王喜龍 楊夢堯 孔祥瑞 楊振鵬

1 遼寧省地震局，沈陽市黃河北大街44號，110034 2 內(nèi)蒙古科瑞資產(chǎn)評估有限公司，呼和浩特市南二環(huán)路48號，150105

研究表明，構(gòu)造地球化學(xué)觀測方法對監(jiān)視斷層活動狀態(tài)、查找隱伏斷層及研究斷裂帶地下氣體釋放特征均具有很好的指示意義[1]，且目前已積累了一定數(shù)量的震例[2]。此外，該方法也可為跨斷層水準(zhǔn)觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常的可靠性與科學(xué)性提供對比與驗(yàn)證[3-4]。由于跨斷層水準(zhǔn)及構(gòu)造地球化學(xué)觀測均是研究構(gòu)造活動比較直觀有效的觀測手段，本文應(yīng)用構(gòu)造地球化學(xué)觀測方法對位于朝陽-北票斷裂上的北票黃花營子水準(zhǔn)場地及朝陽桃花吐水準(zhǔn)場地開展測量，并將測量結(jié)果與水準(zhǔn)異常進(jìn)行對比分析，以判定斷裂特征及水準(zhǔn)異常的可靠性。

1 地質(zhì)構(gòu)造背景

朝陽-北票斷裂位于遼寧省遼西隆起帶上，南起葫蘆島市建昌縣，北至北票市黑城子鎮(zhèn)，全長約200 km，總體走向NE，傾向以NW為主(圖1)。該斷裂以朝陽市為界分為南北兩段，朝陽以南斷層傾向存在差異，傾角較陡，斷層主要位于侏羅系和白堊系地層中，表現(xiàn)為反扭正斷性質(zhì)；朝陽以北斷層傾角相對較緩，斷層表現(xiàn)為逆沖推覆體構(gòu)造特征，斷裂地表行跡清晰。朝陽-北票斷裂南北兩段的活動強(qiáng)度有所不同，其中北段在中更新世時期活動明顯，晚更新世早期也有活動，且活動強(qiáng)度大、活動時間長，形成張性正斷錯動；南段則主要在早、中更新世有所活動，活動性較弱[5]。

圖1 遼西地區(qū)歷史中強(qiáng)震和構(gòu)造簡圖(1970～2019年)Fig.1 Tectonic setting and historical moderate-strong earthquakes of the western Liaoning area from 1970 to 2019

本文研究的北票黃花營子跨斷層水準(zhǔn)場地和朝陽桃花吐跨斷層水準(zhǔn)場地均位于朝陽-北票斷裂北段，資料顯示，黃花營子附近斷層上盤以粘土為主，下盤主要為砂頁巖，斷層錯距約為4 m，表現(xiàn)為正斷性質(zhì)(圖2(a))。從桃花吐附近的斷層剖面(圖2(b))可以看出，老斷裂帶上可見中、上更新統(tǒng)地層錯動，新斷層表現(xiàn)為正斷性質(zhì)，斷層錯距約為6 m。

圖2 朝陽-北票斷裂剖面Fig.2 The profile of the Chaoyang-Beipiao fault

2 土壤氣測量方法

在對北票黃花營子跨斷層水準(zhǔn)觀測場地進(jìn)行土壤氣測量的過程中，為了能跨越水準(zhǔn)場地的同時盡可能穿越斷裂帶，本文對測量路線進(jìn)行延長。北票黃花營子跨斷層水準(zhǔn)觀測場地的水準(zhǔn)測線長約500 m，經(jīng)實(shí)地勘察后，在測量條件允許的情況下將土壤氣測線向兩側(cè)延長約2 km(圖3(a))。朝陽桃花吐水準(zhǔn)觀測場地由于地質(zhì)條件及環(huán)境限制，土壤氣測線與水準(zhǔn)測線長度基本一致，未能向兩側(cè)進(jìn)行延伸，測線長約1 km(圖3(b))。

為有效排除氣象及地表植被等外界因素對土壤氣觀測結(jié)果的影響，土壤氣測量時間選為2018-06，觀測時段為08:00～17:00，2條剖面一次性完成測量。此外，為了能更好地控制斷層，提高結(jié)果的科學(xué)性，土壤氣測點(diǎn)的間距在水準(zhǔn)測線范圍內(nèi)與測線兩端也有所不同。水準(zhǔn)測線范圍內(nèi)的土壤氣測點(diǎn)較為密集，間距為15～20 m；水準(zhǔn)測線外圍測點(diǎn)間距保持在50～70 m。黃花營子跨斷層水準(zhǔn)觀測場地共布設(shè)52個土壤氣測點(diǎn)，桃花吐水準(zhǔn)場地共布設(shè)21個土壤氣測點(diǎn)。土壤氣Rn使用Rad 7測氡儀進(jìn)行測定，CO2與CO均采用GXH-3010E便攜式氣體檢測儀進(jìn)行測定，H2濃度使用ATG-300H便攜式氫分析儀進(jìn)行測定。具體測量方法參考文獻(xiàn)[3]。

圖3 朝陽-北票斷裂跨斷層土壤氣測點(diǎn)布置示意圖Fig.3 Measuring points for the concentration of soil gas crossthe Chaoyang-Beipiao fault

3 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

對黃花營子和桃花吐水準(zhǔn)場地進(jìn)行土壤氣Rn、CO2、CO和H2濃度測量，共獲得365組有效數(shù)據(jù)，其中Rn 146組，CO2、CO和H2各73組。對各測點(diǎn)土壤氣濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均值等處理，獲得土壤氣Rn、CO2、CO和H2濃度變化范圍，具體見表1。

表1 朝陽-北票斷裂土壤氣Rn、CO2、CO和H2濃度

利用箱式圖法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行背景值及異常下限計算，去除異常高值點(diǎn)，并將剩余測點(diǎn)的平均值作為每條測量剖面的背景值，取背景值加2倍標(biāo)準(zhǔn)差作為異常下限。計算結(jié)果表明，黃花營子水準(zhǔn)場地土壤氣Rn、CO2、CO和H2濃度的背景值分別為5.42 kBq/m3、0.35%、0.38 ppm和101.38 ppm，各氣體濃度異常下限分別為9.8 kBq/m3、0.63%、0.73 ppm和224.95 ppm；桃花吐水準(zhǔn)場地土壤氣Rn、CO2、CO和H2濃度的背景值分別為4.22 kBq/m3、0.93%、0.52 ppm和36.59 ppm，各氣體濃度異常下限分別為7.24 kBq/m3、1.74%、1.19 ppm和85.23 ppm。

4 分析與討論

4.1 北票黃花營子水準(zhǔn)數(shù)據(jù)變化特征

結(jié)合歷史震例對1995年以來黃花營子水準(zhǔn)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。1995年以來該場地水準(zhǔn)數(shù)據(jù)共出現(xiàn)5次異常，均表現(xiàn)為趨勢轉(zhuǎn)向變化(圖4)，其中3次趨勢轉(zhuǎn)向異常對應(yīng)地震。近期數(shù)據(jù)變化顯示，2017～2019年水準(zhǔn)數(shù)據(jù)由壓性轉(zhuǎn)為張性變化，數(shù)據(jù)變化形態(tài)與2013年內(nèi)蒙古科爾沁5.3級地震前具有一定的相似性。

圖4 北票黃花營子跨斷層水準(zhǔn)數(shù)據(jù)變化曲線Fig.4 The change curve of cross-fault leveling data in Huanghuayingzi, Beipiao

4.2 朝陽桃花吐水準(zhǔn)數(shù)據(jù)變化特征

桃花吐水準(zhǔn)自觀測以來數(shù)據(jù)連續(xù)穩(wěn)定，夏高冬低年變規(guī)律明顯。2003年內(nèi)蒙古巴林左旗M5.9地震、2013年內(nèi)蒙古科爾沁M(jìn)5.3地震及2016年朝陽M4.6和M4.3地震前均有明顯異常出現(xiàn)，異常主要表現(xiàn)為破年變加速上升與高值波動等張性變化。近年數(shù)據(jù)變化顯示，桃花吐水準(zhǔn)在2017年底再次出現(xiàn)高值波動的張性變化，異常出現(xiàn)時間與北票黃花營子水準(zhǔn)的張性異常出現(xiàn)時間具有準(zhǔn)同步性(圖5)。

圖5 桃花吐跨斷層短水準(zhǔn)數(shù)據(jù)變化曲線Fig.5 The change curves of cross-fault leveling data in Taohuatu

4.3 土壤氣濃度地球化學(xué)特征分析

4.3.1 北票黃花營子水準(zhǔn)場地土壤氣地球化學(xué)特征

對黃花營子測段土壤氣Rn、CO2、CO和H2濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果見圖6。可以看出，土壤氣Rn濃度變化具有中部高、兩側(cè)偏低的特征，高值主要集中在測點(diǎn)11～39之間；在水準(zhǔn)測線范圍內(nèi)，土壤氣Rn濃度高值主要集中在測點(diǎn)15～23和測點(diǎn)26～35兩個區(qū)段。土壤氣CO2濃度變化整體相對比較平穩(wěn)，僅存在少數(shù)散點(diǎn)高值變化；在水準(zhǔn)測線范圍內(nèi)，土壤氣CO2濃度變化穩(wěn)定，測值主要集中在0.2%～0.4%之間。土壤氣CO濃度變化較為分散，高值主要集中在測點(diǎn)2～9、測點(diǎn)25～30及測點(diǎn)46～49三個區(qū)段；在水準(zhǔn)測線范圍內(nèi)，土壤氣CO濃度高值主要集中在水準(zhǔn)測線中部地區(qū)。土壤氣H2濃度變化的高值主要集中在測點(diǎn)5～8、測點(diǎn)15～23、測點(diǎn)28～39及測點(diǎn)49～51四個區(qū)段；在水準(zhǔn)測線范圍內(nèi)，土壤氣H2濃度高值主要集中在水準(zhǔn)測線兩側(cè)地區(qū)，形態(tài)與土壤氣Rn濃度變化具有一定的相似性。對比北票黃花營子水準(zhǔn)場地發(fā)現(xiàn)，在水準(zhǔn)測線外圍，土壤氣濃度高值主要集中在測點(diǎn)2～10區(qū)段(CO2、CO和H2)及測點(diǎn)47～51區(qū)段(CO2和H2)；在水準(zhǔn)測線區(qū)域，土壤氣高值主要集中在測點(diǎn)15～23和測點(diǎn)26～35兩個區(qū)段，主要表現(xiàn)為土壤氣Rn和H2濃度高值。

研究表明，土壤氣濃度異常與斷裂展布具有明顯的相關(guān)性[6]，由于地下賦存大量流體，當(dāng)應(yīng)力改變引起斷裂發(fā)生形變時，地下流體的組成和賦存狀態(tài)就會發(fā)生改變，流體會沿裂隙向上運(yùn)移至地表，從而導(dǎo)致斷裂附近的土壤氣組分及濃度發(fā)生變化[9]。而土壤氣H2對地下介質(zhì)動力加載作用響應(yīng)靈敏[8]，且斷裂帶土壤氣H2主要來自巖石新生破裂的水巖反應(yīng)[9]，因此斷裂帶土壤氣H2濃度的變化最能反映斷裂的活動性特征[10]。斷裂帶內(nèi)H2濃度變化與斷裂活動呈正相關(guān)性，與地震活動也具有明顯的正相關(guān)性[9]。另外，Rn為惰性氣體，能夠較好地反映地球的深部信息[11]，且由于其固有的地球化學(xué)特性，常被用于勘探隱伏斷裂[12]。構(gòu)造活動區(qū)土壤氣中CO2的來源則較多，包括地幔來源、碳酸鹽巖分解、有機(jī)質(zhì)氧化及微生物、植物呼吸作用等[1]。

對比黃花營子場地土壤氣的地球化學(xué)變化特征發(fā)現(xiàn)，在氣候環(huán)境和測量土壤等外界條件基本一致的情況下，水準(zhǔn)測線范圍內(nèi)的土壤氣Rn、H2及CO濃度具有明顯的準(zhǔn)同步高值變化，且Rn和H2的雙峰式特征明顯，表明水準(zhǔn)測線區(qū)域地下介質(zhì)較為破碎，朝陽-北票主干斷裂在水準(zhǔn)測線內(nèi)穿過。此外，水準(zhǔn)測線范圍內(nèi)的土壤氣H2濃度存在多點(diǎn)濃度高于200 ppm，雙峰最大值分別為303.4 ppm和259.5 ppm，明顯高于異常下限224.95 ppm；土壤氣Rn濃度的最大值也高達(dá)14.35 kBq/m3，明顯高于異常下限9.8 kBq/m3，表明斷裂可能處于張性狀態(tài)，地下裂隙增多、增大導(dǎo)致土壤氣濃度出現(xiàn)高值異常。與北票水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，2016年朝陽發(fā)生M4.6和M4.3雙震后，黃花營子水準(zhǔn)在2017年開始出現(xiàn)張性變化，2019-07以后變化速率雖然有所減小，但仍維持張性狀態(tài)。對比該測段土壤氣Rn和H2濃度異常特征結(jié)果，進(jìn)一步表明北票黃花營子水準(zhǔn)數(shù)據(jù)具有張性變化，且主要由斷裂活動導(dǎo)致。對比水準(zhǔn)測線外圍土壤氣濃度變化特征發(fā)現(xiàn)，在測點(diǎn)2～10區(qū)段存在土壤氣H2、CO2和CO濃度的小幅同步高值變化，在測點(diǎn)49～51區(qū)段存在土壤氣H2和CO2濃度的小幅同步高值變化，這可能反映朝陽-北票斷裂的次級斷裂通過該測段。

4.3.2 朝陽桃花吐水準(zhǔn)場地土壤氣地球化學(xué)特征

對桃花吐測段土壤氣Rn、CO2、CO和H2濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果見圖7。可以看出，土壤氣Rn濃度總體變化較為平穩(wěn)，僅在測點(diǎn)16～19區(qū)段高于異常下限，其中測點(diǎn)19的濃度最大，為18.15 kBq/m3。土壤氣H2濃度在測點(diǎn)1～18區(qū)段變化相對平穩(wěn)，測值主要集中在10～50 ppm之間，在測點(diǎn)19～21區(qū)段明顯升高，其中測點(diǎn)19濃度最大，為399 ppm，遠(yuǎn)高于異常下限85.23 ppm。土壤氣CO2濃度在測點(diǎn)1～16區(qū)段變化較為平穩(wěn)，所有測點(diǎn)濃度值均低于異常下限，在測點(diǎn)17～19區(qū)段變化較大，最大值在測點(diǎn)18，達(dá)到4.53%。土壤氣CO濃度在測線范圍內(nèi)存在2處高值變化，分別為測點(diǎn)7～11和測點(diǎn)19～20區(qū)段，最大值在測點(diǎn)7，濃度為2.6 ppm。

圖6 北票黃花營子土壤氣Rn、CO2、CO和H2濃度變化曲線Fig.6 The variation curves of concentration for soil gases Rn, CO2, CO and H2 in Huanghuayingzi, Beipiao

圖7 朝陽桃花吐土壤氣Rn、CO2、H2和CO濃度變化曲線Fig.7 The variation curves of concentration for soil gases Rn, CO2, H2 and CO in Taohuatu, Chaoyang

對土壤氣Rn、CO2、CO和H2濃度變化特征進(jìn)行整體分析發(fā)現(xiàn)，4種土壤氣濃度數(shù)據(jù)具有共性特征，即在測點(diǎn)16～20區(qū)段范圍內(nèi)，4種土壤氣濃度具有明顯同步高值變化特征，且大部分測值均高于各自計算得到的異常下限，表明該測段范圍內(nèi)地下介質(zhì)可能較破碎，為斷裂主要通過地段。

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述結(jié)論，將土壤氣濃度觀測結(jié)果與桃花吐水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，基于相關(guān)地質(zhì)資料推斷，在桃花吐水準(zhǔn)場地范圍內(nèi)，朝陽-北票斷裂經(jīng)過的位置主要在水準(zhǔn)3號測點(diǎn)附近。將水準(zhǔn)測線與構(gòu)造地球化學(xué)觀測測線進(jìn)行對比(圖3)發(fā)現(xiàn)，測點(diǎn)16～20區(qū)段正好位于水準(zhǔn)3號測點(diǎn)附近，驗(yàn)證了該處為朝陽-北票斷裂的主要經(jīng)過地區(qū)。為驗(yàn)證該結(jié)論的準(zhǔn)確性，本文在測量期間對桃花吐水準(zhǔn)場地附近區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)勘查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在測線西南幾百米處存在1條地質(zhì)剖面，該剖面出露較為明顯的正斷層，斷層走向經(jīng)過測點(diǎn)16～20之間，與土壤氣高值異常區(qū)域一致，證實(shí)該測段土壤氣濃度的同步性高值異常變化特征主要由構(gòu)造因素引起，表明構(gòu)造地球化學(xué)觀測對探測斷裂的具體位置具有一定的指示意義。從圖7可以看出，土壤氣CO濃度的高值變化主要表現(xiàn)為單點(diǎn)式特征，且高值分散，不具有同步性變化特征，這可能與高值單點(diǎn)處所處的地質(zhì)地貌特征及地表植被影響有關(guān)[1]，指示地下存在斷裂的可能性較小。雖然土壤氣CO濃度在測點(diǎn)8～11區(qū)段表現(xiàn)為高值變化，但其他3種土壤氣未出現(xiàn)與其同步的高值變化，且由于測量時間為6月中旬，該測量地段植被為農(nóng)作物，可能受施肥、微生物與植物呼吸、有機(jī)分解等的影響，指示構(gòu)造作用的可能性相對較小。

對比桃花吐水準(zhǔn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在2016年朝陽M4.6和M4.3雙震后，2017年水準(zhǔn)數(shù)據(jù)開始下降，呈現(xiàn)壓性變化特征；但2018年水準(zhǔn)數(shù)據(jù)開始上升，呈現(xiàn)張性變化特征；2019年上半年張性變化特征明顯，雖然2019年下半年變化速率有所減小，但仍維持在張性變化狀態(tài)(圖5)，且2018年以來與黃花營子水準(zhǔn)數(shù)據(jù)具有一定的準(zhǔn)同步性變化特征。將水準(zhǔn)數(shù)據(jù)張性變化特征與土壤氣濃度變化特征進(jìn)行對比可知，土壤氣Rn、CO2、CO和H2濃度在測點(diǎn)16～20區(qū)段具有同步高值變化特征，且存在多點(diǎn)濃度值高于異常下限，土壤氣同步高值異常區(qū)域與朝陽-北票斷裂呈現(xiàn)的張性變化對應(yīng)，表明桃花吐水準(zhǔn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)的張性變化與斷裂活動增強(qiáng)有一定的聯(lián)系。

4.4 遼西地區(qū)地震活動性特征分析

對遼西及遼蒙交界地區(qū)的地震活動性進(jìn)行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，2017～2019年研究區(qū)范圍內(nèi)共發(fā)生ML≥2.0地震68次，其中2.0≤ML<3.0地震58次，ML≥3.0地震10次，最大地震為2019-06-09遼寧建平ML3.9地震，地震活動較往年有所增強(qiáng)(圖1)。對該時段小震空間分布特征進(jìn)行分析可知，2017年以來遼西及遼蒙交界地區(qū)小震活動相對集中，地震序列顯著增多且震群活動頻繁，區(qū)域性地震序列及震群活動反映了該地區(qū)應(yīng)力場的調(diào)整作用。將地震活動性與北票黃花營子水準(zhǔn)數(shù)據(jù)和桃花吐水準(zhǔn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)同步張性變化特征及構(gòu)造地球化學(xué)觀測結(jié)果進(jìn)行綜合對比發(fā)現(xiàn)，遼西地區(qū)在該時段處于應(yīng)力釋放期，表明水準(zhǔn)數(shù)據(jù)的異常變化與構(gòu)造地球化學(xué)測量結(jié)果具有真實(shí)性。

5 結(jié) 語

通過對遼西地區(qū)朝陽-北票斷裂黃花營子水準(zhǔn)場地和桃花吐水準(zhǔn)場地進(jìn)行跨斷層土壤氣濃度測量，并結(jié)合水準(zhǔn)數(shù)據(jù)對該地區(qū)土壤氣地球化學(xué)特征進(jìn)行對比分析，得出以下結(jié)論：

1) 黃花營子場地土壤氣Rn、CO2、CO和H2濃度變化范圍分別為1.027～14.35 kBq/m3、0.1%～0.77%、0.2～1.4 ppm和21.45～303.4 ppm；桃花吐場地土壤氣Rn、CO2、CO和H2濃度變化范圍分別為1.88～18.15 kBq/m3、0.23%～4.53%、0.2～2.6 ppm和12.03～399 ppm。

2)北票黃花營子水準(zhǔn)數(shù)據(jù)與土壤氣濃度變化特征的對比結(jié)果表明，朝陽-北票斷裂的主干斷裂在水準(zhǔn)測線范圍內(nèi)經(jīng)過，且斷裂位置的土壤氣濃度異常特征明顯，北票黃花營子水準(zhǔn)數(shù)據(jù)2018年以來呈現(xiàn)的張性變化特征主要是斷裂活動增強(qiáng)所致。

3)在實(shí)地勘察基礎(chǔ)上將朝陽桃花吐水準(zhǔn)數(shù)據(jù)與土壤氣濃度變化特征進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明，朝陽-北票主干斷裂位于桃花吐水準(zhǔn)3號測點(diǎn)附近，土壤氣Rn、CO2、CO和H2濃度的同步高值異常變化與斷裂位置對應(yīng)，桃花吐水準(zhǔn)數(shù)據(jù)2018年以來的張性變化真實(shí)可靠，主要與構(gòu)造活動有關(guān)。

4)將土壤氣測量結(jié)果與水準(zhǔn)觀測數(shù)據(jù)和遼西地區(qū)地震活動進(jìn)行綜合對比分析，結(jié)果表明，構(gòu)造地球化學(xué)方法在判定水準(zhǔn)數(shù)據(jù)異常的可靠性及查找斷裂具體位置方面具有較好的指示意義。