土氡測(cè)量在廣從斷裂探測(cè)中的初步應(yīng)用

李洪藝，張澄博，陳國能，彭卓倫，張永定

（1.中山大學(xué)地球科學(xué)系，廣東 廣州 510275；2.廣東省地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源探查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510275）

土氡測(cè)量在廣從斷裂探測(cè)中的初步應(yīng)用

李洪藝1,2，張澄博1,2，陳國能1,2，彭卓倫1,2，張永定1,2

（1.中山大學(xué)地球科學(xué)系，廣東 廣州 510275；2.廣東省地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源探查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510275）

在廣從斷裂帶共布置5條氡氣測(cè)量剖面，利用FD-3017RaA和CDI-2000兩種氡探測(cè)儀快速測(cè)定其濃度，得到土氡含量曲線圖和等值線圖，并分析氡異常曲線的特征，得到如下結(jié)論：廣從斷裂上土壤氡具有明顯的峰值異常特征，通過異常峰值位置能很好地圈定斷裂或隱伏斷裂的位置和斷裂帶的寬度；利用峰值異常的幾何形態(tài)能很好地判斷斷層的傾向；廣從斷裂帶中氡氣濃度比與斷層活動(dòng)性有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系；測(cè)線中的峰值連線以及等值線圖都能很好的再現(xiàn)斷裂的走向。

廣從斷裂；土氡；測(cè)量

引言

早有證據(jù)表明，斷裂帶及其附近地區(qū)存在氣體釋放以及氣體異常現(xiàn)象，而且這種現(xiàn)象是長期的，這就意味著斷裂帶附近巖土體具有高的可滲透性和孔隙度，斷裂帶則充當(dāng)了地殼中氣體排放的通道[1～4]。地震的發(fā)生伴隨著很多新的裂隙、裂縫的生成，這些裂隙和裂縫為地球內(nèi)部氡氣的溢出提供了很好的通道，特別是那些巖石破碎、結(jié)構(gòu)松散、空隙連通性好、覆蓋層密實(shí)且較厚的斷裂帶，客觀上為氡氣向上快速運(yùn)動(dòng)和富集提供了較好的自然條件。

斷裂帶中測(cè)到的異常氣體種類繁多，常見的有Rn、Hg、He、Ar、H2、CO2、CH4等。氡 （219Rn，220Rn，222Rn）是鈾或者釷自然衰變而產(chǎn)生的放射性惰性氣體，廣泛存在于地殼中。222Rn是由238U衰變產(chǎn)生，半衰期只有3.825 d；220Rn由232Th衰變產(chǎn)生，半衰期為55 s，219Rn的半衰期更短，只有3.9 s。由于219Rn、220Rn半衰期較短，所以在活動(dòng)斷裂上測(cè)量的氡氣一般為222Rn。氡的溢出可分為兩個(gè)階段，第一階段是固體晶格中的鐳原子放出α粒子而衰變成氡原子，由于核反沖作用，氡原子離開固體晶格進(jìn)入連通的微裂隙中形成可遷移的氡；第二階段是這些可遷移的氡原子在介質(zhì)的孔隙、斷裂產(chǎn)生的微裂隙和裂隙中通過擴(kuò)散、滲流、溶解與蒸發(fā)等機(jī)制向土壤表面運(yùn)移[5]。國內(nèi)外有不少學(xué)者利用氡氣異常探測(cè)斷裂帶位置、性質(zhì)，預(yù)測(cè)地震等，都取得了比較好的效果[6～10]，其中郭欽華、吳華平等[11、12]分別在2008年和2009年對(duì)廣從斷裂局部進(jìn)行氡氣探測(cè)，取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。

本文在廣從斷裂帶上共布置5條氡氣測(cè)量剖線，利用FD-3017RaA和CDI-2000兩種氡探測(cè)儀快速測(cè)量其濃度，從而得到氡含量曲線圖和等值線圖，分析氡異常曲線的特征，查明土壤氡地球化學(xué)測(cè)量效果，為后續(xù)研究積累更多經(jīng)驗(yàn)。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

1.1 構(gòu)造背景

廣州-從化斷裂 （簡稱廣從斷裂）位于恩平-新豐斷裂帶中段，后者為華南東部重要的北東向斷裂帶之一，在廣東境內(nèi)北起連平、新豐，往南西經(jīng)從化、廣州、高明、鶴城、開平、恩平、陽江而進(jìn)入南海，陸區(qū)出露長約450 km，總體走向NE30°～50°。斷裂帶在從化以南平面上分為東、西兩支，總體向南西撒開，向北東收斂。主干斷裂斷面主要傾向北西，傾角40°～60°。本文所指的 “廣從斷裂”，是指恩平-新豐斷裂帶中部廣州從化-佛山南海段（圖1，虛線方框內(nèi)為本次研究范圍），其北起從化良口，向南經(jīng)過溫泉、街口、神崗、太和，通過廣州市郊的五雷嶺，至廣州市區(qū)內(nèi)的廣州中醫(yī)學(xué)院，越秀山西側(cè)、象崗山，至三元里附近潛伏于第四系之下繼續(xù)向南延伸到佛山市南海區(qū)、研究區(qū)內(nèi)延伸長達(dá)上百公里，為廣州地區(qū)規(guī)模最大的北東向深斷裂帶。

圖1 恩開斷裂帶展布示意圖Fig.1 Schematic diagram of Enping-Xinfeng fracture

1.2 地層巖性

根據(jù)1∶25萬廣州幅和江門幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查 （2003）結(jié)果，研究區(qū)出露的地層由老至新有前寒武系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系和第四系，巖性以砂巖、粉砂巖、頁巖、灰?guī)r為主 （圖2）。

區(qū)內(nèi)深成巖漿巖主要為花崗巖類，形成于奧陶紀(jì)、二疊紀(jì)、三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)以及白堊紀(jì)，其中以侏羅紀(jì)花崗巖最為發(fā)育，巖性從石英閃長巖到花崗巖，以二長花崗巖為主 （圖2）。

圖2 廣從斷裂帶地層巖性示意圖[13]Fig.2 Schematic diagram of lithology in Guangzhou-Conghua fractur

2 儀器與方法

本次測(cè)量所用的測(cè)氡儀為廣東省礦產(chǎn)應(yīng)用研究所和成都理工大學(xué)聯(lián)合研制的CDI-2000型自動(dòng)換片式土壤測(cè)氡儀和上海電子儀器廠生產(chǎn)的FD-3017RaA，兩種儀器的一致性指標(biāo)經(jīng)測(cè)驗(yàn)滿足測(cè)量要求。將野外測(cè)量記錄的計(jì)數(shù)率或氡濃度用各臺(tái)測(cè)氡儀的換算系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)換算得到實(shí)際氡濃度值，數(shù)據(jù)單位為kBq·m-3

土壤中氡濃度測(cè)定是按照 《民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制規(guī)范》 （GB50325-2001）的測(cè)定要求進(jìn)行的。本次測(cè)量共布置測(cè)線5條，氡氣測(cè)量剖面分別位于從化街口、太平場(chǎng)、大源村、同泰路和花地河，測(cè)線均近于垂直 （隱伏）斷裂帶 （圖3）。

圖3 測(cè)量剖面示意圖Fig.3 Schematic diagram of measurement section

野外測(cè)量方法如下：將測(cè)線圖導(dǎo)入GPS，使用GPS導(dǎo)航功能定位起點(diǎn)坐標(biāo)并進(jìn)行路線導(dǎo)航，選取測(cè)試點(diǎn)，采用專用鋼釬打孔，孔的直徑為20～40 mm，孔的深度為600～800 mm。成孔后，使用頭部有氣孔的特制的取樣器，插入打好的孔中，取樣器在靠近地表處進(jìn)行密封，避免大氣滲入孔中，然后使用FD-3017測(cè)氡儀、CDI-2000土壤測(cè)氡儀進(jìn)行抽氣測(cè)量，測(cè)量時(shí)用表格形式詳細(xì)記錄測(cè)量點(diǎn)的線點(diǎn)號(hào)、坐標(biāo)值、儀器計(jì)數(shù)率或氡濃度、覆蓋層土壤類別等。無異常時(shí)按測(cè)量比例尺為1∶2 000測(cè)量，連續(xù)無異常時(shí)測(cè)點(diǎn)可適當(dāng)放稀；發(fā)現(xiàn)異常時(shí)在其附近適當(dāng)加密測(cè)點(diǎn)。測(cè)量時(shí)間一般在8∶00～18∶00之間，如遇雨天，在雨后24 h后進(jìn)行。

本次測(cè)量于2008年12月12日開始測(cè)量，于2008年12月14日結(jié)束，完成測(cè)線5條，完成工作量如表1所示。

3 結(jié)果與討論

3.1 背景值和異常下限值的確定

按測(cè)量剖面線路統(tǒng)計(jì)土壤氡濃度背景值，采用算術(shù)平均法計(jì)算該剖面線路的土壤氡濃度背景值；然后按土壤氡濃度背景值加一倍、二倍、三倍標(biāo)準(zhǔn)差，分別作為偏高值、相對(duì)高值區(qū)域和異常區(qū)域的分界線，其結(jié)果見表2。根據(jù)中國地震局活斷層探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，地球化學(xué)探測(cè)異常下限值應(yīng)為該測(cè)項(xiàng)的均值與2～4倍均方差之和，本文土壤氡異常下限定為背景值加三倍標(biāo)準(zhǔn)差，超過此下限被認(rèn)為異常。

表1 工作量統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of workload

表2 剖面線土壤氡濃度統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of soil radon concentration

3.2 測(cè)量結(jié)果

3.2.1 土氡測(cè)量變化曲線

野外工作實(shí)踐表明，土壤氡地球化學(xué)測(cè)量與其他地球化學(xué)手段相比，具有一些十分突出的優(yōu)點(diǎn)，如小巧、輕便，能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行快速測(cè)定，直接給出結(jié)果；遇到異常，隨時(shí)可以重復(fù)測(cè)量或者加密觀測(cè)，從而保證數(shù)據(jù)可靠。圖4所示分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ號(hào)剖面土壤氡的變化曲線圖。背景值變化范圍為4.70～14.34 kBq/m3，主要與剖面所處的地層巖性和覆蓋層性質(zhì)有關(guān)，如Ⅱ、Ⅳ剖面背景值偏低，比廣州市平均值8 kBq/m3還小，主要是由于測(cè)量樣品均在河邊或者湖邊，土壤濕度高，可滲透性低，不利于氡的溢出，因而探測(cè)到的氡濃度偏小。對(duì)各剖面分析如下：

（1） 剖面Ⅰ

剖面Ⅰ位于從化街口，完成探測(cè)點(diǎn)56個(gè)。氡濃度介于0.785～60.75 kBq/m3之間，背景值為14.34 kBq/m3，最大異常峰值為60.75 kBq/m3，高出背景值3.2倍左右。測(cè)點(diǎn)8～12、26～29出現(xiàn)偏高值異常，測(cè)點(diǎn)8～12出現(xiàn)個(gè)別異常值，推測(cè)為主斷裂位置，點(diǎn)26～29出現(xiàn)次級(jí)異常峰值，但僅超出背景值一倍多，推測(cè)為斷裂帶裂隙發(fā)育地帶。

（2） 剖面Ⅱ

剖面Ⅱ位于從化太平場(chǎng)，完成探測(cè)點(diǎn)56個(gè)。氡濃度介于0.498～15.984 kBq/m3之間，背景值為4.70 kBq/m3，最大異常峰值為15.984 kBq/m3，高出背景值2.4倍左右。測(cè)點(diǎn)2～15、49～50出現(xiàn)偏高值異常，測(cè)點(diǎn)7～15出現(xiàn)個(gè)別異常值，推測(cè)為斷裂經(jīng)過地帶，點(diǎn)49～50出現(xiàn)次級(jí)異常峰值，推測(cè)為斷層上盤引起的。

（3） 剖面Ⅲ

剖面Ⅲ位于廣州大源村，完成探測(cè)點(diǎn)70個(gè)。氡濃度介于1.099～57.462 kBq/m3之間，背景值為10.63 kBq/m3，最大異常峰值為57.462 kBq/m3，高出背景值4.4倍左右。測(cè)點(diǎn)15～25、43～45、和點(diǎn)68出現(xiàn)偏高值異常，測(cè)點(diǎn)15～25出現(xiàn)個(gè)別異常值，推測(cè)為斷裂經(jīng)過地帶，點(diǎn)43～45和點(diǎn)68出現(xiàn)次級(jí)異常峰值，推測(cè)為斷層上盤引起的。

圖4 廣從斷裂帶土氡測(cè)量變化曲線（虛線表示背景值，實(shí)線表示異常下限）Fig.4 The variation curves of soil radon measurement in Guangzhou-Conghua fracture.(dotted lines indicate the background values,solid line represents the threshold)

（4） 剖面Ⅳ

剖面Ⅳ位于廣州同泰路，完成探測(cè)點(diǎn)89個(gè)。氡濃度介于0.166～64.906 kBq/m3之間，背景值為11.36 kBq/m3，最大異常峰值為64.096 kBq/m3，高出背景值4.7倍左右。測(cè)點(diǎn)12～24、76～87出現(xiàn)偏高值異常，測(cè)點(diǎn)12～24出現(xiàn)個(gè)別異常值，推測(cè)為斷裂經(jīng)過地帶，點(diǎn)76～87出現(xiàn)次級(jí)異常峰值，推測(cè)為斷層上盤引起的。

（5） 剖面Ⅴ

剖面Ⅴ位于廣州花地河，完成探測(cè)點(diǎn)59個(gè)。氡濃度介于1.099～18.75 kBq/m3之間，背景值為5.15 kBq/m3，最大異常峰值為18.75 kBq/m3，高出背景值2.6倍左右。測(cè)點(diǎn)2～5、27～44、55～59出現(xiàn)偏高值異常，其中測(cè)點(diǎn)27～44、55～59出現(xiàn)個(gè)別異常值，推測(cè)該處存在隱伏斷層，但還需要更多證據(jù)證明。

通過以上5個(gè)剖面分析，結(jié)合圖4，我們有如下推論：

（1）5個(gè)剖面均呈尖窄型的脈沖單峰異常或多峰異常，且異常集中在點(diǎn)5～20之間，說明斷裂傾角較陡，符合正斷層傾角較陡的特征，這與廣從斷裂從中生代末期或古近紀(jì)初開始以正斷層方式活動(dòng)的實(shí)證相符合；

（2）氡的峰值形態(tài)具有南東陡北西緩 （剖面Ⅰ除外）的特征，以Ⅲ、Ⅳ號(hào)剖面最為突出；此外，一般地說，斷層上盤異常較寬，梯度變化慢，而下盤異常窄且梯度陡[14]，因此結(jié)合第一點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，判斷該斷裂的北西側(cè)為斷層上盤，這與廣從斷裂為傾向北西的正斷層的實(shí)證考察一致；

（3）主峰異?；炯性邳c(diǎn)5～20之間，由于異常范圍較窄，說明斷裂帶寬度不大；

（4）由以上5個(gè)剖面分析我們推測(cè)主峰異常主要為斷裂所引起，因而將主峰異常連接起來就是廣從斷裂的大致展布方向 （圖5）。由圖5可以明顯看出，5個(gè)剖面氡異常主峰連線主要呈北東向45°左右展布，與廣從斷裂大致平行，再次實(shí)證氡氣異常測(cè)量在探測(cè)斷裂空間展布上的有效性。

（5）將最高值除以背景值得到的結(jié)果稱為濃度比，濃度比越大，活動(dòng)性越強(qiáng)[15]。表3為5個(gè)剖面的濃度比。陳國能等在 《廣州市主要斷裂活動(dòng)性研究及區(qū)域穩(wěn)定性評(píng)價(jià)成果報(bào)告》中指出，廣從斷裂活動(dòng)性可分為三段，灌村以北為北段，灌村與金盤嶺之間為中段，金盤嶺以南為南段。北段近期活動(dòng)性較弱，第四紀(jì)以來基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；中段最近50 ka雖有活動(dòng)，但未發(fā)現(xiàn)其切割第四系，故其活動(dòng)方式可能以蠕動(dòng)為主；而金盤嶺以南-佛山西淋崗段的廣從斷裂，晚更新世以來至少發(fā)生過兩次較強(qiáng)烈的活動(dòng)。本次氡氣測(cè)量中，剖面Ⅰ、Ⅱ處于中段，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ處于南段，通過濃度比我們可以看出，南段氡濃度比比中段明顯偏大，這一測(cè)量結(jié)果表明廣從斷裂帶中氡氣濃度比與斷層活動(dòng)性有著明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.2.2 氡氣濃度等值線圖

表3 剖面濃度比Table 3 Ratio of radon concentration for each profile

圖5 主峰異常展布圖Fig.5 Abnormal distribution of the main peaks

圖6 氡氣濃度等值線圖Fig.6 Contours of radon gas concentration

圖6為調(diào)查區(qū)5條剖面氡氣濃度等值線圖。由于數(shù)據(jù)離散，顯示結(jié)果雖不甚準(zhǔn)確美觀，但也有較好的參考價(jià)值。從圖6可以明顯地劃分出氡氣異常帶。異常主要沿著北東向30°～60°方向分布，其中北段異常呈北北東向，南段異常呈北東向，基本與廣從斷裂在空間上的展布一致。在南段坐標(biāo) （2 565 000，730 000）附近，廣從斷裂 （F1）在該處被東西向分布的瘦狗嶺斷裂 （F2）切割，裂隙發(fā)育，因而呈現(xiàn)較明顯的氡異常區(qū)。

4 結(jié)論

（1）廣從斷裂上土壤氡具有明顯的峰值異常特征，通過異常峰值位置能很好的圈定斷裂或隱伏斷裂的位置和斷裂帶的寬度；每條測(cè)線中的峰值連線方向?yàn)閿嗔训淖呦颍逯颠B線顯示廣從斷裂走向?yàn)镹E45°左右；同時(shí)利用峰值異常的幾何形態(tài)可判斷斷層的傾向，氡的峰值形態(tài)具有南東陡北西緩的特征，以大源村、同泰路剖面最為突出，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)和其他資料可以判斷該斷裂的北西側(cè)為斷層上盤，但在從化街口剖面測(cè)得氡的峰值形態(tài)具北西陡南東緩的特征，至今沒找到原因。

（2）根據(jù)氡氣等值線圖，可以清楚地劃分出氡氣異常帶，異常主要沿著北東30°～60°方向，北段異常呈北北東向，南段異常呈北東向，且在南段與瘦狗嶺斷裂交匯地帶顯示出明顯的氡異常。

（3）氡氣濃度比與斷裂活動(dòng)性有一定的聯(lián)系，濃度比越大，活動(dòng)性越強(qiáng)。本次氡氣測(cè)量中，從化街口、太平場(chǎng)剖面處于中段，大源村、同泰路和花地河剖面處于南段，南段氡濃度比比中段明顯偏大。

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Preliminary Application of Soil Radon Measurement in Guangzhou-Conghua Fracture Detection

LI Hongyi1,2,ZHANG Chengbo1*,2,CHEN Guoneng1,2,PENG Zhuolun1,2ZHANG Yongding1,2

(1.Department of Earth Science,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275,China;2 Guangdong Province Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources Exploration,Guangzhou 510275,China)

Five profiles along Guangzhou-Conghua fracture were employed in this research.CDI-2000 and FD-3017RaA were used to detect soil radon concentration rapidly.Then soil radon concentration curves and contour maps were ploted.The characteristics of soil radon anomaly curve were analyzed.The paper has several conclusions:Obvious abnormal peaks are observed,and location of fractures or concealed fractures and width of fractures could be well delineated according to location of abnormal peak;Inclination could be deduced by using the geometric shape of the peak anomaly;There is a clear correspondence between concentration ratio of radon and fault activity;The trend of the fracture could be well revealed on the basis of contour maps and measured line connected by peak values.

Guangzhou-Conghua fracture;Soil radon;Measurement

P315.241

A

1001-8662（2011）02-0061-10

2010-11-12

廣東省地震設(shè)計(jì)規(guī)范中的場(chǎng)地和地震作用研究 （廣東省科技廳）

李洪藝，男， 1986年生，在讀碩士研究生.主要從事巖土工程.E-mail：eeszcb@mail.sysu.edu.cn