浙江省珊溪水庫地區土壤Rn和H2地球化學特征

闞寶祥,沈 鈺,戴陳兵,曾利萍,張震峰,張 帆,于俊誼

(浙江省地震局,浙江 杭州 310013)

0 引言

斷層土壤氣探測是以斷層位置的土壤氣體組分特征及其含量變化為對象的地球化學調查技術,因其可以反映斷層活動性特征而受到國內外地震學家的廣泛關注[1-4]。大量研究結果表明[5-8],地下土壤氣體中Rn、H2和CO2等濃度變化能夠客觀、真實地反映周圍介質地球物理場的變化。斷層土壤氣地球化學特征的變化與地震活動及其孕震過程密切相關[9],當地下構造介質應力狀態發生變化時,賦存在地下深處的地質流體將沿著孔隙度和連通性較高的構造破碎帶、裂縫或巖脈等快速遷移至地表土壤,甚至釋放到大氣中。杜建國等[10]通過分析八寶山斷裂帶逸出Rn的地球化學特征,發現斷層氣特征分布與構造有關,映震率高達70%。張駿等[11]通過分析大柳樹壩址斷裂帶內斷層氣Rn測量結果,評價了該地區地震活動強弱順序及活動水平。王博等[12]總結梳理了國內斷層H2的研究現狀,認為研究斷層H2對地震預報水平的提高具有重要意義。同時,有研究表明斷層土壤氣地球化學特征變化受多種因素的影響[13]。在研究斷層氣地球化學特征與地震活動的關系時,要充分考慮各種因素對斷層氣探測的干擾。

溫州市珊溪水庫地區是浙江省近幾年來小震活動最為頻繁的地區,自2000年珊溪水庫蓄水以來共發生過3次顯著的震群活動。前人在該地區開展了大量的地震研究工作[14-18],對地震活動的發震斷層和發震機理有了一定程度的了解,認為雙溪—焦溪垟斷裂為該地區震群活動的發震斷裂。該斷裂上的土壤氣探測結果揭示,土壤氣濃度特征及其變化與斷層結構及地震活動具有較好的對應關系[19]。為進一步研究珊溪水庫地區土壤氣Rn和H2的地球化學特征,在該地區北東向的江口—匯溪斷裂和雙溪—焦溪垟斷裂東南向延伸段分別布設新的土壤氣測線,對斷層土壤氣進行補充觀測研究,同時進行水樣溶解Rn的濃度測試,并將探測結果與區域地質構造特點和地震活動情況進行對比分析,發現珊溪水庫地區土壤氣Rn和H2的地球化學特征顯著。

1 庫區地震環境概況

珊溪水庫位于飛云江流域中上游,水庫集水面積約1 529 km2,總庫容 18.24 億m3[17]。水庫周圍高山環抱,地勢西高東低,呈階梯狀遞減。水庫區主要存在NW向和NE向展布的兩組斷裂,這些斷裂以陡傾角逆斷層、逆走滑斷層為主,有少量NW向斷裂為正斷層。單條斷裂長度一般大于10 km,切割深度可達5 km以上。NE向與NW向的兩組斷裂在匯溪至東灣坑一帶交匯。

NE向斷裂走向NE40°～60°,傾向以NW 為主,傾角60°～80°,多為逆沖走滑斷裂。斷裂帶寬約 20～30 m,帶內擠壓構造透鏡體、劈理發育,形成于前中生代。破碎帶剝蝕較淺,往往被NW向斷裂切割。

珊溪水庫地區是目前為止浙江省小震活動最為頻繁的地區,地震活動具有顯著的水庫誘發特征。地震絕大部分發生在大壩上游的文成縣珊溪鎮與泰順縣包垟鄉交界處的庫首區,震中非常集中,震中分布呈現出NW向展布的優勢方向,優勢展布方向與雙溪—焦溪垟斷裂的走向相近(圖1)。相關研究結果表明[14-15],2000年以來3叢小震活動的發震斷裂均為雙溪—焦溪垟斷裂。

圖1 珊溪水庫地區震中分布圖Fig.1 Epicenter distribution map of Shanxi reservoir area

2 斷層土壤氣測線布設及測量

珊溪水庫地區的斷層土壤氣探測工作始于2016年。前期土壤氣背景值探測研究發現歷史震群震中區的土壤氣Rn濃度遠高于外圍地區[19]?；谶@一分布特征,2017年初首先在2014年震群震中位置的發震斷裂上布設了2條測線,在2002年震群位置布設了1條測線,主要測量土壤氣Rn和H2。這些測線都布設在發震斷裂的西北段。為研究斷層氣濃度特征與非發震斷裂構造的對應關系,2018年在雙溪—焦溪垟斷裂的東南段和NE向江口—匯溪斷裂各布設了1條斷層土壤氣測線。所有土壤氣測線分布如圖2所示。

本文研究采用的斷層氣測量儀器和測量方法與文獻[19]相同。2017—2018年在珊溪水庫地區共布設了5條斷層土壤氣測線(圖2),主要測項為土壤氣Rn和H2,獲取有效測點各232個。

圖2 珊溪水庫地區測線分布及取水樣點位置圖Fig.2 The survey line distribution and location of water sampling points in Shanxi reservoir area

3 土壤氣測量結果

將珊溪水庫地區5條土壤氣測線上的Rn和H2測量結果列于表1,并分別進行分析。

3.1 土壤氣Rn濃度測值

5條測線上土壤氣Rn的平均值范圍在27.2～109 Bq/L,最高值達330 Bq/L,不同斷裂上土壤氣的平均值和最高值相差較大。雙溪—焦溪垟斷裂第3個分支上不同位置的土壤氣Rn濃度均值相差不大(73.8～109 Bq/L),說明該斷裂不同位置間存在氣體能夠快速遷移的通道,使得整個斷裂分支上的土壤氣Rn濃度整體處于相對均衡的狀態。塘壟測線(L2)和齊垟測線(L5)位于非發震斷裂,土壤氣Rn濃度均值較低。

3.2 土壤氣H2濃度測值

從表1可以看出,土壤氣H2濃度的均值和最大值均出現在銀珠坑測線(L1)上。該區地貌特征雖然比其他地區更具有特殊性(斷層出露明顯,土層較薄),但地貌特征并不是土壤氣濃度特征的主要因素,而是由于該位置斷層構造的活動性要強于其他地區。

表1 珊溪水庫地區土壤氣Rn、H2組分濃度測值Table 1 Measured concentration of Rn and H2 components of soil gas in Shanxi reservoir area

3.3 銀珠坑測線土壤氣重復測量結果

銀珠坑測線(L1)上斷層出露明顯,土壤氣濃度特征變化顯著。2017—2018年先后對該測線進行了3次測量,測得其土壤Rn濃度平均值都在70 Bq/L以上,最高值均出現在斷層破碎帶附近。

為消除季節的影響,在2017年1月和2018年1月基本相同的時間段對該測線進行重復測量,結果如圖3所示。圖中土壤氣Rn測值為均值,土壤氣H2測值為最高值。通過圖3可以看出,兩次測量的土壤氣Rn和H2濃度變化特征具有較好的一致性,且均與斷層要素(破碎帶和巖脈)位置具有較好的對應關系。

圖3 銀珠坑測線土壤Rn和H2重復測量曲線圖Fig.3 The repeated measurement curves of soil Rn and H2 along Yinzhukeng survey line

依據上述測量結果,浙江省地震局于2018年12月在雙溪-焦溪垟斷裂經過的銀珠坑村附近建設完成了泰順銀珠坑斷層土壤氣觀測站,主要包含土壤氣Rn、H2和CO2共3個測項。

4 庫區水樣氡濃度測量結果

據溫州市國土資源局有關部門介紹,珊溪水庫地區大部分為山區,現有地質勘查水井非常少。為研究庫區水氡特征,本文采集的大部分水樣為山泉水,只有2個水樣取自地質勘查水井。另外為了進行對比分析,在山澗小溪中取水樣2個。采集的15個水樣中,水樣類型主要包括山泉水、地下井水和地表水等,采樣位置如圖1所示?？紤]到Rn的衰變因素,白天取樣后當天晚上進行水氡測試。水氡測試采用P2000F型測氡儀及其原裝水氡測試配件,具體測試結果列于表2。

由表2可知,水氡測試范圍在3～68.3 Bq/L間。珊溪水庫地區山泉水的含氡量較高,尤其是雙溪—焦溪垟發震斷裂附近水樣含氡量高于其他地區。水氡測值最高的水樣來自雙溪—焦溪垟斷裂東南端的西山村,其Rn濃度高達68.3 Bq/L,此處距2006年震群中最大地震的震中較近,高程相對較低。其次是取自雙溪—焦溪垟斷裂西北端云湖鄉的水樣,Rn濃度為44.9 Bq/L,此處距2014年震群中最大地震的震中較近,高程相對較高。

表2 珊溪水庫地區水氡測試結果Table 2 Results of water radon test in Shanxi reservoir area

5 分析與討論

為研究珊溪水庫地區土壤氣分布特征的形成原因,分別將土壤氣Rn和H2濃度測量結果與該地區斷裂構造和地震活動進行相關性討論。

5.1 區域斷裂構造活動分析

珊溪水庫地區小規模斷裂構造發育,晚第三紀以來,庫區新構造運動主要表現為大面積的間歇性升降運動,以整體性抬升為主,斷裂兩側差異活動不明顯,無火山和巖漿活動,地熱與地震活動較弱[18]。

通過土壤氣測量結果來看(表1),構造斷裂上的土壤氣Rn和H2地球化學特征與斷層位置具有較好的空間相關性,即斷層破碎帶上方的土壤氣Rn和H2濃度遠高于其他地區,并且隨著與破碎帶距離的增加濃度呈遞減趨勢,說明該地區的斷裂構造與地下深部的通道依然存在。無地震活動記錄的構造斷裂附近,土壤氣濃度測值整體水平較低,推測非發震構造的斷層兩盤以整體運動為主,基本不存在相對運動,深部的構造物質向地表遷移的速率較慢。

5.2 區域地震活動分析

自2000年以來,珊溪水庫地區地震活動的主要發震斷裂為雙溪—焦溪垟斷裂構造。該斷裂包含3條近平行方向的分支:規模最大的為第3條分支(F11-3),長度30 km左右,為2006年和2014年震群活動的發震斷裂;規模最小的為第2條分支(F11-2),長度10 km左右,為2002年震群活動的發震斷裂,該震群活動的頻度和強度均小于后面2次震群活動;該斷裂的第1條分支(F11-1)至今未有地震活動記錄。

根據該地區土壤氣Rn和H2測量結果,雙溪—焦溪垟斷裂第3分支上的土壤氣Rn濃度均值是其他斷裂的3～4倍,尤其是銀珠坑測線(L1)和包山垟測線(L3)中土壤氣Rn的最大值均超過300 Bq/L,這可能是由于該斷裂構造活動性較強,地下深部物質通過斷層構造通道遷移到斷層附近土壤形成富集,并不斷向周圍地區擴散所致。

塘壟測線(L2)位于2002年震群附近,其土壤氣Rn和H2濃度的平均值和最大值均低于雙溪—焦溪垟斷裂第3分支,可能與該測線所處發震斷裂分支規模較小且地震活動距今時間較長有關。西山測線(L4)上土壤Rn和H2均值雖然較高,但高值測點較為分散,這可能同樣是由于地震活動距今時間較長,氣體在土壤內的擴散作用所致。

根據珊溪水庫庫區范圍內水樣氡濃度分析結果,兩處水氡濃度較高的水樣位置均比較靠近兩次震群中最大震級地震的震中,說明較大震級的地震活動可能更有利于深部的Rn向地表遷移。距離庫區較遠的兩個溫泉水樣測值僅為3.9 Bq/L和8.8 Bq/L,這可能是由于水樣距離發震斷裂較遠,說明珊溪水庫地區的Rn濃度特征與發震斷裂位置具有顯著的對應關系。

另外,通過圖3可以看出2018年1月土壤氣Rn和H2的測值均高于2017年1月,據此推測銀珠坑附近斷層活動性有所加強。根據對珊溪水庫地區歷史地震活動的統計分析,2017年該區發生0級以上地震12次,最大震級ML1.2,2018年發生0級以上地震26次,最大震級ML1.4。2018年該區小震頻次雖然比2017年增加了1倍,但小震強度沒有增加,且無顯著震例對應,因此該區域斷層氣Rn的變化特征與地震的對應關系仍需繼續積累資料以進行深入研究。

6 結論

通過珊溪水庫地區斷層土壤氣Rn和H2濃度測量以及水樣Rn濃度檢測,結合前人的研究成果,對該地區土壤氣地球化學特征及其成因進行分析,得出以下主要結論:

(1)研究區土壤氣Rn和H2的地球化學特征與區域斷裂構造和地震活動密切相關,與地震活動的關系更為密切,尤其是歷史地震活動距今時間。歷史地震活動距今時間越長,斷層破碎帶附近的土壤氣Rn和H2濃度高值異常越不明顯,歷史地震距今時間尺度越短,斷層破碎帶附近的土壤氣Rn濃度高值異常特征越顯著。其次,土壤氣Rn和H2的地球化學特征與歷史地震活動的頻度和強度存在正相關關系。

(2)土壤氣H2地球化學特征一定程度上受土壤性質和季節的影響,但它們并不是主要控制因素,主要控制因素仍然是地震活動水平和斷裂構造。

(3)雙溪—焦溪垟斷裂第3分支是影響珊溪水庫地區土壤氣地球化學特征變化的最主要斷裂構造。另外,震級大的地震震中位置土壤Rn濃度測值較高,說明地下深部Rn元素的遷移速率會受到地震震級大小的影響。

致謝:感謝溫州市文成縣科技局和泰順縣科技局對本文所開展工作的大力支持!