西秦嶺北緣斷裂帶深部氣體地球化學(xué)特征與斷層形變空間分布相關(guān)性研究

李晨樺, 張 慧, 蘇鶴軍 , 周慧玲

(1.中國(guó)地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000; 2.中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所蘭州科技創(chuàng)新基地,甘肅 蘭州 730000)

西秦嶺北緣斷裂帶深部氣體地球化學(xué)特征與斷層形變空間分布相關(guān)性研究

李晨樺1,2, 張 慧1, 2, 蘇鶴軍1,2, 周慧玲1

(1.中國(guó)地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000; 2.中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所蘭州科技創(chuàng)新基地,甘肅 蘭州 730000)

斷裂帶氣體地球化學(xué)特征與形變特征之間的相關(guān)關(guān)系是建立具有物理預(yù)報(bào)思路斷層氣流動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)布設(shè)的重要課題。選擇有大量溫泉出露點(diǎn)且形變較劇烈的西秦嶺北緣斷裂帶為研究對(duì)象,對(duì)跨斷層形變測(cè)量場(chǎng)地進(jìn)行斷層土壤氣剖面重合布設(shè)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,重點(diǎn)研究斷層氣分段性特征與斷層形變、地震活動(dòng)性特征耦合關(guān)系,探討利用多種方法開展斷裂帶強(qiáng)震危險(xiǎn)性分析的可能性。結(jié)果表明:斷裂帶土壤氣地球化學(xué)特征和斷層水準(zhǔn)形變特征的分布具有良好相關(guān)關(guān)系,二者對(duì)比結(jié)果同時(shí)顯示出西秦嶺北緣斷裂帶中東段——武山段斷層活動(dòng)性相對(duì)活躍,渭源—漳縣段次之,天水段斷層相對(duì)閉鎖的特征;且武山和甘谷走滑拉分區(qū)因流體活動(dòng)的影響以中小地震活動(dòng)為主,天水段和漳縣段西部及與武山段交匯的盤古川地區(qū),流體活動(dòng)較弱,應(yīng)變速率較小,存在孕育強(qiáng)震的可能。

斷層土壤氣; 斷層形變特征; 地球化學(xué)特征

0 引言

地下流體在地殼中是廣泛存在的,其對(duì)地震孕育發(fā)生的影響不容忽視。從地下流體中脫氣而來(lái)的地下氣體在構(gòu)造應(yīng)力的作用下不斷沿著斷裂帶向地球表面遷移和釋放,不同斷裂帶以及同一斷裂帶構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)的不同,使得地下氣體濃度強(qiáng)度以及氣體組分產(chǎn)生差異[1-2]。中強(qiáng)地震的發(fā)生常常伴隨著顯著的地殼變形[3]。斷層屬于地殼形變的薄弱地帶,對(duì)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)變化最敏感,在捕捉強(qiáng)地震孕育信息中扮演著十分重要的角色。跨斷層水準(zhǔn)測(cè)量作為獲取斷層形變信息的最主要手段之一,其異常現(xiàn)象常常被看作地震前兆信息的一個(gè)重要指標(biāo)[4]。但地震的孕育過(guò)程及發(fā)生是極其復(fù)雜的,需要從多角度對(duì)斷層的變形、滲流特征等相互作用進(jìn)行研究,注重應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)之間的耦合。因此開展斷層氣地球化學(xué)特征異常與地球物理場(chǎng)特別是地殼形變觀測(cè)資料的結(jié)合研究是探討地震重點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)的斷層活動(dòng)性,研究地震孕育發(fā)生過(guò)程的必要前提。

西秦嶺北緣斷裂帶是青藏高原東北緣主要構(gòu)造邊界斷裂帶之一,地殼厚度與重力梯度變化強(qiáng)烈,地震活動(dòng)頻繁,地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系復(fù)雜,切割深度較大,且該區(qū)花崗巖發(fā)育[5]。沿?cái)嗔炎呦蚍植剂舜罅繙厝?且出水溫度普遍較高,攜帶了豐富的地殼深部信息。歷史上曾多次發(fā)生過(guò)中強(qiáng)地震,從公元前781年有地震記載至今,沿該斷裂帶共發(fā)生5級(jí)以上中強(qiáng)地震30余次,包括公元143年甘谷7級(jí)地震、公元743年天水7級(jí)地震、公元1654年天水8級(jí)地震、公元1879年武都南8級(jí)地震和公元1718年甘肅通渭7.5級(jí)地震[6]。該斷裂帶地震危險(xiǎn)性在2008年汶川地震后越發(fā)引起人們的關(guān)注[7-8]。張慧等[9]曾在蘭州市活動(dòng)斷層上開展斷裂帶土壤氣異常特征研究,結(jié)果顯示斷層土壤氣測(cè)量是活斷層探測(cè)和研究的有效方法。蘇鶴軍等[10]曾利用斷層土壤氣汞、氡地球化學(xué)特征異常與斷層分布之間的關(guān)系及與斷裂帶地震活動(dòng)性z值、b值的時(shí)空特征分析,進(jìn)行西秦嶺北緣斷裂帶斷層活動(dòng)性分段研究。但目前在該研究區(qū)仍未開展過(guò)斷層氣地球化學(xué)特征異常與地球物理場(chǎng),特別是地殼形變觀測(cè)資料的結(jié)合研究。

本文選取西秦嶺北緣斷裂帶作為研究區(qū),結(jié)合斷層氣地球化學(xué)特征和研究區(qū)近年來(lái)跨斷層流動(dòng)水準(zhǔn)形變資料,重點(diǎn)研究斷裂帶斷層氣分布特征與形變關(guān)系,探討地下應(yīng)力場(chǎng)與活動(dòng)斷裂帶孕震環(huán)境變化的機(jī)理,研究活動(dòng)斷裂帶斷層氣異常與其反應(yīng)的區(qū)域應(yīng)力過(guò)程的機(jī)理。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況及測(cè)線布設(shè)

西秦嶺北緣斷裂是甘東南地區(qū)規(guī)模較大、活動(dòng)較強(qiáng)的區(qū)域深大活動(dòng)斷裂,屬于全新世活動(dòng)斷裂,具有發(fā)生強(qiáng)震的構(gòu)造條件。西秦嶺北緣斷裂帶東端與秦嶺北緣斷裂相連,從東到西由寶雞、天水、武山、漳縣、黃香溝和鍋麻灘共6個(gè)次級(jí)斷裂段左階羽列而成,走向NWW向,長(zhǎng)約470 km。各次級(jí)斷裂間形成了5個(gè)張性階區(qū),為北道、溫家套、鴛鴦鎮(zhèn)、漳縣和蓮麓階區(qū),各段之間有部分重疊。根據(jù)這些斷層階區(qū)、斷層不同段的幾何特性、運(yùn)動(dòng)特征以及斷層性質(zhì)等,構(gòu)造地質(zhì)學(xué)將其劃分為四個(gè)次級(jí)段,從西到東分別為鍋麻灘斷裂段、漳縣斷裂段、鴛鳳斷裂段和天水以東段[11]。

中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心在甘東南布設(shè)有17處跨斷層水準(zhǔn)流動(dòng)場(chǎng)地,西秦嶺北緣斷裂帶上有五處場(chǎng)地(口子門、四店、盤古川、武家河、柳家溝及毛集),長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)場(chǎng)地主要集中在斷裂帶中東段,即漳縣段、鴛鳳斷裂段和天水段,因此本文研究主要以中東段為主。測(cè)線跨斷層布設(shè),監(jiān)測(cè)斷層兩盤高差變化,測(cè)線高差是以上盤相對(duì)于下盤變化為基準(zhǔn)的。自20世紀(jì)80年代末起測(cè),每年3、7、11月份觀測(cè)3期,積累了豐富的資料[12]。我們?cè)诳鐢鄬铀疁?zhǔn)場(chǎng)地同步布設(shè)斷層土壤氣測(cè)線,以便與跨斷層水準(zhǔn)形變特征進(jìn)行比對(duì)(圖1)。每條測(cè)線上相隔10 m布設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)。為了避免氣象條件影響,野外測(cè)量工作在5月份氣象條件較為穩(wěn)定時(shí)期內(nèi)開展,且每一測(cè)點(diǎn)進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量。剖面測(cè)線位置選擇要求植被較少、垂直斷裂同行條件較好、地表有一定厚度原始覆蓋層。測(cè)量過(guò)程中,儀器正常,無(wú)其他干擾因素影響,保證了測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。儀器參數(shù):氡氣測(cè)量采用SAPHYMO公司的AlphaGUARD P2000便攜式測(cè)氡儀,最低檢出限為2 Bq/m3,標(biāo)準(zhǔn)偏差<3%。汞氣測(cè)量采用ATG-200M 便攜式測(cè)汞儀,靈敏度高達(dá) 5×10-12克汞;在儀器最低檢出限時(shí),基線零點(diǎn)漂移<2 mV/8 h;標(biāo)準(zhǔn)偏差<5%;取樣方法:首先用鋼釬鉆一個(gè)80 cm深的孔,插入取樣器,用設(shè)置流速為1 L/min的泵抽取土壤氣體至儀器,取樣體積為1 L。

圖1 跨斷層水準(zhǔn)與斷層氣測(cè)量場(chǎng)地布設(shè)圖Fig.1 Site layout of cross-fault leveling and fault gas measurement

2 斷層氣體地球化學(xué)特征研究

2.1 數(shù)據(jù)處理方法

對(duì)各場(chǎng)地?cái)鄬油寥罋鉂舛确植紗为?dú)進(jìn)行分析,并進(jìn)行背景值與異常上下限計(jì)算(表1)。設(shè)每條測(cè)線的平均濃度值為背景值K,斷層氣異常下限值即為背景值+均方差(K+δ1)。因各場(chǎng)地區(qū)域地層巖性影響,背景值差異較大,為了避免巖性環(huán)境對(duì)整體斷裂帶斷層氣特征分析的影響,在研究斷裂帶整體斷層土壤氣特征時(shí)采用異常濃度強(qiáng)度分析法,即用每條測(cè)線的異常平均值與單測(cè)線背景值的比值代表本場(chǎng)地?cái)鄬油寥罋猱惓舛葟?qiáng)度,用S表示:S= (K+δ1)/K。利用濃度強(qiáng)度值的判定方法,對(duì)6條測(cè)線數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分析,對(duì)斷層氣濃度空間分布特征進(jìn)行系統(tǒng)研究(SHg、SRn分別表示Hg、Rn濃度強(qiáng)度)。

表1 剖面概況以及氣體濃度強(qiáng)度一覽表

2.2 空間分布特征分析

利用濃度強(qiáng)度比值的方法分別對(duì)西秦嶺北緣斷裂帶跨斷層場(chǎng)地氡、汞斷層氣濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,結(jié)果見(jiàn)表1。西秦嶺北緣斷裂帶中東段氡、汞斷層氣濃度強(qiáng)度空間分布如圖2所示。該斷裂帶中東段氡、汞斷層氣濃度強(qiáng)度高值區(qū)出現(xiàn)在四店場(chǎng)地和武家河、柳家溝場(chǎng)地。渭源—漳縣段斷層上,口子門和盤古川場(chǎng)地的氡、汞濃度強(qiáng)度均低于四店場(chǎng)地,斷層氣氡、汞高值區(qū)均出現(xiàn)在中部的四店場(chǎng)地,氡、汞氣體表現(xiàn)出良好的同步性。武山段斷層上,斷層氣氡高值區(qū)出現(xiàn)在武家河場(chǎng)地,斷層氣汞高值區(qū)出現(xiàn)在柳家溝場(chǎng)地。天水段斷層上的毛集場(chǎng)地氡、汞濃度強(qiáng)度均較低。縱觀整條斷裂帶中東段,斷層氣濃度強(qiáng)度同樣呈現(xiàn)出明顯的分段特性:武山段較高,渭源—漳縣段次之,天水段較低。這與蘇鶴軍等[10]的研究結(jié)果一致。氡、汞氣體組分在渭源—漳縣段斷層上同步性較好,在武山段斷層上卻表現(xiàn)出了不同的場(chǎng)地效應(yīng),這說(shuō)明氣體在上升通道運(yùn)移過(guò)程中,不同組分的氣體運(yùn)移特性是不同的。在同樣的區(qū)域應(yīng)力作用下,氣體逸出的濃度強(qiáng)度是氣體組分固有特質(zhì)和斷層構(gòu)造性質(zhì)共同影響的結(jié)果。整條斷裂帶斷層氣濃度強(qiáng)度差異性也反映出斷層各段地下介質(zhì)的差異以及應(yīng)力積累情況各異,導(dǎo)致斷層各段放氣能力明顯不同。

圖2 西秦嶺北緣斷裂帶跨斷層場(chǎng)地氡、汞濃度強(qiáng)度空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of Radon and Mercury concentration intensity in northern margin fault zone of West Qinling

3 西秦嶺北緣斷裂帶斷層形變特征研究

3.1 形變數(shù)據(jù)處理方法

(1) 形變趨勢(shì)累積率Dc

關(guān)于跨斷層水準(zhǔn)數(shù)據(jù)的處理方法,陳兵等[13-14]曾提出斷層形變趨勢(shì)累積率指標(biāo),尋求呈長(zhǎng)趨勢(shì)應(yīng)變積累背景的構(gòu)造區(qū)域,即對(duì)某場(chǎng)地計(jì)算所有時(shí)段(兩期觀測(cè)間)變化量之和與所有時(shí)段變化量絕對(duì)值之和的比。設(shè)跨斷層的兩個(gè)水準(zhǔn)標(biāo)志之間的高差觀測(cè)序列為h(t)(定義上盤相對(duì)下盤上升為正),則其速率:

趨勢(shì)變化速率:

趨勢(shì)變化幅度:

我們定義特征函數(shù):

即Dc越大反映趨勢(shì)性變化越明顯,應(yīng)變積累強(qiáng)度可能越高。

(2) 垂直形變速率Vt

從提取斷裂帶呈長(zhǎng)趨勢(shì)應(yīng)變積累強(qiáng)度的角度出發(fā),從斷層形變趨勢(shì)累積率指標(biāo)方法中提取斷層形變趨勢(shì)變化速率,即垂直形變速率。斷層垂直形變速率大小反映了斷層應(yīng)力積累情況。設(shè)跨斷層測(cè)段的兩水準(zhǔn)標(biāo)志之間的高差觀測(cè)序列為hi(t),則其趨勢(shì)變化速率:

即Vt值越大反映速率變化越明顯,應(yīng)變積累速率越高。

3.2 西秦嶺北緣斷裂帶跨斷層形變特征

分別對(duì)西秦嶺北緣斷裂帶上六處跨斷層水準(zhǔn)流動(dòng)場(chǎng)地的水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)累積率Dc和垂直形變速率Vt計(jì)算。分析結(jié)果如下:

趨勢(shì)累積率Dc隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。口子門、盤古川、毛集場(chǎng)地的趨勢(shì)累積率Dc經(jīng)過(guò)上世紀(jì)九十年代初調(diào)整后基本趨于平穩(wěn)變化,隨時(shí)間起伏較為平緩,變化相對(duì)較小。四店、武家河與柳家溝場(chǎng)地趨勢(shì)累積率Dc隨時(shí)間起伏較大,變化相對(duì)劇烈,總體仍呈下降趨勢(shì)。口子門場(chǎng)地Dc值2003年出現(xiàn)微小轉(zhuǎn)折,之前具有累積率緩慢遞減趨勢(shì),2003—2012年基本保持穩(wěn)定累積狀態(tài)。盤古川場(chǎng)地在2004年之前Dc絕對(duì)值呈增大趨勢(shì),曲線下降,之后Dc絕對(duì)值減小,曲線上升;毛集場(chǎng)地Dc值在1995年前呈增加趨勢(shì),之后呈現(xiàn)穩(wěn)定積累狀態(tài)。四店場(chǎng)地Dc值略高于口子門、盤古川場(chǎng)地,在1992—1994年間Dc突然上升,下降后又逐漸上升,1996年達(dá)到高值后又恢復(fù)緩慢下降趨勢(shì),在2003—2004年間猛然下降后又恢復(fù)緩慢下降趨勢(shì)。武家河場(chǎng)地Dc數(shù)值相對(duì)較大,在1991—1993年間該值大幅上升下降后趨于平緩下降,2000—2001年間又一次出現(xiàn)大幅下降后趨于平緩下降,直到2008年之后Dc值呈很小的遞增趨勢(shì)。柳家溝場(chǎng)地在1993—1994年與2003—2004年兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)同樣也出現(xiàn)了Dc下降幅度加速現(xiàn)象。

此現(xiàn)象反映出四店、武家河、柳家溝場(chǎng)地?cái)鄬討?yīng)力的協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)效應(yīng)以及調(diào)整后受到大范圍區(qū)域應(yīng)力作用而繼續(xù)進(jìn)行繼承性構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。巖石圈動(dòng)力學(xué)研究表明,地殼運(yùn)動(dòng)受控于構(gòu)造塊體之間的相互作用。該斷裂帶處于青藏高原東北緣,在以印度板塊的向北推擠作為動(dòng)力來(lái)源的青藏塊體作用下,又受到包括鄂爾多斯塊體在內(nèi)的華北亞板塊向西推擠,在以青藏塊體向北推擠為主的繼承性構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí),四店、武家河與柳家溝場(chǎng)地Dc同時(shí)表現(xiàn)為趨勢(shì)下降。但反映時(shí)間是略有差異的,四店與柳家溝場(chǎng)地Dc變化時(shí)間段都略滯后于武家河場(chǎng)地。由此推斷西秦嶺北緣斷裂帶中部受到應(yīng)力作用出現(xiàn)應(yīng)變變化較為靈敏,同一斷裂帶上的貫通性較好段出現(xiàn)相同反應(yīng),而閉鎖段則無(wú)明顯應(yīng)變調(diào)整反應(yīng) (圖3)。

圖3 西秦嶺北緣斷裂帶各場(chǎng)地Dc與Vt時(shí)序曲線Fig.3 Dc and Vt time-sequence curves in northern margin fault zone of West Qinling

Dc

各場(chǎng)地Vt與Dc顯示出基本相同的趨勢(shì)變化。口子門場(chǎng)地垂直形變速率非常低,保持在0.03～0.4 mm/a。四店場(chǎng)地垂直形變速率相對(duì)口子門較大,保持在0.2～1.2 mm/a;盤古川場(chǎng)地垂直形變速率很小,在0.02～0.12 mm/a;武家河場(chǎng)地垂直形變速率較大,保持在2～6 mm/a;柳家溝場(chǎng)地垂直形變速率也較大,在0.5～1.2 mm/a。毛集場(chǎng)地垂直形變速率相對(duì)較小,在0～0.22 mm/a。比較各場(chǎng)地Vt大小,武家河場(chǎng)地>柳家溝場(chǎng)地>四店場(chǎng)地>口子門場(chǎng)地>毛集場(chǎng)地>盤古川場(chǎng)地。

整體而言,口子門、盤古川、毛集場(chǎng)地的垂直形變速率Vt與趨勢(shì)累計(jì)率Dc隨時(shí)間起伏較為平緩,變化相對(duì)較小;四店、武家河與柳家溝場(chǎng)地隨時(shí)間起伏較大,變化相對(duì)較大。說(shuō)明四店、武家河與柳家溝場(chǎng)地?cái)鄬哟怪睉?yīng)變速率變化較大,形變趨勢(shì)也較為明顯,該場(chǎng)地?cái)鄬討?yīng)力調(diào)整較為頻繁,斷層垂直活動(dòng)相對(duì)較強(qiáng);而口子門、盤古川場(chǎng)地?cái)鄬哟怪睉?yīng)變速率較小,形變趨勢(shì)也較弱,該場(chǎng)地?cái)鄬討?yīng)力調(diào)整頻率較低,斷層垂直活動(dòng)也相對(duì)較弱。

4 水準(zhǔn)形變與斷層土壤氣地球化學(xué)特征的空間分布對(duì)比

對(duì)比西秦嶺北緣斷裂帶中東段Rn、Hg濃度強(qiáng)度與平均垂直形變速率、趨勢(shì)累積率,結(jié)合研究區(qū)GPS速率結(jié)果,研究西秦嶺北緣斷裂帶中東段斷層氣濃度強(qiáng)度與斷層形變特征空間分布關(guān)系。

如圖4所示,斷層氣氡、汞濃度強(qiáng)度與斷層形變平均趨勢(shì)累積率、垂直形變速率在西秦嶺北緣斷裂帶中東段分段性較明顯。從西向東,渭源—漳縣段上的口子門—四店—盤古川場(chǎng)地的斷層氣氡、汞濃度強(qiáng)度分布形態(tài)與斷層形變趨勢(shì)累積率、垂直形變速率分布形態(tài)具有良好的同步性,均在四店場(chǎng)地表現(xiàn)出高值區(qū)。處于渭源—漳縣段與鍋麻灘段交匯區(qū)的口子門場(chǎng)地和渭源—漳縣段與武山段交匯區(qū)的盤古川場(chǎng)地?cái)鄬託怆薄⒐瘽舛葟?qiáng)度分布形態(tài)與斷層形變趨勢(shì)累積率、垂直形變速率均降低。可見(jiàn)渭源—漳縣段斷層的中部地區(qū)斷層較該段東西兩段斷層略為活躍,形變強(qiáng)度略大,氣體釋放強(qiáng)度也略強(qiáng)。

武山段上的武家河—柳家溝場(chǎng)地的斷層氣氡、汞濃度強(qiáng)度與斷層形變趨勢(shì)累積率、垂直形變速率同時(shí)變大,顯示出武家河高值區(qū)、柳家溝場(chǎng)地略低的特征,表明武山段斷層形變的累積程度增強(qiáng),運(yùn)動(dòng)速率增強(qiáng),氣體釋放強(qiáng)度增大。武山段斷層氡、汞濃度強(qiáng)度與斷層形變趨勢(shì)累積率、垂直形變速率較渭源—漳縣段整體略高。縱觀整個(gè)西秦嶺北緣斷裂帶中東段,形變強(qiáng)度與氣體強(qiáng)度高值區(qū)均出現(xiàn)在該段上。可見(jiàn)武山段斷層活躍程度最大,而且形變強(qiáng)度與氣體強(qiáng)度表現(xiàn)也較為同步。

圖4 斷層氣濃度強(qiáng)度與斷層形變特征空間分布對(duì)比圖(GPS速率數(shù)據(jù)源引自文獻(xiàn)[15])Fig.4 Spatial distribution constrast of fault gas concentration intensity and fault deformation characteristics

天水段上的毛集場(chǎng)地?cái)鄬託夤瘽舛葟?qiáng)度與斷層形變趨勢(shì)累積率、垂直形變速率又逐漸變小,表明斷裂帶東段天水段形變累積程度和垂直運(yùn)動(dòng)速率以及斷層氣汞的釋放強(qiáng)度均小于斷裂帶中段,但斷層氣氡濃度強(qiáng)度較柳家溝場(chǎng)地略有升高,這與毛集場(chǎng)地處于禮縣—羅家堡斷裂與西秦嶺北緣斷裂的交匯地區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造與地下介質(zhì)性質(zhì)較為復(fù)雜有關(guān)。

孟秀軍等[16]采用2008年5月—2010年9月的PS-InSAR技術(shù)對(duì)西秦嶺北緣斷裂帶中段甘谷地區(qū)斷裂帶地殼微小形變進(jìn)行探測(cè),得到南北兩盤的相對(duì)滑動(dòng)速率約為5 mm/a。葛偉鵬[15]采用微小塊體模型反演GPS結(jié)果認(rèn)為,西秦嶺北緣斷裂帶西段拉脊山直至渭源縣一帶處于極低的運(yùn)動(dòng)速率水平,約在0.2～1.5 mm/a間;斷裂中段通渭一帶滑動(dòng)速率約為3.0 mm/a,斷裂東段天水一帶又具有極低滑動(dòng)速率,約為0.5 mm/a。可見(jiàn),西秦嶺北緣斷裂帶各段水平滑動(dòng)速率差異也較為明顯,GPS水平形變速率強(qiáng)度呈現(xiàn)中段武山—甘谷地區(qū)強(qiáng),渭源、天水區(qū)較弱的分段特性。這與跨斷層水準(zhǔn)形變、斷層氣濃度強(qiáng)度分布具有良好的一致性。

結(jié)合西秦嶺北緣斷裂帶1967—2014年間的地震活動(dòng)分布特征,對(duì)流體逸出氣氡與斷層形變?cè)跀鄬踊顒?dòng)性分段判定上做進(jìn)一步探索。由圖5可知,西秦嶺北緣斷裂帶現(xiàn)今以中小地震為主,5級(jí)以上地震較少,而歷史上6級(jí)以上大震較多,離逝時(shí)間較久。地震活動(dòng)具有明顯分段特征,斷裂帶武山段小震活動(dòng)較東西兩端更為活躍,而天水段形成相對(duì)地震空區(qū),這與地下氣體活動(dòng)性和斷層形變特征有著良好的對(duì)應(yīng)性。在武山、甘谷的張性盆地區(qū)斷層氣濃度強(qiáng)度較高,對(duì)應(yīng)的地震活動(dòng)較活躍,斷層垂直形變和水平形變均較大,而斷裂中段東西兩端地震發(fā)生頻率較低,相對(duì)應(yīng)的斷層氣濃度強(qiáng)度較低,斷層垂直形變速率和水平形變也較小。

圖5 西秦嶺北緣斷裂帶地震活動(dòng)分布特征圖Fig.5 Distribution characteristics of seismic activities in the northern margin fault zone of West Qinling

5 討論

課題組曾對(duì)西秦嶺北緣斷裂帶的氫氧同位素進(jìn)行研究,判定西秦嶺北緣斷裂帶內(nèi)的地下水主要成因?yàn)楣糯髿饨邓＜吹乇硭財(cái)嗔严聺B至地殼深處,由于隨深度增加而引起的滲透速度的減小和熱流的增長(zhǎng),在達(dá)到一定深度后滲流速度受到抑制,熱流場(chǎng)作用下的物質(zhì)運(yùn)移開始占優(yōu)勢(shì)。這就是說(shuō),任何情況下來(lái)自地表的處于靜水壓力作用下的地下水運(yùn)動(dòng)被限制在一定深度,內(nèi)部因素的影響也疊加到這些過(guò)程中,經(jīng)過(guò)加熱循環(huán)的地下流體又沿?cái)嗔褞е饾u上升至地表。在此過(guò)程中,經(jīng)過(guò)斷裂帶內(nèi)的水巖反應(yīng)以及地?zé)岷蛥^(qū)域應(yīng)力驅(qū)動(dòng)下孔隙壓的變化,地下流體的化學(xué)成分發(fā)生變化,并攜帶一部分深部氣體。結(jié)合本項(xiàng)目對(duì)西秦嶺北緣斷裂帶斷層逸出氣的研究及已有的認(rèn)識(shí),可判定斷裂帶不同區(qū)段存在不同流體滲透結(jié)構(gòu),而斷層土壤氣在武山—漳縣盆地以及甘谷表現(xiàn)出良好的滲透性,這與斷裂帶的整體構(gòu)造展布十分統(tǒng)一。

斷層氣濃度強(qiáng)度與斷層形變強(qiáng)度分布形態(tài)的分段表現(xiàn),某種程度上反映了斷裂帶凹凸體交錯(cuò)分布的地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn),且氣體濃度強(qiáng)度與形變強(qiáng)度在不同段上各有不同的表現(xiàn)形式。在地震平靜期斷層蠕動(dòng)造成的孔隙壓實(shí)程度影響著流體壓力的大小,從而影響氣體釋放,而流體壓力的變化又對(duì)斷裂帶的有效正應(yīng)力產(chǎn)生影響[17]。在流體壓力近似于巖石靜壓力的情況下,地震斷層膨脹或蠕動(dòng)重復(fù)發(fā)生,可使斷層中的飽水裂隙網(wǎng)絡(luò)緩慢形成,從而逐漸增大斷層的持續(xù)滲透率[18];相反,斷層可被動(dòng)地使流體匯集,導(dǎo)致流體產(chǎn)生并使較弱的斷層巖石局部發(fā)生水壓破裂;同時(shí),斷層周圍相互連通的宏觀裂隙會(huì)增加圍巖的壓力擴(kuò)散速率,但這些裂隙只有在流體壓力與裂隙法向壓力近于相等的情況下才會(huì)保持開啟狀態(tài)。武山段上氣體濃度強(qiáng)度與形變強(qiáng)度均較大,指示武山段斷層應(yīng)變較強(qiáng),在相應(yīng)區(qū)域應(yīng)力的作用下,相對(duì)其他段較為開放,運(yùn)動(dòng)較為劇烈;而渭源-漳縣段斷層氣氡、汞濃度強(qiáng)度相對(duì)武山段略低,垂直形變強(qiáng)度及水平形變速率在渭源較低,斷層應(yīng)力處于逐漸積累階段,目前產(chǎn)生應(yīng)變速率較小;天水段斷層氣汞濃度強(qiáng)度下降,形變速率也降低,但氡濃度強(qiáng)度上升,說(shuō)明斷層在該段活動(dòng)較為復(fù)雜。較低的形變速率表明應(yīng)力處于逐漸積累階段,應(yīng)變調(diào)整保持在一個(gè)較小的范圍,而斷層氣氡濃度的上升又指示該段斷層內(nèi)部微裂隙發(fā)育較強(qiáng),結(jié)合兩者結(jié)果,天水段斷層可能處于應(yīng)力積累的后期階段。

經(jīng)過(guò)以上分析,可以看出西秦嶺北緣斷裂帶內(nèi)存在不均勻分布的流體活動(dòng),這種不均勻分布與區(qū)域構(gòu)造作用力及地震活動(dòng)有著良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)堅(jiān)固體孕震理論,非均勻介質(zhì)中高速塊體(硬包體)的存在是強(qiáng)震孕育、發(fā)生的基本條件,即地殼、上地幔橫向、縱向非均勻性越強(qiáng)的地區(qū)越有利于強(qiáng)震的發(fā)生。尤其在活動(dòng)構(gòu)造帶的轉(zhuǎn)折處、不同走向斷裂帶的交匯區(qū)、斷裂傾向改變的樞紐區(qū)、斷裂帶不同段落之間的巖橋區(qū)等,其斷裂運(yùn)動(dòng)不容易協(xié)調(diào),易產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力積累形成孕震體。從西秦嶺北緣斷裂帶的流體、形變及地震活動(dòng)特征來(lái)看,當(dāng)構(gòu)造轉(zhuǎn)折處、交匯區(qū)、巖橋區(qū)存在廣泛流體活動(dòng)時(shí),則容易將應(yīng)力積累以中小震的形式釋放,從而避免了強(qiáng)震的孕育。武山地區(qū)和甘谷地區(qū)較強(qiáng)的斷層氣濃度強(qiáng)度、較大的應(yīng)變速率及頻繁的小震活動(dòng)提供了較好的驗(yàn)證。而在天水段和漳縣段西部及與武山段交匯的盤古川地區(qū),流體活動(dòng)較弱,應(yīng)變速率較小,則存在孕育強(qiáng)震的可能。

6 結(jié)論

(1) 西秦嶺北緣斷裂帶中東段斷層氣濃度強(qiáng)度呈現(xiàn)出明顯的分段特性:武山段較高,渭源—漳縣段次之,天水段較低。氡、汞氣體組分在渭源—漳縣段斷層上同步性較好,在武山段斷層上則表現(xiàn)出了不同的場(chǎng)地效應(yīng)。

(2) 斷裂帶土壤氣地球化學(xué)特征和斷層水準(zhǔn)形變特征的分布具有良好相關(guān)關(guān)系:武山段氣體濃度強(qiáng)度與形變強(qiáng)度均較大,其應(yīng)變較強(qiáng),在相應(yīng)區(qū)域應(yīng)力的作用下,該段斷層相對(duì)其他段較為開放;而渭源—漳縣段斷層氣氡、汞濃度強(qiáng)度相對(duì)武山段略低,垂直形變強(qiáng)度及水平形變速率也在渭源較低;天水段斷層氣汞濃度強(qiáng)度下降,形變速率也降低,但氡濃度強(qiáng)度上升,說(shuō)明斷層在該段活動(dòng)較為復(fù)雜。

(3) 通過(guò)西秦嶺北緣斷裂帶地下流體逸出氣和斷層形變特征的時(shí)空對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)兩者時(shí)空相關(guān)關(guān)系良好,與區(qū)域地震活動(dòng)性也有較為一致的對(duì)應(yīng)。可見(jiàn),斷層深部流體活動(dòng)與區(qū)域應(yīng)力之間的協(xié)同耦合作用會(huì)對(duì)地震活動(dòng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。武山和甘谷走滑拉分區(qū)因流體活動(dòng)的影響而以中小地震活動(dòng)為主,天水段和漳縣段西部及與武山段交匯的盤古川地區(qū),流體活動(dòng)較弱,應(yīng)變速率較小,則存在孕育強(qiáng)震的可能。

本文研究受跨斷層水準(zhǔn)形變場(chǎng)地條件限制,有些場(chǎng)地因年代久遠(yuǎn),布設(shè)測(cè)線所跨斷層活動(dòng)性有待驗(yàn)證。因此在研究過(guò)程中會(huì)影響分析結(jié)果,還需要在其他斷裂及場(chǎng)地進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證和討論。

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Study on Correlation between Geochemical Features of Deep Gas and Fault Deformation Distribution in Northern Margin Fault Zone of West Qinling

LI Chen-hua1,2, ZHANG Hui1,2, SU He-jun1,2, ZHOU Hui-ling1

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

In this study, we took the northern margin fault zone of West Qinling as the study area, which has many hot-spring dew points and severe deformations. We established the fault soil gas profile overlap and conducted field measurement in the cross-fault deformation area to determine the coupling relationship between fault gas segmental characteristics, fault deformation, and seismic activity. We used a variety of methods to evaluate their usefulness in fault earthquake hazard analysis. The results show that there is a good correlation between the geochemical features of soil gas and the distribution of fault deformation characteristics. The comparison results indicate that fault activity is relatively more active in the Wushan segment than in the Weiyuan—Zhangxian segment, and that the Tianshui segment is relatively locked. In addition, due to the active influence of fluid activity, most of the shocks in the Wushan and Gangu strike-slip pull-apart partitions generate medium to small earthquakes. In contrast, strong earthquakes are likely in the west of the Tianshui and Zhangxian segment, and in the Panguchuan region, as the fluid activity and strain rate are weak in these areas. These results can contribute to a theoretical basis for developing a fault gas flow observation network layout with the potential for physical prediction.

fault soil gas; fault deformation characteristics; geochemical feature

2016-04-25 基金項(xiàng)目：中國(guó)地震局星火計(jì)劃(XH15043);中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所基本科研業(yè)務(wù)項(xiàng)目(2013IESLZ04);甘肅省青年科技基金計(jì)劃(1606RJYA218)。

李晨樺(1990-),女,甘肅慶陽(yáng)人,碩士,助理研究員,主要從事地震地下流體技術(shù)研究。E-mail:chenhua@gsdzj.gov.cn。

張 慧(1966-),女,甘肅天水人,博士,研究員,主要從事地震地下流體與活動(dòng)構(gòu)造應(yīng)用研究。E-mail:zhanghui@gssb.gov.cn。

P315.2

A

1000-0844(2016)06-0955-09

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.06.0955