郯廬斷裂帶安徽段土壤氣體的地球化學(xué)特征

鄭海剛 方震 周曉成 李軍輝 孫玉濤 李玲利

1）安徽省地震局，合肥市長江西路558號 230031

2）中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036

3）中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029

0 引言

跨斷層土壤氣是地球內(nèi)部沿著活動板塊或塊體邊界及其它地殼薄弱帶向地表遷移釋放的氣體。監(jiān)測跨斷層土壤氣釋放濃度的變化，已成為探索地震前兆與地震預(yù)測及評價斷裂活動性的重要方法（汪成民等，1991；劉菁華等，2006）。國外很多學(xué)者從20世紀(jì)80年代開始跨斷層土壤氣研究，目前在斷層探測、地震預(yù)測以及斷層氣來源等方面的研究已取得了很多重要成果。如：利用統(tǒng)計學(xué)研究意大利中部弗西羅盆地跨斷層土壤氣的結(jié)果表明，氣體的異常特征及其演化與斷層的產(chǎn)狀密切相關(guān)（Ciotoli et al，2007）；研究東昆侖-西大灘斷裂的土壤氣體時發(fā)現(xiàn)次級斷裂的氣體釋放與主斷裂密切相關(guān)（Richon et al，2010）；通過探測跨斷層土壤氣Rn和He研究臺灣北部地區(qū)Shan-Chiao斷裂的位置（Walia et al，2005）；一些學(xué)者對跨斷層土壤氣體釋放的影響因素及與地殼應(yīng)力調(diào)整關(guān)系進行了研究（Kumar et al，2012；Fu et al，2005）；還有一些學(xué)者提出理論模型分析跨斷層土壤氣的來源與成因（Yang et al，2005；Etiope et al，2002）。中國學(xué)者也相繼在海河隱伏斷層、海原斷裂帶、瑪曲斷裂帶、夏墊斷裂等利用斷層土壤氣探測斷層的位置、研究斷層的活動性（張新基等，2005；邵永新等，2007；周曉成等，2007、2011；趙振燊等，2011；韓曉昆等，2013）以及跨斷層土壤氣特別是 Rn的濃度變化與地震的關(guān)系（杜建國等，1998；王博等，2010），并嘗試通過斷層土壤氣這一手段成功預(yù)測地震。

近年來，郯廬斷裂帶南段及其附近地震活動頻次和強度呈現(xiàn)增強趨勢，這些地震分布在南黃海、蘇中和郯廬斷裂帶安徽段附近（張月輝等，2013）。因此，在郯廬斷裂帶安徽段開展跨斷層土壤氣的監(jiān)測，以探索地震前兆、大震預(yù)測及其與斷層活動性的關(guān)系。本文通過測量斷層土壤氣Rn、Hg和CO2濃度，研究了這些氣體釋放量與斷裂空間位置的關(guān)系，進一步分析了跨斷層土壤氣的釋放特征，為今后該地區(qū)的地震預(yù)測及斷層活動性研究奠定了基礎(chǔ)。

1 地震地質(zhì)背景

郯廬斷裂帶安徽段呈 NE向延伸，走向 30°N～40°E，長約為400km，平均寬度 20km，南部最窄處僅數(shù)千米，自北向南逐漸由寬變窄。該段介于蘇魯造山帶與大別造山帶之間，主體上自北向南分別處于揚子板塊與華北板塊或大別造山帶邊界上。郯廬斷裂帶安徽段北部脆性斷層自北向南沿嘉山盆地的東、西邊界和合肥盆地的西界展布，而南部沿大別造山帶東界展布。整個斷裂由數(shù)條主干斷裂組成（圖1），分別為合肥-五河斷裂、池河-太湖斷裂、藕塘-清水澗斷裂等（侯明金等，2003）。遵循利于斷層活動性強弱對比和野外測量的原則，根據(jù)前人的研究成果及衛(wèi)星影像資料（姚大全等，2012、2014；劉備等，2015），選定的 4個測區(qū)分別位于鄌郚-葛溝斷裂上的泗縣山柏莊（TLSX）、藕塘-清水澗斷裂上的明光石門口（TLMG）、肥東龍泉山西坡北部的水準(zhǔn)測線附近（TLFD）以及池河-太湖斷裂上桐城楊樹棵村東南部（TLTC）（圖 1）。

2 測量方法

2.1 測量剖面

每個測區(qū)布設(shè)4條長度相近的跨斷層土壤氣測量剖面，每條測量剖面長170～440m，剖面間距 10m。在郯廬斷裂帶安徽段共布設(shè)土壤氣測量剖面16條，編號分別為 TLSX01～04、TLMG01～04、TLFD01～04、TLTC01～04。測點間距按距斷層越近間距越小、距斷層越遠(yuǎn)間距越大的原則設(shè)定，每條測線測點之間最小間距5m，一般間距10～30m，最大間距50m。

2.2 測量儀器及方法

土壤氣Rn的測量儀器為美國 DURRIDGE RAD7測氡儀，監(jiān)測范圍為4～750，000Bq/m3，檢測下限可達(dá)0.1pCi/L；土壤氣Hg的測量儀器為RA－915＋型塞曼效應(yīng)汞分析儀，測量范圍為 5～20，000ng/m3，分辨率為 0.3 ng/m3；土壤氣 CO2測量儀器為 GXH-3010E1型便攜式CO2分析儀，測量范圍為0%～1.000%，分辨率為0.001%。

上述3種土壤氣測量均采用現(xiàn)場觀測方式。測量時，首先用鋼釬在土壤中打一深80cm的小孔，然后將取樣器插入其中，將取樣器與土壤之間的縫隙封死；其次，將乳膠管的一端與取樣器相連，另一端與氣Rn觀測儀相接后啟動儀器，靜置15min后讀取觀測值（因采樣間隔為5min，即讀取每個測點的第3個觀測值）。最后，啟動氣Hg觀測儀，靜置40s抽氣，然后將乳膠管的一端與取樣器相連，另一端與氣Hg觀測儀相接，當(dāng)觀測儀器顯示瞬間值與均值等時間超過1min或瞬間最高值出現(xiàn)時間超過1min時，以儀器的瞬間最高值為觀測值。CO2觀測儀直接接于取樣器出氣口進行土壤氣CO2的觀測，當(dāng)儀器測值穩(wěn)定后讀取觀測值（周曉成等，2007；李營等，2009）。

2.3 異常判定方法

由于斷層的性狀、覆蓋層的厚度、土壤種類及自然地理環(huán)境的原因，目前尚無利用斷層氣判定斷層位置的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。因此在每個測區(qū)布設(shè)4條測量剖面，以避免因干擾產(chǎn)生的測量誤差；結(jié)合安徽地區(qū)跨斷層土壤氣測量的實際情況，將斷層的位置作為零點，以測線平均值加減3倍標(biāo)準(zhǔn)差為限，剔除特別高或特別低的測量值之后的平均值作為背景值，以超過背景值的1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差作為斷層的地球化學(xué)異常。

3 結(jié)果

3.1 泗縣山柏莊測區(qū)

該測區(qū)位于安徽省泗縣山柏莊村西南。探槽揭示出白堊系紫紅色砂巖逆沖在晚更新世粘土之上，主斷面的產(chǎn)狀為走向275°、傾角74°。斷層循老斷面形成3期逆斷層崩積楔，最上層的楔體土層年齡為（138.5±8.3）ka（姚大全等，2012）。本次土壤氣測點位于該探槽開挖點南側(cè)，4條測線TLSX01～04與斷裂走向垂直，測點分布于斷裂兩盤。

測量結(jié)果顯示（圖2），測量剖面上Rn的背景值為11.72kBq/m3，標(biāo)準(zhǔn)差為15.07kBq/m3，異常下限為34.33kBq/m3，Rn的地球化學(xué)異常出現(xiàn)在斷層的下盤，L2剖面異常值最高，達(dá)130.00kBq/m3；CO2背景值為0.38%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.32%，異常下限為0.86%，L4剖面異常值最高，達(dá) 1.67%；Hg測 量 剖 面 背 景 值 為 8.36ng/m3，標(biāo) 準(zhǔn) 差 為 6.58ng/m3，異 常 下 限 為18.23ng/m3，L1剖面 Hg的高值異常出現(xiàn)在斷層的上盤，異常高值為 27.00ng/m3，L3、L4剖面未提取到高值異常；L1～L3剖面的Rn和CO2異常離斷層較近，L4剖面的Rn和CO2的異常距斷層100m以外，兩者的濃度曲線相關(guān)性較強。

3.2 明光石門口測區(qū)

該測區(qū)位于安徽省明光市石門口村西北，附近道路一側(cè)有斷層剖面出露。該剖面顯示，白堊系紫紅色砂巖與前震旦紀(jì)片巖接觸，為正斷層，主斷面產(chǎn)狀為走向30°、傾角40°。斷層接觸帶寬約20cm，接觸帶上部有少量第四紀(jì)坡積物覆蓋（圖3）。本次土壤氣測點位于該斷層剖面東北側(cè)，4條測線TLMG01～04垂直于斷裂走向布置，測點主要分布于斷裂上盤。

圖2 泗縣剖面的土壤氣濃度

圖3 藕塘-清水澗斷裂帶石門口地質(zhì)剖面圖

測量結(jié)果顯示（圖4），測量剖面 Rn的背景值為 11.83kBq/m3，標(biāo)準(zhǔn)差為 10.34kBq/m3，異常下限為27.34kBq/m3。L1剖面Rn的地球化學(xué)異常值最高，為60.00kBq/m3；CO2背景值為0.27%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.28%，異常下限為0.69%。L3剖面 CO2的地球化學(xué)異常值最高，達(dá)2.41%，L2剖面未提取到異常；Hg測量剖面的背景值為 7.51ng/m3，標(biāo)準(zhǔn)差為9.45ng/m3，異常下限為21.69ng/m3。L2剖面Hg的地球化學(xué)異常值最高，為77.00ng/m3。3種氣體的地球化學(xué)異常均出現(xiàn)在距斷層100m范圍以內(nèi)，CO2和Rn的曲線具有較強相關(guān)性。

3.3 肥東龍泉山測區(qū)

圖4 明光剖面土壤氣濃度的測量結(jié)果

該測區(qū)位于安徽省肥東縣龍泉山西坡北部，附近為肥東地震臺短水準(zhǔn)測線。據(jù)肥東地震臺建臺總結(jié)報告可知，短水準(zhǔn)測線所經(jīng)地段自西向東為白堊系張橋組磚紅色砂巖、燕山期花崗閃長巖、下元古界上山組片麻巖、大理巖（圖5）。在測線范圍內(nèi)有斷裂F1、F2，其中斷層F1白堊紀(jì)紅色砂巖與花崗閃長巖接觸，逆斷層，走向近SN，傾向西，傾角65°左右；斷層F2斷于白云巖大理巖內(nèi)，走向60°，傾向 SE，傾角75°。本次土壤氣測點位于F1與F2之間，跨過F1斷層也有少量測點，4條測線TLFD01～04垂直于斷裂走向布置。

圖5 肥東地震臺水準(zhǔn)測線地質(zhì)剖面

圖6 肥東剖面土壤氣濃度的測量結(jié)果

測量結(jié)果顯示（圖 6），測量剖面 Rn背景值為 20.20kBq/m3，標(biāo)準(zhǔn)差為 13.68kBq/m3，異常下限為40.72kBq/m3，Rn在L1、L3剖面提取到地球化學(xué)異常，地球化學(xué)異常出現(xiàn)在 F1斷層下盤、F2斷層附近，高值達(dá)60.00kBq/m3；CO2背景值為0.15%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.09%，異常下限為0.29%。L4剖面未提取到異常，異常出現(xiàn)在F1斷層下盤、F2斷層附近，高值為0.46%，CO2和Rn曲線具有強的相關(guān)性；Hg剖面背景值為8.38ng/m3，標(biāo)準(zhǔn)差為8.58ng/m3，異常下限為21.25ng/m3，Hg的高值異常出現(xiàn)在斷層F2附近，高值達(dá)40.00ng/m3，而在斷層F1附近Hg的含量較低。

3.4 桐城楊樹棵測區(qū)

該測區(qū)位于安徽省桐城市楊樹棵村東南部，據(jù)衛(wèi)星影像發(fā)現(xiàn)測點附近存在明顯的線性構(gòu)造。線性構(gòu)造在大別山東麓顯示為深切山麓的山前斷裂，斷裂兩側(cè)地勢差異較大，顯示兩山夾一谷的地貌特征（王小鳳，2000）。本次土壤氣測點位于山口中，4條測線TLTC01～04橫跨谷地，測點分布于斷層兩盤。

測量結(jié)果顯示（圖7），在測量剖面 Rn的背景值為 11.60kBq/m3，標(biāo)準(zhǔn)差為 6.75kBq/m3，異常下限為 22.62kBq/m3，L1、L3剖面提取到地球化學(xué)異常，異常高值為 24.38kBq/m3；CO2剖面背景值為0.91%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.57%，異常下限為1.77%，L1、L2剖面提取到地球化學(xué)異常，異常高值為2.6%，CO2和Rn曲線具有強的相關(guān)性；Hg測量剖面背景值為7.63ng/m3，標(biāo)準(zhǔn)差為6.78ng/m3，異常下限為17.80ng/m3，L4剖面未提取到異常，Hg的高值異常出現(xiàn)在斷層上盤，達(dá) 37.00ng/m3。

4 討論

4.1 土壤氣是證明郯廬斷裂帶破裂的重要指標(biāo)

圖7 桐城剖面土壤氣濃度測量結(jié)果

利用2.3的異常提取方法，在12條測量剖面提取到Rn和C02異常，在13條測量剖面提取到Hg異常，在肥東測區(qū)L2、L4和桐城測區(qū)L2、L4剖面未提取到Rn異常，在明光L2、肥東L4和桐城L3、L4未提取到C02異常，在泗縣L3、L4和桐城L4剖面未提取到Hg異常。在能提取異常的剖面中，土壤氣體Rn和CO2的異常帶寬度大多小于100m，只有泗縣L1、L4剖面的Rn和泗縣L4、肥東L2剖面的CO2地球化學(xué)異常位置距斷層較遠(yuǎn)，只有8條剖面的土壤氣Hg異常出現(xiàn)在距斷層100m范圍以內(nèi)，且其中有些測線的異常位置距斷層較遠(yuǎn)。

Rn、Hg、C02都是地震斷裂帶中的氣體成分，Rn是惰性氣體，由于其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，故能較準(zhǔn)確地反映出地殼內(nèi)部物質(zhì)運移情況（孔令昌等，1995），Hg是斷裂帶活動的指標(biāo)性元素，地殼深部的Hg在高溫高壓條件下升華，Hg蒸氣能沿破碎帶或裂隙向地表遷移，當(dāng)穿過不同介質(zhì)（巖石、土壤及水等）覆蓋層時，Hg蒸氣被介質(zhì)吸附、吸留或溶解，形成Hg異常。地殼中Hg的來源一般有2種途徑，一是直接來源于地殼深部或地幔，二是某些含Hg的硫化物礦床成礦以后Hg蒸氣的揮發(fā)所致（程鑒基，1997；方震等，2012）。本次測量結(jié)果表明，在12條剖面提取到Rn和CO2異常，且在8條剖面的斷裂破碎處異常明顯，在13條剖面提取到Hg異常，但異常段大多距斷裂位置較遠(yuǎn)。

綜上所述，新第三紀(jì)以來，郯廬斷裂及鄰區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場與老第三紀(jì)基本一致，表現(xiàn)為近EW向擠壓，在淺層主要表現(xiàn)為新生帶褶皺和逆沖推覆構(gòu)造，第四系沉積逆沖到老地層之上（王小鳳等，2000）。郯廬斷裂帶切穿莫霍面直達(dá)上地幔，是上地幔物質(zhì)上涌的通道，也是斷層氣釋放的有利通道，CO2的異常與Rn的異常對應(yīng)良好，但自然界中的CO2來源于地幔、碳酸巖變質(zhì)、有機物分解和地表微生物活動等，通常斷裂帶中的CO2則來源于這種混合的結(jié)果（Lombardi et al，2010）。Hg的濃度曲線與Rn和 CO2的濃度曲線無論是在曲線的形態(tài)上還是異常的點位上都相應(yīng)不明顯，且有些異常出現(xiàn)在距斷裂較遠(yuǎn)的位置，如肥東剖面、桐城剖面L1測線。本次測量明光剖面位于石門山東坡，以碎裂巖為主，其它3個剖面位于農(nóng)田中，由圖2、4、6、7可以看出，明光剖面Hg與Rn、CO2曲線的相關(guān)性較強，即氣體的富集部位較一致，而其它3個剖面，相關(guān)性較差，可能是農(nóng)田里施用肥料和農(nóng)藥，造成土壤中Hg的濃度增加所致（王荔娟等，2007）。

4.2 土壤氣Rn在郯廬斷裂帶肥東剖面富集明顯

肥東剖面的土壤氣Rn背景值最高，為20.20kBq/m3，在泗縣、明光、桐城等剖面，其背景值依次為 11.72kBq/m3、11.83kBq/m3、11.6kBq/m3；桐城剖面 CO2背景值最高，為 0.91%，泗縣、明光、肥東等剖面，其背景值依次為0.382%、0.274%、0.148%；4個剖面土壤氣Hg的背景值都處于同一個水平，泗縣、明光、肥東、桐城分別為 8.36ng/m3、7.51ng/m3、8.38ng/m3、7.63ng/m3。圖8為土壤氣體4個剖面各個測點的平均值，Rn和CO2分別在肥東和桐城剖面富集明顯。Rn由于其化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定性，被認(rèn)為是指示斷裂破裂的有利指標(biāo)。泗縣山柏莊曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)史前地震遺跡（姚大全等，2012），相對明光石門口斷層活動更為強烈；肥東龍泉山位于郯廬斷裂帶與橋頭集斷裂交匯處，近現(xiàn)代小地震較多，相對桐城楊樹棵近現(xiàn)代斷層活動性較強。肥東剖面Rn的富集與近些年來該地區(qū)小震活動有關(guān)，其它3個測量地點近年來地震活動平靜，地震活動加速了氣體的釋放。4.1節(jié)已經(jīng)說明CO2和Hg的來源受到地表人為活動等多個因素的制約，被認(rèn)為是指示斷裂破裂的參考指標(biāo)（周曉成等，2011）。

圖8 各剖面各種土壤氣的組分均值

Rn主要來源于土壤中富含放射性鈾、釷系列的巖石。郯廬斷裂帶肥東段測量區(qū)域自西向東主要為白堊系張橋組磚紅色砂巖，燕山期花崗閃長巖，下元古界上山組片麻巖、大理巖，釷的平均含量較高，達(dá)11ppm（牛漫蘭等，2010）。由于該段巖層釷含量較高，高于中國東部碳酸鹽平均釷含量（周曉成等，2011），釷放射產(chǎn)生的Rn子體，通過斷裂帶向上運移可能是該剖面土壤氣Rn富集的另一主要成因。

4.3 郯廬斷裂帶安徽段地下氣體的運移機制討論

地下氣體的運移與變化是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，其遷移、富集與儲存受諸多因素的影響。在其運移變化過程中，既有物理作用也有化學(xué)作用，或者在物理化學(xué)諸因素的綜合作用下進行（Perrier et al，2009）。關(guān)于地下氣體運移的物理機制，一些學(xué)者提出了擴散模式、對流模式（Gold et al，1984）、接力傳遞作用（吳慧山等，1997）、載氣運移機制（Yang et al，2003）等分析深部氣體運移的理論機制。接力傳遞作用指半衰期短的氣體由于其母體半衰期很長，而且可以作長距離的運移，母體通過擴散對流等作用方式長距離運移，然后再發(fā)生衰變產(chǎn)生子體。載氣運移機制指Rn等半衰期短的氣體伴隨快速運移的載氣運移至地表，通常載氣為常量氣體 N2、CO2、或 CH4等氣體或液體（Yang et al，2003）。

Rn是鐳、釷和鈾衰變的產(chǎn)物，由于其半衰期短，只有3.8天，本征遷移率低，Rn的短距離遷移擴散很容易被觀測到，即使有非常富集的來源，其擴散作用運移的最長距離不超過10m（Walia et al，2005）。因此，利用氣體的擴散作用很難解釋本次4個剖面測量到的大量Rn異常，接力傳遞作用和載氣運移機制解釋郯廬斷裂帶安徽段土壤氣Rn的深部運移機制更有說服力。接力傳遞作用需要在近地表有大量的Rn放射源，本次測量的4個剖面，只有肥東地下巖層釷含量較高，很顯然接力傳遞作用也很難解釋Rn的異常高值。Fu等（2005）在研究臺灣南部地區(qū)活動斷裂帶He和Rn的變化關(guān)系時，觀測到He、Rn和CO2有強的相關(guān)性，認(rèn)為He、Rn以CO2作為載氣運移至地表。圖9為安徽段各剖面的土壤氣濃度。由圖9可知，本次測量結(jié)果中土壤氣體Rn與CO2有很強的相關(guān)性，可以推測CO2作為載氣，地球深部Rn伴隨著CO2載氣向上運移。

圖9 安徽段各剖面的土壤氣濃度

5 結(jié)論

郯廬斷裂帶安徽段跨斷層土壤氣Rn、Hg、CO2的測量結(jié)果表明：

（1）土壤氣Rn、Hg、CO2的濃度變化對斷層位置都具有一定的指示作用。Rn由于其化學(xué)性質(zhì)的特殊性，被認(rèn)為是指示斷裂位置的有利指標(biāo)，與斷層位置的對應(yīng)關(guān)系明顯；Hg與斷層位置的對應(yīng)關(guān)系出現(xiàn)偏差，可能受到地表活動的影響；CO2由于來源的多樣性，其上升過程中可能受到地表物質(zhì)的混染作用。

（2）土壤氣Rn在肥東測區(qū)富集程度最高，郯廬斷裂帶肥東段以白堊系張橋組磚紅色砂巖，燕山期花崗閃長巖，下元古界上山組片麻巖、大理巖為主，釷的平均含量較高，較高的釷為Rn高值異常的形成提供了放射源，近年來，肥東的小震活動加速了斷裂帶中氣體的釋放。

（3）Rn和CO2的濃度曲線在形態(tài)上強相關(guān)，Hg的曲線變化與 Rn和 CO2不一致，可能暗示著Rn和CO2在氣體的來源深度和運移機制上有一定聯(lián)系，氣體的載氣運移機制說明Rn和CO2在形態(tài)上強相關(guān)，為郯廬斷裂帶安徽段深部氣體的運移提出了較為合理的解釋。

在郯廬斷裂帶安徽段開展跨斷層土壤氣測量工作尚屬首次，測量結(jié)果對積累該段土壤氣濃度背景值、判定各種氣體對斷層的指示作用有重要意義，也為該區(qū)段構(gòu)造地球化學(xué)研究奠定了一定的基礎(chǔ)。但本文主要借鑒前人的一些研究成果對郯廬斷裂安徽段的土壤氣特征進行分析，且只進行了一期觀測，研究還是初步的，還需要開展復(fù)測工作，積累數(shù)據(jù)，以使分析研究結(jié)果更為客觀。