地裂地球化学近况探讨范文

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作者：周晓成杜建国陈志崔月菊刘雷单位：中国地震局地震预测研究所

多尺度计算机模拟

多尺度计算机模拟是研究地震孕育过程的有效手段。地震孕育和发生过程中矿物脱水和熔融反应过程是一个复杂的物理、化学过程，并伴随复杂的物理结构相变和化学相变，因而必须在原子水平用量子力学方法进行研究。密度泛函理论的主流程序包，如基于平面波赝势法的ViennaAbInitioSimu－lationPackage（VASP）和Car－ParrinelloMolecularDynamics（CPMD），以其在相变和流体体系计算方面的优势，近几年在水、液态硝基甲烷、液态甲醇的物理化学性质研究方面取得了很好的成果。第一性原理方法广泛应用于相对较大和较复杂地球矿物结构体系，极大促进了深部地球科学研究，如利用第一性原理研究橄榄石的晶体结构高温高压特性和含水结构，同时还通过对弹性性质模拟定量研究了410km地震不连续带特征。Liu等利用第一性原理CASTEP程序和准简谐Debye模型计算镁橄榄石的高温高压晶体结构特征、高压弹性、波速、电性和相变等性质，研究发现水的存在会使镁橄榄石的弹性及波速都降低，3．2％的水在0～14GPa的范围，使Vp和Vs速度分别降低了3．1％～7．1％和3．6％～9．7％；而1．6％的水使Vp和Vs速度分别降低了2．4％～4．1％和3．3％～6．6％。橄榄石是上地幔最主要的矿物组分，水使镁橄榄石波速降低可能是上地幔低速层的成因。利用热力学、分子动力学和量子化学计算方法研究天然矿物和地质流体，能够从微观角度了解地震成因机制和低速层的形成演化。

火山区流体地球化学与地震关系

1火山区温泉和深井地球化学

火山区温泉主要是火山余热型温泉。Nishio等测定得到了日本Ontake火山附近温泉和深井水样品中7Li／6Li和87Sr／86Sr比值，很好的解释了水的两种来源：地表大气降水和非地表来源的水。基于Cl／Li和Cl／Sr比值，可以挑选出受大气降水污染较少的含Li和Sr同位素水样。通过日本On－take火山水样的Li和Sr同位素研究表明研究区地震群与流体的联系主要在下地壳。火山区气体的释放与地下地质构造、物质成分等火山地质条件密切相关，因此，火山区温泉地下逸出气体是反应地下信息最好的载体，能反应地球深部信息，并与火山地区地震活动强度有直接联系。火山区岩浆来源气体的最主要成分都是CO2，通常占80％以上，最高含量甚至达99％以上；其它气体组分有N2、Ar、O2、CH4、He、H2、H2S、SO2、CO、Rn气等。常规气体组分CO2、N2、O2和Ar。岩浆来源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均为指示火山区深部岩浆活动的敏感参数，可作为现阶段判断区内火山喷发活动和地震活动危险的重要指标。

中国休眠火山区岩浆来源气体的主要成分是CO2，占80％～99％；此外，还有CH4、He、H2、N2、Ar、O2、H2S、SO2、CO等气体，其中CH4和He是除CO2以外最值得重视的直接来自地幔岩浆体的气体组分。He同位素组成（3He／4He）是休眠火山区最可靠的幔源物质的指示性参数。岩浆来源的CO2和CH4也具有区别于浅源气体的稳定同位素组成（δ13C值）。长白山火山区近期CO2和CH4的碳同位素分馏监测结果显示，2002年汪清7．2级深震虽然可能引发了深部岩浆的局部扰动，但可能没有产生大量持续不断的上地幔岩浆物质流的上升迁移。长白山长白聚龙泉群逸出的He中3He／4He比值2003年上升缓慢，但在2004年逸出的He中幔源He含量明显增加。

2002～2004年，天池火山区逸出气体及其He同位素异常变化与该区地震活动有一定对应关系，其中锦江泉群在2004年下半年地震活动趋势减弱后，He同位素异常明显减弱；而长白聚龙泉群在地震活动减弱后，He同位素异常反而明显增加，表明热储型泉群岩浆来源气体异常释放明显滞后于深大断裂型温泉点。腾冲热海地热田温泉中的CO2、CH4、HCO－3、CO2－3和泉华的δ13C值范围分别是－7．6‰～1．18‰、－56．9‰～－19．48‰、－6．7‰～－4．2‰、－6．4‰～－4．2‰和－27．1‰～0．6‰，可以推断CO2主要来自幔源或岩浆，而CH4有多种来源，温泉水中的HCO－3、CO2－3主要来自火山CO2。热储温度一般为250～300℃。腾冲热海近期区内水热流体活动异常强烈，区内几乎所有95℃以上的沸泉、喷沸泉以及1993年以来发生的20余次水热爆炸点均沿西南方向断裂分布，显示该断裂目前处于强烈活动之中［24］。腾冲、长白山（不包括天池火山口内湖滨）火山区岩浆来源气体中甲烷δ13C值的变化范围与国际上地热区甲烷大致相同，平均值分别为－19．0‰和－32．6‰；五大连池火山区与天池火山口内湖滨强气体释放带逸出甲烷的δ13C值较低，平均分别为－45．8‰和－47．9‰，类似于东非裂谷带基伍湖（Kivu）的甲烷。这些低δ13C值甲烷可能直接来自上地幔；岩浆来源甲烷在火山喷发过程中的动力学分馏导致其δ13C值的降低，岩浆源区越深，其δ13C值越低［25］。

2火山区土壤气体地球化学

在过去的几十年，在火山地区一直用土壤气中CO2脱气来辨别火山地区的脱气构造，估计火山系统的排放量可能作为地震构造和火山活动的标志，因为火山区土壤气中CO2通量增加与地震活动增强有较好的关系［27］。意大利Stromboli火山2007年爆发前不久，土壤气中CO2通量大幅度增加，在熔岩流出时达到最大值90000g／m2•d，δ13C值也有明显增大，最高达1．8‰，3He／4He比值也大幅度增加，最高达4．6Ra［28］，同时岩浆的喷发速率与土壤气氡的脱气速率呈正相关，这意味着岩浆房体积和气体运移可能与触发地震的火山的动态反应有一定联系［29］。菲律宾中部塔奥火山，从1993年6月至1996年11月对土壤气氡的连续监测表明，1994年11月15日，离火山48km的地方发生MS7．1级地震，地震前22天土壤气氡有明显增加，增加幅度是背景值的6倍［30］。

3泥火山地球化学变化与地震的关系

泥火山与地震都是区域构造应力集中的结果，因此，泥火山大多分布于地震活动带，且与地震活动关系密切［31～34］。在地震孕育、发展和发生过程中，区域构造应力不断增强，封闭构造中的岩石孔隙压力逐渐增大，当压力达到泥火山喷发条件时，大量矿化水、泥、气体顺着断裂涌出，泥火山喷发；地震发生后，区域应力降低，泥火山恢复平静。印度尼西亚瓜哇LUSI泥火山在地震前，喷出泥浆的体积由120km3／d急剧上升至180km3／d，CO2浓度也由9．9％上升至74．3％。印度洋北部安达曼群岛泥火山气体主要组分是甲烷，浓度是55．7％，其它气体有N2（32．2％）、O2＋Ar（9．9％）、CO2（2．0％）和He（0．2％）。此外，222Rn的浓度（7500Bq／m3）也是较高的，在地震前后有明显的异常。在意大利亚平宁山脉北部接近皮耶韦－圣斯特凡诺的泥火山主要释放富集CO2的流体，2001年11月6日地震活动前后，在泥火山的一些排气口震前由排气为主转变为震后喷出泥浆为主，延断裂横切面发生的地震主要是水压致裂引起。

高光谱地球化学地震监测研究

高光谱遥感作为一种新的遥感探测手段，其光谱通道数多且连续，光谱分辨率高，信息量大，综合了地面目标的空间维、时间维、光谱维等特征，具有“图谱合一”的特点，可实现遥感信息的定量化分析。而且，高光谱遥感数据包含了大气中的温度、湿度和气体（H2O、O3、CO、CH4、CO2等）变化等信息，可以监测与地震有关的气体异常。利用高光谱遥感数据监测与地震有关的气体前兆异常与传统的定点取样检测法相比，具有取样简单、可实时远距离获得气体三维数据、组分分析快速等优点。2001年1月26日，印度GujaratMS7．8地震前，卫星遥感数据显示CO含量有异常，且该异常与热红外异常相吻合。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异常增高的现象，Gujarat地震还引起O3浓度和大气气溶胶异常变化。

主要地震活动断裂带流体地球化学监测与地震关系

1深钻流体地球化学的地震监测

深钻流体地球化学监测发现，气体中He、Ar、N2、Rn、Hg的浓度有许多前兆和同震异常。汶川地震破裂带深钻气体测量表明，气体异常一般在余震前数天出现，并在震后持续多天，不同气体组分所呈现的异常规律不同，且异常数量随着震中距的增加而明显减少。其中，He、CH4和CO2浓度变化的映震能力相对于Ar、N2、O2组分浓度变化较明显，其He／Ar和N2／O2比值多为正异常，Ar／N2和O2／Ar则表现出相反状态，表明地壳流体的活动与地震活动实际上是伴生关系［48］。在圣安德烈斯断裂深钻2117～3196m处，3He／4He值为0．35～0．46，在3194～3301m处，3He／4He值变化比较大，范围在0．22～0．88，3He／4He值不断增大表明有来自地幔连续的流体供给。

2温泉和深井流体地球化学

2．1温泉和深井离子组分

活动构造对地震、地下热水和微量元素的高值区具有控制作用，在空间分布上具有较明显的一致性；高中温热水区（尤其是高中温热泉密集带）常常是地震活动的强烈区，但强震区不一定有高中温热泉密集。汶川地震前后，重庆北温泉水量及水化学均有较大变化，震后水温下降1℃，K＋、Na＋、Ca2＋浓度减少，Mg2＋浓度增大；Fe2＋、Mn2＋浓度于地震当日成倍增长，随后逐渐降低，7月4日的浓度与5月1日相当；SO2－4浓度增高后逐渐降低，F－浓度减小。这是因为汶川地震强烈影响导致冷水下渗作用，海拔相对较高而温度较低的温泉水改道，并有其它来自裂隙或者地表的低温水汇入温泉含水层，加快了水化学反应，并在海拔相对较低的泉点流出地面。

2．2温泉和深井气体组分和同位素

活动断裂带地区的温泉、深井气体同位素比值（3He／4He、21Ne／22Ne、4He／20Ne、40Ar／36Ar）与组分浓度（He、H2、CH4、Ne、Ar和N2）及其比值（He／Ar、N2／Ar、CH4／Ar）均在地震前后或当时出现明显异常。

氡气一般在地震前30天开始出现异常，并且离地震发生时间越接近异常数目越多；地震震级越大，异常开始越早，持续时间越长。汶川MS8．0地震后，许多学者研究了震前和震后水位、水温、水氡和温泉气体组份等大量温泉地球化学异常，发现地震时，在川西鲜水河断裂带和岷江断裂带，含大量He和CO2的幔源流体涌入地壳，与壳源流体混合，使温泉气体中3He／4He和δ13C值大幅度上升。在康定地区R／Ra（Ra为大气的3He／4He）最高达到5．3Ra，幔源氦的贡献率最高达到44．1％。随着时间推移，幔源流体供给逐渐减少，壳源流体中放射成因He和有机成因CO2在温泉气体中相对含量增大，3He／4He（Ra）值、δ13C值逐渐减小。两年后大部分温泉恢复到地震前地下流体的平衡状态。对意大利和日本一些地震区温泉气体的研究发现来自地幔储存在震源区的高压CO2气体对地震的孕育和发生以及余震的发生起到重要作用。

3土壤气体地球化学

3．1气体组分浓度

土壤气He、Rn和CO2浓度异常是寻找地震活动断裂带非常有效的方法。活动断裂带土壤气体（He、Rn、Hg、CH4和CO2等）对地震的响应性十分敏感。通过总结已有的土壤气地震前兆异常资料发现，地震震级越大土壤气地震前兆异常幅度越大，离震中距离越近异常数目也越多。台湾新城断裂土壤气Rn和CO2监测到大量明显的地震前兆异常。土壤气中He、H2、CO2、Rn浓度和N2／O2值在汶川地震陡坎附近有明显高值异常。土壤气中He和H2的浓度异常幅度随着余震强度的衰减而降低。在三次测量中，土壤气中的He和H2的最大浓度（40和279．4×10－6，V／V）都出现在靠近震中地段。因此地震破裂带土壤气中He、H2、CO2、Rn和Hg的浓度异常可能与余震活动和区域应力场变化有关。

3．2气体组分通量

地震活动断裂带土壤气体CO2和Rn异常浓度和通量可以很好地反映地震活动断裂带的活动情况。它既可以直接产生大量的热动力变质成因CO2，又可以作为通道释放来自下地壳甚至上地幔的CO2组分。在地球深部生成的众多流体组分中，CO2是最有可能大量迁移至地表，并在地表某点集中释放的气体之一。在海原断裂东南段破裂带中部的蔡祥堡，土壤气中Rn浓度最高达38．3kBq／m3，其通量最高达到828．6mBq／m2s。意大利中部的Fucino山间盆地，土壤气中Rn的通量在非断层地区一般是10mBq／m2s，在断层区一般在45mBq／m2s以上，最高可达到120mBq／m2s［64］。尼泊尔中部喜马拉雅山前麓的逆冲断裂区，土壤气体中CO2和Rn通量有很好的正相关关系，CO2通量最高达到19000g／m2d，这与活火山地区CO2通量相当；Rn通量最高达2Bq／m2s，也是极高的。

结语

综上所述，可得出如下几点认识和建议：

（1）在地震地球化学研究过程中，同位素地球化学的作用越来越重要；

（2）深部流体对地震孕育和发生起到非常重要的作用，在以后地震地球化学研究中应进一步采用新技术；

（3）地震活动断裂带气体地球化学场变化与地应力场反映非常敏感，因此，气体地球化学场和应力场的耦合问题将是重点研究的问题。