大量调查研究表明,活动断裂带因其裂隙相对发育而成为地球深部气体集中脱气的重要地带,经断裂带释放气体的地球化学特征与断裂的活动性密切相关(陈多福等,2005; Bhongsuwan et al,2011; Walia et al,2013; Han et al,2014; Chen et al,2018)。如意大利Fucino盆地断裂带内土壤气体Rn通量大多高于45 mBq/(m²s),最高达120 mBq/(m²s), 显著高于盆地内非断裂带区域的10 mBq/(m²s)(Ciotoli et al,2007)。中国台湾南部潮州断裂及周边地区土壤气体He和CO₂浓度高值异常聚集条带与潮州断裂的展布基本重合(Fu et al,2005)。Li等(2013)、赵元鑫(2021)对唐山断裂带及周边地区的土壤气体进行地球化学野外探测发现,CO₂、Rn、Hg、He 和H₂的浓度异常高值集中出现于唐山断裂带内,且土壤气体浓度异常强度与区域断裂活动呈现较强的相关性。近年来,土壤气体地球化学特征研究已成为隐伏断裂探测及断层活动性评估的重要方法之一(周晓成等,2012; Li et al,2013; Wang et al,2014; Fu et al,2017; Chen et al,2018),如Mahajan等(2010)基于印度喜马拉雅山脉西北段新构造区域土壤气体Rn和He浓度的高值空间展布特征,揭露了平行于喜马拉雅山前断裂的一条新的隐伏断裂; Wang等(2006)利用土壤气体Rn和Hg浓度野外探测,进一步确定了福州市内的隐伏断裂展布情况; 邵永新等(2007)通过土壤气体Rn和Hg浓度结果与人工地震探测结果的综合分析,将海河隐伏断裂划分为东、西两段,且断裂东段土壤气体浓度明显高于西段,可能指示断裂东段的较强活动性。

已有的观测和研究发现,中强地震的发生通常会造成发震断裂带气体的地球化学异常变化(King,1986; Italiano et al,2008; 杜建国等,2018),如唐山M_S7.8地震发生后40年对唐山断裂带土壤气体Rn的野外探测发现,唐山地震震中区仍是Rn浓度和通量高值的聚集区域,表明唐山地震及其余震对断裂带的脱气仍存在影响(Chen et al,2018); 通过对汶川M_S8.0地震震中区域科学钻探随钻泥浆气体的地球化学监测发现,汶川地震的余震活动也会造成泥浆中气体H₂和 Hg浓度的明显升高(Zhang et al,2014; 张彬等,2018); 在捷克波希米亚西北部和印度西部 Koyna-Warna地区均观测到发震断裂带土壤气体Rn浓度在区域地震发生前的增高异常变化,研究认为地震附近构造区应力重分布导致的断层渗透率增加及地震过程中裂隙的演化可能是造成断裂带土壤气体异常变化的主要原因之一(Weinlich et al,2006; Reddy et al,2011)。由此可见,通过地震发生区域主要断裂带及周边地区的土壤气体地球化学探测,有望为发震构造的进一步深入研究提供重要的科学依据。

2005年11月26日在瑞昌盆地发生了华东地区近30年以来震级最大的地震——九江—瑞昌M_S5.7地震(卢福水等,2006; 李传友等,2008)。该地震的发震构造也引起了众多学者的广泛关注(卢福水等,2006; 杨中书等,2007; 李传友等,2008; 吕坚等,2008; Han et al,2012; 曾新福等,2018)。然而,瑞昌盆地断裂错综复杂,且多隐伏于厚的沉积物之下,也给发震构造研究造成极大的困难,现有的关于该地震发震构造的研究报道仍众说不一(陈学忠等,2008; 罗丽等,2016)。因此,本文采取土壤气体野外流动观测手段,在获取瑞昌盆地土壤气体Rn和CO₂浓度背景场的基础上,结合区域已有地球物理、地震地质及地表震害等研究成果开展综合研究,进一步探讨九江—瑞昌M_S5.7地震的发震构造。

赣西北九江瑞昌地区位于秦岭—大别褶皱系和扬子准地台两大构造单元交界部位,该地区的构造活动受以上2个构造单元的控制。瑞昌盆地以北存在两组不同方向的区域大断裂:NE向的庐江—广济断裂(郯庐断裂带南段)和NW向的襄樊—广济断裂。郯庐断裂带是中国大陆一条极为重要的活动断裂带,为中国东部最大的地震活动带(徐嘉炜,马国峰,1992)。其主干断裂沿秦岭—大别造山带的东南边缘延伸,终止于长江岸边的广济(湖北武穴)附近,南段切割并错移大别山带而构成断裂尾端。襄樊—广济断裂是一条区域性深大断裂,构成了秦岭—大别造山南缘边界断裂构造带的东南部分,被认为是扬子地块与秦岭—大别造山带的分界线(图1a)(朱光等,2001; 张国伟等,2004)。

瑞昌盆地是位于赣西北九江地区的一个NE向小型盆地,地处幕阜山隆起向鄱阳湖坳陷的过渡地带,长约18 km,宽约5 km,以盆地为中心,其周边300 km内曾发生5级及以上历史地震共8次(图1a)。瑞昌盆地所在断裂带为NE向瑞昌—武宁断裂,北起瑞昌以北,向西南经瑞昌盆地、范家铺、横港、鲁溪至武宁,长约70 km; 断裂北段隐伏于开阔的第四系盆地之下,中段隐伏于山间谷地之下,南段出露于基岩之中。断层泥化学分布特征显示,瑞昌—武宁断裂北段围岩为氧化条件,断裂带内部处于还原环境,存在与地下深部流体的交换作用(田素素,2019)。沿断裂走向曾发生1888年3月29日铜鼓5.2级、1995年4月瑞昌4.9级和2004年1月德安4.1级等多次地震(图1a)(李传友等,2008; Han et al,2012; 曾新福等,2016)。

瑞昌盆地两侧为志留系—泥盆系碎屑岩组成的NE向山体。东南边缘主要出露新生代地层,盆地西北边缘主要出露下第三系紫红色砾岩、砂砾岩夹粉砂岩。西北边缘的中更新世阶地海拔约40 m,而盆地东南边缘海拔仅约20 m,这表明盆地西北部的抬升速度高于东南部边缘(图1b)(李传友等,2008)。

图1 研究区地震地质概况(a)及土壤气采样点布设图(b)(据Han et al,2012; 罗丽等,2016修改)
Fig.1 Seismo-geological settings(a)and distribution of the measuring points of the soil gas(b) in the study area(revised from Han et al,2012; Luo et al,2016)

土壤气体Rn和CO₂数据的统计结果表明,Rn浓度范围为35.70×10^-3～79.70 kBq/m³; CO₂浓度变化范围为0.10～10.67%(表2)。Rn和CO₂浓度波动较大,且CO₂浓度明显高于大气 水平(0.04%),而少部分测点Rn浓度明显低于空气水平,小于100.00 Bq/m³(Ciotoli et al,1999; Novelli et al,1999)。均值和中位数显示气体浓度概率分布因异常值的存在而呈偏正态分布,表明样本分布异常。Rn和CO₂浓度数据偏度值分别为1.76和1.25,表明Rn相较CO₂具有较高的分散性分布。

由于土壤气体的成因比较复杂,其浓度异常阈值不能绝对固定,因此有多种地质统计方法确定异常阈值。在某些情况下,上四分位数被认为是可能的异常阈值(Beaubien et al,2003); 或者通过去除异常高值后的平均值加上两倍标准差来确定异常阈值(Baubron et al,2002; Fu et al,2005)。然而,土壤气体异常阈值受构造、岩性、季节变化和人为因素等多种因素的影响,为此,结合此次密集采样特点,本文采用更加客观的分位数-分位数图(Q-Q图)方法。该方法是一种区分背景值和异常值之间的不同群体的有效方法(Kafadar,Spiegelman,1986; Sinclair et al,1991; Cheng et al,1994)。同时,本文采用了基于更复杂统计推导的Q-Q图方法:在Q-Q图的基础上,通过近似直线段的方法确定气体异常阈值,即取这些直线段交点所对应的纵坐标值分别作为背景值与异常 阈值。最终结果显示:Rn、CO₂背景浓度分别为7.33 kBq/m³、0.50%,异常界浓度分别为27.50 kBq/m³、6.00%(图2)。

表2 震源区土壤气体主要参数统计表
Tab.2 Main soil gas data in the seismic region

本文利用江西瑞昌盆地内139个Rn和CO₂测点的土壤气体浓度测量结果,讨论了区域内土壤气体Rn和CO₂浓度的空间分布特征,主要得出以下结论:

(1)研究区土壤气体Rn和CO₂浓度范围分别为35.7×10^-3～79.70 kBq/m³和0.10%～10.67%,背景浓度分别为7.33 kBq/m³、0.50%,异常界浓度分别为27.50 kBq/m³、6.00%。Rn和CO₂浓度异常整体呈点状或带状分布,Rn浓度异常呈现NE向优势分布特征,可能反应了赣北区域当前构造应力状态。

(2)土壤气体Rn和CO₂浓度同步异常带与刘家—范家铺—城门山断裂、瑞昌盆地东南缘断裂重合较好,且Rn和CO₂浓度异常分布对比分析显示瑞昌盆地东南方向断裂活动性较西北方向强,推测瑞昌盆地内相关地震活动与盆地东南方向断裂构造关联性较大。该区域具有气体地球化学敏感性,适合开展地震地球化学土壤气体长期连续监测。