2019, Vol. 39
2. 新乡市地震局，河南省新乡市规划路8号，453000
目前，利用跨断层土壤气测量来探测隐伏断裂带位置已经得到广泛应用[1-5]，该方法认为跨断层土壤气是地球内部沿活动板块或板块边界及其他薄弱带向地表迁移释放的气体。断裂作为连接深部与浅部的通道，地下深部气体在一定的作用下沿断裂带迁移至浅部，并在断裂上方的土层形成富集带，富集带的气体浓度可高出背景值数倍甚至数十倍。因此，跨断层土壤气测量能准确地确定隐伏断裂在地表的位置，同时可以反映出深部构造信息。
本文在安阳市活断层探测工作的基础上，采用野外流动测量的方法，在安阳南断裂带东段布置一条与断层走向近垂直的地球化学测线(图 1)，通过对土壤中H2和Rn的浓度进行2期测量并分析其特征，确定断裂的浅层位置及研究区断层气背景特征。
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Ⅰ磁县-安阳断陷; Ⅱ临漳-韩陵山凸起; Ⅲ魏县-大名断陷; Ⅳ安阳地堑; Ⅴ太行山隆起; Ⅵ汤阴地堑; Ⅶ内黄隆起 F1安阳北断裂; F2安阳南断裂; F3安阳西断裂; F4临漳断裂; F5汤西断裂; F6汤东断裂 图 1 研究区区域构造及测线位置 Fig. 1 Geology structure and measuring line location in the studied area |
研究区位于太行山山前断裂即新华夏系NNE向断裂和NWW向活动断裂的交汇部位，地质结构复杂，被中国地震局列为全国地震监视防御区。地质构造上，该区处于一级新构造区华北平原差异沉降区中的安阳地堑(图 1)，该地堑除古新世隆起外，始新世到第四纪一直处于间歇性断陷沉降状态，同时沉降区受NWW向安阳北断裂带和安阳南断裂带控制，为地堑型沉降区。根据钻孔资料显示，地堑内部的新近系厚度明显大于两侧隆起区的厚度，第四系等厚线受地堑控制明显，呈近EW向展布，距离两侧断裂不同位置的第四系地层的厚度也有明显差异，最大厚度超过80 m。
安阳南断裂带是与安阳北断裂带平行的NWW走向的断裂带，构成安阳地堑的南边界。断裂带西起水冶许家沟，向东经曲家沟南、高庄直到内黄、清丰一带，倾向N，倾角大于60°，长约100 km，断层性质以正断为主，同时具有左旋走滑特征[6-7]。在安阳宗村西浅层人工地震勘探测线上，该断裂错断新近系、下更新统和中更新统地层(图 2)，为中更新世活动断裂。第四纪以来，研究区断裂活动强烈，地震活动频繁，历史上曾发生1900年安阳西5级地震。
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图 2 浅层地震勘探结果(据中国地震局地球物理勘探中心) Fig. 2 The result of shallow seismic exploration |
在研究区相关资料及区域构造背景和自然地理环境基础上，沿安阳南断裂带布设一条与跨断层水准剖面平行的跨断层土壤气体(Rn和H2)观测剖面，该剖面位于浅层地震勘探剖面东侧约600 m处。根据现场测量环境，设置测线方向为由北向南，测线长度为540 m，测点间距为30 m，共19个测量点(图 3)，分别于2017-04和2017-11开展2期Rn和H2测量。测量时先用钢钎在测量点并列打2个孔深800 mm、孔径30 mm的钻孔，然后将麻花钻取样器插入其中封孔；再用硅胶管连接便携式Rn与痕量H2监测仪，分别进行土壤Rn浓度与H2浓度的现场测定。
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图 3 地球化学测线布设图 Fig. 3 Graph of the distribution geochemical measuring line |
现场测量时，仪器参数为0.5 mL/min抽气模式、1 min采样间隔，每个测点记录15个Rn浓度值和5个H2浓度值。由于土壤层气体释放不稳定，取测点气体浓度最大值为该测点气体浓度观测值。分别对2期土壤H2和Rn的浓度观测值进行K-S非参数检验，结果表明，在p=0.05的显著水平上，除第2期H2(p=0.003)外，其余观测值均通过检验，观测结果符合正态分布。为客观反映研究区断层气背景值，利用箱式图对观测数据进行处理，去除异常高值点，然后取剩余测点测值的算术平均值来表征每期观测的背景值。根据实际测量情况，本文以均值与2倍均方差之和作为异常下限值，具体结果见图 4。为减少人为和环境等因素的影响，将连续2个以上测点测量值高于异常下限值的区域认定为异常区[8]。
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图 4 安阳宗村土壤H2和土壤Rn分布特征 Fig. 4 Concentration distribution characteristics of soil H2 and Rn in Zong village |
测量结果(图 4)显示，沿测线的H2、Rn浓度值存在较大的空间差异。2017-04第1期土壤Rn的浓度变化范围在15~123 kBq/m3之间，Rn的背景值为52.49 kBq/m3，标准差为21.70 kBq/m3，异常下限为95.89 kBq/m3，在180~270 m处连续出现4个测点测值高于异常下限，测值范围为101~123 kBq/m3，为第1期Rn异常区，异常峰背比(实际观测值与背景值的比值)最大为2.3，位于270 m处。2017-11第2期土壤Rn的浓度变化范围在28.4~103 kBq/m3之间，Rn的背景值为47.49 kBq/m3，标准差为18.25 kBq/m3，异常下限为83.99 kBq/m3，在270~300 m范围内连续出现2个测点测值高于异常下限，测值范围为96~103 kBq/m3，为第2期Rn异常区，异常峰背比最大为2.2，位于270 m处。
2017-04第1期H2的浓度变化范围在0.659×10-6~58.56×10-6，背景值为6.87×10-6，标准差为5.29×10-6，异常下限为17.45×10-6，异常测点集中在180~300 m处，异常峰背比最大为8.5，位于240 m处；2017-11第2期H2的浓度变化范围在0.372×10-6~29.73×10-6，背景值为0.89×10-6，标准差为0.61×10-6，异常下限为2.12×10-6，异常测点集中在180~270 m处，峰背比高达33.36，位于210 m处。2期H2浓度测量曲线均呈单峰型，且对称性较好。
3.2 测量结果差异性分析从测量结果来看(表 1)，除第1期Rn浓度最小值小于第2期Rn浓度最小值外，第1期测得的H2和Rn的背景值、异常值、最大值及最小值均大于第2期所测结果。同时，每个测点H2的浓度测量结果除210 m处，其他测点均显示第1期大于第2期。研究表明，断层土壤气观测的干扰因素(主要是气象因素)较为单一，年变规律清晰，H2浓度与气温呈正相关，与气压呈负相关[9]。第1期测量时间在4月份，属于春季，现场测量时气温均值为27 ℃，气压为1 000 mbr；第2期测量时间在11月份，属于秋季，现场测量时气温均值为12 ℃，气压为1 008 mbr，2期测量时所用仪器及参数、测量人员、测点位置等均一致，数据可靠。因此，2期结果的差异主要由气象因素造成。
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表 1 安阳南断裂土壤H2、Rn浓度分布 Tab. 1 Concentration distribution of soil H2 and Rn in the south Anyang fault |
目前暂时没有利用土壤Rn浓度和H2浓度来判断断层活动性的统一标准，本文结合文献[10-12]的评价方法对安阳南断裂带的活动性进行探讨，具体方法见表 2。表中，C为异常衬度，C=A/N，其中A为异常区域内异常测值的平均值，N为正常区域内测量值的平均值。利用该方法对2期测量的Rn浓度进行计算，异常衬度C分别为2.15和2.14，2≤C < 5，说明安阳南断裂带在较近的地质年代以来曾发生过较强活动，现今活动较弱或活动不明显。
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表 2 土壤Rn断裂活动性评价方法 Tab. 2 Fault activity evaluation method of soil radon |
1) 2期土壤H2和Rn的观测结果都显示，在距起点210~300 m处出现高值异常，与人工地震勘探结果解译的断点吻合度较高，准确反映了断裂的位置，说明土壤H2和Rn在研究区对断裂位置具有较好的指示作用。同时，2期Rn异常衬度表明，安阳南断裂带在较近的地质年代以来曾发生过较强活动，现今活动较弱或活动不明显。该结果与安阳市活断层探测结果较为一致，可使用异常衬度指标来初步判断断层的活动性。
2) 第1期4月份的背景值高于第2期11月份的背景值，2期土壤H2和Rn的差异性主要由气象因素造成，非断裂活动引起。
3) 由于测量数据只有2期，观测数据可能受季节等因素的影响，建议对研究区断裂带土壤气补充夏季、冬季流动测量，以期更客观真实地弄清研究区土壤H2和Rn的背景值，同时建议运用气体同位素技术探讨其组份来源。
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2. Xinxiang Earthquake Agency, 8 Guihua Road, Xinxiang 453000, China