2017年8月9日精河MS6.6地震宏观烈度及其余震分布的断层气体地球化学表征

朱成英 闫 玮 麻 荣 李志海 汪成国 黄建明 周晓成

1)新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐 830011 2)深圳防灾减灾技术研究院，深圳 518003 3)中国地震局地震预测研究所，北京 100036 4)宁波市应急管理局，宁波 315066

0 引言

土壤气体地球化学在矿产勘查、 确定断层位置及活动性特征、 监控火山活动、 地震烈度评定、 地震预测和震后趋势判定等方面具有广泛应用(汪成民等，1991a，b； 上官志冠等，2008； 周广法等，2013)。Yüce等(2017)认为Rn和CO2浓度异常值的分布与SN向的死海断裂(DSF)一致，而同一测点的重复测量结果存在异常与2013—2014年死海断裂(DSF)的活动有关，说明断裂带土壤气体的变化与局部地应力变化密切相关； Sciarra等(2018)在印度尼西亚Watukosek断层开展了Rn、 CO2和CH4土壤气体的测量工作，研究潜在活动断层带土壤脱气活动的存在和起源； Ring等(2016)以Norwest断裂带(NFZ)为研究对象，获得了晚第四纪到近代断裂控制地幔3He和CO2脱气的证据，NFZ断裂带为地幔脱气提供了途径。

近年来，基于土壤气体地球化学的地震研究有了进一步发展，土壤气在断裂带中的异常可作为指示断裂破裂的参考指标，破裂带土壤气浓度随着余震衰减也逐渐减小(周晓成等，2011，2017)。土壤气体的地球化学分析可用于了解地球的脱气过程和监测火山活动(Aswaletal.，2016； Moritaetal.，2019)、 地震预测预报(Dueasetal.，1988； I·nanetal.，2010； Vaupotietal.，2010； Bhongsuwanetal.，2011； Georgyetal.，2015； Fuetal.，2017)、 研究震后土壤气体的演化特征及余震预测(林元武等，1988； 谷元珠等，2001； 周晓成等，2017)、 中强震发生后的趋势判定(谷元珠等，2001)等。同时，气体地球化学组分的释气通量与地震烈度在一定范围内正相关(朱宏任等，1991)。

本文根据2017年8月9日精河6.6级地震后的发震断裂和周围断裂跨断层土壤气体浓度的实测资料，探讨了土壤气体组分的浓度异常与主震和余震的分布关系，以及气体组分浓度变化与宏观地震烈度的关系。

1 精河6.6级地震的地质背景及历史地震情况

2017年8月9日7时27分52秒，新疆博尔塔拉蒙古自治州精河县发生6.6级地震，震中位于(44.27°N，82.89°E)，震源深度11km。此次地震发生在库松木契克山前断裂的东段，该断裂具有右旋走滑和逆冲性质，断裂东段东起自基普克西，向西至龙口以西的阿沙勒河西岸，全长约50km，由4条走向280°～290°的断层斜列组合而成，断层面倾向S。现场调查发现，精河6.6级地震在断层带未产生地表破裂，余震均分布在主震震中的西侧(图1)，因此推断地震是自主震的震中位置向W延伸的单侧破裂(陈建波等，2007； 白兰淑等，2017； 姜祥华等，2017； 刘兆才等，2019)。1900年以来，距震中200km范围内共发生6级以上地震6次，震级最大的为1944年3月10日新源7.2级地震，距此次精河6.6级地震震中127km； 距离最近的地震为2011年10月16日精河5.0级地震，与本次地震震中相距约21km(陈建波等，2012a，b； 白兰淑等，2017)。上述地震的分布位置与精河6.6级地震余震的展布情况如图1 所示。

图1 跨断层土壤气体测线布设、 精河 MS6.6 地震及地震烈度分布图

2 地震断裂带的土壤气体地球化学特征

2.1 野外测量

为研究精河6.6级地震后其周边断裂的活动性，2017年11月新疆维吾尔自治区地震局组织人员对该地震的发震断裂——库松木契克山前断裂及附近的博罗科努-阿其克库都克断裂精河段开展了跨断层土壤气体地球化学流动观测。垂直断层布置了14条测线，其中，针对库松木契克山前断裂布设了12条测线，针对博罗科努-阿其克库都克断裂精河段布设了2条测线，共计191个测点(图1)； 每条测线有12～18个测点，测点间距10～30m不等； 野外测量了土壤气体中Rn、 CO2和H2的浓度。测量步骤为： 首先在测点处打孔，孔径约为30mm，深度为800～1000mm，将取样器置于孔内，封住孔口，开始取样、 测量。Rn浓度选用RAD7型测氡仪测定，开抽气泵，选择0.5mL/min的速度进行抽气测量； H2浓度选用ATG-300H测氢仪测定，进样时间为20s，采样间隔为5min； CO2浓度选用GXH-3010E1二氧化碳分析仪测定，开机预热30min，进行仪器调零，先测量空气中的背景CO2含量，稳定后该值应约为0.035%～0.038%，之后连接进样管开始抽气测量，至最大值出现后停止测量，选取最大值作为测量结果(周晓成等，2007； 李营等，2009)。

2.2 测量结果

2.2.1 土壤气体浓度的分布特征

研究区内Rn、 CO2和H2的浓度测值范围分别为817～13900Bq/m3、 0.032%～0.15%和5.25～342ppm。Rn浓度的最大值为13900Bq/m3，出现在测线2； 最小值为817Bq/m3，出现在测线8； 平均值的最大值为测线9的6365Bq/m3； 平均值的最小值为测线8的1249Bq/m3。CO2浓度的最大值为0.15%，出现在测线8； 最小值约为0.035%，每条测线的最小值相近； 平均值的最大值为测线8的0.10%； 平均值的最小值为测线13的0.039%。H2浓度的最大值为342ppm，出现在测线7； 最小值为27.8ppm，出现在测线14； 平均值的最大值为测线7的128.21ppm； 平均值的最小值为测线14的13.42ppm(表1)。从数据处理结果来看，每条测线上Rn、 CO2和H2的平均值表现出很好的同步性。从西向东，土壤气浓度的平均值逐渐升高，靠近震中位置时值达到最高值，后呈现逐渐下降的变化形态(图2)。

表1 库松木契克山前断裂及博罗科努-阿其克库都克断裂精河段土壤气浓度的分布范围和平均值

图2 库松木契克山前断裂及博罗科努-阿其克库都克断裂每条跨断层土壤气体测线的平均值曲线

2.2.2 土壤气体的浓度强度

土壤气体的浓度异常强度常用衬度来表示，即土壤气体浓度测值最高值与背景值(平均值)的差值和背景值(平均值)的比值。从图4 来看，Rn异常强度的最高值出现在7号测线上，其次是2、 8、 9号测线，低值出现在3、 13和14号测线上； CO2异常强度的最高值出现在2号测线上，其次是7、 10号测线，最低值出现在5号测线上； H2异常强度的最高值出现在13、 14号测线上，其次是6号测线，最低值出现在1、 7、 8、 9号测线上； CO2和Rn的高、 低值基本一致，高值出现在2、 7号测线上，与H2的高、 低值所处位置基本相反(图3)。

图3 库松木契克山前断裂及博罗科努-阿其克库都克断裂跨断层土壤气体的浓度强度

3 分析与讨论

通过分析精河6.6级地震的发震断裂——库松木契克山前断裂及博罗科努-阿其克库都克断裂精河段的14条跨断层土壤气体测线的Rn、 CO2和H2观测值，可发现以下特征：

(1)Rn、 CO2和H2浓度有较好的一致性，高值出现在断层附近，多呈现明显的单峰特征。库松木契克山前断裂是逆冲兼右旋走滑性质，土壤气体组分异常一般出现在断层带的上方。土壤中气体异常的规模和形态明显受导气构造的规模和产状影响，活动张性断层是气体和液体迁移的有利部位，活动断层带内裂隙被充填物胶结的程度越低，其裂隙的导气性越好。此外，土壤中的气体异常特征与断层构造的性质、 规模、 埋藏深度、 围岩性质等有关(Ciotolietal.，1998)。走滑断层面一般较为陡峻甚至直立，当断层的产状近直立时，土壤中的气体异常在地球化学剖面上呈比较陡峭、 对称的高峰(图4)。

图4 跨断层土壤气体浓度曲线图

(2)Rn、 CO2和H2的浓度在空间上有明显的分段特征，从西向东浓度值逐渐增大，在主震和余震集中区附近达到最高值，而博罗科努-阿其克库都克断裂精河段的土壤气浓度达到最低值。Rn、 CO2和H2浓度的空间分段特征与区域应力调整有关，精河6.6级地震及余震的发生加剧了断裂破裂，进一步连通了气体通道，加快了断层土壤气体的迁移，使该研究区的土壤气体浓度明显高于其他区域。

(3)Rn、 CO2的浓度异常强度有很好的一致性，两者的高、 低值分布区域与H2基本相反。地震断裂带中的Rn为放射性惰性气体，由铀、 镭经过系列衰变产生； 断层中的CO2主要由有机物氧化或有机质通过生物产生； H2与引起地震的岩石破裂有关，H2的形成速率随时间推移而减小，H2的生成量随断层活动性的降低而下降。土壤气体Rn、 CO2的异常强度高值主要集中在精河6.6级地震震中区的西侧(7、 8、 9、 10号测线区域)，该区域是精河6.6级地震的余震集中区，而H2异常强度的最低值也出现在该区域。其原因可能是余震集中的区域也是断层活动增强的区域，随着余震的发生，应力增加，岩石的渗透性减小，断层孔隙中的气体持续释放，引起断层逸出气体浓度的变化，使得不能参与扩散和对流等迁移活动的Rn从地下深部由CO2携带至地表，这个过程能够解释Rn和CO2出现同步异常的原因。氢是粒径最小、 质量最轻、 迁移速度最快且穿透力最强的元素，主要来源于深部岩石孔隙、 裂隙中被封存的H2。地震发生后，岩石中的孔隙受到破坏，H2迅速逃逸到地壳浅部或大气中。一方面，随着余震的发生，来自浅部气藏的H2含量越来越少； 另一方面，岩石中因化学反应产生的H2的生成量随断层活动性的降低而下降。由于测量数据是在主震发生70多天后获得的，该时段强余震的活动趋于结束，断层的活动能力也减弱，因此，H2的测量值在余震区呈现低值。

(4)Rn、 CO2、 H2的浓度大小与地震烈度区烈度强弱的变化趋势基本一致。精河6.6级地震的震中位于新疆维吾尔自治区博尔塔拉蒙古自治州精河县城以南约40km的山区，震中海拔1300m。通过对灾区33个乡镇团场355个调查点的实地调查，得到的烈度图等震线长轴呈NWW走向分布(1)新疆维吾尔自治区地震局，2017，新疆精河6.6及地震灾害报告。。从现场14条跨断层土壤气体测线的观测结果来看： 断层土壤气体的浓度值高低与地震烈度有关，地震烈度越高，土壤气体浓度的测值则越高(图5)。极震区土壤气体的逸出量明显高于外围地区，其浓度大小与地震烈度高低相吻合(图1 中，烈度越高表明地壳破坏程度越大，导致挥发性气体逸出量增大，两者呈正相关)。

图5 库松木契克山前断裂及博罗科努-阿其克库都克断裂土壤气体浓度与地震烈度的关系图

4 结论

(1)跨断层土壤气体Rn、 CO2和H2的浓度有较好的一致性，高值出现在断层附近，多呈现单峰特征。

(2)从西向东，土壤气浓度的空间分布具有明显的分段特征，主震和余震集中区浓度达最高值。

(3)跨断层土壤气体Rn、 CO2浓度的异常强度空间分布有很好的一致性，两者的高、 低值分布区域与H2基本相反，主要受区域应力、 断裂带渗透率、 气体来源等方面的影响。

(4)土壤气Rn、 CO2和H2浓度大小与余震分布和地震烈度有较好的一致性，及时在震区和外围地区开展土壤气体地球化学观测是震后趋势判定的一种有效手段和方法，也可把跨断层土壤气体的浓度作为宏观烈度评定的重要补充资料。

致谢审稿专家提出了十分宝贵的意见，在此表示衷心感谢！