新疆伽師MS6.4地震前后柯坪斷裂土壤氣地球化學(xué)特征變化①

閆 瑋，朱成英，李新勇，許秋龍，汪成國(guó)，徐衍剛

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆維吾爾自治區(qū)地震局阿克蘇中心地震臺(tái)，新疆 阿克蘇 843000)

地震孕育過(guò)程中的地殼形變引發(fā)裂隙張開(kāi)、斷裂蠕滑等構(gòu)造活動(dòng)，促使斷裂帶內(nèi)的流體運(yùn)移，導(dǎo)致周邊地區(qū)的流體地球化學(xué)特征變化[1]。斷裂作為連接深部與淺部的通道,地下深部氣體在一定的作用下沿?cái)嗔褞нw移至淺部,并在斷裂上方的土層形成富集帶,富集帶的氣體濃度可高出背景值數(shù)倍甚至數(shù)十倍[2]。利用斷層土壤氣體中Rn、Hg、CO2、He、H2、CH4等組分的地球化學(xué)異常特征來(lái)探測(cè)隱伏斷層位置已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[3]。在第四系覆蓋層厚度較大的情況下，利用測(cè)量土壤中逸出的Rn、H2濃度來(lái)研究斷裂活動(dòng)性是行之有效的方法之一[4]。逸出氣體濃度的變化既可以為判斷斷層的出露位置、延伸方向等構(gòu)造特點(diǎn)的手段，也可以通過(guò)多期流動(dòng)測(cè)量獲得逸出氣體釋放強(qiáng)度的變化特征，為斷層的不同段的活動(dòng)性判定提供依據(jù)。分析斷層活動(dòng)強(qiáng)弱與斷層氣濃度變化關(guān)系，研究結(jié)果表明斷層氣濃度的升高與斷層活動(dòng)增強(qiáng)有關(guān)[5]。在破碎帶或者裂隙附近土壤氣體濃度往往形成高值異常，隨著遠(yuǎn)離破碎帶，濃度值降低，趨于背景值，無(wú)活動(dòng)斷層上，覆蓋層中Rn濃度不易出現(xiàn)高值異常[6]?？姲Ⅺ怺7]通過(guò)對(duì)郯廬斷裂帶江蘇段的4個(gè)剖面土壤氣測(cè)量及分析認(rèn)為2017年土壤氣Rn高值出現(xiàn)在曉店段可能與區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變調(diào)整有關(guān)的結(jié)論。王喜龍[8]通過(guò)對(duì)遼寧朝陽(yáng)—北票斷裂跨斷層水準(zhǔn)與斷層土壤氣地球化學(xué)特征對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)Rn、CO2、CO和H2濃度在水準(zhǔn)測(cè)線范圍內(nèi)具有準(zhǔn)同步高值異常變化特征，且測(cè)線內(nèi)多點(diǎn)濃度高于異常下限。Yang等[9]通過(guò)研究安寧河—?jiǎng)t木河斷裂帶的活動(dòng)性與斷層氣體的濃度密切相關(guān)，表明斷層氣的脫氣強(qiáng)度在空間上與斷層的封閉程度一致，斷層的高鎖定制約了氣體的遷移。新疆柯坪斷裂土壤氣流動(dòng)地球化學(xué)觀測(cè)已持續(xù)6年，期間發(fā)生2020年1月19日伽師MS6.4地震。結(jié)合本次地震前后柯坪斷裂不同段內(nèi)土壤逸出氣體強(qiáng)度變化特點(diǎn)、分布特征，為柯坪斷裂斷層氣資料分析及震后危險(xiǎn)區(qū)域判定提供參考。

1 柯坪斷裂地震地質(zhì)背景

柯坪斷裂位于柯坪山前，西至八盤水磨以東，向東北延伸經(jīng)三岔口、一間房至阿克蘇以西，是柯坪塊體與塔里木盆地的分界斷裂，天山西部存在NS向的擠壓應(yīng)力[10]?？缕簲嗔延啥嗯臙W向的逆沖斷裂和褶皺構(gòu)造組成(圖1)，柯坪斷裂的下盤主要以山前洪積扇沉積相為主的第四系沖洪積砂礫石層，上盤出露寒武系中、上統(tǒng)阿瓦塔格群灰?guī)r，斷裂長(zhǎng)度大于400 km，走向北東東，傾向北西，傾角45°?？缕簲嗔咽侵袊?guó)最新的推覆體之一，并且現(xiàn)在還在活動(dòng)?？缕簲嗔盐鞫稳率酪詠?lái)水平縮短速率為0.35～0.44 mm·a-1，更新世晚期末以來(lái)為0.16～0.30 mm·a-1[10]。2000年以來(lái)發(fā)生過(guò)2次MS≥6.0地震，包括2003年2月24日伽師MS6.8地震及2020年1月19日伽師MS6.4地震[11]；發(fā)生過(guò)MS≥5.0地震12次。

圖1 柯坪斷裂構(gòu)造位置及測(cè)線分布圖

2 斷層氣野外測(cè)量

斷層裂隙不發(fā)育地區(qū)，由于不同巖性的沉積序列組合，不利于深部氣體的擴(kuò)散和逸出，活動(dòng)斷裂帶往往是連通地殼深部氣體逸出的通道，在斷裂出露地表的沉積層中形成異常氣體富集帶，富集帶中氣體濃度和覆蓋層的沉積物粒度組合、沉積層厚度、斷層性質(zhì)及活動(dòng)性有關(guān)。Rn是天然放射性元素中唯一的氣體元素，半衰期較長(zhǎng)，來(lái)源深度較深、具有較強(qiáng)的擴(kuò)散能力決定了其作為地震前兆監(jiān)測(cè)的一種重要手段。前兆監(jiān)測(cè)手段中土壤氣H2是最有希望成為解決短臨預(yù)報(bào)的元素，分子量小，擴(kuò)散速度更快。阿克蘇斷層H2濃度資料曾在周邊多次MS≥5.0地震前出現(xiàn)顯著的短臨異常。

新疆柯坪斷裂是我國(guó)活動(dòng)斷裂中最活躍的斷層之一，也是新疆中強(qiáng)地震重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)域。2016年起在定向課題和監(jiān)測(cè)任務(wù)的支撐下每年的5月、9月開(kāi)展2期柯坪斷裂土壤氣地球化學(xué)流動(dòng)監(jiān)測(cè)，截止目前共開(kāi)展了10期。監(jiān)測(cè)土壤氣的組分包括Rn、H2、CO2濃度，7條測(cè)線的斷層氣CO2濃度受環(huán)境影響較大，監(jiān)測(cè)意義不顯著，不作為研究對(duì)象進(jìn)行討論。

2.1 測(cè)量方法及測(cè)線布設(shè)

觀測(cè)儀器：新疆柯坪斷裂土壤氣流動(dòng)地球化學(xué)觀測(cè)采用的測(cè)氡儀器是德國(guó)產(chǎn)的P2000測(cè)氡儀，觀測(cè)原理是脈沖電離室，對(duì)Rn探測(cè)效率較高，測(cè)量范圍2～2 000 000 Bq/m3。檢測(cè)H2的儀器是杭州超矩科技有限公司的便攜式ATG-300H測(cè)氫儀，測(cè)量范圍(0～5000)×10-6，低檢出濃度 ≤0.1×10-6。儀器均做過(guò)標(biāo)定校準(zhǔn)，符合觀測(cè)要求。

測(cè)量方法：根據(jù)土壤氣流動(dòng)化學(xué)觀測(cè)要求，首先將鋼釬砸進(jìn)地面80 cm以下，快速拔出后將出氣口封閉的麻花鉆快速鉆進(jìn)孔內(nèi)，將出氣口與流動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)氣口相接后進(jìn)行不同組分氣體濃度監(jiān)測(cè)。

測(cè)線布設(shè)：根據(jù)柯坪斷裂及其附近歷史地震分布、歷史地震震源機(jī)制解、斷層幾何產(chǎn)狀，把柯坪斷裂分為5段，分別為西克爾段，三岔口段，柯坪段，阿恰段，阿克蘇段。由于柯坪斷裂位于國(guó)道和高速路的北邊，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘后可以進(jìn)行測(cè)量的測(cè)線最終確定為7條線：從西往東依次命名為P1西克爾測(cè)線、P2巴楚測(cè)線、P3圖木舒克測(cè)線、P4柯坪測(cè)線、P5阿恰測(cè)線、P6沙井子測(cè)線、P7阿依庫(kù)勒測(cè)線，測(cè)線間距20～50 km/條。

通過(guò)對(duì)柯坪斷裂的地表出露位置結(jié)合斷層逸出氣體濃度的變化，最終確定每條測(cè)線的長(zhǎng)度及位置，每條測(cè)線中測(cè)點(diǎn)間距按照10 m、20 m進(jìn)行設(shè)置，異常高值點(diǎn)加密至5 m/點(diǎn)間距進(jìn)行測(cè)量。為了減少氣溫、氣壓、濕度等非構(gòu)造因素對(duì)土壤氣濃度的影響，固定每年的5月、9月進(jìn)行測(cè)量。野外測(cè)量過(guò)程出現(xiàn)異常值時(shí)需復(fù)測(cè)，即在異常值附近1 m范圍內(nèi)重新取氣測(cè)量。

2.2 測(cè)量結(jié)果

2016～2020年對(duì)新疆柯坪斷裂選定的7條測(cè)線共開(kāi)展10期野外流動(dòng)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果顯示每條測(cè)線逸出氣體濃度、形態(tài)及背景值各不相同。通過(guò)測(cè)量獲得每期Rn和H2濃度的均值及最高值，計(jì)算異常強(qiáng)度。土壤氣異常強(qiáng)度做為分析對(duì)象，可剔除不同期測(cè)量結(jié)果受環(huán)境因素的干擾。以2019年9月測(cè)量結(jié)果為例將地球化學(xué)流動(dòng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表1)。7條測(cè)線均位于阿克蘇至喀什高速公路的北側(cè)山前沖洪積扇的扇根部，不同測(cè)線的地貌呈現(xiàn)不同形態(tài)。土壤H2產(chǎn)生深度大、比重小，更易于垂直向逸出；而Rn比重相對(duì)較大，起源深度相對(duì)較淺，易沿著傾斜斷層面逸出，這種情況下會(huì)形成斷層逸出Rn與H2富集位置稍有偏差的現(xiàn)象[12]。斷層不同段的活動(dòng)性、覆蓋層厚度、粒度組合、封閉程度對(duì)于逸出氣體的濃度影響較大，王喜龍對(duì)首都圈地區(qū)土壤氣地球化學(xué)特征分析認(rèn)為土壤氣的區(qū)域地球化學(xué)特征主要受控于上地殼物質(zhì)結(jié)構(gòu)、深部氣體補(bǔ)給和地震活動(dòng)，同時(shí)也受到自然環(huán)境及土壤類型的影響[13]。P1西克爾、P4柯坪、P5阿恰測(cè)線覆蓋層較薄、近年來(lái)地震活動(dòng)性強(qiáng)，Rn、H2逸出濃度大；而覆蓋層較厚的P2巴楚、P3圖木舒克測(cè)線逸出氣體濃度最低(圖2)。大部分測(cè)線在斷裂帶的逸出氣體濃度呈現(xiàn)單峰或者雙峰形態(tài)，且上盤逸出氣體濃度高于下盤逸出氣體濃度。

圖2 不同測(cè)線逸出H2(a)、Rn(b)背景值統(tǒng)計(jì)圖

表1 2019年9月柯坪斷裂土壤氣測(cè)量成果表

P1西克爾測(cè)線位于西克爾鎮(zhèn)東3 km處，測(cè)線位于洪積扇沖水沖積的河道中，覆蓋層較薄，沉積物主要以粒度較小的砂礫為主，斷層面附近裂隙發(fā)育，H2遷移速度快，呈現(xiàn)顯著的斷層附近值高情況；而Rn主要通過(guò)斷層面遷移，形態(tài)上呈現(xiàn)上盤的濃度高于下盤的濃度，2個(gè)測(cè)項(xiàng)均呈現(xiàn)峰值變化。P2巴楚測(cè)線位于巴楚三道班高速路出口以北3 km處，沉積物粒度較粗，主要以礫石為主，沉積層厚度加大，泥沙質(zhì)充填，H2濃度、Rn濃度均呈現(xiàn)上盤逸出強(qiáng)度高于下盤的特點(diǎn)，斷裂附近沒(méi)有出現(xiàn)顯著的峰值變化。P3圖木舒克測(cè)線位于圖木舒克高速路出口以東8 km處，沉積物粒度較粗，主要以礫石為主，泥沙質(zhì)充填，洪積扇坡度較大，沉積物厚度較厚，測(cè)量濃度值整體較低，由于H2遷移對(duì)空隙要求低濃度呈雙峰形態(tài)，Rn形態(tài)平穩(wěn)變化不大。P4柯坪測(cè)線位于圖木舒克市與阿恰鎮(zhèn)中間，測(cè)線位于洪積扇的沖水沖積的河道中，覆蓋層較薄，沉積物主要以粒度較小的砂礫為主，逸出H2呈雙峰形態(tài)，Rn呈單峰形態(tài)，整體逸出濃度高。P5阿恰測(cè)線位于阿恰國(guó)道收費(fèi)站西側(cè)2 km，洪積扇沖積的河道中，覆蓋層較薄，沉積物主要以粒度較小的砂礫為主，逸出H2、Rn呈單峰形態(tài)，逸出Rn在斷層上盤逸出濃度高于下盤。P6沙井子測(cè)線位于沙井子高速路出口以西6 km處，沉積物以砂礫石粘土為主，厚度中等，逸出H2呈單峰形態(tài)；Rn形態(tài)較為平穩(wěn)，上盤逸出濃度高于下盤。P7阿依庫(kù)勒測(cè)線位于阿依庫(kù)勒鎮(zhèn)以西5 km處，沉積物以砂礫石粘土為主，厚度中等，H2、Rn濃度呈雙峰形態(tài)。

3 伽師MS6.4地震前斷層氣地球化學(xué)變化

地震前兆異常是指在地震發(fā)生前某區(qū)域范圍內(nèi)地球物理場(chǎng)變化的一種響應(yīng)[14]。由于應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力積累，構(gòu)造條件的差別，裂隙的發(fā)育程度和承載壓力變化的不同[15]，地震可能發(fā)生的時(shí)間節(jié)點(diǎn)也不相同。斷層土壤Rn、H2異常強(qiáng)度的變化反應(yīng)斷裂活動(dòng)強(qiáng)弱的變化，是斷裂活動(dòng)性評(píng)價(jià)的方法之一。其中，H2濃度對(duì)地下介質(zhì)動(dòng)力加載作用響應(yīng)靈敏[16]?？缕簲嗔巡煌我莩鰵鈴?qiáng)度的變化反映了其斷層在應(yīng)力應(yīng)變的積累下引起柯坪斷裂不同段活動(dòng)性的變化。伽師MS6.4地震前，柯坪斷裂逸出氣體強(qiáng)度存在顯著的異常變化，可能與斷層的活動(dòng)性變化有關(guān)，并對(duì)本次地震前的逸出強(qiáng)度進(jìn)行指標(biāo)總結(jié)，具體特征見(jiàn)表2。

表2 新疆伽師MS6.4地震前柯坪斷裂土壤氣逸出強(qiáng)度指標(biāo)及超指標(biāo)情況統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)對(duì)比7條測(cè)線的逸出氣體強(qiáng)度的異常強(qiáng)度指標(biāo)，H2的強(qiáng)度指標(biāo)基本高于2.5，主要因?yàn)槠鋽鄬用娓浇莩鯤2濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于測(cè)線兩端，其中較為顯著的為P1西克爾、P4柯坪測(cè)線；Rn的異常強(qiáng)度指標(biāo)基本高于1.8，異常指標(biāo)較高的測(cè)線為P4柯坪測(cè)線。逸出氣體強(qiáng)度較高的測(cè)線反映斷層破裂面逸出的氣體濃度較高或者斷層破裂面較少，而遠(yuǎn)離斷層面逸出濃度較低。H2強(qiáng)度超異常指標(biāo)的時(shí)間從2017年9月開(kāi)始逐步出現(xiàn)，并在震前表現(xiàn)為大范圍超異常指標(biāo)的現(xiàn)象，僅P5阿恰測(cè)線未見(jiàn)異常；Rn異?，F(xiàn)象起始時(shí)間最早的為P6圖木舒克測(cè)線2017年9月開(kāi)始出現(xiàn)，且全部測(cè)線在2018年9月～2019年9月期間出現(xiàn)超過(guò)指標(biāo)的現(xiàn)象。伽師MS6.4地震前，柯坪斷裂的活動(dòng)性在2017年9月份開(kāi)始出現(xiàn)局部的活動(dòng)，震前的一年到發(fā)震整個(gè)柯坪斷裂的逸出氣體強(qiáng)度均發(fā)生了較為顯著的變化，柯坪斷裂帶的活動(dòng)性呈現(xiàn)整體增強(qiáng)的趨勢(shì)。震后斷層逸出氣體強(qiáng)度出現(xiàn)快速下降至恢復(fù)的變化，最后一期觀測(cè)結(jié)果顯示柯坪斷裂半年內(nèi)發(fā)生MS≥6.0地震的可能性較小。

圖3 各測(cè)線逸出氣強(qiáng)度變化曲線圖

4 結(jié) 語(yǔ)

柯坪斷裂不同段逸出氣體濃度差別較大，其中西克爾、柯坪、阿恰逸出氣濃度較高，圖木舒克、巴楚逸出氣體濃度較低，阿依庫(kù)勒、沙井子逸出濃度位于中間，逸出氣體濃度大小不僅與該區(qū)域的構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)，同時(shí)還與覆蓋層的厚度和粒度組合、斷層不同段的封閉程度息息相關(guān)。覆蓋層厚度小、粒度均勻砂質(zhì)覆蓋層的測(cè)線濃度值較高，而粒度較雜且沉積厚度較大的測(cè)線濃度值偏低。在今后跨斷層流動(dòng)地球化學(xué)觀測(cè)測(cè)線選擇過(guò)程中，盡量選擇覆蓋層薄，有利于氣體逸出的區(qū)域。測(cè)線中Rn和H2形態(tài)不完全相同，這可能與氣體的物理性質(zhì)、氣源深度有關(guān)。逸出H2產(chǎn)生深度大、比重小，更易于垂直向逸出；Rn比重相對(duì)較大，氣源深度較淺，沿著斷層面向上逸出。由于同一條斷裂不同段滲透性不同，造成H2和Rn在斷裂帶上富集位置稍有不同。通過(guò)對(duì)伽師MS6.4地震前后柯坪斷裂土壤氣逸出強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)，柯坪斷裂逸出強(qiáng)度在2018年9月～2019年9月出現(xiàn)了整體性超閾值的異常變化現(xiàn)象，柯坪斷裂在震前存在較大尺度的逸出氣體濃度變化，與作用在該區(qū)域的應(yīng)力增強(qiáng)有關(guān)。