2019, Vol. 39
江苏省地震局对茅山断裂带的地震监测已建成测震、形变、电磁、流体等多种观测手段，未来气体地球化学观测手段的建设对该地区的监测网络可起到补充完善的作用。用气体地球化学方法进行地震科学研究对于探索活动断层的运动与地震发生之间的相互关系有着十分重要的意义。目前，一些能够反映深部流体活动的气体地球化学测项，如氡、汞、氢、氦、二氧化碳等已经全部实现野外定点连续观测[1-3]。
江苏省地震局对于茅山地区气体地球化学的研究已经形成建立断层气观测网的总体规划，目前正处于观测场地的勘选阶段。本文以茅山竹矿地区为例，采用便携式测氡仪，沿布设的测线找出浓度相对较高的测点，并结合地质勘察、浅层地震勘探及同场地跨断层短水准资料，分析和确定断层气定点观测场地的最佳位置及场地周边断层的活动性。
1 区域地质概况茅山断裂带位于江苏南部，总体呈NE走向，由茅山东西两侧2条断裂带组成，东侧称茅东断裂带，西侧称茅西断裂带。茅山地区地质构造见图 1，本文研究的竹箦煤矿(简称竹矿)地区位于茅东断裂带上。茅东断裂带是茅山薄皮山脉与茅东伸展盆地的分界线，断裂带长约80 km，于晚白垩世后第三纪时形成，NW、NNW向张性及张扭性断裂较发育，倾向SE，倾角上陡下缓。晚白垩世以来，茅东断裂带具有右旋伸展和左旋逆冲多期次交替活动的特征，是一条长期多期次活动的断裂带，1974年溧阳M5.5地震和1979年溧阳M6.0地震均发生在该断裂带上[4-7]。
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F1茅东断裂; F2金坛-南渡断裂；F3溧阳-南渡断裂; F4溧阳-竹箦断裂; F5溧阳-庙西断裂; F6厚余-新桥断裂; F7丹阳-小河断裂; F8丹徒-建山断裂; F9汤山-东昌断裂; F10上党-河阳断裂; F11百合场-堰头断裂 图 1 茅山地区地质构造 Fig. 1 Geological structure map of Maoshan area |
竹矿地区位于茅山断裂带的近北端，是1970年地质单位预测有大煤矿而建设开采的矿区，实际产煤量不大，在开采一段时间后被废弃，目前只有一个长条形状的矿坑，常年积水，被当地命名为月牙湖。现场地质调查结果表明，月牙湖两侧的岩性不同，西侧为砂岩(图 2)，具层理，层理有变化；东侧的韭菜山岩壁为断层角砾岩(图 3)，规模巨大，高达30多m，长达100多m，角砾岩内部颗粒大小不同，磨圆不同，推测此处存在断裂。
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图 2 月牙湖西侧的砂岩 Fig. 2 Sandstone on the west side of Yueya lake |
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图 3 月牙湖东侧的断层角砾岩 Fig. 3 Fault breccia on the east side of Yueya lake |
气体地球化学方法被认为是一项具有广阔前景的地震监测方法，随着近年来观测技术的发展和新型观测仪器的应用，氡、汞、氢、氦、二氧化碳等气体测项已能在野外实现定点连续监测。
2.1 勘选测线布置根据前人研究成果及地质调查结果，初步判断研究区为地下气体较易逸出的灵敏地段。断层气勘选测线布设长度为200 m，布设位置见图 4，与竹矿跨断层短水准测量同场地。断层气测量点分别位于断层上、靠近断层及远离断层的位置，以便开展对比分析。测线上各测点的距离根据实测数据进行疏密调整，对浓度较高的异常区进行加密观测和重复测量。
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图 4 竹矿断层气测线位置近场图 Fig. 4 Near field chart of fault gas survey line in Zhukuang |
本文土壤氡测量采用FD216型测氡仪，主要技术指标为：探测灵敏度≥0.68 cpm/(Bq·m-3)，本底计数率≤0.3 cpm，土壤氡测量浓度范围为300~300 000 Bq/m3，仪器抽取气体的流速为1.2 L/min，测量时间为5 min，浓度测值的误差在10%以内。由于测量过程中土壤气体的浓度是一个不稳定的数据，为得到较为准确的结果，取最大值进行读数，且采样3次，每次持续5 min。为保证野外探测资料的可靠性，在施测前对仪器进行标定，读5组数并取平均值，测量重复误差为3.5%，表明仪器性能稳定[5]。
2.3 土壤氡测量结果竹矿土壤氡测量结果见表 1(单位Bq/m3)，该测线均值为10 574.6 Bq/m3；将测线剔除最大、最小值后的平均值作为背景值，则背景值为9 412.4 Bq/m3；异常下限的值设定为背景值加上1倍标准差，则异常下限值为19 142.2 Bq/m3。图 5给出竹矿土壤氡测线的观测结果，异常区域在135~175 m之间，异常最大值出现在130 m处，最大值为40 762.9 Bq/m3。
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表 1 土壤氡测量结果 Tab. 1 Soil radon measurement results |
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图 5 竹矿土壤氡测线 Fig. 5 Radon survey line in Zhukuang |
测量结果表明，竹矿地区容易富集和贮存气体，可进行断层气测量，并初步选择异常最大值为断层气定点观测点位。
3 断层气勘选结果与人工探测结果的比较在进行土壤氡测量的同时，开展同场地人工地震探测工作，根据研究区地质情况和断层气测量情况，确定浅层人工地震勘探测线的位置。测线总长为573 m，道间距为3 m，设计炮数为7炮。在测线上分别开展横波反射法和纵波折射法实验。从实验结果来看，由于基岩太浅，很难得到有效的反射波组，而纵波折射由于覆盖层下方基岩岩性变化等因素得到了理想的实验单炮记录，因此决定采用纵波折射法。
人工地震测线正反支偏移炮、端点炮及中间炮记录见图 6。图 6(e)中，在全排列的87道处出现较为明显的基岩面折射震相拐点，视速度差异明显，怀疑为异常点，而在图 6(a)中也出现同步反应。图 7为人工地震测线的地质解释剖面。
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图 6 人工地震测线正反支偏移炮、端点炮及中间炮记录 Fig. 6 Records of positive and negative offset gun, end point guns and intermediate gun of artificial seismic lines |
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图 7 人工地震测线地质解释剖面 Fig. 7 Geological interpretation profile of artificial seismic line |
对比断层气场地勘探及人工地震结果，由图 8可以看出，土壤氡的异常区间位于断裂带以东约30 m处，结合地质勘察结果判断，断层气异常区间位于断裂的上盘。断层气氡的测量数值及其给出的断层空间位置与人工地震探测结果的一致性较好，显示研究区具备隐伏断层活动的特性，适合进行断层气观测。同时，由人工地震结果确定所要选取的断层气定点点位(断层气异常最高值处)，为将来断层气数据的科学分析提供重了要依据[8-13]。
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图 8 土壤氡测线与人工地震反支偏移炮剖面 Fig. 8 Soil Radon survey line and artificial earthquake opposite offset gun profile |
竹矿地区自1983-07起采用精密水准测量的方法进行观测，累计观测时间长达30多年，共获取200余期数据资料。研究区测线跨茅东断裂带，测线长为0.65 km，共4个测点，位置见图 4。对研究区短水准1983~2018年的数据曲线(图 9)进行分析，结果表明，2003年观测曲线由下沉转为抬升，目前仍处于抬升状态，反映了竹矿地区的地壳运动状态和活动性，也验证了该地区适合进行断层气观测。
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图 9 茅山竹矿短水准1983~2018年高差变化曲线 Fig. 9 Variation curve of short level 1983-2018 elevation difference in Maoshan Zhukuang |
本文给出一种断层气定点观测场地勘选方法：1)结合前人研究成果和地质调查结果，确定断层气场地勘选的测线位置；2)通过人工地震找出断裂的具体位置，对比断层气勘选结果与人工探测结果，确定断层气定点观测点位和相对断裂的位置。另外，同场地的跨断层短水准手段能够反映断层的活动性，也可验证断层气的勘选结果。
本文通过多种方法联合确定断层气定点观测点位，获得了较为可信的结果，为后续断层气观测数据的高质量产出提供保障，同时也为断层气定点观测场地的勘选提供借鉴和参考。
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