六盘山东麓断裂带土壤气体He浓度的空间分布特征及其与构造活动之间的关系.pdf
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1、六盘山东麓断裂带土壤气体 浓度的空间分布特征及其与构造活动之间的关系 地震地质,六盘山东麓断裂带土壤气体 浓度的空间分布特征及其与构造活动之间的关系张文亮)李营)刘兆飞)胡乐)路畅)陈志)韩晓昆)中国地震局地震预测研究所,中国地震局地震预测重点实验室,北京 )天津大学,地球系统科学学院,表层地球系统科学研究院,天津 摘要断裂带土壤气体地球化学特征与区域构造演化密切相关。文中为探讨六盘山东麓断裂带土壤气 浓度的空间分布特征及其与构造活动之间的关系,在六盘山东麓断裂跨断层布设了 条土壤气测量剖面,沿测线开展土壤气 浓度的测量;同时,为进行对比分析,选择位于六盘山东麓断裂以东 的小关山断裂布设 条跨
2、断层土壤气测量剖面,沿测线开展土壤气 浓度的测量。测量结果显示,六盘山东麓断裂各测量剖面的 浓度平均值为 ;小关山断裂各测量剖面的 浓度平均值为 。条断裂的 浓度在空间分布上均呈现出断裂北部高于断裂中南段的特征,这与断裂的区域活动性差异密切相关。结合前人对六盘山东麓断裂活动时代、闭锁程度、滑移速率、构造应力的研究成果,分析表明六盘山东麓断裂北段的活动性强于断裂中南段。经对比分析认为,六盘山东麓断裂和小关山断裂的构造演化过程相似,且断裂性质均为逆冲型,因此 条断裂土壤气 浓度的空间分布特征一致。关键词土壤气氦地球化学构造活动六盘山东麓断裂带中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期 收稿,改
3、回。基金项目 国家自然科学基金()、高压物理与地震科技联合实验室开放基金()、中国地震局地震预测研究所基本科研业务专项()和联合国教科文组织国际地球化学计划 项目共同资助。通讯作者:李营,男,年生,研究员,主要从事与构造、地震有关的流体地球化学工作,:。引言断裂带土壤气体地球化学特征与区域构造演化、地震活动密切相关(,;郭正府等,;,)。是 、衰变得到的产物,是最轻的惰性气体元素,在地壳中的丰度为 (王登红等,)。鉴于其具有较高的化学惰性、扩地震地质 卷散性、迁移性及水中的低溶解性(,;王永才等,;,),能够沿着裂隙从地下深部运移至地表(高小其等,;,)。地壳中 的逸出水平总体受控于地壳应力作
4、用(孔令昌等,),地震的发生是地壳应力应变发生改变的过程,地震形成的破裂或破碎带有利于地壳 的释放(,;,;,)。前人通过分析意大利 断裂带 间的地震目录,计算了地震成因的断裂带 的输出情况;结果表明,低震级的地震有效促进了地壳 的输出;地壳 的输出量与断裂带岩石损伤体积之间存在着定量关系(,)。意大利北部地震活跃地区 泥火山系统挥发物的脱气研究结果显示,局部地震活动的应力场导致岩石微破裂增加,进而使得岩石中的 释放(,)。由此可见,土壤气 是一种有效的示踪剂,可用于研究危险地震发生前的过程。监测地震活动区的 可能能够提供活动构造导致应力场改变的证据,有助于更好地了解区域范围内的地震成因过程。
5、六盘山地区位于鄂尔多斯块体与青藏高原东北缘之间,是南北地震带北段的重要组成部分(张培震等,;史志刚等,)。该区中强地震活动频繁,历史上曾发生过多次 级以上强震(柴炽章等,)。前人的研究表明,六盘山东麓断裂各段的活动时代、闭锁程度、滑移速率、构造应力等均存在差异(向宏发等,;张秉良等,;,;,);而小关山断裂位于六盘山东麓断裂以东,两者的构造演化过程相似(邓起东等,;,)。土壤气 具有对应力、应变作用敏感的特征,可用于研究危险地震发生前的过程和断裂活动性差异。因此,本文测量了六盘山东麓断裂土壤气 的浓度,分析其土壤气体 的地球化学特征,并探讨了土壤气体 与断裂构造活动性之间的关系。同时,为进行对
6、比研究,也测量了小关山断裂土壤气 的浓度。区域地质背景六盘山东麓断裂位于青藏高原东北缘(图 ),展布于海原断裂和陇县 宝鸡断裂之间,是南北地震带中主要的活动构造(邓起东等,;谢富仁等,;张培震等,;,)。新生代以来,青藏高原的物质侧向扩展被北部的阿拉善块体和东部的鄂尔多斯块体所阻挡。因此,通常认为它们之间的碰撞是构造应力的主要来源,并导致该地区地壳变形强烈、地震活动频发(,;张晓亮等,)。根据断裂走向、几何结构、活动时代、活动幅度与位错速率等,前人将六盘山东麓断裂划分为北、中、南 段(图 )(向宏发等,)。北段为曹家河开城段,断裂走向约为 ,长约 ,其北段与海原断裂相接,以逆走滑为主;中段为杨
7、家岭香水店段,断裂走向 ,长约 ,以逆冲为主;南段为香水店新民段,断裂总体走向 ,长约 ,也以逆冲为主。该断裂是一条第四纪以来的活动断裂,断裂北段的最新活动从晚更新世一直延续到全新世,其水平位错速率为 ,垂直位错速率为 ;断裂中段在晚更新世早、中期有活动,晚更新世晚期以来活动不明显,中段的水平位错不明显,垂直位错速率为 ;断裂南段的活动时代主要为中更新世晚期晚更新世早期,晚更新世中期以来活动不明显,其水平位错速率较小,仅为 ,垂直位错速率为 (向宏发等,)。断裂的上盘地层为白垩纪六盘山群砂岩、泥质粉砂岩,断裂的下盘地层主要为古近纪红层和第四纪冲、洪积物(邓起东等,;,)。地球物理学研究期张文亮
8、等:六盘山东麓断裂带土壤气体 浓度的空间分布特征及其与构造活动之间的关系图 研究区的构造简图、地质图及地质剖面图 ,改自文献(邓起东等,;,;向宏发等,)地震地质 卷表明,断裂现今的逆冲滑移速率亏损高值区主要集中在北段(郝明等,);断裂各段的闭锁程度、滑移速率、现今的小地震活动和 值等都存在差异(,;,;杜方等,;蒋锋云等,)。小关山断裂位于六盘山东麓断裂以东,两者相距约 ,走向近平行(图 )。该断裂倾向,倾角约为 ,白垩纪六盘山群砂岩、泥质粉砂岩向 逆冲于古近纪红层之上。六盘山地区构造演化过程可以分为 个阶段,而六盘山东麓断裂的演化贯穿了这 个阶段,小关山断裂的演化经历了后 个阶段(邓起东等
9、,;,)。地球物理学研究也表明,六盘山东麓断裂连接着深部主滑脱带,小关山断裂连接着浅层滑脱带(,;,;杜方等,)。因此,小关山断裂的构造演化与六盘山东麓断裂相似,但其切割深度等与六盘山东麓断裂存在差异。测量方法 测点布设 年 月,在六盘山东麓断裂和小关山断裂上共布设 条跨断裂土壤气测量剖面(图 ),在每个测量剖面上布设 、条测线,测线间距为 ,点距为 ,共有 条测线、个测点,本工作对其进行了土壤气 浓度的现场测量(图 )。图 土壤气浓度布点示意图 在六盘山东麓断裂上布设了 条土壤气测量剖面,从北到南依次为孙永庄()、海家庄()、杨岭村()、六盘村()、大庄村()、森林公园()、西贤()和刘店(
10、)。受地形因素影响,除在大庄村()剖面上布设了 条测线外,在其余各剖面上布设了 条测线。在小关山断裂上布设了 条土壤气测量剖面,从北到南依次为乃家河()、蒿店()和羊槽村(),在每个剖面上布设 条测线。测量方法近地表土壤气体中的 浓度受风速等因素的影响会出现波动,但在深约 处,土壤气 的浓度基本稳定(,)。土壤气 浓度的测量方法详见文献(周晓成等,;李营等,)。在测量过程中,首先在测点处用钢钎打一个直径为 、深 的孔洞,再将空心采样杆置于孔内,封住孔口,密封后进行取样测量。的浓度由 型便携式气相色谱仪测定,首先用气密针直接从管路中取约 气样,然后注入气相色谱仪进行测期张文亮等:六盘山东麓断裂带
11、土壤气体 浓度的空间分布特征及其与构造活动之间的关系量,这样操作可有效避免空气对样品的污染(韩晓昆等,),该仪器的测量误差为 ,的检测限为 。测量结果以各剖面测点的平均值作为背景值,以平均值 倍标准差作为阈值,可有效限定每条测量剖面浓度异常的上、下界限(张慧等,;鲍志诚等,)。测量得到的土壤气 浓度结果见表 和图 。表 土壤气 浓度的测量结果 剖面测点数均值标准差最小值中位数最大值 异常上界异常下界孙永庄 海家庄 杨岭村 六盘村 大庄村 森林公园 西贤 刘店 乃家河 蒿店 羊槽村 注 的浓度单位为 ;为第 个四分位数;为第 个四分位数。从表 和图 中可以看出,六盘山东麓断裂土壤气 的浓度范围为
12、 ,浓度的最大值出现在 剖面上,浓度的最小值出现在 剖面上;个剖面的土壤气 浓度平均值为 ,剖面土壤气 浓度的平均值最大,剖面土壤气 浓度的平均值最小。六盘山东麓断裂北段(、)土壤气 浓度的平均值为 ,中段(、)土壤气 浓度的平均值为 ,南段(、)土壤气 浓度的平均值为 ,其土壤气 的浓度从北到南逐渐降低。小关山断裂土壤气 的浓度范围为 ,浓度的最大值和最小值都出现在 剖面上;土壤气 浓度的平均值为 ,剖面土壤气 浓度的平均值最大,剖面土壤气 浓度的平均值最小。讨论 土壤气 浓度的空间分布特征活动断裂具有较高的孔隙度和渗透率,是深部气体向上运移的优选通道,因此在断裂及薄弱地带,地球内部的气体更
13、容易逸出到地球表面(,;周晓成等,;,),从而可在地表观测到气体地球化学异常现象(,;,;李营等,;赵元鑫等,)。地震地质 卷图 研究区土壤气 浓度变化的箱线图 断裂带土壤气的浓度除受到断裂因素的影响外,还会受到深部基岩、土壤类型、气象条件等因素的影响(,;,;,)。本次测量在 月份进行,测量期间降雨少,气象条件相对稳定;据地质图和地质剖面图(图 )可知,条断裂的区域深部基岩及地层岩性一致。因此,上述因素对断裂带气体测量结果的影响可忽略不计。在本次测量中发现,六盘山东麓断裂和小关山断裂的土壤气 浓度表现出相似的空间分布形态。条断裂各个剖面土壤气 浓度的最大值基本稳定,但六盘山东麓断裂各个剖面土
14、壤气 浓度的平均值从北向南有逐渐减小的趋势:剖面的平均浓度值最大,剖面的平均浓度值最小,其余各个剖面的平均浓度值相差较小。在小关山断裂各个剖面土壤气 浓度的平均值中,断裂北部的 剖面平均值最大,断裂南部次之,中部最小。此外,六盘山东麓断裂各个剖面 的平均值在断裂北段的起伏波动较大,在断裂中南段则相对稳定(图 )。六盘山东麓断裂和小关山断裂的上、下盘岩石都为低 和 含量的沉积岩,而 是 和 衰变得到的产物;且 条断裂均为逆冲断裂,相较于走滑断裂和正断裂脱气强度较差。前人利用 数据对六盘山断裂构造变形特征的研究表明,在断裂附近基本没有发生地壳缩短,存在一定量的挤压应变积累,形成了相对闭锁的趋势(李
15、强等,);条断裂的土壤气 浓度总体较低,且最大值基本稳定,因此岩石类型、断裂性质及相对闭锁可能是造成这一特征的重要原因。基于 速度场的有限元数值模拟结果显示,六盘山断裂北段运动差异明显,中南段运动相对稳定,表明六盘山东麓断裂各段近地表的构造变形加载和应力积累水平期张文亮等:六盘山东麓断裂带土壤气体 浓度的空间分布特征及其与构造活动之间的关系图 六盘山东麓断裂和小关山断裂各个剖面的 浓度空间分布 有所差异(张晓亮等,);而土壤气 浓度在断裂北段波动起伏较大,在断裂中南段相对平稳,可能是受到近地表的构造变形和应力积累控制。六盘山东麓断裂上盘地层走向为 ,在断层附近通常发育 向的小褶皱,但在六盘山断
16、裂沿线的 个区域(即海家庄北部和杨岭村)少数褶皱呈 走向,尤其是在海家庄附近发现六盘山断裂附近的向斜向 翻转;六盘山断裂下盘岩石被折叠成下盘向斜,其轴向轨迹与逆冲断层大致平行(邓起东等,;,)。褶皱的核部往往节理比较发育,若内部节理发育,则将增加断层面的渗透率和孔隙度,从而为深部气体提供运移的通道(,;,)。地下气体组分的变化也能反映地壳应力、应变的状态(车用太等,;李营等,;王喜龙等,)。因此在海家庄附近,断裂附近岩石变形强烈、裂隙发育,其对局部应力、应变的感知更为敏感,可能是造成海家庄剖面土壤气 浓度最高的重要原因;杨岭村附近裂隙发育,岩石变形弱于海家庄剖面,其气体更容易向空气中释放,但对
17、应力、应变的响应低于海家庄剖面,可能是造成杨岭村剖面土壤气 浓度最低的原因。土壤气 浓度与断层活动性的关系对于同一条断裂,由于其不同区段的活动性差异,会使得其脱气强度不一致。一般而言,在活动性强的区段土壤气浓度的测值较高,反之则较低(,;韩晓昆等,;杨江等,)。对于不同的断层,由于断层所处的区域地质背景、断裂活动性不同,其土壤气的背景值往往也不同(刘兆飞等,)。应力和应变的变化也会引起断裂带土壤气浓度的变化(,),岩石中 的释放与岩石中现存的应力状态、应变积累相关,尤其是在应力集中的区带或岩石体积破坏的区带,的释放更加明显,且会随着应力带的迁移而迁移(,;,)。地震地质 卷在本次测量中发现,六
18、盘山东麓断裂和小关山断裂土壤气 的浓度空间分布相似,均在断裂北部较高,在断裂中南部较低,这与前人的研究结果一致。六盘山东麓断裂活动的时代北新南老,水平位错和垂直位错也呈北强南弱的趋势(向宏发等,;张秉良等,)。同样地,速度场分析的结果显示,年,六盘山东麓断裂的逆冲滑移速率亏损高值区()主要集中在断裂北段(郝明等,)。六盘山断裂各段的闭锁程度、现今小地震活动性也不相同,断裂北段仅在浅部有一定程度的闭锁,小地震活动密集且主要集中在深部滑脱带()及浅部()个深度范围上;断裂中南段的闭锁程度高,与北段相比现今小地震活动稀疏,且缺少 的浅层小地震(杜方等,;蒋锋云等,)。基于 速度场的有限元数值模拟计算
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