河南省汤阴地堑南部土壤H2浓度及其与构造关系

胡 宁,娄露玲,马志敏,王明亮,张宝山,王 宇,陈 蒙,郭德科

(1.河南省新乡市防震减灾中心,河南 新乡 453000;2.河南省新乡市第一中学,河南 新乡 453000;3.河南省地震局,河南 郑州 450000)

0 引言

H2广泛存在于包括超基性岩蛇纹石化、海底热液作用、火山与地震活动、断裂活动等在内的各类地质环境中[1-6]。其作为质量最轻的气体,扩散速度快、移动能力强,能对地壳中较小的扰动作出快速反映[7],通常被当作地震活动的有效指标而用于构造活动监测。在地震活动中,H2浓度往往出现同步异常或者作为前兆异常指示地震活动,Ito等[8]在日本中部Yoro-ise断裂带观测到当地微震和半径25 km的中强度地震前H2浓度显著增加。Voitov等[9]在地震发生前几个月内观测到土壤H2浓度以每天0.2～0.5 ppm的速率连续增加,而在地震发生时H2浓度剧烈增加。堪察加半岛南部的土壤H2浓度连续观测结果也显示,土壤H2浓度脉动和地震活动之间呈显著正相关关系,相关系数大于0.99,H2浓度脉动后的2～4周内有相应的地震活动发生[10]。土壤H2浓度对地震活动的反映被认为是构造应力导致岩层对吸收和吸附H2的释放作用[11]或者是构造应力导致岩层产生新生破裂面,水与新鲜矿物之间的水岩作用生成H2并释放[12-13]。此外,生物化学作用也是土壤中H2来源的重要方面,土壤中有机质厌氧分解、发酵,以及氧化环境中的微生物固氮作用等均能产生部分H2[1]。断裂带由于其高渗透性是不同来源H2释放的天然通道,活动断裂中的H2浓度常常高于非地震活动断裂。Wakita等[14]和Sugisaki等[12]在日本开展的观测实验发现H2浓度和断裂带及其活动性关系密切,一些断裂带H2浓度高达9.36%。在相关断裂带开展的H2、He的联合观测表明,部分H2来源于地球深部,地表土壤高浓度的H2与深部断裂密切相关,断裂带是深部H2向地表运移的重要通道[15]。鉴于H2的性质以及其浓度与构造间的渊源关系,H2也被认为是构造探测的有力工具,能指示断裂的位置、规模、构造变形性质以及活动程度等特征[16-19]。

虽然H2在构造探测方面具有明显的优势,但其在活动断层探测方面的应用更多的受制于地壳地球物理条件、地质构造特征以及覆盖层介质的物性状况等方面；同时土壤气监测结果还受到温度、气压、降水量以及土壤湿度等因素的影响。在缺乏翔实的地球物理探测资料的前提条件下,气体地球化学探测结果与地质构造间的关系往往较模糊。汤阴地堑处于隆起与沉降过渡区域,地理环境特殊,构造复杂。汤阴地堑南部依托广泛开展的城市活动断层探测项目,已积累了大量而丰富的地球物理探测资料。在气体地球化学方面,目前在该地堑边界断裂——汤东、汤西以及安阳南断裂已开展了土壤H2浓度相关研究,土壤H2浓度能够敏感指示断裂位置,且三条断裂带之间H2活动背景差异明显[19-20]。为进一步了解不同断裂带之间气体活动背景之间的差异,需要对汤阴地堑土壤H2的空间分布特征及其与构造之间的关系进行深入研究。本文拟通过在汤阴地堑南部网格化布点并现场测量H2浓度的方法,分析土壤H2浓度的空间分布特征,阐明不同断裂断裂带以及不同区域气体活动情况,揭示其与构造、岩性、覆盖层厚度等之间的联系,进一步充实气体构造地球化学观测的基础,为本区域的气体地球化学监测以及防震减灾相关工作提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

汤阴地堑位于太行山隆起区和华北平原沉降区的交接部位。汤阴地堑是太行山隆起和内黄隆起间的一个北东向凹陷,其东西边界分别受汤东和汤西断裂控制,南北分别以新乡—商丘断裂和安阳断裂为界限。受北北东—北东向断裂控制,新构造时期形成北东向地堑,基底为三叠系,主要发育于古近纪,最大沉积厚度达2 500 m;新近纪以后,在整体下沉的基础上,具继承性下降的趋势,最大沉积厚度约800 m,其中第四系沉积厚度较薄[21]。汤阴地堑及其两侧的地层岩性和沉积层厚度差别巨大,西部太行山区,地表主要出露太古界、元古界震旦系、古生界寒武系、奥陶系、石炭系和二叠系,局部为中生界地层;东部丘陵及平原区主要出露新近系和第四系[22]。

新乡市活断层探测资料表明(图1)[21],研究区内主要断裂带为汤西断裂带(F1)、汤中断裂带(F2)、汤东断裂带(F3)以及新—商断裂带(F4),除汤西断裂有局部露头之外,其余均为隐伏型断裂。其中,汤西断裂是一条走向NEE、倾向SE的高角度正断层。在研究区卫辉市代村十里河桥下有出露,该处槽探结果表明其最新活动时代为中更新世,在隐伏区的浅层人工地震显示其可分辨的上断点埋深65～200 m。汤中断裂为汤阴地堑内部一条走向NEE、倾向SE的正断层。浅层人工地震探测结果表明其可分辨的上断点埋深135～180 m,其最新活动时代为早、中更新世。汤东断裂为汤阴地堑东边界,是一条走向NNE、倾向NW的铲型正断裂。跨断层联合钻孔结果表明其上断点埋深77～114 m,最新活动时代为晚更新世早期。此外,深地震反射剖面表明,汤东断裂下方存在一条高角度断裂带,其切割了岩石圈底界,属于岩石圈尺度的深大断裂,存在大地震发生的构造背景。344年卫辉东M6、1737年封丘M5、1814年汤阴M5、2008年封丘ML4.8等地震活动均与汤阴地堑边界断裂活动密切相关。

(F1：汤西断裂；F2：汤中断裂；F3：汤东断裂；F4：新商断裂；F5：盘古寺断裂；F6：凤凰岭断裂；F7：朱营断裂；F8：薄壁断裂；F9：九里山断裂；F10：百泉断裂。底图据中国地震局地球物理勘探中心[21]1∶25万地震构造图)图1 研究区地质构造及土壤H2浓度分布Fig.1 Geological structure map and distribution of H2 concentration in soil gas in the study area

1.2 研究方法

在汤阴地堑南部,布设土壤气观测网格,测点间距约1.5 km,共计布设观测点380个(图1)。采用野外流动观测的方法于3月底至4月底进行土壤H2浓度测量。野外观测时段研究区气象条件相对稳定,新乡市辖区平均气温为13.1～18.8 ℃ ,降水量为11.7～60 mm,观测期间避开降雨时段,以减小降水对观测结果的影响。全部测点使用同一台便捷式测氢仪进行野外观测,仪器型号为杭州超距ATG-300H,检出限为5×10-9L。测量前按照仪器维护要求对仪器进行校准,仪器校准误差小于5%。测量时先用钢钎在测点并列打两个深度约为80 cm的钻孔,将气体取样器置于孔内,封住孔口,用硅胶管连接便携式测氢仪,现场测定H2浓度。由于土壤层气体释放不稳定,监测过程中观测数据不断变化,因此在每测点(15 min)获取5个H2观测数据。在数据分析处理时取最大值作为观测值并用ArcGIS10.2、EXCEL、SPSS软件对数据进行统计分析处理。

2 结果分析与讨论

2.1 汤阴地堑南部土壤H2分布征

累计频率散点图展示了汤阴地堑南部380个土壤H2浓度监测结果(图2)。H2浓度分布范围较广,介于(0.26～175.5)×10-6,平均值与标准差分别为18.19×10-6、25.63×10-6。在累计频率图上,用图形统计方法[23-25]将研究区380个H2浓度观测结果划分成若干部分,每一部分代表不同的气体来源或者气体浓度受不同的控制因素影响。从图中可以看出,累计频率曲线存在2个明显的拐点,分别为5.13×10-6与68.72×10-6。据此,将整个观测结果划分为3个部分,分别为A、B、C,占比分别为33%、63%、4%,各部分H2均值列于表1。其中A部分H2浓度值较低,在累计频率图上基本上不与B、C部分重叠,代表研究区H2浓度低值区,占全部数据的33%。而B、C分别代表研究区H2浓度的正常背景和来自断裂带的高值异常。从累计频率图上可以看出B部分的高值组分与C部分的低值组分叠合,因此从C部分取累计频率大于2%的值作为异常阈值下限,浓度为57.30×10-6,相应地从B部分取低于98%的值作为背景值,浓度为49.76×10-6。因此,研究区H2浓度低于5.13×10-6的部分作为偏离背景的低值区域,浓度值介于(5.13～49.76)×10-6的为背景值,代表研究区H2正常活动背景。浓度值高于57.30×10-6的部分为异常值,H2主要来源于断裂带,而浓度值介于(49.76～57.30)×10-6的部分为背景值与异常值的混合。

图2 土壤H2浓度-累计频率散点图Fig.2 Scatter diagram of H2 concentration in soil gas and cumulative frequency

表1 研究区不同来源H2比例及均值统计Table 1 Proportion and mean value of H2 from different sources in the study area

以5.13×10-6、49.76×10-6及57.30×10-6为分界点将研究区380个H2浓度监测结果也展示于图1中。H2浓度低于5.13×10-6的测点主要分布于研究区西部第四系等厚线小于50 m的区域,该区域位于太行山隆起与汤阴地堑的过渡区,太行山前前寒武系变质岩以及寒武系、奥陶系灰岩大面积出露,第四系覆盖层较薄,呈不连续分布状态。H2分子量小、质量轻、移动速度快、渗透能力强,不易在地质体中存储,而西部地区第四系覆盖层普遍较薄且呈不连续分布的特征造成了该区域H2浓度值整体偏低。另外一小部分低值集中分布于研究区东北部,该部分气体监测点位于古河道影响区域,砾石层广泛分布,覆盖条件不利于H2的积累,形成了浓度低值区。

H2浓度高于57.30×10-6的测点主要分布东部地区(第四系等厚线大于50 m)的汤中断裂带、汤东断裂带及其邻近区域,此部分H2主要来源地壳深部。断裂带的高渗透性为深部气体向地表运移提供优越条件,断裂带是深部气体运移天然通道,在此区域易形成浓度高值异常带。研究区H2浓度高值异常点除沿汤中、汤东断裂带分布外,还在研究区中部形成了一条北东-南西向高值异常条带,可能是隐伏断裂的反映。而浓度介于(49.76～57.30)×10-6的测点主要在高值异常点邻近区域分布,充分表明了此部分H2是断裂带来源与背景区域来源气体的混合。

2.2 主要断裂带H2浓度特征

基于本文网格化均匀布点的野外测量方法,在考察断裂带土壤H2活动特征时,以各主要断裂带为中心,取东西各1.5 km范围内的测点值来进行统计分析,以衬度(大于异常阈值下限部分的平均值/背景平均值)表示各断裂带气体活动程度。考虑到H2浓度小于5.13×10-6的测点受地表沉积特征影响较大,其浓度值低于正常背景值,故在计算背景平均值时去除了浓度小于5.13×10-6的低值部分,即扣除上述分析的A部分。

各主要断裂带H2浓度统计特征列于表2,其中,汤西断裂带土壤H2浓度最大值、平均值以及背景均值均较低。方差分析表明,汤中断裂、汤东断裂H2浓度显著高于汤西断裂(p<0.05),而汤中、汤东断裂带H2浓度差异不明显。用箱型分析图(图3)确定各主要断裂的异常阈值下限,汤西、汤中、汤东断裂的异常阈值下限分别为35.20×10-6、113.30×10-6、43.24×10-6,衬度分别为:4.68、4.86、5.66。主要断裂带的H2活动程度表现为:汤西断裂带<汤中断裂带<汤东断裂带。

表2 各主要断裂带H2浓度特征Table 2 Characteristics of H2 concentration in main faults

2.3 土壤H2空间分布与构造的关系

运用ArcGIS10.2的统计分析模块,采用径向基函数规则样条空间插值方法进行统计分析，生成土壤H2空间等值线图(图4)。研究区东部H2浓度等值线高值中心基本上沿汤中、汤西断裂带分布,其高值中心连线和断裂带走向基本一致,反映出断裂构造对土壤H2释放具有重要意义。而西部地区受地表沉积特征的影响,H2浓度虽然整体偏低,但依然能看出,相对较高的值仍然分布在汤西断裂带及其附近的区域,显示出构造的控制作用。

断裂带的存在增强了岩层及土壤的渗透性,为地下不同来源气体的迁移提供了良好的通道。众多的土壤H2观测实践表明,H2浓度高值异常与断裂带关系密切,在一些断裂中观测到H2浓度比背景值高出10～50倍[7],断裂带是地壳深部H2向地表扩散运移的理想通道,构造对气体释放具有重要的控制作用。本文的观测结果也表明,在断裂带附近土壤H2均表现出高值异常,断裂带的走向与气体高值中心点连线基本一致,显示了断裂带对土壤气释放的支配作用。图4给出了“新乡市活断层探测与地震危险性评价”项目在本次土壤气监测区内布设的浅层人工地震测线[21]。对比分析发现,在中东部地区气体高值中心与人工地震显示的断点之间有较好的对应关系。但个别断点或断裂带附近H2浓度值较低,这可能是由走滑断裂的性质决定的,走滑断裂往往不是连续结构,而是由不同几何复杂性分隔的连续段组成[26],段与段之间往往形成不同等级的剪裂隙,在这些部位深部气体容易释放,形成高值异常,造成高值中心在断裂带上断续分布,而在其他部位由于走滑构造变形使破裂面局部被断层泥等细粒物质胶结闭合,气体不易逸散,导致部分断点H2浓度没有出现异常高值。

图4 汤阴地堑南部土壤H2浓度等值线图Fig.4 Contour map of H2 concentration in southern Tangyin graben

从研究区内各主要断裂带土壤H2释放强度来看,汤中、汤东断裂带土壤H2浓度显著高于汤西断裂。从H2浓度异常衬度来看,表现出汤西断裂带低于汤中、汤东断裂带。汤西断裂带H2浓度各项统计参数的低水平固然与地表覆盖状况和沉积特征有关,但从根本上讲还是受控于研究区各主要断裂带的构造活动背景。“新乡市活动断层探测及地震危险性评价”项目在研究区进行较为详尽的地球物理勘探,主要地球物理勘探点如图4所示[21]。该项目在汤西断裂带十里河桥下的断层出露点进行的探槽(图4)探测结果揭示,该处中更新统地层与汤西断裂呈断层接触,全新统覆盖于断裂带之上,该断裂带在中更新世有过活动。该断裂带南部(研究区之外)的浅层人工地震结果显示,汤西主断裂错断第四系底界,可分辨的上断点埋深75 m。汤中断裂带浅层人工地震表明,主断裂断点FP23、FE9(图4、5中测线Ⅱ、Ⅲ)分别错断中更新统底界与第四系底界,上断点埋深分别为145 m、180 m,表明汤中断裂带活动时代为早、中更新世。而汤东断裂带的浅层人工地震显示,主断裂断点FP27、FX9、FP16(图4、5中测线Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)均错断中更新统底界,相应地上断点埋深分别为90 m、110 m、90 m。而断点FP13(图4中测线Ⅴ)错断上更新统底界地层,相应地上断点埋深为50 m。该断裂带上的两条跨断层联合钻孔(图4)结果表明,南部张河村剖面主断裂错断层位为中更新统第4段底界,上断点埋深为103 m。北部邢李庄剖面(图4)主断裂错断层位为上更新统第1段底界,上断点埋深为77 m。表明汤东断裂带最新活动时代为晚更新世早期。同时,深地震反射剖面(图4中测线Ⅵ)反映的汤阴地堑南部深部孕震环境显示,汤东断裂下方存在一条高角度、切割了岩石圈底界的深大断裂,汤西断裂与汤中断裂分别在8～10 km和5～6 km深度处收敛归并到汤东断裂上,其最大下延深度为20 km。深大断裂的存在为上地幔物质上涌提供了通道,热物质上涌的底侵或热侵蚀作用导致中下地壳部分物质熔融,与汤阴地堑深部构造相关的两条深地震测深剖面也显示在汤阴地堑东侧的中下地壳中存在低速层[22,27-28],这些低速层可能就是热物质上涌的证据。因此,从浅部构造状态和深部孕震环境来看,汤东断裂带规模大、埋藏深度小、切割深度深,其活动性最强,公元344年卫辉东M6震中位于该断裂带东部10 km处。汤东断裂下伏深大断裂的存在为深部来源气体的运移提供了良好通道。在有利的深浅构造组合条件下,不同来源的H2沿断裂带向上扩散迁移,在地表形成H2浓度高值异常。各主要断裂带H2浓度异常及异常衬度是研究区构造活动背景的反映。

图5 浅层人工地震剖面Ⅱ、Ⅲ解释断点Fig.5 Interpretation breakpoints of shallow artificial seismic profiles Ⅱ and Ⅲ

此外,研究区土壤H2浓度空间分布等值线图(图4)还显示出,在研究区出现了一条北东-南西走向的土壤H2浓度异常条带。如上述论述,H2浓度高值异常与断裂带关系密切,由此推测该区域可能存在一条北东-南西向隐伏断裂。从地质构造图可以看出,在异常条带所在区域第四系等厚线较密集、梯度较大,表明第四系地层厚度变化较剧烈,存在断裂构造活动的可能。同时,在研究区及其邻近区域,历史上共发生M6地震两次,分别为公元344年12月卫辉东M6和1587年4月修武东M6。两次地震分别位于H2异常条带两端,距离本研究区边缘分别为5 km、15 km,两次地震震中连线与异常条带近乎完美重合,地震活动或许与推测隐伏断裂有关。从1970年以来的中小地震活动情况来看,研究区小震活动主要集中分布在断裂带附近,其中东部地区的部分小震活动呈近似条带状分布,该条带与土壤H2浓度异常条带近乎一致,这从小震活动方面也佐证了推测断裂的存在。此外,从研究区构造应力场角度讲,存在发生北东—南西向隐伏断裂的力学基础。研究区及其附近中小地震震源机制力轴张量反演结果表明[21],最大主应力方位为77°,最小主应力方位163°、且最大最小应力轴接近水平。表明研究区存在NNE向近水平挤压的构造应力场。从断层运动的力学机制角度来讲,在NEE向近水平的主压应力作用下,NNE向的汤西断裂、汤东断裂发生右旋走滑变形,在地堑内部必然产生近南北向的拉分作用,从而在新乡与卫辉之间易发生ENE向张性走滑构造变形。

3 结论

汤阴地堑南部土壤H2浓度介于(0.26～175.5)×10-6,依据其气体来源可以划分为A、B、C三个部分,A部分气体受地表沉积特征影响浓度较低,C部分受断裂构造的影响浓度表现为高值异常。研究区H2浓度分布空间上表现为西部低于东部,高值异常点主要沿汤中、汤东断裂带分布,汤西断裂带虽没出现高值异常,但H2浓度相对高值仍然在断裂带及邻近区域,反映了构造对H2释放的控制作用。研究区主要断裂带H2浓度表现为汤西断裂带显著低于汤中、汤东断裂带,异常衬度表现为汤西断裂带、汤中断裂带小于汤东断裂带。结合研究区地球物理探测资料分析认为H2浓度及异常衬度是构造活动背景的反映,深部来源的H2通过深大断裂及有利的深浅构造组合向地表扩散迁移,在断裂带上覆土壤层形成浓度高值异常,H2能有效用于汤阴地堑南部断裂活动监测。同时,需要对研究区出现的由北东-南西向H2浓度异常条带推测的隐伏断裂开展进一步深入研究。