耿杰 付俊東 孔向陽 繆杰 葛孚剛

摘要：為了監(jiān)測郯廬斷裂帶跨活動斷裂地球化學組分變化特征，利用在沂沭斷裂帶上的安丘—莒縣斷裂勘選出的5條地球化學觀測測線剖面觀測資料，分析了不同測線的土壤氣體濃度（Rn，CO2和H2）和測值分布特征。結(jié)果表明：斷裂活動性質(zhì)、活動強度、構(gòu)造組合和裂隙分布對跨活動斷層的地球化學測項測值分布具有控制作用，地球化學測項測值分布與活動斷裂兩側(cè)地層結(jié)構(gòu)、類型和密實程度密切相關(guān)，跨活動斷層不同地球化學測項分布存在一定的相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：地球化學測項;測值分布;活動斷層;安丘—莒縣斷裂

中圖分類號：P315724?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1000-0666（2019）03-0310-10

0 引言

活動斷裂作為物質(zhì)和氣體運移的通道，對地球化學測項的測值分布有明顯的控制作用（King et al，1996;Giammanco et al，1998）。在地震多發(fā)區(qū)和活動斷層分布區(qū)對土壤氣的濃度和化學特征等進行的大量調(diào)查研究結(jié)果顯示，地下氣體Rn，Hg和CO2等組分能夠客觀地、靈敏地反映地殼應(yīng)力狀態(tài)和地震活動（Yang et al，2005;Wiersberg，Erzinger，2008;Kumar et al，2009;Lombardi，Voltattorni，2010;Walia et al，2013）。由于地殼中的斷層和裂縫會被各種地球化學組分的流體所充填（Bernard，2001），當?shù)叵聭?yīng)力或應(yīng)變發(fā)生改變而引起地殼形變、斷層或地震活動時，地下流體的組成、賦存狀態(tài)等會發(fā)生變化，并沿斷層和裂縫向上運移至地表，從而導(dǎo)致斷裂附近土壤氣的釋放強度和化學組分有所改變。因此，監(jiān)測跨斷層土壤氣釋放濃度的變化，已成為探索地震前兆與地震預(yù)測、評價斷裂活動性的有效途徑和重要方法（Baubron et al，2002;Woodruff et al，2009;Li et al，2013;Li et al，2016;汪成民等，1991 a，b;劉菁華等，2006）。國外很多學者從20世紀80年代開始進行跨斷層土壤氣研究，在斷層探測、地震預(yù)測以及斷層氣來源等方面的研究已取得了很多重要成果。中外學者也相繼在美國的圣安德烈斯斷裂（King et al，1996）、日本Yamasaki 斷層（Wakita et al，1980）、意大利的Pernicana斷裂（Giammanco et al，1998）以及中國的海河隱伏斷層、海原斷裂帶、瑪曲斷裂帶、夏墊斷裂、西秦嶺北緣斷裂帶等利用斷層土壤氣探測斷層的位置，研究斷層的活動性（張新基等，2005;邵永新等，2007;周曉成等，2007，2011;張慧等，2013;韓曉昆等，2013;蘇鶴軍等，2013;Wakita et al，1980），以及跨斷層土壤氣特別是Rn的濃度變化與地震的關(guān)系（杜建國等，1998;王博等，2010），并嘗試通過斷層土壤氣這一手段預(yù)測地震。

郯廬斷裂帶作為中國大陸東部最顯著的深大斷裂，其未來的震情趨勢一直備受關(guān)注。根據(jù)郯廬斷裂帶斷層活動特征（晁洪太等，1997a，b;郯廬斷裂帶地質(zhì)填圖課題組，2013;王華林，1995;王志才等，2017;李家靈，1989;李家靈等，1994 a，b;曹筠等，2018）、深部構(gòu)造條件（張碧秀，湯永安，1988）、歷史地震活動與現(xiàn)今中小震活動特點（魏光興等，1993）、構(gòu)造應(yīng)力場（劉峽等，2006）和地震前兆演化特征，王華林等（2017）綜合分析認為該區(qū)存在發(fā)生中強地震的背景。建立和完善郯廬地震構(gòu)造帶地球化學觀測網(wǎng)，監(jiān)測構(gòu)造地球化學動態(tài)變化是判定郯廬斷裂帶構(gòu)造活動特征的有效途徑之一。在中國地震局的統(tǒng)一安排下，2017年筆者團隊在沂沭斷裂帶開展跨活動斷層流動地球化學觀測（Rn，CO2和H2），這在山東省地震監(jiān)測歷史上屬首次，目的是為郯廬斷裂帶山東段地下氣體濃度提供背景值數(shù)據(jù)，以確定不同斷裂帶氣體的釋放特征，綜合分析研究氣體的釋放機制，嘗試建立氣體釋放的理論模型，為郯廬斷裂帶地震趨勢研判提供科學依據(jù)，為地震預(yù)測研究提供科技支撐。本文基于該次現(xiàn)場觀測資料，分析和研究了郯廬斷裂帶山東段陸域段（以下簡稱沂沭斷裂帶）斷層土壤氣體濃度（Rn，CO2和H2）測值分布特征，探討了不同測線土壤氣體測值分布與斷裂活動性質(zhì)、活動強度、構(gòu)造組合和裂隙分布的關(guān)系。

1 地震地質(zhì)背景

沂沭斷裂帶是山東地區(qū)的主導(dǎo)活動構(gòu)造（李家靈，1989），具有兩塹夾一壘的構(gòu)造格局（陳國星，高維明，1988;高維明等，1988），主要由昌邑—大店斷裂、白芬子—浮來山斷裂、沂水—湯頭斷裂、鄌郚—葛溝斷裂、安丘—莒縣斷裂等5條近乎平行的斷裂組成（圖1），晚更新世晚期以來的新活動主要表現(xiàn)在安丘—莒縣斷裂上（方仲景等，1986;李家靈等，1994a），在該斷裂上曾發(fā)生過公元前70年安丘70級地震（王志才等，2005）和1668年郯城8級地震（高維明等，1988）。該斷裂是沂沭斷裂帶的主要活動斷裂（晁洪太等，1994），是沂沭斷裂帶中活動時代最新、活動強度最大的一條斷裂（王華林，耿杰，1996）。它總體走向NNE，傾向E或W，以右旋走滑運動為主，兼有正斷和逆斷活動特征，對強震的發(fā)生具有明顯的控制作用（王志才等，2005）。斷裂帶兩側(cè)構(gòu)造演化歷史存在明顯差異（方仲景等，1986），新構(gòu)造期以來仍繼承了前期的構(gòu)造格局特點，總體活動比較強烈。

安丘—莒縣斷裂晚更新世以來活動的斷裂可分4段（圖1），自北向南分別是昌邑—南流段、安丘—孟疃段、青峰嶺段和莒縣—郯城段（郯廬1第四系;2新生代玄武巖;3下第三系;4前第三系;5全新世活斷層;6晚更新世活斷層;7早、中更新世斷層和前第四紀斷裂（線寬03mm）;81668年郯城地震發(fā)震斷層;9隱伏斷層;10M40～49;11M50～59;12M60～69;13M70～79;14M80～89;15斷層編號：F1昌邑—大???店斷裂;F2安丘—莒縣斷裂;F3沂水—湯頭斷裂;F4鄌郚—葛溝斷裂;斷裂帶地質(zhì)填圖課題組，2013;王志才等，2017）。這4段之間總體上是呈左階斜列的形式，其中昌邑—南流段和安丘—孟疃段之間左階形式比較明顯，青峰嶺段和莒縣—郯城段之間總體上具有左階斜列形式，但安丘—孟疃段、青峰嶺段之間的左階形式不是十分明顯。

綜合資料分析，麥坡測線所跨安丘—莒縣斷裂活動性質(zhì)為右旋走滑逆斷層。斷裂走向NNE，主斷裂傾向E。斷裂活動時代為全新世，顯示多期活動特點。斷裂東盤為灰黑色礫巖和砂礫巖地層，西盤為磚紅色泥質(zhì)砂巖和泥巖地層，斷裂帶寬度約30～40 m。

3 觀測結(jié)果初步分析

按照郯廬斷裂帶流動地球化學觀測項目的要求，采用P2000測氡儀、華云便攜式紅外線CO2分析儀、ATG-300H測氫儀完成了跨安丘—莒縣斷裂5條測線Rn，CO2和H2觀測，累計測線長度4 176 m，測點180個，并完成了測線及其附近地區(qū)水樣采集、水化學分析和氫氧同位素化驗分析。各測線觀測數(shù)據(jù)計算結(jié)果和斷裂帶及其兩側(cè)土壤氣Rn，CO2和H2組分濃度分布情況歸納總結(jié)于表2。

（1）眉村測線

眉村測線觀測結(jié)果顯示（表2），在斷裂帶兩側(cè)，CRn平均值顯示出西盤高東盤低的特征，CCO2平均值顯示出東盤低西盤高的特征，CH2平均值顯示西盤高東盤低的特征。斷裂帶為CRn，CCO2及CH2測值梯度帶。CRn與CH2測值似乎存在正相關(guān)關(guān)系。

實地考察發(fā)現(xiàn)，安丘—莒縣斷裂在眉村測線為正斷層，傾向E。斷裂NW盤下伏基巖主要為砂巖、礫巖和泥巖，第四系厚度約1～15 m;南東盤發(fā)育有風成黃土，厚度大于10 m，在考察點處的人工坑中見風成黃土。由于斷裂兩盤巖性和第四系覆蓋層厚度差異，使斷裂兩側(cè)地球化學測項測值存在明顯的不同，斷裂控制著地層發(fā)育，構(gòu)成了地球化學測項測值梯度帶。

（2）安丘測線

安丘測線觀測結(jié)果顯示（表2），在斷裂帶兩側(cè)，CRn平均值顯示西盤高東盤低的特征，斷裂帶為CRn測值低值帶;CCO2平均值顯示東盤高西盤低的特征，斷裂帶構(gòu)成了測值高低值分界線;CH2平均值顯示西盤高東盤低的特征，斷裂帶為CH2低值帶。CRn與CCO2測值近乎存在負相關(guān)關(guān)系，CRn與CH2測值近乎存在正相關(guān)關(guān)系。

實地考察發(fā)現(xiàn)，安丘測線安丘—莒縣斷裂為逆斷層，傾向W。斷裂北西盤下伏基巖主要為白堊系王氏群林家莊組暗紫紅色砂巖和礫巖，南東盤為碎裂巖帶，原巖主要為白堊系大盛群田家樓組紫紅色砂巖、粉砂巖和泥巖。在安丘測線范圍內(nèi)，第四系地層發(fā)育，地表均有第四系覆蓋，第四系的厚度約1～25 m。由于斷裂兩盤巖性有差異，且受斷裂產(chǎn)狀和活動性質(zhì)控制，導(dǎo)致斷裂及其兩側(cè)地球化學測項測值存在明顯差異。由于斷裂帶附近覆蓋層較薄，導(dǎo)致地球化學組分散失，出現(xiàn)測值低值區(qū)。

（3）嶺泉測線

嶺泉測線觀測結(jié)果顯示（表2），CRn平均值在斷裂帶兩側(cè)相近，斷裂帶為CRn梯度帶;CCO2平均值顯示出東盤高西盤低的特征，斷裂帶為其測值變化的過渡帶;CH2平均值在斷裂西盤觀測值波動較大，且顯示西盤高東盤低的特點，斷裂帶為H2測值陡變帶。CRn與CCO2測值近乎存在正相關(guān)關(guān)系，CRn與CH2測值近乎存在負相關(guān)關(guān)系。

實地考察發(fā)現(xiàn)，嶺泉測線安丘—莒縣斷裂為正斷層，傾向E。斷裂北西盤下伏基巖主要為白堊系王氏組泥頁巖和砂礫巖，第四系的厚度約1～15 m;南東盤為第四系褐黃色灰綠色含礫黏土、亞黏土和砂礫石層，厚度大于10 m。在考察點處的人工坑中見風成黃土。由于斷裂兩盤巖性和第四系覆蓋層厚度差異，使斷裂兩側(cè)地球化學測項測值存在明顯的不同，斷裂控制著地層發(fā)育，構(gòu)成了地球化學測項測值梯度帶或陡變帶。在330～440 m存在CRn和CCO2高值梯度帶，推測在此段可能有活動斷裂通過，有待進一步驗證。

（4）麥坡長、短測線

麥坡長測線觀測結(jié)果顯示（表2），斷裂帶兩側(cè)CRn及CCO2平均值相近，斷裂帶為CRn測值相對高值梯度帶和CCO2測值梯度帶;CH2平均值在斷裂帶兩側(cè)測值有一定差異，西盤測值波動較大，斷裂帶為CH2低值帶。CRn與CCO2測值似乎呈負相關(guān)關(guān)系。

實地考察發(fā)現(xiàn)，麥坡長測線安丘—莒縣斷裂為逆斷層，傾向E。斷裂北西盤下伏基巖主要為為白堊紀王氏組三段磚紅色粉砂巖，南東盤為白堊紀王氏組二段灰黑色砂礫巖，斷層斷錯上更新統(tǒng)砂質(zhì)亞黏土。在麥坡長測線范圍內(nèi)，地表有第四系覆蓋，斷裂東側(cè)第四系厚度05～15 m，西側(cè)第四系厚度10～50 m。由于斷裂兩盤巖性和覆蓋層厚度差異，使斷裂兩側(cè)地球化學測項測值存在明顯的不同，受斷裂產(chǎn)狀和活動性質(zhì)控制，造成了斷裂及其兩側(cè)地球化學測項測值出現(xiàn)梯度帶。斷裂東側(cè)第四系覆蓋層較薄，造成地球化學組分散失，出現(xiàn)測值低值區(qū)。在390～440 m存在CRn，CCO2和CH2高值梯度帶，推測在此段可能有活動斷裂通過，有待進一步驗證。

麥坡短測線觀測結(jié)果顯示（表2），CRn平均值在斷裂兩側(cè)顯示東盤高西盤低的特征，斷裂帶為CRn低值帶;CCO2平均值在斷裂上顯示西盤高東盤低的特征，斷裂帶為CCO2測值梯度帶;CH2平均值在斷裂上顯示東盤高西盤低的特征，斷裂帶為CH2低值帶。CRn與CH2測值近乎正相關(guān)關(guān)系。

實地考察發(fā)現(xiàn)，麥坡短測線安丘—莒縣斷裂為逆斷層，傾向E，在麥坡短測線范圍內(nèi)，斷裂出露地表，無第四系覆蓋層或覆蓋層厚度小于1 m。斷裂帶附近區(qū)域CRn，CH2差異變化不明顯，可能與斷裂出露，第四系較薄，造成地球化學組分散失有關(guān)。

4 結(jié)論與討論

本文基于對2017年沂沭斷裂帶上的安丘—莒縣斷裂勘選出的5條流動地球化學觀測測線的觀測結(jié)果進行分析，得出以下初步結(jié)論與認識：

（1）本次勘選的5條流動地球化學觀測測線跨越了安丘—莒縣斷裂不同的活動段，選取時考慮了斷裂活動性質(zhì)和產(chǎn)狀的差異，兼顧正斷層和逆斷層，斷層西傾和東傾的差異。眉村測線和安丘測線位于公元前70年安丘70級地震斷裂活動段，眉村測線跨正斷層，斷裂東傾;安丘測線跨逆斷層，斷裂西傾。嶺泉測線和麥坡長、短測線位于1668年郯城8級地震斷裂活動段，嶺泉測線跨正斷層，斷裂東傾;麥坡測線跨逆斷層，斷裂東傾。堪選的5條測線的觀測資料有利于開展不同活動強度、不同活動性質(zhì)和不同斷裂產(chǎn)狀活動斷層地球化學組分測值分布特征的分析研究。

（2）由于斷裂活動性質(zhì)和活動強度不同，可產(chǎn)生不同的構(gòu)造組合和裂隙分布，從而控制跨活動斷層測線的地球化學測項測值分布特征。眉村測線和安丘測線CRn最大測值為8961～20329 kBq·m-3，CCO2最大測值為055%～145%，CH2最大測值為11720～28720 ppm;嶺泉測線和麥坡長、短測線CRn最大測值為5780～16504 kBq·m-3，CCO2最大測值為145%～243%，CH2最大測值為38990～63470 ppm。根據(jù)汪成民等（1991a）研究結(jié)果，CRn被作為應(yīng)力集中的指標，一般CRn值越大，應(yīng)力集中越強;CH2被作為斷裂貫通性的指標，一般CH2值越大，斷裂貫通性越好。分析認為，安丘段的應(yīng)力集中高于郯城段的，郯城段的斷裂貫通性高于安丘段。

眉村測線和嶺泉測線為跨越正斷層測線，安丘測線和麥坡長、短測線（2條）為跨越逆斷層測線。眉村和嶺泉測線的CRn，CCO2和CH2最大測值總體高于安丘和麥坡測線。正斷層產(chǎn)生于引張應(yīng)力環(huán)境，逆斷層產(chǎn)生于擠壓應(yīng)力環(huán)境。引張應(yīng)力環(huán)境更有利于張裂隙的產(chǎn)生，形成地球化學組分的運移通道，而擠壓應(yīng)力環(huán)境更有利于裂隙的閉合，不利用形成地球化學組分的運移通道。因此，跨越正斷層測線的CRn，CCO2和CH2最大測值往往會高于跨逆斷層測線。

（3）地球化學測項測值分布與斷裂活動控制兩側(cè)地層結(jié)構(gòu)、類型和密實程度密切相關(guān)。安丘—莒縣斷裂在眉村測線控制著東盤砂質(zhì)亞黏土和黏土與西盤砂礫巖、泥頁巖的發(fā)育。東盤的砂質(zhì)亞黏土和黏土透氣性較差，對斷層溢出的CRn和CH2地球化學組分具有抑制作用，對CCO2有密封和富集作用，從而導(dǎo)致斷裂東盤CRn和CH2測值較低;西盤第四系覆蓋層厚度為1～2 m，砂礫巖和泥頁巖由于斷裂活動、破裂面和裂隙較發(fā)育，西盤地層結(jié)構(gòu)有利于斷層溢出的地球化學組分富集。斷裂活動控制的斷裂兩側(cè)地層結(jié)構(gòu)、類型和密實程度差異性，在斷裂帶附近形成CRn，CCO2和CH2測值梯度帶。安丘—莒縣斷裂在嶺泉測線控制著東盤砂質(zhì)亞黏土和黏土與西盤砂礫巖、泥頁巖的發(fā)育，這種斷裂和地層結(jié)構(gòu)分布特征，控制了嶺泉測線地球化學測項測值的分布。嶺泉測線在330～440 m存在CRn和CCO2高值梯度帶，推測在此段可能有活動斷裂通過。眉村測線和嶺泉測線，由于斷裂兩盤巖性和第四系覆蓋層厚度差異，斷裂兩側(cè)地球化學測項測值存在明顯的不同，斷裂控制著地層發(fā)育，從而形成了跨斷裂的地球化學測項測值梯度帶。

安丘—莒縣斷裂在安丘測線控制著東盤泥質(zhì)砂巖和泥巖、西盤礫巖和砂礫巖發(fā)育，安丘測線范圍內(nèi)，第四系地層發(fā)育，地表均有第四系覆蓋，第四系的厚度約1～25 m。在麥坡測線，斷裂東盤為礫巖和砂礫巖、西盤泥質(zhì)砂巖和泥巖發(fā)育。在安丘和麥坡測線，由于斷裂兩盤巖性差異，并受斷裂產(chǎn)狀和活動性質(zhì)控制，導(dǎo)致斷裂及其兩側(cè)地球化學測項測值存在明顯差異。由于斷裂帶附近覆蓋層較薄，導(dǎo)致地球化學組分散失，出現(xiàn)測值低值區(qū)。值得注意的是，麥坡長測線在390～440 m存在CRn，CCO2和CH2高值梯度帶，推測在此段可能有活動斷裂通過。

（4）跨活動斷層不同的地球化學測項分布存在一定的相關(guān)性，有的測項之間為正相關(guān)關(guān)系，但各測項間關(guān)系的規(guī)律性特征不明顯。斷層地球化學測項的相關(guān)性與斷裂活動性質(zhì)、活動強度、貫通性、應(yīng)力作用和環(huán)境、斷裂兩側(cè)基巖巖性組合、第四系地層結(jié)構(gòu)和密實程度、第四系覆蓋層厚度、地下水和地表水作用等多種因素相關(guān)。造成的原因和形成的機理較為復(fù)雜，有待深入研究。

（5）對5條流動地球化學觀測測線的觀測獲得了較好的資料和成果。監(jiān)測構(gòu)造地球化學動態(tài)變化是判定地震帶構(gòu)造活動特征的重要手段。為了監(jiān)測郯廬斷裂帶跨活動斷裂地球化學組分變化特征，為地震危險區(qū)地震跟蹤預(yù)報提供資料，需要進行同剖面、多手段的多期重復(fù)跟蹤觀測，以多期重復(fù)觀測的對比分析結(jié)果為依據(jù)。

本文觀測結(jié)果對積累該測段土壤氣濃度背景值、判定各種氣體對斷裂的指示作用有一定意義，為該區(qū)段構(gòu)造地球化學研究和地震危險區(qū)地震跟蹤預(yù)報奠定了一定的基礎(chǔ)。今后，還需要再進一步積累數(shù)據(jù)，使分析研究結(jié)果更為客觀科學。

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