水文学杂志： 青藏高原东缘活动断裂带水热脱气对地震活动的指示意义

      新生代以来，印度板块和亚洲大陆的巨烈碰撞奠定了现今地球上最活跃的构造区之一，青藏高原。这片神秘的高原及其东缘的玉树-甘孜-鲜水河断裂体系与龙门山断裂带等大型活动构造断裂一直是地震活动的高发区，成为现代地质学举世瞩目的重要研究目标。近年来，由天津大学地球系统科学学院徐胜教授领导的研究团队联合日本东京大学大气海洋研究所、中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心、成都理工大学、中国地质大学（武汉）、中国地震局地震预测研究所，以及日本高知大学先进海洋核心研究中心等的科研技术人员，开展了一项系统的地质流体地球化学探索研究，力图揭示青藏高原大陆碰撞带构造脱气与地震活动之间的潜在关系。他们的初步研究结果以题为“Hydrothermal He and CO2 degassing from a Y-shaped active fault system in eastern Tibetan Plateau with implications for seismogenic processes”（青藏高原东部Y型活动断裂体系的热液He和CO2脱气及其地震作用）发表在国际著名期刊《水文学杂志》上，详细报道了青藏高原东部Y-型活动断裂体系中水热氦和二氧化碳的释放规律与气体地球化学特征，深入探讨了其对地震孕育和发震过程的潜在影响。

图1 青藏高原东缘Y型活动断裂带水热气体He同位素与70公里深S-波速度异常空间对应关系

突破性发现：活动断裂带水热脱气现象

      这项研究以青藏高原东缘的玉树-甘孜-鲜水河断裂、安宁河断裂和龙门山断裂为焦点，利用温泉逸出气体的地球化学组成和氦同位素体系，深入研究了大陆碰撞带活动断裂体系的构造脱气现象。结果表明，该地区水热脱气现象极为显著，为深入理解地震成因提供了关键信息。科学家们发现，两大断裂体系呈Y-型的交汇部位发生强烈的幔源和壳源富二氧化碳流体脱气现象，对探索地下深部物质组成及其循环具有重要的科学意义。另一方面，地壳流体主要沿其北西、东北和东南分支断层更为普遍。这些流体中富含二氧化碳，可能由局部地幔熔融和变质脱碳产生。这些研究成果不仅填补了对这一地区构造与地震孕育关系的认知空白，还有望为地震预测提供新的视角。研究团队通过对断裂带温泉气体3He/4He比值与滑移速率的关联性进行了系统分析，发现富二氧化碳流体的上涌可能促进断层的快速滑动，增强断层的渗透率，导致地幔He的快速脱气。这一关联性为深入理解地球内部地质动力学机制提供了新的视角，开辟了未来地震研究的崭新领域。

 图2 青藏高原东缘Y型活动断裂带水热脱气与孕震过程关系模式图

地震触发新案例：2022年泸定Ms 6.8级地震

      结合对流体的来源、运移、二氧化碳通量和区域地震活动性的综合分析，研究团队提出了深部富二氧化碳流体的上涌和滞留可能导致Y-型活动断裂体系在孕震过程中产生超压状态的假设。并且，他们指出2022年泸定Ms 6.8级地震可能是这个假设的一个生动案例，成为流体触发地震的代表性事件。未来，科学家们将继续深入研究这一地区的区域地质、地球物理和地球化学过程，以更加全面、深入地理解地震孕育和活动的地球动力学机制。该研究不仅是科学界对地球深部机制认知的一次重要突破，也凸显了气体地球化学在探索地球奥秘中不可替代的重要作用。对于青藏高原东缘的地震科学研究来讲，迎来了新的认知时代。这一发现将为地震科学的发展提供重要方向，也为地球科学家们深入研究地球深部特征提供更多的谜题和挑战。

氦同位素比值：地震之谜的密钥？

      氦-3与氦-4同位素的比值（3He/4He），在地震预测研究中展现出引人瞩目的巨大潜力。这是因为氦同位素的释放与地球内部物质组成、动力学机制、地壳运动等密切相关，而这些变动可能成为地震的先兆信号。首先，氦同位素的比值反映了地球内部不同深度的物质来源。岩石中的氦-4主要来自放射性衰变，而地幔深部的氦-3则具有不同的起源。地震前，地壳可能经历应力变化，导致深部物质的释放，从而改变氦同位素的比值。

      其次，地震前，地壳中的岩石可能经历地应力变化，将导致氦同位素的释放。氦-3释放的增加可能意味着地下应力的增强，这可能是地震即将发生的前兆。同时，一些研究结果还表明，地震前地下岩石中的气体释放会发生变化，其中包括氦同位素。这些变化很可能与地震前的地下岩石活动有关，因此，通过监测氦同位素比值及其变化规律，可以寻找地震的迹象。此外，不同地区的地下构造和地壳运动情况不同，所以，氦同位素的比值在不同地区可能表现出特定的模式。通过对比不同地区的氦同位素比值特征及其变化，将有利于科学家寻找地震的可能迹象，并进行地震危险性评估和预测。

      总体而言，氦同位素在地震预测中扮演着关键角色，为科学家提供了一种新颖而高效的地震前兆信号。然而，这一领域仍处于初步阶段，需要更为深入的调查研究和综合验证，以确保其可靠性和精确性。随着科学技术的不断进步和综合研究的逐渐深入，氦同位素可能成为未来地震预测系统中的一项有力工具，为社会提供更早、更准确的地震预警，从而减轻地震可能带来的损害。

      天津大学地球系统科学学院博士研究生刘伟为该论文第一作者，徐胜教授和张茂亮副教授为通讯作者。其它作者有：陈碧莹、刘燚、曹春辉、胥旺、郑国东、周晓成、郎赟超、佐野有司。该成果得到了国家自然科学基金项目(41930642)、国家重点研发项目(2020YFA0607700)和中国地震实验场项目(2019CSES0104)等联合资助。样品分析由中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究院地球化学分析分析测试中心气体同位素实验室完成。

      原文信息：

      Liu, W., Zhang, M., Chen, B., Liu, Y., Cao, C., Xu, W., Zheng, G., Zhou, X., Lang, Y.-C., Sano, Y., & Xu, S. (2023). Hydrothermal He and CO2 degassing from a Y-shaped active fault system in eastern Tibetan Plateau with implications for seismogenic processes. Journal of Hydrology, 620(B), 129482. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.129482