王喜龍 楊夢堯 孔祥瑞 楊振鵬

1 遼寧省地震局，沈陽市黃河北大街44號，110034 2 內蒙古科瑞資產評估有限公司，呼和浩特市南二環(huán)路48號，150105

研究表明，構造地球化學觀測方法對監(jiān)視斷層活動狀態(tài)、查找隱伏斷層及研究斷裂帶地下氣體釋放特征均具有很好的指示意義[1]，且目前已積累了一定數(shù)量的震例[2]。此外，該方法也可為跨斷層水準觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常的可靠性與科學性提供對比與驗證[3-4]。由于跨斷層水準及構造地球化學觀測均是研究構造活動比較直觀有效的觀測手段，本文應用構造地球化學觀測方法對位于朝陽-北票斷裂上的北票黃花營子水準場地及朝陽桃花吐水準場地開展測量，并將測量結果與水準異常進行對比分析，以判定斷裂特征及水準異常的可靠性。

1 地質構造背景

朝陽-北票斷裂位于遼寧省遼西隆起帶上，南起葫蘆島市建昌縣，北至北票市黑城子鎮(zhèn)，全長約200 km，總體走向NE，傾向以NW為主(圖1)。該斷裂以朝陽市為界分為南北兩段，朝陽以南斷層傾向存在差異，傾角較陡，斷層主要位于侏羅系和白堊系地層中，表現(xiàn)為反扭正斷性質；朝陽以北斷層傾角相對較緩，斷層表現(xiàn)為逆沖推覆體構造特征，斷裂地表行跡清晰。朝陽-北票斷裂南北兩段的活動強度有所不同，其中北段在中更新世時期活動明顯，晚更新世早期也有活動，且活動強度大、活動時間長，形成張性正斷錯動；南段則主要在早、中更新世有所活動，活動性較弱[5]。

圖1 遼西地區(qū)歷史中強震和構造簡圖(1970～2019年)Fig.1 Tectonic setting and historical moderate-strong earthquakes of the western Liaoning area from 1970 to 2019

本文研究的北票黃花營子跨斷層水準場地和朝陽桃花吐跨斷層水準場地均位于朝陽-北票斷裂北段，資料顯示，黃花營子附近斷層上盤以粘土為主，下盤主要為砂頁巖，斷層錯距約為4 m，表現(xiàn)為正斷性質(圖2(a))。從桃花吐附近的斷層剖面(圖2(b))可以看出，老斷裂帶上可見中、上更新統(tǒng)地層錯動，新斷層表現(xiàn)為正斷性質，斷層錯距約為6 m。

圖2 朝陽-北票斷裂剖面Fig.2 The profile of the Chaoyang-Beipiao fault

2 土壤氣測量方法

在對北票黃花營子跨斷層水準觀測場地進行土壤氣測量的過程中，為了能跨越水準場地的同時盡可能穿越斷裂帶，本文對測量路線進行延長。北票黃花營子跨斷層水準觀測場地的水準測線長約500 m，經實地勘察后，在測量條件允許的情況下將土壤氣測線向兩側延長約2 km(圖3(a))。朝陽桃花吐水準觀測場地由于地質條件及環(huán)境限制，土壤氣測線與水準測線長度基本一致，未能向兩側進行延伸，測線長約1 km(圖3(b))。

為有效排除氣象及地表植被等外界因素對土壤氣觀測結果的影響，土壤氣測量時間選為2018-06，觀測時段為08:00～17:00，2條剖面一次性完成測量。此外，為了能更好地控制斷層，提高結果的科學性，土壤氣測點的間距在水準測線范圍內與測線兩端也有所不同。水準測線范圍內的土壤氣測點較為密集，間距為15～20 m；水準測線外圍測點間距保持在50～70 m。黃花營子跨斷層水準觀測場地共布設52個土壤氣測點，桃花吐水準場地共布設21個土壤氣測點。土壤氣Rn使用Rad 7測氡儀進行測定，CO2與CO均采用GXH-3010E便攜式氣體檢測儀進行測定，H2濃度使用ATG-300H便攜式氫分析儀進行測定。具體測量方法參考文獻[3]。

圖3 朝陽-北票斷裂跨斷層土壤氣測點布置示意圖Fig.3 Measuring points for the concentration of soil gas crossthe Chaoyang-Beipiao fault

3 數(shù)據(jù)結果分析

對黃花營子和桃花吐水準場地進行土壤氣Rn、CO2、CO和H2濃度測量，共獲得365組有效數(shù)據(jù)，其中Rn 146組，CO2、CO和H2各73組。對各測點土壤氣濃度數(shù)據(jù)進行求平均值等處理，獲得土壤氣Rn、CO2、CO和H2濃度變化范圍，具體見表1。

表1 朝陽-北票斷裂土壤氣Rn、CO2、CO和H2濃度

利用箱式圖法對測量數(shù)據(jù)進行背景值及異常下限計算，去除異常高值點，并將剩余測點的平均值作為每條測量剖面的背景值，取背景值加2倍標準差作為異常下限。計算結果表明，黃花營子水準場地土壤氣Rn、CO2、CO和H2濃度的背景值分別為5.42 kBq/m3、0.35%、0.38 ppm和101.38 ppm，各氣體濃度異常下限分別為9.8 kBq/m3、0.63%、0.73 ppm和224.95 ppm；桃花吐水準場地土壤氣Rn、CO2、CO和H2濃度的背景值分別為4.22 kBq/m3、0.93%、0.52 ppm和36.59 ppm，各氣體濃度異常下限分別為7.24 kBq/m3、1.74%、1.19 ppm和85.23 ppm。

4 分析與討論

4.1 北票黃花營子水準數(shù)據(jù)變化特征

結合歷史震例對1995年以來黃花營子水準觀測數(shù)據(jù)進行分析。1995年以來該場地水準數(shù)據(jù)共出現(xiàn)5次異常，均表現(xiàn)為趨勢轉向變化(圖4)，其中3次趨勢轉向異常對應地震。近期數(shù)據(jù)變化顯示，2017～2019年水準數(shù)據(jù)由壓性轉為張性變化，數(shù)據(jù)變化形態(tài)與2013年內蒙古科爾沁5.3級地震前具有一定的相似性。

圖4 北票黃花營子跨斷層水準數(shù)據(jù)變化曲線Fig.4 The change curve of cross-fault leveling data in Huanghuayingzi, Beipiao

4.2 朝陽桃花吐水準數(shù)據(jù)變化特征

桃花吐水準自觀測以來數(shù)據(jù)連續(xù)穩(wěn)定，夏高冬低年變規(guī)律明顯。2003年內蒙古巴林左旗M5.9地震、2013年內蒙古科爾沁M5.3地震及2016年朝陽M4.6和M4.3地震前均有明顯異常出現(xiàn)，異常主要表現(xiàn)為破年變加速上升與高值波動等張性變化。近年數(shù)據(jù)變化顯示，桃花吐水準在2017年底再次出現(xiàn)高值波動的張性變化，異常出現(xiàn)時間與北票黃花營子水準的張性異常出現(xiàn)時間具有準同步性(圖5)。

圖5 桃花吐跨斷層短水準數(shù)據(jù)變化曲線Fig.5 The change curves of cross-fault leveling data in Taohuatu

4.3 土壤氣濃度地球化學特征分析

4.3.1 北票黃花營子水準場地土壤氣地球化學特征

對黃花營子測段土壤氣Rn、CO2、CO和H2濃度數(shù)據(jù)進行分析，結果見圖6?？梢钥闯?，土壤氣Rn濃度變化具有中部高、兩側偏低的特征，高值主要集中在測點11～39之間；在水準測線范圍內，土壤氣Rn濃度高值主要集中在測點15～23和測點26～35兩個區(qū)段。土壤氣CO2濃度變化整體相對比較平穩(wěn)，僅存在少數(shù)散點高值變化；在水準測線范圍內，土壤氣CO2濃度變化穩(wěn)定，測值主要集中在0.2%～0.4%之間。土壤氣CO濃度變化較為分散，高值主要集中在測點2～9、測點25～30及測點46～49三個區(qū)段；在水準測線范圍內，土壤氣CO濃度高值主要集中在水準測線中部地區(qū)。土壤氣H2濃度變化的高值主要集中在測點5～8、測點15～23、測點28～39及測點49～51四個區(qū)段；在水準測線范圍內，土壤氣H2濃度高值主要集中在水準測線兩側地區(qū)，形態(tài)與土壤氣Rn濃度變化具有一定的相似性。對比北票黃花營子水準場地發(fā)現(xiàn)，在水準測線外圍，土壤氣濃度高值主要集中在測點2～10區(qū)段(CO2、CO和H2)及測點47～51區(qū)段(CO2和H2)；在水準測線區(qū)域，土壤氣高值主要集中在測點15～23和測點26～35兩個區(qū)段，主要表現(xiàn)為土壤氣Rn和H2濃度高值。

研究表明，土壤氣濃度異常與斷裂展布具有明顯的相關性[6]，由于地下賦存大量流體，當應力改變引起斷裂發(fā)生形變時，地下流體的組成和賦存狀態(tài)就會發(fā)生改變，流體會沿裂隙向上運移至地表，從而導致斷裂附近的土壤氣組分及濃度發(fā)生變化[9]。而土壤氣H2對地下介質動力加載作用響應靈敏[8]，且斷裂帶土壤氣H2主要來自巖石新生破裂的水巖反應[9]，因此斷裂帶土壤氣H2濃度的變化最能反映斷裂的活動性特征[10]。斷裂帶內H2濃度變化與斷裂活動呈正相關性，與地震活動也具有明顯的正相關性[9]。另外，Rn為惰性氣體，能夠較好地反映地球的深部信息[11]，且由于其固有的地球化學特性，常被用于勘探隱伏斷裂[12]。構造活動區(qū)土壤氣中CO2的來源則較多，包括地幔來源、碳酸鹽巖分解、有機質氧化及微生物、植物呼吸作用等[1]。

對比黃花營子場地土壤氣的地球化學變化特征發(fā)現(xiàn)，在氣候環(huán)境和測量土壤等外界條件基本一致的情況下，水準測線范圍內的土壤氣Rn、H2及CO濃度具有明顯的準同步高值變化，且Rn和H2的雙峰式特征明顯，表明水準測線區(qū)域地下介質較為破碎，朝陽-北票主干斷裂在水準測線內穿過。此外，水準測線范圍內的土壤氣H2濃度存在多點濃度高于200 ppm，雙峰最大值分別為303.4 ppm和259.5 ppm，明顯高于異常下限224.95 ppm；土壤氣Rn濃度的最大值也高達14.35 kBq/m3，明顯高于異常下限9.8 kBq/m3，表明斷裂可能處于張性狀態(tài)，地下裂隙增多、增大導致土壤氣濃度出現(xiàn)高值異常。與北票水準數(shù)據(jù)進行對比發(fā)現(xiàn)，2016年朝陽發(fā)生M4.6和M4.3雙震后，黃花營子水準在2017年開始出現(xiàn)張性變化，2019-07以后變化速率雖然有所減小，但仍維持張性狀態(tài)。對比該測段土壤氣Rn和H2濃度異常特征結果，進一步表明北票黃花營子水準數(shù)據(jù)具有張性變化，且主要由斷裂活動導致。對比水準測線外圍土壤氣濃度變化特征發(fā)現(xiàn)，在測點2～10區(qū)段存在土壤氣H2、CO2和CO濃度的小幅同步高值變化，在測點49～51區(qū)段存在土壤氣H2和CO2濃度的小幅同步高值變化，這可能反映朝陽-北票斷裂的次級斷裂通過該測段。

4.3.2 朝陽桃花吐水準場地土壤氣地球化學特征

對桃花吐測段土壤氣Rn、CO2、CO和H2濃度數(shù)據(jù)進行分析，結果見圖7。可以看出，土壤氣Rn濃度總體變化較為平穩(wěn)，僅在測點16～19區(qū)段高于異常下限，其中測點19的濃度最大，為18.15 kBq/m3。土壤氣H2濃度在測點1～18區(qū)段變化相對平穩(wěn)，測值主要集中在10～50 ppm之間，在測點19～21區(qū)段明顯升高，其中測點19濃度最大，為399 ppm，遠高于異常下限85.23 ppm。土壤氣CO2濃度在測點1～16區(qū)段變化較為平穩(wěn)，所有測點濃度值均低于異常下限，在測點17～19區(qū)段變化較大，最大值在測點18，達到4.53%。土壤氣CO濃度在測線范圍內存在2處高值變化，分別為測點7～11和測點19～20區(qū)段，最大值在測點7，濃度為2.6 ppm。

圖6 北票黃花營子土壤氣Rn、CO2、CO和H2濃度變化曲線Fig.6 The variation curves of concentration for soil gases Rn, CO2, CO and H2 in Huanghuayingzi, Beipiao

圖7 朝陽桃花吐土壤氣Rn、CO2、H2和CO濃度變化曲線Fig.7 The variation curves of concentration for soil gases Rn, CO2, H2 and CO in Taohuatu, Chaoyang

對土壤氣Rn、CO2、CO和H2濃度變化特征進行整體分析發(fā)現(xiàn)，4種土壤氣濃度數(shù)據(jù)具有共性特征，即在測點16～20區(qū)段范圍內，4種土壤氣濃度具有明顯同步高值變化特征，且大部分測值均高于各自計算得到的異常下限，表明該測段范圍內地下介質可能較破碎，為斷裂主要通過地段。

為進一步驗證上述結論，將土壤氣濃度觀測結果與桃花吐水準數(shù)據(jù)進行對比分析，基于相關地質資料推斷，在桃花吐水準場地范圍內，朝陽-北票斷裂經過的位置主要在水準3號測點附近。將水準測線與構造地球化學觀測測線進行對比(圖3)發(fā)現(xiàn)，測點16～20區(qū)段正好位于水準3號測點附近，驗證了該處為朝陽-北票斷裂的主要經過地區(qū)。為驗證該結論的準確性，本文在測量期間對桃花吐水準場地附近區(qū)域進行地質勘查，結果發(fā)現(xiàn)，在測線西南幾百米處存在1條地質剖面，該剖面出露較為明顯的正斷層，斷層走向經過測點16～20之間，與土壤氣高值異常區(qū)域一致，證實該測段土壤氣濃度的同步性高值異常變化特征主要由構造因素引起，表明構造地球化學觀測對探測斷裂的具體位置具有一定的指示意義。從圖7可以看出，土壤氣CO濃度的高值變化主要表現(xiàn)為單點式特征，且高值分散，不具有同步性變化特征，這可能與高值單點處所處的地質地貌特征及地表植被影響有關[1]，指示地下存在斷裂的可能性較小。雖然土壤氣CO濃度在測點8～11區(qū)段表現(xiàn)為高值變化，但其他3種土壤氣未出現(xiàn)與其同步的高值變化，且由于測量時間為6月中旬，該測量地段植被為農作物，可能受施肥、微生物與植物呼吸、有機分解等的影響，指示構造作用的可能性相對較小。

對比桃花吐水準數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在2016年朝陽M4.6和M4.3雙震后，2017年水準數(shù)據(jù)開始下降，呈現(xiàn)壓性變化特征；但2018年水準數(shù)據(jù)開始上升，呈現(xiàn)張性變化特征；2019年上半年張性變化特征明顯，雖然2019年下半年變化速率有所減小，但仍維持在張性變化狀態(tài)(圖5)，且2018年以來與黃花營子水準數(shù)據(jù)具有一定的準同步性變化特征。將水準數(shù)據(jù)張性變化特征與土壤氣濃度變化特征進行對比可知，土壤氣Rn、CO2、CO和H2濃度在測點16～20區(qū)段具有同步高值變化特征，且存在多點濃度值高于異常下限，土壤氣同步高值異常區(qū)域與朝陽-北票斷裂呈現(xiàn)的張性變化對應，表明桃花吐水準數(shù)據(jù)出現(xiàn)的張性變化與斷裂活動增強有一定的聯(lián)系。

4.4 遼西地區(qū)地震活動性特征分析

對遼西及遼蒙交界地區(qū)的地震活動性進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，2017～2019年研究區(qū)范圍內共發(fā)生ML≥2.0地震68次，其中2.0≤ML<3.0地震58次，ML≥3.0地震10次，最大地震為2019-06-09遼寧建平ML3.9地震，地震活動較往年有所增強(圖1)。對該時段小震空間分布特征進行分析可知，2017年以來遼西及遼蒙交界地區(qū)小震活動相對集中，地震序列顯著增多且震群活動頻繁，區(qū)域性地震序列及震群活動反映了該地區(qū)應力場的調整作用。將地震活動性與北票黃花營子水準數(shù)據(jù)和桃花吐水準數(shù)據(jù)的準同步張性變化特征及構造地球化學觀測結果進行綜合對比發(fā)現(xiàn)，遼西地區(qū)在該時段處于應力釋放期，表明水準數(shù)據(jù)的異常變化與構造地球化學測量結果具有真實性。

5 結 語

通過對遼西地區(qū)朝陽-北票斷裂黃花營子水準場地和桃花吐水準場地進行跨斷層土壤氣濃度測量，并結合水準數(shù)據(jù)對該地區(qū)土壤氣地球化學特征進行對比分析，得出以下結論：

1) 黃花營子場地土壤氣Rn、CO2、CO和H2濃度變化范圍分別為1.027～14.35 kBq/m3、0.1%～0.77%、0.2～1.4 ppm和21.45～303.4 ppm；桃花吐場地土壤氣Rn、CO2、CO和H2濃度變化范圍分別為1.88～18.15 kBq/m3、0.23%～4.53%、0.2～2.6 ppm和12.03～399 ppm。

2)北票黃花營子水準數(shù)據(jù)與土壤氣濃度變化特征的對比結果表明，朝陽-北票斷裂的主干斷裂在水準測線范圍內經過，且斷裂位置的土壤氣濃度異常特征明顯，北票黃花營子水準數(shù)據(jù)2018年以來呈現(xiàn)的張性變化特征主要是斷裂活動增強所致。

3)在實地勘察基礎上將朝陽桃花吐水準數(shù)據(jù)與土壤氣濃度變化特征進行對比分析，結果表明，朝陽-北票主干斷裂位于桃花吐水準3號測點附近，土壤氣Rn、CO2、CO和H2濃度的同步高值異常變化與斷裂位置對應，桃花吐水準數(shù)據(jù)2018年以來的張性變化真實可靠，主要與構造活動有關。

4)將土壤氣測量結果與水準觀測數(shù)據(jù)和遼西地區(qū)地震活動進行綜合對比分析，結果表明，構造地球化學方法在判定水準數(shù)據(jù)異常的可靠性及查找斷裂具體位置方面具有較好的指示意義。