邢臺地區(qū)隱伏斷裂地球化學探測1

馮 軍 李紅光 吳 濤 玄 月 李偉華

1）中國地震應急搜救中心，北京 100049

2）北京吉奧星地震工程勘測研究院，北京 100049

邢臺地區(qū)隱伏斷裂地球化學探測1

馮 軍1，2）李紅光1，2）吳 濤1，2）玄 月1，2）李偉華1，2）

1）中國地震應急搜救中心，北京 100049

2）北京吉奧星地震工程勘測研究院，北京 100049

本文利用土壤氣氡方法對邢臺地區(qū)5條隱伏斷裂的重點地段進行了12個剖面的定位探測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，斷裂帶中地球脫氣現(xiàn)象十分強烈，而遠離斷裂地球脫氣則迅速減弱。在12個測量剖面中，A級異常點（段）有 9個。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和對比分析，在排除可能的干擾因素的基礎上，應用氣氡異常給出了5條目標隱伏斷裂在地面延伸的較精確的位置。

邢臺 隱伏斷裂 土壤氣氡 探測

引言

邢臺市位于河北省南部，為地級市，轄2個縣級市、15個縣和2個區(qū)，總面積12486km2，總?cè)丝?70萬，其中市區(qū)人口54.6萬。隨著國民經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展和國際合作交流的廣泛深入，邢臺市的綜合開發(fā)和大型工程項目建設對本區(qū)地質(zhì)環(huán)境的研究提出了新的和更高的要求。城市地震小區(qū)劃、工程場地地震安全性評價、震害評估與預測、環(huán)境污染與防治、水資源的開發(fā)和利用以及礦產(chǎn)開采等工作的深入開展，也亟待查明邢臺地區(qū)斷裂構(gòu)造的分布和活動特征。由于邢臺地區(qū)廣泛被第四系沖洪積物所覆蓋，斷裂呈隱伏狀態(tài)，在地面上難以觀察到。規(guī)模較大的邢東斷裂及會寧東斷裂帶從邢臺市區(qū)穿過，邢臺市西南部的紫山西斷裂及東部任縣隱伏斷裂對市區(qū)可能存在較大的影響；隆堯斷裂在隆堯附近橫切太行山山前斷裂，在斷裂附近曾發(fā)生過中強地震，它是區(qū)內(nèi)的1條重要斷裂。但目前對這些隱伏斷裂的展布位置、幾何學和運動學性質(zhì)尚不清楚。

本文采用地球化學探測方法，對土壤中的氣氡含量進行了場地探測，并充分利用地球化學探測方法對活斷層位置確定的優(yōu)勢，確定了隱伏斷裂的異常點和異常段，判斷出了邢臺地區(qū)隱伏斷裂的可能位置，提高了對斷層空間位置展布確定的精度。

1 邢臺地區(qū)地震地質(zhì)背景（圖1）

邢臺地區(qū)的地勢呈西高東低，大致以京廣鐵路為界，東部地區(qū)為山前洪積沖積平原，地勢開闊平坦；西部為侵蝕剝蝕地形，山脈、丘陵、盆地相間，河谷輾轉(zhuǎn)穿越，地表形態(tài)差異很大。區(qū)內(nèi)最高點是太行山中的老崖寨主峰，海拔 1898.7m；最低點是曲周縣五間房村，海拔僅 32.7m。太行山隆起的東部邊緣地帶，新近紀以來一直處于整體隆升為主的構(gòu)造運動中。

圖1 邢臺地區(qū)地震構(gòu)造及化學探測線布設圖Fig. 1 Regional seismo-tectonic map and distribution of chemical survey lines

邢臺市在大地構(gòu)造上隸屬于華北板塊，區(qū)內(nèi)構(gòu)造復雜，與地震活動有關的第四紀活動斷裂比較發(fā)育。區(qū)內(nèi)強震的發(fā)震斷裂主要為晚更新世以來活動的北東-北北東向活動斷裂，而北西向斷裂主要對孕震部位有影響，即北西向斷裂與北東-北北東向斷裂的交匯部位是發(fā)生強震的有利部位（徐錫偉等，2002）。在華北平原斷坳區(qū)內(nèi)，具體的發(fā)震斷裂主要是北東向的正斷裂，而其與北西向斷裂的交匯部位往往是強震發(fā)生的有利位置，其地震強度可達7－8級。區(qū)內(nèi)晚更新世—全新世活動斷裂幾乎都分布在華北平原斷坳區(qū)中，其內(nèi)地震活動強度大、頻次高，為強震區(qū)；而山地隆起區(qū)則以整體抬升為主，內(nèi)部斷裂活動和垂直差異活動不明顯，是弱震區(qū)。邢臺市位于華北地震區(qū)內(nèi)的華北平原地震帶內(nèi)的中南部，地震構(gòu)造背景復雜，活動斷裂比較發(fā)育，是新構(gòu)造活動較強烈的地區(qū)。

2 地球化學探測

2.1 土壤氡氣探測

地球化學探測采用土壤氡氣探測方法。氡是一種放射性的惰性氣體，有3個同位素222Rn、220Rn、219Rn，由于同位素220Rn和219Rn的半衰期較短，所以在活斷層上測量的氡氣為222Rn。222Rn廣泛分布于巖石、土壤、空氣和水中，既易溶于水又可吸附于固體表面（牟保磊，1999；劉菁華等，2006）。

氡氣在一定的壓力差、溫度差、梯度差下，從下向上遷移，在遷移過程中由于所通過的巖層巖性及構(gòu)造環(huán)境不同，在地下可形成不同的氡氣聚集（吳慧山，1995）。當?shù)貧ぶ写嬖诨顒訑鄬印⑻貏e是存在新的活動斷裂時，由于活動斷層的膠結(jié)差和開啟性為氡提供了向地表運移的良好通道，所以地殼深部的氡氣很容易沿活動斷裂逸出地表（許東滿，1991；高清武，1991）。在活動斷裂帶的出露位置及其上盤的土壤中氡氣含量較高，易形成氡異常。通常氡異常的出露部位、異常大小、形態(tài)特征與活動斷層的位置、產(chǎn)狀、規(guī)模、活動性有關，所以可根據(jù)氡異常曲線的位置和形態(tài)，判斷活動斷裂的位置和產(chǎn)狀，并根據(jù)異常帶的寬度和異常峰值，判斷活動斷裂的規(guī)模及相對活動性（鄧啟東等，2003；汪成民，1991）。在華北地區(qū)，利用氣氡進行隱伏斷裂探測已有許多成功的實例（向宏發(fā)等，1994；王廣才等，2002；劉江平等，2004；林元武等，1994），所以本文也采用土壤氣氡探測方法。

2.2 測線布設

活動斷層氣體地球化學探測方法的各項技術(shù)要求，遵照《活動斷層探測方法（DB/T 15-2005）》（中國地震局，2005）關于活斷層探測方法的規(guī)程進行。根據(jù)探測的任務和要求、探測技術(shù)及探測儀器的特點、歷史工作經(jīng)驗等，結(jié)合邢臺地區(qū)地質(zhì)、地貌及城市建筑的實際情況，經(jīng)過綜合分析初步設計了12條測線，總長度約40km（見圖1）。測線測點間距為 20m，當發(fā)現(xiàn)有異常顯示時，異常段則加密布設，間距為 5—10m，采樣深度應不小于30—60cm.

2.3 資料處理及異常判別

大量測試資料表明，對于具有一定規(guī)模的隱伏斷裂，通過測量斷層上方土壤中的氡氣濃度，就可以較為準確地判斷隱伏斷層的分布位置。斷裂帶土壤氡氣異常的基本特征為高值異常。由于各地基巖的放射性元素和射氣性能的差異，斷裂性質(zhì)及破碎帶的寬度不同，巖石、土壤的滲透性能及覆蓋層厚度差異、地表水、地下水以及局部污染物等環(huán)境條件的影響，異常圖像往往是非常復雜的，因此必須根據(jù)實際情況做出具體分析。

本文分別對各測線的氡氣資料進行了統(tǒng)計分析，以求出各測線觀測系列的均值和總體標準偏差，即均方差，取均值和2倍方差之和作為異常判別的下限值（在以下各測線的氡氣曲線圖中用虛線表示），凡超過此值的判定為異常，并指出相應的點位。考慮到破碎帶和第四系覆蓋層較厚的實際情況，若相鄰幾點都為異常，則將其視為1次異常，并以異常最突出者作為異常點的代表。

3 隱伏斷裂異常解釋及推測結(jié)果

3.1 邢東斷裂

3.1.1 大色村測線（XD-3）

該測線起點位于大色村西，測線方向由西向東，目的是為了探測北北東向邢東斷裂在邢臺市以東的位置，測線長度3400m。測線場地為麥田，測量結(jié)果如圖2A所示。根據(jù)數(shù)值統(tǒng)計分析，氡氣含量平均為18.3脈沖/2分鐘，2倍均方差為46.8脈沖/2分鐘，取氡氣含量平均值與2倍方差之和65.1脈沖/2分鐘為異常下限。在圖2A中，位于1300m和2300m處出現(xiàn)2段異常。由于中間1800m處為高速公路，所以可以把這2處異常認為是一個大的異常段，總體異常段寬度大約1000m左右。根據(jù)探測結(jié)果并結(jié)合相關地震地質(zhì)資料，認為此處為邢東斷裂的地球化學異常。

圖2 大色村及東大樹測線氡氣曲線圖Fig. 2 Radon curves of Dase and Dongda villages

3.1.2 東大樹測線（XD-2）

由于此處村莊較密集，所以在此場地測線分為3段，測線方向均為由西向東，目的是為了探測北北東向邢東斷裂的位置，其中測線XD-2-1起點位于洛村南，測線長度1160m。測線場地為麥田，測量結(jié)果如圖2B所示。根據(jù)數(shù)值統(tǒng)計分析，氡氣含量平均為15.8脈沖/2分鐘，2倍均方差為21.6脈沖/2分鐘，取氡氣含量平均值與2倍方差之和37.4脈沖/2分鐘為異常下限。在圖2B中，只有1處異常，總體數(shù)值偏低，異常幅度太小，不能判定為斷裂造成的異常。

測線 XD-2-2起點位于東大樹村南，測線長度 860m。測線場地為麥田，測量結(jié)果如圖 2C所示。根據(jù)數(shù)值統(tǒng)計分析，氡氣含量平均為 14.5脈沖/2分鐘，2倍均方差為17.2脈沖/2分鐘，取氡氣含量平均值與2倍方差之和32脈沖/2分鐘為異常下限。在圖2C中，只有1處異常，最大值為41脈沖/2分鐘，總體數(shù)值偏低，異常幅度太小，不能判定為斷裂造成的異常。

測線XD-2-3起點位于閆家莊村南，測線長度2300m。測線場地為麥田，測量結(jié)果如圖2D所示。根據(jù)數(shù)值統(tǒng)計分析，氡氣含量平均為13.4脈沖/2分鐘，2倍均方差為24.7脈沖/2分鐘，取氡氣含量平均值與2倍方差之和38.1脈沖/2分鐘為異常下限。在圖2D中，有異常顯示，總體數(shù)值偏低，異常幅度較小。

3.1.3 東汪測線（XD-4）

該場地附近村莊密集，并且測線需要跨越高速公路，測線方向為由西向東。測線XD-4-1起點位于北屋村北，測線長度3850m。測線場地為麥田，測量結(jié)果如圖3A所示。根據(jù)數(shù)值統(tǒng)計分析，氡氣含量平均為58.7脈沖/2分鐘，2倍均方差為104.4脈沖/2分鐘，取氡氣含量平均值與 2倍方差之和 163.1脈沖/2分鐘為異常下限。在圖 3A中，出現(xiàn) 1處異常（180m—610m），異常段寬度大約430m左右。根據(jù)探測結(jié)果并結(jié)合相關地震地質(zhì)資料，認為此處為邢東斷裂的地球化學異常。

圖3 東汪及魏家莊測線氡氣曲線圖Fig. 3 Radon curves of Dongwang and Wei villages

3.1.4 魏家莊測線（XD-1）

測線起點位于魏家莊，測線方向由西向東，目的是為了探測北北東向邢東斷裂在邢臺市以東的位置，測線長度1600m。測線場地為麥田，測量結(jié)果如圖3B所示。根據(jù)數(shù)值統(tǒng)計分析，氡氣含量平均為24脈沖/2分鐘，2倍均方差為35.8脈沖/2分鐘，取氡氣含量平均值與2倍方差之和59.8脈沖/2分鐘為異常下限。在圖3B中，出現(xiàn)1處異常（640m－860m），最高值為70脈沖/2分鐘，異常段寬度大約2200m左右。根據(jù)探測結(jié)果并結(jié)合相關地震地質(zhì)資料，認為此處為邢東斷裂的地球化學異常。

3.2 隆堯斷裂

3.2.1 東良測線（LY-1）

測線起點位于東良村西，測線方向由北向南，目的是為了探測近東西向隆堯斷裂的位置，測線長度4150m。測線場地為麥田，測量結(jié)果如圖4A所示。根據(jù)數(shù)值統(tǒng)計分析，氡氣含量平均為39.6脈沖/2分鐘，2倍均方差為49.2脈沖/2分鐘，取氡氣含量平均值與2倍方差之和88.8脈沖/2分鐘為異常下限。在圖4A中，出現(xiàn)1處異常（1700m－2000m），最高值為120脈沖/2分鐘，異常段寬度大約300m左右。根據(jù)探測結(jié)果并結(jié)合相關地震地質(zhì)資料，認為此處為隆堯斷裂的地球化學異常。

3.2.2 西北魏測線（LY-2）

測線起點位于西北魏村西北，測線方向由北向南，目的是為了探測近東西向隆堯斷裂的位置，測線長度2000m。測線場地為麥田，測量結(jié)果如圖4B所示。根據(jù)數(shù)值統(tǒng)計分析，氡氣含量平均為24.2脈沖/2分鐘，2倍均方差為35.6脈沖/2分鐘，取氡氣含量平均值與2倍方差之和59.8脈沖/2分鐘為異常下限。在圖4B中，出現(xiàn)1處異常（600m－1000m），最高值為74脈沖/2分鐘，異常段寬度大約400m左右。根據(jù)探測結(jié)果并結(jié)合相關地震地質(zhì)資料，認為此處為隆堯斷裂的地球化學異常。

圖4 東良及西北魏測線氡氣曲線圖Fig. 4 Radon curves of Dongliang and Xibeiwei villages

3.3 紫山西斷裂

3.3.1 洛陽村西測線（ZSX-1）

圖5 洛陽村及大油村測線氡氣曲線圖Fig. 5 Radon curves of Luoyang and Dayou villages

測線起點位于洛陽村西，測線方向由西向東，目的是為了探測北北東向紫山西斷裂的位置，測線長度5600m。測線場地為麥田，一部分為果園，測量結(jié)果如圖5A所示。根據(jù)數(shù)值統(tǒng)計分析，氡氣含量平均為22.1脈沖/2分鐘，2倍均方差為47.2脈沖/2分鐘，取氡氣含量平均值與2倍方差之和69.3脈沖/2分鐘為異常下限。在圖5A中，異常主要出現(xiàn)在400m—900m處，最高值為127脈沖/2分鐘，異常段寬度大約500m左右。根據(jù)探測結(jié)果并結(jié)合相關地震地質(zhì)資料，認為此處為紫山西斷裂的地球化學異常。

3.3.2 大油村測線（ZSX-2）

由于測線ZSX-1中異常位置比推測的斷裂位置偏西，所以對ZSX-2測線也相應向西平移了1km左右，測線起點位于大油村東，測線方向由西向東，目的是為了探測北北東向紫山西斷裂向南展布的位置，測線長度1060m。測線場地為麥田，測量結(jié)果如圖5B所示。根據(jù)數(shù)值統(tǒng)計分析，氡氣含量平均為8.4脈沖/2分鐘，2倍均方差為11.8脈沖/2分鐘，取氡氣含量平均值與2倍方差之和20.2脈沖/2分鐘為異常下限。由于場地土質(zhì)主要是細砂，抽氣效果不好，造成總體數(shù)值較低，雖然有異常點，但是異常幅度太小，不能判定為斷裂造成的異常。

3.4 任縣隱伏斷裂

3.4.1 大豆村測線（RX-2）

測線起點位于大豆村南，測線方向由北向南，目的是為了探測北東向任縣隱伏斷裂所在的位置，測線長度1450m。測線場地為麥田，測量結(jié)果如圖6A所示。根據(jù)數(shù)值統(tǒng)計分析，氡氣含量平均為32脈沖/2分鐘，2倍均方差為55.4脈沖/2分鐘，取氡氣含量平均值與2倍方差之和87.4脈沖/2分鐘為異常下限。在圖6A中，出現(xiàn)1處異常（620m－820m），最高值為148脈沖/2分鐘，總體異常段寬度大約200m左右。根據(jù)探測結(jié)果并結(jié)合相關地震地質(zhì)資料，認為此處為任縣隱伏斷裂的地球化學異常。

3.4.2 于盟莊測線（RX-1-2）

測線起點位于于盟莊村南，測線方向由西向東，目的是為了探測北東向任縣隱伏斷裂向西南延伸的位置，測線長度1240m。測線場地為麥田，測量結(jié)果如圖6B所示。根據(jù)數(shù)值統(tǒng)計分析，氡氣含量平均為52脈沖/2分鐘，2倍均方差為79.2脈沖/2分鐘，取氡氣含量平均值與2倍方差之和131.2脈沖/2分鐘為異常下限。在圖6B中，出現(xiàn)1處異常（600m－1050m），最高值為160脈沖/2分鐘，總體異常段寬度大約450m左右。根據(jù)探測結(jié)果并結(jié)合相關地震地質(zhì)資料，認為此處為任縣隱伏斷裂的地球化學異常。

圖6 大豆村及于盟莊測線氡氣曲線圖Fig. 6 Radon curves of Dadou and Yumeng villages

3.5 會寧東斷裂

3.5.1 官莊測線（HND-1-4）

測線起點位于官莊村西南，測線方向由西向東，目的是為了探測北西向會寧東斷裂的位置，測線長度1640m。測線場地為麥田，測量結(jié)果如圖7A所示。根據(jù)數(shù)值統(tǒng)計分析，氡氣含量平均為18.4脈沖/2分鐘，2倍均方差為38.3脈沖/2分鐘，取氡氣含量平均值與2倍方差之和56.7脈沖/2分鐘為異常下限。在圖7A中，出現(xiàn)3處異常（550m－1100m），最高值為93脈沖/2分鐘，整個異常段寬度大約600m左右。根據(jù)探測結(jié)果并結(jié)合相關地震地質(zhì)資料，認為此處為會寧東斷裂的地球化學異常。

3.5.2 下屯測線（HND-2）

測線起點位于下屯村南，測線方向由西向東，目的是為了探測北西向會寧東斷裂的位置，測線長度2340m。測線場地為麥田，測量結(jié)果如圖7B所示。根據(jù)數(shù)值統(tǒng)計分析，氡氣含量平均為21.2脈沖/2分鐘，2倍均方差為32脈沖/2分鐘，取氡氣含量平均值與2倍方差之和53.2脈沖/2分鐘為異常下限。在圖7B中，只出現(xiàn)2個點異常，最高值為70脈沖/2分鐘，異常出現(xiàn)在2210m處，異常幅度較小，由于附近正好有一口機井，因此異常不能作為判斷的依據(jù)。

圖7 官莊及下屯測線氡氣曲線圖Fig. 7 Radon curves of Guan and Xiatun villages

4 結(jié)論及討論

本文對邢臺地區(qū)隱伏斷裂進行的地球化學探測，共布設了12條地球化學測線，同時應用土壤氣氡方法對目標區(qū)可能存在的活動斷層進行了探測，共取得了15處（段）地球化學異常?？紤]到異常顯示的明顯程度及各種干擾因素影響的差異，將異常點的可靠性分為 2個基本的等級：A級表示資料準確，異常幅度大，形態(tài)好，異常周圍環(huán)境好，無明顯干擾因素，可信度高；B級表示異常幅度小，形態(tài)差，異常周圍環(huán)境差，可能由干擾引起，可信度低。

表1給出了異常分布情況和異常點位置。從表1可以看出，共有9處A級異常，6處B級異常。從探測數(shù)據(jù)結(jié)果來看，A級異常值一般在背景值的2－4倍，最高可達背景值的5－6倍，說明異常信噪比總體上比較高，這也從一個側(cè)面反應了在邢臺地區(qū)選擇氣氡方法進行活斷層探測是合理可行的。在對氣氡異常點進行綜合分析、排除可能的干擾因素的基礎上，應用土壤氣氡異常確定了目標區(qū)5條隱伏斷裂的較精確位置。

表1 地球化學異常點位置Table 1 Location and type of radon anomalies

同時，在探測時還發(fā)現(xiàn)環(huán)境因素對土壤氣氡探測具有一定的影響和干擾。在人工雜填土、地表水體附近、垃圾堆旁進行探測，獲得的數(shù)據(jù)噪音可能較高，背景值也不穩(wěn)定，因此在進行化學探測時應盡量避開這些場地。另外，由于沙地太松散、測量效果較差，也不太適合土壤氣氡測量，應盡量選擇粘土質(zhì)場地。

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Geochemical Survey on the Buried Faults in Xingtai City, Hebei Province

Feng Jun1,2), Li Hongguang1,2), Wu Tao1,2), Xuan Yue1,2)and Li Weihua1,2)
1) National Earthquake Response Support Service, Beijing 100049, China
2) Beijing Jiaoxing Earthquake Engineering Reconnaissance Institute, Beijing 100049, China

In order to locate five concealed faults in Xingtai City, 12 profiles of soil gas (Rn) survey were set up crossed the faults. It is found that on above the faults strong degas is detected, but in two sides far away from the faults degas is very weak. Of 12 profiles, 9 show the gas radon with obvious anoma1ies in the soil on faults.Through data processing and comparative analysis, we rule out the possibility of interference factors, and determine the extending location of five buried faults on the ground surface with the application of radon anomalies.

Xingtai；Hidden faults；Soil Radon；Survey

馮軍，李紅光，吳濤，玄月，李偉華，2011. 邢臺地區(qū)隱伏斷裂地球化學探測. 震災防御技術(shù)，6（1）：26—35.

本文由科技支撐計劃項目（2008BAK50B03）、河北省城市地震活斷層探測與地震危險性評價項目（邢臺市項目）聯(lián)合資助

2010-09-29

馮軍，男，生于1973年。2006年畢業(yè)于北京大學，獲博士學位，副研究員。主要從事構(gòu)造地質(zhì)研究。E-mail：feji@pku.org.cn

致謝：此次地球化學探測工作得到了盧造勛、向宏發(fā)、毛桐恩、林元武研究員的熱情指導，在現(xiàn)場工作期間，又得到了邢臺市地震局張國賓局長、趙冬崢副局長和李洪印主任的熱情幫助，鄒貴建也參加了野外工作，在此一并表示衷心的感謝。