汶川大地震“远端效应”——龙泉驿地热异常成因探讨

程 建 王多义 李得力 庞河清 王帅成 李 军

(成都理工大学 a.能源学院,b.沉积地质研究院,c.信息工程学院,成都 610059)

2008年10月7日成都市龙泉驿区同安镇某居民临街铺面约3～4m2范围内的水泥地面突然发热。住户敲碎约20 cm厚的水泥地板观察,除了泥土被加热而散发出淡淡的泥土味并未发现其它异常。测试土壤温度98℃。10天后,即10月17日笔者再次测量,温度为89℃。其后住户向土壤中加入大量的水,还原了水泥封盖。半个月后(10月25日)再次敲开水泥地面测量,仍有46℃。高温持续一个多月后逐渐变冷消失。对于此土壤高温现象一些人感到不解,甚至恐慌,对其成因也众说纷纭。有人认为地下某种物质在燃烧,也有人认为是地下电缆漏电。对于上述说法笔者均不敢苟同。理由如下:(1)同安镇电力部门称该区域没有埋设电缆,也没有发现用电异常。2008年10月17日,有关部门切断了该区域所有供电10 h,该处地温也未见下降。(2)此处高温是突然出现的,先维持在较高温度(98℃)然后平稳下降。如果是燃烧加热或电热加热,温度都应该是持续上升。同时,在水泥密封的地下深处缺乏如氧气、明火等燃烧条件;也没有任何燃烧的迹象,如燃烧通常产生的烟、气、声等。

作者利用遥感地质解译和土壤氡气测量等技术方法进行勘查,结合区域地质情况和汶川大地震及其余震综合分析,认为这是地震地热异常的“远端效应”,主要与汶川大地震及其余震、龙泉山断裂的活动性,和当地的特殊地质条件有关的地热异常现象。

1 研究区遥感地质解译

地热异常点发育在龙泉山大背斜中段西侧的龙泉驿断层附近。龙泉驿断层走向北东,倾向南东,倾角35°～70°,全长 120 km,是本区起控制作用的主要断裂。邓起东(1994)、黄祖智(1995)、徐水森(2006)等认为龙泉驿断层在早更新世有明显活动,在中、晚更新世有微弱活动,具有明显的分段特征[1,2]。

笔者对龙泉驿同安镇地区的ETM遥感图像(图1)进行地质解译,发现在龙泉驿断层两侧还发育了一些次级断层(图2中F1～F7)。F1,F2,F3走向近南北,规模比较小。F4断层近南北走向,与龙泉驿断层小角度斜交。F5与F6大致平行,走向北东-南西,成组出现,斜切龙泉驿断层。F7走向北西-南东,与龙泉驿断层大角度相交。地热异常点处于F1和F5断层与龙泉驿断层的交汇处。

图1 成都市龙泉驿区同安镇地区ETM遥感图像Fig.1 ETM remote sensing image of the Tongan town,Longquanyi,Chengdu

图2 同安镇地区遥感地质解译图Fig.2 Geological remote sensing image of the Tongan town

龙泉驿断层及次级断层线性影像清晰,横穿山脊、沟谷,直线延伸,在成都第四纪覆盖物上仍可见线性影像;断层三角面和断层崖沿断线发育;影纹、色调带界面清晰。这些地貌标志表明龙泉驿断层第四纪以来的活动性[3～5]。

2 土壤氡气测试

2008年10月25日,笔者在研究区内选取了3个土壤氡气测点埋设探杯(α杯)。探杯P1埋在地热异常点上,P2在P1北东35°方向15m远处,P3在P2正东方向15 m远处。探杯埋深均为30 cm。2 h后(一般埋杯时间应为4 h,由于时间关系缩短为2 h)采用KZ-DO2型α杯测氡仪测量,测得3个探杯的CMP(每分钟计数)是:P1:1145;P2:738;P3:544。

氡气是地质体中放射性元素U和Ra等衰变产生的,其浓度表示在地下孔隙中的富集程度[6]。由于氡气是惰性气体,向上垂直运移能力很强,可以通过断层和破碎带从地下深处向地表运移,所以氡可以提供地下深部的信息,对断裂和裂隙的反应很灵敏。在同一条断层上,近期活动的地段氡的浓度相对较高。据此可以推测断层破碎带及其活动性[7,8]。

本次土壤氡气测量的三个测点氡值都是高异常。如果埋杯时间达到4 h的话,土壤氡CMP可能会超过2 000,甚至更高。如此之高的氡CMP,表明该处地下基岩中存在断层,该断层具有活动性。正因为该断层的活动,使得地下的氡气大量释出。

3 地电异常

2008年10月17日,在同安镇地热异常点土壤中进行了地电测试,测得电压为24 V。有人怀疑是电缆漏电,但是电缆漏电的电压应该远远高于24 V。如果不是电缆漏电,那就只能是地电;可是大地电场一般都是毫伏级的,至今还没有发现如此之高的大地电场值。大地电场与地震存在相关性,被认为是一种可靠的短临地震前兆信息[9]。2008年10月17日,就在测试地热异常点土壤电压的当天,在龙泉山断裂带上的中江、简阳两地发生2.5级和2.1级地震。龙泉驿同安镇的土壤中的异常电压是否与这两次地震有关值得进一步深入探讨。

4 地热异常成因分析

地热的来源,从全球意义上讲是重力分异和岩石放射性元素衰变产生的热[10]。从局部意义上讲,断裂活动产生的构造变形通常是地热异常的诱发动力[11～13]。断裂活动和岩块的摩擦引起的构造热才对地热起着控制作用。当断面上的摩擦力和剪切应力都是100 MPa的数量级时,即使错动1mm的幅度,也能使断面达到熔化的程度[11]。

深大断裂的剧烈活动引起强烈构造地震,往往还会引发与地震相伴生的地热异常。这种地热异常一般出现在与震中有一段距离的远端且与发震断裂有一定联系的断裂带上。许多地震都产生过这种地热异常:1975年辽宁海城7.3级地震时,30 km外的鞍山、营口等地曾记录大幅度的夜间增温(13～16℃);1976年四川松潘7.2级地震时,在170 km外的江油至都江堰之间,沿龙门山断裂带多处喷出高达120℃的热气;1976年云南龙陵7.6级地震时,13 km外的巴拿掌温泉水温由80℃上升到91℃(震后10 d恢复正常)[11]。笔者将这种出现在与震中有一段距离与发震断裂有一定联系的断裂带上的地热异常称为地震地热异常的“远端效应”。5.12汶川大地震后,在发震断裂映秀-北川断裂北段的青川县发现了低温地热,可见蒸汽升高达2～3m,地表蒸汽的温度约45℃(李勇,邓斌,2009)。除此之外还没有发现与汶川大地震有关的其他地热异常。距汶川地震震中的50 km的龙泉山断裂带上发现的地热异常,可能是该地震地热异常“远端效应”的典型例证。

龙泉山断裂带构造上属于龙门山逆冲推覆造山带前缘第四纪前陆盆地的前陆隆起(图3)。晚白垩世-新近纪由于青藏高原向东挤压,以及扬子地块的阻挡,造就了龙门山褶皱逆冲断层及与其伴生的四川前陆盆地(张家声等,2004)。前陆盆地中的中三叠统以上岩层沿中三叠统底部的滑脱层(图3中部虚线所示)向东逆冲、反冲,形成了龙泉山断层传播褶皱[14,15]。发育在龙泉山背斜西侧的龙泉驿断层为本区的主控断层(图3)。

5.12汶川大地震震动了全中国甚至亚洲,必然使川西前陆盆地中的岩体震动;而中三叠统底部滑脱层上、下岩体的震动很可能不一致,甚至上部岩体向东错动,岩块间会产生摩擦,其机械能绝大部分都可能转化成了热能。同时,中三叠统底部埋深超过6 km,按地温梯度20℃/km计算,其中流体的温度也可能达140℃以上。由于上覆盖层的阻隔,热流主要沿着滑脱层向龙泉山断裂带传递。如前所述,龙泉驿断层是活动性断层,且由于在同安镇地段被规模较大的次级断层切割错动(图2中F4-F7)而由阻滞封闭变得局部开启,热流就可以通过断层破碎带从深部向上迅速传递至近地表。

图3 龙门山推覆构造带及龙泉山背斜构造示意剖面图Fig.3 Cross section through the nappy structuralbelts of the Longmenshan to the Longquanshan anticline

龙泉驿地热异常在地表的出露形式不是大面积的地温升高,而是高温呈点状分布。这与当地特殊地质条件有关。地热异常点4～5 m2范围内的土壤是新填的块状土(该处以前有一深坑),土质很疏松,而它周围土壤胶结比较紧密。小范围的这种土壤疏松形态起到了类似“导热管”的作用(图4)。从深部传至近地表的地热流就可能通过“导热管”集中向上传送至地表形成点状地热异常。而在周围土壤胶结致密的区域热流则难于逸出地表,所以没有出现大范围的地温异常带。汶川大地震的地热异常“远端效应”就这样形成了。

图4 地热流近地表传导示意图Fig.4 Geothermal conduct through near-surface

地热是地震应力释放的一种表现,是地震引起的构造活动的产物,并非是由于龙泉山断裂的活动引起的能量聚集。同时,龙泉驿断层虽然有一定活动性,但是龙泉驿断层切割比较浅,不具备孕育强地震的能力,因此不会发生较大的破坏性地震。

5 结论和建议

a.龙泉驿同安镇地热异常的主导因素是汶川大地震引发的构造热产生的“远端效应”。其形成与汶川大地震中川西前陆盆地中的岩块沿中三叠统下部滑脱层错动、龙泉驿断层的活动性和当地特殊的地质条件有关。

b.龙泉驿断层切割比较浅,不具备孕育强地震的能力,不会发生较大的破坏性地震。

c.重要工程设施要避开龙泉驿断层,不要建在该断层带上。

d.龙泉驿地区可能有丰富的地热资源,建议加强勘查研究,开发地热资源。

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