斷層逸出氣測量在活動斷裂研究中的應用

摘要：從斷層逸出氣測量應用于活動斷裂研究的工作原理、研究方法及技術思路入手，對沂沭斷裂帶、海原8.5級地震斷裂、鮮水河斷裂帶和山東平原地區活動斷裂等的斷層逸出氣進行系統地分析、對比和研究，探討了斷層逸出氣與斷層活動性和貫通性之間的關系，及其在斷層幾何學研究和平原地區活斷層探測中的應用等問題。結果表明：斷層逸出氣Rn，Hg的含量和變化梯度可以作為評價斷層活動性和貫通性的參考指標，斷層逸出氣測量為斷層幾何學和運動學研究提供了一種快捷方便的探測方法，是確定隱伏斷層具體位置的有效手段之一。

關鍵詞：斷層逸出氣;活動斷裂;斷層活動性;斷層幾何學;平原地區

中圖分類號：P315.724文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2020）04-0620-10

0引言

地殼在應力作用下發生形變和破裂（郭增建，秦保燕，1979;馬瑾，1987;Scholz，1996;馬勝利，馬瑾，2003），產生地震和斷裂（韓竹軍等，1996;王彥斌等，2000;付碧宏，王萍，2009）。在這一過程中，地殼內巖體、流體中伴隨著能量的傳遞和物質的交換（汪成民，李宣瑚，1991a），地下流體的某些化學組分對此會有靈敏的反映（蔡祖煌，1986;張煒等，1987;李彤起等，1990;耿杰，張昭棟，1997），并通過活動斷裂在地表顯示出來（朱宏任等，1988;趙振燊等，2011），被稱為斷層逸出氣（汪成民等，1991a）。斷層逸出氣為獲取地殼深部信息（馬弗良諾夫，1981;張煒等，1988;劉耀偉等，1989）、確定斷層空間分布（張慧等，2010;韓曉昆等，2013）、研究斷層活動特征和運動習性等提供了探測窗口（王華林等，1991a;孟廣魁等，1997）。

測量斷層逸出氣和深部溢出物質是地球化學勘探中用于尋找礦床、地熱和油氣資源的有效方法之一。20世紀80年代至今，為了尋求斷層逸出氣測量在地震科學和斷層活動性研究中的可能性，國內外學者相繼在美國的圣安德烈斯斷裂（King et al，1996）、日本的Yamasaki斷裂（Wakita et al，1980）、意大利的Pernicana斷裂（Giammanco et al，1998）和我國的阿爾金斷裂帶（張必敖等，1987）、鮮水河斷裂帶（朱宏任等，1988;陳建民等，1991）、海河隱伏斷裂（邵永新，2007）、海原斷裂帶（姜大庸，閻賢臣，1990）、瑪曲斷裂帶（趙振燊等，2011）、夏墊斷裂（韓曉昆等，2013）、西秦嶺北緣斷裂帶（李晨樺等，2016）、郯廬斷裂帶（鄭海剛等，2016;張揚等，2016;耿杰等，2018）等開展了許多卓有成效的工作，如利用斷層逸出氣測量探測斷層的位置、研究斷層活動性和斷層幾何學、評價斷裂地震危險性等，取得了許多有價值的認識、成果和進展。

在前人研究工作基礎上，本文簡要介紹了利用斷層逸出氣研究活動斷裂的工作原理、研究方法及技術思路，通過對沂沭斷裂帶（汪成民等，1988，1991b;耿杰等，2018）、海原8.5級地震斷裂（姜大庸，閻賢臣，1990）、郯城8.5級地震斷裂（汪成民等，1988）、鮮水河斷裂帶（朱宏任等，1988;陳建民等，1991）和山東平原地區活動斷裂（王華林等，1991b）的斷層逸出氣進行系統分析，探討了斷層逸出氣與斷層活動性和貫通性之間的關系、斷層逸出氣在斷層幾何學研究和平原地區活斷層探測中的應用等問題。

1基本原理、研究方法及技術思路

地球被視為一個新陳代謝的活體，是一個巨大的、復雜的、可以與外界交換能量的開放系統，地球逸出氣是探索地球內部構造、地震和火山活動的重要窗口。構造運動是地殼活動的標志，正在活動的斷層又是構造運動最突出的部位，它與地震的發生有著十分密切的關系。由于斷裂破碎帶內充填物少、未膠結、連通性好，往往成為地下深部流體的通道。而活動斷裂又常常是地下水活動和儲存的場所，也是天然氣體儲存和富集的有利場所（蔡振業，劉永建，1991）。深部地下流體沿著斷裂帶向上運移和富集，在斷裂帶上方覆蓋層形成了漏斗形的斷層逸出氣體異常暈（張煒等，1987）。馬弗良諾夫（1981）的研究結果表明，一些深大斷裂附近出現了明顯的汞蒸氣濃度的異常，而最高的濃度出現在地震活動最多的深斷裂區。大量的測量和研究成果表明，活動斷裂上方會出現斷層逸出氣異常帶（圖1），可以利用氣體地球化學測量方法確定斷裂位置和斷層活動性。因此，斷層逸出氣成為獲取地殼深部信息、確定斷層空間分布、研究斷層活動特征和運動習性、捕捉斷裂活動和地震前兆的窗口。這是斷層逸出氣在活動斷裂研究中應用的基本原理。

利用斷層逸出氣研究活動斷裂的方法和步驟如下：

（1）在綜合分析探測區域地質構造條件和場地測試條件的基礎上，選取典型活動斷裂和適宜的斷層逸出氣測量儀器和設備，選擇合理的測量點距和測項，進行點面相結合的斷層逸出氣測線和測網布設，開展斷層逸出氣取樣、觀測，獲得可靠的資料。這是斷層逸出氣應用于活動斷裂研究中的重要基礎。

（2）采用合理的數據處理方法，獲得斷層逸出氣測值剖面曲線和平面分布圖。通過斷層活動時代、斷層活動強度、斷裂切割深度和地震活動與斷層逸出氣峰值曲線對比，研究斷層逸出氣含量和變化梯度與斷層活動強度、活動時代、貫通性和地震活動的關系。

（3）通過斷層逸出氣含量、變化梯度曲線和平面分布等值線圖與活動斷層幾何分布圖對比，研究斷層幾何學、運動學與斷層逸出氣的關系。

（4）平原地區活動斷裂研究遵循技術思路：①在平原地區選取典型活動斷裂，進行斷層逸出氣測量（Rn，Hg等氣體），確定活動斷裂位置并初步評價斷裂活動性;②在斷層逸出氣測量確定的活動斷裂兩側布設鉆孔聯合剖面，在鉆探過程中進行巖芯編錄，包括地層的顏色、成份、顆粒大小、含水程度和化石情況等，取14C和釋光樣品（TL等）進行年代測試;③通過活動斷裂兩側的地層層位、巖性、巖相和年代樣品對比，確定斷層的活動量、性質和時代，從而使平原地區活斷層研究定量化。

2斷層逸出氣與斷層活動性和貫通性關系一般認為原生Hg直接來源于地幔，在地幔物質的長期分異過程中，由于Hg具有較高的揮發性，會沿深部斷裂活動和運移，在深大斷裂上部附近富集。通常人們把Hg作為可以反映斷層活動特征和深部貫通性的元素（劉耀煒等，1989）。H2化學性質比較穩定，不具有揮發性，是揭示巖石新鮮破裂程度最直接的氣體，可作為斷裂活動的元素。在強活動斷層和強震中區往往出現高Rn異常，通常把Rn作為反映應力集中程度的元素。因此，斷層逸出氣Rn，Hg和H2的含量和變化梯度可以作為評價斷層活動性和貫通性的參考指標。

2.1沂沭斷裂帶

沂沭斷裂帶是郯廬斷裂帶最為活動的段落，主要由4條斷裂組成，自東向西依次為昌邑—大店斷裂（F1）、安丘—莒縣斷裂（F2）、沂水—湯頭斷裂（F3）和鄌郚—葛溝斷裂（F4）。沿沂沭斷裂帶最為活動的安丘—莒縣斷裂上發生過公元前70年安丘7級地震和1668年郯城8.5級地震（圖2）。通過對汪成民等（1988）在沂沭斷裂帶上完成的12條斷層逸出氣測量剖面和耿杰等（2018）在安丘—莒縣斷裂上完成的4條斷層逸出氣測量測線上的斷層逸出氣曲線進行分析、對比和研究，獲得如下認識：

（1）活動斷裂斷層逸出氣釋放量大小可以作為斷裂活動強度的判定指標。沂沭斷裂帶上12條剖面斷層逸出氣釋放量曲線（圖3）顯示，F2+5斷裂的何莊至岌山段，即1668年郯城8.5級地震斷層段斷層逸出氣峰值最大，斷裂活動性最劇烈（圖3b）。F2+5斷裂斷層逸出氣釋放量由南向北逐漸變小，與斷裂活動時代由新到老一致，即F2+5斷裂南段全新世活動向北段過渡到晚更新世活動。同時發現組成沂沭斷裂帶的4條斷裂（圖3a）中，逸出氣釋放量的大小順序為F2+5（峰值為303脈沖/2 min）、F1（峰值為271脈沖/2 min）、F3（峰值為141脈沖/2 min）、F4（峰值為40脈沖/2 min）。其中，F2+5斷裂斷層逸出氣釋放量最大，與地震地質調查、14C絕對年齡測量和地震活動分析結果（王華林等，2017）一致。沂沭斷裂帶東地塹2條斷裂（F1和F2）的活動強度大于西地塹2條斷裂（F3和F4）;沂沭斷裂帶東地塹兩條斷裂活動時代較西地塹兩條斷裂新。

（2）斷裂活動性質和活動強度不同，可以產生不同的構造組合和裂隙分布，從而控制著跨活動斷層測線的地球化學測項測值分布特征。安丘—莒縣斷裂上4條斷層逸出氣曲線顯示（耿杰等，2018），跨公元前70年安丘7級地震斷裂活動段的眉村和安丘測線的地球化學組分最大測值分別為：CRn為89.61～203.29 kBq·m-3，CCO2為0.55%～1.45%，CH2為117.20～287.20 ppm;跨1668年郯城8.5級地震斷裂活動段的嶺泉和麥坡測線的地球化學組分最大測值分別為：CRn為57.80～165.04 kBq·m-3，CCO2為1.45%～2.43%，CH2為389.90～634.70 ppm。汪成民等（1991a，b）研究發現，CRn和CH2可分別作為應力集中和斷裂貫通性的指標，一般CRn值越大，應力集中越強;CH2值越大，斷裂貫通性越好。分析認為，安丘段的應力集中高于郯城段，而郯城段的斷裂貫通性高于安丘段。

（3）在相同的斷裂活動段上，正斷層斷層逸出氣釋放量大于逆斷層斷層逸出氣釋放量。通過對安丘—莒縣斷裂上的4條斷層逸出氣曲線研究還發現，眉村和嶺泉測線為跨正斷層測線，安丘和麥坡測線為跨逆斷層測線，跨正斷層測線的CRn，CCO2和 CH2最大測值總體高于跨逆斷層測線測值。這是因為正斷層產生于引張應力環境，逆斷層產生于擠壓應力環境，引張應力環境更有利于張裂隙的產生，形成地球化學組分的運移通道，而擠壓應力環境更有利于裂隙的閉合，但不利于張裂隙的產生。

2.2鮮水河斷裂帶

鮮水河斷裂帶位于青藏高原東南緣的四川西部地區，是一條NW走向的弧形左旋走滑斷裂帶。曾發生過1816年爐霍7級和1973年爐霍7.9級大地震。沿鮮水河斷裂帶各段都保存有清晰而完好的地表破裂變形帶。將朱宏任等（1988）和陳建民等（1991）沿鮮水河斷裂帶進行的斷層逸出氣研究成果與斷裂和地震活動資料進行對比研究，認為斷層逸出氣Rn和Hg的含量和變化梯度可以作為評價斷層活動性和貫通性的參考指標。

綜合前人研究資料，繪制鮮水河斷裂帶斷層逸出氣測量平面、剖面與地震分布圖（圖4）。圖4顯示，侏倭—爐霍段Hg峰值為900～1 200 ng，Rn異常值為60脈沖/2min，發生過1816年爐霍7級和1973年爐霍7.9級大地震;道孚段Hg峰值為300 ng，Rn異常值為55脈沖/2min，發生過道孚6.9級大地震;中谷段Hg峰值為150 ng，其附近近年無大震記錄。綜上，斷層逸出氣Rn和Hg的含量大小與地震活動強度具有良好的對應關系。

2.3海原8.5級地震斷裂

1920年海原8.5級地震是近代以來全球范圍內發生過的最大的地震之一，沿海原活動斷裂發生，在地表形成一條明顯的地震斷裂，東起硝口，向NWW延伸，至興泉堡終止，總長215 km。海原地震斷裂由多條長度、性質不同的斷層組成，呈雁行排列，均具有左旋走滑特征（鄧起東等，1987）。

姜大庸和閻賢臣（1990）對海原8.5級地震斷裂的斷層逸出氣進行了測試和研究，斷層逸出氣測線分布見圖5，其中，Ⅲ和Ⅷ測線布設在走滑斷層運動產生的引張區，V測線布設在走滑斷層運動產生的擠壓區，Ⅶ 測線布設在活動斷裂以外的老斷層上。圖5顯示，海原地震斷裂上Hg的基值相對穩定，各測線Hg峰值為基值的2～4倍，Hg峰值變化幅度最大的為Ⅳ，Ⅷ測線，這里也是Rn的高異常段。V測線Hg峰值異常沒有Ⅳ，Ⅷ 測線明顯，位于老斷層上的Ⅶ測線Hg的異常幅度最小，峰值為基值的1.3倍。

從Rn測定結果看，各段上Rn的變化幅度差別較大，拉張區大于擠壓區。2個拉張盆地中2條測線Rn變幅最大，峰值為基值的4～9倍。位于老斷層的Ⅶ測線Rn變幅遠低于海原地震斷裂上各測線的變幅，峰值為基值的1.3倍。

（1）對沂沭斷裂帶和鮮水河斷裂帶斷層逸出氣測量資料與斷裂活動和地震活動的分析、對比和研究成果表明，斷層逸出氣Rn，Hg的含量和變化梯度可以作為評價斷層活動性和貫通性的參考指標;斷裂活動性質和活動強度不同，可以產生不同的構造組合和裂隙分布，從而控制著跨越活動斷層測線的地球化學測項測值分布特征;在相同斷裂活動段上，正斷層逸出氣釋放量大于逆斷層逸出氣釋放量。

（2）斷層逸出氣測量可以應用到斷層幾何學和運動學研究之中。通過對海原8.5級地震斷裂和典型共軛交會斷裂的斷層逸出氣研究發現，走滑斷裂樞紐部位和走滑運動伴生的拉分區、擠壓區具有不同地球化學場特征。根據斷層逸出氣測量獲得的地球化學場分布特點，可以確定走滑斷裂樞紐部位、拉分區和擠壓區，為斷層幾何學和運動學研究提供一種快捷方便的探測方法。

（3）大量的跨越活動斷裂的斷層逸出氣測量結果表明，根據斷層逸出氣異常特征可以確定平原隱伏區斷裂的具體位置，斷層逸出氣測量是隱伏斷層探測中非常有效的手段之一。本文通過斷層逸出氣測量和工程鉆探剖面聯合探測了山東平原地區的益都斷裂和小宋—解元集斷裂活動性，確定了斷裂位置、位移量、活動時代和活動性質，具有良好的效果。

斷層逸出氣作為地殼應力集中和斷裂活動的敏感組分，在活動斷裂研究中有著廣泛的應用前景，需要我們不懈的努力和探索。

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Application of Measurements of Fault Overflow Gases

in Active Fault Research

GENG Jie

（Shandong Earthquake Agency，Jinan 250014，Shandong，China）

Abstract

Starting from the technical thought，working principle and research method of fault overflow gas measurement applied to active fault research，in this paper，we have discussed the relationship between fault overflow gases and fault activity and continuity，the application of fault overflow gases in fault geometry research and active fault detection in plain area，based on the systematic analysis，comparison and study of the fault overflow gas of Yishu Fault Zone，Haiyuan M8.5 earthquake fault，Xianshuihe fault and Shandong plain active fault.The results show that the content and change gradient of Rn and Hg of fault overflow gas can be used as the reference index to evaluate fault activity and continuity，the fault overflow gas measurement provides a quick and convenient detection method for the study of fault geometry and kinematics，which is a very effective means to determine the specific location of hidden faults.

Keywords：fault overflow gases;active fault;fault activity;fault geometry;plain area