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(xiàn)范圍內(nèi)具有準(zhǔn)同步高值異常變化特征，且測(cè)線(xiàn)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(pán)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(pán)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(pán)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)最終確定為7條線(xiàn)：從西往東依次命名為P1西克爾測(cè)線(xiàn)、P2巴楚測(cè)線(xiàn)、P3圖木舒克測(cè)線(xiàn)、P4柯坪測(cè)線(xiàn)、P5阿恰測(cè)線(xiàn)、P6沙井子測(cè)線(xiàn)、P7阿依庫(kù)勒測(cè)線(xiàn)，測(cè)線(xiàn)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(xiàn)的長(zhǎng)度及位置，每條測(cè)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(lèi)型的影響[13]。P1西克爾、P4柯坪、P5阿恰測(cè)線(xiàn)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(xiàn)逸出氣體濃度最低(圖2)。大部分測(cè)線(xiàn)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(pán)逸出氣體濃度高于下盤(pán)逸出氣體濃度。

圖2 不同測(cè)線(xiàn)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(xiàn)位于西克爾鎮(zhèn)東3 km處，測(cè)線(xiàn)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(pán)的濃度高于下盤(pán)的濃度，2個(gè)測(cè)項(xiàng)均呈現(xiàn)峰值變化。P2巴楚測(cè)線(xiàn)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(pán)逸出強(qiáng)度高于下盤(pán)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(xiàn)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(xiàn)位于圖木舒克市與阿恰鎮(zhèn)中間，測(cè)線(xiàn)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(xiàn)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(pán)逸出濃度高于下盤(pán)。P6沙井子測(cè)線(xiàn)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(pán)逸出濃度高于下盤(pán)。P7阿依庫(kù)勒測(cè)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)兩端，其中較為顯著的為P1西克爾、P4柯坪測(cè)線(xiàn)；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(xiàn)為P4柯坪測(cè)線(xiàn)。逸出氣體強(qiáng)度較高的測(cè)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)2017年9月開(kāi)始出現(xiàn)，且全部測(cè)線(xiàn)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(xiàn)逸出氣強(qiáng)度變化曲線(xiàn)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(xiàn)濃度值較高，而粒度較雜且沉積厚度較大的測(cè)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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)。