祁连山断裂带中东段断层土壤气氡浓度强度时空分布特征及其地震危险性分析

万悦 苏鹤军 李晨桦 周慧玲

摘要：

基于祁连山断裂带中东段9个观测点2016—2021年的土壤气体氡浓度观测数据，深入分析其浓度强度时空分布特征。同时结合历史大震背景、现今地震活动与断裂带滑动速率的对比分析，从地球化学的角度对祁连山断裂带中东段进行地震危险区段判定。研究表明：祁连山断裂中东段土壤气体氡浓度强度的空间分布特征为东强西弱，其时间序列变化特征总体呈下降趋势;断层土壤气氡浓度强度的空间分布特征、历史及现今地震活动和断裂滑动速率具有较好的耦合性。研究结论可以提供研究区深部地下流体活动的证据，对进一步研究追踪未来可能发生地震的断层和活动段具有重要意义。

关键词：

祁连山断裂带中东段; 土壤气氡; 时空演化特征

中图分类号： P315.724      文献标志码：A   文章编号： 1000-0844（2023）02-0491-10

DOI：10.20000/j.1000-0844.20221221003

Spatial and temporal distribution characteristics of soil gas radon

concentration intensity in the mid-eastern segment of the

Qilianshan fault zone and its seismic hazard analysis

WAN Yue1， SU Hejun1，2，3， LI Chenhua1，2，3， ZHOU Huiling1，2，3

（1. Lanzhou Institute of Seismology， CEA， Lanzhou 730000， Gansu， China;

2. Gansu Lanzhou Geophysics National Observation and Research Station， Lanzhou 730000， Gansu， China;

3. Gansu Earthquake Agency， Lanzhou 730000， Gansu， China）

Abstract：

Based on the observation data of soil gas radon concentration from nine measurement points from 2016 to 2021， the spatial and temporal distribution characteristics of radon concentration intensity in the mid-eastern segment of the Qilianshan fault zone were analyzed. Combining this analysis with strong historical earthquakes， present seismic activities， and fault zone sliding rate， the seismic hazard zones of the mid-eastern segment of the Qilianshan fault zone were determined from a geochemical perspective. The study results show that the study area has stronger soil gas radon concentration intensity in the eastern segment than in the western segment， and the change characteristics of the time series show a decreasing trend. The spatial distribution characteristics of soil gas radon concentration intensity， historical and present seismic activities， and fracture sliding rate are well coupled. This study provides evidence of deep underground fluid activity in the study area， which is vital in tracing the faults and active segments with seismic risk.

Keywords：

the mid-eastern segment of the Qilianshan fault zone; soil gas radon， spatial and temporal evolution characteristics

0 引言

地下流體是地球系统中最活跃的物质成分，携带有地壳深部构造活动的信息，在地球演化过程中发挥着重要作用［1-2］。活动断裂带是地下流体流出的通道，也是地震成核和发生的重要部位［3-6］。活动断裂气体的地球化学特性经常受区域应力作用、地下介质以及断裂带地质构造环境的影响［7］，具体表现为断层活动的差异性使得不同断裂或同一断裂不同区段的破碎、开启以及闭合程度存在差异，从而导致对应的断层土壤气浓度强度不同。因此，断层气浓度强度的差异性为研究断裂的分段性提供了强有力的证据，不同断层或同一断层不同区段的断层土壤气浓度强度空间分布特征的研究成为讨论断层分段性的重要手段之一［8］。20世纪90年代，石雅镠等［9］测量了秦岭北缘大断裂的断层土壤气浓度，并依据该断裂的断层气浓度空间分布研究断裂各段的地震危险性［9］。同时期进行相同工作的还有康来迅等［10］和张必敖等［11］，这些工作为利用断层土壤气进行断层活动性和地震危险区段研究提供了新思路。李晨桦等［12］通过监测祁连山断裂带中部土壤气体氡浓度的变化，并结合地震活动参数b值分布特征，圈定了未来可能发生6级以上地震灾害的断裂段，其正是2016年门源地震的发生区域。由此可见，携带深部信息的地下流体是进行地震监测的有效目标之一。

祁连山断裂带中东段地震活动强烈，破坏性极强，历史上曾多次发生7级以上强震。“2016—2025年中国大陆地震危险区研究”将祁连山断裂带中东段划定为青藏高原东北缘七个重点危险区之一。本文选取2016—2021年祁连山断裂带中东段9个观测剖面的土壤气体氡（Rn）浓度观测数据，重点分析该区域跨断层土壤气体氡浓度强度的时空演化特征;结合历史与现今地震活动特征，对祁连山断裂带中东段的活动习性进行分析，研究断层土壤气异常和应力场变化之间的关系，以期为追踪未来可能发生地震的断层和活动段提供深部地下流体活动证据。

1 研究区地质概况

祁连山断裂带中东部主要位于青藏高原东北缘，北部与阿拉善地块相连，东部与鄂尔多斯地块毗邻，大地构造位置属于北祁连褶皱带与河西走廊过渡带的交接部位，受到印度板块和欧亚板块的持续挤压和远距离碰撞作用的影响［13-15］。该地区构造变形大，与多条活动断裂相交，地震活动频繁且强烈，是中国大陆地壳运动最强烈的区域之一［16-18］。祁连山中东段的主要活动断裂包括肃南—祁连断裂、榆木山断裂、民乐—大马营断裂、皇城—双塔断裂、冷龙岭断裂和天沟桥—黄羊川断裂等（图1），这些活动断裂共同构成了青藏高原东北缘的弧形构造体系［17］。中、晚更新世以来，该区域断裂性质基本上以左旋走滑性质为主，并兼具一定的逆冲性质。该区域曾发生过多次强震，最大的一次是1927年古浪MS8.0地震，时间上最近的一次是2022年门源MS6.9地震［19-20］。

2 测量仪器与分析方法

2.1 测线布设及测量

本研究在长沟寺、莺落峡、滚家庄、水磨村、青松寨、扁都口、皇城、满家庄与关家台共计9个站点进行断层土壤气氡浓度观测（表1）。测线跨断层布设，每条测均布设8～12个测点，相邻测点间隔10 m。土壤气体调查采样时间是2016—2021年每年的6月，共6期，在此期间没有发现明显的气象变化。此外，所有的采样和测量程序都是在9：00至18：00进行，以减少气候对测量结果的影响。测量仪器采用Alpha GUARD PQ2000便携式测氡仪，最低检出限为2 Bq/L，标准偏差<3％。

跨断层土壤气的现场采样过程如下：（1）用钢钎在土壤中钻一个直径为3 cm、深度为80 cm的孔;（2）将麻花钻取样器或钢管取样器插入其中并封住孔，以隔离取样器;（3）用橡皮管将取样器与测量仪器连接起来，进行取样。值得注意的是，需要在取样前将取样器中残留气体排出。

2.2 数据处理方法

单独分析各场地的断层土壤气氡浓度分布，并计算其背景值和異常值。地球化学背景值反映了特定元素或成分在某个断层区的正常积累水平，因此背景值可以设为每条测线去除跳跃值后的平均浓度值。异常阀值可以用背景值加上“n”个标准差（n=1，2，3，…）来表示，这里n的取值为1。通过计算和评估，最终决定采用最大值法来确定断层土壤气氡的浓度强度。最大值法是利用各场地断层土壤气最大异常浓度值与该场地背景值的比值表示浓度强度，这样可以更好地解释每个剖面浓度强度的峰值。此外，该方法可以最大限度地减少影响气体释放的场地因素的差异，如土壤和岩石的特性［21-24］。表2列出了9条测线的计算结果，其中Dmax表示断层土壤气氡最大异常浓度值，Smax表示断层土壤气氡最大异常浓度强度。

3 结果与讨论

3.1 祁连山断裂带中东段断层土壤气氡浓度强度时空演化特征

图2为部分测线跨断裂测量剖面6期的氡浓度曲线图。由图2可知，断裂处的氡浓度高于断裂两侧，且在不同期次获得的观测数据及曲线形态都具有较好的一致性，表明数据真实可靠。祁连山断裂带中东段断层土壤气氡的浓度强度空间分布如图3所示。由图3可知，祁连山断裂带中东段断层土壤气氡浓度强度总体呈东强西弱的分布特征，这与该断裂带地下水水化学分析得到的化学活性空间分布特征一致［25］，且2016—2021年断层土壤气浓度强度整体较为稳定。2016年，中段的青松寨土壤气氡浓度强度最高（5.42），西段的滚家庄、水磨村和莺落峡浓度强度最低。2017—2020年，每年的氡浓度强度最高值均出现在东段的关家台和满家庄，最低值均位于西段的莺落峡、滚家庄和水磨村场地。

2017—2019年，关家台的氡浓度强度值分别为3.25、3.18和3.31，2020年满家庄为2.99。此外，包括榆木山断裂带和民乐—大马营断裂带中部在内的区域，氡浓度强度不分段，分布在1.62～2.63之间。2021年，断裂带氡浓度强度的空间分布特征不再明显，滚家庄的氡浓度强度最低，长沟寺则与之相反，其余7个场地的数值均匀分布在1.81～1.97之间。综上所述，断层土壤气氡浓度强度的空间分布随时间出现变化，这表明了断裂带活动的演变特征，但是东强西弱的空间分布特征总体保持稳定。

祁连山断裂带中东段断层土壤气氡浓度强度时间演化如图4所示。由图可知，该区域土壤气氡浓度强度的时间演化总体呈下降趋势。2016—2021年，长沟寺、水磨村和皇城的断层土壤气氡浓度强度时间演化特征总体表现为“下降-上升-下降-上升”型，其余6个场地则表现为“下降-上升-下降”波动趋势。2016—2019年，只有满家庄场地的断层土壤气氡浓度强度在2018—2019年出现微弱的转折下降，其余所有场地的时间演化特征均表现为“下降-上升”趋势。2019—2021年，莺落峡、青松寨、扁都口和关家台的断层土壤气氡浓度强度表现为持续下降，滚家庄和满家庄则表现为先上升后下降，而长沟寺、水磨村和皇城的演化趋势表现为下降后转折上升。

地震的发生通常伴随着地下应力的缓慢积累与突然释放，应力改变会引起地壳介质微裂隙的开合［26］。张慧等［27］以青藏块体北部地区具有代表性的逆冲地震为例，根据坚固体理论模式建立模型，数值模拟结果表明大震前靠近震源区的氡异常呈现“下降-上升”形态，且越接近震源区，反转上升变化越明显，而区域大断裂水氡异常形态则主要表现为趋势下降。因此，9个场地在2016—2019年出现的断层土壤气氡浓度强度转折上升趋势可能是对2019年发生在滚家庄旁的甘州MS5.0地震的反应。2019—2021年，皇城出现的“下降-上升”趋势可能是对2022年门源MS6.9地震的反应。皇城—双塔断裂是冷龙岭断裂西段的伴生断裂，承担了冷龙岭断裂西段的逆冲分量［28］，且该场地与门源地震震中相距仅30 km，因此对门源地震反应较为明显。基于张慧等［27］在坚固体孕震模式下进行的地下流体异常数值模拟结果，长沟寺与水磨村的断层土壤气氡浓度强度波动趋势可能是对2022年门源MS6.9地震的反应，也可能与区域地下介质应力状态变化有关［22］。截至2022年4月，该区域b值仍处于下降过程［29］，应持续关注其后续变化特征。综上所述，祁连山断裂带中东段的断层土壤气氡随时间演化总体呈现下降趋势，少数场地出现异常波动，可能与区域地下应力变化、地震活动等影响因素有关［30］。

3.2 祁连山断裂带中东段地震活动分布特征和断裂带活动性

1970—2021年祁连山断裂带中东段地震活动的空间分布如图1所示。由图可知，该区域地震活动具有较明显的分段性。公元前1831年至公元1969年，西段出现一次MS7.0以上地震记录，即1609年红崖堡MS7.3地震，至今离逝时间503年;中东段则出现两次MS7.0以上地震记录，即1927年古浪MS8.0和1954年山丹MS7.3地震，至今离逝时间分别为95年和68年。5.0≤MS≤6.0地震分段如下：东段地震活动频次较高，如门源1986年MS6.4、2016年MS6.4和2022年MS6.9地震等均发生在该区域;西段地震活动记录相对东段则有所减少，最近一次为2019年甘州MS5.0地震。MS≤5.0地震分段如下：东段小震活动相对于西段较为频繁，其中皇城—双塔断裂带、冷龙岭断裂带以及两条断层的交汇处是祁连山断裂带中东段小震集中区域;西段小震活动相对较弱，水磨村—扁都口地震活动较少，其余区域地震活动空间分布均匀（图4，测线0.1°范围1级以上地震）。总体来说，祁连山断裂带中东段地震活动具有东强西弱的特征，小震活动主要集中在东段，这与该断裂的断层气浓度强度空间分布特征一致（图3）。因此，断层土壤气浓度强度空间分布在一定程度上反映了区域的地震活动水平［8，31］，通常在小震活动前后土壤气氡浓度强度出现转折性变化。祁连山断裂带西段最近一次大震的离逝时间为508年，区域应力快速调整结束，断裂带重新闭合，地下流体活动减弱，深部气体扩散受阻，易形成强震孕震背景;而祁连山断裂带东段大震离逝时间仅68年，区域应力还处于调整阶段，断裂带尚未完全闭合，易发生中小地震［31］。张增焕［32］采用数字地震学与传统地震学对该地震空区进行相关分析得出的结果与本文的结果一致，发现祁连山北缘断裂与榆木山断裂是低b值区域。郭瑛霞等［29］对祁连山中东段进行了b值空间扫描计算，结果表明该区域的b值也是东高西低。综上，说明目标断裂带的西段区域应力积累水平高，小震频率低，发生中强地震的概率高。

断裂滑动速率反映了断裂上应变能的积累速率，代表断裂的长时间与平均活动水平［33］，断裂滑动速率的确定有助于了解断裂的活动习性和地震危险性［34］。陈干等［35］通过利用遥感影像解译、野外地质调查、断错位移测量和地貌面年龄测定等手段，结合前人研究成果，估算出榆木山断裂晚第四纪以来的逆冲滑动速率为（0.55±0.15） mm/a，左旋滑动速率为（0.95±0.11） mm/a。基于各级阶地上陡坎的位错量和年代数据，民乐—大马营断裂晚更新世以来垂直滑动速率的线性拟合结果为（0.91±0.09） mm/a［13］。皇城—双塔断裂带皇城段的滑动速率为2.5～3.5 mm/a［36］，且该断裂在全新世经历了重大活动，最突出的是1927年的古浪MS8.0地震，形成了28 km长的地表破裂带［37］。由于交通与工作环境的限制，冷龙岭断裂的研究程度较低，前人将该区段晚第四纪滑动速率限定在3～24 mm/a这个较为宽泛的范围内［34］。虽然冷龙岭断裂的第四纪滑移率一直存在争议，但它仍被认为是祁连—海原断裂带中滑移率最高的断层，在高原变形中起着重要作用［38-41］。綜上可以看出，皇城—双塔断裂带和冷龙岭断裂带比其他断裂带更活跃，说明东段断裂的开放程度相对西段更显著，这与祁连山断裂带中东段断层土壤气氡浓度强度的空间分布模式有很好的耦合性。

综上所述，断层土壤气浓度、地震活动和断裂滑动速率的空间分布特征具有较高的一致性，表明断层气释放能力受到断裂带地下介质状态、局部应力状态以及历史和现今地震活动的影响［42-44］，而不同断裂和同一断裂不同段的开启闭合程度和活动强度的差异也反映了地下介质状态和应力积累的区别，导致各断裂的气体释放能力存在显著差异［22-23，44-48］。

4 结语

本文通过对祁连山断裂带中东段断层土壤气氡浓度强度的空间分布特征与时间演化特征进行分析，同时结合地震和构造地质资料进行对比研究，初步得出以下结论：

（1） 祁连山断裂带中东段断层气氡浓度强度总体表现出东强西弱的分布特征，时间演化则总体呈下降趋势，显示中强以上地震孕育背景。

（2） 祁连山断裂带中东段的断层土壤气氡浓度强度、历史与现今地震活动和断裂带滑动速率之间存在较好的耦合性，具体表现为东段中小地震频次高，断裂带滑动速率较高，断层土壤气浓度相对较高;西段小震活动性弱，大震离逝时间长，断裂带滑动速率较低，断层土壤气浓度同样相对较低，具有中强以上地震孕育特征。

（3） 基于祁连山断裂带中东段2016—2021年6期断层土壤气氡浓度观测数据，结合地震活动的空间分布特征等研究结果，综合结论（1）、（2），我们认为该断裂西段强震的潜在危险性较大，而东段中小地震的可能性一直存在。

由于收集到的震例较少以及跨断层土壤气体流动观测数据收集年限较短，相关研究还有待深入，但是断层土壤气作为一项重要的构造地球化学手段，对中长期地震前兆监测仍具有一定的指示意义。

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