瑞昌—武寧活動(dòng)斷裂帶土壤氣地球化學(xué)特征*

鮑志誠，趙愛平，呂 堅(jiān)，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(zāi)與工程地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)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(yíng)等，2009)認(rèn)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(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，因?yàn)榈卣鹪杏桶l(fā)生過程中，地下物質(zhì)遷移、能量釋放和應(yīng)力改變導(dǎo)致斷裂帶及其周邊區(qū)域的氣體地球化學(xué)場(chǎng)發(fā)生顯著改變(King，1996；Baubron，2002；陶明信等，2005；Fu，2005；Ciotoli，2007；李營(yíng)等，2009；杜建國等，2018；Chen，2019)。地震發(fā)生前后地下氣體常表現(xiàn)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(xué)方法及其手段在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)相關(guān)研究中得到廣泛應(yīng)用(杜樂天，2005；杜建國等，2018)。國內(nèi)學(xué)者利用流動(dòng)地球化學(xué)測(cè)量手段針對(duì)中國大陸主要地震帶和大型構(gòu)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(xué)觀測(cè)和研究工作(李營(yíng)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(qū)位于長(zhǎng)江中游地震帶。2005年九江—瑞昌5.7級(jí)地震后，長(zhǎng)江中游地震帶發(fā)生多次5級(jí)以上地震，進(jìn)入新的5級(jí)以上地震活躍幕，贛北地區(qū)中等地震持續(xù)活躍，發(fā)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(qū)尚未發(fā)生中強(qiáng)以上地震，未來中強(qiáng)地震發(fā)震的危險(xiǎn)性及緊迫性進(jìn)一步增強(qiáng)，值得密切關(guān)注。目前，前人針對(duì)九江—瑞昌地區(qū)只開展了九江2井的地震水文地球化學(xué)相關(guān)研究(鮑志誠等，2019，2021)，關(guān)于瑞昌—武寧斷裂帶氣體地球化學(xué)監(jiān)測(cè)等相關(guān)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(dòng)測(cè)量為基礎(chǔ)，開展該斷裂帶氣體地球化學(xué)特征研究，構(gòu)建斷裂帶活動(dòng)特征的氣體地球化學(xué)判定指標(biāo)，為探究土壤氣濃度釋放特征與地震活動(dòng)性關(guān)系提供科學(xué)參考，也為九江—瑞昌地區(qū)震情跟蹤及異常核實(shí)工作提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

在大地構(gòu)造部位上，九江—瑞昌地區(qū)位于秦嶺—大別造山帶和揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)兩大地質(zhì)單元的邊界交接地帶。研究區(qū)附近存在兩條不同方向的重大(區(qū)域)斷裂帶，一條為NE向的廬江—廣濟(jì)斷裂(郯廬斷裂帶南段)，另一條為NW向的襄樊—廣濟(jì)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(dòng)性延續(xù)至今，為中國東部最大的近代地震活動(dòng)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(zhǎng)江岸邊的廣濟(jì)附近，南段切割并錯(cuò)移大別山帶而構(gòu)成斷裂尾端。襄樊—廣濟(jì)斷裂帶是一條區(qū)域性深大斷裂，構(gòu)成了秦嶺—大別造山南緣邊界斷裂構(gòu)造帶的東南部分，被認(rèn)為是揚(yáng)子地塊與秦嶺—大別造山帶的分界線。九江地震區(qū)位于這兩大地質(zhì)構(gòu)造單元的交界地帶，構(gòu)造背景十分特殊，具有中強(qiáng)地震發(fā)生的地質(zhì)背景。

瑞昌—武寧斷裂帶位于贛西北地區(qū)，北起瑞昌盆地，經(jīng)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(zhǎng)約150 km(曾新福等，2016)(圖1)。該斷裂形成于燕山期，發(fā)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(cè)線附近的淺層物探結(jié)果顯示，斷層兩側(cè)基巖存在明顯落差，中更新統(tǒng)礫石層存在不連續(xù)分布。根據(jù)物探解譯結(jié)果在解譯斷層兩側(cè)布設(shè)了聯(lián)合鉆孔，發(fā)現(xiàn)更新統(tǒng)礫石層被錯(cuò)動(dòng)數(shù)米，白云質(zhì)灰?guī)r形成數(shù)米的基巖陡坎，并且在鉆孔中發(fā)現(xiàn)有斷層破碎帶。斷層物質(zhì)熱釋光年代樣品測(cè)試結(jié)果顯示該斷裂在第四紀(jì)以來仍有過明顯活動(dòng)，屬中更新世斷裂，根據(jù)地層的錯(cuò)動(dòng)判斷該斷層為正斷層(中國地震局地質(zhì)研究所等，2006)。在該斷裂及周邊地區(qū)發(fā)生過1575年3月5級(jí)、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(jí)地震是近幾年來我國東部地區(qū)造成災(zāi)害最嚴(yán)重、損失最大的地震，造成13人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失20.4億元人民幣(呂堅(jiān)等，2008；Han，2014)。因此，在該斷裂上開展土壤氣測(cè)量對(duì)深入認(rèn)識(shí)瑞昌盆地的幾次破壞性地震及該斷裂的地震活動(dòng)性特征具有重要意義。

圖1 九江—瑞昌地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及測(cè)線分布概況(據(jù)曾新福等，2016)

2 布線和測(cè)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(dòng)觀測(cè)測(cè)線，測(cè)線間距約為5 km(圖1)，測(cè)點(diǎn)間距為50 m。課題組在野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(cè)量時(shí)采用測(cè)氡儀、二氧化碳儀串聯(lián)方式進(jìn)行，抽氣泵抽氣通過過濾膜進(jìn)入測(cè)氡儀，再進(jìn)入二氧化碳儀，具體測(cè)量過程如圖2所示。首先在各測(cè)點(diǎn)處打孔，孔徑約為 30 mm、深度為 800 mm，取樣器置于孔內(nèi)，封住孔口，開始取樣、測(cè)量。Rn氣濃度使用Alpha GUARD P2000 測(cè)氡儀測(cè)定，儀器靈敏度為50 cpm/(kBq·m)，流量為0.5 L/min，儀器校準(zhǔn)誤差優(yōu)于3%；CO氣體濃度測(cè)量使用華云 GXH-3010E1E二氧化碳儀測(cè)定，測(cè)量范圍為 0～1.000%，分辨率為 0.001%。測(cè)量前，用土壤氣清洗采樣氣室，然后抽取土壤氣，反復(fù)提壓氣室活塞，用薄膜過濾采樣。測(cè)氡儀使用標(biāo)準(zhǔn)氡室進(jìn)行校準(zhǔn)，體積活動(dòng)響應(yīng)平均值為0.921。測(cè)量時(shí)為了消除Tn射氣的影響，采取了兩個(gè)措施：一是用長(zhǎng)導(dǎo)管讓Tn射氣在進(jìn)入儀器之前完成衰變；二是連續(xù)測(cè)量15 min，取靜置、穩(wěn)定后的8 min數(shù)據(jù)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(dòng)測(cè)線測(cè)量數(shù)據(jù)用于對(duì)比分析，見表1。

3 測(cè)量結(jié)果

取斷裂帶上兩條測(cè)線上對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的土壤氣Rn、CO濃度的平均值作為各測(cè)點(diǎn)綜合觀測(cè)值，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行 K-S 非參數(shù)檢驗(yàn)，結(jié)果顯示土壤氣Rn、CO的濃度綜合觀測(cè)值均符合正態(tài)分布，因此取綜合觀測(cè)值的平均值作為各組分的背景值。為避免極值對(duì)背景值產(chǎn)生影響，剔除極值后取平均值作為相應(yīng)組分活動(dòng)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(diǎn)判定下限即異常限(蘇鶴軍等，2005)。

圖2 土壤氣測(cè)量示意圖

表1 研究區(qū)土壤氣Rn、CO2地球化學(xué)背景測(cè)量結(jié)果

由表1可知，桂林橋測(cè)線的土壤氣Rn、CO濃度均低于伍家畈測(cè)線，但兩條測(cè)線上的土壤氣Rn濃度釋放大致呈中間高、兩側(cè)低的特征，斷層位置均大致在桂林橋和伍家畈測(cè)點(diǎn)6和7之間，即斷層附近土壤氣釋放高，遠(yuǎn)離斷層的兩側(cè)逐漸降低，對(duì)斷層破碎帶的指示作用顯著(圖3a-1，b-1)。桂林橋測(cè)線第4、5測(cè)點(diǎn)土壤氣測(cè)量數(shù)據(jù)顯著下降，與測(cè)點(diǎn)鉆孔濕度大、抽氣受阻有關(guān)，且土壤氣CO與Rn的形態(tài)一致性較好，但數(shù)據(jù)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(guān)特性。如 Yang 等(2003)對(duì)中國臺(tái)灣地區(qū)活動(dòng)斷裂上的Yan-Chao(YC)研究區(qū)和Chung-Lun(CL)研究區(qū)的泥火山氣體研究發(fā)現(xiàn)，YC區(qū)具有殼源特征，CL區(qū)具有幔源特征。在YC區(qū)，CH作為載體將 Rn運(yùn)移至地表；在CL區(qū)，CH和CO作為載氣將Rn運(yùn)移至地表。Ciotoli等(2007)對(duì)意大利 Fucino 盆地氣體運(yùn)移機(jī)制開展研究時(shí)發(fā)現(xiàn) Rn與CO的濃度成正相關(guān)，認(rèn)為Rn是通過 CO運(yùn)移至地表的。Rn在運(yùn)移過程中有相應(yīng)的載體(如 CO、CH)則更易遷移(Etiope，Martinelli，2002；Ciotoli，2007)。Pearson相關(guān)系數(shù)顯示(圖3a-2，b-2)，桂林橋測(cè)線Rn與CO濃度相關(guān)系數(shù)為0.95(極強(qiáng)正相關(guān))，伍家畈測(cè)線為0.65(強(qiáng)正相關(guān))，圖中陰影部分為置信帶。說明桂林橋測(cè)線CO可能是Rn運(yùn)移過程中的主要載體，而伍家畈測(cè)線Rn運(yùn)移的載體可能具有多解性，而CO來源可能也相對(duì)復(fù)雜，這可能與該測(cè)線部分測(cè)點(diǎn)土壤覆蓋層為耕地有關(guān)。

4 討論

4.1 土壤氣Rn濃度與斷裂帶活動(dòng)性關(guān)系

土壤氣中Rn的濃度受基巖類型、裂隙發(fā)育、區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、運(yùn)移載體、地下水等環(huán)境因素的綜合影響(Sun，2018)，因此不同區(qū)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(yùn)移機(jī)制、斷層的破碎程度及閉鎖程度密切相關(guān)。孫小龍等(2016)研究認(rèn)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(jī)質(zhì)的分解，甚至來源于地幔，其中來自深部的可能性與區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變也有著密切的關(guān)系。桂林橋和伍家畈測(cè)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(cè)線的土壤氣Rn濃度相對(duì)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(yáng)等，2016；鄭海剛等，2016；方震等，2019)。孟亞鋒等(2019)研究認(rèn)為郯廬斷裂帶中段(嘉山—郯城)處于閉鎖狀態(tài)，地震活動(dòng)較弱，相比之下南段活動(dòng)性更強(qiáng)，這與土壤氣的測(cè)量結(jié)果基本一致。從土壤氣Rn濃度分布可以看出，伍家畈測(cè)線存在異常的測(cè)點(diǎn)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(fā)生5.7級(jí)地震，震中位置靠近桂林橋剖面。筆者推斷出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因與地殼下部還沒有完全形成閉鎖，且伍家畈測(cè)線斷層愈合程度相對(duì)桂林橋更弱，有利于深部流體向上擴(kuò)散與運(yùn)移有關(guān)。

構(gòu)造活動(dòng)地區(qū)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(zhì)、分解，有機(jī)質(zhì)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(qū)的斷裂帶土壤氣CO含量高，一般認(rèn)為是由深斷裂造成的，故CO常被作為判別構(gòu)造活動(dòng)和地震危險(xiǎn)性的指示劑(Irwin，Barnes，1980；Annunziatellis，2003)。瑞昌—武寧斷裂帶桂林橋、伍家畈測(cè)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(yáng)等，2016)，這可能與測(cè)量時(shí)間及土壤覆蓋層差異有關(guān)。本次測(cè)量在2019年5月開展，研究區(qū)正值春季，降雨較多，所以土壤濕度較高，同時(shí)，相比其他季節(jié)，該季節(jié)生物成因的CO更多。此外，部分測(cè)線經(jīng)過耕地、微生物和植物的呼吸作用明顯更強(qiáng)。桂林橋測(cè)線的CO濃度明顯小于伍家畈，一方面可能是桂林橋測(cè)線破碎程度相對(duì)較高，導(dǎo)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(cè)線地勢(shì)低洼土壤濕度高，導(dǎo)致有機(jī)成因CO較多。

土壤氣濃度與斷層地下破裂程度密切相關(guān)，而斷層不同位置的破碎程度常常有差異，進(jìn)而表現(xiàn)為地層滲透率差異，最終表現(xiàn)為土壤氣釋放強(qiáng)度的差異。為了消除不同觀測(cè)測(cè)線因斷層活動(dòng)和結(jié)構(gòu)、氣體源區(qū)、地質(zhì)以及氣候等因素的影響，常使用釋放強(qiáng)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(cè)線中部測(cè)點(diǎn)平均值與測(cè)線兩端測(cè)點(diǎn)平均值之比(主斷面附近150 m范圍是測(cè)線中部，之外是測(cè)線兩端)。經(jīng)計(jì)算桂林橋測(cè)線Rn、CO的分別為1.54和1.46，伍家畈測(cè)線Rn、CO的分別為1.35和1.08。雖然伍家畈測(cè)線Rn、CO濃度明顯高于桂林橋測(cè)線，但釋放強(qiáng)度卻相反，說明桂林橋測(cè)線土壤氣釋放集中在測(cè)線中部，而伍家畈測(cè)線中部則與兩端土壤氣的釋放相對(duì)一致。

桂林橋測(cè)線土壤氣Rn與CO的濃度成極強(qiáng)正相關(guān)，暗示該測(cè)線的土壤氣可能來自斷層深部，而伍家畈測(cè)線的相關(guān)系數(shù)則低得多，暗示其土壤氣來源復(fù)雜，具有多源特征。從Rn與CO的散點(diǎn)圖(圖3a-1，b-1)可知，桂林橋測(cè)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(cè)線的CO濃度快速增加，Rn濃度變化相對(duì)緩慢，高濃度CO可能是部分測(cè)點(diǎn)因?yàn)楦N地中的微生物的呼吸作用形成CO并產(chǎn)生水平遷移所導(dǎo)致。

4.2 土壤氣Rn濃度與b值的關(guān)系

值是重要的地震前兆指標(biāo)之一。以往研究認(rèn)為強(qiáng)震前先出現(xiàn)高值，然后下降，在下降過程中發(fā)震。低值異常區(qū)即未來強(qiáng)震的震源體(李全林等，1978)。值是古登堡和里克特提出的震級(jí)-頻度(G-R)關(guān)系式中的系數(shù)(Gutenberg，Richter，1944)：

lg=-

(1)

式中：為震級(jí)；為≥(最小完整性震級(jí))地震的累積頻度；、為常數(shù)。

影響值的主要因素包括有效剪應(yīng)力、介質(zhì)的非均勻性以及溫度、流體、構(gòu)造條件等?；◢弾r聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)研究顯示：各變形階段的平均值隨應(yīng)力增加而系統(tǒng)性減小，即值與應(yīng)力呈反比關(guān)系，實(shí)際地震研究中值的趨勢(shì)性降低可能表征研究區(qū)所處環(huán)境應(yīng)力的增強(qiáng)。

本文選取1980年1月—2020年12月贛北地區(qū)2.0～5.0地震進(jìn)行值計(jì)算，計(jì)算時(shí)震級(jí)分檔間隔取0.1，每個(gè)統(tǒng)計(jì)單元內(nèi)的地震樣本數(shù)不少于30，參與擬合的有效震級(jí)分檔數(shù)不低于5檔。按0.1°×0.1°的間距將研究區(qū)網(wǎng)格化，統(tǒng)計(jì)單元的半徑取20 km，對(duì)于地震分布較稀疏的局部區(qū)域，擴(kuò)大值，最大不超過40 km，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。圖4顯示，贛鄂皖交界的九江—瑞昌地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)趨于增強(qiáng)，并形成了以瑞昌盆地為中心的低值、高應(yīng)力區(qū)，區(qū)域應(yīng)力的積累持續(xù)增強(qiáng)。伍家畈剖面的氡濃度明顯高于桂林橋剖面，可能與其構(gòu)造活動(dòng)性更強(qiáng)、應(yīng)力積累更充分有關(guān)，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(qiáng)度較高，說明研究區(qū)總體構(gòu)造活動(dòng)趨于加強(qiáng)，這與研究區(qū)內(nèi)已形成的以瑞昌盆地為中心的低值、高應(yīng)力區(qū)結(jié)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(gòu)造活動(dòng)及區(qū)域應(yīng)力增強(qiáng)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(duì)于Rn、CO氣體定量化的來源及貢獻(xiàn)，尚需進(jìn)一步對(duì)溶解氣體He、He與δC組成特征開展分析研究。

圖4 贛北地區(qū)b值空間分布

5 結(jié)論

本文通過對(duì)瑞昌—武寧斷裂瑞昌段桂林橋、伍家畈兩條測(cè)線29個(gè)測(cè)點(diǎn)的土壤氣開展流動(dòng)野外測(cè)量，分析了該斷裂帶土壤氣釋放及地球化學(xué)特征，同時(shí)結(jié)合贛北地區(qū)值空間分布圖，討論了斷裂帶土壤氣釋放特征與構(gòu)造活動(dòng)的內(nèi)在關(guān)系，得到以下結(jié)論：

(1)桂林橋、伍家畈兩條測(cè)線土壤氣 Rn和CO的地球化學(xué)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(xué)背景場(chǎng)明顯呈現(xiàn)西南高、東北低的空間分布特征。

(2)通過數(shù)據(jù)測(cè)量，并結(jié)合測(cè)點(diǎn)土壤覆蓋層實(shí)際情況開展研究，發(fā)現(xiàn)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(qū)域內(nèi)巖石地球化學(xué)因素影響，主要來源于地下深部；CO來源相對(duì)復(fù)雜，可能含有來自地殼淺層的成分，例如伍家畈測(cè)線地表破碎程度和微生物活動(dòng)是影響CO釋放的主要因素。兩條測(cè)線的CO和Rn均達(dá)到了強(qiáng)相關(guān)，說明CO是Rn遷移釋放的載氣。桂林橋測(cè)線的Rn和CO釋放強(qiáng)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?？傮w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(gòu)造活動(dòng)及區(qū)域應(yīng)力增強(qiáng)的控制。

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