构造地球化学观测及在地震中应用
SB18007006 李军辉
0 引言
地壳深部的气体，主要是沿着断层破碎带由深部向地表迁移，沿着裂隙垂直向地表排出。
土壤气中氡来源有两部分：一是取样部位岩土中放射物质衰变产生的Rn；二是沿断层迁移的Rn，前者与取样部位岩土性质有关，后者与断层性质有关。
研究结果表明，断层上土壤氡气的含量明显高于断层外气氡的含量，根据这一特征可判断断层的位置。
因此，通过对地表的断层带气体测量就有可能探测出断层的分布（汪成民等，1991；王广才2002）。
我国在北京、天津、上海等10多个省份广泛应用断层气观测技术，探测了很多活动断裂，在活动断裂上测出了断层气高值异常，而且在断层的产状、规模、活动性等分析方面也进行了相关的探索，使断层气观测技术已成为我国隐伏断裂探测中不可缺少的技术（丁国瑜等，1992；邓启东等，2003）。
活动断裂附近的土壤中Rn被岩石、土壤颗粒表面吸附，溶解于地下水并随着地下水迁移等过程，受到环境温度、压力等条件影响，在地震孕育过程中，应力场发生改变时，地下气氡的含量将发生显著地变化，因此，Rn成为重要的地
震监测指标。
在非火山地区土壤气CO
2高含量则是由深断裂造成的，所以CO
2
也
可以作为确定构造活动和地震危险性的指示。
土壤中Rn、CO
2
等气体浓度异常是是寻找地震活动断裂带非常有效的方法（车用太等，2002；Ciotoli 2007；Annunziatellis 2003）。
1、测量仪器及方法
1.1 测量仪器
土壤中气氡的测量仪器为Alpha GUARD P2000测氡仪，仪器灵敏度50cpm/KBq/m³，仪器校准误差小于3%；此外，部分测点还利用安捷伦490气相
色谱仪检测土壤中气体组分的含量，包括CO
2、H
2
、He等。
1.2 测量方法
首先用钢钎打直径5cm,深100cm导向孔后，然后插入取样器，用橡皮管将仪器与取样器连接，排出橡皮管及取样器内残留气体后开始测土壤中气体的含量。
取样体积为1L/min，采样率1min。
在测线的选择上，所布设的测线遵循尽量垂
直于断层走向的原则，避开新填土和地下潜水位埋深较浅的地方。
2、地球化学气体测量的应用
2.1活动断裂探测
地球是一个巨大的开放体系，岩石圈、水圈和大气圈之间不停地进行着物质和能量的交换。
各种地质作用都从地球深处向外排气，它是一种无处不在的自然现象，然而，这种排气现象在空间分布上是非常不均匀的，在地壳的大部分地区，地球排气现象并不明显。
是以小规模，低速度的形式进行，而地壳的薄弱部位，如断裂带、火山、洋脊地带，则是地下气体集中逸出带，因此这些部位成为地下气体向外逸出的主要通道。
在大陆上，地壳排气现象常见于断裂带上，特别是活动的深大断裂上，当地下气体在温度和压力梯度作用下，沿着断裂破碎带这个通道向上迁移到土层时，由于土层中水平向的温差和压差比垂直向小，所以断层气以垂直向排气为主。
地壳深部的气体，主要是沿着断层破碎带由深部向地表排除，因此通过地表的断裂带气体浓度的测量，就有可能探测出断层的分布。
国内外已进行了大量的研究，论证了利用断层气探测断层的可行性与有效性。
图1所示为意大利Fucina 盆地进行地球化学气体探测结果，在1915年曾发生过M7.0级地震的断裂带上（SBGMF）同步显示出He、CH4、CO2的异常峰值，Rn也有高值表示，但向断层陡砍偏移。
图1 意大利断层气测量结果（据Ciotoli,1998）
多年的探测结果表明，断裂带的基本标志是地球化学气体释放量明显增大（图2），但因各条断裂的规模、活动性、岩性等不同也表现出大小差异较大。
大的
区域可达非断层区域释放量的百倍，小的1-2倍。
断层的规模，往往与断层气异常的宽度成正比，断层规模越大，异常带越宽；异常带的宽度，还与断层的倾角有关，倾角越大，异常带越窄。
根据土Hg与气Hg的对比观测，还可以判定断层的倾向，一般情况下气汞异常峰值处为断裂在地面的出露点，土汞异常出现在断裂倾斜的方向上。
图2 断层探测气体浓度分布(据Loannides 2003)
2.2地震活动强度
断层的活动程度与化学气体异常也有关系，如图3所示，地震活动变得剧烈时，断层带上释放的气体含量也会明显变多，因此，目前提出了利用断层气排气的相对强度判定断层活动及地震活动强度，原理为：
断层活动强度=异常峰值/背景值
图3为连续观测的土壤中Rn浓度的变化与300km范围内地震活动及气象因素的对比，从结果来看，39次地震活动，其中19次地震前断层气浓度有明显的异常增大变化，断层气浓度的峰值变化对于地震活动具有较好的指示意义。
图3 断层气测量与地震活动及气象因素对比
2.3震后测量
通过震后对发震地区的断层气测量，对于浓度分布与烈度关系，探测隐伏断
裂，评价其活动性，揭示地震与火山或的联系等具有较好的作用。
通过震后区域断层气浓度变化研究发现地震的发生使得地壳破坏，导致震区气体释放量加大，两者之间存在一种比例关系，预示着可以利用气体地球化学方法协助划分地震不同烈度的可能，这在边远荒芜地区具有实际意义
2015年3月14日，安徽阜阳发生4.3级地震，震后对震中区域进行了断层气
含量的测量，结果如图4所示，结果显示，震后Rn 浓度的高值走向与烈度方向基本一致，可以大致推断断层的走向、产状及活动性，这无疑是一种地震发生后现场宏观地质调查所需要的有重要参考价值的高效率的辅助手段。
图4 阜阳4.3级地震后Rn 测量结果。
3 结论与讨论
（1）地球化学气体测量结果表明，气体的高值变化对断层的位置、产状、规模及断层活动性具有较好的指示意义。
（2）地球化学气体浓度的连续观测对于火山活动、地震活动具有很好的监测作用。
（3）地球化学气体震后测量对于震后趋势判定，地震烈度分布等具有一定的研究意义。
参考文献：
汪成民，李宜瑚，魏柏林等，1991.断层气测量在地震科学中的应用.北京：地震出版社. 王广才，王基华，刘成龙，等，2002.福州市隐伏断层地球化学标志研究.地震地质.24(4):593-600.
丁国瑜，1992.有关活断层分段的一些问题，中国地震，8（2）：1-9.
邓启东，徐锡伟，张先康等，2003，城市隐伏断裂探测的方法和技术.地学前缘，10（1）：83-104.
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