綜合運(yùn)用地球物理和土壤氣剖面識(shí)別活動(dòng)斷層： 以西班牙東北部比利牛斯山脈的阿梅爾(Amer)斷層為例(Ⅰ)*

M Zarroca， R Linares， J Bach， C Roqué，

V Moreno3)， Ll Font3)， C Baixeras3)

1) Grupo de Geodinámica Externa e Hidrogeología， Dpto. de Geología， Edicio Cc，

Universitat Autò noma de Barcelona， 08193 Bellaterra， Barcelona， Spain

2) Geodinámica Externa， Dpto. Ciencias Ambientales， Universitat de Girona，

17071 Girona， Spain

3) Grupo de Física de las Radiaciones， Dpto. de Física. Edicio Cc， Universitat

Autònoma de Barcelona， 08193 Bellaterra， Barcelona， Spain

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綜合運(yùn)用地球物理和土壤氣剖面識(shí)別活動(dòng)斷層： 以西班牙東北部比利牛斯山脈的阿梅爾(Amer)斷層為例(Ⅰ)*

M Zarroca1)， R Linares1)，J Bach1)， C Roqué2)，

V Moreno3)， Ll Font3)， C Baixeras3)

1) Grupo de Geodinámica Externa e Hidrogeología， Dpto. de Geología， Edicio Cc，

Universitat Autò noma de Barcelona， 08193 Bellaterra， Barcelona， Spain

2) Geodinámica Externa， Dpto. Ciencias Ambientales， Universitat de Girona，

17071 Girona， Spain

3) Grupo de Física de las Radiaciones， Dpto. de Física. Edicio Cc， Universitat

Autònoma de Barcelona， 08193 Bellaterra， Barcelona， Spain

摘要地球物理和土壤氣組成探查相結(jié)合的方法可以快速低成本地獲得有關(guān)地震活動(dòng)情況的信息。 本研究中， 對(duì)西班牙的比利牛斯山脈(Pyrenees)的阿梅爾(Amer)鎮(zhèn)附近明顯存在新斷裂的兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行了地球化學(xué)土壤氣采樣((222)Rn， (220)Rn和CO2)、 電阻率層析成像和地震折射數(shù)據(jù)分析。 數(shù)據(jù)分析清楚地揭示了沿電成像剖面每個(gè)特定位置的氣體異常值。 地貌與水文地質(zhì)資料、 綜合地球物理數(shù)據(jù)和土壤氣測(cè)量結(jié)果表明： ①在高滲透率的主斷裂區(qū)域， 變質(zhì)沉積基底巖會(huì)釋放出內(nèi)生氣體氡((222)Rn)和二氧化碳(CO2)， 而下新生代碎屑沉積地層則表現(xiàn)為一個(gè)不透水的邊界； ②氡濃度最高(52 kBq/m3)的區(qū)域?qū)?yīng)于Amer斷層內(nèi)近期在地貌上有較多活動(dòng)證據(jù)的地區(qū)， 更準(zhǔn)確地說， 是被較薄地表物質(zhì)覆蓋的地區(qū)； ③最低的(222)Rn值(0.2～0.4 kBq/m3)只在主要活動(dòng)斷層面記錄到。 這可以用高土壤CO2射流(每日267 g/m2)的稀釋作用來解釋； ④高地表破裂區(qū)域的土壤釷射氣((220)Rn)活動(dòng)性最大(143 kBq/m3)； ⑤地下水開采可能引起重要的自然流體動(dòng)力和測(cè)量的氣體濃度畸變。 不同數(shù)據(jù)結(jié)果(地球化學(xué)、 地球物理和水文地質(zhì))與實(shí)地觀測(cè)結(jié)果(地質(zhì)和地貌)的一致性為我們提供了一個(gè)初步的研究區(qū)構(gòu)造-重力模型。

關(guān)鍵詞活動(dòng)斷層； 電阻率層析成像(ERT)； 地震折射； 土壤氡和釷射氣濃度； 土壤CO2釋放； 比利牛斯山脈； 西班牙

引言

當(dāng)評(píng)估特定區(qū)域的地震危險(xiǎn)性時(shí)， 了解該區(qū)活動(dòng)斷層的活動(dòng)性程度十分重要。 地層、 構(gòu)造和地貌學(xué)研究是識(shí)別和表征活動(dòng)斷層的常用方法。 將這些傳統(tǒng)方法與地球物理測(cè)量技術(shù)和土壤、 水中氣體測(cè)量結(jié)合起來可以大大增強(qiáng)新構(gòu)造信息。

近些年， 近地表地球物理勘探已成為各種地質(zhì)和構(gòu)造環(huán)境中研究地震相關(guān)活動(dòng)斷層的標(biāo)準(zhǔn)手段[1]。 沒有一種最佳的地球物理方法或技術(shù)可以適用于所有可能的地質(zhì)和環(huán)境場(chǎng)景。 通常， 最合適的策略就是不同地球物理方法的結(jié)合[2]。 最常用的方法之一是電阻率層析成像技術(shù)(electric resistivity tomography， ERT)[3-6]。 斷裂帶地電調(diào)查主要的針對(duì)目標(biāo)是斷層面的位置和幾何結(jié)構(gòu)， 包括盲構(gòu)造和位移估算。 盡管已有成功的調(diào)查[7-8]， 但斷裂帶地電調(diào)查還沒有被全球作為研究第四紀(jì)構(gòu)造和地震災(zāi)害評(píng)估的通用技術(shù)所接受[9]。 特別是， 在歐洲， 橫跨斷層跡和斷層崖的ERT技術(shù)的使用在最近十年大大增加[10]。 ERT數(shù)據(jù)比其他地球物理方法有幾個(gè)有利因素。 其穿越深度不受水分、 鹽分或者粘土存在的限制， 而GPR(探地雷達(dá))數(shù)據(jù)卻會(huì)遇到這些問題。 再者， 電阻率數(shù)據(jù)不會(huì)包含地下水位影響引起的歧義， 而地震波折射數(shù)據(jù)中往往會(huì)出現(xiàn)模棱兩可的結(jié)果[10]。

探查斷裂帶內(nèi)土壤氣[11]和水氣[12]的組成是研究活動(dòng)地質(zhì)構(gòu)造的一種創(chuàng)新、 快速且相對(duì)廉價(jià)的方法， 而且可能會(huì)提供有關(guān)區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)的信息。 潛在的地震前兆指標(biāo)之一就是與斷層區(qū)域相關(guān)的氡濃度變化[13]。

正如我們所知， 氡在地殼中是廣泛存在的， 因?yàn)殁櫤外Q存在于幾乎所有類型的巖石和土壤中。 事實(shí)上，226Ra同位素衰變后產(chǎn)生222Rn， 被稱為氡(半衰期3.823 d)， 而232Ra衰變產(chǎn)生220Rn， 即釷射氣(半衰期僅55.6 s)。 由于其半衰期不同，222Rn和220Rn在土壤/氣體中有不同的源區(qū)，222Rn來源于相對(duì)較深地層到淺地層，220Rn則來源于淺地層。 近期研究表明， 土壤222Rn濃度傾向于在主要斷層面附近升高。 這一行為被解釋為與斷層相關(guān)的巖石性質(zhì)的改變： ①土壤對(duì)氣體的高滲透性； ②破碎巖石中較高的表面積-體積比----這有利于氡從固體基質(zhì)中釋放。 由于氡的半衰期很短， 所產(chǎn)生的任何氡必須靠近巖石的自由表面， 才有可能進(jìn)入氣相[14]。 在幾種情況下， 土壤氣體222Rn和其他微量氣體的異常與二氧化碳(CO2)的強(qiáng)脫氣作用相關(guān)， 由此證實(shí)了氡的平流運(yùn)輸模型， 平流運(yùn)輸經(jīng)過土柱由載氣實(shí)現(xiàn)， 而載氣流量則受壓力梯度控制[15-16]。 在火山或者地?zé)岘h(huán)境的土壤氣體中， 無論就富集還是流量而言， CO2通常都是最重要的。 因此， 將土壤氣排放中222Rn和CO2測(cè)量值關(guān)聯(lián)起來， 會(huì)提高222Rn流動(dòng)型態(tài)的評(píng)估結(jié)果。

位于西班牙比利牛斯山脈南部的Amer地區(qū)被選作研究區(qū)是因?yàn)槠涮厥獾拇蟮貥?gòu)造背景， 其中包含了Amer-Brugent斷層和Garrotxa區(qū)域的火山活動(dòng)。 與第四紀(jì)活動(dòng)斷層直接相關(guān)的富含氣體的泉水在研究區(qū)及其附近區(qū)域十分常見(圖1)[17]。 在同一區(qū)域開展的其他研究項(xiàng)目也證明了地下水中CO2內(nèi)生源的存在[18]。

氣象和季節(jié)性因素的變化也可以改變土壤水和間歇泉中的氡濃度[19]。 近期在Amer地區(qū)[20]和附近的Garrotxa地區(qū)[21-22]進(jìn)行的連續(xù)測(cè)量調(diào)查發(fā)現(xiàn)， 冬季氡和釷射氣濃度會(huì)下降。

考慮到之前的一些因素， 我們選取了Amer鎮(zhèn)以北橫跨Amer斷層的兩個(gè)區(qū)域， 并在此開展了地球化學(xué)和地球物理學(xué)研究。 此項(xiàng)工作的目的就是要評(píng)估綜合應(yīng)用電阻率層析成像(ERT)和土壤氡222Rn測(cè)量來探查活動(dòng)斷層的可能性。

1地質(zhì)背景、 新構(gòu)造和地震活動(dòng)

Puig等[23]繪制的1∶25000地質(zhì)圖提供了Amer斷層區(qū)的綜合基巖地質(zhì)學(xué)信息。

利用黑白航拍照片(1957年1∶33000; 1982年1∶18000)、 彩色正射影像(2008年1∶5000)以及主要針對(duì)構(gòu)造地形和第四紀(jì)沉積物的野外調(diào)查數(shù)據(jù)， 對(duì)航拍照片進(jìn)行了解釋， 據(jù)此繪制出了一幅詳細(xì)的地貌圖(圖2)。

1.1Amer區(qū)域地質(zhì)

Amer斷層是第三紀(jì)晚期NW-SE走向的正斷層， 并且是控制Empordà第三紀(jì)盆地的斷層系內(nèi)最西部的構(gòu)造之一[24-25](圖1)。 Amer斷層由一系列平行的斷裂構(gòu)成， 長(zhǎng)約30 km， 斷層面向北東傾斜60°， 最大垂直位移為1000～1400 m[26]。

Amer鎮(zhèn)周圍的巖石屬于Catalan海岸山脈的古生代基底和新生代沉積蓋層(圖2)。 該區(qū)有3個(gè)古生代單元： ①寒武-奧陶紀(jì)片麻巖； ②寒武-奧陶紀(jì)含層狀大理巖、 石英巖的片巖； ③奧陶紀(jì)片巖和頁巖， 其中含有石英巖和礫巖夾層。 眾多火成巖墻侵入整個(gè)古生代單元， 這些巖墻主要是東西走向， 寬數(shù)米。 古生代基底被新生代沉積單元(從古新世到始新世)不整合覆蓋： ①陸源礫巖、 砂巖和紅泥屑巖； ②可以形成大的構(gòu)造表面和懸崖的海相灰?guī)r； ③海洋泥灰?guī)r和砂巖。

圖1Pyrenees東部地震構(gòu)造環(huán)境下的研究區(qū)位置。 巖性和構(gòu)造數(shù)據(jù)基于ICC[27]， 熱液數(shù)據(jù)源于Linares等[28， 17]。 地震數(shù)據(jù)源于ICC[29]

新生代沉積物的侵蝕形成了第三紀(jì)前的夷平面， 該夷平面切穿了古生代巖石。 在Amer谷西側(cè)， 夷平面海拔在850～900 m， 但在東側(cè)， 由于Amer斷層的位移作用， 海拔則在250 m或以下。 晚第三紀(jì)擴(kuò)張之前的早第三紀(jì)比利牛斯山脈造山擠壓可能是導(dǎo)致夷平面稍向北傾斜(<5°)的原因。

(a) Font Picant d’Amer; (b) Font Pudosa; (c) Font Picant del Pasteral;

圖2Amer區(qū)域地質(zhì)與地貌圖。 山影高程模型采用了西班牙凱特羅那制圖研究所(Institut Cartogràfic de Catalunya， ICC)的高程數(shù)據(jù)(1∶5000)。 地質(zhì)橫斷面據(jù)Puig等[23]

Amer以南存在一小火山露頭， 由玄武熔巖流和侵蝕火山頸組成。 雖然沒有其年代的精確數(shù)據(jù)， 但在時(shí)間上和成因上可能與Garrotxa區(qū)域廣泛分布的其他火山有關(guān)， 其中一些火山與Amer斷層也有關(guān)聯(lián)。

Brugent河使Amer谷變得干涸， 它沿著谷底和兩側(cè)形成了一個(gè)階狀沖積物序列(沖積扇與河流階地)(圖2)。

根據(jù)相對(duì)于河床的地形位置， 可以識(shí)別出三級(jí)河流階地： ①最高階地(階地3)位于相對(duì)高度30～25 m處， 與其他階地相比， 其較高的粗礫巖風(fēng)化程度說明其年代也較古老； ②中間階地(階地2)在當(dāng)前通道上方12～8 m之間； ③最低階地(階地1)是最廣泛的沖積層， 相對(duì)高度在5～3 m。

Amer谷中沿河成階地與巖質(zhì)邊坡接觸面之間分布著沖積扇， 其頂峰逆流向上止于山前。 它們由泥石流沉積物組成， 在遠(yuǎn)端區(qū)則間或由河流沉積物組成。 根據(jù)其地形位置、 與河成階地的幾何關(guān)系和保存程度， 可以識(shí)別出3期沖積扇(圖2)： ①最古老的沖積扇位于較高的地形， 并且被現(xiàn)在的溪流嚴(yán)重切割， 它們大多與切穿山腰并延伸到最西部斷層南端的斷層相關(guān)； ②第2期沖積扇被現(xiàn)在的溪流侵蝕， 分布在河成階地1上， 它們位于山前低部， 覆蓋了切割巖坡的斷層線； ③最近的沖積扇幾乎沒有被現(xiàn)在的溪流侵蝕， 它們依附于巖坡， 并與第2期沖積扇和河成階地1部分重疊。

最近的一個(gè)沖積扇離其中一個(gè)研究剖面很近， 對(duì)其進(jìn)行了14C測(cè)年。 內(nèi)含木炭的碎屑提供的放射性碳齡距今185±30年， 這與Amer在17和18世紀(jì)之間零星的沖積扇活動(dòng)的歷史記錄一致。

Amer西南鄰近Lloret Salvatge村的地方， 最古老時(shí)期的沖積扇沉積物沒有被剝蝕， 但卻與最近的沉積物重疊(圖2)。 此處只存在泥石流沉積物。 Harvey[30]認(rèn)為它們是加積扇。 這一結(jié)果表明在Ter河區(qū)域， 山脈的隆起速率大于剝蝕速率。

1.2新構(gòu)造與地震活動(dòng)

據(jù)Ferrer等[24]和Fleta等[25]， 與區(qū)域內(nèi)其他斷層相比， 兩方面的證據(jù)可以支持Amer斷層近期發(fā)生過構(gòu)造活動(dòng)： ①自晚中新世開始的玄武巖裂谷型火山活動(dòng)向西遷移， 最新的熔巖流(距今10000年， Guérin等[31])與沿Amer斷層的一系列火山有關(guān)； ②地貌分析揭示出一個(gè)受控于近期斷層活動(dòng)的非常年輕的地形。 近期的其他地貌證據(jù)包括， 斷層沿線第四紀(jì)沖積扇中有三角面和米級(jí)規(guī)模的斜坡發(fā)育。

近期構(gòu)造活動(dòng)的其他證據(jù)還有該區(qū)破壞性地震的歷史記錄。 在15世紀(jì)， Amer和Olot地區(qū)發(fā)生過伊比利亞(Iberia)東北部有記錄以來最具破壞性的地震災(zāi)難。 發(fā)生在1427年的幾次地震， 其震中烈度達(dá)到了Ⅵ～Ⅷ度， 它們已被認(rèn)為是由Amer斷層引起[32-33](表1)。 1427年2～5月間的時(shí)空震群徹底摧毀了Olot， Amer和附近的其他許多地區(qū)。 1427年5月15日的地震在Olot至少造成15人死亡。

表11427年地震災(zāi)難中由Amer斷層引起的最具破壞性的地震事件列表(據(jù)Olivera[32])

日期月-日地震烈度(EMS-98)震級(jí)/MW震中05-13Ⅵ～ⅦAmer西北05-14ⅥAmer西北05-15ⅥAmer西北05-19Ⅷ5.9Amer東南05-22Ⅵ～ⅦLloretSalvatge05-15Ⅶ5.8Olot

譯者注： EMS為歐洲地震烈度表(European Macroseismic Scale)

盡管整個(gè)Amer村都被破壞， 但史料中并未記載任何由于建筑物倒塌造成的死亡。 然而， 1427年4月22日震中位于Lloret Salvatge的地震引發(fā)了氣體析出現(xiàn)象； 第2天有報(bào)道顯示， 在Lloret Salvatge和Amer村之間有毒氣體沿開口裂隙析出。 這些氣體導(dǎo)致2人死亡， 9人嚴(yán)重受傷。 其中一條裂隙被稱為“Esquerda del’ Infern”(Catalan語， 意為“地獄裂隙”)， 它在附近的斷層跡中至今仍可看到(圖2和圖3a)。

Amer斷層活動(dòng)的其他證據(jù)就是地震儀器記錄的資料和數(shù)量龐大的氣態(tài)地下水析出報(bào)道。 近期發(fā)生的小地震事件(3

從2005年開始， 在該區(qū)的不同點(diǎn)位都會(huì)持續(xù)或時(shí)而監(jiān)測(cè)到氡氣析出[20]， 測(cè)量值揭示Amer斷層現(xiàn)今仍有活動(dòng)。 本研究也包含了此項(xiàng)調(diào)查的結(jié)果。

圖3(a)近期Amer斷層的地震活動(dòng)中山坡重力變形而形成的開放裂隙 Esquerda de l’Infern(其規(guī)模請(qǐng)參照下方的測(cè)量人員)。 根據(jù)歷史資料， 這就是1427年地震災(zāi)害中氣體析出的位置。 受地震的觸發(fā)作用， 內(nèi)生氣體沿重力斷層面從Amer斷裂中釋放出來。 2010年6月17日的氣體測(cè)量記錄并沒有發(fā)現(xiàn)任何重要異常。 (b)相距兩天觀測(cè)到的Font Pudosa泉， 可見水位明顯下降。 (b1)2010年5月7日空氣中氡的監(jiān)測(cè)情況， 記錄值是1 686 Bqm/m3。 (b2)2010年6月22日泉水旁CO2氣流監(jiān)測(cè)情況， 在最靠近觀測(cè)點(diǎn)的地方其觀測(cè)值達(dá)到了最大極限

2Amer區(qū)域構(gòu)造與重力形態(tài)結(jié)構(gòu)

2.1構(gòu)造形態(tài)結(jié)構(gòu)

研究區(qū)中， Amer斷層系內(nèi)主要包含兩條大致平行的斷層線(圖2)。 西部斷層線位于Serrat del Torn山頂附近， 比較靠近Ter河的流域盆地與其支流Brugent河的分界線。 斷層的分布情況由不同古生代單元間的接觸面限定， 也由前第三系夷平面的位移限定， 在研究領(lǐng)域被認(rèn)為是有約3 m碎石的剪切帶。 東部斷層線穿過Brugent河谷的西部邊界， 同時(shí)被西側(cè)的沖積物覆蓋。 它由2個(gè)， 有時(shí)3個(gè)平行斷裂組成。 在Font Pudosa露頭處， 斷層面由4～6 m的角礫巖組成。

兩個(gè)地貌特點(diǎn)表明東部斷層系的近期活動(dòng)： 斷層三角面和米級(jí)規(guī)模的地貌陡坎。 三角面沿Brugent河谷右邊的低坡分布。 Ferrer等[24]和Fleta等[25]識(shí)別出兩期三角面， 并指出較年輕一期的年代是上新世-第四紀(jì)。 最古老的三角面位于山坡的中低部(圖2)， 破壞嚴(yán)重， 很難識(shí)別出是真正的斷層面還是滑坡殘痕。

米級(jí)規(guī)模的陡坎出現(xiàn)在覆蓋了東部斷層的第四紀(jì)沉積物上。 之前已有人識(shí)別出該區(qū)Amer斷層活動(dòng)形成的斷層陡坎[24-25]。 這些陡坎出現(xiàn)在斷層跡被古老的沖積扇覆蓋的地方。 根據(jù)Fleta等[25]， 在最近的沉積物上方?jīng)]有發(fā)現(xiàn)地表變形的證據(jù)。 遺憾的是， 在該區(qū)很難明確識(shí)別出斷層陡坎， 因?yàn)樵跊_積扇與河成階地上的農(nóng)耕活動(dòng)已經(jīng)進(jìn)行了幾個(gè)世紀(jì)； 人為的陡坎非常多， 斷層陡坎也可能已被人類活動(dòng)改變。 探明陡坡的起源還需要地球物理勘測(cè)和槽探工作。

2.2重力形態(tài)結(jié)構(gòu)

滑坡陡坎和滑坡沉積物不規(guī)則地分布在Serrat del Torn山脈的東側(cè)山坡(圖2)。 它們大都逐漸向下變成土流和泥石流。 有些情況下， 沉積物融入沖積扇中。

Serrat del Torn山坡上也出現(xiàn)了由深部重力坡變形(DSGSDs)引起的特征。 它們被歸類為“sackung”型[34]。 Sackung可以描述成由深層發(fā)生粘塑性變形引起的山坡下沉， 粘塑性變形會(huì)影響由均質(zhì)、 多節(jié)理或?qū)訝畲嘈詭r體組成的高陡邊坡[35-36]。 Serrat del Torn山DSGSDs結(jié)構(gòu)的特征就是其存在一系列分布在兩個(gè)主要構(gòu)造斷層間的平行陡坎和外崖(圖2)。

一些與DSGSDs陡坎相關(guān)的開放裂隙已被識(shí)別出來。 Amer地區(qū)同震的DSGSDs(sackung型)不僅可以通過地質(zhì)和構(gòu)造信息證明， 還可以通過歷史記載來證明。 正如前面解釋的那樣， 在1427年地震期間或之后， 山區(qū)出現(xiàn)了數(shù)個(gè)裂隙， 有毒氣體從中析出。 位于Brugent河谷與Ter河谷流域之間的Esquerda de l’Infern裂隙距西部斷裂很近， 它可能與1427年4月23日造成2人死亡的氣體釋放有直接關(guān)系(圖3a)。 La Gasalla裂隙位于Serrat del Torn山脈的中坡上， 沒有證據(jù)證明它可能與1427年地震有關(guān)。 Gutiérrez等[37-38]先前也指出Pyrenees的地震震動(dòng)觸發(fā)了sackung坡。

文獻(xiàn)來源： M Zarroca， R Linares， J Bach， et al. Integrated geophysics and soil gas profiles as a tool to characterize active faults： the Amer fault example (Pyrenees， NE Spain). Environ. Earth Sci.， 2012， 67(3): 889-910. doi： 10.1007/s12665-012-1537-y

(中國地震局地震預(yù)測(cè)研究所楊江譯； 李營校)

(譯者電子信箱， 楊江： jeromemuyi@163.com)

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中圖分類號(hào)：P315.2；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.03.007

* 收稿日期：2016-03-15； 采用日期： 2016-03-18。 2016-02-01； 采用日期： 2016-02-08。

※通訊作者： 劉文浩， e-mail: liuwh@llas.ac.cn。

編者按： 因本文較長(zhǎng)， 《國際地震動(dòng)態(tài)》將分兩期連續(xù)出版。