土壤氡氣測量在沙灣斷裂帶中段隱伏斷裂探測中的應(yīng)用研究*

曾 敏，董好剛，張宏鑫，陳 雯，劉鳳梅

(中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，湖北武漢430205)

土壤氡氣測量在沙灣斷裂帶中段隱伏斷裂探測中的應(yīng)用研究*

曾 敏，董好剛，張宏鑫，陳 雯，劉鳳梅

(中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，湖北武漢430205)

利用土壤氡氣測量方法對沙灣斷裂帶中段隱伏斷裂——大烏崗斷裂、沙灣斷裂、陳村斷裂進行測量，并通過計算得到背景值及異常下限，從而圈定土壤氡氣濃度異常帶，最終對異常帶與隱伏斷裂位置的關(guān)系進行分析。結(jié)果表明:6號測線的西側(cè)為陳村斷裂通過區(qū)域，21號測線的西側(cè)為沙灣斷裂通過區(qū)域，22號測線東側(cè)為大烏崗斷裂的通過區(qū)域，為進一步驗證斷裂通過位置、走向和傾角奠定基礎(chǔ)。

隱伏斷裂;土氡測量;濃度異常帶;沙灣斷裂帶

0 引言

珠江三角洲地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，人口稠密，該區(qū)域的活動斷裂嚴重威脅著城市的發(fā)展和人民群眾的生命、財產(chǎn)安全。采用地球化學探查，從地球化學角度對其平面幾何分布進行準確掌握，在活動斷裂的探測過程中已成為一項重要的手段。地球化學探查，尤其是多種氣體測項在隱伏斷裂初步定位中起到先鋒作用 (鄧起東等，2003)。應(yīng)力應(yīng)變的變化可引起巖石孔隙的壓縮膨脹、裂隙的產(chǎn)生和發(fā)展、巖石的變形及次生效應(yīng)及斷層的錯動蠕動等，都可引起氡的遷移 (曹玲玲等，2005)。美國、日本等學者先后將土氡測量方法應(yīng)用在圣安德烈斯斷層、中央大斷層等，進行斷層活動性的研究 (Suzuki et al，2005)。國內(nèi)一些學者也嘗試將此方法應(yīng)用于城市活動斷層探測中，并取得了一些成果，如劉菁華等 (2006)對長春市南湖、蔡家斷裂進行土壤氡、汞聯(lián)合實測并進行評價，王志成 (2006)對海口市活動層進行土氡測量等。

本文對沙灣斷裂帶中段隱伏斷裂——陳村斷裂、沙灣斷裂、大烏崗斷裂的上部氡氣 (Rn)濃度進行測量，查明研究區(qū)土壤中氡氣濃度水平，圈定土壤氡氣濃度異常點帶，初步分析、判定土壤氡氣濃度異常產(chǎn)生的原因，研究其分布規(guī)律，以求達到對第四系覆蓋區(qū)的隱伏斷裂的位置、方向的了解，為斷層活動性強弱的對比研究工作提供依據(jù)。

1 沙灣斷裂帶中段主要特征

沙灣斷裂帶又稱白坭—沙灣斷裂帶，該斷裂帶自花都白坭穿過番禺沙灣延入萬頃沙地區(qū)，是珠江三角洲地區(qū)十分重要的一條斷裂帶。沙灣斷裂帶中段主要出露于番禺大烏崗、沙灣鎮(zhèn)、龍灣村、紫坭村一帶，主要發(fā)育于白堊系泥巖、粉砂巖和志留系花崗巖中，由一組NW向斷裂組成，中段為第四系所覆蓋，主要為隱伏斷裂。斷裂走向290°～320°，傾向以 SW為主，部分傾向 NE，單條斷裂長約10～50 km，寬度一般為幾米至幾十米，由于斷裂大部分為第四系所覆蓋，只有部分地區(qū)見有露頭。沙灣斷裂帶中段隱伏斷裂主要有3條，分別為大烏崗斷裂、沙灣斷裂、陳村斷裂。

2 土壤氡氣濃度剖面測量

2.1 測量儀器

土壤氡氣測量儀器為FD-3017RaA測氡儀 (蘇鶴軍等，2005)，該儀器為一種瞬時測氡儀，靈敏度為0.17 Bq/L(趙桂芝，肖德濤，2007)。

2.2 測量方法與技術(shù)

所有測線的布設(shè)遵循垂直于斷層走向的原則，并盡量選擇年代較久遠的土路，避開垃圾填埋場地及潛水位埋藏較淺的地方;野外測量都是在天氣晴朗、地表干燥的環(huán)境下進行的，以保證測量值的準確。

先選取測試點，采用專用鋼釬打孔，孔的直徑為20～40 mm，深度為600～800 mm，然后將頭部有氣孔的取樣器插入其中并密封地表。取樣前，先抽取一些氣體并排掉，用以排除取樣器內(nèi)、取樣器與抽氣筒連接的膠皮管內(nèi)的外來氣體，然后用抽氣筒抽1.5 L土壤氣體，加2 min高壓進行氡的富集，之后測量2 min，讀取脈沖計數(shù)。

2.3 測線分布

研究區(qū)位于番禺以南、順德以東區(qū)域，為第四紀沖積平原，河道廣布，其北西側(cè)大烏崗、南東側(cè)黃山魯為志留系花崗巖所成山體。受沙灣斷裂帶的影響，研究區(qū)內(nèi)斷裂均為北西向斷裂構(gòu)造，所以土壤氡氣濃度剖面測量線路均布置為北東向，且首尾相連以期控制沙灣斷裂帶中段3條斷裂——陳村斷裂、沙灣斷裂、大烏崗斷裂，共計測線7條，分別為6號、7號、8號、15號、21號、22號、23號，測點1 210個，全長8.03 km，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)背景及測線位置圖Fig.1 Geological background of study area and the location of survey line

2.4 數(shù)據(jù)處理

在統(tǒng)計的測點數(shù)不夠多的情況下 (少于100個)，可采用算術(shù)平均法計算該剖面線路的土壤氡濃度背景值和均方差;當統(tǒng)計的測點數(shù)足夠多的情況下 (大于100個)，通過作累積頻率曲線圖來確定土壤氡濃度背景值。根據(jù)中國地震局活動斷層探測標準 (DB/T15－2009)，各測項異常下限值宜為該項的均值與2～4倍均方差之和，超出此下限值時應(yīng)判定為活動斷層可能存在地球化學異常。根據(jù)此次的實際工作情況，取異常下限值為均值與2倍均方差之和，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表1。

表1 測線土氡濃度的背景值和均方差Tab.1 Background value and variance of soil radon concentration in measuring line

3 測量結(jié)果討論

根據(jù)測量結(jié)果，最終選定土氡異常強烈及與隱伏斷裂密切相關(guān)的6號、8號、15號、21號及22號測線進行討論。

6號測線位于欖核鎮(zhèn)以東子沙村，土氡濃度背景值為2.3 kBq/m3，從測線30 m處開始出現(xiàn)異常，到90 m處異常逐漸消失，90 m之后呈點狀分布。1#土氡異常帶位于測線的30～90 m，寬度為60 m，土氡均值為8.4 kBq/m3，是背景值的3.7倍;2#土氡異常帶個別異常呈點狀，均值為5.0 kBq/m3，是背景值的2.2倍。該剖面線最大土壤氡濃度值位于1#土氡異常帶，為31.2 kBq/m3，是背景值的13.6倍。在6號測線西側(cè)異常密集，又是陳村斷裂隱伏區(qū)域，根據(jù)氡氣異常變化，推測1#土氡異常帶中5～15號點處為斷裂位置 (圖2)。

圖2 6號測線土氡濃度測量曲線及異常帶圖Fig.2 Measurement curve of soil radon concentration and its abnormal band of the No.6 measuring line

8號測線位于欖核鎮(zhèn)以東雁沙村，土氡濃度背景值為2.3 kBq/m3，從測線起點至250 m處，出現(xiàn)異常帶，多呈點狀分布，僅在100～160 m處集中出現(xiàn)，寬度約為60 m。4#土氡異常帶均值為7.0 kBq/m3，是背景值3.0倍，并且在480～1 520 m處密集分布，異常反映明顯，寬度約為1 km，在1 500 m處出現(xiàn)峰值，為34.2 kBq/m3，是背景值的14.9倍;5#土氡異常帶均值為5.0 kBq/m3，是背景值2.2倍。測線東側(cè)即為沙灣斷裂隱伏區(qū)域 (可能在江中通過)，異常點帶密集，集中反映沙灣斷裂于東側(cè)通過且傾向南西的特點(圖3)。

圖3 8號測線土氡濃度測量曲線及異常帶圖Fig.3 Measurement curve of soil radon concentration and its abnormal band of the No.8 measuring line

15號測線位于大崗鎮(zhèn)靈山北，土氡濃度背景值為2.7 kBq/m3，自50 m出現(xiàn)異常，至150 m異常消失，寬度約100 m。6#土氡異常帶上均值為5.5 kBq/m3，是背景值的2.0倍，僅個別點位超出異常下限;測線自500 m至終點出現(xiàn)異常，寬度約50 m。8#土氡異常帶均值為9.1 kBq/m3，是背景值的3.4倍，是因為該剖面線最大土壤氡濃度值為22.9 kBq/m3，位于此測線;在測線中段375～450 m出現(xiàn)異常，寬度為75 m。7#土氡異常帶均值為5.1 kBq/m3，是背景值的1.9倍;測線東側(cè)即為沙灣斷裂隱伏區(qū)域，與8號測線類似，位于西樵水道西岸，長度雖小，但異常點帶密集，也反映出沙灣斷裂上部氡氣分布的特點 (圖4)。

圖4 15號測線土氡濃度測量曲線及異常帶圖Fig.4 Measurement curve of soil radon concentration and its abnormal band of the No.15 measuring line

21號測線位于東涌鎮(zhèn)魚窩頭北西側(cè)，土氡濃度背景值為6.5 kBq/m3，推測西側(cè)為沙灣斷裂通過區(qū)域，從測線起點到650 m處，出現(xiàn)異常帶，其中以240～330 m最為集中，帶寬約為90 m。13#異常帶位于測線西側(cè)，推測為沙灣斷裂隱伏區(qū)域，均值為14.4 kBq/m3，是背景值的2.2倍;14#異常帶均值為7.4 kBq/m3，是背景值的1.1倍;8#異常帶均值為10.9 kBq/m3，是背景值的1.7倍。該剖面線最大土壤氡濃度值為66.1 kBq/m3，是背景值的10.2倍;測線60號點位以西異常點密集，以東較長距離均值低于異常帶，其東部到達高速公路才出現(xiàn)較小范圍的異常帶，反映出人為干擾的特點，根據(jù)氡氣異常變化的趨勢，13#異常帶中35～50號點處，推測為斷裂位置 (圖5)。

圖5 21號測線土氡濃度測量曲線及異常帶圖Fig.5 Measurement curve of soil radon concentration and its abnormal band of the No.21 measuring line

22號測線位于東涌鎮(zhèn)魚窩頭北側(cè)，土氡濃度背景值為5.9 kBq/m3，測線西側(cè)異常是以點狀分布為主，以70、180、385、540、570 m處出現(xiàn)點狀異常。10#異常帶均值為12.1 kBq/m3，11#異常帶均值為 9.9 kBq/m3，相對偏低;從770 m處出現(xiàn)異常，至1 270 m異常消失，帶寬約500 m，最大土壤氡濃度值為52.5 kBq/m3。12#異常帶均值為13.0 kBq/m3，是背景值的2.2倍。測線東側(cè)為大烏崗斷裂隱伏區(qū)域，異常點帶密集，尤其是東側(cè)110～180號點處，推測為斷裂位置 (圖6)。各土壤氣氡測線與推測隱伏斷裂的位置如圖7所示。

圖6 22號測線土氡濃度測量曲線及異常帶圖Fig.6 Measurement curve of soil radon concentration and its abnormal band of the No.22 measuring line

圖7 土氡測線與推測斷裂相對位置圖Fig.7 Measuring line of soil radon and the deduced relative position of faults

4 結(jié)論

(1)從上述土壤氡氣測量研究表明，各測線均有氡氣異常顯示，該種方法可以作為珠江三角洲確定隱伏斷裂的方法之一。

(2)圖7為各測線與3條推測隱伏斷裂相對位置關(guān)系，根據(jù)本次對沙灣斷裂帶中段土壤氡氣測量結(jié)果，斷裂經(jīng)過地區(qū)土壤氡氣濃度一般介于5～30 kBq/m3，高于廣州地區(qū)土壤氡氣背景值的8 kBq/m3(李出安等，2010)，6號測線的西側(cè)為陳村斷裂通過區(qū)域;21號測線的西側(cè)為沙灣斷裂通過區(qū)域，其峰值為66.1 kBq/m3，是背景值的10.2倍;22號測線東側(cè)為大烏崗斷裂的通過區(qū)域，該剖面線最大土壤氡濃度值為52.5 kBq/m3，是背景值的8.9倍，反映出斷裂的部分幾何分布;推測斷裂通過位置，有待進一步進行驗證，并對其傾向、傾角進行判斷。

本研究工作得到廣東省礦產(chǎn)應(yīng)用研究所許正繁高級工程師的指導和幫助，謹致衷心感謝。

曹玲玲，王宗禮，劉耀煒.2005.氡遷移機理研究進展概述［J］.地震研究，28(3):302－306.

鄧起東，徐錫偉，張先康，等.2003.城市活動斷裂探測的方法和技術(shù)［J］.地學前緣，10(1):93 －104.

李出安，林小明，范運嶺，等.2010.廣州沙灣斷裂帶的主要特征［J］.城市地質(zhì)，5(2):28－31.

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蘇鶴軍，張慧，劉旭宙.2005.蘭州劉家堡隱伏斷層的地球化學探測方法試驗［J］.高原地震，17(1):9－16.

王志成.2006.土氡測量在海口市活動斷層探測中初步應(yīng)用［J］.華南地震，26(4):61－66.

趙桂芝，肖德濤.2007.土壤氡濃度測量現(xiàn)狀［J］.核電子學與探測技術(shù)，27(3):583－587.

DB/T15－2009，活動斷層探測［S］.

Suzuki K，Toda S，Kusunoki K，et al.2000.Case studies of electrical and electromagnetic methods applied to mapping active faults beneath the thick Quaternary［J］.Engineering Geology，56(1):29 － 45.

Application Research of Soil Radon Measurement in Concealed Fault Detection of Middle Segment of Shawan Fault Zone

ZENG Min，DONG Hao-gang，ZHANG Hong-xin，CHEN Wen，LIU Feng-mei
(Wuhan Center of Geological Survey，China Geological Survey，Wuhan 430205，Hubei，China)

Using the method of soil radon concentration profile measurement，we study the Dawugang，Shawan and Chencun Faults，which are the concealed faults of middle segment of Baini-Shawan Fault Zone.We can obtain the measurement values of soil radon and delineate soil radon anomaly zones by calculating background value and anomaly threshold of soil radon.Then we analyze the relation between soil radon anomaly zones and location of concealed fault.The results show that the west of No.6 measuring line is the region where Chencun Fault runs through，the west of No.21 measuring line is the region where Shawan Fault runs through，the east of No.22 measuring line is the region where Dawugang Fault run through.It is the basis for the further verification on the location，strike and dip of Dawugang fault.

concealed fault;soil radon measurement;anomaly zones;Shawan Fault zone

P315.242

A

1000－0666(2012)03－0347－06

2011－12－28.

中國地質(zhì)調(diào)查局“珠三角NW向活動斷裂調(diào)查評價”(1212011140031)資助.