断裂带是地壳深部气体释放的主要通道,大量的研究表明,活动断裂带上的土壤气浓度往往要高于其它地区(Walia et al,2009; Seminsky,Demberel,2013; Li et al,2013; Wang et al,2014; Chen et al,2020; 孙小龙等,2020)。当断裂带处于构造活动活跃期时,地壳介质中水-岩之间原有的平衡被打破,地下水中的气体组分会出现异常变化,例如King等(1996)、Giammanco等(1998)、Wang等(2006)在美国圣安德烈斯断裂、日本迹津川和牛首断层、中国福州隐伏断裂观测到土壤气中CO₂、Rn、Hg、He、H₂和CH₄等组分的显著异常。空间上,对横跨断裂的土壤气体地球化学研究表明,在断层破碎带上测点的气体含量普遍高于断裂两侧,极震区地下气体逸出量明显高于极震区以外的地区,如2018年汶川M_S8.0地震断裂剖面上土壤气CO₂浓度背景值高于无断裂出露的地区,且距震中越近,断裂剖面上土壤气CO₂的浓度则越高(周晓成等,2017)。时间上,土壤气异常的持续时间与临震的震级可能也具有相关性,如2013年中国台湾瑞穗M_L6.4地震前2个月土壤气CO₂浓度明显升高,而2014年花莲M_L5.9地震前3周也出现了土壤气CO₂浓度异常(Fu et al,2017),且异常幅度越大、异常持续时间越长,对应的地震震级就越大。所以土壤气CO₂浓度值及其变化特征不仅可以用于断裂位置的判定,还可以反映断层活动强弱状态。

随着地球化学分析仪器和测试手段的快速发展,气体同位素地球化学示踪方法被广泛应用于地震研究领域,成为研究深部构造以及活动性的一个重要手段(杜建国,刘从强,2003)。已有研究表眀,地下气体(He、CO₂、CH₄)及其同位素组成(³He/⁴He、δ¹³C_CO2、δ¹³C_CH4)的变化是壳源流体与幔源流体的混合、迁移所造成的,并且当岩石受到震前地壳形变和同震破裂过程两种效应的影响时,岩石的渗流参数就会发生改变,从而导致地壳流体的释放(Weise et al,2001; Bräuer et al,2007; 王云等,2015; Zhou et al,2020,2021)。不同来源的气体同位素组成有所不同,这是土壤气同位素组成用来示踪深部来源物质的原理。Martino等(2016)结合土壤气CO₂浓度和碳同位素组成,建立三端元混合模型,用来计算各端元所占比例。这一方法将断裂带气体溯源分析由定性研究推向了半定量研究,通过识别土壤气CO₂的来源,区分浅源和深源信息,可以更好地反演其成因演化机制,并推导出该区域断裂的地下构造连通性特征。

陇县—宝鸡断裂带属于鄂尔多斯块体西南缘弧形断裂束的最南段,主体呈现为走滑兼正断性质,属于晚第四纪活动断裂。李强(2013)、叶茂盛等(2018)、Su等(2019)利用GNSS速度场资料研究鄂尔多斯西南缘的六盘山—陇县—宝鸡断裂带的闭锁特征,得到陇县—宝鸡断裂的北部闭锁程度较强,但由于GNSS观测基站较少等原因,对于该断裂带南部闭锁程度的相关研究比较少。Yang等(2021)通过土壤气CO₂的气体活动性强度和断层闭锁程度对比分析发现,当断层处于闭锁状态时,断裂活动状态相对较弱,土壤气CO₂的活动性也较弱。因此,针对陇县—宝鸡断裂带不同断裂的活动性和启闭性特征的研究,本文将利用该活动断裂上的2条跨断层土壤气测线的CO₂气体活动强度特征进行反演,并利用CO₂碳同位素组成来区分深浅物质来源特征,获取断裂带地下连通性特征,为研究区的地震趋势研判提供更精细的气体地球化学依据。

陇县—宝鸡断裂带地处南北地震带中段与北段的交接区、青藏块体东北缘、鄂尔多斯西南缘弧形断裂束的最南段(图1),也是我国大陆EW向和NS向巨形构造带(南北构造带和阿尔金—祁连—秦岭—大别构造带)的交接地带,地质结构特征极具代表性。陇县—宝鸡断裂带主要由岐山—马召断裂、千阳—彪角断裂、固关—虢镇断裂和桃园—龟川寺断裂组成(Wang et al,2021),整体呈NW走向,其北部狭窄,向东南方向延伸逐渐散开,抵渭河盆地西部,并止于秦岭北麓附近,地貌上形成“一隆二拗”的构造格局(图1)。研究区主体被第四系沉积物覆盖,断裂带北部大量出露白垩系砂岩、南部出露印支期花岗岩。

图1 6条跨断层土壤气CO2测线分布
Fig.1 Distribution of 6 survey profiles for surveying the soil gas CO2 in the Longxian-Baoji Fault Zone

受到青藏高原向东南方向的挤压作用,岐山—马召断裂呈现左旋走滑运动的特征; 与此同时,鄂尔多斯块体逆时针旋转产生了右旋走滑分量也叠加在该断裂上,导致该区域受力作用十分复杂(李新男,2017)。张新科等(2017)对陇县—宝鸡断裂带的研究结果显示,岐山—马召断裂及固关—虢镇断裂的地震活动比较活跃。岐山—马召断裂是整个断裂带内规模最大、活动性最强的断裂,全长约180 km,整体呈NW走向(300°～320°),属晚第四纪活动断裂,断裂以左旋走滑运动性质为主,伴有一定的正断分量,第四纪左旋走滑速率约为0.5～1.2 mm/a(李新男,2017)。固关—虢镇断裂总体走向325°～335°,长130 km,该断裂早期具有挤压逆冲性质,但第四纪以来主要以正断层运动为主,中更新世以来北段具有明显的走滑分量,平均水平运动速率约为0.1 mm/a(薛峰,2014)。本文选取岐山—马召断裂上的草壁、南寨、转咀头、大源场地,以及固关—虢镇断裂上的殿咀、八渡场地进行野外土壤气测量,收集土壤气CO₂,并进行碳稳定同位素分析。

前人对鄂尔多斯西南缘和西秦岭北缘的各条断裂带进行了跨断层土壤气CO₂浓度测量分析,如刘兆飞(2020)得出海原断裂带土壤气CO₂浓度平均值在0.09%～0.22%; Zhou等(2020)得出六盘山地区土壤气CO₂浓度平均值在0.73%～1.44%; 高曙德等(2021)测量得出西秦岭北缘

图6 固关—虢镇断裂和岐山—马召断裂土壤气1/CO2和碳同位素组成分析
Fig.6 CO2 concentrations and δ13CCO2 in the Guguan-Guozhen Fault and the Qishan-Mazhao Fault

断裂土壤气CO₂浓度范围为0.36% ～ 1.12%。

本文获取的陇县—宝鸡断裂带土壤气CO₂体积浓度平均值在0.62%～1.16%。对比研究区周缘各断裂带CO₂气体浓度平均值可知,更靠近鄂尔多斯盆地西南缘的六盘山—陇县—宝鸡断裂带比外围的海原断裂带更利于CO₂沿断裂向外逸出。相对而言,陇县—宝鸡断裂带的气体活动性比六盘山断裂的气体活动性略弱。这主要是由于受到青藏高原挤压推挤作用,地壳物质沿六盘山—陇县—宝鸡断裂向东南方向逃逸,导致陇县—宝鸡断裂带产生左旋走滑运动; 同时,受华北块体顺时针运动作用,鄂尔多斯盆地发生逆时针旋转,产生部分右旋走滑分量作用于陇县—宝鸡断裂带上,从而抵消掉该断裂的部分左旋走滑位移。这些复杂的地质作用过程使得陇县—宝鸡断裂的北部处于相对闭锁的状态,而南部的闭锁程度较低。与之相对应,杜方等(2018)利用地震活动性资料反演得出陇县—宝鸡断裂带北部属于地震空区,而南部属于7级地震破裂区。在本文测量的6条测线中,固关—虢镇断裂上的测线位于陇县—宝鸡断裂带的北段的结论,而岐山—马召断裂上的测线位于该断裂带的南段。

岐山—马召断裂和固关—虢镇断裂在晚第四纪以来的活动性存在一定的差异:首先,岐山—马召断裂晚第四纪以来整体呈现为左旋走滑兼正断特征,速率约为0.5～1.2 mm/a(Li et al,2019),而固关—虢镇断裂晚第四纪以来活动特征稍显复杂,整体呈正断兼走滑特征,水平走滑速率约为0.1 mm/a(薛峰,2014)。因此,岐山—马召断裂的活动性整体强于固关—虢镇断裂。其次,2条断裂均呈现为分段活动性各不相同的特征,其中关于岐山—马召断裂的分段活动性的资料比较丰富,最强的为该断裂的北段,滑动速率约为0.8～1.2 mm/a,而关于固关—虢镇断裂的分段活动性的研究较少,该断裂北段为晚更新世活动断裂,中段为全新世活动断裂(速率不超过0.12 mm/a),南段为早中更新世活动断裂。由于各条断裂的活动性和破碎程度不同,导致它们的不同分段具有各向异性,使得断裂带不同地点的渗透性各不相同,进而影响土壤气的浓度和活动强度。

综合陇县—宝鸡断裂带6条跨断层测线的土壤气CO₂浓度、相对活动强度、碳稳定同位素组成等气体地球化学特征分析,可知岐山—马召断裂的4条测线均位于该断裂活动性最强的北段,CO₂气体相对活动性最强的为北端的草碧、南寨和转咀头测线,而南端的大塬测线气体相对活动性最弱,表明该断裂北段的活动性由北向南呈现为减弱的特征。固关—虢镇断裂的殿咀测线位于该断裂的北段,八渡测线位于该断裂的中段,八渡测线的气体相对活动性强于殿咀测线,这一特征印证了中段为全新世活动断裂,其活动性要强于北段。岐山—马召断裂CO₂气体样品比固关—虢镇断裂具有稍多的深部物质来源,表明岐山—马召断裂地表浅部与地壳深部的连通性较好、断裂带闭锁程度较低,为深部流体向上扩散与运移创造了有利条件。殿咀、八渡测线位于整个陇县—宝鸡断裂的北部(挤压闭锁区),南寨、转咀头、大塬测线位于南部(弱闭锁区),总体而言,断裂闭锁程度较低、破裂程度较高的地区CO₂气体活动性较强,反之,则CO₂气体活动性较弱。综合上述资料可知,陇县—宝鸡断裂带北段同时具有气体活动性弱、闭锁程度较高、位于地震空区等特征,因此,北段未来发生地震的危险性比南段高。

本文通过对陇县—宝鸡断裂带上6条跨断层测线的土壤气CO₂浓度、相对活动强度和碳同位素组成特征进行分析,得到以下结论:

(1)2018—2019年2期土壤气CO₂观测结果显示,八渡的CO₂浓度分布呈现为双峰式,符合正断层气体扩散模式特征; 殿咀、草碧和大塬的CO₂浓度分布呈现为多峰型,符合走滑断层气体扩散模式特征; 南寨和转咀头地区断裂东北盘的CO₂浓度高于西南盘,符合走滑兼正断层气体扩散模式特征。这一特征可为判定断裂性质提供气体地球化学方法的佐证。

(2)由于断裂带土壤气CO₂属于混合来源,所以需要同时结合体积浓度、相对活动强度以及碳同位素组成来对气体活动性特征进行综合判定。岐山—马召断裂的土壤气CO₂浓度和相对活动强度整体上强于固关—虢镇断裂; 相对应地,岐山—马召断裂上的气体深部来源占比(0.02% ～ 0.31%)稍微高于固关—虢镇断裂上的气体深部来源(0.05% ～ 0.06%),表明位于南段的岐山—马召断裂气体渗透性较高、地下构造连通性较好,而位于北段的固关—虢镇断裂气体活动性较弱、断层闭锁程度较高,未来发生地震的危险性较高。

感谢中国地震局第二监测中心季灵运研究员对文章提出中肯的建议,感谢中国地震局地震预测研究所刘兆飞对数据处理方法提出的建议,感谢评审专家给予宝贵的修改建议。