流體地球化學—地震的“血液檢驗”

地震预测研究所(李  营,陈  志)

 

流體地球化學是地質學與地球化學交叉形成的一門新興學科,主要研究地球內部流體中元素(同位素)的分配和遷移、分散和富集。近年來,流體地球化學在地震活動觀測和研究工作中發揮著越來越重要的作用,在確定地下物質來源、能量傳輸和地下條件等問題中發揮著不可替代的作用。

1.流體地球化學的映震屬性

地球是一個富含流體的星球,其內部的流體總量大于地表江河湖海所有水體的總量,地球中的流體如同人體內的血液,是地球內部構造活動演化的能量之源(圖1)。大量賦存于地球深部的流體在其形成與運移過程中,常因遭受地球內部劇烈的地球化學事件而發生極爲複雜的化學變化,並在其化學特征方面保留相應信息。因此,地質作用釋放流體的化學特征成爲深刻了解地球內部物理、化學過程的重要信息源。深大活動斷裂帶既是地震集中發生的重要地帶,又因其裂隙發育、流體運移相對通暢而成爲地球內部各圈層氣體集中脫氣的重要地帶。由此,活動構造帶流體地球化學是區域構造活動分析和地震預測的靈敏指示劑。

 

图1 地球内部的流体

2.流體地球化學地震觀測研究進展

上世紀70年代以來,流體地球化學分析、觀測技術的飛速發展,給構造地球化學學科帶來了新的機遇和挑戰,世界上的多震國家對構造地球化學觀測和研究極爲重視。在全世界地震工作者的共同努力下,流體地球化學觀測和研究的廣度和深度均在不斷增加。國際上大量的構造地球化學觀測和研究表明,活動斷裂帶流體地球化學異常與構造及地震活動在時空上存在密切的內在聯系。

 

图2 台湾地区构造地球化学观测及震例(Fu et al., 2017)


相比國外同行,我國雖然在構造地球化學領域起步較晚,但是我國在構造地球化學觀測和研究方面,具有規模大、成果卓越的顯著優勢。比如,我國台灣在構造帶流體地球化學方面就走在了世界的前沿,已建立完善的構造地球化學觀測體系,並基于觀測結果,在台灣近幾年的幾次中強地震前提出了有效預測意見(圖2)。在我國大陸地區,中國地震局地震預測研究所及相關單位已在大型活動斷裂帶建立了多處構造地球化學觀測體系,通過深井、近地表和衛星高光譜多尺度地球化學立體觀測(圖3),在構造地球化學異常成因機理和構造地球化學地震預測模型方面産出了大量的創新型研究成果。涉及的區域已基本覆蓋大陸地震重點危險區,相關成果在大陸地震趨勢研判及地震監視方案部署工作中發揮著舉足輕重的作用(圖4)。

 

图3 我国大陆地区多尺度构造地球化学立体观测体系示意图

 

 

图4 中国大陆地区已有地震流体地球化学观测研究覆盖区域

 

3.構造地球化學觀測研究主要方法

3.1深井地球化學觀測研究

目前我國的深井構造地球化學觀測研究的主要對象爲溫泉,已有觀測和研究的區域覆蓋了川滇、天山、華北、東北和鄂爾多斯西緣等地區(圖5)。主要通過野外流動采樣的方式周期性采集溫泉點的氣樣和水樣(圖6),經室內分析測試獲取溫泉點的元素地球化學和同位素地球化學觀測值,並分析計算地震重點危險區活動斷裂帶不同段流體的深部物質來源及其貢獻率,評估活動斷裂帶不同段斷裂的切割深度及閉鎖程度,捕捉活動斷裂帶深部流體地球化學地震前兆信息,探究深部流體在地震孕育和發生過程中的關鍵作用,並建立模型(圖7)。

 

图5 我国大陆地区深井观测覆盖区域

 

 

图6 西藏地区温泉样品采集

 

 

图7 深部流体在地震孕育中的作用模型图


3.2淺層土壤氣體地球化學觀測研究

土壤氣體地球化學觀測主要對象爲活動斷裂帶敏感區段的土壤逸出氣體的通量、元素地球化學及同位素地球化學時空變化特征。我國大陸現有土壤氣體地球化學觀測區域基本已經覆蓋大陸重點地震危險區(圖8)。經過長達10余年的野外觀測實踐及積累,我國在土壤氣體地球化學觀測領域已取得了長足進展,形成了系統的野外跨斷裂流動觀測-固定井流動采樣-連續站在線實時觀測相結合的監測模式,可以實現有針對性的、主動的、密集的、多元化的綜合觀測(圖9)。


 

图8 我国大陆地区土壤气体观测覆盖区域


 

图9 断裂带气体地球化学多元化综合观测

a:野外跨斷裂流動觀測;b:固定井流動采樣;

c:固定井流動觀測;d:連續站在線實時觀測


首先,通過密集野外流動觀測和樣品采集測試,全面獲取研究區深部物質貢獻、氣體地球化學場及其時空演化背景資料(圖10),綜合研究區區域地球物理、構造地質及氣象學等相關成果,深入剖析活動斷裂帶氣體地球化學異常成因機理(圖11),給出觀測區域未來的地震重點危險區段,並建立地震危險區段地震監測方法及指標體系,爲下一步連續站建設及跟蹤觀測提供科技支撐(圖12)。

 

圖10華北地區土壤氣體地球化學背景場特征

 

 

图11 活动断裂带气体地球化学异常成因机理


 

图12 川滇实验场区土壤气体连续观测站时序

 

3.3衛星高光譜氣體地球化學觀測和研究

衛星高光譜遙感技術爲最近幾年形成的特色地震氣體地球化學觀測工作。開展衛星高光譜氣體地球化學觀測和研究,充分發揮遙感不受地面條件限制的優勢,爲地震監測預報提供了新的監測方法和指標,豐富了地震前兆信息研究的參數。利用衛星高光譜數據分析汶川和蘆山地震前後CH4和CO總量的時空變化特征發現,汶川和蘆山地震前後,大量的CH4和CO氣體沿龍門山斷裂帶由地球內部釋放到大氣中。時間上,汶川地震時,CH4和CO異常出現在臨震及震後,而蘆山地震時,異常出現在震前3個月;空間上,異常沿龍門山斷裂帶展布,最大值位于應力相對集中的區段:龍門山、鮮水河和則木河交彙處。結果爲地震監測預報和進一步理解地震活動期間岩石圈和大氣圈相互作用提供了重要參考

 

图13  2008年3-6月月平均CH4总量变化(单位: molecules/cm2)