西秦嶺北緣斷裂帶土壤氣定點監測與初步結果分析

高曙德, 趙 潔, 王愛國, 張向紅, 曹玲玲, 張 昱, 武善藝, 蘇小忠, 楊 超

(1. 中國地震局蘭州地震研究所, 甘肅 蘭州 730000;2. 蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

西秦嶺北緣斷裂位于南北地震構造帶北段,是甘肅東南部地區強震活動頻發的地質構造單元,如143年甘谷7級、734年天水7級等歷史地震就發生在該斷裂帶上(圖1)。據統計,有文獻記載以來沿西秦嶺北緣斷裂帶就發生過6級以上地震9次之多[1-2]。邵延秀等[3]根據歷史地震考證結果和最新地質考察,從地質構造活動、歷史地震的復發周期和離逝時間等綜合分析,目前西秦嶺北緣斷裂帶上存在兩個地震空段,其中黃香溝段和漳縣段發生單段破裂的可能性最大,天水段發生單段破裂的概率次之(圖1)。曹娟娟等[4]對西秦嶺北緣斷裂的地震危險性結合早期的地質調查結果做概率評價得到,從2002年算起在近百年間該地區發生強震的累積概率達到90%及以上;2013年7月22日距離西秦嶺北緣主斷裂帶50 km左右(NWW向的東昆侖斷裂與西秦嶺北緣斷裂之間的構造轉換區)發生了岷縣—漳縣MS6.6地震。該地區構造應力積累主要來源于青藏高原東北部東昆侖斷裂的向北擠壓和向東的運動作用[5],西秦嶺北緣走滑斷裂帶上中強地震頻繁發生也與上述的運動密切關聯。因此,包括西秦嶺北緣斷裂帶在內的甘東南地區是中國地震局多年劃定的年度地震危險監視區,加強對該區主干活動斷裂帶的地點監測具有重要現實意義。根據中國地震局震情監視工作要求和甘肅省地震局震情的跟蹤方案部署,在西秦嶺北緣斷裂帶天水段新建毛集、馬窯、原家莊3個觀測站,開展斷層土壤氣等地球物理場的觀測,通過較長時間的資料積累,研究 Rn、H2、CO2、CH4等參量的變化特征,為斷層的活動和地震預測、預報提供支撐。

F1: 西秦嶺北緣斷裂(F1-1: 天水—寶雞斷裂段,F1-2: 天水—武山斷裂段,F1-3: 漳縣—黃香溝斷裂段,F1-4: 鍋麻灘斷裂段); F2: 六盤山斷裂;F3: 渭河斷裂; F4: 秦嶺北麓斷裂;F5: 禮縣—羅家堡斷裂; F6: 徽成盆地邊緣斷裂; F7: 臨潭—宕昌斷裂; F8: 光蓋山—迭山斷裂; F9: 通渭斷裂; F10: 西鞏驛—李店斷裂; F11: 會寧—義崗斷裂; F12: 馬銜山北緣斷裂; F13: 拉脊山斷裂; F14: 固城斷裂; F15: 楊河—固城斷裂圖1 西秦嶺北緣(天水段)斷層氣監測站分布Fig.1 Distribution of fault gas monitoring stations in the northern margin of West Qinling (Tianshui section)

從活動斷裂幾何學和運動特征分析,走滑活動斷裂及其拉分構造區有利于深部氣體向地表富集,為溫泉水及斷層氣的出露提供了良好的地質條件,是開展斷層氣研究的理想場所。史杰等[6]對西秦嶺北緣斷裂帶的溫泉水滲流特征研究表明,沿斷裂帶走向分布的溫泉循環深度大,出露溫度普遍較高,攜帶了豐富的地殼深部信息,是研究深循環水、氣等參量與地震活動關系的天然實驗場。蘇鶴軍等[7-8]在西秦嶺北緣斷裂(從甘加—黃香溝—漳縣—武家河—吊溝門—八渡沿線)進行了流動地球化學Rn、Hg監測,發現不同部位斷層氣分布差異較大,這種分段特性可能與區域歷史強震及現今地震活動特征存在一定關聯,但由于每年只有兩期觀測,周期較長,從而使信息量受限。為了加強西秦嶺北緣斷裂帶地下流體監測與地震預測預報研究,甘肅省地震局通過調研和論證表明,在中國西部干旱少雨的多震地區斷層氣觀測具有較好的應用前景。筆者依據流動化學測量線路,結合地質條件、觀測基礎、交通等因素,于2018年秋季進行了場地初步勘選,2019年在春、夏、秋、冬不同時段進行了復測(圖2),初選場地溢出氣體的濃度滿足日常觀測的要求,最后確定建設方案,于2020年底在西秦嶺北緣(天水段)新建了三個聯動固定觀測站(圖1～2),測點從斷裂帶的東段依次向西形成條帶,開展斷層帶地殼中Rn、H2、CO2、CH4等土壤氣釋放連續監測,以及資料變化的相互印證。2021年1月建設完工后各測項陸續開始觀測,對提升甘東南地區的地震監測能力夯實了基礎。

圖2 活動斷層位置確定和現場勘選及建成觀測站Fig.2 Location determination of active fault, site survey, and completion of observation station

1 斷層氣在地震前兆監測中的優勢

地殼中流體(包括氣體)在地震孕育與發生中起著重要作用。斷層氣是指由斷層帶釋放的地殼深部氣體,由于這些氣體質量輕,黏滯性小,遷移速度快,對地殼動力作用的響應能力應比地下水靈敏。從已有震前地殼放氣異常的資料中發現,氣體對地震的響應在短臨階段尤為靈敏[9-10]。按“板塊運動-地殼中應力集中-氣體的運移與弱化地殼介質強度而導致破裂-發生地震”的思路進行探索斷層帶放氣異常觀測,主要是確定源兆和場兆問題。板內地震的孕育與發生是區域活動構造最新活動(活斷層的強烈活動)的地質過程,是活動塊體相互作用的結果。如果震中區(此區無斷層帶放氣觀測)的其他異常直到發震前幾小時才開始出現,這些異常可能與震源有關,即為源兆。傳統認識地震是在這樣的構造活動場演化過程中孕育發生的。如果斷層帶放氣異常在距震中較遠的地方出現,這些異常所反映的是觀測井(點)所在的斷層活動,而這些斷層活動則是區域構造活動的組成部分,它們與震源過程的關系顯然是間接的、是伴生的,通常稱為場兆。

活動斷裂帶上斷層氣監測經過幾十年的發展、改進與完善,該方法已日趨成熟,已先后成功地應用于地震前兆監測來預報地震[11-13]。由于斷層氣中所含化學元素來源于地殼的不同深度,所以能夠反映不同狀態下的應力、應變引起地殼內部變化。實際監測和理論研究發現:氡是與巖石受力及裂隙開啟最直接的物質,氫氣是揭示巖石新鮮破裂程度最直接的氣體,二氧化碳(或甲烷)是表征深部物質運移的指示性氣體[14],因此對上述氣體的監測對研究斷層的現今活動特征是有效的選項。不同賦存形式氣體的映震效能以斷層帶土壤氣優于井泉水上的逸出氣和溶解氣;Л.В.等[9]和Hirose T等[14]研究發現地殼中Rn、H2、CO2(或甲烷)等氣體主要分布在上地殼的下部與中地殼的上部,而這個深度段正好與地震活動的多震層深度大體上吻合,因此加強斷層帶地殼放氣動態的監測和研究是提升地震預報水平有效途徑。如1998年1月張北—尚義M6.2地震,河北省懷來后郝窯斷層氣CO2在地震前47天出現突升異常,異常峰值達到了11 mg/d,是背景值的10倍左右,在下降的過程中發生了地震,據此在震前12天對這次地震提出了較好的短臨預測意見[11-12]。2010年4月14日玉樹MS7.1地震發生前20天,距震中680 km的WFSD-2 井鉆(科學深鉆勘探項目)進到642.36 ～676.22 m層位,H2濃度出現高值異常,高值達到58.476 ×10-6,異常持續7天,恢復到正常背景值13天后發生玉樹7.1級地震,這是深部逸出氫氣與地震活動有關的較好科學證據[15]。

在國外,日本觀測斷層H2的時間較早,Satake等[16]對日本本州北部的Atotsugawa和Ushikubi斷層開展了逸出氫氣觀測,1983年5月26日日本海中部M7.7地震前在5個觀測點中有3個觀測到濃度顯著變化,其他兩個測點有明顯的同震響應變化。Dogan等[17]對2000年本州鳥取縣M7.3地震的余震區進行了土壤H2和CO2的連續測量工作,結果顯示,H2的高濃度異常與活斷層最后一次大地震發生時間較為一致。美國科學家在加州圣安德烈斯斷層進行了逸出氫氣的觀測,發現了微震活動與氫氣逸出具有一定聯系。以上研究證實了斷層土壤氣在一些地震活動前確有濃度的急劇變化,也進一步說明斷層氣的異常變化可以反映斷層的活動和區域應力的變化。

2 測點的分布及監測結果

本研究選擇西秦嶺北緣斷裂帶天水段開展斷層氣定點監測,各測點分布和初步監測結果如下。

2.1 測點分布

(1) 天水市麥積區花牛鎮毛集村觀測點(圖1)

該測點位于西秦嶺北緣斷裂天水段的東南端(秀峰山北緣斷裂),斷層南側為震旦紀秦嶺巖群,以斜長角閃巖、片麻巖、大理巖、白云巖、黑云石英片巖、石英片巖、角閃片巖、混合質片麻巖為主,北側為新近系紅色砂巖、黏土巖及灰綠色泥巖。測點距天水中心地震監測站直線距離約16 km,交通、通訊、供電便利,地表被果樹覆蓋,土質含砂石較多,附近有河流。無明顯的干擾源。

(2) 天水市秦州區中梁鎮馬窯村觀測點(圖1)

該點位于西秦嶺北緣斷裂天水段的最西端,即鳳凰山分支斷裂上,斷層帶附近出露地層為第三系甘肅群,發育黃、紅、灰色為主的泥巖、砂質泥巖、砂礫巖夾泥灰巖。測點距天水中心地震監測站直線距離約25 km,交通、通訊、供電便利,離民居區較遠,測點是村民的麥場,地表土質堅實,不含砂石,附近無河流,無明顯的干擾源。

(3) 天水市甘谷縣磐安鎮原家莊觀測點(圖1)

該點位于西秦嶺北緣斷裂武山—天水段中西部,斷裂帶附近發育的地層巖性主要有兩種:一是白堊系麥積山組,以紫紅色含礫砂巖、砂礫巖夾細砂巖、粉砂質泥巖為主;二是少量發育震旦紀秦嶺巖群,以斜長角閃巖、片麻巖、大理巖、白云巖、黑云石英片巖、石英片巖、角閃片巖、混合質片麻巖為主。測點距天水中心地震監測站直線距離約98 km,交通、通訊、供電便利,靠近民居區,地表土質堅實,附近無河流,無明顯的干擾源(1)王愛國.西秦嶺北緣斷裂帶新構造活動和大震危險性.2018.。

2.2 監測測項

(1) 測點觀測井建設、觀測儀器及測項內容

流動測量受到的干擾因素較多,特別是采氣量較難滿足不同組分觀測儀器的氣量需求、采氣深度較淺且容易受大氣干擾。為了盡可能減少干擾因素,提供監測質量,根據天水地區氣溫及環境情況資料分析,該地區凍土層一般0.7～1 m,年氣溫在-20～35 ℃,所以土壤氣固定觀測點的建設深度在4 m左右,在距離地面3 m的地方用三層不降解塑料隔離膜與下部的鵝卵石分離,下部集氣裝置只與直徑為5 cm PPR排氣管接通,起到封堵下部氣體與上部物質交換的作用。地面3 m以下埋設了直徑為11 cm集氣裝置,周圍用3～7 cm大小的鵝卵石填充使深部斷層氣體暢通交換,并敷設地溫探頭,井孔結構與建設材料等如圖3所示。由于新建測點固定,氣量可以滿足各儀器的測量需求。建成后的斷層氣觀測站按照地震前兆觀測的要求,產出的數據內在精度通過與勘選時期數據對比,符合相關規范標準。

圖3 斷層土壤氣觀測裝置施工示意圖Fig.3 Construction diagram of fault soil gas observation device

觀測儀器選用杭州超鉅ATG-6118痕量氫測氫儀、ATG-C600二氧化碳在線分析儀,鄭州晶微電子科技有限公司DDL-1氣氡儀,北京中科光大自動化技術有限公司地溫計及探頭3套,甲烷在線分析儀。其中Rn和地溫為分鐘值采樣,其他的都為整點采樣。通過Internet網絡來遠程監控和觀測資料傳輸;觀測室采用了局部電暖保溫,使儀器能夠達到工作需求;臺站實行有人看護,無人值守的觀測模式。該項目建成并投入使用成為監視西秦嶺北緣斷裂帶地震活動的新成員,提升了甘東南及其周圍的強震活動監測能力,同時對于研究青藏塊體的活動提供數據支撐。

(2) 資料變化分析

西秦嶺北緣(天水段)增建的三個聯動觀測點,從斷裂帶的東段依次向西形成帶狀分布,以開展斷層帶地殼放氣連續監測及資料變化的互相印證。各測點的測項從2021年1月陸續開始觀測并產出數據(圖4)。圖4(a)是CO2觀測值對比曲線,在觀測初期至1月17日,由于3個測點是氣體積累和儀器穩定的階段,測值曲線形態有些差異,但從1月18日以后測值曲線變化趨勢基本相似,2月13日開始原家莊CO2測值出現較大波動,但總體形態仍然和其他兩個測點一致,呈“U”字型,變化幅度都在0.8%～1.5%之間,此后測值都呈現上升趨勢;圖4(b)是Rn觀測值對比曲線,由于各測點敷設儀器時間存在差異,但從1月29日以后,測值的變化非常同步,變化幅度在0～25 Bq/L波動;圖4(c)是3個測點H2測值曲線,圖中顯示測值非常穩定,且變化幅度都是0.05 ppm(個別突跳點下文分析);圖4(d)是2個測點甲烷測值曲線,變化形態都是呈上升趨勢。從圖4看出,盡管3個測點分布在70 km的斷層上,各測項測值底數不同,但其變化形態基本相同,這說明在相隔70 km的測線上,觀測到斷層氣體化學組分可能都來源同一構造環境或應力應變變化背景相似,這對判定資料變化原因提供了有效的方法。

圖4(c)H2測值,2021年1月13日13—14時,毛集測值變化0.2 ppm,與背景值相比,變化率達到134%;1月14日6時原家莊測值變化0.05 ppm,與背景值相比,變化率達到33%;經調查這幾天測區未有明顯的人為活動和工業施工,環境及氣象因素正常,在1月14日17時甘肅榆中縣發生了MS3.6地震,兩個測點相對震中180～235 km,變化的時間11～22個小時,如果是地震信息,這對短臨預測具有較重要參考意義。由于觀測時間較短,積累資料有限,暫無法定論這次變化與榆中3.6級地震有關,但這兩個測點H2變化以及地震事件是客觀存在的,這對我們分析資料給予了更多的啟示:當有兩個及以上測點的資料發生變化時,應當考慮該斷裂的應力調整及應力變化,結合其他測項進一步分析給出地震跟蹤預測意見。

圖4 三測站觀測值對比曲線Fig.4 Comparison curve of three observation stations

3 結論與討論

通過觀測西秦嶺北緣斷裂帶(天水段)地表深部地球化學氣體組分的異常變化,來監視甘東南地區應力調整、地震活動等,所以對布網區的選擇、測點布設與建設,觀測儀器及測項等方面做了前期調研和科學論證。根據斷裂逸出氣體類別和濃度建設3個斷層土壤氣連續觀測示范點,有望提高西秦嶺北緣斷裂帶前兆監測能力。

(1) 西秦嶺北緣斷裂帶天水段(70 km長斷裂帶)新建3個觀測點,開展斷層氣H2、CO2、Rn、CH4濃度觀測,在正常情況下,其背景值比較穩定,且同一測項其變化形態具有相似性、同步性,表明與區域構造和應力變化一致。

(2) 當不同測點測項短時間內測值偏離了背景值,在時間和空間上出現一致性變化時,在排除近場的影響(主要是居民區人為活動),應當考慮區域應力調整變化的可能,需結合其他手段資料綜合分析,對震情跟蹤和地震預測提供判定依據。

由于該項工作開展的時間較短,積累的資料有限,對一些變化需后續密切跟蹤。通過斷層氣監測站的建設和觀測資料總結,建設斷層氣觀測站最好地點是富含氣體構造的區域,特別是甘肅省祁連山地區含有逆沖斷層-褶皺構造地區,對開展斷層氣觀測來監視震情活動和地震短臨跟蹤具有廣闊應用前景。

致謝:應急管理部國家自然災害防治研究院劉耀偉研究員在建設初期給予中肯的建議和意見,高小其研究員無償捐助甲烷儀器,山西省地震局范雪芳高級工程師在建設時給予指導,蘭州巖土地震研究所蘇鶴軍副研究員和甘肅地震臺王小娟高級工程師、天水市地震局孟維斌高級工程師等參加了前期的勘選工作,天水中心站進行了全面地實施。在此一并表示衷心感謝。