M Zarroca， R Linares， J Bach， C Roqué，

V Moreno3)， Ll Font3)， C Baixeras3)

1) Grupo de Geodinámica Externa e Hidrogeología， Dpto. de Geología， Edicio Cc，

Universitat Autò noma de Barcelona， 08193 Bellaterra， Barcelona， Spain

2) Geodinámica Externa， Dpto. Ciencias Ambientales， Universitat de Girona，

17071 Girona， Spain

3) Grupo de Física de las Radiaciones， Dpto. de Física. Edicio Cc， Universitat

Autònoma de Barcelona， 08193 Bellaterra， Barcelona， Spain



综合运用地球物理和土壤气剖面识别活动断层： 以西班牙东北部比利牛斯山脉的阿梅尔(Amer)断层为例(Ⅰ)*

M Zarroca1)， R Linares1)，J Bach1)， C Roqué2)，

V Moreno3)， Ll Font3)， C Baixeras3)

1) Grupo de Geodinámica Externa e Hidrogeología， Dpto. de Geología， Edicio Cc，

Universitat Autò noma de Barcelona， 08193 Bellaterra， Barcelona， Spain

2) Geodinámica Externa， Dpto. Ciencias Ambientales， Universitat de Girona，

17071 Girona， Spain

3) Grupo de Física de las Radiaciones， Dpto. de Física. Edicio Cc， Universitat

Autònoma de Barcelona， 08193 Bellaterra， Barcelona， Spain

摘要地球物理和土壤气组成探查相结合的方法可以快速低成本地获得有关地震活动情况的信息。 本研究中， 对西班牙的比利牛斯山脉(Pyrenees)的阿梅尔(Amer)镇附近明显存在新断裂的两个区域进行了地球化学土壤气采样((222)Rn， (220)Rn和CO2)、 电阻率层析成像和地震折射数据分析。 数据分析清楚地揭示了沿电成像剖面每个特定位置的气体异常值。 地貌与水文地质资料、 综合地球物理数据和土壤气测量结果表明： ①在高渗透率的主断裂区域， 变质沉积基底岩会释放出内生气体氡((222)Rn)和二氧化碳(CO2)， 而下新生代碎屑沉积地层则表现为一个不透水的边界； ②氡浓度最高(52 kBq/m3)的区域对应于Amer断层内近期在地貌上有较多活动证据的地区， 更准确地说， 是被较薄地表物质覆盖的地区； ③最低的(222)Rn值(0.2～0.4 kBq/m3)只在主要活动断层面记录到。 这可以用高土壤CO2射流(每日267 g/m2)的稀释作用来解释； ④高地表破裂区域的土壤钍射气((220)Rn)活动性最大(143 kBq/m3)； ⑤地下水开采可能引起重要的自然流体动力和测量的气体浓度畸变。 不同数据结果(地球化学、 地球物理和水文地质)与实地观测结果(地质和地貌)的一致性为我们提供了一个初步的研究区构造-重力模型。

关键词活动断层； 电阻率层析成像(ERT)； 地震折射； 土壤氡和钍射气浓度； 土壤CO2释放； 比利牛斯山脉； 西班牙

引言

当评估特定区域的地震危险性时， 了解该区活动断层的活动性程度十分重要。 地层、 构造和地貌学研究是识别和表征活动断层的常用方法。 将这些传统方法与地球物理测量技术和土壤、 水中气体测量结合起来可以大大增强新构造信息。

近些年， 近地表地球物理勘探已成为各种地质和构造环境中研究地震相关活动断层的标准手段[1]。 没有一种最佳的地球物理方法或技术可以适用于所有可能的地质和环境场景。 通常， 最合适的策略就是不同地球物理方法的结合[2]。 最常用的方法之一是电阻率层析成像技术(electric resistivity tomography， ERT)[3-6]。 断裂带地电调查主要的针对目标是断层面的位置和几何结构， 包括盲构造和位移估算。 尽管已有成功的调查[7-8]， 但断裂带地电调查还没有被全球作为研究第四纪构造和地震灾害评估的通用技术所接受[9]。 特别是， 在欧洲， 横跨断层迹和断层崖的ERT技术的使用在最近十年大大增加[10]。 ERT数据比其他地球物理方法有几个有利因素。 其穿越深度不受水分、 盐分或者粘土存在的限制， 而GPR(探地雷达)数据却会遇到这些问题。 再者， 电阻率数据不会包含地下水位影响引起的歧义， 而地震波折射数据中往往会出现模棱两可的结果[10]。

探查断裂带内土壤气[11]和水气[12]的组成是研究活动地质构造的一种创新、 快速且相对廉价的方法， 而且可能会提供有关区域应力状态的信息。 潜在的地震前兆指标之一就是与断层区域相关的氡浓度变化[13]。

正如我们所知， 氡在地壳中是广泛存在的， 因为铀和钍存在于几乎所有类型的岩石和土壤中。 事实上，226Ra同位素衰变后产生222Rn， 被称为氡(半衰期3.823 d)， 而232Ra衰变产生220Rn， 即钍射气(半衰期仅55.6 s)。 由于其半衰期不同，222Rn和220Rn在土壤/气体中有不同的源区，222Rn来源于相对较深地层到浅地层，220Rn则来源于浅地层。 近期研究表明， 土壤222Rn浓度倾向于在主要断层面附近升高。 这一行为被解释为与断层相关的岩石性质的改变： ①土壤对气体的高渗透性； ②破碎岩石中较高的表面积-体积比----这有利于氡从固体基质中释放。 由于氡的半衰期很短， 所产生的任何氡必须靠近岩石的自由表面， 才有可能进入气相[14]。 在几种情况下， 土壤气体222Rn和其他微量气体的异常与二氧化碳(CO2)的强脱气作用相关， 由此证实了氡的平流运输模型， 平流运输经过土柱由载气实现， 而载气流量则受压力梯度控制[15-16]。 在火山或者地热环境的土壤气体中， 无论就富集还是流量而言， CO2通常都是最重要的。 因此， 将土壤气排放中222Rn和CO2测量值关联起来， 会提高222Rn流动型态的评估结果。

位于西班牙比利牛斯山脉南部的Amer地区被选作研究区是因为其特殊的大地构造背景， 其中包含了Amer-Brugent断层和Garrotxa区域的火山活动。 与第四纪活动断层直接相关的富含气体的泉水在研究区及其附近区域十分常见(图1)[17]。 在同一区域开展的其他研究项目也证明了地下水中CO2内生源的存在[18]。

气象和季节性因素的变化也可以改变土壤水和间歇泉中的氡浓度[19]。 近期在Amer地区[20]和附近的Garrotxa地区[21-22]进行的连续测量调查发现， 冬季氡和钍射气浓度会下降。

考虑到之前的一些因素， 我们选取了Amer镇以北横跨Amer断层的两个区域， 并在此开展了地球化学和地球物理学研究。 此项工作的目的就是要评估综合应用电阻率层析成像(ERT)和土壤氡222Rn测量来探查活动断层的可能性。

1地质背景、 新构造和地震活动

Puig等[23]绘制的1∶25000地质图提供了Amer断层区的综合基岩地质学信息。

利用黑白航拍照片(1957年1∶33000; 1982年1∶18000)、 彩色正射影像(2008年1∶5000)以及主要针对构造地形和第四纪沉积物的野外调查数据， 对航拍照片进行了解释， 据此绘制出了一幅详细的地貌图(图2)。

1.1Amer区域地质

Amer断层是第三纪晚期NW-SE走向的正断层， 并且是控制Empordà第三纪盆地的断层系内最西部的构造之一[24-25](图1)。 Amer断层由一系列平行的断裂构成， 长约30 km， 断层面向北东倾斜60°， 最大垂直位移为1000～1400 m[26]。

Amer镇周围的岩石属于Catalan海岸山脉的古生代基底和新生代沉积盖层(图2)。 该区有3个古生代单元： ①寒武-奥陶纪片麻岩； ②寒武-奥陶纪含层状大理岩、 石英岩的片岩； ③奥陶纪片岩和页岩， 其中含有石英岩和砾岩夹层。 众多火成岩墙侵入整个古生代单元， 这些岩墙主要是东西走向， 宽数米。 古生代基底被新生代沉积单元(从古新世到始新世)不整合覆盖： ①陆源砾岩、 砂岩和红泥屑岩； ②可以形成大的构造表面和悬崖的海相灰岩； ③海洋泥灰岩和砂岩。

图1Pyrenees东部地震构造环境下的研究区位置。 岩性和构造数据基于ICC[27]， 热液数据源于Linares等[28， 17]。 地震数据源于ICC[29]

新生代沉积物的侵蚀形成了第三纪前的夷平面， 该夷平面切穿了古生代岩石。 在Amer谷西侧， 夷平面海拔在850～900 m， 但在东侧， 由于Amer断层的位移作用， 海拔则在250 m或以下。 晚第三纪扩张之前的早第三纪比利牛斯山脉造山挤压可能是导致夷平面稍向北倾斜(<5°)的原因。

(a) Font Picant d’Amer; (b) Font Pudosa; (c) Font Picant del Pasteral;

图2Amer区域地质与地貌图。 山影高程模型采用了西班牙凯特罗那制图研究所(Institut Cartogràfic de Catalunya， ICC)的高程数据(1∶5000)。 地质横断面据Puig等[23]

Amer以南存在一小火山露头， 由玄武熔岩流和侵蚀火山颈组成。 虽然没有其年代的精确数据， 但在时间上和成因上可能与Garrotxa区域广泛分布的其他火山有关， 其中一些火山与Amer断层也有关联。

Brugent河使Amer谷变得干涸， 它沿着谷底和两侧形成了一个阶状冲积物序列(冲积扇与河流阶地)(图2)。

根据相对于河床的地形位置， 可以识别出三级河流阶地： ①最高阶地(阶地3)位于相对高度30～25 m处， 与其他阶地相比， 其较高的粗砾岩风化程度说明其年代也较古老； ②中间阶地(阶地2)在当前通道上方12～8 m之间； ③最低阶地(阶地1)是最广泛的冲积层， 相对高度在5～3 m。

Amer谷中沿河成阶地与岩质边坡接触面之间分布着冲积扇， 其顶峰逆流向上止于山前。 它们由泥石流沉积物组成， 在远端区则间或由河流沉积物组成。 根据其地形位置、 与河成阶地的几何关系和保存程度， 可以识别出3期冲积扇(图2)： ①最古老的冲积扇位于较高的地形， 并且被现在的溪流严重切割， 它们大多与切穿山腰并延伸到最西部断层南端的断层相关； ②第2期冲积扇被现在的溪流侵蚀， 分布在河成阶地1上， 它们位于山前低部， 覆盖了切割岩坡的断层线； ③最近的冲积扇几乎没有被现在的溪流侵蚀， 它们依附于岩坡， 并与第2期冲积扇和河成阶地1部分重叠。

最近的一个冲积扇离其中一个研究剖面很近， 对其进行了14C测年。 内含木炭的碎屑提供的放射性碳龄距今185±30年， 这与Amer在17和18世纪之间零星的冲积扇活动的历史记录一致。

Amer西南邻近Lloret Salvatge村的地方， 最古老时期的冲积扇沉积物没有被剥蚀， 但却与最近的沉积物重叠(图2)。 此处只存在泥石流沉积物。 Harvey[30]认为它们是加积扇。 这一结果表明在Ter河区域， 山脉的隆起速率大于剥蚀速率。

1.2新构造与地震活动

据Ferrer等[24]和Fleta等[25]， 与区域内其他断层相比， 两方面的证据可以支持Amer断层近期发生过构造活动： ①自晚中新世开始的玄武岩裂谷型火山活动向西迁移， 最新的熔岩流(距今10000年， Guérin等[31])与沿Amer断层的一系列火山有关； ②地貌分析揭示出一个受控于近期断层活动的非常年轻的地形。 近期的其他地貌证据包括， 断层沿线第四纪冲积扇中有三角面和米级规模的斜坡发育。

近期构造活动的其他证据还有该区破坏性地震的历史记录。 在15世纪， Amer和Olot地区发生过伊比利亚(Iberia)东北部有记录以来最具破坏性的地震灾难。 发生在1427年的几次地震， 其震中烈度达到了Ⅵ～Ⅷ度， 它们已被认为是由Amer断层引起[32-33](表1)。 1427年2～5月间的时空震群彻底摧毁了Olot， Amer和附近的其他许多地区。 1427年5月15日的地震在Olot至少造成15人死亡。

表11427年地震灾难中由Amer断层引起的最具破坏性的地震事件列表(据Olivera[32])

日期月-日地震烈度(EMS-98)震级/MW震中05-13Ⅵ～ⅦAmer西北05-14ⅥAmer西北05-15ⅥAmer西北05-19Ⅷ5.9Amer东南05-22Ⅵ～ⅦLloretSalvatge05-15Ⅶ5.8Olot

译者注： EMS为欧洲地震烈度表(European Macroseismic Scale)

尽管整个Amer村都被破坏， 但史料中并未记载任何由于建筑物倒塌造成的死亡。 然而， 1427年4月22日震中位于Lloret Salvatge的地震引发了气体析出现象； 第2天有报道显示， 在Lloret Salvatge和Amer村之间有毒气体沿开口裂隙析出。 这些气体导致2人死亡， 9人严重受伤。 其中一条裂隙被称为“Esquerda del’ Infern”(Catalan语， 意为“地狱裂隙”)， 它在附近的断层迹中至今仍可看到(图2和图3a)。

Amer断层活动的其他证据就是地震仪器记录的资料和数量庞大的气态地下水析出报道。 近期发生的小地震事件(3

从2005年开始， 在该区的不同点位都会持续或时而监测到氡气析出[20]， 测量值揭示Amer断层现今仍有活动。 本研究也包含了此项调查的结果。

图3(a)近期Amer断层的地震活动中山坡重力变形而形成的开放裂隙 Esquerda de l’Infern(其规模请参照下方的测量人员)。 根据历史资料， 这就是1427年地震灾害中气体析出的位置。 受地震的触发作用， 内生气体沿重力断层面从Amer断裂中释放出来。 2010年6月17日的气体测量记录并没有发现任何重要异常。 (b)相距两天观测到的Font Pudosa泉， 可见水位明显下降。 (b1)2010年5月7日空气中氡的监测情况， 记录值是1 686 Bqm/m3。 (b2)2010年6月22日泉水旁CO2气流监测情况， 在最靠近观测点的地方其观测值达到了最大极限

2Amer区域构造与重力形态结构

2.1构造形态结构

研究区中， Amer断层系内主要包含两条大致平行的断层线(图2)。 西部断层线位于Serrat del Torn山顶附近， 比较靠近Ter河的流域盆地与其支流Brugent河的分界线。 断层的分布情况由不同古生代单元间的接触面限定， 也由前第三系夷平面的位移限定， 在研究领域被认为是有约3 m碎石的剪切带。 东部断层线穿过Brugent河谷的西部边界， 同时被西侧的冲积物覆盖。 它由2个， 有时3个平行断裂组成。 在Font Pudosa露头处， 断层面由4～6 m的角砾岩组成。

两个地貌特点表明东部断层系的近期活动： 断层三角面和米级规模的地貌陡坎。 三角面沿Brugent河谷右边的低坡分布。 Ferrer等[24]和Fleta等[25]识别出两期三角面， 并指出较年轻一期的年代是上新世-第四纪。 最古老的三角面位于山坡的中低部(图2)， 破坏严重， 很难识别出是真正的断层面还是滑坡残痕。

米级规模的陡坎出现在覆盖了东部断层的第四纪沉积物上。 之前已有人识别出该区Amer断层活动形成的断层陡坎[24-25]。 这些陡坎出现在断层迹被古老的冲积扇覆盖的地方。 根据Fleta等[25]， 在最近的沉积物上方没有发现地表变形的证据。 遗憾的是， 在该区很难明确识别出断层陡坎， 因为在冲积扇与河成阶地上的农耕活动已经进行了几个世纪； 人为的陡坎非常多， 断层陡坎也可能已被人类活动改变。 探明陡坡的起源还需要地球物理勘测和槽探工作。

2.2重力形态结构

滑坡陡坎和滑坡沉积物不规则地分布在Serrat del Torn山脉的东侧山坡(图2)。 它们大都逐渐向下变成土流和泥石流。 有些情况下， 沉积物融入冲积扇中。

Serrat del Torn山坡上也出现了由深部重力坡变形(DSGSDs)引起的特征。 它们被归类为“sackung”型[34]。 Sackung可以描述成由深层发生粘塑性变形引起的山坡下沉， 粘塑性变形会影响由均质、 多节理或层状脆性岩体组成的高陡边坡[35-36]。 Serrat del Torn山DSGSDs结构的特征就是其存在一系列分布在两个主要构造断层间的平行陡坎和外崖(图2)。

一些与DSGSDs陡坎相关的开放裂隙已被识别出来。 Amer地区同震的DSGSDs(sackung型)不仅可以通过地质和构造信息证明， 还可以通过历史记载来证明。 正如前面解释的那样， 在1427年地震期间或之后， 山区出现了数个裂隙， 有毒气体从中析出。 位于Brugent河谷与Ter河谷流域之间的Esquerda de l’Infern裂隙距西部断裂很近， 它可能与1427年4月23日造成2人死亡的气体释放有直接关系(图3a)。 La Gasalla裂隙位于Serrat del Torn山脉的中坡上， 没有证据证明它可能与1427年地震有关。 Gutiérrez等[37-38]先前也指出Pyrenees的地震震动触发了sackung坡。

文献来源： M Zarroca， R Linares， J Bach， et al. Integrated geophysics and soil gas profiles as a tool to characterize active faults： the Amer fault example (Pyrenees， NE Spain). Environ. Earth Sci.， 2012， 67(3): 889-910. doi： 10.1007/s12665-012-1537-y

(中国地震局地震预测研究所杨江译； 李营校)

(译者电子信箱， 杨江： jeromemuyi@163.com)

参 考 文 献

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中图分类号：P315.2；

文献标识码：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.03.007

* 收稿日期：2016-03-15； 采用日期： 2016-03-18。 2016-02-01； 采用日期： 2016-02-08。

※通讯作者： 刘文浩， e-mail: liuwh@llas.ac.cn。

编者按： 因本文较长， 《国际地震动态》将分两期连续出版。