西秦嶺北緣斷裂帶排氣能力的比較研究

西秦嶺北緣斷裂帶排氣能力的比較研究

斷層氣的特性及與地震活動(dòng)、斷層活動(dòng)特征的關(guān)系目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)擾動(dòng)現(xiàn)代活動(dòng)的研究主要集中在對(duì)地球和環(huán)境的阻塞效應(yīng)，gps技術(shù)和地震活動(dòng)數(shù)據(jù)的利用上，研究當(dāng)前和現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)（kanyaoyachangyun等人，1979；liyajun等人，1993年和1998）。強(qiáng)烈地震發(fā)生前,由于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用,地球內(nèi)部的氣體會(huì)沿?cái)嗔寻l(fā)生強(qiáng)烈噴氣現(xiàn)象,這種現(xiàn)象在70年代就已發(fā)現(xiàn)(蔡祖煌等,1980).自80年代以來,研究斷層氣的技術(shù)和方法在我國(guó)得到了較大的發(fā)展.斷層氣的分析研究主要用于活斷層現(xiàn)今活動(dòng)特征的分段、地震的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、工程地震和地震烈度的評(píng)價(jià)分析等方面,并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步(汪成民等,1991;高清武,1992;何跟巧,1994;侏宏任,1991).研究斷層氣的組分主要是:CO2,H2,Hg,He,Rn,Ar,CH4,As,Sb,Bi和B等.我國(guó)斷層氣研究的深度和廣度位于世界前列.本研究通過對(duì)西秦嶺北緣斷裂帶東段、西段兩年來定點(diǎn)、定時(shí)取得的排氣活動(dòng)資料進(jìn)行對(duì)比,并結(jié)合兩年的地震活動(dòng)特征以及活斷層特征進(jìn)行分析,來評(píng)價(jià)一條斷裂帶現(xiàn)今排氣活動(dòng)特征及其與地震活動(dòng)、斷層活動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系.研究認(rèn)為,斷裂排放斷層氣CO2,N2含量和CO2/O2比值的活動(dòng)強(qiáng)度與地震活動(dòng)強(qiáng)度、頻度及斷層活動(dòng)的強(qiáng)度呈正對(duì)應(yīng)關(guān)系;斷裂排放斷層氣O2含量的活動(dòng)強(qiáng)度與地震活動(dòng)強(qiáng)度、頻度及斷層活動(dòng)的強(qiáng)度呈逆對(duì)應(yīng)關(guān)系;斷層氣O2含量與斷層氣CO2,N2含量和CO2/O2比值相互配合,對(duì)預(yù)測(cè)或判定地震活動(dòng)強(qiáng)弱和斷層活動(dòng)強(qiáng)弱意義更大.斷層氣O2,N2含量和CO2/O2比值,與CO2含量一樣,都是靈敏度比較高的氣體構(gòu)造地球化學(xué)標(biāo)度.1對(duì)活動(dòng)的比較1.1巖石區(qū)主斷裂西秦嶺北緣斷裂帶是甘肅省東南部一條規(guī)模比較大的活斷層帶.該帶鴛鴦鎮(zhèn)、高家河一帶有超基性巖分布,也是一條超殼型深斷裂帶.該帶主干活動(dòng)斷裂(以下簡(jiǎn)稱主斷裂)東自天水市南河川,向西經(jīng)鳳凰山、武山、漳縣延至洮河西側(cè)附近消失(圖1),洮河以西活動(dòng)性較強(qiáng)的斷裂為鍋麻灘北緣斷裂.該帶主斷裂總體走向北西西(280°～290°),局部地段略有變化.自晚更新世晚期以來,該帶主斷裂以反扭走滑活動(dòng)為主,并在洮河地區(qū)(A1)和鴛鴦鎮(zhèn)地區(qū)(A2)呈左旋左階關(guān)系,洮河地區(qū)和鴛鴦鎮(zhèn)地區(qū)為拉分構(gòu)造區(qū).1.2不同階地的斷裂反扭走滑變形速率西秦嶺北緣斷裂帶主斷裂以鴛鴦鎮(zhèn)拉分構(gòu)造區(qū)(A2)為界分為東、西兩段.為了比較該帶東、西兩段的活動(dòng)強(qiáng)度,對(duì)該帶主斷裂反扭位錯(cuò)渭河、漳河的階地野外進(jìn)行了調(diào)查分析.渭河、漳河的三級(jí)階地形成年代距今3萬余年,是晚更新世晚期的產(chǎn)物;渭河、漳河二級(jí)階地形成年代距今約4000年左右,是全新世中晚期的產(chǎn)物.因此,渭河和漳河三級(jí)、二級(jí)階地形成年代基本一致,具有可比性基礎(chǔ).根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查和14C資料的分析,西秦嶺北緣斷裂帶東段以武山縣渭河階地反扭走滑變形最強(qiáng)烈.武山渭河三級(jí)階地的形成年代距今33600±800年,渭河三級(jí)階地形成以來,該段斷裂反扭走滑運(yùn)動(dòng)的速率為1.86mm/a;武山縣渭河二級(jí)階地形成的年代距今3930±80年,渭河二級(jí)階地形成以來,該段斷裂反扭走滑運(yùn)動(dòng)的速率為8.14mm/a(康來迅,1990).西秦嶺北緣斷裂帶西段以漳縣壑峴地區(qū)漳河階地反扭走滑變形最明顯.漳河三級(jí)階地形成年代距今為34200±1500年,漳河三級(jí)階地形成以來,該段斷裂反扭走滑運(yùn)動(dòng)的速率為0.93mm/a;漳河二級(jí)階地形成年代距今為4370±90年,漳河二級(jí)階地形成以來,該段斷裂反扭走滑運(yùn)動(dòng)的速率為4.94mm/a(康來迅,1990).綜上所述,根據(jù)西秦嶺北緣斷裂帶反扭走滑運(yùn)動(dòng)的速率分析,晚更新世晚期以來,特別是全新世反扭走滑運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度東段大于西段.該帶全新世東段斷裂活動(dòng)性比較強(qiáng),西段活動(dòng)性相對(duì)較弱.這里要特別指出的是,上述斷裂帶反扭走滑運(yùn)動(dòng),其實(shí)質(zhì)是斷裂帶南、北兩側(cè)地塊都向東運(yùn)動(dòng),而北側(cè)地塊運(yùn)動(dòng)速度與南側(cè)地塊相比較慢,從而產(chǎn)生的速度差異運(yùn)動(dòng).一系列水系、山脊和階地沿主斷裂呈反扭位錯(cuò)變形,其實(shí)質(zhì)是該斷裂南、北兩側(cè)地塊向東運(yùn)動(dòng)過程中,因北側(cè)地塊運(yùn)動(dòng)速度較慢而產(chǎn)生的滯后效應(yīng)現(xiàn)象(康來迅,1990).2西秦北緣斷裂帶地震活動(dòng)情況西秦嶺北緣斷裂帶不僅是一條全新世活斷層帶,同時(shí)也是甘肅省一條主要的強(qiáng)震發(fā)生帶,先后發(fā)生過多次中—強(qiáng)地震.該帶地震活動(dòng)具有如下特征:(1)該帶11次5～7級(jí)地震全部集中發(fā)生在東段斷裂及其附近地區(qū).5次4～4.75級(jí)地震中,除1964年2月23日4.1級(jí)地震發(fā)生在西段的漳縣外,其余均發(fā)生在東段斷裂及其附近地區(qū)(圖1).(2)1954年1月1日～1997年12月底,本區(qū)地震有儀器記錄以來共44年.西秦嶺北緣斷裂帶發(fā)生MS=3.0～3.9地震9次,其中6次地震發(fā)生在東段斷裂及其附近地區(qū);西段除東端1次和西端2次地震外,該段的主體部位沒有地震記錄.(3)1996年與1997年地震活動(dòng)的比較.1996年西秦嶺北緣斷裂帶發(fā)生ML=3.0地震1次,ML=2.0～2.9地震8次.除西段的東端2次和西端1次地震外,其余地震均發(fā)生在東段斷裂及其附近地區(qū);1997年西秦嶺北緣斷裂帶發(fā)生ML=3.0地震1次,MS=3.5地震1次,ML=2.0～2.9地震10次.其中,西段的漳縣和東端各發(fā)生ML=2.0～2.9地震1次,其余地震均發(fā)生在東段斷裂及其附近地區(qū).特別需要指出的是,東段北坡寺村1997年7月24日發(fā)生了ML=2.4地震.1997年9月2日在武山縣城以南(圖1邊緣)發(fā)生了MS=3.5地震.據(jù)我們調(diào)查,武山縣城居民明顯有感.這是近3年來西秦嶺北緣斷裂帶最大的1次地震.綜上所述,西秦嶺北緣斷裂帶東段斷裂及其附近地區(qū)地震活動(dòng)強(qiáng)度大,并且頻繁發(fā)生,震中密集分布.西段斷裂及其附近地區(qū)地震活動(dòng)極少且弱;對(duì)于東段斷裂及其附近地區(qū),1997年地震活動(dòng)強(qiáng)度比1996年大.3地球釋放氣體和斷裂排氣地球內(nèi)部含有豐富的氣體,其含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大氣層的氣體總量:地殼中的氣體含量約為3×1019m3,地幔中的氣體含量為4×1021m3,大氣層的氣體數(shù)量?jī)H為5×1015m3(蔡祖煌,石慧馨,1980).因此,地球無時(shí)無地不在向大氣層釋放氣體,從來沒有停止過(汪成民等,1991).大氣層中的氣體有的就直接來自地球內(nèi)部,大氣層的氣體成份和地球內(nèi)部的氣體成份基本是一樣的,只是含量或比例的差異和區(qū)別而已.地球釋放氣體是指地球內(nèi)部的氣體,沒有受到任何作用力影響,在自然狀態(tài)下向大氣層釋放氣體.地球內(nèi)部的氣體是地球化學(xué)場(chǎng)中反映最為敏感、遷移性最強(qiáng)的流態(tài)物質(zhì),是可以直接將地球深部信息攜帶至地表的載體.地球內(nèi)部的氣體在地殼構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用下會(huì)向斷裂部位運(yùn)移流動(dòng),并沿?cái)嗔雅欧懦鰜?即斷裂排氣.如唐山地震主震前和兩次強(qiáng)余震前,距唐山市165km外的北京市區(qū)八寶山斷裂即出現(xiàn)過多次強(qiáng)烈噴氣現(xiàn)象(蔡祖煌,1980).有的學(xué)者認(rèn)為地球的排氣作用是巖漿噴發(fā)活動(dòng)、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的根本控制因素和表現(xiàn)形式(杜樂天,王駒,1993).因此,研究斷裂排氣活動(dòng)對(duì)認(rèn)識(shí)斷裂現(xiàn)今活動(dòng)特征是比較有意義的.3.11地下水氣樣的采集1996年5月我們沿西秦嶺北緣斷裂帶主斷裂布設(shè)了16個(gè)斷層氣(土壤氣)采氣點(diǎn),其中東段9個(gè)點(diǎn),西段7個(gè)點(diǎn).斷層氣采于地下110～120cm深度;1997年5月我們沿該帶主斷裂布設(shè)了15個(gè)斷層氣采氣點(diǎn),其中東段8個(gè)點(diǎn),西段7個(gè)點(diǎn).并在洮河拉分區(qū)(A1)和鴛鴦鎮(zhèn)拉分區(qū)(A2)各布設(shè)了1個(gè)地下氣采氣點(diǎn).這些氣樣采自地下150～160cm深度.1996和1997年在武山縣史家莊渭河大橋北岸各取了一個(gè)空氣樣.這些氣樣均由中國(guó)科學(xué)院蘭州地質(zhì)研究所氣體地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室李立武博士用MAT-271質(zhì)譜儀進(jìn)行測(cè)試分析.特別需要指出的是:1996年野外采氣期間下了1次小雨.1997年野外采氣期間沒有受到降水的影響.3.1.1不同地區(qū)活動(dòng)強(qiáng)度的比較從圖2a和圖3a可以看出,除個(gè)別點(diǎn)外,西秦嶺北緣斷裂帶各點(diǎn)斷層氣CO2含量均高于空氣樣中的CO2的含量,各點(diǎn)都位于虛線(空氣樣CO2含量,下同)之上.從表1可以看出,1996年東段斷裂排放CO2的平均含量為0.197%(體積的百分比,下同),西段斷裂排放CO2的平均含量為0.112%(表1).反映該帶排放CO2的活動(dòng)強(qiáng)度東段斷裂大于西段斷裂;1997年東段斷裂排放CO2的平均含量為0.77%,而西段斷裂排放CO2的平均含量為0.15%.反映1997年該帶排放CO2的活動(dòng)強(qiáng)度東段斷裂大于西段斷裂;就東段斷裂而言,1997年斷裂排放CO2的活動(dòng)強(qiáng)度大于1996年斷裂排放CO2的活動(dòng)強(qiáng)度(表1).根據(jù)上述分析,西秦嶺北緣斷裂帶地震活動(dòng)強(qiáng)度、頻度,東段斷裂及其附近地區(qū)大于西段斷裂及其附近地區(qū);就東段斷裂而言,1997年地震活動(dòng)強(qiáng)度大于1996年地震活動(dòng)強(qiáng)度.說明斷層氣CO2含量是映震靈敏度比較高的氣體構(gòu)造地球化學(xué)標(biāo)度.3.1.2斷層氣n活動(dòng)強(qiáng)度西秦嶺北緣斷裂帶各點(diǎn)斷層氣N2的含量都高于空氣樣N2的含量,各點(diǎn)位都在虛線之上(圖2b,圖3b).1996年該帶排放斷層氣N2的平均含量,東段為78.51%,西段為78.25%(⑧號(hào)點(diǎn)除外;若不排除⑧號(hào)點(diǎn),也比東段小一些).反映該帶排放斷層氣N2的活動(dòng)強(qiáng)度東段大于西段;1997年該帶排放斷層氣N2的活動(dòng)強(qiáng)度也是東段大于西段(表1、圖3b).從表1還可以看出,1997年東段排放斷層氣N2平均含量為78.78%,1996年東段排放斷層氣N2平均含量為78.51%.反映出東段排放斷層氣N2的活動(dòng)強(qiáng)度:1997年大于1996年.3.1.3東段排放斷層氣/o2比值除個(gè)別點(diǎn)外,西秦嶺北緣斷裂帶各點(diǎn)排放斷層氣CO2/O2比值都高于虛線之上(圖2c、圖3c).1996年東段排放斷層氣CO2/O2比值為9.72×10-3,西段僅為5.51×10-3,說明東段排放斷層氣CO2/O2比值高于西段排放斷層氣CO2/O2的比值(表1);1997年東段排放斷層氣CO2/O2的比值為40.06×10-3,而西段僅為7.35×10-3(表1),也反映出東段排放斷層氣CO2/O2的比值高于西段排放斷層氣CO2/O2的比值.從表1還可以看出,1997年東段排放斷層氣CO2/O2比值也高于1996年東段排放斷層氣CO2/O2的比值.說明斷層氣CO2/O2比值是映震靈敏度比較高的氣體構(gòu)造地球化學(xué)標(biāo)度.3.1.4建立斷層氣點(diǎn)活動(dòng)強(qiáng)度西秦嶺北緣斷裂帶各點(diǎn)斷層氣O2含量都低于空氣樣O2的含量,各點(diǎn)都位于虛線之下(圖2d、圖3d).這是因?yàn)檠跏呛芑顫姷幕瘜W(xué)元素,地球內(nèi)部的O2有些被損耗于斷裂的構(gòu)造地球化學(xué)過程中;另一方面地表眾多植物在光合作用下也大量呼出O2.1996年東段排放斷層氣O2的平均含量為20.36%,西段為20.47%.西秦嶺北緣斷裂帶排放斷層氣O2的活動(dòng)強(qiáng)度東段小于西段(表1);1997年東段排放斷層氣O2的平均含量?jī)H有19.48%,西段高達(dá)20.69%,也說明該帶排放斷層氣O2的活動(dòng)強(qiáng)度東段小于西段;就東段斷裂而言,1997年東段排放斷層氣O2的活動(dòng)強(qiáng)度比1996年東段排放斷層氣O2的活動(dòng)強(qiáng)度小(表1).通過上面比較分析,反映出西秦嶺北緣斷裂帶排放斷層氣CO2,N2含量和CO2/O2比值的活動(dòng)強(qiáng)度,東段大于西段;東段排放斷層氣CO2,N2含量和CO2/O2比值的活動(dòng)強(qiáng)度,1997年大于1996年.這反映出斷層排氣活動(dòng)與地震活動(dòng)關(guān)系相當(dāng)密切.西秦嶺北緣斷裂帶地震活動(dòng)強(qiáng)度、頻度:東段大于西段;對(duì)于東段斷裂(及其附近地區(qū))地震活動(dòng)強(qiáng)度、頻度而言,1997年大于1996年.這說明斷裂排放斷層氣CO2,N2含量和CO2/O2比值的活動(dòng)強(qiáng)度與地震活動(dòng)強(qiáng)度、頻度呈正對(duì)應(yīng)關(guān)系.因?yàn)檫@些地球內(nèi)部氣體在地殼構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用下會(huì)向斷裂部位運(yùn)移流動(dòng)并沿?cái)嗔雅欧懦鰜?斷層氣O2則相反,西秦嶺北緣斷裂帶排放斷層氣O2含量的活動(dòng)強(qiáng)度:東段小于西段;東段排放斷層氣O2含量的活動(dòng)強(qiáng)度1997年小于1996年.這說明斷裂排放斷層氣O2含量的活動(dòng)強(qiáng)度與地震活動(dòng)強(qiáng)度、頻度呈逆對(duì)應(yīng)關(guān)系.因?yàn)榈卣鸹顒?dòng)強(qiáng)烈或頻繁,斷裂的構(gòu)造地球化學(xué)過程會(huì)損耗一些O2,導(dǎo)致其含量減少.地震活動(dòng)越強(qiáng)烈、越頻繁,O2被損耗量越大.3.2西秦北緣斷裂帶拉分構(gòu)造區(qū)表2是1997年鴛鴦鎮(zhèn)拉分區(qū)與洮河拉分區(qū)排氣活動(dòng)的比較.從表2可以看出,1997年鴛鴦鎮(zhèn)拉分構(gòu)造區(qū)(A2)排放地下氣CO2,N2含量和CO2/O2比值分別為0.39%,78.54%,19.39×10-3,而洮河拉分構(gòu)造區(qū)(A1)排放地下氣CO2,N2含量和CO2/O2比值分別為0.20%,78.30%,9.73×10-3.反映拉分構(gòu)造區(qū)排放地下氣CO2,N2含量和CO2/O2比值的活動(dòng)強(qiáng)度,鴛鴦鎮(zhèn)拉分區(qū)(A2)大于洮河拉分區(qū)(A1).表2顯示,1997年鴛鴦鎮(zhèn)拉分區(qū)(A2)排放地下氣O2含量為20.11%,而洮河拉分區(qū)(A1)排放地下氣O2含量為20.56%.反映鴛鴦鎮(zhèn)拉分區(qū)(A2)排放地下氣O2的活動(dòng)強(qiáng)度小于洮河拉分區(qū)(A1)排放地下氣O2的活動(dòng)強(qiáng)度.從圖1可以看出,1997年鴛鴦鎮(zhèn)拉分區(qū)(A2)及其附近地區(qū)小震活動(dòng)較多些,而洮河拉分區(qū)(A1)及其附近地區(qū)1997年小震活動(dòng)沒有記錄.這說明西秦嶺北緣斷裂帶拉分構(gòu)造區(qū)排放地下氣O2含量的活動(dòng)強(qiáng)度與拉分構(gòu)造區(qū)地震活動(dòng)的強(qiáng)度、頻度也呈逆對(duì)應(yīng)關(guān)系;拉分構(gòu)造區(qū)排放地下氣CO2,N2含量和CO2/O2比值的活動(dòng)強(qiáng)度與拉分構(gòu)造區(qū)地震活動(dòng)強(qiáng)度、頻度呈正對(duì)應(yīng)關(guān)系.3.3北坡寺北緣斷裂帶西秦嶺北緣斷裂帶東段穿過北坡寺盆地中部一個(gè)第四紀(jì)階地,并使全新世河流礫石層呈斷層埡口形態(tài),斷層產(chǎn)狀為305°/SW∠81°.該盆地形態(tài)受本斷裂的影響很明顯,盆地東西長(zhǎng)約2.5km,南北寬1km.在盆地南側(cè)山麓(南坡寺村后),也存在一條近似平行于主斷裂的小斷裂,前震旦系逆沖在紅色粘土巖(N1)之上,斷層產(chǎn)狀為295°/SW∠70°.根據(jù)地形地貌分析,其長(zhǎng)約2km.1997年我們?cè)诒逼滤麓宕怪庇跂|段斷裂布設(shè)了一條地下氣測(cè)線,一個(gè)采氣點(diǎn)布設(shè)在主斷裂位置上,在主斷裂的南、北兩側(cè),相距主斷裂分別為200和500m的部位,各布設(shè)了一個(gè)地下氣采氣點(diǎn).這些氣樣采自地下150～160cm深度.從圖4可以看出,斷層氣CO2,N2含量和CO2/O2比值,在主斷裂部位都呈峰頂特征,其值分別為0.74%,78.75%和38.05×10-3(表3),主斷裂南、北兩側(cè)的3條曲線形態(tài)都呈下降態(tài)勢(shì),并且具有同步變化的特征,在南①點(diǎn)下降為最低點(diǎn),往南②點(diǎn)又回返上升,南②點(diǎn)斷層氣CO2,N2含量和CO2/O2比值分別為0.24%,78.25%和11.67×10-3,其回返上升顯然是受了盆地南