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  地震地磁观测与研究  2020, Vol. 41 Issue (4): 111-120  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2020.04.016
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引用本文  

康健, 徐岳仁, 姜云爽, 等. 依兰—伊通断裂北段断层氢气的地球化学特征分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2020, 41(4): 111-120. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2020.04.016.
KANG Jian, XU Yueren, JIANG Yunshuang, et al. Analysis of geochemical characteristics of hydrogen in fault gases in the north section of Yilan-Yitong fault[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2020, 41(4): 111-120. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2020.04.016.

基金项目

黑龙江省地震局重点科研项目(项目编号:201701);中国地震局地震科技星火计划项目(项目编号:XH19011)

通讯作者

李继业(1981——),男,硕士,高级工程师,主要从事数值地震及综合预测方法的研究工作。E-mail:jiye_1i@126.com

作者简介

康健(1980——),男,硕士,高级工程师,主要从事地震工程和地下流体的研究。E-mail:95164698@qq.com

文章历史

本文收到日期:2019-03-11
依兰—伊通断裂北段断层氢气的地球化学特征分析
康健 1, 徐岳仁 2, 姜云爽 3, 杜天然 1, 马艳丽 1, 李继业 1     
1. 中国哈尔滨 150090 黑龙江省地震局;
2. 中国北京 100036 中国地震局地震预测研究所;
3. 中国黑龙江 151100 肇东市地震局
摘要:2017—2018年在依兰—伊通断裂黑龙江段开展断层氢气调查工作,沿断裂选取8个剖面进行跨目标断层观测及土壤氢气采样。结果表明:①断层氢气浓度常存在异常变化;②不同类型的断层,氢气浓度异常变化幅度没有明显差异;③走滑断层异常特征一般为断层两侧低、中间高,呈现“低—高—低”的特点;倾滑断层异常特征一般为断层的上盘略高、下盘略低;④断层氢气排放不仅受微观局部断层的影响,更受宏观的地震活动性大环境的影响。
关键词依兰—伊通断裂    地球化学探测    氢气    地球化学特征    
Analysis of geochemical characteristics of hydrogen in fault gases in the north section of Yilan-Yitong fault
KANG Jian 1, XU Yueren 2, JIANG Yunshuang 3, DU Tianran 1, MA Yanli 1, LI Jiye 1     
1. Heilingjiang Earthquake Agency, Harbin 150090, China;
2. Institute of Earthquake Forecasting, China Earthquake Admimistraiton, Beijing 100036, China;
3. Zhaodong Earthquake Agency, Heilongjiang Province 151100, China
Abstract: A fault gas survey was carried out in the Heilongjiang section of the Yilan-Yitong fault from 2017 to 2018. Eight cross-fault profiles were selected along the fault for soil hydrogen sampling. The data clearly reveal the characteristics of gas anomalies at specific locations in profiles. The results of comprehensive fault structure data, topographic and geomorphological characteristics, and fault gas observation show that:①Hydrogen concentration on faults often shows abnormal changes; ②For different types of faults, there is no obvious difference in the abnormal variation range of hydrogen concentration; ③The hydrogen concentrations on strike-slip faults are generally low on both sides and high in the middle, showing the characteristics of "low-high-low"; the hydrogen concentrations on dip-slip faults are generally slightly high in the upper wall and slightly low in the lower wall; ④Fault gas emission is not only affected by micro-faults, but also by the macro-seismic environment.
Key words: Yilan-Yitong fault    geochemical observation    hydrogen    geochemical characteristics    
0 引言

近年来,针对断裂构造进行的地球化学探测逐渐兴起并发展(郑海刚等,2016王喜龙等,2017张彬等,2018),氢气作为断裂带释放的主要气体成分之一,具有迁移速度快和穿透力强的特点,能够快速对构造活动产生响应,被认为与地震构造活动密切相关(Wakita et al,1980张培仁等,1993杜乐天,2004周晓成等,2013)。众所周知,自然界氢气的来源主要有断层错动、应力活动和生物质作用等(陈辉,1996车用太等,2002)。研究表明,地下活动、断裂错动等会导致断层氢气增多,并使之不断沿断裂等地壳薄弱地带向地表运移和释放,活断层是地壳深部气体向大气层释放的天然通道,断层氢气沿断裂向上的运移量明显要高于非断裂部位,逸出空间易集中在断裂附近,而断层氢气这一特点常被用于断层的查找与识别(王广才等,2002刘菁华等,2006邵永新等,2007周晓成等,2013车用太等,2015Zarroca et al,2016孙小龙等,2017)。近年来,很多研究者利用氢气研究地震、断层并取得了较好的效果(范雪芳等,2016李源等,2018康健等,2019)。无论是在地震监测预测还是在断裂构造探测方面,氢气浓度观测均被认为是一项有广阔前景的地球化学探测方法(车用太等,2002刘耀炜等,2006)。

依兰—伊通断裂为郯庐断裂带在我国东北地区的别称。郯庐断裂带是我国东部地区规模最大的断裂。随着研究的深入,近年来在该断裂带黑龙江通河段发现了全新世活动证据,探槽揭示距今1700年前发生过7级以上地震(闵伟等,2011),这一发现彻底颠覆了人们对该断裂带“全新世以来不活动”的认识。古地震往往存在复发周期(徐锡伟等,2000),因此,该断裂带值得重点关注与研究。本文通过对依兰—伊通断裂黑龙江境内重点地段进行跨断层测量氢气研究,探讨氢气与断裂构造间的关系。

1 构造背景

依兰—伊通断裂总体呈NNE—NE向展布,在我国境内总长约1 100 km,是郯庐断裂带渤海以北区段的主要组成部分(徐嘉炜等,1992),也是划分中蒙、中朝和燕山等3个活动地块的重要边界断裂(张培震等,2003)。该断裂基本由近于平行的东、西2条分支断裂(东支:F4-2;西支:F4-1)组成,构成一个宽约10—20 km的地堑,一些区段呈NE向沿松花江分布。

依兰—伊通断裂在黑龙江省境内一般被分为3段,即北段(方正—萝北段)、中段(尚志—延寿—方正段)和南段(伊通—舒兰—尚志段)。依兰—伊通断裂北段地震活动明显强于中段和南段,沿依兰—伊通断裂北段有着整个黑龙江省境内最为密集的小震活动,显示了较强烈的现今地壳活动特征。而就北段本身而言,地震活动也是分布不均匀的,北段的萝北地区地震活动要强于北段其他区域。该地区小震活跃,历史上发生过多次中强地震,如1963年6月22日5.8级地震。研究发现,西支断裂比东支断裂活动性明显,在西支通河段发现高2 m左右的断层陡坎等地貌线性影像,延伸长约70 km,逆走滑性质;并在祥顺乡南楼村的探槽剖面发现全新世活动,推测约1700年前发生过强烈古地震事件(闵伟等,2011疏鹏等,2014)。

2 测试与方法

在依兰—伊通断裂北段西支断裂上从方正至萝北选出8条垂直于断裂的剖面进行观测(图 1),8条观测剖面由南向北分别是方正西测线、祥顺乡测线、松花江农场测线、香兰农场测线、汤原测线、鹤岗南测线、宝泉岭测线和延军农场测线。每条测线布设15—20个测点,测点间等间距,点距分别为10 m、30 m、50 m、100 m,点距的设置与所测断裂的精度、规模有关,也可根据地形地貌和断层类型进行调整。将所观测的断层按照可信度可分为A、B和C三类:A类为具有直接证据,通过探槽、剖面和露头等揭示;B类为间接证据,通过资料、钻探和物探等证实,构造特征非常明显,断层存在的概率很大;C类为推测断层,具有断层指向,存在构造特征,有存在断裂的可能性。如果未发现断层具体位置,可由收集到的资料判断断层可能通过的路径来确定最佳观测位置。

图 1 依兰—伊通断裂北段构造 Fig.1 Structural map of the northern section of Yilan- Yitong fault

观测仪器为便携式氢气分析仪(ATG-300H),标定后空气检测值一般为0.5×10-6。测量时在土壤中打1个观测孔,孔径约3 cm,孔深80 cm。先将取样器(麻花钻)吸气端插入孔中并封住气孔,然后用软管将取样器排气端与仪器相连,并启动仪器开始观测,读取最高值。为了减少非构造因素的影响,选同一土质条件的场地进行观测。

3 观测结果 3.1 观测数据

观测时间段为2017年6月—2018年9月,每条测线观测2—5期,得到了断裂上8条测线剖面的氢气浓度数据。其中,在方正西测线、祥顺后山村测线、汤原测线完成2期测量;在香兰农场测线、宝泉岭测线、延军农场测线完成3期测量;在鹤岗南测线完成4期测量;在松花江农场测线完成5期测量。测量数据见表 1表 1中背景值采用各测点氢气浓度的几何平均值,这种方法能弱化极端数值对整体数据的影响,从而更真实地反映1组数据的整体水平,体现研究区域客观的氢气浓度背景。公式如下

表 1 测线断层氢气浓度统计结果 Table 1 1 Statistics of Hydrogen concentration along line faults
$ G = \sqrt[{^n}]{{{x_1} \cdot {x_2} \cdot \ldots \cdot {x_n}}} $ (1)

式中,G为观测点所有样本的几何平均值;x1为观测点第1个样本;n为观测点样本数。

3.2 观测剖面

8条测线均跨断层(或疑似断层),观测结果见图 2

图 2 氢气浓度观测曲线与断层特征间的对应关系 (a)方正西剖面; (b)祥顺乡剖面; (c)松花江农场剖面; (d)香兰农场剖面; (e)汤原剖面; (f)鹤岗南剖面; (g)宝泉岭剖面; (h)延军农场剖面 Fig.2 Correspondence between observation curves and fault characteristics
3.2.1 方正西测线

方正西测线位于方正县城西4 km处,横跨断裂布置。断裂在此处的地貌特征表现为大大小小多个湖沼、水泡和隆起呈串状线性分布。地形整体平坦,局部地势北高南低,沿断裂局部有陡坎。陡坎高差约3 m,测线横跨陡坎布置,走向SE。由图 2(a)可见,氢气浓度在陡坎上部有较明显变化,且陡坎上部的氢气浓度明显高于陡坎下部。

3.2.2 祥顺乡测线

祥顺乡测线位于祥顺乡东,与南楼乡已发现的活断层(闵伟等,2011)相距6 km。由于南楼乡地区为水稻田,未找到适合断层氢气观测的理想场地,最终将测线位置选择为该断层的东北沿伸方向。该场地断层地形地貌表现不如南楼乡处明显,地形平坦,缺少连续陡坎,但局部有牵引小型水系和控制河流走向拐点等现象,局部有小水洼、小鼓包等微观地形地貌特征。因此,该测线所跨断层为推测断层,由图 2(b)可见,氢气浓度在疑似断层处有明显起伏。

3.2.3 松花江农场测线

松花江农场测线位于依兰县城西北11 km,卫星影像显示,该位置断层线性构造清晰明显,地势东高西低,陡坎明显,高差3—4 m,走向NE,与松花江河谷近乎平行。2018年11月,黑龙江省地震局韦庆海等在测线旁开挖探槽;2019年11月,沿着断层在测线以西20 km处再开挖一个探槽。2个探槽均捕捉到断裂,揭示了断裂至少在晚更新世以来有过大规模活动。陡坎的高度表明,依兰—伊通断裂在此处活动强烈,且发生过多次古地震事件。在该测线前后进行了5次观测,由图 2(c)可见,除了第3期数据略显凌乱之外,其他4期都较稳定。第1期观测日期与第4期相同,背景值也相差无几(表 1),说明该地区2017年和2018年总体稳定。

3.2.4 香兰农场测线

2018年1月,汤原县香兰农场连续发生3.2级、3.8级地震。2次地震均发生在依兰—伊通断裂西支断裂上,该西支断裂是中小地震多发带(常金龙等,2018)。测线区域有明显NE向陡坎穿过,疑似断裂构造,陡坎高差约0.5 m,局部地势平坦宽缓,南北两侧稍高,中间稍低。陡坎在低洼处通过,测线垂直于陡坎布置。由图 2(d)可见,第2期氢气浓度高值点主要是受冻土层影响所致,分析认为与地震和断层间的关系不明显:①地震会使该区域氢气浓度整体升高,但不会造成测线上某一两个点浓度升高;②一般由断层因素造成的氢气浓度升高会在每期观测都有所体现,而不是只在第1期观测中有体现。而这种氢气浓度突跳情况反而是在冻土观测时常见(康健等,2019)。因冻土并不是均匀分布,与土壤含水量、土壤成分等均有关。第1期观测是在冻土刚形成时期,冻土较薄且不连续,并未造成土壤中氢气的富集;而第2期是在冻土最厚时段(黑龙江北部地区一般到每年5月冻土才开始消融),此阶段会有氢气浓度较高的现象。排除特殊因素,多期观测结果显示,该剖面数据较平稳,未发现明显异常,也未发现陡坎附近存在明显断层特征现象。

3.2.5 汤原东测线

测线距汤原县城东北约13 km,观测2期,因第1期测线修路使之受到破坏,故图 2(e)为换址后的测线结果。测线在松花江冲积平原上,属于同一构造单元,地势平坦,沿断裂分布大小不等的串珠水泡、湖泊,沿线零星分布鼓包隆起。测线附近有探槽揭示断裂断错了全新统土层,证明该段断层全新世有活动。由图 2(e)可见,在疑似断层通过处,氢气浓度异常特征非常明显。

3.2.6 鹤岗南测线

鹤岗南测线存在1条NE向线性陡坎,高差1.5 m,较明显,陡坎向东北逐渐消失,经调查为煤矿塌陷区,深逾千米,该区域同时也是依兰—伊通断裂破碎带通过地带,可视为高角度人工断层进行研究。由图 2(f)可见,断层通过之处断层气浓度存在变化趋势,在3条测线上均变化明显,其中,1条测线为CO2测量剖面,其曲线特征与同期的氢气观测曲线特征相似。

3.2.7 宝泉岭测线

宝泉岭测线位于宝泉岭农垦局南郊,该区域属松花江冲积平原,地势较平坦,在测线东北方向2 km处有较低缓孤山,在孤山西坡有疑似陡坎,陡坎在平原区消失。在测线范围内断裂踪迹不明显。2017年中国地震局地球物理勘探中心在鹤岗—宝泉岭一带布置了多条EW向地震浅层反射测线,其中有1条就在宝泉岭农场,结果未发现该处有断层迹象(黑龙江省地震工程研究院,2017)。同样,由图 2(g)可见,此次工作在该剖面上也未发现明显异常特征。该剖面地震勘探和此次观测结果均未反映出明显异常特征,因此,宝泉岭测线很可能未横跨到目标断层。

3.2.8 延军农场测线

延军农场测线在黑龙江河谷一级阶地上,横跨1条0.7 m高差陡坎,局部地势西高东低。由图 2(h)可见,整条剖面上各期观测曲线形态较相似,都在陡坎通过处有明显变化,表明陡坎上部氢气浓度高于下部。

3.3 特征分析

(1)观测剖面上每期观测结果不尽相同,但总体特征相似度较好。这主要与季节有关,因受温度和湿度的影响一年四季的观测结果会有所不同(康健等,2019)。

(2)依兰—伊通断裂在本区域以走滑为主。对于以走滑分量为主、没有明显陡坎的断层,若是闭锁状态,则不利于断层气上逸,故断层处氢气浓度一般不会有明显变化;若是开放式断层,裂隙破碎带发育,则有利于深部气体上逸,如果地表被孔隙度较小的粘土类土层覆盖,断层气浓度一般较高(孙小龙等,2017)。在本文的8个剖面上,断层氢气浓度在断层部位多有明显变化,可以看出依兰—伊通断裂北段多为开放状态。

对于倾滑分量为主、陡坎明显的断层来说,多以“一侧高、一侧低”为主要异常特征,通常情况下,上盘高,下盘低(Ciotoli et al,2007刘学领等,2011周晓成等,2011)。如松花江农场测线,将其5期观测结果取各段平均值(图 3),可以看出陡坎两侧氢气浓度均值有差别,上盘略高于下盘。

图 3 松花江农场测线5期观测结果综合分析 Fig.3 Comprehensive analysis of multi-stage results of Songhuajiang farm profile

(3)对于陡坎明显的断层,氢气浓度异常现象并不一定突出,如松花江农场测线[图 2(c)];对于陡坎不明显的断层,氢气浓度也有明显异常现象,如祥顺乡测线[图 2(b)]和汤原测线[图 2(e)],走滑分量强一些的断层,虽然陡坎不明显,但存在串状水泡、鼓包等明显线性特征。说明地貌形态(陡坎大小、水系牵引)并不是决定异常程度的主要因素。

(4)对于具有直接证据的3条A类断层剖面,在断层通过处都存在异常特征;对于有间接证据的3条B类断层剖面,断层通过处也都有明显异常特征;对于地表无明显构造特征的2条C类断层(推测断层)剖面,都未发现明显构造异常特征,说明断层气的释放会受到断层的影响。

(5)2018年8月在依兰—伊通断裂北段进行了完整的1期观测。在所有测线上均在同一时段内完成观测,同一时刻横向比较,可以有效避免环境变化的影响,直观地观测到断裂氢气浓度分布特征。图 4为2018年8月各测线氢气浓度,由图 4可见,松花江农场测线、香兰农场测线、宝泉岭测线和延军农场测线氢浓度较高。按氢气浓度高低将图 4的测线大致分为成4段,即:方正西测线和祥顺乡测线为第1段;松花江农场测线和香兰农场测线为第2段;汤原测线和鹤岗南测线为第3段;宝泉岭测线和延军农场测线为第4段。可以看出第1、3段氢气浓度较低,第2、4段氢气浓度较高,将这4段的大致范围叠加在2017—2018年地震震中分布图上(图 5),统计1级以上地震可见,第1段8次,第2段16次,第3段7次,第4段27次,因此认为,氢气浓度高低与现代地震活动水平强弱一致,断层氢气可以反映断层构造活动状态。

图 4 2018年8月依兰—伊通断裂北段各测线氢气浓度 Fig.4 Distribution of Hydrogen Concentration in the northern section of Yilan-Yitong fault in August 2018
图 5 依兰−伊通断裂北段地震分布 Fig.5 Earthquake distribution map in the northern section of the Yilan-Yitong fault
4 结论与讨论

针对依兰—伊通断裂北段选取8条测线,开展了多期跨断层氢气观测,初步得到以下结论。

(1)断层上氢气浓度会出现异常变化。8条测线中,在有直接证据或间接证据的6条跨断层剖面上,断层附近氢气浓度均有不同程度变化。在推测的2条跨断层剖面上,氢气浓度变化不明显,未能区分异常,说明断层氢气的释放会受到断层的影响。

(2)不同类型的断层上,氢气浓度的异常变化幅度没有明显差异。无论是垂直分量明显的倾滑断层,还是水平分量明显的走滑断层,在氢气浓度异常方面均无显著差异。可见断层产状并不是影响异常变化幅度的主要因素,异常变化幅度或与断层现今活动性和断层规模有关。

(3)断层上断层氢气浓度的高低一般与断层的闭锁程度与开放程度有关,也与地表是否有富集气体的土质条件有关。本文中断层氢气浓度多呈现在断层的一侧高、另一侧低的特点,这可能由断层两侧受挤压状态不均所致。此次观测结果即显示,在松花江农场测线上,断层上盘略高,下盘略低。

(4)沿断裂进行观测可以得到断层氢气浓度分布特征,研究发现,不同地段的断层氢气浓度是有差别的。断层氢气浓度可以反映断裂构造当前的活动状态,构造活跃地带的断层氢气浓度要高于构造不活跃地带,利用该特点可以对断裂活动性进行划分。

(5)断层氢气排放不仅受微观局部断层的影响,更受宏观的地震活动性大环境的影响。

断层氢气观测属于地球化学探测范畴,与众多探测手段一样,其观测结果也具有不确定性和不唯一性,易受观测环境的干扰影响,因此观测选点时应考虑干扰因素。另外,本次工作研究手段较单一,如果配合多种手段联合观测,效果将更理想,所得结果也会更精确。

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