辽南地区断裂带的断层土壤气地球化学特征及其对区域应力调整的指示.pdf
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1、书书书第 卷第 期 年 月地震地质 ,:王喜龙,罗银花,金秀英,等 辽南地区断裂带的断层土壤气地球化学特征及其对区域应力调整的指示 地震地质,():,():辽南地区断裂带的断层土壤气地球化学特征及其对区域应力调整的指示王喜龙)罗银花)金秀英)杨梦尧)孔祥瑞)辽宁省地震局,沈阳 )辽宁省地质矿产研究院有限责任公司,沈阳 )辽宁省地矿集团海洋生态监测中心有限责任公司,沈阳 )辽宁省汇泽矿业技术咨询有限公司,沈阳 摘要辽南地区历史中强地震活动频繁,尤其是金州断裂与海城河断裂,近代曾发生多次中强地震。对辽南地区金州断裂不同区段与海城河断裂开展多期次构造地球化学土壤气浓度观测,可为查明断层活动状态、区域
2、应力调整与分析地震活动规律及特征起到至关重要的作用。文中对辽南地区 条活动断裂的 条剖面进行了多期跨断层土壤气 、与 浓度观测。测量结果表明,同一剖面、不同期次断层土壤气的浓度变化趋势基本一致,但断层不同区段的土壤气浓度变化存在一定差异,分析认为不同区段的断层性质及地质地貌等特征是造成这种差异性的主要原因之一。各剖面土壤气浓度的时空变化特征显示,金州断裂与海城河断裂土壤气浓度空间变化特征在一定范围内主要受地质构造、地下介质结构与地壳垂直速率变化等因素控制,土壤气浓度的时间变化特征主要与断裂活动性质、地震活动及区域应力调整作用有关。研究结果表明,多期次构造地球化学观测方法可有效反映断层活动状态,
3、对区域应力调整具有良好的指示意义,是进行监视断层活动与地震监测预测的一种有效手段。关键词断层土壤气地球化学特征地震活动区域应力场辽南地区中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期 收稿,改回。基金项目 中国地震局地震科技星火计划项目(,)和震情跟踪课题(,)共同资助。通讯作者:罗银花,女,年生,工程师,主要从事地质调查与矿产地质等方面的研究,:。引言地下流(气)体是地球内部最为活跃的物质组分,同时也是地球各圈层相互联系的有效介质,在地球演化历史中扮演着重要的角色(毕思文,;李营等,)。地下流(气)体对断期王喜龙等:辽南地区断裂带的断层土壤气地球化学特征及其对区域应力调整的指示裂活动与应力场
4、调整作用十分敏感,在地震孕育过程至发震阶段,地壳内部流(气)体的物理化学异常信号变化往往具有最迅速、最强烈和分布最广等特征,是地震前兆异常监测捕捉的主体信息之一(刘耀炜等,;,;,;杜乐天,;杜建国等,;,;,;,;李营等,)。在地震孕育和发震过程中,断裂活动强度或区域应力加载作用的增强或减弱,会使地壳中物质运移和能量传输的能力或方式发生改变。流体在地壳内部主要存在于岩石裂隙中,是传输物质、能量的主要载体。断层活动或应力加载作用将导致流体与围岩发生反应,这一过程必然伴随着物质交换,地下流体中元素和同位素发生迁移、分异和演化(李营等,)。发生物理、化学反应后的地下流(气)体沿着断裂裂隙通道上升运
5、移至地表后,形成可被监测到的地震流体前兆异常(,王江等,)。由于活动断裂带切割深度大、裂隙发育,因此其不仅是地震孕育和发生的关键区域,同时也是地下流体运移和释放的重要地带(,;,;,)。断裂带脱气及气体地球化学特征研究已被广泛应用于地球深部物质组成、循环及能量交换等许多重大基础科学问题中(杜乐天,)。在地震孕育发生过程中,活动断裂带上出现的气体地球化学异常现象往往最为显著,也最具指示意义。地球深部气体通过断裂带上升至地表,并在断裂带上覆土壤层中形成明显线状气体富集区,其气体释放强度可高出非断裂带区域背景值的数倍甚至数十倍(,;杜建国等,;王广才等,;,)。因此,通过对断裂带及其周边地区开展断层
6、土壤气体地球化学周期性探测,不仅可得到断裂可能的空间展布形态与明显的气体异常,还可直接有效地分析出构造活动的强弱、查明隐伏断裂的具体位置。断层土壤气是指示构造、地震活动和开展活断层地震安全性评价的良好指标(,;,;李营等,)。相比其他常规的地震地质观测手段而言,构造地球化学土壤气观测方法具有指示意义直观有效、采样快速简单、观测成本低廉及受环境影响小等突出优点。近年来在全世界地震工作者的共同努力下,地震流体地球化学观测和研究的广度与深度都在不断增加(杜建国等,;郑国东等,),报道的地球化学异常数量也在快速增加,对地震流体地球化学异常成因与机理的认识研究也逐渐清晰化,流体地球化学异常与地震活动在时
7、空上的关联性被进一步证实(,;,;,;,;,;杨秋野等,;,)。如林元武等()通过对华北北部 条隐伏活动断裂进行断层土壤 取样分析,发现活动的隐伏断裂带上 的浓度异常显著,一般高于背景值几十倍,且 主要来源于地下深部结晶基底片岩、片麻岩等的破裂或水岩反应,异常与断裂活动密切相关。王基华等()与林元武等()通过对 年怀来后郝窑断层土壤气 测点的观测数据进行分析研究,发现在观测时段内,浓度在监测区内 次 级以上地震前均出现了显著异常变化,表明断层土壤气 浓度作为断裂地震前兆手段是有效的。范雪芳等()基于活动断裂带高精度土壤氢气连续观测资料,结合震例对氢浓度的映震效能进行评估,给出了该地区土壤氢气的
8、异常判定指标,并得出高精度断层氢气浓度观测是短临预报的一种有效手段的结论。王喜龙等()对首都圈地区土壤气 、和 等气体的浓度变化影响因素进行分析,给出了活动断裂带土壤气浓度变化的主要控制因素。等()对新疆 断裂带土壤气 、和 浓度的空间展布特征进行分析,发现土壤气浓度异常与地下深部气体、断裂活动程度地震地质 卷和断裂碎裂程度等有关。王喜龙等()对辽宁金州断裂不同区段开展了跨断层土壤气多组分浓度分析研究,认为该地区土壤气浓度变化与地震活动、区域应力场调整存在一定的成因联系。路畅等()与赵元鑫等()对唐山地区土壤气组分与地震活动、断裂活动性的关系展开研究,发现土壤气氡浓度与脱气强度高值均集中在断裂
9、带或断裂带交会部位,土壤气氡的脱气强度与活动断裂带的高渗透性及高应力有关。近年来国内外关于对断裂带土壤气浓度变化特征、气体主要来源及与构造、地震活动关系等的研究已取得一定成果(李营等,;,;,;,;,;,;王博等,),但就辽南地区而言,尤其是营海岫地区(营口海城岫岩),虽然近年来一直是辽宁构造活动性最强的区域,发生过多次中强地震,然而开展的断层活动状态监测等研究却很少。区域内金州断裂与海城河断裂近代曾发生多次中强地震与震群活动,如海城 级地震、岫岩 级地震、海城震群与盖州震群等。因此,查明金州断裂与海城河断裂的断层活动状态对区内的地震监测预报工作尤为关键。近年来,地震地质学者虽然在辽南地区相继
10、开展了一系列地球化学领域的研究(周志华等,;仵柯田等,;孙凤霞等,;姜丽等,;王喜龙等,),但大多数研究仍局限于地下水化学领域,对断裂带气体的地球化学领域研究仍十分薄弱,开展甚少。构造地球化学土壤气浓度的多期次观测方法是一种对监视断层活动、分析构造应力积累水平等直观、有效的手段。通过对目标断裂开展多期次观测研究,不仅可获得断裂带气体的释放特征,同时还能够通过不同期次的气体观测浓度对比分析断层的活动性,确定应力积累水平。因此,本研究以在金州断裂与海城河断裂布设的多期跨断层土壤气 、和 的浓度观测结果为基础,结合断裂性质与断层活动、地震活动性、盘一井氢气异常发展及地球物理场 观测结果等资料,对辽南
11、地震多发区的土壤气浓度时空变化特征与断层活动、区域应力场调整的关系开展分析研究。地震地质背景辽南地区地处太平洋板块向 俯冲欧亚板块的大陆边缘带,区域构造上位于辽河 渤海沉降区东侧的辽东上升隆起区(万波等,)。区内构造主要呈 向或 向展布,断裂纵横交错,形成网状的构造格局。对区内历史中强地震及震群进行分析可知,辽南地区 级以上中强地震及震群也主要沿 与 向展布,空间上地震活动带与构造活动带基本重合,构成地震网格(高常波等,)。基于精定位等结果对辽南地区 年以来发生的级以上地震的发震断裂进行分析,结果显示,这些地震的发震断裂主要为金州断裂与海城河断裂:年普兰店 级地震、年营口 级地震与 年熊岳 级
12、地震的发震断裂均为 向的金州断裂;年海城 级地震、年营口 级地震与 年岫岩 级地震等近代地震的发震断裂均为 向的海城河断裂(图 )。历史上该区域发生的震群活动也主要沿着这 条断裂展布,地震活动表明金州断裂与海城河断裂为目前辽南地区活动性最强的构造单元。金州断裂是辽南地区最主要的 向断裂,其南起大连湾,北至鞍山地区,全长约 ,是辽南地区规模最大、活动性强、切割地壳最深且构造行迹清楚的深大断裂(王喜龙等,)。金州断裂为一条中更新世以来的活动断裂,对辽东南半岛地区的地震具有重要的期王喜龙等:辽南地区断裂带的断层土壤气地球化学特征及其对区域应力调整的指示图 辽南地区的历史地震和构造简图 金州断裂;海城
13、河断裂;庄河断裂;碧流河断裂;太子河断裂;台安断裂;辽中断裂;牛居 油燕沟断裂控制作用,断裂自北向南可划为 段,分别为盖州北鞍山南段、九寨盖州北段、普兰店九寨段与金州普兰店段(万波等,)。野外地质构造调查、断层泥测年分析结果及近年来该地区中小地震与震群活动表明,金州断裂北部 段,尤其是盖州北鞍山南段是金州断裂目前活动性最强的段落,该段未来具有发生 级以上地震的可能,是未来地震发生的重点关注区段(万波等,)。海城河断裂是 年海城 级地震发生后才被发现的,是一条隐伏断裂(高常波等,)。该断裂向 至营口海城地区,向 经孤山、岫岩延伸至丹东东港地区,全长约 ,断裂性质为左旋走滑兼正倾滑,并断错了全新世
14、地层(万波,)。由于海城河断裂北西、南东端分别与金州断裂和鸭绿江断裂共轭,且是 年海城 级地震、年营口 级地震与 年岫岩 级地震的发震断裂,因此海城河断裂也被认为是区内全新世至今还活动的断裂(万波等,),同时也是辽宁地区地震危险性最高的活动构造。观测方式与方法根据金州断裂与海城河断裂的地震地质、断裂展布等资料(高常波等,;万波,;雷清清等,;万波等,),通过野外实地勘查,沿金州断裂与海城河断裂共布设条跨断层土壤气浓度观测剖面(图 ),其中在金州断裂盖州北鞍山南段布设 条观测剖地震地质 卷表 土壤气测线的基本信息表 序号测线名称测线代号测线长度 测点数断裂名称于家沟 金州断裂兴隆屯 博洛铺 虹溪
15、谷 小河村 海城河断裂营城子 面,在金州断裂九寨盖州北段布设 条观测剖面,在海城河断裂上布设 条测线(图 ,表 )。在观测过程中,为有效避免环境及气象等因素对测量结果造成干扰,在晴朗的天气条件下一次性完成测量。测量时段选为每年的 月和 月,这 个时段内海城与营口地区的温差在天气晴朗时相近,平均高温均约为 (数据来自历史天气网)。对于每条断裂带上的观测剖面,测线布设方向垂直于断裂带,测点的间距以断裂陡坎位置为中点向两侧逐渐拉长,在陡坎位置处测点的间距约为 ,依据测点的地质地貌等特征,向两侧依次以 、等距离拉长。具体测量方式见文献(王喜龙等,)。实地测量过程中若出现测值异常,则在测值异常点周边 范
16、围内至少进行 次复测,以确定该点测值。土壤气 浓 度 选 用 测 氡 仪 进 行 测 量,仪 器 的 量 程 范 围 为 ,误差 ,测量时将采样模式设置为 ,连续记录 组有效数据的均值作为单测点的浓度值。同时为有效去除土壤 带来的影响,在测量过程中采用铝箔采气袋采气搁置 测量的模式,以消除土壤 对观测结果带来的误差。土壤气 浓度采用 便携式 检测仪测定,仪器的量程范围为 ,误差 。浓度采用 便携式 氢分 析 仪测 量,仪 器 的量 程 范 围 为 ,仪 器 检 出限 为 。采用连续测量模式对土壤气 和 的浓度进行测量。测量结果对 年金州断裂与海城河断裂上 条跨断层土壤气剖面的 期次观测数据进行
17、分析,共获得 组土壤气浓度数据,其中包括 组土壤气 浓度数据、组 浓度数据和 组 浓度数据。各测点每期次的最大值、最小值和平均值见表 。观测结果显示,不同断裂及断裂不同区段上各剖面 期次土壤气浓度的观测数据变化范围较大。例如,金州断裂 剖面土壤气 、与 浓度的最大变幅分别可达 、与 ,海城河断裂 剖面的土壤气 浓度最大变幅达 。对 条观测剖面的土壤气 、与 各期浓度的均值进行时间变化特征分析发现,测线土壤气 浓度的均值主要集中在 范围内,年 月均值相对较高,年均值最低,年 浓度值有一定恢复;土壤气 浓度的均值主要 :。期王喜龙等:辽南地区断裂带的断层土壤气地球化学特征及其对区域应力调整的指示表
18、 辽南地区各测线的土壤气浓度测值 年月测点名称测点代号断裂名称 最大值最小值平均值最大值最小值平均值最大值最小值平均值 于家沟 金州断裂 兴隆屯 金州断裂 博洛铺 金州断裂 虹溪谷 金州断裂 小河村 海城河断裂 营城子 海城河断裂 注空值表示未进行观测。地震地质 卷集中在 范围内,年 浓度均值无明显变化规律;土壤气 浓度的均值主要集中在 范围内,年 月浓度均值较高,年 月 年 浓度均值相对较低。测线土壤气 浓度的均值主要集中在 范围内,年 月 年 月期间 浓度均值较其他时间段表现出高值特征;土壤气 浓度的均值主要集中在 范围内,年 月 浓度均值呈明显的逐渐上升变化趋势,年 月 年恢复;土壤气
19、的浓度均值主要集中在 范围内,除 年 月与 年 月 浓度均值处于较高水平外,其他时段 浓度均值的变化较为平稳。测线土壤气 、与 浓度均值的变化范围分别为 、,种气体的浓度均值时空变化规律基本一致,年 年 月均呈明显的逐渐上升变化趋势,其中 年 月 种气体的浓度均值上升最为明显,于 年 月 年恢复。测线土壤气 、与 浓度的测量时段为 年 月 年,土壤气 、与 浓度的均值变化范围分别为 、;土壤气 与 浓度的均值变化特征基本一致,年 月浓度均值为最大值,但与其他时间点相比浓度均值的变化幅度相差不大,年整体变化较为平稳;年 月 年 月 浓度均值呈明显的上升变化,年 月 年有所恢复。测线土壤气 、与
20、浓度的均值变化范围分别为 、,种气体的浓度均值时间变化规律基本一致,年 年 月均呈明显的逐渐上升变化趋势,年 月 年恢复。条测线 期次土壤气浓度观测结果的总体时间变化显示,土壤气 、与 浓度的均值整体呈现同步性时间变化规律,即 年 年 月期间浓度均值表现为同步上升变化,年 月 年高值有所恢复。讨论 气体浓度测值与构造由横跨金州断裂与海城河断裂 条土壤气地球化学剖面(图 )可以看出,年以来各剖面不同期次断层土壤气 、与 浓度的变化整体趋势基本一致。土壤气 与 的浓度具有较好的相关性,但断裂不同区段各剖面土壤气的浓度变化特征则存在一定差异。金州断裂 剖面的土壤气 、与 浓度变化表现为明显的上盘高于
21、下盘的特征,且 种气体具较好的相关性。剖面处断裂陡坎的倾角较大,可达 ,走向为 。前人研究显示金州断裂北段不仅表现为倾角相对较高的高角度正断层,且上盘较为破碎(雷清清等,)。地貌形态显示,该处的剖面以断裂陡坎为界,陡坎东侧(下盘)为丘陵区,西侧(上盘)为倾斜平原,两侧的地貌形态差异明显。上盘的沉积层厚度大,主要以黑色土壤为主,且富含一定成分的细砂,植被丰盛;下盘以砂砾质土壤为主,沉积层薄,最薄处深 可见基岩。因此分析认为该剖面土壤气浓度的变化特征可归因于该处断裂活动性强及上、下盘沉积层的明显差异(王喜龙等,)。剖面上 种土壤气体的浓度变化差异较大,上、下盘的 浓度差异性较小,浓度呈明显的上高下
22、低的变化特征,而 浓度则表现为双峰式变化。分析认为,这种差异主要与测点处于特殊的构造位置有关。剖面位于 向金州断裂与 向海城河断裂的交会部位,条断裂在此相互交错、切割、错断,导致该点地质结构复杂、期王喜龙等:辽南地区断裂带的断层土壤气地球化学特征及其对区域应力调整的指示图 辽南地区土壤气 的浓度变化特征 图 辽南地区土壤气 的浓度变化特征 地震地质 卷图 辽南地区土壤气 的浓度变化特征 土壤气浓度差异明显。剖面上 种气体的浓度表现为较一致的上高下低的变化特征。该处断裂陡坎的走向约为 ,倾向 ,断裂上盘以黑色土壤为主,沉积层相对较厚,下盘以黄色砂质土壤为主,沉积层较薄,整体地质结构较为简单,与
23、测点具有一定的相似性。此外,相较于整条测线,下盘 测点的 种气体均表现为明显的单点浓度高值变化。结合该处断层及地质地貌特征判断,该点的土壤气高值变化可能主要与所处位置岩石严重破碎有关。这种土壤气单点浓度高值异常往往由 种原因导致:)该点恰好处于多条破碎带交会处或断裂破碎带通过部位(,;李营等,;,);)高值点处存在空间不连续性,导致所监测的气体在此处富集(,)。剖面上土壤气 与 的浓度表现为单峰式的中间高、两侧低的变化特征,而 浓度则表现为中间低、两侧偏高的双峰式特点。对比该处的地质地貌特征可知,断层在此处的走向为 ,倾向 ,断层沿陡坎两侧存在差异运动,北西侧相对下降、东南侧相对上升,且沿陡坎
24、具有一定的右旋滑动分量,导致上、下盘在断层陡坎处的最大高差可达 。同时,由于该处断裂位于沟谷处,地貌形态显示断裂通过处明显低于上、下盘两侧,断裂处的岩性也主要以砂质土壤为主。此外,由于 自身性质的原因,其与 、等土壤气体相比具有迁移速度快、穿透性更强等特点(车用太等,;王喜龙等,)。基于以上原因,该剖面上土壤气 的浓度与 、的浓度出现差异。海城河断裂 剖面位于金州断裂 剖面东约 处,该处剖面的土壤气浓度表现为中间低、两侧高的弱双峰式变化特点。剖面的 、与 表现为上盘浓度略高于下期王喜龙等:辽南地区断裂带的断层土壤气地球化学特征及其对区域应力调整的指示盘的特征,且在断裂陡坎位置处的浓度呈明显高值
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