新疆伽师MS6.4地震前后柯坪断裂土壤气地球化学特征变化①

闫 玮，朱成英，李新勇，许秋龙，汪成国，徐衍刚

(1.新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011；2.新疆维吾尔自治区地震局阿克苏中心地震台，新疆 阿克苏 843000)

地震孕育过程中的地壳形变引发裂隙张开、断裂蠕滑等构造活动，促使断裂带内的流体运移，导致周边地区的流体地球化学特征变化[1]。断裂作为连接深部与浅部的通道,地下深部气体在一定的作用下沿断裂带迁移至浅部,并在断裂上方的土层形成富集带,富集带的气体浓度可高出背景值数倍甚至数十倍[2]。利用断层土壤气体中Rn、Hg、CO2、He、H2、CH4等组分的地球化学异常特征来探测隐伏断层位置已经得到广泛应用[3]。在第四系覆盖层厚度较大的情况下，利用测量土壤中逸出的Rn、H2浓度来研究断裂活动性是行之有效的方法之一[4]。逸出气体浓度的变化既可以为判断断层的出露位置、延伸方向等构造特点的手段，也可以通过多期流动测量获得逸出气体释放强度的变化特征，为断层的不同段的活动性判定提供依据。分析断层活动强弱与断层气浓度变化关系，研究结果表明断层气浓度的升高与断层活动增强有关[5]。在破碎带或者裂隙附近土壤气体浓度往往形成高值异常，随着远离破碎带，浓度值降低，趋于背景值，无活动断层上，覆盖层中Rn浓度不易出现高值异常[6]。缪阿丽[7]通过对郯庐断裂带江苏段的4个剖面土壤气测量及分析认为2017年土壤气Rn高值出现在晓店段可能与区域应力应变调整有关的结论。王喜龙[8]通过对辽宁朝阳—北票断裂跨断层水准与断层土壤气地球化学特征对比分析发现Rn、CO2、CO和H2浓度在水准测线范围内具有准同步高值异常变化特征，且测线内多点浓度高于异常下限。Yang等[9]通过研究安宁河—则木河断裂带的活动性与断层气体的浓度密切相关，表明断层气的脱气强度在空间上与断层的封闭程度一致，断层的高锁定制约了气体的迁移。新疆柯坪断裂土壤气流动地球化学观测已持续6年，期间发生2020年1月19日伽师MS6.4地震。结合本次地震前后柯坪断裂不同段内土壤逸出气体强度变化特点、分布特征，为柯坪断裂断层气资料分析及震后危险区域判定提供参考。

1 柯坪断裂地震地质背景

柯坪断裂位于柯坪山前，西至八盘水磨以东，向东北延伸经三岔口、一间房至阿克苏以西，是柯坪块体与塔里木盆地的分界断裂，天山西部存在NS向的挤压应力[10]。柯坪断裂由多排EW向的逆冲断裂和褶皱构造组成(图1)，柯坪断裂的下盘主要以山前洪积扇沉积相为主的第四系冲洪积砂砾石层，上盘出露寒武系中、上统阿瓦塔格群灰岩，断裂长度大于400 km，走向北东东，倾向北西，倾角45°。柯坪断裂是中国最新的推覆体之一，并且现在还在活动。柯坪断裂西段全新世以来水平缩短速率为0.35～0.44 mm·a-1，更新世晚期末以来为0.16～0.30 mm·a-1[10]。2000年以来发生过2次MS≥6.0地震，包括2003年2月24日伽师MS6.8地震及2020年1月19日伽师MS6.4地震[11]；发生过MS≥5.0地震12次。

图1 柯坪断裂构造位置及测线分布图

2 断层气野外测量

断层裂隙不发育地区，由于不同岩性的沉积序列组合，不利于深部气体的扩散和逸出，活动断裂带往往是连通地壳深部气体逸出的通道，在断裂出露地表的沉积层中形成异常气体富集带，富集带中气体浓度和覆盖层的沉积物粒度组合、沉积层厚度、断层性质及活动性有关。Rn是天然放射性元素中唯一的气体元素，半衰期较长，来源深度较深、具有较强的扩散能力决定了其作为地震前兆监测的一种重要手段。前兆监测手段中土壤气H2是最有希望成为解决短临预报的元素，分子量小，扩散速度更快。阿克苏断层H2浓度资料曾在周边多次MS≥5.0地震前出现显著的短临异常。

新疆柯坪断裂是我国活动断裂中最活跃的断层之一，也是新疆中强地震重点监视区域。2016年起在定向课题和监测任务的支撑下每年的5月、9月开展2期柯坪断裂土壤气地球化学流动监测，截止目前共开展了10期。监测土壤气的组分包括Rn、H2、CO2浓度，7条测线的断层气CO2浓度受环境影响较大，监测意义不显著，不作为研究对象进行讨论。

2.1 测量方法及测线布设

观测仪器：新疆柯坪断裂土壤气流动地球化学观测采用的测氡仪器是德国产的P2000测氡仪，观测原理是脉冲电离室，对Rn探测效率较高，测量范围2～2 000 000 Bq/m3。检测H2的仪器是杭州超矩科技有限公司的便携式ATG-300H测氢仪，测量范围(0～5000)×10-6，低检出浓度 ≤0.1×10-6。仪器均做过标定校准，符合观测要求。

测量方法：根据土壤气流动化学观测要求，首先将钢钎砸进地面80 cm以下，快速拔出后将出气口封闭的麻花钻快速钻进孔内，将出气口与流动监测仪器进气口相接后进行不同组分气体浓度监测。

测线布设：根据柯坪断裂及其附近历史地震分布、历史地震震源机制解、断层几何产状，把柯坪断裂分为5段，分别为西克尔段，三岔口段，柯坪段，阿恰段，阿克苏段。由于柯坪断裂位于国道和高速路的北边，通过现场踏勘后可以进行测量的测线最终确定为7条线：从西往东依次命名为P1西克尔测线、P2巴楚测线、P3图木舒克测线、P4柯坪测线、P5阿恰测线、P6沙井子测线、P7阿依库勒测线，测线间距20～50 km/条。

通过对柯坪断裂的地表出露位置结合断层逸出气体浓度的变化，最终确定每条测线的长度及位置，每条测线中测点间距按照10 m、20 m进行设置，异常高值点加密至5 m/点间距进行测量。为了减少气温、气压、湿度等非构造因素对土壤气浓度的影响，固定每年的5月、9月进行测量。野外测量过程出现异常值时需复测，即在异常值附近1 m范围内重新取气测量。

2.2 测量结果

2016～2020年对新疆柯坪断裂选定的7条测线共开展10期野外流动测量，测量结果显示每条测线逸出气体浓度、形态及背景值各不相同。通过测量获得每期Rn和H2浓度的均值及最高值，计算异常强度。土壤气异常强度做为分析对象，可剔除不同期测量结果受环境因素的干扰。以2019年9月测量结果为例将地球化学流动测量结果进行统计(表1)。7条测线均位于阿克苏至喀什高速公路的北侧山前冲洪积扇的扇根部，不同测线的地貌呈现不同形态。土壤H2产生深度大、比重小，更易于垂直向逸出；而Rn比重相对较大，起源深度相对较浅，易沿着倾斜断层面逸出，这种情况下会形成断层逸出Rn与H2富集位置稍有偏差的现象[12]。断层不同段的活动性、覆盖层厚度、粒度组合、封闭程度对于逸出气体的浓度影响较大，王喜龙对首都圈地区土壤气地球化学特征分析认为土壤气的区域地球化学特征主要受控于上地壳物质结构、深部气体补给和地震活动，同时也受到自然环境及土壤类型的影响[13]。P1西克尔、P4柯坪、P5阿恰测线覆盖层较薄、近年来地震活动性强，Rn、H2逸出浓度大；而覆盖层较厚的P2巴楚、P3图木舒克测线逸出气体浓度最低(图2)。大部分测线在断裂带的逸出气体浓度呈现单峰或者双峰形态，且上盘逸出气体浓度高于下盘逸出气体浓度。

图2 不同测线逸出H2(a)、Rn(b)背景值统计图

表1 2019年9月柯坪断裂土壤气测量成果表

P1西克尔测线位于西克尔镇东3 km处，测线位于洪积扇冲水冲积的河道中，覆盖层较薄，沉积物主要以粒度较小的砂砾为主，断层面附近裂隙发育，H2迁移速度快，呈现显著的断层附近值高情况；而Rn主要通过断层面迁移，形态上呈现上盘的浓度高于下盘的浓度，2个测项均呈现峰值变化。P2巴楚测线位于巴楚三道班高速路出口以北3 km处，沉积物粒度较粗，主要以砾石为主，沉积层厚度加大，泥沙质充填，H2浓度、Rn浓度均呈现上盘逸出强度高于下盘的特点，断裂附近没有出现显著的峰值变化。P3图木舒克测线位于图木舒克高速路出口以东8 km处，沉积物粒度较粗，主要以砾石为主，泥沙质充填，洪积扇坡度较大，沉积物厚度较厚，测量浓度值整体较低，由于H2迁移对空隙要求低浓度呈双峰形态，Rn形态平稳变化不大。P4柯坪测线位于图木舒克市与阿恰镇中间，测线位于洪积扇的冲水冲积的河道中，覆盖层较薄，沉积物主要以粒度较小的砂砾为主，逸出H2呈双峰形态，Rn呈单峰形态，整体逸出浓度高。P5阿恰测线位于阿恰国道收费站西侧2 km，洪积扇冲积的河道中，覆盖层较薄，沉积物主要以粒度较小的砂砾为主，逸出H2、Rn呈单峰形态，逸出Rn在断层上盘逸出浓度高于下盘。P6沙井子测线位于沙井子高速路出口以西6 km处，沉积物以砂砾石粘土为主，厚度中等，逸出H2呈单峰形态；Rn形态较为平稳，上盘逸出浓度高于下盘。P7阿依库勒测线位于阿依库勒镇以西5 km处，沉积物以砂砾石粘土为主，厚度中等，H2、Rn浓度呈双峰形态。

3 伽师MS6.4地震前断层气地球化学变化

地震前兆异常是指在地震发生前某区域范围内地球物理场变化的一种响应[14]。由于应力场的应力积累，构造条件的差别，裂隙的发育程度和承载压力变化的不同[15]，地震可能发生的时间节点也不相同。断层土壤Rn、H2异常强度的变化反应断裂活动强弱的变化，是断裂活动性评价的方法之一。其中，H2浓度对地下介质动力加载作用响应灵敏[16]。柯坪断裂不同段逸出气强度的变化反映了其断层在应力应变的积累下引起柯坪断裂不同段活动性的变化。伽师MS6.4地震前，柯坪断裂逸出气体强度存在显著的异常变化，可能与断层的活动性变化有关，并对本次地震前的逸出强度进行指标总结，具体特征见表2。

表2 新疆伽师MS6.4地震前柯坪断裂土壤气逸出强度指标及超指标情况统计表

通过对比7条测线的逸出气体强度的异常强度指标，H2的强度指标基本高于2.5，主要因为其断层面附近逸出H2浓度远远高于测线两端，其中较为显著的为P1西克尔、P4柯坪测线；Rn的异常强度指标基本高于1.8，异常指标较高的测线为P4柯坪测线。逸出气体强度较高的测线反映断层破裂面逸出的气体浓度较高或者断层破裂面较少，而远离断层面逸出浓度较低。H2强度超异常指标的时间从2017年9月开始逐步出现，并在震前表现为大范围超异常指标的现象，仅P5阿恰测线未见异常；Rn异常现象起始时间最早的为P6图木舒克测线2017年9月开始出现，且全部测线在2018年9月～2019年9月期间出现超过指标的现象。伽师MS6.4地震前，柯坪断裂的活动性在2017年9月份开始出现局部的活动，震前的一年到发震整个柯坪断裂的逸出气体强度均发生了较为显著的变化，柯坪断裂带的活动性呈现整体增强的趋势。震后断层逸出气体强度出现快速下降至恢复的变化，最后一期观测结果显示柯坪断裂半年内发生MS≥6.0地震的可能性较小。

图3 各测线逸出气强度变化曲线图

4 结 语

柯坪断裂不同段逸出气体浓度差别较大，其中西克尔、柯坪、阿恰逸出气浓度较高，图木舒克、巴楚逸出气体浓度较低，阿依库勒、沙井子逸出浓度位于中间，逸出气体浓度大小不仅与该区域的构造活动有关，同时还与覆盖层的厚度和粒度组合、断层不同段的封闭程度息息相关。覆盖层厚度小、粒度均匀砂质覆盖层的测线浓度值较高，而粒度较杂且沉积厚度较大的测线浓度值偏低。在今后跨断层流动地球化学观测测线选择过程中，尽量选择覆盖层薄，有利于气体逸出的区域。测线中Rn和H2形态不完全相同，这可能与气体的物理性质、气源深度有关。逸出H2产生深度大、比重小，更易于垂直向逸出；Rn比重相对较大，气源深度较浅，沿着断层面向上逸出。由于同一条断裂不同段渗透性不同，造成H2和Rn在断裂带上富集位置稍有不同。通过对伽师MS6.4地震前后柯坪断裂土壤气逸出强度数据进行分析总结，柯坪断裂逸出强度在2018年9月～2019年9月出现了整体性超阈值的异常变化现象，柯坪断裂在震前存在较大尺度的逸出气体浓度变化，与作用在该区域的应力增强有关。