郯庐断裂带山东段土壤气体地球化学特征

刘永梅王华林王纪强周晓成孙玉涛陈 志1）中国呼和浩特010010内蒙古自治区地震局2）中国济南250021山东省地震工程研究院3）中国北京100036中国地震局地震预测重点实验室4）中国北京100029中国科学院地质与地球物理研究所



郯庐断裂带山东段土壤气体地球化学特征

刘永梅1)王华林2)王纪强2)周晓成3)孙玉涛4)陈 志3)
1）中国呼和浩特010010内蒙古自治区地震局2）中国济南250021山东省地震工程研究院3）中国北京100036中国地震局地震预测重点实验室4）中国北京100029中国科学院地质与地球物理研究所

摘要断裂带土壤气浓度测量是活动断裂地震危险性评价的重要手段之一。根据郯庐断裂带山东段安丘—莒县断裂和黄线弧形断裂断层土壤气中Rn、CO2和Hg的浓度，探讨断层气体地球化学特征。测量结果表明：安丘—莒县断裂Rn、CO2和Hg的浓度异常明显，且Rn和CO2的浓度异常具有较好的相关性。郯庐断裂带山东段沂沭断裂土壤气中，Rn和CO2浓度异常沿断裂由南向北变小，二者浓度异常与断裂活动性有一定关系。

关键词Rn；CO2；Hg；土壤气；地球化学；郯庐断裂山东段

E-mail：bxiiwangg@126.com

本文收到日期：2015-04-15

0 引言

地球内部存在大量气体并不断往外释放气体（King，1986；汪成民等，1991；Du et al，2008），这些气体主要有Rn、Hg、CO2、He、H2、O2、Ar、N2和CH4等(Lombardi et a1，1990；King et a1，1996)，气体地球化学方法在活动断层研究方面起重要作用（汪成民等，1991） 。活动断层是气体和液体迁移的有利部位，活动断层带内裂隙充填物越松散，其裂隙导气性越好（孟广魁，1997）。在对汶川地震陡坎附近土壤气He、H2、CO2、Rn等研究中发现，陡坎处气体地球化学出现明显高值异常，可见，地震破裂带土壤中气体浓度异常可能与余震活动和区域应力场变化有关（周晓成等，2012）。

安丘—莒县断裂是沂沭断裂带的主要活动断裂，是沂沭断裂带中活动时代最新、活动强度最大的一条断裂（王华林，1996），对强震的发生具有明显的控制作用（王志才等，2005）。黄县弧形断裂是鲁东断块陆域发现的最为典型的晚更新世活动断裂（王华林，2008）。因此，本次研究区域选择安丘—莒县断裂和黄县弧形断裂带辛庄段，讨论气体地球化学特征及与断层的关系，对于地震预报和地震安全性评价工作具有重要意义。

1 地震地质

郯城—庐江断层带（简称郯庐断裂带）是中国东部的一条NNE走向的巨型断裂，在中国境内长达2 400多千米，从渤海中部穿过，在山东省内区段称为沂沭断裂带。沂沭断裂带由4条断裂组成，从东到西分别为：昌邑—大店断裂、安丘—莒县断裂、沂水—汤头断裂和鄌郚—葛沟断裂。其中安丘—莒县断裂为区内规模最大的断裂之一，总体呈10°—20°方向延伸，北起安丘市穆村镇，经安丘白芬子、诸城市孟疃、茅埠、青峰岭、莒县一线。断裂主要有2支：①白芬子—浮来山断裂，为八亩地组形成以前的压扭性平移断裂，该组形成以后活动性减弱，并被长期改造，区域上连贯性差；②安丘—莒县方向断裂，是大盛群沉积时形成、新生代仍活动的断裂，区域上延伸稳定且较平直，目前多发育在大盛群及王氏群红土崖组中，反映了安丘—莒县断裂随着盆地扩展相对位置向盆地内部迁移，安丘—莒县断裂宽度0.5—2.5 km，若包括早期形成的白芬子—浮来山断裂，宽度可达4—6 km，有1组相互平行断面构成断裂构造带，不同区段断裂特征存在差异（宋明春等，2003）。根据断裂活动性的最新研究成果，认为安丘—莒县断裂仍是占主导地位的活动断裂，与1668年的郯城81/2级地震和公元前70年安丘7级地震的发生具有密切关系（王志才等，2005；王华林等，1998）。黄县弧形断裂位于胶辽断块内，渤海强震构造区东南部。具体构造位置位于郯庐断裂带东侧，渤海—威海断裂带南侧（图1）。黄县弧形断裂距郯庐断裂最东侧的昌邑—大店断裂约30 km，断裂走向由北段的北东东向转为南段的北北东向，其中，北段断裂组成黄县盆地南部边界，称为黄县断裂，而南段断裂控制着花岗岩和金矿矿化带及第四系和第三系的分布。本文研究重点是北东东向黄县弧形断裂，断裂走向20°—30°，倾向西，倾角70°—80°。断裂北端与黄县断裂相交，向南经黄山馆镇东、辛庄镇、金岭镇东、朱桥镇和苗家镇，空间上表现为微向西突出的弧形展布，全长约45 km。黄县弧形断裂的活动长度、位移量和滑动速率等均较大，可以认为黄县弧形断裂是鲁东断块陆域发现的最为典型的晚更新世活动断裂（王华林等，2008）。本文研究重点是安丘—莒县断裂和黄县弧形断裂的局部断裂，详见图1。

图1　安丘—莒县断裂和黄县弧形断裂测线布置（据晁洪太等，1997）Fig.1 The location of survey lines across the Anqiu-Juxian fault and the Huangxian arc fault (modi fi ed after Chao et al, 1997)

2 测量布线及方法

在郯庐断裂带山东段布设5条测线，4条在安丘—莒县断裂上，1条在黄县弧形断裂上。在安丘地震台附近布设1条测线C1，在潍坊市何家村布设2条测线C3、C4，C3、C4测线间距5 m，潍坊市眉村布设1条测线C2，招远市辛庄镇布设1条测线C5，共77个测点（表1）。测线垂直断层走向进行测点的布设，各测线测点间距20 m。野外现场测量断裂带土壤气中的CO2、Rn和Hg浓度。野外采样是在测点处打孔，深度约80 cm，将取样器置于孔内，封住孔口，然后进行取样。气汞用RA-915+型塞曼效应汞分析仪现场抽气测量，检测限1 ng/m3；CO2使用便携式红外线CO2分析仪现场抽气测量，CO2的检测限是10 ppm；气氡是用RAD7测氡仪现场抽气测量。土壤气体组分的浓度测值误差均小于10%（Zhou et al，2010）。

表1　郯庐断裂带山东段土壤气体（Rn、CO2和Hg）测线位置、长度和测点数Table 1 Main parameters of soil gas (Rn，CO2and Hg) survey lines that across the eastern segment of the Tancheng-Lujiang fault zone

3 结果

3.1 土壤气体浓度平均值和异常界限

野外现场测量断裂带土壤气中Rn、CO2和Hg浓度数据。郯庐断裂带山东段土壤气体（Rn、CO2和Hg）浓度平均值和最大值见表2。在安丘测线，土壤气中Rn和Hg浓度的平均值和最大值高于其他测线；在眉村段测线，土壤气中Rn、CO2和Hg浓度的平均值和最大值最低；在辛庄测线，土壤气中Rn和Hg浓度的平均值和最大值仅次于安丘—莒县断裂安丘测线，而CO2浓度的平均值和最大值高于其他测线。郯庐断裂带山东段土壤气体（Rn、CO2和Hg）浓度异常界限计算方法是，平均值加1倍标准偏差。

表2　郯庐断裂带山东段土壤气（Rn、CO2和Hg）浓度平均值和异常界限Table2 The average concentrations and the anomaly thresholds of soil gas (Rn, CO2and Hg) across the eastern segment of the Tancheng -Lujiang fault zone

3.2 土壤气体浓度异常特征

在安丘—莒县断裂C1测线土壤气Rn、CO2和Hg浓度分布见图2，由图2可知：Rn在测线断裂位置140 m处，240 m和300 m处出现单点异常，其他测点Rn浓度变化范围不大；CO2在测线220—260 m处呈单峰异常，240 m处出现1.43%的异常高值，在该剖面浓度变化范围为0.11%—1.43%，衬度达3.6；Hg在测线0 m处出现34 ng/m3的异常高值，40 m处出现小幅单点异常，在该剖面浓度变化范围为（1—34）ng/m3，衬度达4.4。

在安丘—莒县断裂C2测线土壤气Rn、CO2和Hg浓度分布见图3，由图3可知：Rn浓度在测线0—20 m处出现小幅异常，在140 m和300 m处出现单点异常，其他测点变化范围不大；CO2在测线0 m处出现单点异常；Rn和CO2的浓度测值变化相关性较高；Hg在该剖面的浓度变化范围为（1—34）ng/m3，衬度达4.4；Hg在C2测线0 m处出现8 ng/m3的异常极高值。

图2　安丘—莒县断裂安丘地震台附近土壤气Rn、CO2和Hg浓度分布Fig.2 Rn, CO2and Hg concentrations in Anqiu Seismic Station along the Anqiu-Juxian fault

图3　安丘—莒县断裂眉村镇附近土壤气Rn、CO2和Hg浓度分布Fig.3 Rn, CO2and Hg concentrations in the Mei village along the Anqiu-Juxian fault

土壤气组分不同，土壤类型不同，何家村测线土壤大部分是粘土夹砂土。在安丘—莒县断裂何家村附近平行布设C3、C4测线，野外现场测量断裂带土壤气中的Rn和CO2浓度。Rn在测线C3的断裂位置处出现明显异常值，其他测点Rn浓度变化范围不大，仅在370 m处出现小幅单点异常，C4断裂位置处出现明显的异常值，其他测点Rn浓度变化范围不大。CO2在测线C3上210—280 m处呈小幅双峰异常，在C4测线上210 m处出现单点异常，其他测点CO2浓度变化范围不大（图4）。由图4可见，Rn和CO2的浓度测值变化相关性较高。

在黄县弧形断裂C5测线土壤气Rn、CO2和Hg浓度分布见图5，由图5可知：Rn在180 m和220 m处出现单点异常，其他测点Rn浓度变化范围不大（图5）；CO2在180 m和220 m处出现单点异常，浓度变化范围为0.07%—1.78%，衬度达3.1；Hg在测线20 m和140 m处出现单点异常；Rn和CO2的浓度测值变化相关性较高。

Rn、Hg的浓度平均值和最大值在安丘—莒县断裂安丘地震台附近剖面上测值最高，分别为21.39 kBq/m3、7.8 ng/m3及48.58 kBq/m3、34 ng/m3。CO2浓度平均值和最大值在黄县弧形断裂辛庄剖面上测值最高，为0.57%和1.78%。总体而言，Rn、Hg在安丘剖面的异常幅度最大，辛庄、眉村、何家村剖面浓度峰值依次降低，CO2在辛庄剖面的异常幅度最大，安丘、眉村、何家村剖面浓度峰值依次降低。

图4　安丘—莒县断裂何家村附近土壤气Rn和CO2浓度分布Fig.4 Rn and CO2concentrations in the Hejia village along the Anqiu-Juxian fault

图5　黄县弧形断裂辛庄附近土壤气Rn、CO2和Hg浓度分布Fig.5 Rn, CO2and Hg concentrations in Xinzhuang village along the Huangxian arc fault

4 讨论

4.1 土壤气体异常与断裂空间位置的映对

C1测线和C3、C4测线土壤气的Rn和CO2浓度出现单峰形态，C5测线在断裂带内土壤气的Rn、CO2和Hg浓度出现双峰形态，有明显异常。由于Rn、Hg异常的形成与活断层的规模大小、活动程度、断层倾向及倾角、破碎带宽度、充填物的透气性、覆盖层厚度等因素有关，同时受气候条件、地貌、植被影响（Xie et al，2004），所以形成的异常曲线形态各异。C1测线在断裂带上出现异常值，还在240—300 m处出现Rn、CO2异常高值，Rn异常浓度最高达48.58 kBq/m3，可能是因为第四纪覆盖物与深部基岩存在良好贯通，在一定程度上反映了断层的活动性强。在C1测线0 m处，Hg出现单点异常，而Rn、CO2浓度在异常界限之下，因此推断此处Hg异常与断裂无关。C2测线在0 m处，Rn、CO2和Hg出现单点异常，且异常空间位置较一致（图3），推断该范围内气体异常由断裂引起，可能有次级断裂生成。C3测线的断裂带上Rn出现异常，在测线280 m和370 m处，CO2和Rn出现异常。断裂带内土壤气中Rn和CO2的浓度变化相关性较高，主要是因为，土壤气中CO2作为Rn的载气，携带Rn从深部运移到地表（表2）。分析野外现场测量断裂带土壤气中的Rn、CO2和Hg浓度分布图（图2—图5），两条断裂带5条测线内土壤气中Rn和CO2的浓度变化相关性较高，主要是因为，地球内部逸出气体，如CO2、CH4等运移速度快（Yang et al，2003；Fu et al，2008），可以作为Rn的载气，将地球深部的Rn运移至地表，造成土壤气CO2浓度和Rn浓度相关性较高。在意大利Fucino平原东部和西部，土壤气CO2浓度和Rn浓度相关系数分别可达0.7和0.5（Ciotoli et al，2007）；在中国台湾南部Hsinhua断层，二者相关系数达0.49（Walia et al，2010）；在唐山断裂，二者相关系数高达0.81（Li et al，2013）。C5测线是断裂两侧有异常，且异常空间位置较一致（图5）。由郯庐断裂带东侧黄县弧形断裂剖面（王华林等，2008）可知，该断裂核部由断层泥和碎裂碎粉岩组成，渗透性低，而断裂两侧的破碎带主要由破裂的岩石组成，渗透性较高，气体受到断裂的阻隔，从断层两侧裂隙溢出，所以土壤气Rn、CO2和Hg浓度呈现双峰模式。

4.2 断裂活动性分析

由于C2测线和C3、C4测线基本属于研究区同一部分，处于前第三系和第四系接壤地层，而C1测线处于前第三系地层，所以将安丘—莒县断裂上4条测线分为2段，即C1测线为安丘—莒县断裂安丘段， C2、C3、C4测线为安丘—莒县断裂眉村段。根据野外现场测量断裂带土壤气中的Rn、CO2和Hg浓度数据，计算安丘段三者浓度平均值分别为21.39 kBq/m3、0.4%、7.8 ng/m3，最大值分别为48.58 kBq/m3、1.43%、34 ng/m3；眉村段三者浓度平均值分别为15.94 kBq/m3、0.3%、2.2 ng/m3，最大值分别为37.36 kBq/m3、0.63%、8ng/m3。可见，安丘—莒县断裂安丘段Rn、CO2和Hg浓度平均值和最大值均大于眉村段。与王华林等（1998）给出的“沂沭断裂沿断裂发生的地震强度由南东向北西衰减，沿断裂由南东向北西变小”的结论基本一致。

黄县弧形断裂C5测线上土壤气体（Rn、CO2和Hg）浓度平均值和最大值分别为17.5 kBq/m3、0.57%、5.6 ng/m3和36.35 kBq/m3、1.78%、13 ng/m3，而安丘—莒县断裂安丘段C1测线土壤气体（Rn、CO2和Hg）浓度平均值和最大值分别为21.39 kBq/m3、0.4%、7.8 ng/m3和48.58 kBq/m3、1.43%、34 ng/m3。可见，安丘—莒县断裂的土壤气体（Rn、Hg）浓度平均值和最大值均高于黄县弧形断裂测值，因此推断黄县弧形断裂内CO2浓度异常可能是由于地表生物活动较强、有机物分解较高等因素引起，与断裂活动无关。

5 结论

在安丘—莒县断裂北段进行土壤气测量，结果表明：①安丘—莒县断裂安丘段具有明显的土壤断层气异常显示，在5条测线上均出现峰值异常区域。从测量结果可知，3条剖面所出现的区域与断层出露位置具有较好的对应关系；②断裂带土壤气中Rn和CO2的浓度变化相关性较高；③郯庐断裂研究范围中安丘—莒县断裂安丘段断裂土壤气中Rn、CO2和Hg浓度高于安丘—莒县断裂眉村段，安丘—莒县断裂土壤气中Rn和Hg浓度高于黄县弧形断裂，与王华林等（1998）给出的沿断裂由南东向北变小结论基本一致；④断层土壤气中Rn、CO2和Hg的浓度异常与断裂活动性有一定关系。

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Geochemical characteristics of soil gas (Rn, CO2and Hg) in the Shandong section of Tanlu fault zone

Liu Yongmei1)，Wang Hualin2），Wang Jiqiang2），Zhou Xiaocheng3），Sun Yutao4）and Chen Zhi3）
1) Earthquake Administration of Inner Mongolia Autonomous Region， Hohhot 010010， China 2) Institute of Earthquake Engineering of Shandong Province，Jinan 250014， China 3) Key Laboratory of Earthquake Prediction， China Earthquake Administration， Beijing 100036， China 4) Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences， Beijing 100029， China

Abstract

Measurement of soil gas concentration is one of the most important means of seismic hazard assessment of the fault zone. According to the concentration of Rn， CO2and Hg in the Anqiu – Ju County fault zone， geochemical characteristics were discussed. The results show that the maximum concentrations of Rn， CO2and Hg in the fault zone reached 48.58 kBq/m3， 1.43% and 34 ng/m3， respectively. The concentration of CO2and Rn had good positive correlation in the fault zone. The abnormal concentration of Rn and CO2decreased from South to North along Tanlu fault in Shandong Province. There may be a certain relationship between the concentration anomaly and fault activity.

Key words：Rn，CO2，Hg，soil gas，geochemistry，Tanlu fault zone in Shandong Province

doi:10. 3969/j. issn. 1003-3246. 2016. 01. 010

基金项目：国家科技支撑计划专题——郯庐地震带中段地震活动规律及地震危险区判定研究（2012BAK19B04-01）及中国地震局地震预测研究所基本科研业务费专项部门任务专项（2014IES0303）共同赞助

作者简介：刘永梅 (1983— )，女，蒙古族，山西省朔州市右玉县人，助理工程师，学士学位，现从事地震监测工作。