岱海斷陷帶斷層H2釋放特征與斷層活動性間的關系

劉永梅 丁風和 尹戰軍 劉改梅

1）中國呼和浩特 010010 內蒙古自治區地震局

2）中國銀川 750001 寧夏回族自治區地震局

3）中國內蒙古自治區 015000 內蒙古巴彥淖爾市地震局

0 引言

在地球內部蘊藏著大量高溫高壓狀態的氣體。由于這些氣體與地表大氣之間存在巨大溫度壓、濃度差，因此地球內部不停地往地表大氣中釋放氣體（周曉成等，2017）。斷裂帶、火山和洋脊地帶等地殼薄弱的部位（Ware et al，1984；Shangguan et al，2002；Mayhew et al，2013），是地下氣體集中逸出帶。與斷層活動有關的從斷層中逃逸出的氣體稱為斷層氣。斷層H2觀測作為一種新的觀測手段，具有連續性、穩定性較好，干擾因素較少等優點，已在山西、云南、安徽、新疆和河北等地取得了較好的效果。因此，開展斷層H2的釋放特征與斷裂活動性間的關系、斷層H2濃度短臨跟蹤監測技術等方面的研究工作，對提升地震監測預測水平具有一定的意義。多年來，國內外地球化學工作者對斷層H2進行了大量研究工作。研究發現，H2濃度變化與斷裂活動性間有密切關系（Wakita et al，1980；Sugisaki et al，1983；邵濟安等，2010）；Poissant 等（2007）對加拿大火山噴氣口H2的釋放通量測量結果表明，該噴氣口H2的釋放通量高達42 μg·m-2·h-1；2008 年汶川8.0 級地震后，沿汶川地震破裂帶釋放了大量H2（Zhou et al，2010，2016；周曉成等，2012）。周曉成等（2017）對首都圈西北部9 條活動斷裂上土壤H2濃度的研究表明，從西向東H2濃度呈增加的趨勢。

岱海斷陷帶位于陰山—張渤帶和山西斷陷帶的交匯部位，主要受北側的蠻漢山山前斷裂和南側的岱海—黃旗海盆地南緣斷裂控制。區域斷裂發育，中小地震活動頻繁。岱海斷陷帶是地殼應力變化易于集中的部位，該區域也是開展斷層H2的地球化學特征與斷裂活動性、地震活動性間關系以及斷層H2短臨跟蹤監測技術等研究的理想場所。目前，針對晉冀蒙交界地區（內蒙古一側）的地球化學測量及特征分析等工作開展得很少，這使得對該區域異常的確定存在困難，因此，本文對活動斷裂帶內H2地球化學特征及其與斷裂活動性間的關系進行了研究，以逐步實現內蒙古地區與目前山西帶北部地球化學流動測量的無縫連接，更好地為晉冀蒙交界地震危險區震情跟蹤和判定提供服務。

1 地質背景

岱海斷陷帶又稱岱海—黃旗海斷陷帶，位于河套斷陷帶和山西斷陷帶的交匯地帶，包括岱海凹陷和黃旗海凹陷，全長超過100 km（圖1）。應力場整體上為NE 向的相對擠壓和NW 向的相對拉張，走向約60°—70°，主要由北側的蠻漢山山前斷裂和南側的岱海—黃旗海盆地南緣斷裂控制（圖1）。2 條斷層均屬于活動斷層，活動時代在晚更新世（Q3）到全新世（Q4），周圍的斷陷帶都是歷史地震和現代地震多發地帶（冉勇康等，2003；江娃利等，2003）。蠻漢山山前斷裂（F4）西起黑老妖，經永興、杏樹貝、東水頭一帶向東延伸，斷裂走向約65°，全長約80 km。而岱海—黃旗海盆地南緣斷裂（F5）西起雙古城水庫，經頭道溝、六蘇木、聯合莊、壩底、海流蘇太、烏蘭察布市南東測的井子溝一帶向東延伸，斷裂走向約65°，全長約110 km。據資料（畢珉烽，2012）顯示，斷陷帶基底為片麻巖，其上不整合覆蓋了厚約100 m 的上新統（N2）湖相紫紅色砂質泥巖。第四紀（Q）河湖相厚度一般為100—250 m，東南部最厚的地區達400 m。岱海斷陷帶缺失全部的古生代（P2）地層和大部分的中生代（M2）地層，太古界（Ar）地層大面積出露地表，僅僅在斷陷帶的東南和西北側有部分侏羅紀（J）和白堊紀（K）地層出露。新生代（K2）以來該地區以抬升剝蝕作用為主。

圖1 岱海斷陷帶地質背景Fig.1 Geology map of Daihai fault zone

2 野外測量

2.1 測點布設

宏觀上，岱海斷陷帶的活動以正斷層為主，走滑分量不明顯。土壤氣觀測場地是根據野外地質觀測和前人所得地質資料（畢珉烽，2012）以及斷層的總體特點——自西向東活動性由強變弱確定的。在該斷陷帶上，選擇2 條主控斷裂——蠻漢山山前斷裂和岱海—黃旗海盆地南緣斷裂上活動性較強的涼城縣段作為研究對象，選取4 個觀測剖面：蠻漢山山前斷裂為永興鎮韓家棚村（N1）、三蘇木泉卜村（N2），岱海—黃旗海盆地南緣斷裂為雙古城單臺子（S1）、六蘇木三道溝村（S2），詳細剖面布設見圖1。2 條斷裂內布設的土壤H2濃度測量剖面編號以從西向東的順序排列。每個剖面上視情況平行布設2 條測線，每條測線方向盡量垂直于斷裂陡坎走向。N1、N2 剖面上每條測線上設20 個濃度測點，測線間距10 m，測點間距10 m（Zhou et al，2016）。由于觀測剖面特殊的地表環境，S1、S2 剖面上的測線1 只布設5 個H2濃度測點，測線2 布設15 個H2濃度測點，為了增加H2濃度數據的代表性，在局部布設加密點（表1）。

表1 岱海斷陷帶2 條主控斷裂不同段斷層H2濃度測量剖面位置和取樣點數量Table 1 Statistics of H2measurement profile position and number of sampling points in different sections of the main fault in the Daihai fault zone

2.2 測量依據及方法

斷裂土壤H2是一種質量小、粒徑小、滲透性強、粘度低、易于擴散的氣體。H2在空氣中含量很低，僅為0.5×10-6；在地殼中其含量為n×10-6—n×10-4，集中分布在5—8 km 深度，主要從斷層帶上擴散到空氣中。H2濃度變化與斷裂活動、地震活動間關系明顯，特別是地震前n—n×10 天常常表現出信噪比很高的異常，異常值是正常背景值的n—n×102倍（車用太等，2015）。地殼中的H2主要來源于生物化學作用與化學作用（蔣鳳亮等，1989；脅田宏，1993）。作為地球內部物理化學場變化的產物，在構造活動強烈期及地震活動時期，H2會從斷裂內向外大量逸散，或溶解在經過深循環的地下熱水中而被帶出地表。斷層H2不僅是斷層活動、地震活動的伴隨產物，而且對斷層活動、地震發生有直接誘發作用。因此，開展斷層H2釋放特征與斷裂活動性之間的關系及斷層H2測量中的影響因素、斷層H2成因機制等研究，對提高地震監測預測能力有一定的幫助。

在野外現場測量斷裂帶土壤H2濃度的過程中，為了減少監測深度、氣象因素等對H2濃度的影響，需開展同深度地溫和環境氣溫、氣壓、風速同步觀測。首先用鋼釬在布設好的測點打孔，孔徑3 cm，深度約80 cm（李營等，2009；周曉成等，2011），然后拔出鋼釬，立即將加了集氣桿的錐形麻花鉆氣體取樣器插入孔內，進行現場取樣、測量。為避免氣象條件引起的土壤濕度、氣溫、氣壓變化影響土壤H2濃度測量結果，每條測線均在1 天內完成（孫小龍等，2016）。每個測點采樣間隔2 min，采樣時間30 s，采樣3 次。由于土壤H2濃度受測孔閑置時間、測孔深度和采樣器形狀、孔徑等的影響較大，故每次測量均應在新打的測孔中進行，成孔后立即測量（孫小龍等，2017）。使用杭州電子科技大學和杭州超距科技有限公司研制的ATG-300H 便攜式測氫儀現場抽氣測量，H2濃度的檢測限是0.5×10-6，誤差≤5%。

3 結果

3.1 測量結果

對研究區域的4 個剖面進行土壤H2濃度測量，共獲得122 組數據（表2）。由表2 可見，永興鎮韓家棚村N1 剖面H2濃度為1.20×10-6—327.20×10-6，三蘇木泉卜子村N2 剖面H2濃度為66.24×10-6—920.10×10-6；雙古城水庫S1 剖面H2濃度為73.30×10-6—225.90×10-6，六蘇木三道溝村S2 剖面H2的濃度為54.22×10-6—306.80×10-6；4 個觀測剖面H2濃度平均值分別為51.46×10-6、249.74×10-6、130.58×10-6、112.93×10-6，濃度最大值分別為327.20×10-6、920.10×10-6、225.90×10-6、306.80×10-6。結果表明，斷層帶附近的H2濃度明顯大于其他取樣點，而且距斷層越遠，H2濃度越小。由于斷層帶周圍巖石破碎，裂縫較多，因此斷層帶附近是氣體運移的良好通道（Evans et al，1997）。

表2 岱海斷陷帶土壤H2剖面測量結果Table 2 Statistics of soil gas profile measurement data in the Daihai fault zone

以蠻漢山山前斷裂永興鎮韓家棚剖面為例，共布設2 條測線，每條測線20 個測點。圖2 為韓家棚N1 剖面上40 個測點的3 次測量結果及其平均值（每個測點間隔2 min 測1 個值，共3 個）。由圖2 可見，3 次測量值和均值的同步性、一致性均較好。通過對比分析，從2 條斷裂帶的土壤H2濃度測量結果可以看出，其他剖面的測值與韓家棚剖面結果類似，4 個剖面122 個測點的3 次測量結果及其均值的同步性、一致性均較好。

圖2 韓家棚村剖面H2濃度測量結果（a）測線1；（b）測線2Fig.2 Measurements of H2concentration in the Hanjiapeng village section

3.2 斷裂帶土壤氣H2濃度特征

在永興鎮韓家棚村和三蘇木泉卜子村垂直于蠻漢山山前斷裂方向進行了土壤H2濃度測量。從蠻漢山山前斷裂2 個剖面土壤H2濃度[圖3（a），3（b）]可以看出，土壤H2濃度的較高值主要集中在河溝（斷裂帶）附近。韓家棚N1 剖面河溝（斷裂）兩側河流階地H2濃度測值偏高，河溝谷底測值偏低。圖3（a）為2 條測線每個測點測量最大值。由圖3（a）可見，在測距為90—200 m 處出現2 條測線測值反方向變化。測線1 測距120—170 m 處是致密黃土，H2濃度測值較高[圖2（a），3（a）]；測線2 測距150—190 m 處未加集氣桿（集氣桿易被黃土堵塞），H2濃度測值明顯偏高，180 m 處又為致密黃土，故出現異常高值[圖2（b），3（a）]。三蘇木泉卜子村N2 剖面北面是河溝（斷裂），河溝南界即0 m處測點出現H2濃度異常高值，之后測值變化平穩，直到測距130—150 m 處又出現了河溝（次斷裂），使得兩側測值偏高[圖3（b）]。分析發現，岱海斷陷帶主要斷裂的土壤H2濃度特征與活動斷裂內部構造和裂隙發育程度有密切關系。活動斷裂帶內孔隙度十分發育，距活動斷裂帶越遠，孔隙度越小，越不發育。Annunziatellis 等認為（2008），一般情況下在有正斷層斷裂核部或只有單一斷裂面的斷裂帶上，斷裂核部裂隙密度較小，滲透性較低。而破碎帶裂隙密度較大，滲透性較高。土壤氣體的運移受斷裂面或斷裂核部的阻隔，從斷裂核部及斷裂帶兩側破碎帶中的裂隙滲出，使得斷裂帶上的土壤H2濃度曲線表現為雙峰形態[圖3（a），3（b）]。永興鎮韓家棚村N1 和三蘇木泉卜子村N2 斷層都以張性正斷層為主，且破碎帶裂隙發育，滲透性較高。本文研究結果與活動斷裂帶活動性越強，斷裂帶內硅酸巖新鮮破裂面越發育，則產生的H2越多的已有結果（Kita et al，1980，1982；Kameda et al，2004）相吻合。

圖3 4 個觀測剖面H2濃度測量結果（a）韓家棚村剖面；（b）泉卜子村剖面；（c）單臺子剖面；（d）三道溝剖面Fig.3 Measurements of H2concentration in four observation profiles

在雙古城單臺子S1 剖面和六蘇木三道溝S2 剖面垂直于岱海—黃旗海盆地南緣斷裂進行了土壤H2濃度測量。岱海—黃旗海盆地南緣斷裂2 個觀測剖面上共42 個測點，2 個觀測剖面均選在斷裂上盤位置[圖3（c），3（d）]。由圖3（c）、3（d）可以看出，2 個剖面H2濃度測值變化較平穩，只有六蘇木三道溝S2 剖面的130—135 m（加密點）處出現異常高值，其他測點H2濃度測值均在80.00×10-6—200.00×10-6波動變化，其原因可能是加密處為致密黃土，且接近斷裂上下盤界限處。

由圖3 可見，韓家棚村N1 剖面測線1 測值介于1.00×10-6—90.00×10-6，測線2介于1.00×10-6—330.00×10-6；三蘇木泉卜子村N2 剖面測線1 測值介于60.00×10-6—930.00×10-6，測線2 介于90×10-6—560×10-6；雙古城單臺子S1 剖面測線1 測值介于70.00×10-6—150.00×10-6，測線2 介于70.00×10-6—230.00×10-6；六蘇木三道溝S2 剖面測線1 測值介于70.00×10-6—110.00×10-6，測線2 介于50.00×10-6—310.00×10-6。與其他剖面測線的測值相比，韓家棚N1 剖面測線1 測值明顯偏低。使用集氣桿對測線1 進行測量時，集氣孔堵塞是韓家棚N1 剖面H2濃度測值明顯低于其他剖面的主要原因。

4 討論

研究區山前主要以Q4（全新統）地層為主，由于地幔抬升，岱海斷陷盆地的發育主要受蠻漢山山前斷裂和岱海南緣斷裂2 條NE 向正斷層控制。總體上，岱海斷陷帶位于鄂爾多斯塊體的東北端，由（畢珉烽，2012）研究可知，該地區的主壓應力方向為NE 向，與區域構造活動方向一致，即由于青藏高原隆升從SW 側擠壓鄂爾多斯塊體，塊體在北東端表現為NE 方向擠壓的應力場環境。圖4 為4 個觀測剖面H2濃度背景值（均值）與1970 年以來區域2.0 級以上地震活動間的關系。由圖4 可以看出，活動性最強的區域為涼城NE 方向三蘇木及附近。此次測量中斷層H2濃度的最大值、均值也位于北緣斷裂附近的三蘇木泉卜子村。岱海—黃旗海盆地南緣斷裂上的雙古城單臺子S1 剖面H2濃度測值高于六蘇木三道溝村S2 剖面，基本表現出南緣斷裂上西高東低的濃度分布特征。總之，整體表現為斷裂活動性、地震活動性越強，則斷層H2濃度的背景值和均值也越大。這種現象可能是斷層活動及地震孕育過程中，在應力應變作用下地下介質條件發生改變，巖體變形破裂或發生化學反應而導致地球放氣異常（杜建國等，1997；Lombardi et al，2010）。

圖4 4 個觀測剖面H2濃度背景值（均值）與1970 年以來區域地震活動間的關系Fig.4 Relationship between H2concentration background value (mean)and regional seismic activity in 4 observation profiles

5 結論

土壤H2的濃度變化與斷裂及地震活動密切相關，通過對岱海斷陷帶2 條活動斷裂4 個剖面測區的土壤H2濃度測量可以得出以下結論。

（1）2 條斷裂4 個剖面3 次測量結果及其均值的同步性、一致性均較好。

（2）蠻漢山山前斷裂帶韓家棚村N1 剖面H2濃度小于泉卜子村N2 剖面，岱海—黃旗海盆地南緣斷裂單臺子S1 剖面H2濃度大于三道溝S2 剖面。整體表現為斷裂活動性、地震活動性越強，斷層H2濃度的背景值也越大。

（3）岱海斷陷帶2 條主控活動斷裂上斷裂兩側測點的土壤H2濃度明顯大于斷裂河溝谷底測點。

中國地震局地震預測研究所杜建國、李營、周曉成老師在研究過程中給予意見和建議，內蒙古自治區地震局楊彥明、戴勇給予了指導和幫助，在此一并表示感謝。