摘要： 活動(dòng)斷裂帶氣體地球化學(xué)空間分布特征分析是區(qū)域構(gòu)造和斷裂活動(dòng)性分區(qū)（分段）及其地震危險(xiǎn)性分析的重要方法之一。通過臨潭—宕昌斷裂帶9條測(cè)線剖面的土壤氣Hg、Rn濃度觀測(cè)，結(jié)合斷裂帶分段活動(dòng)特性與大地?zé)崃鞅尘皵?shù)據(jù)，開展不同分段氣體濃度空間分布特征分析，深入探討土壤氣地球化學(xué)空間分布的特征及成因。結(jié)果表明：斷層土壤氣在臨潭—宕昌斷裂帶具有明顯的分段特征，根據(jù)其活動(dòng)特性可將斷裂帶分為東、西兩段，且斷層土壤氣地球化學(xué)空間分布與大地?zé)崃骱偷卣鸹顒?dòng)之間存在良好的相關(guān)關(guān)系;在斷裂西段高熱流區(qū)域，中強(qiáng)地震頻發(fā)，但小震活動(dòng)較弱，Hg、Rn濃度強(qiáng)度較低;東段低熱流區(qū)域，中強(qiáng)地震較少，但小震活動(dòng)活躍，Hg、Rn濃度強(qiáng)度較高。研究結(jié)果作為區(qū)域地球化學(xué)背景特征，可為今后地下流體異?；顒?dòng)分析提供重要依據(jù)，對(duì)進(jìn)一步跟蹤未來可能發(fā)生地震的斷層及其活動(dòng)段具有重要意義。

關(guān)鍵詞： 斷層土壤氣; 氣體地球化學(xué); 臨潭—宕昌斷裂帶; 地震活動(dòng)

中圖分類號(hào)： P315.724 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)： 1000-0844（2024）06-1462-13

DOI：10.20000/j.1000-0844.20240113001

Geochemical spatial distribution characteristics of

soil gas along the Lintan-Tanchang fault zone

LI Ruigang¹， LI Chenhua^1，2，3， SU Hejun^{1，2，3}， ZHOU Huiling^{1，2，3}， WANG Yanhong³， WAN Yue¹

（1. Lanzhou Institute of Seismology， CEA， Lanzhou 730000， Gansu， China;

2. Gansu Lanzhou Geophysics National Observation and Research Station， Lanzhou 730000， Gansu， China;

3. Gansu Earthquake Agency， Lanzhou 730000， Gansu， China）

Abstract： The study on geochemical spatial distribution characteristics of gas along the fault zone is an important method for analyzing the regional structure，activity segmentation，and seismic risk of the fault.In this study，we took the Lintan—Tanchang fault zone as study area and observed the soil gas Hg and Rn concentrations in 9 survey lines.We analyzed the spatial distribution characteristics of gas concentration in different fault sections by combining the characteristics of fault activity and the heat flow density.The study show results that the Lintan—Tanchang fault zone has obvious segmentation features.Base on the fault activity characteristics，the Lintan—Tanchang fault could be divided into two segments：east and west.And the spatial distribution of soil gas geochemistry is correlated with heat flow and seismic activity;The western section of the fault is an area of high heat flow，and strong seismic occur frequently in this section，but small seismic activity is weak，with lower Hg and Rn concentration intensity.While in areas with lower heat flow in eastern segment of fault，there are fewer strong seismic but intense small seismic activity，with higher Hg and Rn concentrations intensity.This study provides evidence of subsurface fluid activity in the study area，which is vital in tracing the faults and active segments with seismic risk.

Keywords： fault soil gas;gas geochemistry;Lintan-Tanchang fault;seismic activity

0 引言

地下流體是較為活躍的地球物質(zhì)之一，深大斷裂是地球深部熱能和流體釋放的主要通道之一^［1］。氣體作為一種移動(dòng)性和壓縮性較強(qiáng)的流體，可沿活動(dòng)斷裂帶逸出，導(dǎo)致斷裂帶附近土壤氣地球化學(xué)濃度異常^［2-4］。國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)Hg、H₂、Rn與CO₂等斷層土壤氣在地震發(fā)生前后常出現(xiàn)較為明顯的濃度異常^［5-8］。深入研究發(fā)現(xiàn)這些異常特征與地震強(qiáng)度有關(guān)，通常地震震級(jí)越大土壤氣異常幅度越大，震中距越近氣體異常濃度越高，這為斷裂活動(dòng)性的空間分布特征提供了一種可行的研究方向^［9-12］。20世紀(jì)70年代，Irwin等^［13］通過對(duì)北美地區(qū)地震活動(dòng)構(gòu)造帶附近的泉水進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)地震活動(dòng)性強(qiáng)的區(qū)域存在CO₂濃度異常高值區(qū)，監(jiān)測(cè)該區(qū)域CO₂排放濃度變化有助于分析斷裂帶的活動(dòng)性及地震風(fēng)險(xiǎn)。2017年Fu等^［14］在臺(tái)灣省北部地區(qū)的活動(dòng)斷裂帶建立了多個(gè)土壤氣體自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，經(jīng)歷一年的監(jiān)測(cè)后發(fā)現(xiàn)，多數(shù)地震發(fā)生前幾個(gè)小時(shí)甚至幾天都存在高Rn濃度的異?，F(xiàn)象。近年來，隨著氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)逐漸成熟，對(duì)活動(dòng)斷裂帶土壤氣體的分析研究成為分析地震危險(xiǎn)性的有效手段之一^［15］。

臨潭—宕昌斷裂帶結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分支較多，斷裂全長(zhǎng)約250 km，總體可分為西段與東段兩個(gè)區(qū)域。該斷裂帶經(jīng)過臨潭、岷縣至宕昌，是西秦嶺NWW向斷裂系中的一個(gè)重要組成部分^［16］。因其復(fù)雜的構(gòu)造地貌與強(qiáng)烈的活動(dòng)性，斷裂帶上強(qiáng)震頻發(fā)，如1573年岷縣63/4級(jí)、1837年岷縣6級(jí)、2003年岷縣5.2級(jí)、2013年岷縣—漳縣6.6級(jí)、2019年夏河5.7級(jí)地震等^［17-19］。這些地震給當(dāng)?shù)厝嗣裆?cái)產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重危害，因此，對(duì)該區(qū)域未來地震危險(xiǎn)性的判定引起了越來越多的關(guān)注。

近年來甘東南地區(qū)地震頻發(fā)，但過去的研究主要集中在深大斷裂及塊體邊界控制性斷裂的氣體分段特征分析上，對(duì)于塊體內(nèi)部臨潭—宕昌斷裂帶氣體分布特征的研究相對(duì)較少。臨潭—宕昌斷裂位于甘東南復(fù)雜的構(gòu)造轉(zhuǎn)換區(qū)內(nèi)，其氣體濃度是否存在與相鄰邊界斷層相同的明顯分段特性需要深入研究。因此，本文通過跨斷層測(cè)量獲取臨潭—宕昌斷裂土壤氣濃度數(shù)據(jù)，開展Hg與Rn濃度強(qiáng)度及其空間分布特征分析，追蹤斷裂帶不同活動(dòng)段跨斷層土壤氣地球化學(xué)特征，以期為分析臨潭—宕昌斷裂帶地下流體孕震環(huán)境提供基礎(chǔ)科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

臨潭—宕昌斷裂帶位于青藏高原東北緣東昆侖斷裂帶與西秦嶺北緣斷裂帶過渡地區(qū)^［20］，參與了西秦嶺的形變分配，繼承了東昆侖斷裂帶與西秦嶺北緣斷裂帶的左旋走滑特性。其受到青藏高原東北緣的擠壓以及鄂爾多斯塊體的阻擋作用，產(chǎn)生了明顯的逆沖變形的運(yùn)動(dòng)特征^［21］。斷裂帶總體呈NWW—NW向展布，傾向NE，傾角50°～70°，地貌主要呈現(xiàn)為U型谷，部分?jǐn)鄬映识缚残螒B(tài)，形成向南彎曲的弧形構(gòu)造^［22］。臨潭—宕昌斷裂帶由西端的合作開始至岷縣，發(fā)展出多條構(gòu)造相似但規(guī)模不同、錯(cuò)落分布的次級(jí)斷裂，部分次級(jí)斷裂較為復(fù)雜，發(fā)育有一條或多條分支。根據(jù)近年的研究結(jié)果，臨潭—宕昌斷裂帶是一條晚第四紀(jì)活動(dòng)斷裂，活動(dòng)性質(zhì)自全新世早期以來發(fā)生過改變，是西秦嶺內(nèi)部活動(dòng)性較強(qiáng)的斷裂。前人研究結(jié)果表明該斷裂帶左旋滑動(dòng)速率為0.86～1.6 mm/a，垂直滑動(dòng)速率為0.05～0.1 mm/a，左旋走滑分量大于傾滑分量，總體呈左旋走滑性質(zhì)，個(gè)別區(qū)域表現(xiàn)為向南逆沖^［23-24］。斷裂西段曾錯(cuò)斷地表，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力逐漸積累，為孕震提供了適宜的環(huán)境^［25］。

根據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)地震目錄記錄分析，臨潭—宕昌斷裂帶自全新世以來一直處于高度活躍狀態(tài)，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，地震頻發(fā)，2003—2019年就發(fā)生過6次M_S5.0～7.0的中強(qiáng)震及多次不同規(guī)模的小震^［26］。中強(qiáng)震的震源位置與斷裂帶復(fù)雜的構(gòu)造體系密切相關(guān)（圖1）。

2 采樣與分析方法

本研究共布設(shè)了9條測(cè)線，每條測(cè)線均垂直或大角度相交于臨潭—宕昌斷裂帶主斷裂。其中，斷裂帶西段布設(shè)4條測(cè)線，東段布設(shè)5條測(cè)線，由西向東分別為合作、貢恰、新城鎮(zhèn)、柰子溝、夭馱、莊子村、麻屆灘、巴沙溝、毛羽村（圖1）。采集不同測(cè)線上的斷層土壤氣并進(jìn)行濃度測(cè)量工作，記錄氣體Hg、Rn相關(guān)數(shù)據(jù)。由于氣體在近地表會(huì)受到風(fēng)速、風(fēng)向等外界條件干擾，而地下1 m左右深度土壤氣濃度較為穩(wěn)定，故采樣深度選取為地表下80 cm，共監(jiān)測(cè)6～12組數(shù)據(jù)。采樣時(shí)間為2022年6月每日9：00—18：00，為避免實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)受到氣象因素影響，選擇天氣狀況穩(wěn)定、良好的時(shí)間段進(jìn)行野外采樣。測(cè)量地點(diǎn)選擇植被覆蓋少，土壤下具有原始覆蓋層的區(qū)域。測(cè)量過程中時(shí)刻監(jiān)視儀器狀態(tài)，保證儀器正常使用且未受到其他因素干擾，每日對(duì)所有采樣儀器進(jìn)行維護(hù)以減少誤差，確保數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確。

2.1 Hg測(cè)量方法

氣體Hg測(cè)量使用加拿大LUMEX公司生產(chǎn)的RA-915M型號(hào)便攜式測(cè)汞儀。儀器測(cè)量范圍：0.5～200 ng/L;測(cè)量相對(duì)誤差不超過±5%。測(cè)線垂直或大角度相交于主斷裂帶，每隔10 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)6～12組測(cè)點(diǎn)。測(cè)量方法采用打釬測(cè)量：首先，在選定區(qū)域以錘擊鋼釬鑿出一個(gè)深度80 cm的孔洞;然后，將空心取樣器插入其中并填埋周圍土壤，避免地面空氣稀釋土壤氣體;最后，使用橡膠管連接取樣器與儀器，進(jìn)行測(cè)量（圖 2）。儀器使用前需預(yù)熱2～10 min，數(shù)據(jù)無法保存，需人工選取每個(gè)測(cè)點(diǎn)最大值并記錄。其中，巴沙溝測(cè)線測(cè)得的Hg濃度低于儀器檢出限，無法獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，故下文對(duì)該測(cè)線的Hg氣體不進(jìn)行分析。

2.2 Rn測(cè)量方法

氣體Rn測(cè)量使用德國Genitron公司生產(chǎn)的AlphaGUARD PQ2000便攜式測(cè)氡儀。儀器的操作范圍為：2～200 000 Bq/L;溫度：-10～+50 ℃;氣壓：70～110 Pa;相對(duì)濕度：0%～95%。測(cè)量地點(diǎn)選在Hg測(cè)點(diǎn)附近，打孔完畢后使用橡膠管與儀器連接測(cè)量，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量得到10～15組數(shù)據(jù)，最后根據(jù)規(guī)范作數(shù)據(jù)匯總及處理工作。

3 數(shù)據(jù)處理

由于不同斷層或斷層的不同段內(nèi)部破碎程度不同，氣體滲透率不同，導(dǎo)致土壤氣向地表的逸出強(qiáng)度不同，并在空間上表現(xiàn)出明顯的差異性。這種差異性可能會(huì)受到土壤結(jié)構(gòu)、測(cè)量環(huán)境、氣象條件和人為因素的干擾。為減小場(chǎng)地因素對(duì)斷層氣特征的影響，采用單剖面均方差與平均值的計(jì)算方法，繪制斷層單剖面土壤氣濃度分布圖（圖3、圖4）。

經(jīng)計(jì)算與評(píng)估，使用最大值法計(jì)算土壤氣濃度強(qiáng)度，使用異常下限確定濃度異常值的量值界限。

最大值法是選取一條測(cè)線上所有測(cè)點(diǎn)的最大濃度值D_max，將該測(cè)線的氣體平均濃度作為數(shù)據(jù)處理的背景值K，二者的比值即為該測(cè)點(diǎn)的土壤氣濃度強(qiáng)度S：

S = D_max/K （1）

異常下限是判斷氣體濃度曲線形態(tài)的重要依據(jù)。利用土壤氣背景值K與測(cè)線濃度的均方差δ，即可計(jì)算出各測(cè)線的異常下限X_a［式（2）］。其中異常值可以用背景值加上“n”個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差（n= 1，2，3，…）來表示，本文中n的取值為1。

X_a=K+δ （2）

上述方法可以較大幅度地減小氣體逸出的環(huán)境因素影響，更直觀地表現(xiàn)各剖面濃度強(qiáng)度的峰值。因此，本文利用此方法，計(jì)算得出臨潭—宕昌斷裂帶9條測(cè)線土壤氣中Hg、Rn的最大值D_max、背景值K、濃度強(qiáng)度S和異常下限X_a（表1）。

4 分析與討論

4.1 土壤氣空間分布特征與臨潭—宕昌斷裂帶活動(dòng)性的關(guān)系

臨潭—宕昌斷裂帶是東昆侖斷裂系統(tǒng)和西秦嶺斷裂系統(tǒng)之間一個(gè)重要的轉(zhuǎn)換紐帶，其后期構(gòu)造變形受到西秦嶺北緣斷裂向兩側(cè)的擴(kuò)展與東昆侖斷裂向東北方向的推擠，因此斷裂周邊形成了復(fù)雜的應(yīng)力構(gòu)造環(huán)境。根據(jù)全球定位系統(tǒng)速率場(chǎng)變化情況可知，該斷裂帶呈NWW—NW向展布，且局部區(qū)域發(fā)生構(gòu)造變形，斷裂帶上中強(qiáng)地震的孕育也是受到這種構(gòu)造特征引起的斷裂帶附近的應(yīng)力集中所致。斷裂帶自第四紀(jì)以來活動(dòng)性質(zhì)以向南逆沖為主，局部陡立或南傾，受到應(yīng)力影響發(fā)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，具有左旋走滑分量。斷裂帶自岷縣向西北方向發(fā)育數(shù)條規(guī)模不同、相互平行或斜接的次級(jí)斷裂，其影響寬度范圍為5～10 km。岷縣東南斷裂帶分布較為均一，以主斷裂為主體，至宕昌以南，不同斷裂段上的活動(dòng)性差異較大。西秦嶺北緣斷裂走滑及向南北兩側(cè)逆沖的“花狀構(gòu)造”是臨潭—宕昌斷裂帶上中強(qiáng)地震頻發(fā)的重要?jiǎng)恿σ蛩亍？拷髑貛X北緣斷裂區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力容易集中釋放，并且斷裂帶東段頻繁發(fā)生地震可能會(huì)引起西段的應(yīng)力調(diào)整，從而導(dǎo)致中強(qiáng)震的發(fā)生^［27-28］。

根據(jù)斷裂幾何形態(tài)展布特征及其所處的大地?zé)崃鞣植继卣鳎葬嚎h為界將臨潭—宕昌斷裂帶分為東、西兩段：西段包括合作、貢恰、新城鎮(zhèn)與柰子溝，東段包括夭馱、莊子村、麻屆灘、巴沙溝與毛羽村。由表1可知，臨潭—宕昌斷裂帶Hg與Rn濃度強(qiáng)度范圍分別為1.327～2.878與1.542～8.880;Hg濃度強(qiáng)度高值位于毛羽村測(cè)線，Rn濃度強(qiáng)度高值位于麻屆灘測(cè)線，均分布于斷裂東段。兩種氣體濃度強(qiáng)度的高值點(diǎn)在斷裂帶上表現(xiàn)出一致的空間分布特征，氣體逸出較為同步，受相似的斷層活動(dòng)性控制。氣體逸出通道除受斷層活動(dòng)性影響外，還與各類氣體自身的密度和固有特性有關(guān)^［29-30］。

由圖3、4可知：Hg、Rn土壤氣濃度曲線整體呈現(xiàn)單峰異常狀態(tài)，異常峰值集中分布在斷層周圍10～30 m范圍內(nèi)，推斷所測(cè)量斷裂帶區(qū)域近年來活動(dòng)性較強(qiáng)，地下裂隙連通性穩(wěn)定，為土壤氣向地表逸出提供了較通暢的環(huán)境；少部分測(cè)線形態(tài)呈現(xiàn)多峰聚集模式，以斷層為中心的20～50 m內(nèi)Hg與Rn濃度出現(xiàn)多個(gè)峰值，在其余范圍內(nèi)濃度變化趨于平緩并形成一個(gè)“低谷”。由臨潭—宕昌斷裂帶Hg與Rn濃度強(qiáng)度空間分布特征可知（圖5），東段多處測(cè)線濃度強(qiáng)度略高于西段，推測(cè)東段可能具有較強(qiáng)的活動(dòng)性，應(yīng)力積累周期較短且快速釋放，通常表現(xiàn)為小震的形式，導(dǎo)致此區(qū)域常年小震頻發(fā)。在多年地震的影響作用下，斷層核部裂隙閉鎖程度低，裂隙發(fā)育程度高，氣體上升通道穩(wěn)定。由于Hg與Rn氣體密度相對(duì)較大，自身遷移速率低，擴(kuò)散作用不明顯，往往通過載氣作用從地殼深部遷移至地表^［31］。東段長(zhǎng)期的斷層滑移導(dǎo)致斷層間相互摩擦作用增強(qiáng)，加大了地下深部氣體擴(kuò)散率，開辟出更多的裂隙通道，為土壤氣的逸出提供了合適的環(huán)境，經(jīng)過長(zhǎng)年不斷的積累，導(dǎo)致東段多處測(cè)線氣體濃度異常。斷裂帶西段地震活動(dòng)相對(duì)較少，但M_S≥5.0地震均發(fā)生在此區(qū)域，推測(cè)此段構(gòu)造應(yīng)力經(jīng)過長(zhǎng)期積累后釋放，但強(qiáng)震離逝時(shí)間久，斷層滑動(dòng)速率低，斷裂逐漸封閉，斷層核部相對(duì)閉鎖，氣體向上逸出的通道狹隘，影響土壤氣的滲透性，使得西段部分測(cè)點(diǎn)土壤氣濃度強(qiáng)度略低。

4.2 地震活動(dòng)與大地?zé)崃骺臻g的關(guān)系

大地?zé)崃魇侵傅乇硐虏吭趩挝粫r(shí)間內(nèi)以熱傳導(dǎo)方式垂直向上，流經(jīng)單位面積的熱流量，也稱為熱流或大地?zé)崃髅芏?。大地?zé)崃鞯姆植寂c地殼運(yùn)動(dòng)、地球內(nèi)部構(gòu)造等地質(zhì)條件之間有顯著的聯(lián)系，熱流既可以為人類提供多種不同用途的地?zé)崮芰抠Y源，也為人類探索地球構(gòu)造提供了重要參考依據(jù)^［32-34］。早在1997年，就有研究者曾在歐洲發(fā)現(xiàn)地表地?zé)崤c地震發(fā)生有顯著的關(guān)系^［35］。我國研究者也提出探討地?zé)釋?duì)了解地震的孕育有重要意義，并通過研究發(fā)現(xiàn)異常地?zé)釁^(qū)域與地震活動(dòng)在地質(zhì)構(gòu)造上有著一定的吻合^［36］。截至2016年，我國已采集并發(fā)表了1 230個(gè)大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)^［37］。

受到大地?zé)崃饔绊懙奈镔|(zhì)種類繁雜，相比于長(zhǎng)時(shí)間與大氣接觸交換的地表氣體，部分地?zé)釟怏w直接來源于地球內(nèi)部，不易受到陸地環(huán)境的影響，可以傳遞地球深部的地質(zhì)環(huán)境信息，使研究人員得以更準(zhǔn)確地分析地下成分^［38-39］。其中，Rn氣體通常來源于地球深部，可溶于水，隨著水流遷移至地表或從地下破碎帶、發(fā)育的裂隙等通道逸散至地表。地?zé)崴鶄鬟f的能量會(huì)影響Rn在水中的溶解度，地下溫度越高，Rn在水中的溶解度越低，熱水蒸氣中的Rn含量也越高。這些Rn熱氣最終會(huì)通過裂隙通道遷移至地表，在地?zé)釡囟雀摺嗔褞Щ钴S且地下破碎程度高的區(qū)域表現(xiàn)出Rn氣體濃度異常。Hg氣體主要以氣態(tài)方式通過破碎通道從地殼深部逸散至地表，其自然來源有地?zé)峄顒?dòng)、火山噴發(fā)、地下含Hg礦物成礦后Hg蒸氣的揮發(fā)等，故Hg氣體也受到地?zé)崤c區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響^［40］。由此可見，在斷裂帶不同地?zé)釁^(qū)域收集Rn、Hg氣體濃度有助于分析斷裂帶的活動(dòng)性質(zhì)。

根據(jù)數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果，中國大陸區(qū)域大地?zé)崃髌骄禐?0.4 mW/m²，與全球大陸平均值65 mW/m²接近^［36］。甘肅省位于中國大陸西北地區(qū)，地形呈狹長(zhǎng)狀，地貌復(fù)雜多樣，西部以沙漠、戈壁為主要地貌，平均熱流小于60 mW/m²，東部以黃土高原為主，平均熱流大于60 mW/m²，熱流分布總體呈現(xiàn)西部低于東部。結(jié)合中國大陸區(qū)域大地?zé)崃鳎蓪⒏哂谄骄鶡崃鞯膮^(qū)域歸為高熱流區(qū)域，將低于平均熱流的區(qū)域歸為低熱流區(qū)域。臨潭—宕昌斷裂帶處于甘東南地區(qū)，近年來地震活動(dòng)頻發(fā)。如圖6所示，該斷裂帶橫跨多個(gè)不同層次的地?zé)釁^(qū)域，總體地?zé)岱秶鸀?8～76 mW/m²。根據(jù)袁伏全等^［41］對(duì)青海不同地?zé)釁^(qū)域地震分布的分析，強(qiáng)震分布與斷裂構(gòu)造、大地?zé)崃鞣植加忻芮嘘P(guān)聯(lián)：1970—2016年間，青海共發(fā)生M_S≥6.0強(qiáng)震35次，其中92%的強(qiáng)震發(fā)生在大地?zé)崃鞣秶?0～80 mW/m²的地區(qū);震中位置通常不在地?zé)嶂档闹行奈恢?，往往位于發(fā)生地?zé)嶙兓臋M向梯度帶上。2013年岷縣—漳縣M_S6.6地震前臨潭—宕昌斷裂帶地震b值總體為0.53～1.65^［42］，但存在兩處明顯的低b值（b＜0.6）區(qū)域，即夏河縣與臨潭、岷縣之間的地區(qū)，震中位置位于地?zé)岬臋M向梯度變化帶上。此外，對(duì)1990—2010年地震b值進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)岷縣附近地區(qū)b值異常顯著，2013年岷縣—漳縣6.6級(jí)地震前岷縣西北方向鄰區(qū)b值明顯降低^［42］。根據(jù)b值大小與強(qiáng)震發(fā)生的可能性關(guān)系來看，低b值異常范圍越大，其強(qiáng)震潛在危險(xiǎn)性就越大^［43］，岷縣周圍多次強(qiáng)震恰好印證了此結(jié)論。本文通過臨潭—宕昌斷裂帶所處大地?zé)崃鞣植挤秶cb值異常區(qū)域，將斷裂帶分為東、西兩段：西段位于高地?zé)釁^(qū)域，熱流大于60 mW/m²;東段主要位于低熱流區(qū)域，熱流小于60 mW/m²。1970年以來，該斷裂帶上的M_S≥5.0地震均發(fā)生于熱流范圍61～76 mW/m²的區(qū)域，如高熱流的橫向變化梯度上分別于2003年和2013年發(fā)生了岷縣M_S5.5和岷縣—漳縣M_S6.6地震，高熱流區(qū)域2019年發(fā)生了夏河M_S5.7地震。斷裂自西向東熱流值逐漸遞減，斷裂東段1970—2023年未發(fā)生過M_S≥5.0地震，但頻繁發(fā)生小震。

前人對(duì)地?zé)釄?chǎng)與地震分布進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)我國多數(shù)地震的能量釋放區(qū)域與大地?zé)崃鞯母邿崃鲄^(qū)域相吻合^［44-45］。對(duì)1976年唐山M_S7.8地震的研究^［46］表明強(qiáng)震主要發(fā)生于地?zé)釞M向變化較大的梯度帶上，這類區(qū)域具有最大水平剪應(yīng)力與周向應(yīng)力，兩種應(yīng)力共同促進(jìn)了地震的發(fā)生，而地震所引發(fā)的地殼活動(dòng)會(huì)影響地下破碎帶的破碎程度，進(jìn)而影響到土壤氣濃度分布。將圖6與表1中所測(cè)得的氣體濃度結(jié)合來看，斷裂帶西段為高熱流區(qū)域，其中接近熱流橫向梯度帶變化的區(qū)域發(fā)生過多次強(qiáng)震，應(yīng)力積累周期長(zhǎng)。雖然西段高熱流會(huì)促進(jìn)氣體向上遷移，但強(qiáng)震孕育周期長(zhǎng)，對(duì)破碎帶的影響有限，斷層核部相對(duì)閉鎖，Hg、Rn逸出通道受阻，導(dǎo)致地表氣體濃度強(qiáng)度較低。斷裂帶東段為低熱流區(qū)域，內(nèi)部能量穩(wěn)定，地震受熱流的影響較小，應(yīng)力積累周期短，但長(zhǎng)期以來小震活躍，導(dǎo)致地下破碎程度較高，氣體逸出通道暢通，所以Hg、Rn濃度強(qiáng)度較高。

此外，地震震中與臨潭—宕昌斷裂帶大地?zé)崃鞣植加兄芮械穆?lián)系。高熱流區(qū)域與熱流發(fā)生梯度變化的區(qū)域發(fā)生強(qiáng)震的風(fēng)險(xiǎn)較高，而強(qiáng)震的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致較強(qiáng)的應(yīng)力釋放，強(qiáng)震之后會(huì)有長(zhǎng)期的應(yīng)力積累時(shí)間，并且會(huì)略微降低小震發(fā)生頻次。與小震活躍區(qū)域相比，該區(qū)域?qū)Φ叵缕扑閹У挠绊懴鄬?duì)較小，地下氣體向上傳遞能力較弱，氣體濃度強(qiáng)度較低。長(zhǎng)期小震活躍的斷裂帶區(qū)域地下裂隙發(fā)育程度高，地下氣體逸出通道穩(wěn)定，并且更容易長(zhǎng)期積累氣體，導(dǎo)致土壤氣濃度略高。

4.3 臨潭—宕昌斷裂帶地球化學(xué)特性與地震活動(dòng)性的關(guān)系

土壤中孔隙分布面積廣，地下氣體在壓力、溫度、濃度差異的驅(qū)動(dòng)下攜帶地球深部的相關(guān)信息，穿過薄弱的破碎帶，在土壤中擴(kuò)散、對(duì)流，最終釋放至大氣中。在某種程度上，土壤氣濃度強(qiáng)度反映了斷裂帶的構(gòu)造活動(dòng)性質(zhì)^［47］，而斷裂帶的滑動(dòng)速率反映了斷層應(yīng)變的積累速率，代表了斷裂長(zhǎng)期平均活動(dòng)水平^［48］。不均勻的滑動(dòng)速率分布會(huì)改變斷裂的走向，影響斷層的形變，而具有一定傾斜角度的斷層有利于能量的積累，易引發(fā)不同強(qiáng)度的地震。結(jié)合土壤氣濃度強(qiáng)度分布特征與斷層滑動(dòng)速率進(jìn)行分析，有助于了解不同斷裂帶區(qū)域的地震危險(xiǎn)性^［49-50］。前人的研究主要以滑動(dòng)速率對(duì)斷裂造成的構(gòu)造形變作為了解地震特征的主要依據(jù)，現(xiàn)對(duì)比大地?zé)崃鞯姆侄翁卣骱蟀l(fā)現(xiàn)，將斷裂的形變特征與大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)結(jié)合可以更有效地判斷地震的活動(dòng)特性，分析不同區(qū)域的土壤氣地球化學(xué)特征。

結(jié)合1970—2023年臨潭—宕昌斷裂帶地震活動(dòng)分段時(shí)序圖（圖7）與地震分段分布表（表2）來看，該斷裂帶53年間發(fā)生過2.0級(jí)以上地震376次。其中，西段發(fā)生地震171次，包括5.0～7.0級(jí)地震7次，4.0～4.9級(jí)地震4次，3.0～3.9級(jí)地震35次，2.0～2.9級(jí)地震125次;東段發(fā)生地震205次，包括4.0～4.9級(jí)地震9次，3.0～3.9級(jí)地震30次，2.0～2.9級(jí)地震166次?？傮w上地震活動(dòng)以中小型為主，5.0級(jí)以上地震較少。根據(jù)震源深度分布（圖8）來看，斷裂西段震源深度主要集中在-10～-5 km，小震多為強(qiáng)震的余震，多數(shù)發(fā)生在-10 km以上;斷裂東段震源在-30～-5 km均有分布，M_S4.0～4.9地震主要發(fā)生于-20～-10 km深度，無M_S≥5.0地震發(fā)生，由此也可以看出斷裂帶具有明顯的分段特性。結(jié)合斷裂帶在岷縣西北方向存在多條次級(jí)斷裂，在岷縣東南方向以主斷裂為主，推測(cè)斷裂帶的應(yīng)力分布在岷縣區(qū)域發(fā)生改變。其中，岷縣以西的斷裂段強(qiáng)震頻發(fā)，7次M_S≥5.0地震主要發(fā)生在西段，同年發(fā)生過多次M_S＜5.0的余震，其余時(shí)間段內(nèi)小震活動(dòng)較少。如圖6所示，多次強(qiáng)震震源位置相近，均發(fā)生在大地?zé)崃鞯臋M向梯度帶，此區(qū)域斷裂形變強(qiáng)度較大。岷縣以東的斷裂段53年間未發(fā)生過M_S≥5.0地震，但小震活動(dòng)比西段頻繁，地震發(fā)生區(qū)域更廣泛，此段大地?zé)崃髦递^低，斷裂形變強(qiáng)度較小。

將震源位置（圖8）與測(cè)線土壤氣濃度強(qiáng)度（圖5）進(jìn)行對(duì)比可以看出，斷裂帶東段M_S2.0～4.9地震頻繁發(fā)生，應(yīng)力積累周期短，地下斷層未完全閉合，地下流體傳輸間隙繁多。在斷層活動(dòng)和地下流體的相互作用下發(fā)育多條裂隙，再加上地震發(fā)育的成型裂隙通道，加強(qiáng)了裂隙發(fā)育程度，導(dǎo)致流體活動(dòng)性增強(qiáng)。斷層處Hg與Rn經(jīng)過長(zhǎng)期的逸散后濃度較高，結(jié)合小震發(fā)生頻次、滑動(dòng)速率走向與大地?zé)崃髦?，推測(cè)東段斷層活動(dòng)穩(wěn)定，當(dāng)前產(chǎn)生的應(yīng)變速率低，容易將應(yīng)力快速釋放，形成多次中小地震。強(qiáng)震主要發(fā)生在斷裂帶西段，包括2013年岷縣—漳縣M_S6.6地震和2019年夏河M_S5.7地震，且在主震后發(fā)生了多起余震。斷裂帶西段通過強(qiáng)震將能量釋放后，地下斷層處于應(yīng)力重新積累狀態(tài)，小震活動(dòng)的頻率降低，地下流體活動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較低，土壤氣濃度強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。Hg、Rn受自身特性影響，向上逸出速率小，無法長(zhǎng)時(shí)間積累，濃度強(qiáng)度相對(duì)較低。但西段位于高熱流值區(qū)域，地下熱能較高，又具有左旋走滑的運(yùn)動(dòng)分量，應(yīng)力累積速率快，未來仍有發(fā)生強(qiáng)震的風(fēng)險(xiǎn)。李晨樺等^［51］對(duì)西秦嶺北緣斷裂帶土壤氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析也發(fā)現(xiàn)：研究區(qū)中段是張性盆地區(qū)，小震頻繁，斷層的形變強(qiáng)度更大，表現(xiàn)出較高的土壤氣濃度強(qiáng)度;東、西兩段小震活動(dòng)較弱，相對(duì)應(yīng)的斷層土壤氣濃度強(qiáng)度也較低。這種分布特征與地下氣體活動(dòng)性和斷層形變特征密切相關(guān)，說明小震活動(dòng)對(duì)土壤氣濃度的分布具有一定的影響。

綜上所述，臨潭—宕昌斷裂帶斷層深部的流體活動(dòng)、大地?zé)崃鞯姆植继卣?，以及斷層滑?dòng)速率特征均與地震活動(dòng)有緊密聯(lián)系。高熱流分布區(qū)域與左旋走滑的形變特征有利于強(qiáng)震的孕育，表現(xiàn)為強(qiáng)震多數(shù)發(fā)生于斷裂帶西段，之后強(qiáng)震所釋放的能量需長(zhǎng)時(shí)間的積累，對(duì)地下裂隙的形變影響不穩(wěn)定，深部氣體上升受阻，表現(xiàn)出土壤氣濃度強(qiáng)度略低。斷裂帶東段一直處于較活躍狀態(tài)，熱流范圍較低，無法為強(qiáng)震孕育提供合適的環(huán)境，導(dǎo)致應(yīng)力釋放周期短，小震活動(dòng)頻繁。由于長(zhǎng)期斷層滑動(dòng)對(duì)裂隙通道的影響，此段深部氣體遷移通道穩(wěn)定，表現(xiàn)出土壤氣濃度強(qiáng)度略高。此外，強(qiáng)震的孕育受到更復(fù)雜的空間分布影響，近年來發(fā)生強(qiáng)震區(qū)域的氣體濃度可能產(chǎn)生異常，還需要對(duì)臨潭—宕昌斷裂帶進(jìn)行持續(xù)的觀察與研究。

5 結(jié)論

本文選取臨潭—宕昌斷裂帶西段4條測(cè)線、東段5條測(cè)線進(jìn)行土壤氣Hg、Rn濃度的監(jiān)測(cè)，并結(jié)合前人的研究資料與野外測(cè)量結(jié)果，對(duì)該斷裂帶的土壤氣地球化學(xué)特征與空間分布特性進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1） 臨潭—宕昌斷裂帶在岷縣西北方向存在多條次級(jí)斷裂，在岷縣東南方向以主斷裂為主，結(jié)合大地?zé)崃鞣植继卣骺梢詫嗔褞б葬嚎h為界分為東、西兩段，兩段的應(yīng)力積累環(huán)境不同，地震活動(dòng)也不同。其中，西段多發(fā)生中強(qiáng)震，但地震間隔時(shí)間長(zhǎng)，斷裂逐漸閉合，影響土壤氣逸出，表現(xiàn)為西段多條測(cè)線Hg、Rn濃度略低;東段一直具有較強(qiáng)的活動(dòng)性，小震活躍，長(zhǎng)期的斷層滑動(dòng)增強(qiáng)斷裂破裂程度，為土壤氣逸出提供穩(wěn)定的通道，表現(xiàn)為東段Hg、Rn濃度相對(duì)于西段略高。

（2） 臨潭—宕昌斷裂帶西段位于高地?zé)釁^(qū)域，而高熱流區(qū)域與熱流存在梯度變化的區(qū)域發(fā)生強(qiáng)震的風(fēng)險(xiǎn)較大，1970—2023年間M_S≥5.0地震均發(fā)生在此區(qū)域，但小震發(fā)生頻次較低，多處測(cè)線的Hg、Rn濃度強(qiáng)度略低。斷裂帶東段熱流偏低且穩(wěn)定，長(zhǎng)年未發(fā)生過強(qiáng)震，但小震活動(dòng)頻繁，此區(qū)域多處測(cè)線Hg、Rn濃度強(qiáng)度略高。

（3） 通過對(duì)臨潭—宕昌斷裂帶斷裂活動(dòng)構(gòu)造、斷層滑動(dòng)速率與歷史地震等方面的綜合分析，發(fā)現(xiàn)該斷裂帶土壤氣濃度強(qiáng)度、大地?zé)崃鞣植紖^(qū)域與斷層滑動(dòng)速率分布特征有較高的耦合性。具有較高大地?zé)崃鞣植嫉幕顒?dòng)構(gòu)造區(qū)域更容易將應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間積累，形成強(qiáng)震。小震長(zhǎng)期活動(dòng)頻繁的區(qū)域地下裂隙穩(wěn)定，有利于地下流體活動(dòng)。這為研究區(qū)深部地下流體活動(dòng)提供了新證據(jù)，對(duì)追蹤未來可能發(fā)生地震的斷層和活動(dòng)段具有重要意義。

致謝：中國地震局蘭州地震研究所張波副研究員在本論文工作測(cè)線布設(shè)方面給予了幫助，在此表示感謝！

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（本文編輯：趙乘程）