瑞昌—武宁活动断裂带土壤气地球化学特征*

鲍志诚，赵爱平，吕 坚，肖 健，周红艳，宁洪涛，汤兰荣，陈 浩

(1.江西省地震局 江西省防震减灾与工程地质灾害探测工程研究中心，江西 南昌 330013；2.江西省地震局，江西 南昌 330026)

0 引言

已有研究(汪成民等，1991；杜建国，康春丽，2000a，b；刘耀炜，2006；李营等，2009)认为地下气体组分(Rn、Hg、CO、H、He、CH等)能够客观、灵敏地反映地壳的应力、应变状态，因为地震孕育和发生过程中，地下物质迁移、能量释放和应力改变导致断裂带及其周边区域的气体地球化学场发生显著改变(King，1996；Baubron，2002；陶明信等，2005；Fu，2005；Ciotoli，2007；李营等，2009；杜建国等，2018；Chen，2019)。地震发生前后地下气体常表现出各种异常，映震效果显著，是地震前兆异常的主体，这使得气体地球化学方法及其手段在地震监测预报相关研究中得到广泛应用(杜乐天，2005；杜建国等，2018)。国内学者利用流动地球化学测量手段针对中国大陆主要地震带和大型构造带如张家口—渤海地震带、山西地震带、郯庐地震带、六盘山断裂带、鄂尔多斯西缘地震带、海原断裂带、南北地震带、天山断裂带、鲜水河断裂带等开展了大量气体地球化学观测和研究工作(李营等，2009；Li，2010，2013；Han，2014；崔月菊等，2016；周晓成等，2017；王喜龙等，2017；Chen，2018；杨江等，2019；张磊等，2018；Xiang，2020；Sun，2021)。

九江—瑞昌地区位于长江中游地震带。2005年九江—瑞昌5.7级地震后，长江中游地震带发生多次5级以上地震，进入新的5级以上地震活跃幕，赣北地区中等地震持续活跃，发生3.0～3.9地震24次，4.0以上地震3次，最大为2011年9月10日瑞昌—阳新4.9地震。而自2011至今该地区尚未发生中强以上地震，未来中强地震发震的危险性及紧迫性进一步增强，值得密切关注。目前，前人针对九江—瑞昌地区只开展了九江2井的地震水文地球化学相关研究(鲍志诚等，2019，2021)，关于瑞昌—武宁断裂带气体地球化学监测等相关工作尚未开展。因此，本文以瑞昌—武宁断裂带瑞昌段土壤气流动测量为基础，开展该断裂带气体地球化学特征研究，构建断裂带活动特征的气体地球化学判定指标，为探究土壤气浓度释放特征与地震活动性关系提供科学参考，也为九江—瑞昌地区震情跟踪及异常核实工作提供技术支撑。

1 研究区概况

在大地构造部位上，九江—瑞昌地区位于秦岭—大别造山带和扬子准地台两大地质单元的边界交接地带。研究区附近存在两条不同方向的重大(区域)断裂带，一条为NE向的庐江—广济断裂(郯庐断裂带南段)，另一条为NW向的襄樊—广济断裂。郯庐断裂带是中国大陆一条极为重要的断裂带，其活动性延续至今，为中国东部最大的近代地震活动带。其主干断裂沿秦岭—大别造山带的东南边缘延伸，终止于长江岸边的广济附近，南段切割并错移大别山带而构成断裂尾端。襄樊—广济断裂带是一条区域性深大断裂，构成了秦岭—大别造山南缘边界断裂构造带的东南部分，被认为是扬子地块与秦岭—大别造山带的分界线。九江地震区位于这两大地质构造单元的交界地带，构造背景十分特殊，具有中强地震发生的地质背景。

瑞昌—武宁断裂带位于赣西北地区，北起瑞昌盆地，经范家铺、横港等地向南至武宁及铜鼓以南，整体走向呈NE 40°～50°，长约150 km(曾新福等，2016)(图1)。该断裂形成于燕山期，发育于中—新元古届、古生界和三叠系，主要由一系列NNE和NE向断裂斜列分布而成。该断裂上测线附近的浅层物探结果显示，断层两侧基岩存在明显落差，中更新统砾石层存在不连续分布。根据物探解译结果在解译断层两侧布设了联合钻孔，发现更新统砾石层被错动数米，白云质灰岩形成数米的基岩陡坎，并且在钻孔中发现有断层破碎带。断层物质热释光年代样品测试结果显示该断裂在第四纪以来仍有过明显活动，属中更新世断裂，根据地层的错动判断该断层为正断层(中国地震局地质研究所等，2006)。在该断裂及周边地区发生过1575年3月5级、1995年4月4.9和 2005年11月九江—瑞昌5.7破坏性地震(图1)，其中九江—瑞昌5.7级地震是近几年来我国东部地区造成灾害最严重、损失最大的地震，造成13人死亡，直接经济损失20.4亿元人民币(吕坚等，2008；Han，2014)。因此，在该断裂上开展土壤气测量对深入认识瑞昌盆地的几次破坏性地震及该断裂的地震活动性特征具有重要意义。

图1 九江—瑞昌地区地质构造及测线分布概况(据曾新福等，2016)

2 布线和测量方法

2019年5月29—31日，课题组在瑞昌—武宁断裂带瑞昌段的桂林桥和伍家畈分别布置了2条流动观测测线，测线间距约为5 km(图1)，测点间距为50 m。课题组在野外现场测量了土壤气中的 Rn、CO含量，土壤湿度为40%～55%，土壤温度为25.5 ℃～33.5 ℃。测量时采用测氡仪、二氧化碳仪串联方式进行，抽气泵抽气通过过滤膜进入测氡仪，再进入二氧化碳仪，具体测量过程如图2所示。首先在各测点处打孔，孔径约为 30 mm、深度为 800 mm，取样器置于孔内，封住孔口，开始取样、测量。Rn气浓度使用Alpha GUARD P2000 测氡仪测定，仪器灵敏度为50 cpm/(kBq·m)，流量为0.5 L/min，仪器校准误差优于3%；CO气体浓度测量使用华云 GXH-3010E1E二氧化碳仪测定，测量范围为 0～1.000%，分辨率为 0.001%。测量前，用土壤气清洗采样气室，然后抽取土壤气，反复提压气室活塞，用薄膜过滤采样。测氡仪使用标准氡室进行校准，体积活动响应平均值为0.921。测量时为了消除Tn射气的影响，采取了两个措施：一是用长导管让Tn射气在进入仪器之前完成衰变；二是连续测量15 min，取静置、稳定后的8 min数据的平均值。本文还选取了郯庐断裂带中、南段上柯坦、肥东、泗县、重岗的流动测线测量数据用于对比分析，见表1。

3 测量结果

取断裂带上两条测线上对应测点的土壤气Rn、CO浓度的平均值作为各测点综合观测值，对数据进行 K-S 非参数检验，结果显示土壤气Rn、CO的浓度综合观测值均符合正态分布，因此取综合观测值的平均值作为各组分的背景值。为避免极值对背景值产生影响，剔除极值后取平均值作为相应组分活动背景值(Walia，2009；Zhou，2017)。本文将大于平均值加2倍均方差的值视为极值，以剔除极值后的背景值加均方差作为气体异常点判定下限即异常限(苏鹤军等，2005)。

图2 土壤气测量示意图

表1 研究区土壤气Rn、CO2地球化学背景测量结果

由表1可知，桂林桥测线的土壤气Rn、CO浓度均低于伍家畈测线，但两条测线上的土壤气Rn浓度释放大致呈中间高、两侧低的特征，断层位置均大致在桂林桥和伍家畈测点6和7之间，即断层附近土壤气释放高，远离断层的两侧逐渐降低，对断层破碎带的指示作用显著(图3a-1，b-1)。桂林桥测线第4、5测点土壤气测量数据显著下降，与测点钻孔湿度大、抽气受阻有关，且土壤气CO与Rn的形态一致性较好，但数据更为离散(图3a-1)。

已有研究表明，来源于断裂带深部的气体，其Rn浓度与 CO或 CH浓度具有正相关特性。如 Yang 等(2003)对中国台湾地区活动断裂上的Yan-Chao(YC)研究区和Chung-Lun(CL)研究区的泥火山气体研究发现，YC区具有壳源特征，CL区具有幔源特征。在YC区，CH作为载体将 Rn运移至地表；在CL区，CH和CO作为载气将Rn运移至地表。Ciotoli等(2007)对意大利 Fucino 盆地气体运移机制开展研究时发现 Rn与CO的浓度成正相关，认为Rn是通过 CO运移至地表的。Rn在运移过程中有相应的载体(如 CO、CH)则更易迁移(Etiope，Martinelli，2002；Ciotoli，2007)。Pearson相关系数显示(图3a-2，b-2)，桂林桥测线Rn与CO浓度相关系数为0.95(极强正相关)，伍家畈测线为0.65(强正相关)，图中阴影部分为置信带。说明桂林桥测线CO可能是Rn运移过程中的主要载体，而伍家畈测线Rn运移的载体可能具有多解性，而CO来源可能也相对复杂，这可能与该测线部分测点土壤覆盖层为耕地有关。

4 讨论

4.1 土壤气Rn浓度与断裂带活动性关系

土壤气中Rn的浓度受基岩类型、裂隙发育、区域构造应力场、运移载体、地下水等环境因素的综合影响(Sun，2018)，因此不同区域土壤气Rn浓度存在差异性。Rn浓度在断层不同位置的差异可能与Rn的运移机制、断层的破碎程度及闭锁程度密切相关。孙小龙等(2016)研究认为，Rn既可能来源于大气或浅层地表，也可能来源于地下深部，还可能来自于沉积地层中有机质的分解，甚至来源于地幔，其中来自深部的可能性与区域应力应变也有着密切的关系。桂林桥和伍家畈测线Rn浓度背景值分别为38 937 Bq/m和71 984 Bq/m，前者明显小于后者。如表1所示，与郯庐断裂带南段的柯坦相比，瑞昌—武宁断裂瑞昌段测线的土壤气Rn浓度相对较小，但与郯庐断裂带安徽段及江苏段相比土壤气Rn浓度明显更高(张扬等，2016；郑海刚等，2016；方震等，2019)。孟亚锋等(2019)研究认为郯庐断裂带中段(嘉山—郯城)处于闭锁状态，地震活动较弱，相比之下南段活动性更强，这与土壤气的测量结果基本一致。从土壤气Rn浓度分布可以看出，伍家畈测线存在异常的测点更多，土壤气Rn浓度水平也较高(图3b-1)。2005年11月26日，在瑞昌—武宁断裂带瑞昌段发生5.7级地震，震中位置靠近桂林桥剖面。笔者推断出现上述现象的原因与地壳下部还没有完全形成闭锁，且伍家畈测线断层愈合程度相对桂林桥更弱，有利于深部流体向上扩散与运移有关。

构造活动地区的断裂带土壤气中CO来源主要包括：地幔去气作用，碳酸盐变质、分解，有机质氧化，微生物和植物的呼吸作用，即壳幔成因、生物成因(Sugisaki，1983)。非火山地区的断裂带土壤气CO含量高，一般认为是由深断裂造成的，故CO常被作为判别构造活动和地震危险性的指示剂(Irwin，Barnes，1980；Annunziatellis，2003)。瑞昌—武宁断裂带桂林桥、伍家畈测线CO浓度背景值分别为0.81%、1.98%，明显高于郯庐断裂带安徽段的0.15%～0.91%(郑海刚等，2016；张扬等，2016)，这可能与测量时间及土壤覆盖层差异有关。本次测量在2019年5月开展，研究区正值春季，降雨较多，所以土壤湿度较高，同时，相比其他季节，该季节生物成因的CO更多。此外，部分测线经过耕地、微生物和植物的呼吸作用明显更强。桂林桥测线的CO浓度明显小于伍家畈，一方面可能是桂林桥测线破碎程度相对较高，导致剖面的渗透性较高，不利于CO的积累，另一方面可能是伍家畈测线地势低洼土壤湿度高，导致有机成因CO较多。

土壤气浓度与断层地下破裂程度密切相关，而断层不同位置的破碎程度常常有差异，进而表现为地层渗透率差异，最终表现为土壤气释放强度的差异。为了消除不同观测测线因断层活动和结构、气体源区、地质以及气候等因素的影响，常使用释放强度来表征断裂带土壤气释放特征(杨江等，2019)。一般被定义为测线中部测点平均值与测线两端测点平均值之比(主断面附近150 m范围是测线中部，之外是测线两端)。经计算桂林桥测线Rn、CO的分别为1.54和1.46，伍家畈测线Rn、CO的分别为1.35和1.08。虽然伍家畈测线Rn、CO浓度明显高于桂林桥测线，但释放强度却相反，说明桂林桥测线土壤气释放集中在测线中部，而伍家畈测线中部则与两端土壤气的释放相对一致。

桂林桥测线土壤气Rn与CO的浓度成极强正相关，暗示该测线的土壤气可能来自断层深部，而伍家畈测线的相关系数则低得多，暗示其土壤气来源复杂，具有多源特征。从Rn与CO的散点图(图3a-1，b-1)可知，桂林桥测线的Rn浓度随CO浓度快速增加，Rn 浓度的增加可能反映地壳深部信息；而伍家畈测线的CO浓度快速增加，Rn浓度变化相对缓慢，高浓度CO可能是部分测点因为耕种地中的微生物的呼吸作用形成CO并产生水平迁移所导致。

4.2 土壤气Rn浓度与b值的关系

值是重要的地震前兆指标之一。以往研究认为强震前先出现高值，然后下降，在下降过程中发震。低值异常区即未来强震的震源体(李全林等，1978)。值是古登堡和里克特提出的震级-频度(G-R)关系式中的系数(Gutenberg，Richter，1944)：

lg=-

(1)

式中：为震级；为≥(最小完整性震级)地震的累积频度；、为常数。

影响值的主要因素包括有效剪应力、介质的非均匀性以及温度、流体、构造条件等。花岗岩声发射实验研究显示：各变形阶段的平均值随应力增加而系统性减小，即值与应力呈反比关系，实际地震研究中值的趋势性降低可能表征研究区所处环境应力的增强。

本文选取1980年1月—2020年12月赣北地区2.0～5.0地震进行值计算，计算时震级分档间隔取0.1，每个统计单元内的地震样本数不少于30，参与拟合的有效震级分档数不低于5档。按0.1°×0.1°的间距将研究区网格化，统计单元的半径取20 km，对于地震分布较稀疏的局部区域，扩大值，最大不超过40 km，计算结果如图4所示。图4显示，赣鄂皖交界的九江—瑞昌地区构造活动趋于增强，并形成了以瑞昌盆地为中心的低值、高应力区，区域应力的积累持续增强。伍家畈剖面的氡浓度明显高于桂林桥剖面，可能与其构造活动性更强、应力积累更充分有关，这与值空间分布吻合。

与郯庐断裂带中南段及唐山断裂带等重大断裂带相比，瑞昌—武宁断裂带土壤气Rn、CO释放强度较高，说明研究区总体构造活动趋于加强，这与研究区内已形成的以瑞昌盆地为中心的低值、高应力区结果相一致。综上所述，断裂带附近土壤气浓度高，特别是土壤气Rn可能主要受断裂构造活动及区域应力增强控制，说明气体高值是断裂存在的表征且能有效地指示断裂破碎带位置。对于Rn、CO气体定量化的来源及贡献，尚需进一步对溶解气体He、He与δC组成特征开展分析研究。

图4 赣北地区b值空间分布

5 结论

本文通过对瑞昌—武宁断裂瑞昌段桂林桥、伍家畈两条测线29个测点的土壤气开展流动野外测量，分析了该断裂带土壤气释放及地球化学特征，同时结合赣北地区值空间分布图，讨论了断裂带土壤气释放特征与构造活动的内在关系，得到以下结论：

(1)桂林桥、伍家畈两条测线土壤气 Rn和CO的地球化学背景值分别为 38 937 Bq/m、0.81% 和71 984 Bq/m、1.98%；Rn 和 CO地球化学背景场明显呈现西南高、东北低的空间分布特征。

(2)通过数据测量，并结合测点土壤覆盖层实际情况开展研究，发现土壤气中各组分来源和浓度值所受的影响因素不同。Rn浓度可能主要受到区域内岩石地球化学因素影响，主要来源于地下深部；CO来源相对复杂，可能含有来自地壳浅层的成分，例如伍家畈测线地表破碎程度和微生物活动是影响CO释放的主要因素。两条测线的CO和Rn均达到了强相关，说明CO是Rn迁移释放的载气。桂林桥测线的Rn和CO释放强度略高于伍家畈，这种浓度空间释放特征的差异可能主要是震后断层愈合程度不一样所致。总体而言，瑞昌—武宁断裂带附近土壤气浓度高，说明气体高值是断裂存在的表征，且能有效地指示断裂破碎带位置，特别是土壤气Rn可能主要受断裂构造活动及区域应力增强的控制。

国家自然灾害防治研究院刘耀炜研究员及审稿专家对本文的撰写提供了帮助，在此一并表示感谢！