4.2.3 土壤气H2
与其它气体相比,H2具有质量轻、溶解度最小、黏度低、极易迁移的特点。在温度、压力等条件相同的情况下,H2的迁移速率大于其它气体。鲜水河—小江断裂带土壤气H2来源主要有:①地球形成时就有大量H2蕴藏于地球内部,在构造活动的影响下,沿着裂隙运移到地表(Mamyrin et al,1970); ②岩石破裂新鲜矿物界面发生水-岩反应产成H2(Kameda et al,2003); ③土壤有机质发酵生成H2(Libert et al,2011); ④岩石中的U和Th在放射性衰减中与水发生反应产生H2(Lin et al,2005)。
研究区土壤气H2含量最低值小于0.16 ppm,最高值为163 ppm,平均值为5.26 ppm。H2含量变化范围很大,这可能是由于破裂岩石与地下水反应所致。构造活动会导致岩石破裂,形成新鲜的矿物界面,当有水或其它流体进入矿物界面时会产生大量 H2,并沿构造裂隙上升至地表(Sugisaki et al,1983),在不同构造活动影响下,水-岩反应产生的H2浓度也有所不同。鲜水河—小江断裂带上H2可能主要来源于岩石地层裂隙内发生的水-岩反应。
4.2.4 土壤气RnRn是一种放射性气体,半衰期仅有3.8 d,在扩散系统中迁移速率低、运移距离较短,但可在载气的作用下,通过裂隙通道从地球深部迁移到地表(Ball et al,1991)。地壳中多数固体对Rn有不同程度的吸附作用,通常Rn在花岗岩和酸性岩脉中的含量最高,其次是页岩、石灰岩和砂岩,在基性岩脉和角闪岩中最低(Baixeras et al,2001)。
由表1可知,研究区测线附近普遍出露花岗岩或者酸性岩,构造活动导致地壳形变、裂隙发育、地震活动等,载气通道增多,岩石破碎程度高,增加了Rn的射气系数,促使断裂内的气体运移至地表。本次土壤气测量采样深度为0.8 m,位于土壤淀积层内,土壤淀积层中富集了Rn的放射性母体U、Th和Ra(Steinitz et al,2003)。鲜水河—小江断裂带土壤气Rn可能主要来源于土壤或岩石中放射性物质的衰变。
4.2.5 土壤气Hg
Hg熔点低、密度大,是一种在常温下呈液态的金属,在地下主要以气态形式迁移(Ebinghaus et al,2002)。土壤气Hg的来源主要有:一是直接来源于地幔或者地壳深部; 二是某些含Hg的硫化物矿床成矿后Hg蒸汽的挥发(Weinlich et al,2006)。
研究区土壤气Hg平均浓度为12.21 ng/m3,最低值为1 ng/m3,最高值为55 ng/m3。640个测点中,高于异常阈值上限的测点占总测点数的4.2%,低值点占1.4%。统计学结果表明,Hg数据含量不符合正态分布,有多个母体。因此,该区域土壤气Hg可能有多种来源或者被不同影响因素所控制。常温下 Hg 的蒸汽压较高,有很强的穿透能力,能够逸散到大气中(Feng et al,2003),大气中的Hg也会通过大气降水渗透到土壤中(Pirrone et al,2010)。此外,研究区地壳热流体活动较为强烈,地下温度和压力梯度的变化明显(Zhang et al,2022),地下深部气体通过裂隙运移至地表,这可能也是Hg 的一个重要来源。综上所述,研究区土壤气 Hg 受深源 Hg 供给、地壳结构、区域构造、地层和地气交换等多种因素的控制。
对研究区土壤气来源分析可知,土壤气CO2、CH4主要来源于生物成因或者有机成因,深部来源较少,Hg的来源较为复杂,Rn和H2的来源与岩石密切相关。断层滑移、地震活动和构造运动会造成岩石破损,再加上断裂上不同的应力状态,所以鲜水河—小江断裂带Rn、H2的脱气作用也会有较大差异。
4.3 土壤气体浓度与地震活动、断裂带活动性的关系
(1)土壤气浓度与历史强震离逝时间、断裂带活动性密切相关
从图5a可见,在鲜水河—小江断裂带9个断层分段中,历史地震逝时间最近,且滑动速率最高的是S1和S2段(表3),其土壤气H2的衬度值分别为24.4和8.0(图6a),Rn的衬度值分别为10.4和2.0(图6b),高于大部分测区。
从鲜水河—小江断裂带土壤气的空间分布来看(图6),在断层附近出现了异常高浓度的 CH4、H2、CO2、Rn 和 Hg,这可能表明断层滑移影响了该地区的脱气程度。结合土壤气CO2浓度和GPS数据研究表明,安宁河断裂南段的断层活动性明显高于则木河断裂北段(Yang et al,2021)。随着滑动速率的增加,断层相互摩擦作用形成了更多的裂隙通道,这表明高滑移率可以产生并维持较高的断层渗透率(Zhang,Xie,2001),增强了地球深部气体扩散效率,最终导致土壤气浓度的异常上升。
鲜水河—小江断裂带北段(S3),安宁河断裂南段(S4)和小江断裂北段(S7、S8)土壤气平均浓度、异常特征值表现均比较低。综合其历史强震、滑动速率、现今地震活动来看,可能是因为历史强震离逝时间越久、断层滑动速率越低,断裂逐渐愈合、闭锁程度较高、裂隙发育程度低,
图5 鲜水河—小江断裂带滑动速率(a)及地震活动性(b)
Fig.5 The slip rate(a)and seismicity(b)of the Xianshuihe-Xiaojiang Fault Zone
图6 鲜水河—小江断裂带土壤气H2(a)、Rn(b)、CO2(c)、CH4(d)、Hg(e)浓度特征及衬度值
Fig.6 Concentration and contrast values of the gases CH4(a),CO2(b),H2(c),Hg(d),and Rn(e)in the Xianshuihe-Xiaojiang Fault Zone
从而表现出土壤气低浓度分布特征。断层上土壤气体浓度的不同可能是受到断层渗透性的影响,比如断层的破碎程度和测量地点的土壤特征(Fu et al,2005)。研究区土壤气Rn、H2在S1段的脱气表现为多峰特征,在S5、S6、S9段表现为双峰,在S2、S3、S4、S7、S8段表现为单峰。一般情况下,离活动断裂带越远,孔隙度越低,但在强震破坏作用下,断裂破碎程度较高,渗透率增加为地下深部流体到达地表提供了通道,因此断层脱气表现出单峰模式(图7a); 而历史地震离逝久、现今地震活动性较弱、滑动速率低的断层核部相对闭锁,土壤气只能通过离断裂较远的次级裂隙通道运移至地表,从而表现为双峰或者多峰形态(图7b)。
图7 土壤气脱气示意图(据Annunziatellis等,2008)
Fig.7 Schematic diagram of the soil-gas degassing(modified from Annunziatellis et al,2008)
(2)现今小地震活动性越强,裂隙发育程度越高,土壤气体浓度越高
在构造运动过程中,低渗透率的构造覆盖层在一定程度上阻碍了深部流体的上升,从而导致流体压力的增强,这种高压流体可能偶尔或者周期性地引发地震(Wibberely,Shimamoto,2003; Sibson,1973)。在孕震过程中,地球深部的挤压伸展可能导致震中深处的压实和裂缝闭合,从而在浅层构造薄弱处为深层流体的上升开辟了通道,这些流体浸透了断裂面和破坏带,最终引发了地震,并控制了余震的发生和分布(Curzi et al,2021)。另外,对一些断层带的观测结果也表明深部高压流体是引起小震的重要因素(Nur,Booker,1972; Miller et al,2004)。这种关系有助于我们理解深部高压流体在触发地震和余震中的作用,为震前流体异常判断提供依据。
研究区近一年发生的地震主要集中在S5、S6段,两端(S1-S4、S7-S9)具有密度明显变小的特征(图5b)。将该特征与测得的鲜水河—小江断裂带土壤气浓度进行对比可以看出:S5段对应的测区内小震数量最多,MS≥2.0地震达179个(图5b),S5段上CO2最大衬度值最高(图6c)。已有研究表明,地幔起源的高压流体在地壳中迁移时参与了西波西米亚震群的触发(Fischer et al,2014; Babuska et al,2016),本文中高CO2衬度值与高地震频次相对应也证实了震群与CO2脱气之间存在一定联系。但是,流体、应力场以及构造运动相互作用产生震群的具体机制尚不清楚,需要进一步研究。
S8、S9段虽然MS2.0～4.0地震数量较少,对应性较差,但有多次4级以上地震,这也有可能导致Rn、Hg浓度值相对较高。青藏高原东部地区热液活动研究表明,深部流体的上涌对地热异常和地震高频次起重要作用,地下流体循环和地震活动存在一定关系(Liu et al,2022)。S5和S6 段历史地震离逝时间较近(图5a),近期小地震活动性较强,断层蠕动导致流体和断裂相互作用产生大量的裂隙,再加上大地震形成的原有的裂隙通道,导致裂隙发育程度高,土壤气体浓度值也就越高。
通过分析鲜水河—小江断裂带土壤气地球化学浓度变化与断裂带滑动速率、测量期间的地震活动性、历史强震活动性的关系,发现鲜水河—小江断裂带不同段、不同时期的裂隙发育程度控制了土壤气浓度的高低。此外,在整个鲜水河—小江断裂带区域,有少数测线表现出异常高值现象。孤立高值点有可能是多条破裂带交汇导致的(Fridman,1990),或者是在该点处存在空间不连续性导致土壤气浓度富集(Ciotoli et al,1998)。因此,鲜水河—小江断裂带的构造可能存在更为复杂的空间分布形式,需要进一步研究。
