瑞昌—武寧活動斷裂帶土壤氣地球化學特征*

鮑志誠，趙愛平，呂 堅，肖 健，周紅艷，寧洪濤，湯蘭榮，陳 浩

(1.江西省地震局 江西省防震減災與工程地質災害探測工程研究中心，江西 南昌 330013；2.江西省地震局，江西 南昌 330026)

0 引言

已有研究(汪成民等，1991；杜建國，康春麗，2000a，b；劉耀煒，2006；李營等，2009)認為地下氣體組分(Rn、Hg、CO、H、He、CH等)能夠客觀、靈敏地反映地殼的應力、應變狀態，因為地震孕育和發生過程中，地下物質遷移、能量釋放和應力改變導致斷裂帶及其周邊區域的氣體地球化學場發生顯著改變(King，1996；Baubron，2002；陶明信等，2005；Fu，2005；Ciotoli，2007；李營等，2009；杜建國等，2018；Chen，2019)。地震發生前后地下氣體常表現出各種異常，映震效果顯著，是地震前兆異常的主體，這使得氣體地球化學方法及其手段在地震監測預報相關研究中得到廣泛應用(杜樂天，2005；杜建國等，2018)。國內學者利用流動地球化學測量手段針對中國大陸主要地震帶和大型構造帶如張家口—渤海地震帶、山西地震帶、郯廬地震帶、六盤山斷裂帶、鄂爾多斯西緣地震帶、海原斷裂帶、南北地震帶、天山斷裂帶、鮮水河斷裂帶等開展了大量氣體地球化學觀測和研究工作(李營等，2009；Li，2010，2013；Han，2014；崔月菊等，2016；周曉成等，2017；王喜龍等，2017；Chen，2018；楊江等，2019；張磊等，2018；Xiang，2020；Sun，2021)。

九江—瑞昌地區位于長江中游地震帶。2005年九江—瑞昌5.7級地震后，長江中游地震帶發生多次5級以上地震，進入新的5級以上地震活躍幕，贛北地區中等地震持續活躍，發生3.0～3.9地震24次，4.0以上地震3次，最大為2011年9月10日瑞昌—陽新4.9地震。而自2011至今該地區尚未發生中強以上地震，未來中強地震發震的危險性及緊迫性進一步增強，值得密切關注。目前，前人針對九江—瑞昌地區只開展了九江2井的地震水文地球化學相關研究(鮑志誠等，2019，2021)，關于瑞昌—武寧斷裂帶氣體地球化學監測等相關工作尚未開展。因此，本文以瑞昌—武寧斷裂帶瑞昌段土壤氣流動測量為基礎，開展該斷裂帶氣體地球化學特征研究，構建斷裂帶活動特征的氣體地球化學判定指標，為探究土壤氣濃度釋放特征與地震活動性關系提供科學參考，也為九江—瑞昌地區震情跟蹤及異常核實工作提供技術支撐。

1 研究區概況

在大地構造部位上，九江—瑞昌地區位于秦嶺—大別造山帶和揚子準地臺兩大地質單元的邊界交接地帶。研究區附近存在兩條不同方向的重大(區域)斷裂帶，一條為NE向的廬江—廣濟斷裂(郯廬斷裂帶南段)，另一條為NW向的襄樊—廣濟斷裂。郯廬斷裂帶是中國大陸一條極為重要的斷裂帶，其活動性延續至今，為中國東部最大的近代地震活動帶。其主干斷裂沿秦嶺—大別造山帶的東南邊緣延伸，終止于長江岸邊的廣濟附近，南段切割并錯移大別山帶而構成斷裂尾端。襄樊—廣濟斷裂帶是一條區域性深大斷裂，構成了秦嶺—大別造山南緣邊界斷裂構造帶的東南部分，被認為是揚子地塊與秦嶺—大別造山帶的分界線。九江地震區位于這兩大地質構造單元的交界地帶，構造背景十分特殊，具有中強地震發生的地質背景。

瑞昌—武寧斷裂帶位于贛西北地區，北起瑞昌盆地，經范家鋪、橫港等地向南至武寧及銅鼓以南，整體走向呈NE 40°～50°，長約150 km(曾新福等，2016)(圖1)。該斷裂形成于燕山期，發育于中—新元古屆、古生界和三疊系，主要由一系列NNE和NE向斷裂斜列分布而成。該斷裂上測線附近的淺層物探結果顯示，斷層兩側基巖存在明顯落差，中更新統礫石層存在不連續分布。根據物探解譯結果在解譯斷層兩側布設了聯合鉆孔，發現更新統礫石層被錯動數米，白云質灰巖形成數米的基巖陡坎，并且在鉆孔中發現有斷層破碎帶。斷層物質熱釋光年代樣品測試結果顯示該斷裂在第四紀以來仍有過明顯活動，屬中更新世斷裂，根據地層的錯動判斷該斷層為正斷層(中國地震局地質研究所等，2006)。在該斷裂及周邊地區發生過1575年3月5級、1995年4月4.9和 2005年11月九江—瑞昌5.7破壞性地震(圖1)，其中九江—瑞昌5.7級地震是近幾年來我國東部地區造成災害最嚴重、損失最大的地震，造成13人死亡，直接經濟損失20.4億元人民幣(呂堅等，2008；Han，2014)。因此，在該斷裂上開展土壤氣測量對深入認識瑞昌盆地的幾次破壞性地震及該斷裂的地震活動性特征具有重要意義。

圖1 九江—瑞昌地區地質構造及測線分布概況(據曾新福等，2016)

2 布線和測量方法

2019年5月29—31日，課題組在瑞昌—武寧斷裂帶瑞昌段的桂林橋和伍家畈分別布置了2條流動觀測測線，測線間距約為5 km(圖1)，測點間距為50 m。課題組在野外現場測量了土壤氣中的 Rn、CO含量，土壤濕度為40%～55%，土壤溫度為25.5 ℃～33.5 ℃。測量時采用測氡儀、二氧化碳儀串聯方式進行，抽氣泵抽氣通過過濾膜進入測氡儀，再進入二氧化碳儀，具體測量過程如圖2所示。首先在各測點處打孔，孔徑約為 30 mm、深度為 800 mm，取樣器置于孔內，封住孔口，開始取樣、測量。Rn氣濃度使用Alpha GUARD P2000 測氡儀測定，儀器靈敏度為50 cpm/(kBq·m)，流量為0.5 L/min，儀器校準誤差優于3%；CO氣體濃度測量使用華云 GXH-3010E1E二氧化碳儀測定，測量范圍為 0～1.000%，分辨率為 0.001%。測量前，用土壤氣清洗采樣氣室，然后抽取土壤氣，反復提壓氣室活塞，用薄膜過濾采樣。測氡儀使用標準氡室進行校準，體積活動響應平均值為0.921。測量時為了消除Tn射氣的影響，采取了兩個措施：一是用長導管讓Tn射氣在進入儀器之前完成衰變；二是連續測量15 min，取靜置、穩定后的8 min數據的平均值。本文還選取了郯廬斷裂帶中、南段上柯坦、肥東、泗縣、重崗的流動測線測量數據用于對比分析，見表1。

3 測量結果

取斷裂帶上兩條測線上對應測點的土壤氣Rn、CO濃度的平均值作為各測點綜合觀測值，對數據進行 K-S 非參數檢驗，結果顯示土壤氣Rn、CO的濃度綜合觀測值均符合正態分布，因此取綜合觀測值的平均值作為各組分的背景值。為避免極值對背景值產生影響，剔除極值后取平均值作為相應組分活動背景值(Walia，2009；Zhou，2017)。本文將大于平均值加2倍均方差的值視為極值，以剔除極值后的背景值加均方差作為氣體異常點判定下限即異常限(蘇鶴軍等，2005)。

圖2 土壤氣測量示意圖

表1 研究區土壤氣Rn、CO2地球化學背景測量結果

由表1可知，桂林橋測線的土壤氣Rn、CO濃度均低于伍家畈測線，但兩條測線上的土壤氣Rn濃度釋放大致呈中間高、兩側低的特征，斷層位置均大致在桂林橋和伍家畈測點6和7之間，即斷層附近土壤氣釋放高，遠離斷層的兩側逐漸降低，對斷層破碎帶的指示作用顯著(圖3a-1，b-1)。桂林橋測線第4、5測點土壤氣測量數據顯著下降，與測點鉆孔濕度大、抽氣受阻有關，且土壤氣CO與Rn的形態一致性較好，但數據更為離散(圖3a-1)。

已有研究表明，來源于斷裂帶深部的氣體，其Rn濃度與 CO或 CH濃度具有正相關特性。如 Yang 等(2003)對中國臺灣地區活動斷裂上的Yan-Chao(YC)研究區和Chung-Lun(CL)研究區的泥火山氣體研究發現，YC區具有殼源特征，CL區具有幔源特征。在YC區，CH作為載體將 Rn運移至地表；在CL區，CH和CO作為載氣將Rn運移至地表。Ciotoli等(2007)對意大利 Fucino 盆地氣體運移機制開展研究時發現 Rn與CO的濃度成正相關，認為Rn是通過 CO運移至地表的。Rn在運移過程中有相應的載體(如 CO、CH)則更易遷移(Etiope，Martinelli，2002；Ciotoli，2007)。Pearson相關系數顯示(圖3a-2，b-2)，桂林橋測線Rn與CO濃度相關系數為0.95(極強正相關)，伍家畈測線為0.65(強正相關)，圖中陰影部分為置信帶。說明桂林橋測線CO可能是Rn運移過程中的主要載體，而伍家畈測線Rn運移的載體可能具有多解性，而CO來源可能也相對復雜，這可能與該測線部分測點土壤覆蓋層為耕地有關。

4 討論

4.1 土壤氣Rn濃度與斷裂帶活動性關系

土壤氣中Rn的濃度受基巖類型、裂隙發育、區域構造應力場、運移載體、地下水等環境因素的綜合影響(Sun，2018)，因此不同區域土壤氣Rn濃度存在差異性。Rn濃度在斷層不同位置的差異可能與Rn的運移機制、斷層的破碎程度及閉鎖程度密切相關。孫小龍等(2016)研究認為，Rn既可能來源于大氣或淺層地表，也可能來源于地下深部，還可能來自于沉積地層中有機質的分解，甚至來源于地幔，其中來自深部的可能性與區域應力應變也有著密切的關系。桂林橋和伍家畈測線Rn濃度背景值分別為38 937 Bq/m和71 984 Bq/m，前者明顯小于后者。如表1所示，與郯廬斷裂帶南段的柯坦相比，瑞昌—武寧斷裂瑞昌段測線的土壤氣Rn濃度相對較小，但與郯廬斷裂帶安徽段及江蘇段相比土壤氣Rn濃度明顯更高(張揚等，2016；鄭海剛等，2016；方震等，2019)。孟亞鋒等(2019)研究認為郯廬斷裂帶中段(嘉山—郯城)處于閉鎖狀態，地震活動較弱，相比之下南段活動性更強，這與土壤氣的測量結果基本一致。從土壤氣Rn濃度分布可以看出，伍家畈測線存在異常的測點更多，土壤氣Rn濃度水平也較高(圖3b-1)。2005年11月26日，在瑞昌—武寧斷裂帶瑞昌段發生5.7級地震，震中位置靠近桂林橋剖面。筆者推斷出現上述現象的原因與地殼下部還沒有完全形成閉鎖，且伍家畈測線斷層愈合程度相對桂林橋更弱，有利于深部流體向上擴散與運移有關。

構造活動地區的斷裂帶土壤氣中CO來源主要包括：地幔去氣作用，碳酸鹽變質、分解，有機質氧化，微生物和植物的呼吸作用，即殼幔成因、生物成因(Sugisaki，1983)。非火山地區的斷裂帶土壤氣CO含量高，一般認為是由深斷裂造成的，故CO常被作為判別構造活動和地震危險性的指示劑(Irwin，Barnes，1980；Annunziatellis，2003)。瑞昌—武寧斷裂帶桂林橋、伍家畈測線CO濃度背景值分別為0.81%、1.98%，明顯高于郯廬斷裂帶安徽段的0.15%～0.91%(鄭海剛等，2016；張揚等，2016)，這可能與測量時間及土壤覆蓋層差異有關。本次測量在2019年5月開展，研究區正值春季，降雨較多，所以土壤濕度較高，同時，相比其他季節，該季節生物成因的CO更多。此外，部分測線經過耕地、微生物和植物的呼吸作用明顯更強。桂林橋測線的CO濃度明顯小于伍家畈，一方面可能是桂林橋測線破碎程度相對較高，導致剖面的滲透性較高，不利于CO的積累，另一方面可能是伍家畈測線地勢低洼土壤濕度高，導致有機成因CO較多。

土壤氣濃度與斷層地下破裂程度密切相關，而斷層不同位置的破碎程度常常有差異，進而表現為地層滲透率差異，最終表現為土壤氣釋放強度的差異。為了消除不同觀測測線因斷層活動和結構、氣體源區、地質以及氣候等因素的影響，常使用釋放強度來表征斷裂帶土壤氣釋放特征(楊江等，2019)。一般被定義為測線中部測點平均值與測線兩端測點平均值之比(主斷面附近150 m范圍是測線中部，之外是測線兩端)。經計算桂林橋測線Rn、CO的分別為1.54和1.46，伍家畈測線Rn、CO的分別為1.35和1.08。雖然伍家畈測線Rn、CO濃度明顯高于桂林橋測線，但釋放強度卻相反，說明桂林橋測線土壤氣釋放集中在測線中部，而伍家畈測線中部則與兩端土壤氣的釋放相對一致。

桂林橋測線土壤氣Rn與CO的濃度成極強正相關，暗示該測線的土壤氣可能來自斷層深部，而伍家畈測線的相關系數則低得多，暗示其土壤氣來源復雜，具有多源特征。從Rn與CO的散點圖(圖3a-1，b-1)可知，桂林橋測線的Rn濃度隨CO濃度快速增加，Rn 濃度的增加可能反映地殼深部信息；而伍家畈測線的CO濃度快速增加，Rn濃度變化相對緩慢，高濃度CO可能是部分測點因為耕種地中的微生物的呼吸作用形成CO并產生水平遷移所導致。

4.2 土壤氣Rn濃度與b值的關系

值是重要的地震前兆指標之一。以往研究認為強震前先出現高值，然后下降，在下降過程中發震。低值異常區即未來強震的震源體(李全林等，1978)。值是古登堡和里克特提出的震級-頻度(G-R)關系式中的系數(Gutenberg，Richter，1944)：

lg=-

(1)

式中：為震級；為≥(最小完整性震級)地震的累積頻度；、為常數。

影響值的主要因素包括有效剪應力、介質的非均勻性以及溫度、流體、構造條件等。花崗巖聲發射實驗研究顯示：各變形階段的平均值隨應力增加而系統性減小，即值與應力呈反比關系，實際地震研究中值的趨勢性降低可能表征研究區所處環境應力的增強。

本文選取1980年1月—2020年12月贛北地區2.0～5.0地震進行值計算，計算時震級分檔間隔取0.1，每個統計單元內的地震樣本數不少于30，參與擬合的有效震級分檔數不低于5檔。按0.1°×0.1°的間距將研究區網格化，統計單元的半徑取20 km，對于地震分布較稀疏的局部區域，擴大值，最大不超過40 km，計算結果如圖4所示。圖4顯示，贛鄂皖交界的九江—瑞昌地區構造活動趨于增強，并形成了以瑞昌盆地為中心的低值、高應力區，區域應力的積累持續增強。伍家畈剖面的氡濃度明顯高于桂林橋剖面，可能與其構造活動性更強、應力積累更充分有關，這與值空間分布吻合。

與郯廬斷裂帶中南段及唐山斷裂帶等重大斷裂帶相比，瑞昌—武寧斷裂帶土壤氣Rn、CO釋放強度較高，說明研究區總體構造活動趨于加強，這與研究區內已形成的以瑞昌盆地為中心的低值、高應力區結果相一致。綜上所述，斷裂帶附近土壤氣濃度高，特別是土壤氣Rn可能主要受斷裂構造活動及區域應力增強控制，說明氣體高值是斷裂存在的表征且能有效地指示斷裂破碎帶位置。對于Rn、CO氣體定量化的來源及貢獻，尚需進一步對溶解氣體He、He與δC組成特征開展分析研究。

圖4 贛北地區b值空間分布

5 結論

本文通過對瑞昌—武寧斷裂瑞昌段桂林橋、伍家畈兩條測線29個測點的土壤氣開展流動野外測量，分析了該斷裂帶土壤氣釋放及地球化學特征，同時結合贛北地區值空間分布圖，討論了斷裂帶土壤氣釋放特征與構造活動的內在關系，得到以下結論：

(1)桂林橋、伍家畈兩條測線土壤氣 Rn和CO的地球化學背景值分別為 38 937 Bq/m、0.81% 和71 984 Bq/m、1.98%；Rn 和 CO地球化學背景場明顯呈現西南高、東北低的空間分布特征。

(2)通過數據測量，并結合測點土壤覆蓋層實際情況開展研究，發現土壤氣中各組分來源和濃度值所受的影響因素不同。Rn濃度可能主要受到區域內巖石地球化學因素影響，主要來源于地下深部；CO來源相對復雜，可能含有來自地殼淺層的成分，例如伍家畈測線地表破碎程度和微生物活動是影響CO釋放的主要因素。兩條測線的CO和Rn均達到了強相關，說明CO是Rn遷移釋放的載氣。桂林橋測線的Rn和CO釋放強度略高于伍家畈，這種濃度空間釋放特征的差異可能主要是震后斷層愈合程度不一樣所致。總體而言，瑞昌—武寧斷裂帶附近土壤氣濃度高，說明氣體高值是斷裂存在的表征，且能有效地指示斷裂破碎帶位置，特別是土壤氣Rn可能主要受斷裂構造活動及區域應力增強的控制。

國家自然災害防治研究院劉耀煒研究員及審稿專家對本文的撰寫提供了幫助，在此一并表示感謝！