郯庐断裂带安徽段土壤气体的地球化学特征

郑海刚 方震 周晓成 李军辉 孙玉涛 李玲利

1）安徽省地震局，合肥市长江西路558号 230031

2）中国地震局地震预测研究所，北京 100036

3）中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029

0 引言

跨断层土壤气是地球内部沿着活动板块或块体边界及其它地壳薄弱带向地表迁移释放的气体。监测跨断层土壤气释放浓度的变化，已成为探索地震前兆与地震预测及评价断裂活动性的重要方法（汪成民等，1991；刘菁华等，2006）。国外很多学者从20世纪80年代开始跨断层土壤气研究，目前在断层探测、地震预测以及断层气来源等方面的研究已取得了很多重要成果。如：利用统计学研究意大利中部弗西罗盆地跨断层土壤气的结果表明，气体的异常特征及其演化与断层的产状密切相关（Ciotoli et al，2007）；研究东昆仑-西大滩断裂的土壤气体时发现次级断裂的气体释放与主断裂密切相关（Richon et al，2010）；通过探测跨断层土壤气Rn和He研究台湾北部地区Shan-Chiao断裂的位置（Walia et al，2005）；一些学者对跨断层土壤气体释放的影响因素及与地壳应力调整关系进行了研究（Kumar et al，2012；Fu et al，2005）；还有一些学者提出理论模型分析跨断层土壤气的来源与成因（Yang et al，2005；Etiope et al，2002）。中国学者也相继在海河隐伏断层、海原断裂带、玛曲断裂带、夏垫断裂等利用断层土壤气探测断层的位置、研究断层的活动性（张新基等，2005；邵永新等，2007；周晓成等，2007、2011；赵振燊等，2011；韩晓昆等，2013）以及跨断层土壤气特别是 Rn的浓度变化与地震的关系（杜建国等，1998；王博等，2010），并尝试通过断层土壤气这一手段成功预测地震。

近年来，郯庐断裂带南段及其附近地震活动频次和强度呈现增强趋势，这些地震分布在南黄海、苏中和郯庐断裂带安徽段附近（张月辉等，2013）。因此，在郯庐断裂带安徽段开展跨断层土壤气的监测，以探索地震前兆、大震预测及其与断层活动性的关系。本文通过测量断层土壤气Rn、Hg和CO2浓度，研究了这些气体释放量与断裂空间位置的关系，进一步分析了跨断层土壤气的释放特征，为今后该地区的地震预测及断层活动性研究奠定了基础。

1 地震地质背景

郯庐断裂带安徽段呈 NE向延伸，走向 30°N～40°E，长约为400km，平均宽度 20km，南部最窄处仅数千米，自北向南逐渐由宽变窄。该段介于苏鲁造山带与大别造山带之间，主体上自北向南分别处于扬子板块与华北板块或大别造山带边界上。郯庐断裂带安徽段北部脆性断层自北向南沿嘉山盆地的东、西边界和合肥盆地的西界展布，而南部沿大别造山带东界展布。整个断裂由数条主干断裂组成（图1），分别为合肥-五河断裂、池河-太湖断裂、藕塘-清水涧断裂等（侯明金等，2003）。遵循利于断层活动性强弱对比和野外测量的原则，根据前人的研究成果及卫星影像资料（姚大全等，2012、2014；刘备等，2015），选定的 4个测区分别位于鄌郚-葛沟断裂上的泗县山柏庄（TLSX）、藕塘-清水涧断裂上的明光石门口（TLMG）、肥东龙泉山西坡北部的水准测线附近（TLFD）以及池河-太湖断裂上桐城杨树棵村东南部（TLTC）（图 1）。

2 测量方法

2.1 测量剖面

每个测区布设4条长度相近的跨断层土壤气测量剖面，每条测量剖面长170～440m，剖面间距 10m。在郯庐断裂带安徽段共布设土壤气测量剖面16条，编号分别为 TLSX01～04、TLMG01～04、TLFD01～04、TLTC01～04。测点间距按距断层越近间距越小、距断层越远间距越大的原则设定，每条测线测点之间最小间距5m，一般间距10～30m，最大间距50m。

2.2 测量仪器及方法

土壤气Rn的测量仪器为美国 DURRIDGE RAD7测氡仪，监测范围为4～750，000Bq/m3，检测下限可达0.1pCi/L；土壤气Hg的测量仪器为RA－915＋型塞曼效应汞分析仪，测量范围为 5～20，000ng/m3，分辨率为 0.3 ng/m3；土壤气 CO2测量仪器为 GXH-3010E1型便携式CO2分析仪，测量范围为0%～1.000%，分辨率为0.001%。

上述3种土壤气测量均采用现场观测方式。测量时，首先用钢钎在土壤中打一深80cm的小孔，然后将取样器插入其中，将取样器与土壤之间的缝隙封死；其次，将乳胶管的一端与取样器相连，另一端与气Rn观测仪相接后启动仪器，静置15min后读取观测值（因采样间隔为5min，即读取每个测点的第3个观测值）。最后，启动气Hg观测仪，静置40s抽气，然后将乳胶管的一端与取样器相连，另一端与气Hg观测仪相接，当观测仪器显示瞬间值与均值等时间超过1min或瞬间最高值出现时间超过1min时，以仪器的瞬间最高值为观测值。CO2观测仪直接接于取样器出气口进行土壤气CO2的观测，当仪器测值稳定后读取观测值（周晓成等，2007；李营等，2009）。

2.3 异常判定方法

由于断层的性状、覆盖层的厚度、土壤种类及自然地理环境的原因，目前尚无利用断层气判定断层位置的统一的标准。因此在每个测区布设4条测量剖面，以避免因干扰产生的测量误差；结合安徽地区跨断层土壤气测量的实际情况，将断层的位置作为零点，以测线平均值加减3倍标准差为限，剔除特别高或特别低的测量值之后的平均值作为背景值，以超过背景值的1.5倍标准差作为断层的地球化学异常。

3 结果

3.1 泗县山柏庄测区

该测区位于安徽省泗县山柏庄村西南。探槽揭示出白垩系紫红色砂岩逆冲在晚更新世粘土之上，主断面的产状为走向275°、倾角74°。断层循老断面形成3期逆断层崩积楔，最上层的楔体土层年龄为（138.5±8.3）ka（姚大全等，2012）。本次土壤气测点位于该探槽开挖点南侧，4条测线TLSX01～04与断裂走向垂直，测点分布于断裂两盘。

测量结果显示（图2），测量剖面上Rn的背景值为11.72kBq/m3，标准差为15.07kBq/m3，异常下限为34.33kBq/m3，Rn的地球化学异常出现在断层的下盘，L2剖面异常值最高，达130.00kBq/m3；CO2背景值为0.38%，标准差为0.32%，异常下限为0.86%，L4剖面异常值最高，达 1.67%；Hg测 量 剖 面 背 景 值 为 8.36ng/m3，标 准 差 为 6.58ng/m3，异 常 下 限 为18.23ng/m3，L1剖面 Hg的高值异常出现在断层的上盘，异常高值为 27.00ng/m3，L3、L4剖面未提取到高值异常；L1～L3剖面的Rn和CO2异常离断层较近，L4剖面的Rn和CO2的异常距断层100m以外，两者的浓度曲线相关性较强。

3.2 明光石门口测区

该测区位于安徽省明光市石门口村西北，附近道路一侧有断层剖面出露。该剖面显示，白垩系紫红色砂岩与前震旦纪片岩接触，为正断层，主断面产状为走向30°、倾角40°。断层接触带宽约20cm，接触带上部有少量第四纪坡积物覆盖（图3）。本次土壤气测点位于该断层剖面东北侧，4条测线TLMG01～04垂直于断裂走向布置，测点主要分布于断裂上盘。

图2 泗县剖面的土壤气浓度

图3 藕塘-清水涧断裂带石门口地质剖面图

测量结果显示（图4），测量剖面 Rn的背景值为 11.83kBq/m3，标准差为 10.34kBq/m3，异常下限为27.34kBq/m3。L1剖面Rn的地球化学异常值最高，为60.00kBq/m3；CO2背景值为0.27%，标准差为0.28%，异常下限为0.69%。L3剖面 CO2的地球化学异常值最高，达2.41%，L2剖面未提取到异常；Hg测量剖面的背景值为 7.51ng/m3，标准差为9.45ng/m3，异常下限为21.69ng/m3。L2剖面Hg的地球化学异常值最高，为77.00ng/m3。3种气体的地球化学异常均出现在距断层100m范围以内，CO2和Rn的曲线具有较强相关性。

3.3 肥东龙泉山测区

图4 明光剖面土壤气浓度的测量结果

该测区位于安徽省肥东县龙泉山西坡北部，附近为肥东地震台短水准测线。据肥东地震台建台总结报告可知，短水准测线所经地段自西向东为白垩系张桥组砖红色砂岩、燕山期花岗闪长岩、下元古界上山组片麻岩、大理岩（图5）。在测线范围内有断裂F1、F2，其中断层F1白垩纪红色砂岩与花岗闪长岩接触，逆断层，走向近SN，倾向西，倾角65°左右；断层F2断于白云岩大理岩内，走向60°，倾向 SE，倾角75°。本次土壤气测点位于F1与F2之间，跨过F1断层也有少量测点，4条测线TLFD01～04垂直于断裂走向布置。

图5 肥东地震台水准测线地质剖面

图6 肥东剖面土壤气浓度的测量结果

测量结果显示（图 6），测量剖面 Rn背景值为 20.20kBq/m3，标准差为 13.68kBq/m3，异常下限为40.72kBq/m3，Rn在L1、L3剖面提取到地球化学异常，地球化学异常出现在 F1断层下盘、F2断层附近，高值达60.00kBq/m3；CO2背景值为0.15%，标准差为0.09%，异常下限为0.29%。L4剖面未提取到异常，异常出现在F1断层下盘、F2断层附近，高值为0.46%，CO2和Rn曲线具有强的相关性；Hg剖面背景值为8.38ng/m3，标准差为8.58ng/m3，异常下限为21.25ng/m3，Hg的高值异常出现在断层F2附近，高值达40.00ng/m3，而在断层F1附近Hg的含量较低。

3.4 桐城杨树棵测区

该测区位于安徽省桐城市杨树棵村东南部，据卫星影像发现测点附近存在明显的线性构造。线性构造在大别山东麓显示为深切山麓的山前断裂，断裂两侧地势差异较大，显示两山夹一谷的地貌特征（王小凤，2000）。本次土壤气测点位于山口中，4条测线TLTC01～04横跨谷地，测点分布于断层两盘。

测量结果显示（图7），在测量剖面 Rn的背景值为 11.60kBq/m3，标准差为 6.75kBq/m3，异常下限为 22.62kBq/m3，L1、L3剖面提取到地球化学异常，异常高值为 24.38kBq/m3；CO2剖面背景值为0.91%，标准差为0.57%，异常下限为1.77%，L1、L2剖面提取到地球化学异常，异常高值为2.6%，CO2和Rn曲线具有强的相关性；Hg测量剖面背景值为7.63ng/m3，标准差为6.78ng/m3，异常下限为17.80ng/m3，L4剖面未提取到异常，Hg的高值异常出现在断层上盘，达 37.00ng/m3。

4 讨论

4.1 土壤气是证明郯庐断裂带破裂的重要指标

图7 桐城剖面土壤气浓度测量结果

利用2.3的异常提取方法，在12条测量剖面提取到Rn和C02异常，在13条测量剖面提取到Hg异常，在肥东测区L2、L4和桐城测区L2、L4剖面未提取到Rn异常，在明光L2、肥东L4和桐城L3、L4未提取到C02异常，在泗县L3、L4和桐城L4剖面未提取到Hg异常。在能提取异常的剖面中，土壤气体Rn和CO2的异常带宽度大多小于100m，只有泗县L1、L4剖面的Rn和泗县L4、肥东L2剖面的CO2地球化学异常位置距断层较远，只有8条剖面的土壤气Hg异常出现在距断层100m范围以内，且其中有些测线的异常位置距断层较远。

Rn、Hg、C02都是地震断裂带中的气体成分，Rn是惰性气体，由于其化学性质稳定，故能较准确地反映出地壳内部物质运移情况（孔令昌等，1995），Hg是断裂带活动的指标性元素，地壳深部的Hg在高温高压条件下升华，Hg蒸气能沿破碎带或裂隙向地表迁移，当穿过不同介质（岩石、土壤及水等）覆盖层时，Hg蒸气被介质吸附、吸留或溶解，形成Hg异常。地壳中Hg的来源一般有2种途径，一是直接来源于地壳深部或地幔，二是某些含Hg的硫化物矿床成矿以后Hg蒸气的挥发所致（程鉴基，1997；方震等，2012）。本次测量结果表明，在12条剖面提取到Rn和CO2异常，且在8条剖面的断裂破碎处异常明显，在13条剖面提取到Hg异常，但异常段大多距断裂位置较远。

综上所述，新第三纪以来，郯庐断裂及邻区的构造应力场与老第三纪基本一致，表现为近EW向挤压，在浅层主要表现为新生带褶皱和逆冲推覆构造，第四系沉积逆冲到老地层之上（王小凤等，2000）。郯庐断裂带切穿莫霍面直达上地幔，是上地幔物质上涌的通道，也是断层气释放的有利通道，CO2的异常与Rn的异常对应良好，但自然界中的CO2来源于地幔、碳酸岩变质、有机物分解和地表微生物活动等，通常断裂带中的CO2则来源于这种混合的结果（Lombardi et al，2010）。Hg的浓度曲线与Rn和 CO2的浓度曲线无论是在曲线的形态上还是异常的点位上都相应不明显，且有些异常出现在距断裂较远的位置，如肥东剖面、桐城剖面L1测线。本次测量明光剖面位于石门山东坡，以碎裂岩为主，其它3个剖面位于农田中，由图2、4、6、7可以看出，明光剖面Hg与Rn、CO2曲线的相关性较强，即气体的富集部位较一致，而其它3个剖面，相关性较差，可能是农田里施用肥料和农药，造成土壤中Hg的浓度增加所致（王荔娟等，2007）。

4.2 土壤气Rn在郯庐断裂带肥东剖面富集明显

肥东剖面的土壤气Rn背景值最高，为20.20kBq/m3，在泗县、明光、桐城等剖面，其背景值依次为 11.72kBq/m3、11.83kBq/m3、11.6kBq/m3；桐城剖面 CO2背景值最高，为 0.91%，泗县、明光、肥东等剖面，其背景值依次为0.382%、0.274%、0.148%；4个剖面土壤气Hg的背景值都处于同一个水平，泗县、明光、肥东、桐城分别为 8.36ng/m3、7.51ng/m3、8.38ng/m3、7.63ng/m3。图8为土壤气体4个剖面各个测点的平均值，Rn和CO2分别在肥东和桐城剖面富集明显。Rn由于其化学性质的稳定性，被认为是指示断裂破裂的有利指标。泗县山柏庄曾经发现史前地震遗迹（姚大全等，2012），相对明光石门口断层活动更为强烈；肥东龙泉山位于郯庐断裂带与桥头集断裂交汇处，近现代小地震较多，相对桐城杨树棵近现代断层活动性较强。肥东剖面Rn的富集与近些年来该地区小震活动有关，其它3个测量地点近年来地震活动平静，地震活动加速了气体的释放。4.1节已经说明CO2和Hg的来源受到地表人为活动等多个因素的制约，被认为是指示断裂破裂的参考指标（周晓成等，2011）。

图8 各剖面各种土壤气的组分均值

Rn主要来源于土壤中富含放射性铀、钍系列的岩石。郯庐断裂带肥东段测量区域自西向东主要为白垩系张桥组砖红色砂岩，燕山期花岗闪长岩，下元古界上山组片麻岩、大理岩，钍的平均含量较高，达11ppm（牛漫兰等，2010）。由于该段岩层钍含量较高，高于中国东部碳酸盐平均钍含量（周晓成等，2011），钍放射产生的Rn子体，通过断裂带向上运移可能是该剖面土壤气Rn富集的另一主要成因。

4.3 郯庐断裂带安徽段地下气体的运移机制讨论

地下气体的运移与变化是一个复杂的物理化学过程，其迁移、富集与储存受诸多因素的影响。在其运移变化过程中，既有物理作用也有化学作用，或者在物理化学诸因素的综合作用下进行（Perrier et al，2009）。关于地下气体运移的物理机制，一些学者提出了扩散模式、对流模式（Gold et al，1984）、接力传递作用（吴慧山等，1997）、载气运移机制（Yang et al，2003）等分析深部气体运移的理论机制。接力传递作用指半衰期短的气体由于其母体半衰期很长，而且可以作长距离的运移，母体通过扩散对流等作用方式长距离运移，然后再发生衰变产生子体。载气运移机制指Rn等半衰期短的气体伴随快速运移的载气运移至地表，通常载气为常量气体 N2、CO2、或 CH4等气体或液体（Yang et al，2003）。

Rn是镭、钍和铀衰变的产物，由于其半衰期短，只有3.8天，本征迁移率低，Rn的短距离迁移扩散很容易被观测到，即使有非常富集的来源，其扩散作用运移的最长距离不超过10m（Walia et al，2005）。因此，利用气体的扩散作用很难解释本次4个剖面测量到的大量Rn异常，接力传递作用和载气运移机制解释郯庐断裂带安徽段土壤气Rn的深部运移机制更有说服力。接力传递作用需要在近地表有大量的Rn放射源，本次测量的4个剖面，只有肥东地下岩层钍含量较高，很显然接力传递作用也很难解释Rn的异常高值。Fu等（2005）在研究台湾南部地区活动断裂带He和Rn的变化关系时，观测到He、Rn和CO2有强的相关性，认为He、Rn以CO2作为载气运移至地表。图9为安徽段各剖面的土壤气浓度。由图9可知，本次测量结果中土壤气体Rn与CO2有很强的相关性，可以推测CO2作为载气，地球深部Rn伴随着CO2载气向上运移。

图9 安徽段各剖面的土壤气浓度

5 结论

郯庐断裂带安徽段跨断层土壤气Rn、Hg、CO2的测量结果表明：

（1）土壤气Rn、Hg、CO2的浓度变化对断层位置都具有一定的指示作用。Rn由于其化学性质的特殊性，被认为是指示断裂位置的有利指标，与断层位置的对应关系明显；Hg与断层位置的对应关系出现偏差，可能受到地表活动的影响；CO2由于来源的多样性，其上升过程中可能受到地表物质的混染作用。

（2）土壤气Rn在肥东测区富集程度最高，郯庐断裂带肥东段以白垩系张桥组砖红色砂岩，燕山期花岗闪长岩，下元古界上山组片麻岩、大理岩为主，钍的平均含量较高，较高的钍为Rn高值异常的形成提供了放射源，近年来，肥东的小震活动加速了断裂带中气体的释放。

（3）Rn和CO2的浓度曲线在形态上强相关，Hg的曲线变化与 Rn和 CO2不一致，可能暗示着Rn和CO2在气体的来源深度和运移机制上有一定联系，气体的载气运移机制说明Rn和CO2在形态上强相关，为郯庐断裂带安徽段深部气体的运移提出了较为合理的解释。

在郯庐断裂带安徽段开展跨断层土壤气测量工作尚属首次，测量结果对积累该段土壤气浓度背景值、判定各种气体对断层的指示作用有重要意义，也为该区段构造地球化学研究奠定了一定的基础。但本文主要借鉴前人的一些研究成果对郯庐断裂安徽段的土壤气特征进行分析，且只进行了一期观测，研究还是初步的，还需要开展复测工作，积累数据，以使分析研究结果更为客观。