陇县—宝鸡断裂带CO2气体地球化学特征及成因*

刘 洁，李 营，陈 志，王 新，赵小茂，冯希杰，王景丽

(1.陕西省地震局，陕西 西安 710068；2.中国地震局地震预测研究所 中国地震局地震预测重点实验室，北京 100036)

0 引言

断裂带是地壳深部气体释放的主要通道，大量的研究表明，活动断裂带上的土壤气浓度往往要高于其它地区(Walia，2009；Seminsky，Demberel，2013；Li，2013；Wang，2014；Chen，2020；孙小龙等，2020)。当断裂带处于构造活动活跃期时，地壳介质中水-岩之间原有的平衡被打破，地下水中的气体组分会出现异常变化，例如King等(1996)、Giammanco等(1998)、Wang等(2006)在美国圣安德烈斯断裂、日本迹津川和牛首断层、中国福州隐伏断裂观测到土壤气中CO、Rn、Hg、He、H和CH等组分的显著异常。空间上，对横跨断裂的土壤气体地球化学研究表明，在断层破碎带上测点的气体含量普遍高于断裂两侧，极震区地下气体逸出量明显高于极震区以外的地区，如2018年汶川8.0地震断裂剖面上土壤气CO浓度背景值高于无断裂出露的地区，且距震中越近，断裂剖面上土壤气CO的浓度则越高(周晓成等，2017)。时间上，土壤气异常的持续时间与临震的震级可能也具有相关性，如2013年中国台湾瑞穗6.4地震前2个月土壤气CO浓度明显升高，而2014年花莲5.9地震前3周也出现了土壤气CO浓度异常(Fu，2017)，且异常幅度越大、异常持续时间越长，对应的地震震级就越大。所以土壤气CO浓度值及其变化特征不仅可以用于断裂位置的判定，还可以反映断层活动强弱状态。

随着地球化学分析仪器和测试手段的快速发展，气体同位素地球化学示踪方法被广泛应用于地震研究领域，成为研究深部构造以及活动性的一个重要手段(杜建国，刘从强，2003)。已有研究表眀，地下气体(He、CO、CH)及其同位素组成(He/He、δCCO、δCCH)的变化是壳源流体与幔源流体的混合、迁移所造成的，并且当岩石受到震前地壳形变和同震破裂过程两种效应的影响时，岩石的渗流参数就会发生改变，从而导致地壳流体的释放(Weise，2001；Bräuer，2007；王云等，2015；Zhou，2020，2021)。不同来源的气体同位素组成有所不同，这是土壤气同位素组成用来示踪深部来源物质的原理。Martino等(2016)结合土壤气CO浓度和碳同位素组成，建立三端元混合模型，用来计算各端元所占比例。这一方法将断裂带气体溯源分析由定性研究推向了半定量研究，通过识别土壤气CO的来源，区分浅源和深源信息，可以更好地反演其成因演化机制，并推导出该区域断裂的地下构造连通性特征。

陇县—宝鸡断裂带属于鄂尔多斯块体西南缘弧形断裂束的最南段，主体呈现为走滑兼正断性质，属于晚第四纪活动断裂。李强(2013)、叶茂盛等(2018)、Su等(2019)利用GNSS速度场资料研究鄂尔多斯西南缘的六盘山—陇县—宝鸡断裂带的闭锁特征，得到陇县—宝鸡断裂的北部闭锁程度较强，但由于GNSS观测基站较少等原因，对于该断裂带南部闭锁程度的相关研究比较少。Yang等(2021)通过土壤气CO的气体活动性强度和断层闭锁程度对比分析发现，当断层处于闭锁状态时，断裂活动状态相对较弱，土壤气CO的活动性也较弱。因此，针对陇县—宝鸡断裂带不同断裂的活动性和启闭性特征的研究，本文将利用该活动断裂上的2条跨断层土壤气测线的CO气体活动强度特征进行反演，并利用CO碳同位素组成来区分深浅物质来源特征，获取断裂带地下连通性特征，为研究区的地震趋势研判提供更精细的气体地球化学依据。

1 研究区地质背景资料

陇县—宝鸡断裂带地处南北地震带中段与北段的交接区、青藏块体东北缘、鄂尔多斯西南缘弧形断裂束的最南段(图1)，也是我国大陆EW向和NS向巨形构造带(南北构造带和阿尔金—祁连—秦岭—大别构造带)的交接地带，地质结构特征极具代表性。陇县—宝鸡断裂带主要由岐山—马召断裂、千阳—彪角断裂、固关—虢镇断裂和桃园—龟川寺断裂组成(Wang，2021)，整体呈NW走向，其北部狭窄，向东南方向延伸逐渐散开，抵渭河盆地西部，并止于秦岭北麓附近，地貌上形成“一隆二拗”的构造格局(图1)。研究区主体被第四系沉积物覆盖，断裂带北部大量出露白垩系砂岩、南部出露印支期花岗岩。

图1 6条跨断层土壤气CO2测线分布

受到青藏高原向东南方向的挤压作用，岐山—马召断裂呈现左旋走滑运动的特征；与此同时，鄂尔多斯块体逆时针旋转产生了右旋走滑分量也叠加在该断裂上，导致该区域受力作用十分复杂(李新男，2017)。张新科等(2017)对陇县—宝鸡断裂带的研究结果显示，岐山—马召断裂及固关—虢镇断裂的地震活动比较活跃。岐山—马召断裂是整个断裂带内规模最大、活动性最强的断裂，全长约180 km，整体呈NW走向(300°～320°)，属晚第四纪活动断裂，断裂以左旋走滑运动性质为主，伴有一定的正断分量，第四纪左旋走滑速率约为0.5～1.2 mm/a(李新男，2017)。固关—虢镇断裂总体走向325°～335°，长130 km，该断裂早期具有挤压逆冲性质，但第四纪以来主要以正断层运动为主，中更新世以来北段具有明显的走滑分量，平均水平运动速率约为0.1 mm/a(薛峰，2014)。本文选取岐山—马召断裂上的草壁、南寨、转咀头、大源场地，以及固关—虢镇断裂上的殿咀、八渡场地进行野外土壤气测量，收集土壤气CO，并进行碳稳定同位素分析。

2 分析测试方法

2.1 土壤气测量仪器及气体样品收集方法

每一条跨断层测线上的15个测点设置如图2a所示，以断层中心为起点，分别向两侧延伸(李营等，2009)。最开始2个测点间距为10 m，后4个测点间距20 m，测线总长度为240 m。2018—2019年完成了2期测量，获取了150个CO浓度数据。土壤气测量原理如图2b所示，测量土壤气CO浓度使用杭州超距科技有限公司的便携式ATG-C60型二氧化碳分析仪，检出限为10 ppm。测量步骤为：①开启仪器电源，预热；②接通进气和出气管，测试空气值，检查测值是否在合理范围内，达标后方可使用；③利用打孔钢钎在测点打孔，孔深约80 cm(王小娟等，2016；Zhou，2020；刘兆飞，2020)，拔出钢钎后将麻花钻气体取样器旋扭钻入采样孔中，麻花钻顶部用土壤密封压实，以防止空气混染；④连接气路，待CO浓度达到峰值后，开始记录测量值。

图2 土壤气测点布设(a)、测量原理(b)、气体收集原理(c)和野外操作示意(d)

土壤气CO收集原理和实地测量如图2c、d所示，在完成CO浓度测试后，将真空泵取样器连接到麻花钻上。收集气体样品步骤为：①将采样袋用该测点的土壤气润洗3次；②将真空泵取样器的流速设置为1 L/min，采集1 L气体样品。如CO浓度低于0.08%，加大采样量到2 L。每条测线采集10个气体样品，总共收集60个样品。土壤气CO碳稳定同位素组成分析测试是在中国科学院地球环境研究所进行的，所使用的仪器为美国Thermo Finnigan公司的Mass Spectrometer MAT-251同位素质谱仪。由于野外采集的气体样品里面通常含有较高含量的N和O等其它杂质气体，所以需要先对样品进行纯化：将装有样品的玻璃瓶通过玻璃磨口接入前处理系统，用液氮将样品中的CO和水冻住，之后稍微打开与气泵连接的活塞，将样品中的O、N等杂气缓慢抽走，接着将气泵活塞关住，用酒精液氮冻住水，释放出来的纯CO用液氮在样品收集管收集后，再送入质谱仪进行检测。同时使用了实验室内部标准和V-PDB标准进行对比，获取高精高准确度的碳同位素组成，分析测试误差为0.1‰。

2.2 土壤气分析方法

2.2.1 土壤气CO浓度特征分析方法

2.2.2 土壤气CO碳稳定同位素组成分析方法

不同来源的CO气体的碳同位素组成各不相同，土壤气CO的主要来源有深部无机物质来源和生物有机物质来源，它们与空气混合构成了三端元混合模型(Martino，2016)。其中，生物端元的CO浓度选取研究区δC测值最轻(-23.89‰)的气体样品所对应的CO浓度(1.26%)；空气端元的CO浓度和碳同位素分别选取研究区空气样品的测量值(0.039%和-9.66‰)；深部来源端元的CO浓度和碳同位素分别为100%和-2.5‰(Martino，2016)。利用同位素质量平衡原理(约享，2012)，可以半定量地计算出各端元所占比例。

表1 2018—2019年陇县—宝鸡断裂带6条测线2期土壤气CO2测试结果

定义3个端元所占的比例分别为(空气)，(深源)和(生物)，获取的CO气体样品的浓度为(%)，碳同位素组成为(‰)；空气、深源和生物的体积浓度分别为(%)、(%)和(%)；碳同位素组成分别为(‰)、(‰)和(‰)，则它们需同时满足以下条件：

++=100%

(1)

式(1)表示3个混合端元所占百分比例总和为100%。

×+×+×=

(2)

式(2)表示3个混合端元分别提供的CO浓度之和为气体样品浓度观测值。

(××+××+××)/=

(3)

式(3)表示加上体积浓度权重，3个端元混合前后CO气体轻重碳同位素质量守恒。联立上述公式则可获取3个端元所占比例，结果见表2。

3 观测结果分析

3.1 土壤气CO2的异常分布特征

2018—2019年固关—虢镇断裂上的2条测线(殿咀、八渡)和岐山—马召断裂上的4条测线(草碧、南寨、转咀头、大塬)2期测试结果如图3所示，灰色矩形框表示异常值分布区域。图中6条测线中，只有八渡测线主断裂(实线)处未出现高值，而是在断裂两盘存在高值区域(灰色矩形框)，呈现为双峰型，这正好对应了八渡测线主断裂类型为正断层的特征(Annunziatellis，2008；Bond，2017；Sun，2018)，即正断层轴部破碎程度较高，导致气体快速逃逸，并且容易受到空气的稀释混染导致测值较低。其余5条测线的断层轴部均存在CO高值，整体表现为多峰型，较为符合走滑断裂的特征(Annunziatellis，2008；Bond，2017；Sun，2018)。其中比较特殊的测线为2018年测量的南寨和转咀头测线，其高值异常区主要集中于断层的东北盘，表明其东北盘的气体活动强度要强于西南盘，体现出走滑兼正断层的特征(Bond，2017；Sun，2018)。

图3 2018—2019年陇县—宝鸡断裂带6条测线2期土壤气CO2浓度测值

3.2 土壤气CO2的活动性强弱特征

基于6条测线的2期CO浓度测值，本文分别统计了各条测线的均值、中值、标准差、最大值、最小值、异常上限、异常下限、背景值和相对活动强度(表1)。由于均值可能受到气象因素、断裂类型(Annunziatellis，2008)、断裂破裂程度(Bond，2017)、覆盖层和地层岩性等干扰因素的影响(韩晓昆，2014)，所以本文联合相对活动强度值来作为判定气体活动强弱的依据。此外，本文还计算了2期测量结果的平均值，对比分析气体活动强弱关系，最终得出各断层的分段活动性特征。

6条测线的土壤气CO浓度均值排序如图4a所示，岐山—马召断裂上的草碧、转咀头测线平均CO浓度相对较高，固关—虢镇断裂的殿咀测线和岐山—马召断裂的南寨测线平均CO浓度相近，八渡、大塬测线的值最低。6条测线的土壤气CO相对活动强度的2期平均排序如图4b所示，岐山—马召断裂的转咀砂、南寨、草碧测线的平均CO相对活动强度排序靠前，固关—虢镇断裂的八渡和殿咀测线排序靠后，大塬测线的值最低。综合2018—2019年CO浓度均值和相对活动强度的2期平均结果来看，岐山—马召断裂的咀砂、南寨、草碧测线气体活动最为活跃，其次是固关—虢镇断裂的八渡、殿咀测线，活动强度最弱的是岐山—马召断裂的大塬测线。

图4 2018—2019年陇县—宝鸡断裂带6条测线CO2浓度平均值(a)和CO2相对活动强度(b)Fig.4 The average concentration of CO2 in the 6 surveyprofiles in the Longxian-Baoji Fault Zone from 2018to 2019(a)and the two-year average of therelative intensity of CO2 activity(b)

3.3 土壤气CO2碳稳定同位素组成溯源分析

6条测线上的60个土壤气样品的CO浓度和碳同位素组成见表2，CO浓度均值和相对活动强度结果存在一定的差异，如图5所示，并且2019年7月的测值与2018年6月的测值也存在一定差异。产生这种差异可能是由于不同月份的气候条件以及不同年度气体来源存在一定差异。

为了更好地对比分析这6条测线的气体来源及活动性特征，本文利用三端元混合模型计算各端元CO占比(表2)，其中深部来源占比均值如图5c所示。结果表明，6条测线的CO气体主要来源于生物源，岐山—马召断裂上CO气体样品深部来源(0.04%～0.42%)比固关—虢镇断裂上CO气体样品深部来源(0.06%～0.08%)的占比略高。

将岐山—马召断裂和固关—虢镇断裂上的气体样品分为两类进行对比分析(图6)，能更直观地发现岐山—马召断裂上的样品更接近于深部来源端元这一特征，表明岐山—马召断裂上的深部来源气体更容易沿断裂逸出，从而可以推断出，岐山—马召断裂的地下构造连通性较好，断裂破裂程度较高、闭锁程度较低，为深部流体向上运移与扩散创造了有利条件。此外，宝鸡地区温泉水中的CO气体碳同位素组成位于土壤气和深源物质的过渡端元(Ma，2010；马致远等，2018)，表明深源物质更容易快速地被断裂带内的温泉水运移出来，再被释放到地表。泉水和围岩发生的水-岩作用也会产生一定的气体，并被运移出到地表(Chen，2020)。

表2 陇县—宝鸡断裂带土壤气CO2浓度、碳同位素组成，各端元百分占比及其体积浓度

续表2

图5 2019年7月CO2浓度(a)、相对活动强度(b)和深源物质百分占比对比分析(c)Fig.5 Volume concentrations of CO2 in July 2019(a)，relative intensity of CO2 activity(b)，andthe percentage of deep-sourced materials(c)

4 讨论

前人对鄂尔多斯西南缘和西秦岭北缘的各条断裂带进行了跨断层土壤气CO浓度测量分析，如刘兆飞(2020)得出海原断裂带土壤气CO浓度平均值在0.09%～0.22%；Zhou等(2020)得出六盘山地区土壤气CO浓度平均值在0.73%～1.44%；高曙德等(2021)测量得出西秦岭北缘断裂土壤气CO浓度范围为0.36% ～ 1.12%。

图6 固关—虢镇断裂和岐山—马召断裂土壤气1/CO2和碳同位素组成分析Fig.6 CO2 concentrations and δ13CCO2 in theGuguan-Guozhen Fault and theQishan-Mazhao Fault

本文获取的陇县—宝鸡断裂带土壤气CO体积浓度平均值在0.62%～1.16%。对比研究区周缘各断裂带CO气体浓度平均值可知，更靠近鄂尔多斯盆地西南缘的六盘山—陇县—宝鸡断裂带比外围的海原断裂带更利于CO沿断裂向外逸出。相对而言，陇县—宝鸡断裂带的气体活动性比六盘山断裂的气体活动性略弱。这主要是由于受到青藏高原挤压推挤作用，地壳物质沿六盘山—陇县—宝鸡断裂向东南方向逃逸，导致陇县—宝鸡断裂带产生左旋走滑运动；同时，受华北块体顺时针运动作用，鄂尔多斯盆地发生逆时针旋转，产生部分右旋走滑分量作用于陇县—宝鸡断裂带上，从而抵消掉该断裂的部分左旋走滑位移。这些复杂的地质作用过程使得陇县—宝鸡断裂的北部处于相对闭锁的状态，而南部的闭锁程度较低。与之相对应，杜方等(2018)利用地震活动性资料反演得出陇县—宝鸡断裂带北部属于地震空区，而南部属于7级地震破裂区。在本文测量的6条测线中，固关—虢镇断裂上的测线位于陇县—宝鸡断裂带的北段的结论，而岐山—马召断裂上的测线位于该断裂带的南段。

岐山—马召断裂和固关—虢镇断裂在晚第四纪以来的活动性存在一定的差异：首先，岐山—马召断裂晚第四纪以来整体呈现为左旋走滑兼正断特征，速率约为0.5～1.2 mm/a(Li，2019)，而固关—虢镇断裂晚第四纪以来活动特征稍显复杂，整体呈正断兼走滑特征，水平走滑速率约为0.1 mm/a(薛峰，2014)。因此，岐山—马召断裂的活动性整体强于固关—虢镇断裂。其次，2条断裂均呈现为分段活动性各不相同的特征，其中关于岐山—马召断裂的分段活动性的资料比较丰富，最强的为该断裂的北段，滑动速率约为0.8～1.2 mm/a，而关于固关—虢镇断裂的分段活动性的研究较少，该断裂北段为晚更新世活动断裂，中段为全新世活动断裂(速率不超过0.12 mm/a)，南段为早中更新世活动断裂。由于各条断裂的活动性和破碎程度不同，导致它们的不同分段具有各向异性，使得断裂带不同地点的渗透性各不相同，进而影响土壤气的浓度和活动强度。

综合陇县—宝鸡断裂带6条跨断层测线的土壤气CO浓度、相对活动强度、碳稳定同位素组成等气体地球化学特征分析，可知岐山—马召断裂的4条测线均位于该断裂活动性最强的北段，CO气体相对活动性最强的为北端的草碧、南寨和转咀头测线，而南端的大塬测线气体相对活动性最弱，表明该断裂北段的活动性由北向南呈现为减弱的特征。固关—虢镇断裂的殿咀测线位于该断裂的北段，八渡测线位于该断裂的中段，八渡测线的气体相对活动性强于殿咀测线，这一特征印证了中段为全新世活动断裂，其活动性要强于北段。岐山—马召断裂CO气体样品比固关—虢镇断裂具有稍多的深部物质来源，表明岐山—马召断裂地表浅部与地壳深部的连通性较好、断裂带闭锁程度较低，为深部流体向上扩散与运移创造了有利条件。殿咀、八渡测线位于整个陇县—宝鸡断裂的北部(挤压闭锁区)，南寨、转咀头、大塬测线位于南部(弱闭锁区)，总体而言，断裂闭锁程度较低、破裂程度较高的地区CO气体活动性较强，反之，则CO气体活动性较弱。综合上述资料可知，陇县—宝鸡断裂带北段同时具有气体活动性弱、闭锁程度较高、位于地震空区等特征，因此，北段未来发生地震的危险性比南段高。

5 结论

本文通过对陇县—宝鸡断裂带上6条跨断层测线的土壤气CO浓度、相对活动强度和碳同位素组成特征进行分析，得到以下结论：

(1)2018—2019年2期土壤气CO观测结果显示，八渡的CO浓度分布呈现为双峰式，符合正断层气体扩散模式特征；殿咀、草碧和大塬的CO浓度分布呈现为多峰型，符合走滑断层气体扩散模式特征；南寨和转咀头地区断裂东北盘的CO浓度高于西南盘，符合走滑兼正断层气体扩散模式特征。这一特征可为判定断裂性质提供气体地球化学方法的佐证。

(2)由于断裂带土壤气CO属于混合来源，所以需要同时结合体积浓度、相对活动强度以及碳同位素组成来对气体活动性特征进行综合判定。岐山—马召断裂的土壤气CO浓度和相对活动强度整体上强于固关—虢镇断裂；相对应地，岐山—马召断裂上的气体深部来源占比(0.02% ～ 0.31%)稍微高于固关—虢镇断裂上的气体深部来源(0.05% ～ 0.06%)，表明位于南段的岐山—马召断裂气体渗透性较高、地下构造连通性较好，而位于北段的固关—虢镇断裂气体活动性较弱、断层闭锁程度较高，未来发生地震的危险性较高。

感谢中国地震局第二监测中心季灵运研究员对文章提出中肯的建议，感谢中国地震局地震预测研究所刘兆飞对数据处理方法提出的建议，感谢评审专家给予宝贵的修改建议。