合作市隱伏斷層控制性地球化學(xué)探測場地試驗①

張 慧，蘇鶴軍，李晨樺

（1．中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000；2．蘭州地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

合作市城市活斷層地球化學(xué)探測的研究區(qū)域范圍為 E102．030°～104．184°，N33．137°～36．521°。研究區(qū)位于青藏高原東北部斷塊區(qū)、秦嶺斷塊區(qū)與鄂爾多斯穩(wěn)定區(qū)的交匯部位，新構(gòu)造活動十分強(qiáng)烈，以斷裂和斷塊活動為基本特征。研究區(qū)內(nèi)主要分布西秦嶺山系，為中高山區(qū)，由一系列平行的山脈及山間盆地所組成。山間盆地多為新生代斷陷盆地，如冶力關(guān)盆地、臨潭盆地等。

合作市活斷層地球化學(xué)探測項目圍繞解決城市范圍內(nèi)的斷層定位、深部流體活動特征等一系列科學(xué)問題，主要任務(wù)是確定隱伏斷層的位置及其產(chǎn)狀，最終達(dá)到為進(jìn)一步的鉆探和槽探提供目標(biāo)靶區(qū)的目的。大量城市活斷層地球化學(xué)探測的實踐證明，利用土壤氣汞、氡地球化學(xué)方法開展城市隱伏斷裂的勘查，通常受地質(zhì)、氣象及地表環(huán)境條件的影響，如溫度、氣壓、濕度特別是地表覆蓋層條件及地表巖石碎屑等［1－8］。為了使測量結(jié)果更精確可靠，分析和結(jié)論更為科學(xué)，在開展大規(guī)模的野外探測及特征分析之前選擇有斷層露頭或有鉆孔資料的典型場地開展試驗研究是十分必要的［9－11］。場地試驗的目的就是驗證土壤氣汞、氡地球化學(xué)探測方法在該地區(qū)應(yīng)用的有效性與可行性，即在已知斷層上選擇有斷層露頭或有探槽資料的典型場地針對性較強(qiáng)地開展了方法測試工作，通過對各場地土壤氣異常特征分析，并結(jié)合理論基礎(chǔ)，識別出能夠反映該地區(qū)斷層位置、斷層產(chǎn)狀、傾向、傾角及斷層性質(zhì)的典型斷層氣濃度曲線特征，為進(jìn)一步對研究區(qū)內(nèi)其它隱伏斷層控制性探測的提供重要依據(jù)，提高方法利用的科學(xué)性與可靠性。因此，合作市活斷層地球化學(xué)探測選取具有較好斷層露頭的甘加和黃香溝開展野外場地試驗（圖1）。

1 測線的布設(shè)、測項及取樣方法

1．1 測線的布設(shè)

垂直斷層走向進(jìn)行測點的布設(shè)，各測線測點間距10m。發(fā)現(xiàn)異常點后立即進(jìn)行復(fù)測，并在異常段進(jìn)行加密觀測，點距為5m。

1．2 測量項目和取樣方法

現(xiàn)場土壤氣氡、汞測量同步進(jìn)行，嚴(yán)格按有關(guān)規(guī)范要求。使用的兩臺FD－3017RaA測氡儀均事先進(jìn)行了標(biāo)定和一致性實驗，K值分別是0．169 3和0．166 9。該儀器為一種瞬時測氡儀器，利用靜電收集氡衰變的第一代子體RaA作為測量對象來定量測定土壤中的氡濃度，極限探測靈敏度為0．37 Bq／L。該儀器的特點是沒有探測器污染問題，也不存在釷射氣的干擾，具有較高的靈敏度，簡捷，在剖面連續(xù)測量中獲取一個點的數(shù)據(jù)僅數(shù)分鐘現(xiàn)場即可出數(shù)。

汞測量儀器為JM－4數(shù)字金膜測汞儀，可以在現(xiàn)場測定極微量的汞。該儀器具有體積小、輕便、靈敏度高、穩(wěn)定性好等特點，最低檢出限為10－2ng－Hg。每天取樣之前首先作三個標(biāo)準(zhǔn)樣對測汞儀標(biāo)定后才開始正式對土壤氣進(jìn)行取樣、測量。使用靈敏度＝（注射汞蒸氣體積＃單位體積汞含量）／幾次注射后的平均讀數(shù)。

取樣方法是：首先用鋼釬打一個導(dǎo)向眼插入取樣器，用橡皮管將FD－3017RaA測氡儀與取樣器連接，排出橡皮管內(nèi)及取樣器內(nèi)的殘留氣體，然后開始正式取氡樣。取樣體積為1．5L。完成氡的取樣后，再將取樣器與JM－4數(shù)字金膜測汞儀及大氣采樣儀連接，流速0．5L／min，抽氣時間2min，取樣體積為1L。

2 異常識別依據(jù)及數(shù)據(jù)處理方法

（1）在進(jìn)行測量數(shù)據(jù)處理時我們采用平均值與均方差的概念。其中汞的平均值與均方差分別用K和1表示，氡的平均值與均方差分別用R和2表示。取平均值作為背景值，并取K＋1與R＋2分別作為土壤氣汞、氡異常下限。背景值與異常下限是整個數(shù)據(jù)分析時主要的兩個異常判斷依據(jù)。

（2）深部地下流體沿著斷裂帶向上運(yùn)移和富集，在斷裂帶上方形成了漏斗形的土壤氣體異常暈。因此，土壤氣汞、氡濃度測量曲線上指示斷層位置的典型異常形態(tài)為“低－較高－高－較高－低”的峰值形態(tài)［12］。根據(jù)測值曲線上峰值異常的形態(tài)特征對異常界面進(jìn)行產(chǎn)狀判定：各測線峰值異常的連線為異常界面的走向；一般峰值異常為不對稱形態(tài)，不對稱峰轉(zhuǎn)折陡變部位為斷層上斷點地表投影；緩變一側(cè)為界面的傾向。

（3）直立正斷層上方氣氡、氣汞異常值相對較低，異常帶寬度也小，而傾角較緩的逆沖斷層由于在斷層上盤羽狀節(jié)理和裂隙往往都比較發(fā)育，地下氣體可以在這里向上運(yùn)移和富集，因此形成了較大寬度的氣體異常帶，因此根據(jù)異常帶的寬度和峰值形態(tài)可以判斷斷層的性質(zhì)。

3 場地試驗

場地試驗區(qū)位于西秦嶺北緣斷裂西段，共設(shè)甘加和黃香溝兩個場地試驗區(qū)。共計6條測線，測線總長1．29km，共127個測點，測量點距為10m（表1），在斷層附近加密測量，點距為5m。

圖1 合作市地球化學(xué)活動斷層探測目標(biāo)區(qū)域示意圖Fig．1 The target area of the geochemical detection of activity fault in Hezuo

表1 合作市活斷層地球化學(xué)探測場地試驗測線一覽表Table 1 The test lines of list of geochemical detection on active fault in Hezuo

3．1 西秦嶺北緣斷裂帶地質(zhì)構(gòu)造背景與測線分布

西秦嶺北緣斷裂是一條大型近東西向的左旋走滑活動斷層，西起青海貴德，往東南經(jīng)尖扎、循化，過甘肅臨夏、漳縣、至甘肅天水境內(nèi)，長約440km。研究表明該斷裂主要由左階羽列的6條自然次級斷裂組成，自東向西分別是鴛鴦鎮(zhèn)－鳳凰山斷裂、酸刺灣－三岔斷裂、漳縣斷裂、扎那山－白石山斷裂、鍋麻灘南緣－羊毛溝斷裂、圍子山－大槐溝斷裂。其中漳縣斷裂和圍子山－大槐溝斷裂在衛(wèi)星像片上線狀影像清晰，在甘加、黃香溝兩地地表具有明顯的斷層陡坎和地表出露，為開展地球化學(xué)場地探測試驗的理想場所。甘加場地位于夏合縣東北甘加境內(nèi)，自東向西布設(shè)了2條測線，分別是：（Ⅰ）HT1剖面，長約125m，共16個測點；（Ⅱ）HT2剖面，長約75m，共15個測點。黃香溝場地位于渭源縣城西南黃香溝段，從東到西共布置了4條測線，分別是：（Ⅰ）HT3剖面，長約180m，共24個測點；（Ⅱ）HT4剖面，長約250m，共30個測點；（Ⅲ）HT5剖面，長約210m，共20個測點；（Ⅳ）HT6剖面，長約200m，共22個測點（圖2）。

圖2 西秦嶺北緣斷裂帶上土壤氣氡、汞場地試驗測線分布示意圖Fig．2 The images of Northern margin fault of west Qinling and test lines aross the fault

3．2 測量結(jié)果與異常分析

3．2．1 甘加試驗場地

圖3為甘加場地土壤汞、氡濃度變化曲線，由圖可見HT1剖面汞、氡濃度在陡坎處均出現(xiàn)了一組“低－高－低”峰值形態(tài)。其中汞濃度曲線的最大峰值為0．228 6ng／L，高于異常下限值 0．219 42 ng／L，約為背景值0．168 59ng／L的1．4倍；氡濃度最高值為12．697 5Bq／L，是背景值5．121 3Bq／L的2．5倍。

HT2剖面土壤汞、氡濃度變化曲線在陡坎處均出現(xiàn)了一組“低－高－低”的峰值形態(tài)，但與斷層位置稍有錯位。其中汞濃度曲線的最大峰值為0．137 16ng／L，高于異常下限值0．124 46ng／L，約為背景值0．100 58ng／L的1．4倍；而氡濃度最高值為6．094 8Bq／L，是背景值3．436 8Bq／L的1．8倍。

圖3 甘加場地土壤氣汞、氡濃度變化曲線及峰值異常形態(tài)分析圖Fig．3 The curves of soil gas Hg and Rn at Ganjia site

圖4 黃香溝場地土壤氣汞、氡濃度變化曲線及峰值異常形態(tài)分析圖Fig．4 The curves of soil gas Hg and Rn at Huangxiang gully site

3．2．2 黃香溝試驗場地

圖4為黃香溝場地土壤氣汞、氡濃度變化曲線及峰值異常形態(tài)分析圖。由圖可見HT3剖面土壤氣汞、氡濃度在陡坎處均出現(xiàn)了峰值形態(tài)。其中汞濃度曲線呈多峰，最大峰值為0．422 91ng／L，高于異常下限值0．325 76ng／L，約為背景值0．210 03 ng／L的2．0倍。峰值形態(tài)南陡北緩，對斷層的傾向有較好的反映。氡濃度峰曲線呈單峰形態(tài)，其最高值為30．643 3Bq／L，是背景值18．291 5Bq／L的1．7倍。

HT4剖面土壤氣汞、氡濃度變化曲線在陡坎處均出現(xiàn)了峰值形態(tài)。其中汞濃度曲線呈多峰，最大峰值為0．194 3ng／L，高于異常下限值0．154 47 ng／L，為背景值0．112 78ng／L的1．7倍；氡濃度曲線呈單峰形態(tài)，其最高值為49．266 3Bq／L，是背景值11．924 4Bq／L的4．1倍。土壤氣汞、氡濃度變化曲線及峰值異常形態(tài)均表現(xiàn)出南陡北緩的特征。

HT5剖面土壤氣汞、氡濃度變化曲線在陡坎處均出現(xiàn)了峰值形態(tài)。其中汞濃度曲線呈多峰，最大峰值為0．171 45ng／L，高于異常下限值0．155 23 ng／L，約為背景值0．122 87ng／L的1．4倍；而氡濃度峰曲線呈單峰形態(tài)，其最高值為27．088Bq／L，是背景值11．046 8Bq／L的2．5倍。

HT6剖面土壤氣汞、氡濃度變化曲線在陡坎處均出現(xiàn)了峰值形態(tài)。其中汞濃度曲線呈多峰，最大峰值為0．171 45ng／L，高于異常下限值0．147 09 ng／L，約為背景值0．115 86ng／L的1．5倍；而氡濃度峰曲線呈單峰形態(tài)，其最高值為45．541 7Bq／L，是背景值18．346 1Bq／L的2．5倍。

甘加和黃香溝兩個試驗場地土壤氣汞、氡濃度測試結(jié)果顯示6條測線土壤氣汞、氡濃度都有明顯的異常濃度顯示，其濃度曲線峰值異常點均能夠很好地反映斷層位置。其中黃香溝試驗場地的HT3－HT6剖面測試效果尤為顯著，多條曲線峰值異常出現(xiàn)南陡北緩的不對城形態(tài)，反映斷層北傾，與野外地質(zhì)勘察結(jié)果一致。

4 結(jié)論與討論

利用地球化學(xué)探測方法，在已知典型活動斷層（西秦嶺北緣斷裂）的兩個試驗場地上進(jìn)行土壤氣汞、氡濃度探測，其結(jié)果均顯示出明顯異常特征，其濃度曲線峰值能夠指示斷層位置，而其曲線形態(tài)能夠較好的反映出斷層性質(zhì)，因此我們認(rèn)為該地區(qū)土壤氣汞、氡濃度測量的地球化學(xué)方法是一種可行、有效的活動斷層探測方法。

（1）從兩個試驗場地的6條測線來看，土壤氣氡、汞測值曲線在斷裂帶上方均具有明顯的異常顯示，各測線均出現(xiàn)峰值異常，峰值與背景值具有明顯的差異，而且每條測線上出現(xiàn)的峰值十分顯著，易于識別。6條剖面所出現(xiàn)的異常區(qū)域都發(fā)生在斷層的上盤或上、下盤，與斷層出露位置具有很好的對應(yīng)關(guān)系。

（2）異常段上方氡、汞的峰值異常一般比背景值高出1．5倍以上，且具有成組特征，即在斷層帶上方超過背景值1．5倍以上的點2個以上，并具有典型正弓形曲線形態(tài)（單點異常大多數(shù)被認(rèn)為是觀測中的干擾因素造成），以西秦嶺斷裂帶上的黃香溝試驗場地最為典型，無論是異常點對斷層位置的指示，還是濃度曲線形態(tài)對斷層性質(zhì)與幾何形態(tài)的反映都有理想的效果。

（3）合作市所在區(qū)域為草原，地質(zhì)條件均一，受外在因素影響小，其氡背景值較高，異常也比較明顯，植被覆蓋良好、非常有利于土壤氣汞、氡濃度地球化學(xué)方法進(jìn)行隱伏斷裂的控制性探測。

（4）前人研究結(jié)果顯示汶川大地震對甘東南及甘川交接地區(qū)斷裂有明顯影響，特別是對西秦嶺構(gòu)造區(qū)中東部、六盤山斷裂中南段、秦嶺北麓與渭河斷裂的西段的影響顯著，其中對西秦嶺構(gòu)造區(qū)中東部的大范圍區(qū)域應(yīng)變積累可能呈以增強(qiáng)為主的影響［12］，2013年7月22日岷縣漳縣6．6級地震的發(fā)生標(biāo)志甘東南地區(qū)地震活動進(jìn)入新的活躍階段，因此，甘東南作為全國地震危險區(qū)未來應(yīng)加強(qiáng)地震監(jiān)測與短臨異常跟蹤。作為開展合作市控制性地球化學(xué)探測場地試驗的6條斷層氣剖面不僅位于該地區(qū)西秦嶺北緣深大斷裂帶上，且曲線背景穩(wěn)定、斷裂帶峰值異常形態(tài)典型，具有靈敏的斷層活動響應(yīng)。可作為今后開展地震監(jiān)測、斷層活動及未來甘東南地震趨勢預(yù)測判定的斷層土壤氣監(jiān)測點進(jìn)行長期監(jiān)測。

（References）

［1］ G Neukum，J Oberst，H Ho mann，et al．Geologic Evolution and Cratering history of Mercury［J］．Planetary and Space Science，2001，49：1507－1521．

［2］ Mark A Engle，Mae Sexauer Gustin，Hong Zhang．Quantifying Natural Source Mercury Emissions from the Ivanhoe Mining District，North－central Nevada，USA［J］．Atmospheric Environment，2001，35：3987－3997．

［3］ M Viladevall，X Font，A Navarro．Geochemical Mercury Survey in the Azogue Valley（Betic area，SE Spain）［J］．Journal of Geochemical Exploration，1999，66：27－35．

［4］ 張煒，羅光偉，邢玉安，等．氣體地球化學(xué)方法在探索活斷層中的應(yīng)用［J］．中國地震，1988，4（2）：121－123．

ZHANG Wei，LUO Guang－wei，XIN Yu－an，et al．The Application of Gas Geochemical Method for Exploring Active Fault［J］．Earthquake Research in China，1988，4（2）：121－123．（in Chienes）

［5］ 閻賢臣，張增，王長嶺．活斷層上覆土壤中氣體成分特征［J］．中國地震，1987，3（4）：52－59．

YANn Xian－cheng，ZHANG Zeng，WANG Chang－ling．The Feature of Soil Gas Composition in the Active Fault［J］．Earthquake Research in China，1987，3（4）：52－59．（in Chienes）

［6］ 汪成民，宇文欣，周旭明，等．從斷層氣測量結(jié)果看德都地震［J］．中國地震，1989，5（2）：57－62．

WANG Chen－ming，YU Wen－xin，ZHOU Xu－ming．et al．The Dedu Earthquake from the Results of Fault Gas Measurement［J］．Earthquake Research in China，1989，5（2）：57－62．（in Chienes）

［7］ 朱自強(qiáng)，汪成民，宇文欣，等．大同－陽高6．1及地震現(xiàn)場斷層氣測量結(jié)果的初步分析［J］．地震，1990，（4）：75－80．

ZHU Zi－qiang，WANGg Cheng－ming，YU Wen－xin，et al．A－nalysis of the Field Gas Measurement in Datong－YanggaoMS6．1Earthquake［J］．Earthquake，1990，（4）：75－80．（in Chienes）

［8］ 汪成民，李宣瑚，魏柏林．?dāng)鄬託鉁y量在地震科學(xué)中的應(yīng)用［M］．北京：地震出版社，1991．

WANGg Chen－min，LI Xuan－h(huán)u，WEI Bo－lin．The Application of Fault Gas Measurement in Earthquake Science［M］．Beijing：Seismological Press，1991．（in Chienes）

［9］ 張慧，張新基，蘇鶴軍，等．蘭州市活動斷層土壤氣汞、氡地球化學(xué)特征場地試驗［J］．西北地震學(xué)報，2010，32（3）：273－278．

ZHANG Hui，ZHANG Xin－ji，SU He－jun，et al．Field Test on the Geochemical Features of Radon and Mercury from Soil Gas on the Active Faults in Lanzhou［J］．Northwestern Seismological Journal，2010，32（3）：273－278．（in Chienes）

［10］ 趙振燊，張新基，蘇鶴軍，等．瑪曲斷裂帶土壤氣汞、氡地球化學(xué)特征［J］．西北地震學(xué)報，2011，33（4）：376－379．

ZHAO Zhen－sheng，Zhang Hui，Su He－jun，et al．The Geochemical Features of Mercury and Radon on Maqu Active Fault［J］．Northwestern Seismological Journal，2011，33（4）：376－379．（in Chienes）

［11］ 朱金芳，黃宗林，徐錫偉，等．福州市活斷層探測與地震危險性評價［J］．中國地震，2005，21（1）：1－16．

ZHU Jin－fang，HUANG Zong－lin，XU Xi－wei，et al．Active Faults Exploration and Seismic Hazard Assessment in Fuzhou City［J］．Earthquake Research in China，2005，21（1）：1－16．（in Chienes）

［12］ 張希，張曉亮，張四新，等．青藏塊體東北緣近期GPS水平運(yùn)動特征與汶川大震影響［J］．地震研究，2010，33（4）：265－268．

ZHANG Xi，ZHANG Xiao－liang，ZHANG Si－xin，et al．Features of Current Horizontal Movement Observed by GPS and Influence of the Great Wenchuan Earthquake in the Northeastern Margin of Qinghai－Xizang Block［J］．Journal of Seismological Research，2010，33（4）：265－268．（in Chienes）