活动断裂作为物质和气体运移的通道,对地球化学测项的测值分布有明显的控制作用(King et al,1996; Giammanco et al,1998)。在地震多发区和活动断层分布区对土壤气的浓度和化学特征等进行的大量调查研究结果显示,地下气体Rn,Hg和CO₂等组分能够客观地、灵敏地反映地壳应力状态和地震活动(Yang et al,2005; Wiersberg,Erzinger,2008; Kumar et al,2009; Lombardi,Voltattorni,2010; Walia et al,2013)。由于地壳中的断层和裂缝会被各种地球化学组分的流体所充填(Bernard,2001),当地下应力或应变发生改变而引起地壳形变、断层或地震活动时,地下流体的组成、赋存状态等会发生变化,并沿断层和裂缝向上运移至地表,从而导致断裂附近土壤气的释放强度和化学组分有所改变。因此,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、评价断裂活动性的有效途径和重要方法(Baubron et al,2002; Woodruff et al,2009; Li et al,2013; Li et al,2016; 汪成民等,1991 a,b; 刘菁华等,2006)。国外很多学者从20世纪80年代开始进行跨断层土壤气研究,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。中外学者也相继在美国的圣安德烈斯断裂(King et al,1996)、日本Yamasaki 断层(Wakita et al,1980)、意大利的Pernicana断裂(Giammanco et al,1998)以及中国的海河隐伏断层、海原断裂带、玛曲断裂带、夏垫断裂、西秦岭北缘断裂带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; 张慧等,2013; 韩晓昆等,2013; 苏鹤军等,2013; Wakita et al,1980),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预测地震。

郯庐断裂带作为中国大陆东部最显著的深大断裂,其未来的震情趋势一直备受关注。根据郯庐断裂带断层活动特征(晁洪太等,1997a,b; 郯庐断裂带地质填图课题组,2013; 王华林,1995; 王志才等,2017; 李家灵,1989; 李家灵等,1994 a,b; 曹筠等,2018)、深部构造条件(张碧秀,汤永安,1988)、历史地震活动与现今中小震活动特点(魏光兴等,1993)、构造应力场(刘峡等,2006)和地震前兆演化特征,王华林等(2017)综合分析认为该区存在发生中强地震的背景。建立和完善郯庐地震构造带地球化学观测网,监测构造地球化学动态变化是判定郯庐断裂带构造活动特征的有效途径之一。在中国地震局的统一安排下,2017年笔者团队在沂沭断裂带开展跨活动断层流动地球化学观测(Rn,CO₂和H₂),这在山东省地震监测历史上属首次,目的是为郯庐断裂带山东段地下气体浓度提供背景值数据,以确定不同断裂带气体的释放特征,综合分析研究气体的释放机制,尝试建立气体释放的理论模型,为郯庐断裂带地震趋势研判提供科学依据,为地震预测研究提供科技支撑。本文基于该次现场观测资料,分析和研究了郯庐断裂带山东段陆域段(以下简称沂沭断裂带)断层土壤气体浓度(Rn,CO₂和H₂)测值分布特征,探讨了不同测线土壤气体测值分布与断裂活动性质、活动强度、构造组合和裂隙分布的关系。

沂沭断裂带是山东地区的主导活动构造(李家灵,1989),具有两堑夹一垒的构造格局(陈国星,高维明,1988; 高维明等,1988),主要由昌邑—大店断裂、白芬子—浮来山断裂、沂水—汤头断裂、鄌郚—葛沟断裂、安丘—莒县断裂等5条近乎平行的断裂组成(图1),晚更新世晚期以来的新活动主要表现在安丘—莒县断裂上(方仲景等,1986; 李家灵等,1994a),在该断裂上曾发生过公元前70年安丘7.0级地震(王志才等,2005)和1668年郯城81/2级地震(高维明等,1988)。该断裂是沂沭断裂带的主要活动断裂(晁洪太等,1994),是沂沭断裂带中活动时代最新、活动强度最大的一条断裂(王华林,耿杰,1996)。它总体走向NNE,倾向E或W,以右旋走滑运动为主,兼有正断和逆断活动特征,对强震的发生具有明显的控制作用(王志才等,2005)。断裂带两侧构造演化历史存在明显差异(方仲景等,1986),新构造期以来仍继承了前期的构造格局特点,总体活动比较强烈。

安丘—莒县断裂晚更新世以来活动的断裂可分4段(图1),自北向南分别是昌邑—南流段、安丘—孟疃段、青峰岭段和莒县—郯城段(郯庐

图1 郯庐断裂带山东段活动断裂与流动地球化学观测测线分布图
Fig.1 Distribution map of active faults and the measuring line of mobile geochemical observations in the Shandong section of the Tanlu fault zone

断裂带地质填图课题组,2013; 王志才等,2017)。这4段之间总体上是呈左阶斜列的形式,其中昌邑—南流段和安丘—孟疃段之间左阶形式比较明显,青峰岭段和莒县—郯城段之间总体上具有左阶斜列形式,但安丘—孟疃段、青峰岭段之间的左阶形式不是十分明显。

昌邑—南流段总长31 km,自北向南可分为文山、朱里、北眉—双官和南流小段,它们之间呈右阶斜列,长度分别为5,7,10,9 km,阶区宽度分别是2～3 km; 根据错断地层关系和年代数据,认为该段最新活动时代为全新世中晚期。

安丘—孟疃段总长约21 km,自北向南可分为安丘—管公和庵上—孟疃2小段。安丘—管公小段出露连续,断层陡坎清晰,长13 km; 庵上—孟疃小段大部分隐伏在河流谷地中,出露段主要位于十字路与庵上镇之间,长约8 km。2小段平面上呈右阶斜列,其阶区宽度约2 km。根据探槽揭露和年代数据,认为安丘—孟疃段最新活动时代为晚更新世中晚期—全新世早期。

青峰岭段总长约35 km,自北向南大致可分为小店子—恨虎山、库山—车庄、茅埠、王台子和王家岭小段,长度分别为6,8,14,4,3 km,最新活动时代为晚更新世晚期—全新世早期。

莒县—郯城段是一个独立的破裂单元,其几何形态、活动性质、最大位移量、最新活动时代、大震复发间隔、现代活动状态等都有自己的特点。该段总体走向NE20°,由多个独立的破裂段组成。各段间呈右阶排列,断层间错列距离不大,一般为几百米到一千米左右。该段为1668年郯城81/2级地震的发震断层(李家灵等,1994b),野外调查发现沿1668年地震断层各处的断层性质是不一致的,中部以走滑为主,向南、北两侧逐渐转变为以逆冲为主。中部左山强震走滑断层和腾马—中华山强走滑断层的存在应是板泉拉分盆地形成的原因(晁洪太等,1994)。

按照郯庐断裂带流动地球化学观测项目的要求,采用P2000测氡仪、华云便携式红外线CO₂分析仪、ATG-300H测氢仪完成了跨安丘—莒县断裂5条测线Rn,CO₂和H₂观测,累计测线长度4 176 m,测点180个,并完成了测线及其附近地区水样采集、水化学分析和氢氧同位素化验分析。各测线观测数据计算结果和断裂带及其两侧土壤气Rn,CO₂和H₂组分浓度分布情况归纳总结于表2。

(1)眉村测线

眉村测线观测结果显示(表2),在断裂带两侧,C_Rn平均值显示出西盘高东盘低的特征,C_CO2平均值显示出东盘低西盘高的特征,C_H2平均值显示西盘高东盘低的特征。断裂带为C_Rn,C_CO2及C_H2测值梯度带。C_Rn与C_H2测值似乎存在正相关关系。

实地考察发现,安丘—莒县断裂在眉村测线为正断层,倾向E。断裂NW盘下伏基岩主要为砂岩、砾岩和泥岩,第四系厚度约1～1.5 m; 南东盘发育有风成黄土,厚度大于10 m,在考察点处的人工坑中见风成黄土。由于断裂两盘岩性和第四系覆盖层厚度差异,使断裂两侧地球化学测项测值存在明显的不同,断裂控制着地层发育,构成了地球化学测项测值梯度带。

表2 郯庐断裂带山东段各测线及断裂带两侧土壤气Rn,CO2和H2观测结果
Tab.2 Observation results of Rn,CO2 and H2 components in soil gas along the measuring lines near the Shandong section of the Tanlu fault zone

(2)安丘测线

安丘测线观测结果显示(表2),在断裂带两侧,C_Rn平均值显示西盘高东盘低的特征,断裂带为C_Rn测值低值带; C_CO2平均值显示东盘高西盘低的特征,断裂带构成了测值高低值分界线; C_H2平均值显示西盘高东盘低的特征,断裂带为C_H2低值带。C_Rn与C_CO2测值近乎存在负相关关系,C_Rn与C_H2测值近乎存在正相关关系。

实地考察发现,安丘测线安丘—莒县断裂为逆断层,倾向W。断裂北西盘下伏基岩主要为白垩系王氏群林家庄组暗紫红色砂岩和砾岩,南东盘为碎裂岩带,原岩主要为白垩系大盛群田家楼组紫红色砂岩、粉砂岩和泥岩。在安丘测线范围内,第四系地层发育,地表均有第四系覆盖,第四系的厚度约1～2.5 m。由于断裂两盘岩性有差异,且受断裂产状和活动性质控制,导致断裂及其两侧地球化学测项测值存在明显差异。由于断裂带附近覆盖层较薄,导致地球化学组分散失,出现测值低值区。

(3)岭泉测线

岭泉测线观测结果显示(表2),C_Rn平均值在断裂带两侧相近,断裂带为C_Rn梯度带; C_CO2平均值显示出东盘高西盘低的特征,断裂带为其测值变化的过渡带; C_H2平均值在断裂西盘观测值波动较大,且显示西盘高东盘低的特点,断裂带为H₂测值陡变带。C_Rn与C_CO2测值近乎存在正相关关系,C_Rn与C_H2测值近乎存在负相关关系。

实地考察发现,岭泉测线安丘—莒县断裂为正断层,倾向E。断裂北西盘下伏基岩主要为白垩系王氏组泥页岩和砂砾岩,第四系的厚度约1～1.5 m; 南东盘为第四系褐黄色灰绿色含砾黏土、亚黏土和砂砾石层,厚度大于10 m。在考察点处的人工坑中见风成黄土。由于断裂两盘岩性和第四系覆盖层厚度差异,使断裂两侧地球化学测项测值存在明显的不同,断裂控制着地层发育,构成了地球化学测项测值梯度带或陡变带。在330～440 m存在C_Rn和C_CO2高值梯度带,推测在此段可能有活动断裂通过,有待进一步验证。

(4)麦坡长、短测线

麦坡长测线观测结果显示(表2),断裂带两侧C_Rn及C_CO2平均值相近,断裂带为C_Rn测值相对高值梯度带和C_CO2测值梯度带; C_H2平均值在断裂带两侧测值有一定差异,西盘测值波动较大,断裂带为C_H2低值带。C_Rn与C_CO2测值似乎呈负相关关系。

实地考察发现,麦坡长测线安丘—莒县断裂为逆断层,倾向E。断裂北西盘下伏基岩主要为为白垩纪王氏组三段砖红色粉砂岩,南东盘为白垩纪王氏组二段灰黑色砂砾岩,断层断错上更新统砂质亚黏土。在麦坡长测线范围内,地表有第四系覆盖,断裂东侧第四系厚度0.5～1.5 m,西侧第四系厚度1.0～5.0 m。由于断裂两盘岩性和覆盖层厚度差异,使断裂两侧地球化学测项测值存在明显的不同,受断裂产状和活动性质控制,造成了断裂及其两侧地球化学测项测值出现梯度带。断裂东侧第四系覆盖层较薄,造成地球化学组分散失,出现测值低值区。在390～440 m存在C_Rn,C_CO2和C_H2高值梯度带,推测在此段可能有活动断裂通过,有待进一步验证。

麦坡短测线观测结果显示(表2),C_Rn平均值在断裂两侧显示东盘高西盘低的特征,断裂带为C_Rn低值带; C_CO2平均值在断裂上显示西盘高东盘低的特征,断裂带为C_CO2测值梯度带; C_H2平均值在断裂上显示东盘高西盘低的特征,断裂带为C_H2低值带。C_Rn与C_H2测值近乎正相关关系。

实地考察发现,麦坡短测线安丘—莒县断裂为逆断层,倾向E,在麦坡短测线范围内,断裂出露地表,无第四系覆盖层或覆盖层厚度小于1 m。断裂带附近区域C_Rn,C_H2差异变化不明显,可能与断裂出露,第四系较薄,造成地球化学组分散失有关。

本文基于对2017年沂沭断裂带上的安丘—莒县断裂勘选出的5条流动地球化学观测测线的观测结果进行分析,得出以下初步结论与认识:

(1)本次勘选的5条流动地球化学观测测线跨越了安丘—莒县断裂不同的活动段,选取时考虑了断裂活动性质和产状的差异,兼顾正断层和逆断层,断层西倾和东倾的差异。眉村测线和安丘测线位于公元前70年安丘7.0级地震断裂活动段,眉村测线跨正断层,断裂东倾; 安丘测线跨逆断层,断裂西倾。岭泉测线和麦坡长、短测线位于1668年郯城81/2级地震断裂活动段,岭泉测线跨正断层,断裂东倾; 麦坡测线跨逆断层,断裂东倾。堪选的5条测线的观测资料有利于开展不同活动强度、不同活动性质和不同断裂产状活动断层地球化学组分测值分布特征的分析研究。

(2)由于断裂活动性质和活动强度不同,可产生不同的构造组合和裂隙分布,从而控制跨活动断层测线的地球化学测项测值分布特征。眉村测线和安丘测线C_Rn最大测值为89.61～203.29 kBq·m^-3,C_CO2最大测值为0.55%～1.45%,C_H2最大测值为117.20～287.20 ppm; 岭泉测线和麦坡长、短测线C_Rn最大测值为57.80～165.04 kBq·m^-3,C_CO2最大测值为1.45%～2.43%,C_H2最大测值为389.90～634.70 ppm。根据汪成民等(1991a)研究结果,C_Rn被作为应力集中的指标,一般C_Rn值越大,应力集中越强; C_H2被作为断裂贯通性的指标,一般C_H2值越大,断裂贯通性越好。分析认为,安丘段的应力集中高于郯城段的,郯城段的断裂贯通性高于安丘段。

眉村测线和岭泉测线为跨越正断层测线,安丘测线和麦坡长、短测线(2条)为跨越逆断层测线。眉村和岭泉测线的C_Rn,C_CO2和C_H2最大测值总体高于安丘和麦坡测线。正断层产生于引张应力环境,逆断层产生于挤压应力环境。引张应力环境更有利于张裂隙的产生,形成地球化学组分的运移通道,而挤压应力环境更有利于裂隙的闭合,不利用形成地球化学组分的运移通道。因此,跨越正断层测线的C_Rn,C_CO2和C_H2最大测值往往会高于跨逆断层测线。

(3)地球化学测项测值分布与断裂活动控制两侧地层结构、类型和密实程度密切相关。安丘—莒县断裂在眉村测线控制着东盘砂质亚黏土和黏土与西盘砂砾岩、泥页岩的发育。东盘的砂质亚黏土和黏土透气性较差,对断层溢出的C_Rn和C_H2地球化学组分具有抑制作用,对C_CO2有密封和富集作用,从而导致断裂东盘C_Rn和C_H2测值较低; 西盘第四系覆盖层厚度为1～2 m,砂砾岩和泥页岩由于断裂活动、破裂面和裂隙较发育,西盘地层结构有利于断层溢出的地球化学组分富集。断裂活动控制的断裂两侧地层结构、类型和密实程度差异性,在断裂带附近形成C_Rn,C_CO2和C_H2测值梯度带。安丘—莒县断裂在岭泉测线控制着东盘砂质亚黏土和黏土与西盘砂砾岩、泥页岩的发育,这种断裂和地层结构分布特征,控制了岭泉测线地球化学测项测值的分布。岭泉测线在330～440 m存在C_Rn和C_CO2高值梯度带,推测在此段可能有活动断裂通过。眉村测线和岭泉测线,由于断裂两盘岩性和第四系覆盖层厚度差异,断裂两侧地球化学测项测值存在明显的不同,断裂控制着地层发育,从而形成了跨断裂的地球化学测项测值梯度带。

安丘—莒县断裂在安丘测线控制着东盘泥质砂岩和泥岩、西盘砾岩和砂砾岩发育,安丘测线范围内,第四系地层发育,地表均有第四系覆盖,第四系的厚度约1～2.5 m。在麦坡测线,断裂东盘为砾岩和砂砾岩、西盘泥质砂岩和泥岩发育。在安丘和麦坡测线,由于断裂两盘岩性差异,并受断裂产状和活动性质控制,导致断裂及其两侧地球化学测项测值存在明显差异。由于断裂带附近覆盖层较薄,导致地球化学组分散失,出现测值低值区。值得注意的是,麦坡长测线在390～440 m存在C_Rn,C_CO2和C_H2高值梯度带,推测在此段可能有活动断裂通过。

(4)跨活动断层不同的地球化学测项分布存在一定的相关性,有的测项之间为正相关关系,但各测项间关系的规律性特征不明显。断层地球化学测项的相关性与断裂活动性质、活动强度、贯通性、应力作用和环境、断裂两侧基岩岩性组合、第四系地层结构和密实程度、第四系覆盖层厚度、地下水和地表水作用等多种因素相关。造成的原因和形成的机理较为复杂,有待深入研究。

(5)对5条流动地球化学观测测线的观测获得了较好的资料和成果。监测构造地球化学动态变化是判定地震带构造活动特征的重要手段。为了监测郯庐断裂带跨活动断裂地球化学组分变化特征,为地震危险区地震跟踪预报提供资料,需要进行同剖面、多手段的多期重复跟踪观测,以多期重复观测的对比分析结果为依据。

本文观测结果对积累该测段土壤气浓度背景值、判定各种气体对断裂的指示作用有一定意义,为该区段构造地球化学研究和地震危险区地震跟踪预报奠定了一定的基础。今后,还需要再进一步积累数据,使分析研究结果更为客观科学。