裂(从甘加—黄香沟—漳县—武家河—吊沟门—八渡沿线)进行了流动地球化学Rn、Hg监测,发现不同部位断层气分布差异较大,这种分段特性可能与区域历史强震及现今地震活动特征存在一定关联,但由于每年只有两期观测,周期较长,从而使信息量受限。为了加强西秦岭北缘断裂带地下流体监测与地震预测预报研究,甘肃省地震局通过调研和论证表明,在中国西部干旱少雨的多震地区断层气观测具有较好的应用前景。笔者依据流动化学测量线路,结合地质条件、观测基础、交通等因素,于2018年秋季进行了场地初步勘选,2019年在春、夏、秋、冬不同时段进行了复测(图2),初选场地溢出气体的浓度满足日常观测的要求,最后确定建设方案,于2020年底在西秦岭北缘(天水段)新建了三个联动固定观测站(图1～2),测点从断裂带的东段依次向西形成条带,开展断层带地壳中Rn、H2、CO2、CH4等土壤气释放连续监测,以及资料变化的相互印证。2021年1月建设完工后各测项陆续开始观测,对提升甘东南地区的地震监测能力夯实了基础。

图2 活动断层位置确定和现场勘选及建成观测站Fig.2 Location determination of active fault, site survey, and completion of observation station

1 断层气在地震前兆监测中的优势

地壳中流体(包括气体)在地震孕育与发生中起着重要作用。断层气是指由断层带释放的地壳深部气体,由于这些气体质量轻,黏滞性小,迁移速度快,对地壳动力作用的响应能力应比地下水灵敏。从已有震前地壳放气异常的资料中发现,气体对地震的响应在短临阶段尤为灵敏[9-10]。按“板块运动-地壳中应力集中-气体的运移与弱化地壳介质强度而导致破裂-发生地震”的思路进行探索断层带放气异常观测,主要是确定源兆和场兆问题。板内地震的孕育与发生是区域活动构造最新活动(活断层的强烈活动)的地质过程,是活动块体相互作用的结果。如果震中区(此区无断层带放气观测)的其他异常直到发震前几小时才开始出现,这些异常可能与震源有关,即为源兆。传统认识地震是在这样的构造活动场演化过程中孕育发生的。如果断层带放气异常在距震中较远的地方出现,这些异常所反映的是观测井(点)所在的断层活动,而这些断层活动则是区域构造活动的组成部分,它们与震源过程的关系显然是间接的、是伴生的,通常称为场兆。

活动断裂带上断层气监测经过几十年的发展、改进与完善,该方法已日趋成熟,已先后成功地应用于地震前兆监测来预报地震[11-13]。由于断层气中所含化学元素来源于地壳的不同深度,所以能够反映不同状态下的应力、应变引起地壳内部变化。实际监测和理论研究发现:氡是与岩石受力及裂隙开启最直接的物质,氢气是揭示岩石新鲜破裂程度最直接的气体,二氧化碳(或甲烷)是表征深部物质运移的指示性气体[14],因此对上述气体的监测对研究断层的现今活动特征是有效的选项。不同赋存形式气体的映震效能以断层带土壤气优于井泉水上的逸出气和溶解气;Л.В.等[9]和Hirose T等[14]研究发现地壳中Rn、H2、CO2(或甲烷)等气体主要分布在上地壳的下部与中地壳的上部,而这个深度段正好与地震活动的多震层深度大体上吻合,因此加强断层带地壳放气动态的监测和研究是提升地震预报水平有效途径。如1998年1月张北—尚义M6.2地震,河北省怀来后郝窑断层气CO2在地震前47天出现突升异常,异常峰值达到了11 mg/d,是背景值的10倍左右,在下降的过程中发生了地震,据此在震前12天对这次地震提出了较好的短临预测意见[11-12]。2010年4月14日玉树MS7.1地震发生前20天,距震中680 km的WFSD-2 井钻(科学深钻勘探项目)进到642.36 ～676.22 m层位,H2浓度出现高值异常,高值达到58.476 ×10-6,异常持续7天,恢复到正常背景值13天后发生玉树7.1级地震,这是深部逸出氢气与地震活动有关的较好科学证据[15]。

在国外,日本观测断层H2的时间较早,Satake等[16]对日本本州北部的Atotsugawa和Ushikubi断层开展了逸出氢气观测,1983年5月26日日本海中部M7.7地震前在5个观测点中有3个观测到浓度显著变化,其他两个测点有明显的同震响应变化。Dogan等[17]对2000年本州鸟取县M7.3地震的余震区进行了土壤H2和CO2的连续测量工作,结果显示,H2的高浓度异常与活断层最后一次大地震发生时间较为一致。美国科学家在加州圣安德烈斯断层进行了逸出氢气的观测,发现了微震活动与氢气逸出具有一定联系。以上研究证实了断层土壤气在一些地震活动前确有浓度的急剧变化,也进一步说明断层气的异常变化可以反映断层的活动和区域应力的变化。

2 测点的分布及监测结果

本研究选择西秦岭北缘断裂带天水段开展断层气定点监测,各测点分布和初步监测结果如下。

2.1 测点分布

(1) 天水市麦积区花牛镇毛集村观测点(图1)

该测点位于西秦岭北缘断裂天水段的东南端(秀峰山北缘断裂),断层南侧为震旦纪秦岭岩群,以斜长角闪岩、片麻岩、大理岩、白云岩、黑云石英片岩、石英片岩、角闪片岩、混合质片麻岩为主,北侧为新近系红色砂岩、黏土岩及灰绿色泥岩。测点距天水中心地震监测站直线距离约16 km,交通、通讯、供电便利,地表被果树覆盖,土质含砂石较多,附近有河流。无明显的干扰源。

(2) 天水市秦州区中梁镇马窑村观测点(图1)

该点位于西秦岭北缘断裂天水段的最西端,即凤凰山分支断裂上,断层带附近出露地层为第三系甘肃群,发育黄、红、灰色为主的泥岩、砂质泥岩、砂砾岩夹泥灰岩。测点距天水中心地震监测站直线距离约25 km,交通、通讯、供电便利,离民居区较远,测点是村民的麦场,地表土质坚实,不含砂石,附近无河流,无明显的干扰源。

(3) 天水市甘谷县磐安镇原家庄观测点(图1)

该点位于西秦岭北缘断裂武山—天水段中西部,断裂带附近发育的地层岩性主要有两种:一是白垩系麦积山组,以紫红色含砾砂岩、砂砾岩夹细砂岩、粉砂质泥岩为主;二是少量发育震旦纪秦岭岩群,以斜长角闪岩、片麻岩、大理岩、白云岩、黑云石英片岩、石英片岩、角闪片岩、混合质片麻岩为主。测点距天水中心地震监测站直线距离约98 km,交通、通讯、供电便利,靠近民居区,地表土质坚实,附近无河流,无明显的干扰源(1)王爱国.西秦岭北缘断裂带新构造活动和大震危险性.2018.。

2.2 监测测项

(1) 测点观测井建设、观测仪器及测项内容

流动测量受到的干扰因素较多,特别是采气量较难满足不同组分观测仪器的气量需求、采气深度较浅且容易受大气干扰。为了尽可能减少干扰因素,提供监测质量,根据天水地区气温及环境情况资料分析,该地区冻土层一般0.7～1 m,年气温在-20～35 ℃,所以土壤气固定观测点的建设深度在4 m左右,在距离地面3 m的地方用三层不降解塑料隔离膜与下部的鹅卵石分离,下部集气装置只与直径为5 cm PPR排气管接通,起到封堵下部气体与上部物质交换的作用。地面3 m以下埋设了直径为11 cm集气装置,周围用3～7 cm大小的鹅卵石填充使深部断层气体畅通交换,并敷设地温探头,井孔结构与建设材料等如图3所示。由于新建测点固定,气量可以满足各仪器的测量需求。建成后的断层气观测站按照地震前兆观测的要求,产出的数据内在精度通过与勘选时期数据对比,符合相关规范标准。

图3 断层土壤气观测装置施工示意图Fig.3 Construction diagram of fault soil gas observation device

观测仪器选用杭州超钜ATG-6118痕量氢测氢仪、ATG-C600二氧化碳在线分析仪,郑州晶微电子科技有限公司DDL-1气氡仪,北京中科光大自动化技术有限公司地温计及探头3套,甲烷在线分析仪。其中Rn和地温为分钟值采样,其他的都为整点采样。通过Internet网络来远程监控和观测资料传输;观测室采用了局部电暖保温,使仪器能够达到工作需求;台站实行有人看护,无人值守的观测模式。该项目建成并投入使用成为监视西秦岭北缘断裂带地震活动的新成员,提升了甘东南及其周围的强震活动监测能力,同时对于研究青藏块体的活动提供数据支撑。

(2) 资料变化分析

西秦岭北缘(天水段)增建的三个联动观测点,从断裂带的东段依次向西形成带状分布,以开展断层带地壳放气连续监测及资料变化的互相印证。各测点的测项从2021年1月陆续开始观测并产出数据(图4)。图4(a)是CO2观测值对比曲线,在观测初期至1月17日,由于3个测点是气体积累和仪器稳定的阶段,测值曲线形态有些差异,但从1月18日以后测值曲线变化趋势基本相似,2月13日开始原家庄CO2测值出现较大波动,但总体形态仍然和其他两个测点一致,呈“U”字型,变化幅度都在0.8%～1.5%之间,此后测值都呈现上升趋势;图4(b)是Rn观测值对比曲线,由于各测点敷设仪器时间存在差异,但从1月29日以后,测值的变化非常同步,变化幅度在0～25 Bq/L波动;图4(c)是3个测点H2测值曲线,图中显示测值非常稳定,且变化幅度都是0.05 ppm(个别突跳点下文分析);图4(d)是2个测点甲烷测值曲线,变化形态都是呈上升趋势。从图4看出,尽管3个测点分布在70 km的断层上,各测项测值底数不同,但其变化形态基本相同,这说明在相隔70 km的测线上,观测到断层气体化学组分可能都来源同一构造环境或应力应变变化背景相似,这对判定资料变化原因提供了有效的方法。

图4(c)H2测值,2021年1月13日13—14时,毛集测值变化0.2 ppm,与背景值相比,变化率达到134%;1月14日6时原家庄测值变化0.05 ppm,与背景值相比,变化率达到33%;经调查这几天测区未有明显的人为活动和工业施工,环境及气象因素正常,在1月14日17时甘肃榆中县发生了MS3.6地震,两个测点相对震中180～235 km,变化的时间11～22个小时,如果是地震信息,这对短临预测具有较重要参考意义。由于观测时间较短,积累资料有限,暂无法定论这次变化与榆中3.6级地震有关,但这两个测点H2变化以及地震事件是客观存在的,这对我们分析资料给予了更多的启示:当有两个及以上测点的资料发生变化时,应当考虑该断裂的应力调整及应力变化,结合其他测项进一步分析给出地震跟踪预测意见。

图4 三测站观测值对比曲线Fig.4 Comparison curve of three observation stations

3 结论与讨论

通过观测西秦岭北缘断裂带(天水段)地表深部地球化学气体组分的异常变化,来监视甘东南地区应力调整、地震活动等,所以对布网区的选择、测点布设与建设,观测仪器及测项等方面做了前期调研和科学论证。根据断裂逸出气体类别和浓度建设3个断层土壤气连续观测示范点,有望提高西秦岭北缘断裂带前兆监测能力。

(1) 西秦岭北缘断裂带天水段(70 km长断裂带)新建3个观测点,开展断层气H2、CO2、Rn、CH4浓度观测,在正常情况下,其背景值比较稳定,且同一测项其变化形态具有相似性、同步性,表明与区域构造和应力变化一致。

(2) 当不同测点测项短时间内测值偏离了背景值,在时间和空间上出现一致性变化时,在排除近场的影响(主要是居民区人为活动),应当考虑区域应力调整变化的可能,需结合其他手段资料综合分析,对震情跟踪和地震预测提供判定依据。

由于该项工作开展的时间较短,积累的资料有限,对一些变化需后续密切跟踪。通过断层气监测站的建设和观测资料总结,建设断层气观测站最好地点是富含气体构造的区域,特别是甘肃省祁连山地区含有逆冲断层-褶皱构造地区,对开展断层气观测来监视震情活动和地震短临跟踪具有广阔应用前景。

致谢:应急管理部国家自然灾害防治研究院刘耀伟研究员在建设初期给予中肯的建议和意见,高小其研究员无偿捐助甲烷仪器,山西省地震局范雪芳高级工程师在建设时给予指导,兰州岩土地震研究所苏鹤军副研究员和甘肃地震台王小娟高级工程师、天水市地震局孟维斌高级工程师等参加了前期的勘选工作,天水中心站进行了全面地实施。在此一并表示衷心感谢。