隴縣—寶雞斷裂帶CO2氣體地球化學特征及成因*

劉 潔，李 營，陳 志，王 新，趙小茂，馮希杰，王景麗

(1.陜西省地震局，陜西 西安 710068；2.中國地震局地震預測研究所 中國地震局地震預測重點實驗室，北京 100036)

0 引言

斷裂帶是地殼深部氣體釋放的主要通道，大量的研究表明，活動斷裂帶上的土壤氣濃度往往要高于其它地區(Walia，2009；Seminsky，Demberel，2013；Li，2013；Wang，2014；Chen，2020；孫小龍等，2020)。當斷裂帶處于構造活動活躍期時，地殼介質中水-巖之間原有的平衡被打破，地下水中的氣體組分會出現異常變化，例如King等(1996)、Giammanco等(1998)、Wang等(2006)在美國圣安德烈斯斷裂、日本跡津川和牛首斷層、中國福州隱伏斷裂觀測到土壤氣中CO、Rn、Hg、He、H和CH等組分的顯著異常。空間上，對橫跨斷裂的土壤氣體地球化學研究表明，在斷層破碎帶上測點的氣體含量普遍高于斷裂兩側，極震區地下氣體逸出量明顯高于極震區以外的地區，如2018年汶川8.0地震斷裂剖面上土壤氣CO濃度背景值高于無斷裂出露的地區，且距震中越近，斷裂剖面上土壤氣CO的濃度則越高(周曉成等，2017)。時間上，土壤氣異常的持續時間與臨震的震級可能也具有相關性，如2013年中國臺灣瑞穗6.4地震前2個月土壤氣CO濃度明顯升高，而2014年花蓮5.9地震前3周也出現了土壤氣CO濃度異常(Fu，2017)，且異常幅度越大、異常持續時間越長，對應的地震震級就越大。所以土壤氣CO濃度值及其變化特征不僅可以用于斷裂位置的判定，還可以反映斷層活動強弱狀態。

隨著地球化學分析儀器和測試手段的快速發展，氣體同位素地球化學示蹤方法被廣泛應用于地震研究領域，成為研究深部構造以及活動性的一個重要手段(杜建國，劉從強，2003)。已有研究表眀，地下氣體(He、CO、CH)及其同位素組成(He/He、δCCO、δCCH)的變化是殼源流體與幔源流體的混合、遷移所造成的，并且當巖石受到震前地殼形變和同震破裂過程兩種效應的影響時，巖石的滲流參數就會發生改變，從而導致地殼流體的釋放(Weise，2001；Br?uer，2007；王云等，2015；Zhou，2020，2021)。不同來源的氣體同位素組成有所不同，這是土壤氣同位素組成用來示蹤深部來源物質的原理。Martino等(2016)結合土壤氣CO濃度和碳同位素組成，建立三端元混合模型，用來計算各端元所占比例。這一方法將斷裂帶氣體溯源分析由定性研究推向了半定量研究，通過識別土壤氣CO的來源，區分淺源和深源信息，可以更好地反演其成因演化機制，并推導出該區域斷裂的地下構造連通性特征。

隴縣—寶雞斷裂帶屬于鄂爾多斯塊體西南緣弧形斷裂束的最南段，主體呈現為走滑兼正斷性質，屬于晚第四紀活動斷裂。李強(2013)、葉茂盛等(2018)、Su等(2019)利用GNSS速度場資料研究鄂爾多斯西南緣的六盤山—隴縣—寶雞斷裂帶的閉鎖特征，得到隴縣—寶雞斷裂的北部閉鎖程度較強，但由于GNSS觀測基站較少等原因，對于該斷裂帶南部閉鎖程度的相關研究比較少。Yang等(2021)通過土壤氣CO的氣體活動性強度和斷層閉鎖程度對比分析發現，當斷層處于閉鎖狀態時，斷裂活動狀態相對較弱，土壤氣CO的活動性也較弱。因此，針對隴縣—寶雞斷裂帶不同斷裂的活動性和啟閉性特征的研究，本文將利用該活動斷裂上的2條跨斷層土壤氣測線的CO氣體活動強度特征進行反演，并利用CO碳同位素組成來區分深淺物質來源特征，獲取斷裂帶地下連通性特征，為研究區的地震趨勢研判提供更精細的氣體地球化學依據。

1 研究區地質背景資料

隴縣—寶雞斷裂帶地處南北地震帶中段與北段的交接區、青藏塊體東北緣、鄂爾多斯西南緣弧形斷裂束的最南段(圖1)，也是我國大陸EW向和NS向巨形構造帶(南北構造帶和阿爾金—祁連—秦嶺—大別構造帶)的交接地帶，地質結構特征極具代表性。隴縣—寶雞斷裂帶主要由岐山—馬召斷裂、千陽—彪角斷裂、固關—虢鎮斷裂和桃園—龜川寺斷裂組成(Wang，2021)，整體呈NW走向，其北部狹窄，向東南方向延伸逐漸散開，抵渭河盆地西部，并止于秦嶺北麓附近，地貌上形成“一隆二拗”的構造格局(圖1)。研究區主體被第四系沉積物覆蓋，斷裂帶北部大量出露白堊系砂巖、南部出露印支期花崗巖。

圖1 6條跨斷層土壤氣CO2測線分布

受到青藏高原向東南方向的擠壓作用，岐山—馬召斷裂呈現左旋走滑運動的特征；與此同時，鄂爾多斯塊體逆時針旋轉產生了右旋走滑分量也疊加在該斷裂上，導致該區域受力作用十分復雜(李新男，2017)。張新科等(2017)對隴縣—寶雞斷裂帶的研究結果顯示，岐山—馬召斷裂及固關—虢鎮斷裂的地震活動比較活躍。岐山—馬召斷裂是整個斷裂帶內規模最大、活動性最強的斷裂，全長約180 km，整體呈NW走向(300°～320°)，屬晚第四紀活動斷裂，斷裂以左旋走滑運動性質為主，伴有一定的正斷分量，第四紀左旋走滑速率約為0.5～1.2 mm/a(李新男，2017)。固關—虢鎮斷裂總體走向325°～335°，長130 km，該斷裂早期具有擠壓逆沖性質，但第四紀以來主要以正斷層運動為主，中更新世以來北段具有明顯的走滑分量，平均水平運動速率約為0.1 mm/a(薛峰，2014)。本文選取岐山—馬召斷裂上的草壁、南寨、轉咀頭、大源場地，以及固關—虢鎮斷裂上的殿咀、八渡場地進行野外土壤氣測量，收集土壤氣CO，并進行碳穩定同位素分析。

2 分析測試方法

2.1 土壤氣測量儀器及氣體樣品收集方法

每一條跨斷層測線上的15個測點設置如圖2a所示，以斷層中心為起點，分別向兩側延伸(李營等，2009)。最開始2個測點間距為10 m，后4個測點間距20 m，測線總長度為240 m。2018—2019年完成了2期測量，獲取了150個CO濃度數據。土壤氣測量原理如圖2b所示，測量土壤氣CO濃度使用杭州超距科技有限公司的便攜式ATG-C60型二氧化碳分析儀，檢出限為10 ppm。測量步驟為：①開啟儀器電源，預熱；②接通進氣和出氣管，測試空氣值，檢查測值是否在合理范圍內，達標后方可使用；③利用打孔鋼釬在測點打孔，孔深約80 cm(王小娟等，2016；Zhou，2020；劉兆飛，2020)，拔出鋼釬后將麻花鉆氣體取樣器旋扭鉆入采樣孔中，麻花鉆頂部用土壤密封壓實，以防止空氣混染；④連接氣路，待CO濃度達到峰值后，開始記錄測量值。

圖2 土壤氣測點布設(a)、測量原理(b)、氣體收集原理(c)和野外操作示意(d)

土壤氣CO收集原理和實地測量如圖2c、d所示，在完成CO濃度測試后，將真空泵取樣器連接到麻花鉆上。收集氣體樣品步驟為：①將采樣袋用該測點的土壤氣潤洗3次；②將真空泵取樣器的流速設置為1 L/min，采集1 L氣體樣品。如CO濃度低于0.08%，加大采樣量到2 L。每條測線采集10個氣體樣品，總共收集60個樣品。土壤氣CO碳穩定同位素組成分析測試是在中國科學院地球環境研究所進行的，所使用的儀器為美國Thermo Finnigan公司的Mass Spectrometer MAT-251同位素質譜儀。由于野外采集的氣體樣品里面通常含有較高含量的N和O等其它雜質氣體，所以需要先對樣品進行純化：將裝有樣品的玻璃瓶通過玻璃磨口接入前處理系統，用液氮將樣品中的CO和水凍住，之后稍微打開與氣泵連接的活塞，將樣品中的O、N等雜氣緩慢抽走，接著將氣泵活塞關住，用酒精液氮凍住水，釋放出來的純CO用液氮在樣品收集管收集后，再送入質譜儀進行檢測。同時使用了實驗室內部標準和V-PDB標準進行對比，獲取高精高準確度的碳同位素組成，分析測試誤差為0.1‰。

2.2 土壤氣分析方法

2.2.1 土壤氣CO濃度特征分析方法

2.2.2 土壤氣CO碳穩定同位素組成分析方法

不同來源的CO氣體的碳同位素組成各不相同，土壤氣CO的主要來源有深部無機物質來源和生物有機物質來源，它們與空氣混合構成了三端元混合模型(Martino，2016)。其中，生物端元的CO濃度選取研究區δC測值最輕(-23.89‰)的氣體樣品所對應的CO濃度(1.26%)；空氣端元的CO濃度和碳同位素分別選取研究區空氣樣品的測量值(0.039%和-9.66‰)；深部來源端元的CO濃度和碳同位素分別為100%和-2.5‰(Martino，2016)。利用同位素質量平衡原理(約享，2012)，可以半定量地計算出各端元所占比例。

表1 2018—2019年隴縣—寶雞斷裂帶6條測線2期土壤氣CO2測試結果

定義3個端元所占的比例分別為(空氣)，(深源)和(生物)，獲取的CO氣體樣品的濃度為(%)，碳同位素組成為(‰)；空氣、深源和生物的體積濃度分別為(%)、(%)和(%)；碳同位素組成分別為(‰)、(‰)和(‰)，則它們需同時滿足以下條件：

++=100%

(1)

式(1)表示3個混合端元所占百分比例總和為100%。

×+×+×=

(2)

式(2)表示3個混合端元分別提供的CO濃度之和為氣體樣品濃度觀測值。

(××+××+××)/=

(3)

式(3)表示加上體積濃度權重，3個端元混合前后CO氣體輕重碳同位素質量守恒。聯立上述公式則可獲取3個端元所占比例，結果見表2。

3 觀測結果分析

3.1 土壤氣CO2的異常分布特征

2018—2019年固關—虢鎮斷裂上的2條測線(殿咀、八渡)和岐山—馬召斷裂上的4條測線(草碧、南寨、轉咀頭、大塬)2期測試結果如圖3所示，灰色矩形框表示異常值分布區域。圖中6條測線中，只有八渡測線主斷裂(實線)處未出現高值，而是在斷裂兩盤存在高值區域(灰色矩形框)，呈現為雙峰型，這正好對應了八渡測線主斷裂類型為正斷層的特征(Annunziatellis，2008；Bond，2017；Sun，2018)，即正斷層軸部破碎程度較高，導致氣體快速逃逸，并且容易受到空氣的稀釋混染導致測值較低。其余5條測線的斷層軸部均存在CO高值，整體表現為多峰型，較為符合走滑斷裂的特征(Annunziatellis，2008；Bond，2017；Sun，2018)。其中比較特殊的測線為2018年測量的南寨和轉咀頭測線，其高值異常區主要集中于斷層的東北盤，表明其東北盤的氣體活動強度要強于西南盤，體現出走滑兼正斷層的特征(Bond，2017；Sun，2018)。

圖3 2018—2019年隴縣—寶雞斷裂帶6條測線2期土壤氣CO2濃度測值

3.2 土壤氣CO2的活動性強弱特征

基于6條測線的2期CO濃度測值，本文分別統計了各條測線的均值、中值、標準差、最大值、最小值、異常上限、異常下限、背景值和相對活動強度(表1)。由于均值可能受到氣象因素、斷裂類型(Annunziatellis，2008)、斷裂破裂程度(Bond，2017)、覆蓋層和地層巖性等干擾因素的影響(韓曉昆，2014)，所以本文聯合相對活動強度值來作為判定氣體活動強弱的依據。此外，本文還計算了2期測量結果的平均值，對比分析氣體活動強弱關系，最終得出各斷層的分段活動性特征。

6條測線的土壤氣CO濃度均值排序如圖4a所示，岐山—馬召斷裂上的草碧、轉咀頭測線平均CO濃度相對較高，固關—虢鎮斷裂的殿咀測線和岐山—馬召斷裂的南寨測線平均CO濃度相近，八渡、大塬測線的值最低。6條測線的土壤氣CO相對活動強度的2期平均排序如圖4b所示，岐山—馬召斷裂的轉咀砂、南寨、草碧測線的平均CO相對活動強度排序靠前，固關—虢鎮斷裂的八渡和殿咀測線排序靠后，大塬測線的值最低。綜合2018—2019年CO濃度均值和相對活動強度的2期平均結果來看，岐山—馬召斷裂的咀砂、南寨、草碧測線氣體活動最為活躍，其次是固關—虢鎮斷裂的八渡、殿咀測線，活動強度最弱的是岐山—馬召斷裂的大塬測線。

圖4 2018—2019年隴縣—寶雞斷裂帶6條測線CO2濃度平均值(a)和CO2相對活動強度(b)Fig.4 The average concentration of CO2 in the 6 surveyprofiles in the Longxian-Baoji Fault Zone from 2018to 2019(a)and the two-year average of therelative intensity of CO2 activity(b)

3.3 土壤氣CO2碳穩定同位素組成溯源分析

6條測線上的60個土壤氣樣品的CO濃度和碳同位素組成見表2，CO濃度均值和相對活動強度結果存在一定的差異，如圖5所示，并且2019年7月的測值與2018年6月的測值也存在一定差異。產生這種差異可能是由于不同月份的氣候條件以及不同年度氣體來源存在一定差異。

為了更好地對比分析這6條測線的氣體來源及活動性特征，本文利用三端元混合模型計算各端元CO占比(表2)，其中深部來源占比均值如圖5c所示。結果表明，6條測線的CO氣體主要來源于生物源，岐山—馬召斷裂上CO氣體樣品深部來源(0.04%～0.42%)比固關—虢鎮斷裂上CO氣體樣品深部來源(0.06%～0.08%)的占比略高。

將岐山—馬召斷裂和固關—虢鎮斷裂上的氣體樣品分為兩類進行對比分析(圖6)，能更直觀地發現岐山—馬召斷裂上的樣品更接近于深部來源端元這一特征，表明岐山—馬召斷裂上的深部來源氣體更容易沿斷裂逸出，從而可以推斷出，岐山—馬召斷裂的地下構造連通性較好，斷裂破裂程度較高、閉鎖程度較低，為深部流體向上運移與擴散創造了有利條件。此外，寶雞地區溫泉水中的CO氣體碳同位素組成位于土壤氣和深源物質的過渡端元(Ma，2010；馬致遠等，2018)，表明深源物質更容易快速地被斷裂帶內的溫泉水運移出來，再被釋放到地表。泉水和圍巖發生的水-巖作用也會產生一定的氣體，并被運移出到地表(Chen，2020)。

表2 隴縣—寶雞斷裂帶土壤氣CO2濃度、碳同位素組成，各端元百分占比及其體積濃度

續表2

圖5 2019年7月CO2濃度(a)、相對活動強度(b)和深源物質百分占比對比分析(c)Fig.5 Volume concentrations of CO2 in July 2019(a)，relative intensity of CO2 activity(b)，andthe percentage of deep-sourced materials(c)

4 討論

前人對鄂爾多斯西南緣和西秦嶺北緣的各條斷裂帶進行了跨斷層土壤氣CO濃度測量分析，如劉兆飛(2020)得出海原斷裂帶土壤氣CO濃度平均值在0.09%～0.22%；Zhou等(2020)得出六盤山地區土壤氣CO濃度平均值在0.73%～1.44%；高曙德等(2021)測量得出西秦嶺北緣斷裂土壤氣CO濃度范圍為0.36% ～ 1.12%。

圖6 固關—虢鎮斷裂和岐山—馬召斷裂土壤氣1/CO2和碳同位素組成分析Fig.6 CO2 concentrations and δ13CCO2 in theGuguan-Guozhen Fault and theQishan-Mazhao Fault

本文獲取的隴縣—寶雞斷裂帶土壤氣CO體積濃度平均值在0.62%～1.16%。對比研究區周緣各斷裂帶CO氣體濃度平均值可知，更靠近鄂爾多斯盆地西南緣的六盤山—隴縣—寶雞斷裂帶比外圍的海原斷裂帶更利于CO沿斷裂向外逸出。相對而言，隴縣—寶雞斷裂帶的氣體活動性比六盤山斷裂的氣體活動性略弱。這主要是由于受到青藏高原擠壓推擠作用，地殼物質沿六盤山—隴縣—寶雞斷裂向東南方向逃逸，導致隴縣—寶雞斷裂帶產生左旋走滑運動；同時，受華北塊體順時針運動作用，鄂爾多斯盆地發生逆時針旋轉，產生部分右旋走滑分量作用于隴縣—寶雞斷裂帶上，從而抵消掉該斷裂的部分左旋走滑位移。這些復雜的地質作用過程使得隴縣—寶雞斷裂的北部處于相對閉鎖的狀態，而南部的閉鎖程度較低。與之相對應，杜方等(2018)利用地震活動性資料反演得出隴縣—寶雞斷裂帶北部屬于地震空區，而南部屬于7級地震破裂區。在本文測量的6條測線中，固關—虢鎮斷裂上的測線位于隴縣—寶雞斷裂帶的北段的結論，而岐山—馬召斷裂上的測線位于該斷裂帶的南段。

岐山—馬召斷裂和固關—虢鎮斷裂在晚第四紀以來的活動性存在一定的差異：首先，岐山—馬召斷裂晚第四紀以來整體呈現為左旋走滑兼正斷特征，速率約為0.5～1.2 mm/a(Li，2019)，而固關—虢鎮斷裂晚第四紀以來活動特征稍顯復雜，整體呈正斷兼走滑特征，水平走滑速率約為0.1 mm/a(薛峰，2014)。因此，岐山—馬召斷裂的活動性整體強于固關—虢鎮斷裂。其次，2條斷裂均呈現為分段活動性各不相同的特征，其中關于岐山—馬召斷裂的分段活動性的資料比較豐富，最強的為該斷裂的北段，滑動速率約為0.8～1.2 mm/a，而關于固關—虢鎮斷裂的分段活動性的研究較少，該斷裂北段為晚更新世活動斷裂，中段為全新世活動斷裂(速率不超過0.12 mm/a)，南段為早中更新世活動斷裂。由于各條斷裂的活動性和破碎程度不同，導致它們的不同分段具有各向異性，使得斷裂帶不同地點的滲透性各不相同，進而影響土壤氣的濃度和活動強度。

綜合隴縣—寶雞斷裂帶6條跨斷層測線的土壤氣CO濃度、相對活動強度、碳穩定同位素組成等氣體地球化學特征分析，可知岐山—馬召斷裂的4條測線均位于該斷裂活動性最強的北段，CO氣體相對活動性最強的為北端的草碧、南寨和轉咀頭測線，而南端的大塬測線氣體相對活動性最弱，表明該斷裂北段的活動性由北向南呈現為減弱的特征。固關—虢鎮斷裂的殿咀測線位于該斷裂的北段，八渡測線位于該斷裂的中段，八渡測線的氣體相對活動性強于殿咀測線，這一特征印證了中段為全新世活動斷裂，其活動性要強于北段。岐山—馬召斷裂CO氣體樣品比固關—虢鎮斷裂具有稍多的深部物質來源，表明岐山—馬召斷裂地表淺部與地殼深部的連通性較好、斷裂帶閉鎖程度較低，為深部流體向上擴散與運移創造了有利條件。殿咀、八渡測線位于整個隴縣—寶雞斷裂的北部(擠壓閉鎖區)，南寨、轉咀頭、大塬測線位于南部(弱閉鎖區)，總體而言，斷裂閉鎖程度較低、破裂程度較高的地區CO氣體活動性較強，反之，則CO氣體活動性較弱。綜合上述資料可知，隴縣—寶雞斷裂帶北段同時具有氣體活動性弱、閉鎖程度較高、位于地震空區等特征，因此，北段未來發生地震的危險性比南段高。

5 結論

本文通過對隴縣—寶雞斷裂帶上6條跨斷層測線的土壤氣CO濃度、相對活動強度和碳同位素組成特征進行分析，得到以下結論：

(1)2018—2019年2期土壤氣CO觀測結果顯示，八渡的CO濃度分布呈現為雙峰式，符合正斷層氣體擴散模式特征；殿咀、草碧和大塬的CO濃度分布呈現為多峰型，符合走滑斷層氣體擴散模式特征；南寨和轉咀頭地區斷裂東北盤的CO濃度高于西南盤，符合走滑兼正斷層氣體擴散模式特征。這一特征可為判定斷裂性質提供氣體地球化學方法的佐證。

(2)由于斷裂帶土壤氣CO屬于混合來源，所以需要同時結合體積濃度、相對活動強度以及碳同位素組成來對氣體活動性特征進行綜合判定。岐山—馬召斷裂的土壤氣CO濃度和相對活動強度整體上強于固關—虢鎮斷裂；相對應地，岐山—馬召斷裂上的氣體深部來源占比(0.02% ～ 0.31%)稍微高于固關—虢鎮斷裂上的氣體深部來源(0.05% ～ 0.06%)，表明位于南段的岐山—馬召斷裂氣體滲透性較高、地下構造連通性較好，而位于北段的固關—虢鎮斷裂氣體活動性較弱、斷層閉鎖程度較高，未來發生地震的危險性較高。

感謝中國地震局第二監測中心季靈運研究員對文章提出中肯的建議，感謝中國地震局地震預測研究所劉兆飛對數據處理方法提出的建議，感謝評審專家給予寶貴的修改建議。