地裂地球化學(xué)近況探討范文

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作者：周曉成杜建國陳志崔月菊劉雷單位：中國地震局地震預(yù)測研究所

多尺度計算機模擬

多尺度計算機模擬是研究地震孕育過程的有效手段。地震孕育和發(fā)生過程中礦物脫水和熔融反應(yīng)過程是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，并伴隨復(fù)雜的物理結(jié)構(gòu)相變和化學(xué)相變，因而必須在原子水平用量子力學(xué)方法進行研究。密度泛函理論的主流程序包，如基于平面波贗勢法的ViennaAbInitioSimu－lationPackage（VASP）和Car－ParrinelloMolecularDynamics（CPMD），以其在相變和流體體系計算方面的優(yōu)勢，近幾年在水、液態(tài)硝基甲烷、液態(tài)甲醇的物理化學(xué)性質(zhì)研究方面取得了很好的成果。第一性原理方法廣泛應(yīng)用于相對較大和較復(fù)雜地球礦物結(jié)構(gòu)體系，極大促進了深部地球科學(xué)研究，如利用第一性原理研究橄欖石的晶體結(jié)構(gòu)高溫高壓特性和含水結(jié)構(gòu)，同時還通過對彈性性質(zhì)模擬定量研究了410km地震不連續(xù)帶特征。Liu等利用第一性原理CASTEP程序和準(zhǔn)簡諧Debye模型計算鎂橄欖石的高溫高壓晶體結(jié)構(gòu)特征、高壓彈性、波速、電性和相變等性質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)水的存在會使鎂橄欖石的彈性及波速都降低，3．2％的水在0～14GPa的范圍，使Vp和Vs速度分別降低了3．1％～7．1％和3．6％～9．7％；而1．6％的水使Vp和Vs速度分別降低了2．4％～4．1％和3．3％～6．6％。橄欖石是上地幔最主要的礦物組分，水使鎂橄欖石波速降低可能是上地幔低速層的成因。利用熱力學(xué)、分子動力學(xué)和量子化學(xué)計算方法研究天然礦物和地質(zhì)流體，能夠從微觀角度了解地震成因機制和低速層的形成演化。

火山區(qū)流體地球化學(xué)與地震關(guān)系

1火山區(qū)溫泉和深井地球化學(xué)

火山區(qū)溫泉主要是火山余熱型溫泉。Nishio等測定得到了日本Ontake火山附近溫泉和深井水樣品中7Li／6Li和87Sr／86Sr比值，很好的解釋了水的兩種來源：地表大氣降水和非地表來源的水。基于Cl／Li和Cl／Sr比值，可以挑選出受大氣降水污染較少的含Li和Sr同位素水樣。通過日本On－take火山水樣的Li和Sr同位素研究表明研究區(qū)地震群與流體的聯(lián)系主要在下地殼。火山區(qū)氣體的釋放與地下地質(zhì)構(gòu)造、物質(zhì)成分等火山地質(zhì)條件密切相關(guān)，因此，火山區(qū)溫泉地下逸出氣體是反應(yīng)地下信息最好的載體，能反應(yīng)地球深部信息，并與火山地區(qū)地震活動強度有直接聯(lián)系。火山區(qū)巖漿來源氣體的最主要成分都是CO2，通常占80％以上，最高含量甚至達99％以上；其它氣體組分有N2、Ar、O2、CH4、He、H2、H2S、SO2、CO、Rn氣等。常規(guī)氣體組分CO2、N2、O2和Ar。巖漿來源He、H2、CH4和CO2的含量，3He／4He、4He／20Ne比值、CH4和CO2的13C值、δ34S－H2S和δ15N－N2均為指示火山區(qū)深部巖漿活動的敏感參數(shù)，可作為現(xiàn)階段判斷區(qū)內(nèi)火山噴發(fā)活動和地震活動危險的重要指標(biāo)。

中國休眠火山區(qū)巖漿來源氣體的主要成分是CO2，占80％～99％；此外，還有CH4、He、H2、N2、Ar、O2、H2S、SO2、CO等氣體，其中CH4和He是除CO2以外最值得重視的直接來自地幔巖漿體的氣體組分。He同位素組成（3He／4He）是休眠火山區(qū)最可靠的幔源物質(zhì)的指示性參數(shù)。巖漿來源的CO2和CH4也具有區(qū)別于淺源氣體的穩(wěn)定同位素組成（δ13C值）。長白山火山區(qū)近期CO2和CH4的碳同位素分餾監(jiān)測結(jié)果顯示，2002年汪清7．2級深震雖然可能引發(fā)了深部巖漿的局部擾動，但可能沒有產(chǎn)生大量持續(xù)不斷的上地幔巖漿物質(zhì)流的上升遷移。長白山長白聚龍泉群逸出的He中3He／4He比值2003年上升緩慢，但在2004年逸出的He中幔源He含量明顯增加。

2002～2004年，天池火山區(qū)逸出氣體及其He同位素異常變化與該區(qū)地震活動有一定對應(yīng)關(guān)系，其中錦江泉群在2004年下半年地震活動趨勢減弱后，He同位素異常明顯減弱；而長白聚龍泉群在地震活動減弱后，He同位素異常反而明顯增加，表明熱儲型泉群巖漿來源氣體異常釋放明顯滯后于深大斷裂型溫泉點。騰沖熱海地?zé)崽餃厝械腃O2、CH4、HCO－3、CO2－3和泉華的δ13C值范圍分別是－7．6‰～1．18‰、－56．9‰～－19．48‰、－6．7‰～－4．2‰、－6．4‰～－4．2‰和－27．1‰～0．6‰，可以推斷CO2主要來自幔源或巖漿，而CH4有多種來源，溫泉水中的HCO－3、CO2－3主要來自火山CO2。熱儲溫度一般為250～300℃。騰沖熱海近期區(qū)內(nèi)水熱流體活動異常強烈，區(qū)內(nèi)幾乎所有95℃以上的沸泉、噴沸泉以及1993年以來發(fā)生的20余次水熱爆炸點均沿西南方向斷裂分布，顯示該斷裂目前處于強烈活動之中［24］。騰沖、長白山（不包括天池火山口內(nèi)湖濱）火山區(qū)巖漿來源氣體中甲烷δ13C值的變化范圍與國際上地?zé)釁^(qū)甲烷大致相同，平均值分別為－19．0‰和－32．6‰；五大連池火山區(qū)與天池火山口內(nèi)湖濱強氣體釋放帶逸出甲烷的δ13C值較低，平均分別為－45．8‰和－47．9‰，類似于東非裂谷帶基伍湖（Kivu）的甲烷。這些低δ13C值甲烷可能直接來自上地幔；巖漿來源甲烷在火山噴發(fā)過程中的動力學(xué)分餾導(dǎo)致其δ13C值的降低，巖漿源區(qū)越深，其δ13C值越低［25］。

2火山區(qū)土壤氣體地球化學(xué)

在過去的幾十年，在火山地區(qū)一直用土壤氣中CO2脫氣來辨別火山地區(qū)的脫氣構(gòu)造，估計火山系統(tǒng)的排放量可能作為地震構(gòu)造和火山活動的標(biāo)志，因為火山區(qū)土壤氣中CO2通量增加與地震活動增強有較好的關(guān)系［27］。意大利Stromboli火山2007年爆發(fā)前不久，土壤氣中CO2通量大幅度增加，在熔巖流出時達到最大值90000g／m2•d，δ13C值也有明顯增大，最高達1．8‰，3He／4He比值也大幅度增加，最高達4．6Ra［28］，同時巖漿的噴發(fā)速率與土壤氣氡的脫氣速率呈正相關(guān)，這意味著巖漿房體積和氣體運移可能與觸發(fā)地震的火山的動態(tài)反應(yīng)有一定聯(lián)系［29］。菲律賓中部塔奧火山，從1993年6月至1996年11月對土壤氣氡的連續(xù)監(jiān)測表明，1994年11月15日，離火山48km的地方發(fā)生MS7．1級地震，地震前22天土壤氣氡有明顯增加，增加幅度是背景值的6倍［30］。

3泥火山地球化學(xué)變化與地震的關(guān)系

泥火山與地震都是區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力集中的結(jié)果，因此，泥火山大多分布于地震活動帶，且與地震活動關(guān)系密切［31～34］。在地震孕育、發(fā)展和發(fā)生過程中，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力不斷增強，封閉構(gòu)造中的巖石孔隙壓力逐漸增大，當(dāng)壓力達到泥火山噴發(fā)條件時，大量礦化水、泥、氣體順著斷裂涌出，泥火山噴發(fā)；地震發(fā)生后，區(qū)域應(yīng)力降低，泥火山恢復(fù)平靜。印度尼西亞瓜哇LUSI泥火山在地震前，噴出泥漿的體積由120km3／d急劇上升至180km3／d，CO2濃度也由9．9％上升至74．3％。印度洋北部安達曼群島泥火山氣體主要組分是甲烷，濃度是55．7％，其它氣體有N2（32．2％）、O2＋Ar（9．9％）、CO2（2．0％）和He（0．2％）。此外，222Rn的濃度（7500Bq／m3）也是較高的，在地震前后有明顯的異常。在意大利亞平寧山脈北部接近皮耶韋－圣斯特凡諾的泥火山主要釋放富集CO2的流體，2001年11月6日地震活動前后，在泥火山的一些排氣口震前由排氣為主轉(zhuǎn)變?yōu)檎鸷髧姵瞿酀{為主，延斷裂橫切面發(fā)生的地震主要是水壓致裂引起。

高光譜地球化學(xué)地震監(jiān)測研究

高光譜遙感作為一種新的遙感探測手段，其光譜通道數(shù)多且連續(xù)，光譜分辨率高，信息量大，綜合了地面目標(biāo)的空間維、時間維、光譜維等特征，具有“圖譜合一”的特點，可實現(xiàn)遙感信息的定量化分析。而且，高光譜遙感數(shù)據(jù)包含了大氣中的溫度、濕度和氣體（H2O、O3、CO、CH4、CO2等）變化等信息，可以監(jiān)測與地震有關(guān)的氣體異常。利用高光譜遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測與地震有關(guān)的氣體前兆異常與傳統(tǒng)的定點取樣檢測法相比，具有取樣簡單、可實時遠距離獲得氣體三維數(shù)據(jù)、組分分析快速等優(yōu)點。2001年1月26日，印度GujaratMS7．8地震前，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)顯示CO含量有異常，且該異常與熱紅外異常相吻合。此外，1985年墨西哥Michoacan地震、2001年1月26日印度GujaratMS7．8地震和2008年5月12日汶川地震前后均有水汽含量異常增高的現(xiàn)象，Gujarat地震還引起O3濃度和大氣氣溶膠異常變化。

主要地震活動斷裂帶流體地球化學(xué)監(jiān)測與地震關(guān)系

1深鉆流體地球化學(xué)的地震監(jiān)測

深鉆流體地球化學(xué)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，氣體中He、Ar、N2、Rn、Hg的濃度有許多前兆和同震異常。汶川地震破裂帶深鉆氣體測量表明，氣體異常一般在余震前數(shù)天出現(xiàn)，并在震后持續(xù)多天，不同氣體組分所呈現(xiàn)的異常規(guī)律不同，且異常數(shù)量隨著震中距的增加而明顯減少。其中，He、CH4和CO2濃度變化的映震能力相對于Ar、N2、O2組分濃度變化較明顯，其He／Ar和N2／O2比值多為正異常，Ar／N2和O2／Ar則表現(xiàn)出相反狀態(tài)，表明地殼流體的活動與地震活動實際上是伴生關(guān)系［48］。在圣安德烈斯斷裂深鉆2117～3196m處，3He／4He值為0．35～0．46，在3194～3301m處，3He／4He值變化比較大，范圍在0．22～0．88，3He／4He值不斷增大表明有來自地幔連續(xù)的流體供給。

2溫泉和深井流體地球化學(xué)

2．1溫泉和深井離子組分

活動構(gòu)造對地震、地下熱水和微量元素的高值區(qū)具有控制作用，在空間分布上具有較明顯的一致性；高中溫?zé)崴畢^(qū)（尤其是高中溫?zé)崛芗瘞В┏３Ｊ堑卣鸹顒拥膹娏覅^(qū)，但強震區(qū)不一定有高中溫?zé)崛芗ｃ氪ǖ卣鹎昂螅貞c北溫泉水量及水化學(xué)均有較大變化，震后水溫下降1℃，K＋、Na＋、Ca2＋濃度減少，Mg2＋濃度增大；Fe2＋、Mn2＋濃度于地震當(dāng)日成倍增長，隨后逐漸降低，7月4日的濃度與5月1日相當(dāng)；SO2－4濃度增高后逐漸降低，F(xiàn)－濃度減小。這是因為汶川地震強烈影響導(dǎo)致冷水下滲作用，海拔相對較高而溫度較低的溫泉水改道，并有其它來自裂隙或者地表的低溫水匯入溫泉含水層，加快了水化學(xué)反應(yīng)，并在海拔相對較低的泉點流出地面。

2．2溫泉和深井氣體組分和同位素

活動斷裂帶地區(qū)的溫泉、深井氣體同位素比值（3He／4He、21Ne／22Ne、4He／20Ne、40Ar／36Ar）與組分濃度（He、H2、CH4、Ne、Ar和N2）及其比值（He／Ar、N2／Ar、CH4／Ar）均在地震前后或當(dāng)時出現(xiàn)明顯異常。

氡氣一般在地震前30天開始出現(xiàn)異常，并且離地震發(fā)生時間越接近異常數(shù)目越多；地震震級越大，異常開始越早，持續(xù)時間越長。汶川MS8．0地震后，許多學(xué)者研究了震前和震后水位、水溫、水氡和溫泉氣體組份等大量溫泉地球化學(xué)異常，發(fā)現(xiàn)地震時，在川西鮮水河斷裂帶和岷江斷裂帶，含大量He和CO2的幔源流體涌入地殼，與殼源流體混合，使溫泉氣體中3He／4He和δ13C值大幅度上升。在康定地區(qū)R／Ra（Ra為大氣的3He／4He）最高達到5．3Ra，幔源氦的貢獻率最高達到44．1％。隨著時間推移，幔源流體供給逐漸減少，殼源流體中放射成因He和有機成因CO2在溫泉氣體中相對含量增大，3He／4He（Ra）值、δ13C值逐漸減小。兩年后大部分溫泉恢復(fù)到地震前地下流體的平衡狀態(tài)。對意大利和日本一些地震區(qū)溫泉氣體的研究發(fā)現(xiàn)來自地幔儲存在震源區(qū)的高壓CO2氣體對地震的孕育和發(fā)生以及余震的發(fā)生起到重要作用。

3土壤氣體地球化學(xué)

3．1氣體組分濃度

土壤氣He、Rn和CO2濃度異常是尋找地震活動斷裂帶非常有效的方法。活動斷裂帶土壤氣體（He、Rn、Hg、CH4和CO2等）對地震的響應(yīng)性十分敏感。通過總結(jié)已有的土壤氣地震前兆異常資料發(fā)現(xiàn)，地震震級越大土壤氣地震前兆異常幅度越大，離震中距離越近異常數(shù)目也越多。臺灣新城斷裂土壤氣Rn和CO2監(jiān)測到大量明顯的地震前兆異常。土壤氣中He、H2、CO2、Rn濃度和N2／O2值在汶川地震陡坎附近有明顯高值異常。土壤氣中He和H2的濃度異常幅度隨著余震強度的衰減而降低。在三次測量中，土壤氣中的He和H2的最大濃度（40和279．4×10－6，V／V）都出現(xiàn)在靠近震中地段。因此地震破裂帶土壤氣中He、H2、CO2、Rn和Hg的濃度異常可能與余震活動和區(qū)域應(yīng)力場變化有關(guān)。

3．2氣體組分通量

地震活動斷裂帶土壤氣體CO2和Rn異常濃度和通量可以很好地反映地震活動斷裂帶的活動情況。它既可以直接產(chǎn)生大量的熱動力變質(zhì)成因CO2，又可以作為通道釋放來自下地殼甚至上地幔的CO2組分。在地球深部生成的眾多流體組分中，CO2是最有可能大量遷移至地表，并在地表某點集中釋放的氣體之一。在海原斷裂東南段破裂帶中部的蔡祥堡，土壤氣中Rn濃度最高達38．3kBq／m3，其通量最高達到828．6mBq／m2s。意大利中部的Fucino山間盆地，土壤氣中Rn的通量在非斷層地區(qū)一般是10mBq／m2s，在斷層區(qū)一般在45mBq／m2s以上，最高可達到120mBq／m2s［64］。尼泊爾中部喜馬拉雅山前麓的逆沖斷裂區(qū)，土壤氣體中CO2和Rn通量有很好的正相關(guān)關(guān)系，CO2通量最高達到19000g／m2d，這與活火山地區(qū)CO2通量相當(dāng)；Rn通量最高達2Bq／m2s，也是極高的。

結(jié)語

綜上所述，可得出如下幾點認識和建議：

（1）在地震地球化學(xué)研究過程中，同位素地球化學(xué)的作用越來越重要；

（2）深部流體對地震孕育和發(fā)生起到非常重要的作用，在以后地震地球化學(xué)研究中應(yīng)進一步采用新技術(shù)；

（3）地震活動斷裂帶氣體地球化學(xué)場變化與地應(yīng)力場反映非常敏感，因此，氣體地球化學(xué)場和應(yīng)力場的耦合問題將是重點研究的問題。