廣義海原斷裂帶斷層氣地球化學特征與地震活動性關系對比研究①

周慧玲, 蘇鶴軍,2, 張　慧,2, 李晨樺,2

(1.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000;2.中國地震局地震預測研究所蘭州科技創新基地,甘肅 蘭州 730000)

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廣義海原斷裂帶斷層氣地球化學特征與地震活動性關系對比研究①

周慧玲1, 蘇鶴軍1,2, 張慧1,2, 李晨樺1,2

(1.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000;2.中國地震局地震預測研究所蘭州科技創新基地,甘肅 蘭州 730000)

摘要：根據廣義海原斷裂帶斷層氣汞、氡濃度現場測量結果,對該斷裂帶不同段斷層氣濃度空間分布特征以及整體分布趨勢進行深入分析,結合該區歷史大震背景、現今地震活動性以及地震時空分布特征及b值空間掃描,深入探討斷層氣分布特征與地震活動性之間的關系。研究表明,該斷裂帶斷層氣濃度強度分段性明顯,與地震活動性存在較好的對應關系。研究結果可為該斷裂地震危險性分析提供現今深部流體地球化學活動方面的證據,也為今后地震中長期預報提供重要基礎資料。

關鍵詞：廣義海原斷裂; 斷層氣; 地震活動性參數; 強震危險性

0引言

北祁連山東段斷裂帶地處青藏高原隆起區的東北邊緣,由金強河斷裂、老虎山斷裂和毛毛山斷裂組成[1]。海原斷裂是位于鄂爾多斯地塊西部的一條NW走向的大型走滑斷裂,與北祁連山東段斷裂帶連續性好,在青藏高原大尺度塊體運動學上的作用相同,均為左型錯動,因此北祁連東段斷裂與狹義海原斷裂統稱為“廣義海原斷裂”[2]。廣義海原斷裂帶地震活動強烈,歷史上發生過多次7級以上大震,破壞性極其強烈,如1920年海原MS8.5地震、1927年古浪MS8.0地震等[3-5],且近年來小震頻發,中強震不斷。姚家駿等[6]通過Morlet小波變換分析青藏高原東北緣MS≥6.0強震活動周期性特征,結果表明該區強震存在顯著周期變化,未來強震活動的頻度與強度有增加的趨勢。因此對該區地震危險性的研究應該引起足夠的重視。

本文通過廣義海原斷裂帶老虎山—毛毛山斷裂及海原斷裂的斷層氣分布特征與歷史和現今地震活動特征的對比分析,并結合地震活動時空演化、b值空間掃描特征,對廣義海原斷裂帶不同段的活動習性進行深入探討,從地球化學的角度識別該斷裂帶潛在大震危險區段,以期為地震趨勢判斷及震情跟蹤提供重要的基礎資料,并為進一步深入探討廣義海原斷裂帶地下流體空間變化與區域構造、斷裂活動習性以及應力場變化之間的時空演化關系提供背景依據。

1斷層氣測量儀器與方法

斷層氣測量項目有測氡、測汞兩項。氡的測量采用FD-3017RaA測氡儀,該儀器為一種瞬時測氡儀器,極限探測靈敏度為0.37 Bq/L;汞測量儀器為JM-4數字金膜測汞儀,具有體積小、輕便、靈敏度高等特點,最低檢出限為10～11 g汞。

具體采樣過程如下:首先,用鋼釬打一個深400～500 mm的導向眼,向地下大約150～200 mm處插入取樣器,使得取樣頭與導向眼內大氣隔絕;然后用橡皮管將FD-3017RaA測氡儀與取樣器連接,先排出橡皮管內及取樣器內的殘留氣體,再開始正式測氡。取樣體積為1.5 L,加高壓時間為2 min,測量時間為2 min。氡的取樣完成開始加高壓時,將取樣器與JM-4數字金膜測汞儀及大氣采樣儀連接,測汞儀開始取樣,其流速約為0.5 L/min,取樣時間為2 min,體積為0.5 L/min×2 min=1 L。

2廣義海原斷裂帶斷層氣空間分布特征

地殼放氣是普遍存在的自然現象,而這種放氣現象在空間和時間上具有很明顯的不均一性[7]。國內外研究表明,斷層氣的濃度強度與斷裂帶地質構造環境、區域應力以及地下介質狀態有密切的關系[8]。斷裂活動強度不同導致相對應的斷層氣濃度強度產生差異,同一斷裂帶不同段由于活動強度不同,斷裂帶的開啟與閉合程度以及破碎程度不同,使得斷層氣濃度強度存在差異[9]。地震的發生都是在地應力作用下形成的,地下氣體在應力場的作用下發生遷移,不同的斷裂帶以及同一斷裂帶應力狀態不同,使得地下氣體濃度強度不同以及氣體組分產生差異。因此,斷層氣濃度強度空間分布差異為斷裂分段性研究提供了有力證據[10-11]。同時,利用斷層氣濃度的變化來監測預報地震是國內外廣泛應用的地震預報方法之一。

本文通過對老虎山、毛毛山斷裂及海原斷裂帶10個剖面的斷層氣汞、氡濃度的測量(圖1),探討斷層氣地球化學特征與地震活動之間的關系。

在應用采樣數據時,用背景值(一般為除去異常值的平均值)與均方差,其中汞的平均值與均方差分別用K和δ1表示,氡分別用R和δ2表示。取平均值作為背景值,取K+δ1與R+δ2分別作為土壤氣汞、氡異常下限,背景值與異常下限是兩個主要的異常判斷依據。本文以每條剖面數據為統計樣本進行異常下限與背景值計算,綜合利用平均值法和最大值法進行斷層氣濃度強度分析。平均值法即用每條剖面的異常平均值除以單剖面背景值,最大值法即利用各測量場地斷層氣最大異常濃度值進行濃度強度的分析。平均值法的目的是盡量消除變化幅度較大的突跳值的影響,而最大值法的目的是消除平均值法引起的異常值消減現象。為了避免不同處理方法出現假異常或異常丟失現象,本文聯合兩種方法進行斷層氣異常濃度強度的對比分析,結果如表2所列。

圖1　廣義海原斷裂帶測線分布示意圖Fig.1　　　Distribution of gas survey lines on the generalized　　　Haiyuan fault zone

測線名稱經度/(°)緯度/(°)地名HT1HT2HT3HT4HT5HT6HT7HT8HT9HT10104.7517104.6057104.1899104.1532104.0847104.0250103.8776103.8294103.4962103.447436.8779736.8948837.0430337.0517637.0678337.0406137.2366437.0850237.1400037.14988高棗坪大峴周家窯沈家莊三唐東喜集水寺灘崔家墩金湯洼黑馬圈河

圖2是廣義海原斷裂帶汞、氡濃度強度空間分布特征圖。由圖可以看出,利用兩種異常濃度分析方法對斷層氣濃度強度空間分布特征進行研究,結果基本一致。廣義海原斷裂帶斷層氣汞、氡濃度強度總體呈西強東弱的特征,并具有明顯的分段性(如圖2中A、B、C所示)。以景泰喜泉張性巖橋區為界,向西毛毛山—老虎山斷裂帶斷層氣濃度強度相對較高(A段),向東至邵水盆地次之(B段),而邵水盆地以東相對最小(C段)。研究表明,這種斷層氣濃度強度的明顯分段特性可能與區域現今或歷史地震活動特征存在一定關聯。斷層氣濃度強度反映了斷裂帶裂隙或孔隙度的大小等地下介質物性參數變化,主要表現為斷裂帶的破碎及開啟程度的變化,而這種變化又與歷史或現今斷裂活動習性的差異以及應力變化狀態有關。因此對廣義海原斷裂帶地震活動性特征進行探討十分必要,本文下一節將對其歷史與現今地震活動時空變化特征進行詳細分析。

表2　廣義海原斷裂斷層氣數據統計結果

圖2　廣義海原斷裂帶斷層氣濃度強度空間分布圖Fig.2　Intensity spatial distribution of fault gas concentration along the generalized Haiyuan fault zone

3廣義海原斷裂帶地震活動性時空變化特征

3.1地震活動空間分布特征

圖3是廣義海原斷裂帶歷史地震空間分布及分段頻次統計圖(所用資料是到2011年的全國大震目錄和全國小震目錄,本文不考慮余震影響)。由圖可知,廣義海原斷裂帶歷史地震活動具有明顯的分段性(F1、F2、F3):F1、F2和F3段均有MS6以上歷史地震發生。其中F3段在1920年發生過MS8.5和MS7.0地震,震級最大,至今離逝時間為95年:F2段在1988年發生過6級以上地震,離逝時間最長(127年):F1段在1990年發生6.2級地震,離逝時間最短(25年)。小于MS6.0地震分段如下：F1段(老虎山—毛毛山斷裂)東端小震活動頻繁,是整個廣義海原斷裂帶小震集中區段:而F2段地震活動相對較弱,其小震活動主要分布在與F1的交匯區附近,向東方向地震活動較少:F3段與F2段地震活動水平相當。為了具體分析每段地震活動特性,本文對F1、F2、F3段的地震活動頻次進行了時間序列的統計[圖3中(a)、(b)、(c)]。結果顯示,F1段地震活動頻繁,隨時間呈逐漸增強的趨勢,并在1990年前后出現一個小震活動峰值,隨后地震活動增強趨勢愈明顯[圖3(a)];F2段與F1段具有類似的地震活動增強趨勢,但從空間分布情況來看,該段地震活動主要集中在與F1形成的巖橋過渡區;F3段現今小震活動相對較弱,并在時間序列上沒有明顯趨勢性變化。總體來說,廣義海原斷裂現今地震活動具有西強東弱的特征,這與前面地震斷層氣濃度強度空間分布特征相一致。

圖3　廣義海原斷裂帶歷史地震空間分布及分段頻次統計圖Fig.3　Distribution of historical earthquakes along the generalized Haiyuan fault zone and the frequency chart of segment F1～F3

圖4為廣義海原斷裂帶地震時空序列圖。該圖以斷裂帶西端為原點,沿斷層走向為橫坐標,將斷裂帶周邊地震垂直投影到該坐標上,縱坐標為地震活動的時間信息。該圖清晰地反應出廣義海原斷裂帶地震活動時空演化特征:(1)從空間尺度來看,廣義海原斷裂帶區域地震活動在斷層上的投影明顯分為A、B、C三個區域,其中區域B為F1與F2之間的張性巖橋區,該段地震活動頻率高、震級大,多發生4級以上地震;區域A為毛毛山—老虎山斷裂帶,該區域小震活動相對B區域頻率低,但最大震級與B區域相當;C區域為狹義海原斷裂帶中東段,該區域地震活動頻率、震級相對較低:(2)從時間尺度看,大約在1992年之前,大于4級地震主要集中在C區域;1992年之后4級以上地震則集中在B區域,特別是2008年之后,區域A、C處于地震平靜狀態,而區域B小震活動叢集活躍(圖中紅色虛線所示)。圖中兩紅色箭頭指示了廣義海原斷裂帶各獨立活動段近年來地震活動時空演化趨勢。根據馬謹等[12-14]的研究,這種時空變化趨勢是斷層應力協同演化過程的體現,是各分段所處應力狀態的一個標志,因此,斷裂帶地震活動性時空分布特征分析是斷層分段活動性研究的有效手段。據此本人認為,1992年之后地震匯集的景泰地區仍是未來中強地震的危險區域。

由于斷層氣測量資料較少,雖然不能進行相關時間變化特征的分析,但是從地震時空演化的過程來看,1992年之后4級以上地震聚集區與斷層氣高值區在空間上是相對應的。

圖4　　　廣義海原斷裂帶地震時空分布圖　　　(頂部藍色箭頭標注的是斷層走向)Fig.4　Spatial and temporal distribution of earthquakes along the generalized Haiyuan fault zone (Blue arrow indicates the fault strike)

3.2b值空間分布特征

根據古登堡定律,區域地震活動的震級、頻次之間有logN=a-bM(Gutenberg et al.,1954)的關系,N代表震級M以上地震的頻度,a表示區域內的地震活動水平,b則反映區域內不同震級地震的相對分布。地震活動性參數b值能夠反映地殼環境應力的大小。巖石實驗結果證明,應力積累水平與b值成反比關系[15-17]。通常認為,高b值表示小震頻率高、發生中強地震的危險性小,反映區域應力積累水平較低:反之,低b值則表示小震頻率低、發生中震地震的危險大,反映區域應力積累水平較高[18-19]。用b值衡量區域應力(應變)水平具有一定的物理基礎[20]。國內外很多學者利用b值來研究斷裂帶應力積累水平,從而進行斷層分段性研究,分析不同斷裂帶活動習性,并判斷強震危險段[21-23]。

本文采用1965—2014年全國地震目錄,利用ZMAP程序對廣義海原斷裂帶b值進行空間掃描計算。其計算方法為最大似然法,網格的劃分0.1°×0.1°,掃描半徑50 km。

圖5是廣義海原斷裂帶b值空間變化特征圖。由圖可以看出,廣義海原斷裂帶b值具有明顯的分段性:低b值主要集中在老虎山、毛毛山東南段以及張性巖橋區,表明該段應力水平積累較高,發生中強震的危險性很大(圖5中A段);相對低b值則集中在斷裂帶中東段,表明該段區域應力水平積累也相對較高,有發生中強地震的可能性(圖5中C段);而高b值主要集中在斷裂帶中段大營水盆地附近,表明該區域區域應力水平積累相對較低(圖5中B段),發生地震的可能性較小。

圖5　廣義海原斷裂帶b值空間變化特征圖Fig.5　　　Spatial variation characteristics of b-value　　　along the generalized Haiyuan fault zone

3.3斷層氣地球化學特征與地震活動關系對比

通過對廣義海原斷裂帶地震時空分布及b值空間變化特征分析,可以看出廣義海原斷裂帶現今地震活動具有明顯的分段特征,與前文利用斷層氣濃度強度分布特征的研究結果相一致,即地震活動性強的地區,b值相對較低,斷層氣濃度相對較高;地震活動性較弱的地區,b值相對較高,斷層氣濃度相對較低。在老虎山-毛毛山斷裂,尤其是其東南段以及張性巖橋區斷層氣濃度強度較大,對應的b值較低,而狹義海原斷裂中東段b值較高,相對應的斷層氣濃度強度較小。結合斷裂帶地震活動協同演化理論及最近歷史強震離逝時間,筆者認為廣義海原斷裂帶現今中小地震活動趨于集中,斷層氣濃度強度較大的F1與F2交匯區域是未來中強地震危險區域,而東西端具有中長期強震孕育背景。

4結論與探討

本文通過廣義海原斷裂帶不同段斷層氣濃度強度空間分布特征分析,結合地震、構造地質資料以及地震活動性參數b值對比研究,認為斷層氣濃度強度與地震活動之間存在良好的對應耦合關系,斷層氣濃度強度分布能夠較好地反映出斷裂現階段地震活動性強度,是斷層分段活動性研究的有效方法,也是地震前兆監測的有效手段之一。

(1) 廣義海原斷裂帶斷層氣汞、氡濃度強度具有明顯的分段性:毛毛山—老虎山斷裂帶東南段和與狹義海原斷裂西段形成的張性巖橋區濃度強度較大,以此為界,廣義海原斷裂帶中東段斷層氣濃度逐漸較小,總體呈西強東弱的空間分布特征。

(2) 斷層氣濃度強度與地震活動性以及b值之間存在對應關系,即現今地震活動性強的地區斷層氣濃度相對較高,b值較低:地震活動性較弱的地區斷層氣濃度相對較低,b值較高。

(3) 結合斷層氣濃度與地震活動性時空演化特征,并根據斷裂帶地震活動協同演化理論認為,現今地震匯集的景泰地區仍是未來中強地震的危險區域。

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Geochemical Characteristics of Fault Gas along Generalized Haiyuan Fault Zone and Its Relation to Earthquakes

ZHOU Hui-ling2, SU He-jun1,2, ZHANG Hui1,2, LI Chen-hua1,2

(1.LanzhouInstituteofSeismology,CEA,Lanzhou730000,Gansu,China;2.LanzhouBaseofInstituteofEarthquakePrediction,CEA,Lanzhou730000,Gansu,China)

Abstract：The eastern section of the North Qilian fault zone lies on the northeastern edge of the Qinghai—Tibet Plateau uplift zone,which consists of the Jinqianghe fault,Laohushan fault,and Maomaoshan fault.The Haiyuan fault,located in the west of the Ordos Block,is a NW trending,large strike-slip fault.It has good continuity with the eastern segment of the North Qilian Mountain fault,and both exhibit left-type dislocation.Therefore,the eastern segment of the North Qilian Mountain fault and the narrow Haiyuan fault are collectively referred to as the generalized Haiyuan fault zone.Seismic activity is very strong in this area,where many MS≥7.0 earthquakes have occurred over time,such as the famous 1920 Haiyuan MS8.5 earthquake and the 1927 Gulang MS8.0 earthquake.Therefore,the region's seismic hazards should be carefully investigated.Based on the measurement results of the mercury and radon concentrations of 10 fault-gas profiles in the generalized Haiyuan fault zone,in this paper,we describe our detailed analysis of the spatial distribution characteristics of the mercury and radon concentrations in different segments and their overall distribution trend along the fault zone.Combined with the seismotectonic background and spatio-temporal evolution characteristics of large earthquakes,as well as the spatial distribution characteristics of the b-value,we studied the relationship between the spatial distribution characteristics of fault gas and the seismic risk of different segments in the generalized Haiyuan fault zone.The results show that the intensity of the fault-gas concentration in the fault zone exhibits obvious segmentation,and is also correlated to some degree with the seismic activity.Based on the above research,we made a pre-judgment of the potential seismic risk in different segments of the generalized Haiyuan fault zone from the geochemistry perspective.This research can provide vital background information for earthquake prediction in the study area.

Key words：the generalized Haiyuan fault zone; fault gas; seismicity parameter; strong earthquake risk

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.02.0278

中圖分類號:P593;P315.72+3

文獻標志碼：A

文章編號:1000-0844(2016)02-0278-07

作者簡介：周慧玲(1989-),女,甘肅會寧人,碩士研究生,主要從事地震地下流體和地震預報研究。E-mail:zhl08270820@163.com。通信作者：張慧(1973-),女,甘肅天水人,博士,研究員,主要從事地震地下流體應用基礎理論研究。E-mail:zhanghui@gssb.gov.cn。

基金項目：甘肅省自然科學基金項目(1308RJZA275);中國地震局星火計劃項目(XH15043)

收稿日期:①2015-05-22