汶川M_S8.0地震前后龍門山斷裂帶CO和CH₄排氣增強

崔月菊　杜建國　陳楊　劉雷　劉紅　易麗　孫鳳霞

摘要：利用衛(wèi)星高光譜數(shù)據(jù)研究了汶川地震前后震中周圍及沿斷裂帶相同面積區(qū)域的CO和CH₄總量的變化和相關(guān)程度。結(jié)果表明：（1）龍門山斷裂帶地區(qū)常年有地下氣體沿斷裂帶向大氣中釋放，CO沿斷裂帶釋放，受構(gòu)造控制明顯，而CH₄除了受構(gòu)造控制影響外，還受川西地區(qū)地下天然氣的彌漫式擴散影響：（2）汶川地震的發(fā)生促進了地下氣體的釋放，汶川地震前約1.5個月至震后3個月左右有大量的地下CO和CH₄氣體沿龍門山斷裂帶釋放到大氣中，并且距離震中越近，排氣量越大。研究結(jié)果對地震監(jiān)測、地氣交換和環(huán)境地球化學監(jiān)測有重要意義。

關(guān)鍵詞：汶川地震；龍門山斷裂帶；高光譜；氣體地球化學

中圖分類號：P315.72 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2016）02-0239-07

0 引言

2008年5月12日汶川發(fā)生Ms8.0地震，震中（31.01°N，103.42°E）位于龍門山斷裂帶上，隨后發(fā)生了大量余震（圖1）。大地震沿中央斷裂、前山斷裂中段和小魚洞NW向分支斷裂分別形成長約240km、90km和7km的地表破裂帶（徐錫偉等，2008：王虎等，2010），破裂帶南部主要是逆沖斷裂，北部為走滑斷裂。大的余震集中分布在龍門山斷裂帶的北西盤，余震震源深度為5～20km（Huang et al，2008：Zhou et al，2010）。

地幔流體由C-H-O體系組成（Pasteris，1987），主要是CO₂、H₂O和少量CO（Bergman，1987）構(gòu)成CO₂-H₂O+VO地幔流體體系，在低氧逸度條件下，可轉(zhuǎn)變?yōu)镠₂O-CH₄+CO體系（Matveev et al，1997）。因此，地幔流體中存在一定量的CO₂、CO和CH₄等含碳氣體。地震孕育過程中，地下應(yīng)力的變化促使這些地下氣體向上運移，釋放到大氣中（孫玉濤等，2014）。與汶川地震有關(guān)的脫氣引起了廣泛關(guān)注，張景廉等（2011）分析了汶川地震與中地殼低速高導層的成因關(guān)系，明確指出汶川地震與天然氣爆炸有關(guān)：岳中琦（2013）也論證了汶川地震是地殼深部高密度、高壓的CH₄天然氣體沿龍門山斷裂帶高速運移、膨脹，噴出巖層造成的：大量地震現(xiàn)場考察發(fā)現(xiàn)，隨著余震的頻繁發(fā)生，汶川M_S8.0地震斷裂帶繼續(xù)破碎，孔隙度增多，土壤氣中CO₂、Rn和Hg平均濃度和最大值都有上升的趨勢（zhou et al，2010）：汶川地震后，zheng等（2013）研究了青竹河的氣體排放，認為沿斷裂或破裂排放到大氣中的氣體是從淺層氣藏釋放的。此外，衛(wèi)星高光譜數(shù)據(jù)也監(jiān)測到該地震前后出現(xiàn)了CO₂和水汽含量升高異常（Singh et al，2010；崔月菊等，2015），并且大氣水汽濃度增高異常受構(gòu)造控制明顯（崔麗華，2009）。地震釋放的溫室氣體在大氣中發(fā)生溫室效應(yīng)，使得局部溫度升高，在地震前后的衛(wèi)星紅外遙感圖像上出現(xiàn)了明顯的孤立的衛(wèi)星熱紅外異常現(xiàn)象（魏樂軍等，2008；張元生等，2010）。本文利用衛(wèi)星高光譜數(shù)據(jù)研究了汶川地震前后沿龍門山斷裂帶固體地球排氣的時空變化及其與地震構(gòu)造的關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)選取和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)選取

CO在大氣中環(huán)境本底濃度基本穩(wěn)定（100～200 ppbv）（董超華等，2003），保留時間較短，約為1個月（Weinstock，Niki，1972），不易積累，空間分布不均勻，能夠有效地反映局部環(huán)境特征。構(gòu)造活動區(qū)CH4的釋放量能反映構(gòu)造活動強度，是地震監(jiān)測的重要監(jiān)測對象（Toutain，Baubron，1999）。而CO₂大氣本底含量高，高光譜CO₂數(shù)據(jù)空間分辨率低（2.5°×2.5°），不利于監(jiān)測。因此，本文選擇CO和CH4數(shù)據(jù)進行汶川地震前后的氣體排放特征研究。CO和CH₄數(shù)據(jù)由美國宇航局NASA提供的大氣紅外探測儀（the Atmosphe6c In-fraRed Sounder，AIRS）標準產(chǎn)品數(shù)據(jù)提供。AIRS是搭載于美國對地觀測系統(tǒng)EOS/AQUA上的高光譜傳感器，從2002年9月開始向地面提供觀測數(shù)據(jù)，其反演CO和CH₄總量的數(shù)據(jù)精度分別為15%和1%，空間分辨率為1°×1°（susskind et al，2003；Won，2008）。

1.2 研究方法

為了揭示地震活動過程中震中區(qū)和斷裂帶與相鄰區(qū)脫氣的差異，以汶川地震震中為中心，分別按經(jīng)緯度和沿龍門山斷裂帶選擇大、小范圍的4個分析區(qū)域：矩形ABCD（B）、abcd（b）和平行四邊形EFGH（R）、efgh（r）。分別獲取這4個區(qū)域的CO和CH₄總量背景變化（CO_bac和CH₄_bac）和在汶川地震發(fā)生年的變化（CO_2008和CH₄_2008），分析各區(qū)域不同時間段的相關(guān)程度，以期獲得汶川地震引起的龍門山斷裂帶的脫氣特征，式（1）表示的是矩形區(qū)域B和b的相關(guān)系數(shù)。

（1）式中，t為時間。

2003～2007年研究區(qū)內(nèi)無5.0級以上地震發(fā)生，因此選擇2003～2007年的數(shù)據(jù)計算對應(yīng)經(jīng)緯度網(wǎng)格（10n，lat）和月份（t）的算術(shù)平均值作為背景值（CO_bae和CH₄_bac）（cui et al，2013），如式（2）所示。各所選區(qū)域的CO和CH₄總量按所占像元加權(quán)平均，即所選區(qū)域覆蓋半個像元時，取1/2G（lon，lat）。各時間段CO和CH₄總量是時間段內(nèi)對應(yīng)區(qū)域8天/月數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。

2 結(jié)果和討論

CO來源于低氧逸度的地幔流體，受CH₄氧化的影響。2003～2011年CO和CH₄總量隨時間的變化表明CO和CH₄具有明顯的周期性季節(jié)變化（圖2a）。CO總量春季高，夏秋季低，是由夏季溫度高、濕度大（OH自由基濃度高），促進了CO的光化學反應(yīng)造成的，如式（3）所示（Wein-stock，Niki，1972）。8月降雨量增大，形成大量OH自由基，當OH濃度大于2.3×10⁶molecules·cm^-3時，CH₄OH氧化反應(yīng)生成CH₃，CH₃經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)化形成CO（McConnell et al，1971；Wein-stock，Niki，1972；Fishman et al，1979），使得CO總量有回升，總反應(yīng)式如式（4）所示。CH₄是還原性含碳物質(zhì)，大氣中CH₄有多種來源，除了地殼薄弱地帶釋放的甲烷，還有地面的生物活動及人類活動有關(guān)的農(nóng)牧業(yè)和礦業(yè)產(chǎn)生的甲烷。CH₄總量在夏季升高就是由夏季溫度、濕度高，生物活動強，農(nóng)牧業(yè)發(fā)達造成的。

CO+OH→CO₂+H， （3）

CH₄+4O₂→CO+H₂+H₂O+2O₃. （4）

2003～2011年從CO和CH₄總量年度變化來看，CO總量有下降的趨勢，而CH₄總量呈上升的趨勢，整體上CO和CH₄總量呈負相關(guān)（圖2），相關(guān)系數(shù)為-0.51，地震發(fā)生年相關(guān)系數(shù)達到一0.72（圖2b）。表明在龍門山斷裂帶一定程度的CO來源于CH₄的氧化，汶川地震發(fā)生前后CH₄氧化產(chǎn)生的CO總量增多。

因為CO和CH₄總量存在年變和季節(jié)變化，所以分析地震活動過程中震中區(qū)和斷裂帶與相鄰區(qū)脫氣的差異和相關(guān)程度可以獲得脫氣的空間分布特征，克服年變和季節(jié)變化的不確定性。

2.1 CO變化

地下CO氣體常年沿龍門山斷裂帶排放。無論是背景年還是地震年，沿斷裂帶大、小區(qū)域（R和r）CO總量均大于對應(yīng)面積震中附近按經(jīng)緯度網(wǎng)格劃分區(qū)域（B和b）（表1），表明研究區(qū)內(nèi)CO主要沿龍門山斷裂帶排放；而沿斷裂帶大、小區(qū)域（R和r）CO總量基本一致，變化不大，表明整條龍門山斷裂帶和震中附近斷裂帶排氣規(guī)模較一致。

汶川地震促使震中附近斷裂帶（r）和震中區(qū)（b）CO氣體釋放量增大。沿斷裂帶區(qū)域（r和R），震前3個月、地震前后3個月和地震當月R區(qū)CO總量（CO_R）大于r區(qū)CO總量（CO_r），而在震后3個月CO_R小于CO_r，表明震前3個月到震時，整條龍門山斷裂帶的排氣量要大于震中附近斷裂帶的排氣量，而在震后，震中附近斷裂帶排氣量較整條斷裂帶增大（表1）。這是因為龍門山斷裂帶東南部四川盆地內(nèi)存在數(shù)千米厚的含煤地層和大量高壓甲烷天然氣田（岳中琦，2013），汶川地震前地應(yīng)力增大，貫通地表裂隙數(shù)量增多，使得四川盆地天然氣逸出，CH₄氧化（式4）形成CO導致沿龍門山斷裂帶大范圍（R）的CO總量大于震中附近的小范圍（r）排氣量；震后在震中附近沿斷裂帶產(chǎn)生大量破裂帶，CO釋放量大大增加，大于遠距離微小破裂釋放的氣體量。震中區(qū)（b和B）從震前3個月、地震當月到震后3個月，CO總量由在大（B）、小（b）震中區(qū)內(nèi)一致變?yōu)镃O_b高于CO_B（表1）。說明地震前震中附近（b）及遠離震中區(qū)域（B）CO排放量一致，而地震前后（震前約1.5個月～震后3個月），距震中越近CO氣體釋放量越大，這導致震中附近（b）CO排放量高于遠離震中區(qū)域（B），地震當月震中附近（b）CO排放量較遠離區(qū)域（B）排放量大，與地震前后的紅外亮溫異常出現(xiàn)、持續(xù)和消失時間基本一致（張元生等，2010）。在2010年4月5日發(fā)生在墨西哥下加利福尼亞南部的nw7.1地震前后，CO與背景值差值分布也是先在震中區(qū)呈大范圍、分散態(tài)升高，然后集中成帶、沿圣安德列斯斷裂帶分布（崔月菊等，2011：Cuiet al.2013）。

不同時間段各所選區(qū)域CO總量的相關(guān)系數(shù)表明，汶川地震前后地下CO氣體主要沿斷裂帶（r）和震中區(qū)（b）釋放（表2）。從汶川地震前3個月到震后3個月，各所選區(qū)域之間的CO總量相關(guān)程度逐漸增大，說明各所選區(qū)域CO變化開始逐漸受控于同一影響因素。從全年各所選區(qū)域CO的相關(guān)系數(shù)來看，CO總量沿斷裂帶的r和R區(qū)域相關(guān)系數(shù)C（r，R）和震中區(qū)小區(qū)域r和b區(qū)域相關(guān)系數(shù)C（r，b）較高，變化趨勢較一致，受控于同一因素。這可能是由于汶川地震前后，地下CO氣體主要沿斷裂帶和震中區(qū)（r和b區(qū)域）釋放，導致C（r，R）最高，C（r，b）較高。

由以上數(shù)據(jù)分析可知：地下CO氣體常年沿龍門山斷裂帶釋放。汶川地震的發(fā)生促使地下CO在震中區(qū)（b）和震中斷裂帶（r）釋放量增大。汶川地震后地表破裂（徐錫偉等，2008）、余震分布特征（圖1）和利用MODIS數(shù)據(jù)反演的大氣水汽濃度和亮溫增高異常受構(gòu)造控制明顯（崔麗華，2009），都表明汶川地震引起的地下氣體是沿斷裂帶釋放的。這是因為地震孕育中構(gòu)造應(yīng)力的加劇作用，沿斷裂帶及構(gòu)造盆地出現(xiàn)地下氣體的增高異常。

2.2 CH₄變化

地下CH₄氣體部分沿龍門山斷裂帶釋放，非斷裂帶CH₄的貢獻不容忽視。CH₄在背景年份和地震年份，r和b區(qū)域的總量均高于對應(yīng)大范圍的R和B區(qū)域含量（圖3），表明研究區(qū)內(nèi)沿斷裂帶有一定量的CH4釋放（b含斷裂比例大于B）。沿斷裂帶區(qū)域CH4總量（CH₄_r和CH₄_R）低于震中附近按經(jīng)緯網(wǎng)劃分區(qū)域CH₄總量（CH₄_b和CH₄_B）（圖3），表明除了斷裂帶釋放的CH₄，還有非斷裂帶的貢獻，主要是四川盆地含煤地層和油氣田的貢獻（岳中琦，2013；尚彥軍等，2014）。沿斷裂帶r和R區(qū)域、震中周圍b和B區(qū)域在地震前3個月CH₄總量的相關(guān)系數(shù)c（r，R）和V（b，B）低（表3），也表明非重疊區(qū)域即非斷裂帶的CH4貢獻明顯，這是因為川西和龍門山地區(qū)存在大量中小型煤田，礦化點多，天然氣富集（尚彥軍等，2014），非斷裂帶仍有大量CH₄氣體逸出。

汶川地震的發(fā)生促進了震中附近及斷裂帶地下CH₄氣體的釋放。地震前后3個月（震前1.5個月～震后1.5個月）、地震當月至震后3個月相關(guān)性明顯升高，接近1，顯然是重疊區(qū)域的CH₄貢獻占主要因素，與汶川地震的發(fā)生有著密切聯(lián)系（表3）。利用靜止衛(wèi)星FY-2C的紅外亮溫產(chǎn)品數(shù)據(jù)應(yīng)用功率譜法獲得的汶川地震前后的紅外亮溫變化顯示：4月10日（震前1個月）龍門山斷裂帶及其南部區(qū)域出現(xiàn)異常，4月25日異常明顯并持續(xù)到5月底，于6月底消失，認為熱紅外異常的“基本成因機理”是大地震發(fā)生前地應(yīng)力增大，產(chǎn)生大量貫通地表的裂隙，使得地下逸出氣增多，大量水汽、CO₂和CH₄等其他溫室氣體混合作用引起溫室效應(yīng)造成的（張元生等，2010）。2008年各所選區(qū)域的CH₄總量均高于對應(yīng)的背景總量，表明了汶川地震的發(fā)生促進了地下CH₄的釋放（圖3）。

R、B和r、b之間存在大面積的共同區(qū)域（分別約占2/3和1/2），不同區(qū)域的地貌類似，地震引起的CH₄排放主要在其重疊區(qū)域，因此任何時間段相關(guān)系數(shù)都較高（表3）。

3 結(jié)論

本文利用衛(wèi)星高光譜數(shù)據(jù)研究了汶川地震前后震中周圍及沿斷裂帶相同面積區(qū)域的CO和CH₄總量的變化和相關(guān)性。得到如下結(jié)果：

（1）龍門山斷裂帶地區(qū)CO主要來源于沿斷裂帶釋放的地下氣體，部分來自CH₄氧化，受構(gòu)造控制明顯；而CH₄除了沿地下斷裂帶逸出外，還有來自川西地區(qū)地下天然氣的彌漫式擴散。

（2）龍門山斷裂帶地區(qū)常年有地下氣體沿斷裂帶向大氣中釋放，汶川地震的發(fā)生促進了地下氣體的釋放。汶川地震前約1.5個月至震后3個月左右有大量的地下CO和CH₄氣體沿龍門山斷裂帶釋放到大氣中，且距離震中越近，氣體釋放量越大。

龍門山地區(qū)的地球脫氣主要受構(gòu)造控制，在今后研究地震異常和對大氣貢獻時需要考慮構(gòu)造特征選擇研究區(qū)域。研究結(jié)果對地震監(jiān)測、地氣交換和環(huán)境地球化學監(jiān)測有重要意義。

感謝NASA戈達德地球科學數(shù)據(jù)和信息服務(wù)中心為本文提供了AIRS數(shù)據(jù)，地震信息網(wǎng)提供了地震數(shù)據(jù)；感謝論文審稿過程中的各位專家為本文提出了寶貴意見。