4.1 雄安新区活动断裂带空间展布分析
笔者使用Kriging方法对雄安新区内542个土壤气体测点的Rn、CO2和Hg浓度测值进行Grid处理和插值,并绘制了气体浓度等值线图(图1)
Fig.4 Contour plot of the concentration of soil gas Rn,CO2 and Hg in Xiong'an New Area(the illustration of fault distribution is the same as Fig.1)">图4)。为突出不同气体来源的空间分布特征,按照各土壤气体组分浓度Q-Q图统计结果设置浓度等值线图的色标,分别将断裂来源Rn、CO2和Hg气体的下限值(31.80 kBq/m3、9.45%和20.0 ng/m3)和空气来源为主的Rn和CO2气体的上限值(1.20 kBq/m3和0.28%)作为色差变化明显处的分界限。
图1)
Fig.4 Contour plot of the concentration of soil gas Rn,CO2 and Hg in Xiong'an New Area(the illustration of fault distribution is the same as Fig.1)">
图1)
Fig.4 Contour plot of the concentration of soil gas Rn,CO2 and Hg in Xiong'an New Area(the illustration of fault distribution is the same as Fig.1)"/>
图1)
Fig.4 Contour plot of the concentration of soil gas Rn,CO2 and Hg in Xiong'an New Area(the illustration of fault distribution is the same as Fig.1)">图4 雄安新区土壤气体Rn、CO2和Hg浓度等值线图(断裂分布说明同图1)
Fig.4 Contour plot of the concentration of soil gas Rn,CO2 and Hg in Xiong'an New Area(the illustration of fault distribution is the same as Fig.1)
雄安新区土壤气体Rn、CO2和Hg浓度空间分布一致性较高,其高浓度值主要呈串珠状聚集于雄安新区的牛东断裂、牛东分支断裂1、牛东分支断裂2、容城断裂和徐水—大城断裂沿线。这表明这5条断裂为雄安新区的主要活动断裂带。而且,各气体组分浓度高值在新区东部区域的牛东断裂、牛东分支断裂1和牛东分支断裂2的聚集特征较为显著,尤其在雄县东部靠近霸州、文安地区存在NE走向的土壤气体浓度最高值条带(图1)
Fig.4 Contour plot of the concentration of soil gas Rn,CO2 and Hg in Xiong'an New Area(the illustration of fault distribution is the same as Fig.1)">图4),这进一步说明,新区东部区域的牛东断裂、牛东分支断裂1和牛东分支断裂2可能具有较高的破碎程度。然而,位于新区西部的容城断裂和徐水—大城断裂,仅隐约可见土壤气体浓度高值沿断裂带走向聚集的现象,可能表明这2条断裂相对较低的破碎程度。
尽管牛东断裂及其分支断裂土壤气体Rn、CO2和Hg浓度高值的空间展布态势与其它断裂的走向基本一致,但是高值分布也存在小幅偏离推测断裂体系的现象,如牛东断裂的Rn和Hg浓度(图1)
Fig.4 Contour plot of the concentration of soil gas Rn,CO2 and Hg in Xiong'an New Area(the illustration of fault distribution is the same as Fig.1)">图4a、c),牛东分支断裂1的Hg浓度(图1)
Fig.4 Contour plot of the concentration of soil gas Rn,CO2 and Hg in Xiong'an New Area(the illustration of fault distribution is the same as Fig.1)">图4c)及牛东分支断裂2的Rn和CO2浓度(图1)
Fig.4 Contour plot of the concentration of soil gas Rn,CO2 and Hg in Xiong'an New Area(the illustration of fault distribution is the same as Fig.1)">图4a)。上述3条断裂位置与根据地震剖面(何登发等,2018; 彭远黔,孟立朋,2017)、电磁航测(于长春等,2017)等地球物理手段及地质构造(Guo et al,2015; 徐锡伟等,2016)背景资料研究得出的断裂位置存在不同程度的偏移,这种现象可能是研究技术手段不同所致。地球物理探测及地质调查主要研究区域深部的大型构造特征及演化,其空间上的断裂位置为上断点(切层线)在地表的垂向投影。而土壤气体地球化学技术手段采集并分析地表土壤中的气体,直接反映采样点附近土壤脱气强弱,受作为气体运移通道的深部断裂及近地表浅层裂隙控制。因此,基于土壤气体地球化学推测的断裂位置在水平空间上表现为大致沿深部断裂走向的带状分布。
李弘等(2017)的研究表明雄县附近存在明显磁力高值异常,且与区域重力异常结果高度吻合,指示雄县附近可能存在高磁性岩体。区域石油勘探资料揭示牛东断裂是一条贯穿了古近系(Tg)和新近系(T2)的深大隐伏断裂,且为多条走向一致的分支断裂组合而成的断裂体系(何登发等,2018)。本文观测结果进一步显示,新区东部的牛东断裂、牛东分支断裂1和牛东分支断裂2附近可能均发育多条分支隐伏断裂,3条断裂带的宽度约为500～1 200 m。
4.2 雄安新区活动断裂带的活动性研讨
对比中国大陆部分主要活动断裂带,雄安新区具有较高的土壤气体浓度特征,土壤气体Rn、CO2和Hg浓度最高值(83.50 kBq/m3、11.66%和43.0 ng/m3)均明显高于首都圈地区18条主要活动断裂带的35条剖面(45.00 kBq/m3、2.18%和24.9 ng/m3,王喜龙等,2017)。雄安新区土壤气体Rn浓度最高值高于唐山老震区土壤气体Rn浓度最高值(38.47 kBq/m3,Li et al,2013)、延怀盆地土壤气体Rn浓度最高值(57.81 kBq/m3,李营等,2009)、蓟县断层土壤气体Rn浓度最高值(58.65 kBq/m3,周志华等,2014)、夏垫断裂土壤气体Rn浓度最高值(63.38 kBq/m3,韩晓昆等,2013)和海原断裂土壤气体Rn浓度最高值(38.30 kBq/m3,周晓成等,2011)。以上对比分析初步显示了雄安新区主要活动断裂的较强活动性特征。
雄安新区土壤气体浓度等值线空间展布已初步揭示了牛东断裂、牛东分支断裂1和牛东分支断裂2的较强断层活动性,为进一步研讨这3条断裂
及其不同段的断层活动性,本文布设了垂直推测断裂的土壤气体剖面,由于雄安新区建设工地较多,断层气体长剖面布设受到限制,导致各断层气体测线布线长度及测点数难以统一,且测线测点可能仍然主要分布于断裂带内部。另外,除了各活动断裂带Rn、CO2和Hg浓度高值外,整个研究区土壤气体Rn、CO2和Hg浓度背景较为均一(图1)
Fig.4 Contour plot of the concentration of soil gas Rn,CO2 and Hg in Xiong'an New Area(the illustration of fault distribution is the same as Fig.1)">图4),这可能与研究区范围较小,且地层岩性较单一有关。鉴于以上情况,本文采用了断层气体浓度相对强度法(测线最高值与新区浓度平均值的比值)对牛东断裂、牛东分支断裂1和牛东分支断裂2及其不同段的断层活动性进行分析研究。
浓度相对强度计算结果(表2)显示,新区牛东分支断裂1和牛东分支断裂2的土壤气体测线3～6的Rn和CO2浓度相对强度较高,其中CO2和Rn浓度相对强度最高值(1.40和4.16)分别出现在牛东分支断裂2上的测线3和测线4上。雄安新区构造地质研究结果表明,新近纪以来新区大部分区域处于较为稳定状态,而其东南及东部邻霸县凹陷等地区具有较明显的活动性(何登发等,2018); 地震探测结果(图5)发现位于新区西北角的牛东断裂深部构造稳定,而其东南方向的分支断裂活动时间较新,且浅部次级断裂的应力集中程度较高(范玉璐等,2020)。
图5 牛东断裂附近Tg和T2底面构造图(据何登发等,2018)
Fig.5 Structures at the bottom of the strata Tg and T2 near the NIUDong Fault(according to He et al,2018)
图6 雄安新区断层土壤气体浓度测线及相对强度
Fig.6 Survey profiles of the soil gas concentration and its relative strength in Xiong'an New Area
自有历史记载以来,雄县附近共发生3.0级以上地震5次,其中4次地震发生于新区东南角,且仅有的2次5.0级以上地震发生在新区东南(徐锡伟等,2016)。因此,雄安新区3条断裂带土壤气体浓度相对强度空间分布特征,与区域构造、地球物理和地震学的观测研究成果共同表明,雄安新区断裂活动性由东南向西北方向递减,即位于新区东南的牛东分支断裂2>牛东分支断裂1>新区西北的牛东断裂(图6)。而且,对比首都圈地区的19条活动破裂带,牛东分支断裂1和牛东分支断裂2的Rn浓度相对强度仅略低于唐山断裂带丰南段的Rn浓度相对强度(3.9),而高于其它18条(Chen et al,2018),这表明雄安新区的牛东分支断裂1与牛东分支断裂2可能为首都圈区域内活动性较高的断裂带,需要进一步对其活动性开展跟踪研究。
对雄安新区牛东断裂、牛东分支断裂1和牛东分支断裂2不同段的土壤气体Rn、CO2和Hg浓度相对强度对比分析发现,牛东分支断裂1的测线5和测线6的土壤气体Rn、CO2和Hg浓度相对强度相似; 虽然牛东分支断裂2的测线3的土壤气体CO2浓度相对强度高于测线4,但测线4的土壤气体Rn浓度相对强度高于测线3; 牛东断裂测线2的土壤气体Rn、CO2和Hg浓度相对强度均高于测线1,但差异较小,且2条测线土壤气体浓度相对强度均不高(图6)。因此,据本文观测结果,新区3条断裂带不同段的断层活动性可能并无明显差异。但是,受观测点覆盖空间范围的局限,本文对3条断裂不同段活动性的对比研究结果并不能完全反映3条断裂活动性的分段特征,未来需进一步扩大土壤气体地球化学观测网的空间范围,更客观地揭示雄安新区主要活动断裂的活动分段特征。
