郯廬斷裂帶宿遷段合歡路土壤氡分布特征與遷移特征的數(shù)值模擬1

戴 波 趙啟光 張 敏 張 揚(yáng) 周曉成

1）江蘇省地震局，南京 210000

2）中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036

引言

氡氣是地殼內(nèi)部的天然放射性惰性氣體，具有較強(qiáng)的遷移能力，從地球深部遷移到地表，可作為揭示地下信息的指示元素（Wakita 等，1980；Baubron 等，2002）。土壤氡探測(cè)結(jié)合了地球物理與地球化學(xué)方法，在活斷層探測(cè)、地震前兆與地震預(yù)測(cè)等領(lǐng)域已取得一些研究成果。在活斷層探測(cè)方面，主要利用土壤氡濃度特征評(píng)價(jià)斷層活動(dòng)性，研究斷層位置和斷層特征等（King 等，1996；邵永新等，2007；Lombardi 等，2010；周曉成等，2011；張慧等，2013；王江等，2017；戴波等，2020）。在探索地震前兆與地震預(yù)測(cè)方面，斷層氣觀測(cè)是有效手段，地球內(nèi)部斷層氣遷移速度明顯快于液體，對(duì)地震前兆響應(yīng)更加靈敏（汪成民等，1991；杜建國(guó)等，1998；劉耀煒；2009；Walia 等，2013；Janik 等，2016）。近年來(lái)，眾多學(xué)者相繼對(duì)斷層氣觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)、臺(tái)陣方向展開(kāi)了研究（車(chē)用太等，2015；周慧玲等，2018；柯云龍等，2018）。

土壤氡遷移數(shù)值模擬方法是對(duì)斷層土壤氡實(shí)測(cè)資料開(kāi)展定量解釋和研究的高效、客觀途徑。Abdoh 等（1989）首次建立了活斷層上覆蓋層內(nèi)氡遷移的物理模型，并推導(dǎo)出活斷層上覆蓋層內(nèi)氡濃度異常分布結(jié)果；Ho（2008）描述了氡在兩相介質(zhì)中的遷移衰減模型和規(guī)律；Yakovlev 等（2010）推導(dǎo)出地下多層介質(zhì)中氡遷移的傳輸方程。除主斷裂外，覆蓋層內(nèi)次級(jí)斷裂和裂隙都是氡及母體向上遷移的通道，設(shè)置相應(yīng)的數(shù)值模擬邊界條件，計(jì)算得到多氡源在覆蓋層內(nèi)分布的解釋（劉菁華，2006）。對(duì)于斷層上非均勻覆蓋層建模，可以由若干均質(zhì)各向同性的土壤層組成，通過(guò)給定不同土壤層的有效擴(kuò)散系數(shù)和對(duì)流速率，計(jì)算氡濃度分布（伍劍波等，2014）。土壤氡受溫度和壓強(qiáng)等因素的影響，對(duì)流速度具有一定周期性變化規(guī)律，可以得到隨著時(shí)間和深度變化的非穩(wěn)定條件下氡濃度數(shù)學(xué)表達(dá)式（葛良全等，2012）。通過(guò)評(píng)價(jià)對(duì)流速度影響因素，建立多向?qū)α髂Ｐ停晟仆寥离边w移的數(shù)值模擬（劉洪濤，2018）。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)影響土壤氡遷移機(jī)制中各因素進(jìn)行了深入研究，使數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性不斷提高。但在土壤氡數(shù)值模擬識(shí)別斷層內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面尚未進(jìn)行深入研究，且對(duì)野外測(cè)量中斷層土壤氡異常定量解釋的實(shí)例較少。

本文在郯廬斷裂宿遷段合歡路場(chǎng)地準(zhǔn)確的地層巖性特征、斷裂參數(shù)資料基礎(chǔ)上，建立土壤氡遷移模型，計(jì)算得到氡濃度分布定量結(jié)果，并對(duì)研究區(qū)內(nèi)氡濃度異常形態(tài)特征與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系進(jìn)行分析，探討土壤氡異常的成因。

1 活斷層上土壤氡分布模型計(jì)算及形成機(jī)理

氡及其母體氡、鈾、鐳元素存在于地殼中，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離遷移，從深部遷移到地表，活斷層是構(gòu)成地表氡異常的有利天然條件，氡在活斷層上覆蓋層內(nèi)進(jìn)行短距離遷移，形成不同分布狀態(tài)，并在地表構(gòu)成不同形態(tài)的濃度異常（Giammanco 等，1998）。

Abdoh 等（1989）根據(jù)擴(kuò)散-對(duì)流經(jīng)典土壤氡遷移理論，在假設(shè)介質(zhì)是均勻、各向同性的，土壤不具有放射性，處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)的條件下，提出了斷層上覆蓋層內(nèi)氡遷移基本模型，如圖1 所示。建立二維直角坐標(biāo)系，取覆蓋層寬度x=a，厚度y=b的有限區(qū)域，設(shè)斷裂帶寬度為W，斷面氡濃度為N0，斷層兩側(cè)氡濃度分別為N1、N2，推導(dǎo)出覆蓋層中氡的二維濃度方程為：

圖1 活斷層上氡遷移的物理模型Fig. 1 Physical model of radon migration in active fault

式中，v為對(duì)流速率；λ為氡衰變系數(shù)；氡濃度N=N(x,y)；D*為有效擴(kuò)散系數(shù)，D*=D/e，D為擴(kuò)散系數(shù)，e為覆蓋層介質(zhì)孔隙度，相應(yīng)的邊界條件為：

式中，h為氡從土壤向空氣遷移的散失因子。覆蓋層中氡遷移的各參數(shù)取值范圍如表1 所示（吳慧山，1995；Iakovleva 等，2003）。

表1 覆蓋層中氡遷移相關(guān)參數(shù)Table 1 Parameters related to radon migration in overburden

2 斷層土壤氡測(cè)線布設(shè)及測(cè)量

郯廬斷裂帶在中國(guó)境內(nèi)北起黑龍江蘿北，南至湖北武穴，全長(zhǎng)約2 400 km，該斷裂帶經(jīng)歷了多期構(gòu)造活動(dòng)，是東亞大陸上北東向巨型斷裂帶。郯廬斷裂魯蘇沂沭段由5 條主干斷層（F1～F5）組成，形成了“兩塹夾一壘”的構(gòu)造格架，是巖石圈尺度的深大斷裂帶和構(gòu)造薄弱帶（晁洪太等，1994；劉保金等，2015）。郯廬斷裂宿遷段F5斷裂（圖2）在江蘇省宿遷市境內(nèi)，北起新沂河南岸，南至宿遷埠子鎮(zhèn)，沿曉店鎮(zhèn)、宿遷市區(qū)、三棵樹(shù)鄉(xiāng)一帶分布，長(zhǎng)度約35 km。已有研究結(jié)果表明，郯廬斷裂宿遷段F5斷裂大體呈NNE 向羽狀排列，主要是由相向而傾、近直立發(fā)育的東西2 條主干斷裂F5-1和F5-2組成，形成的斷裂寬度為100～1 000 m，且北部較窄，南部較寬。東支斷裂F5-1以西傾為主，西支斷裂F5-2以東傾為主，既有逆沖又有正斷，整體以右旋走滑運(yùn)動(dòng)為主（許漢剛等，2016）。

圖2 郯廬斷裂帶宿遷段地質(zhì)構(gòu)造圖Fig. 2 Geological structure map of the Tanlu fault Suqian segment

本研究斷層土壤氡測(cè)線 SG 位于宿遷市三臺(tái)山森林公園以南，合歡路北側(cè)，地勢(shì)平坦、土壤干燥。測(cè)線布設(shè)垂直于斷層走向，總長(zhǎng)度720 m，跨郯廬斷裂宿遷段F5斷裂，同時(shí)與土壤氡同場(chǎng)地進(jìn)行了土壤CO2探測(cè)（圖3）。土壤氡測(cè)量采用FD216 型測(cè)氡儀，主要技術(shù)指標(biāo)為：探測(cè)靈敏度≥0.68 cpm/(Bq·m-3)，本底計(jì)數(shù)率≤0.3 cpm，土壤氡測(cè)量范圍為300～300 000 Bq·m-3。儀器抽取氣體流速為1.2 L/min，一次測(cè)量周期為11 min，采用錐形氣體采樣器，土壤氡采集深度80 cm，測(cè)線上每個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行3 次平行測(cè)定，并取平均值。測(cè)線總長(zhǎng)720 m，測(cè)量間隔為5 m，高值區(qū)測(cè)量間隔為1 m。土壤CO2探測(cè)采用GXH-3010E1 型紅外線CO2探測(cè)儀，主要技術(shù)指標(biāo)為：測(cè)量范圍0～0.500%，分辨率0.001%，重復(fù)性≤1%滿刻度。土壤氡探測(cè)時(shí)間為2018 年9 月，每日8:00-18:00 進(jìn)行測(cè)量，歷時(shí)3 d 完成，探測(cè)期間天氣晴朗，平均氣溫24 ℃，平均相對(duì)濕度41%。

圖3 合歡路場(chǎng)地位置圖Fig. 3 Location of Hehuan road

土壤氡、CO2測(cè)量結(jié)果如圖4 所示，測(cè)線存在2個(gè)明顯的異常區(qū)間。異常區(qū)間與F5斷裂2 條主干斷裂F5-1、F5-2有較好的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系。為便于數(shù)據(jù)分析，以1770 號(hào)CDP（共發(fā)射點(diǎn)道集）點(diǎn)為界，將土壤氡測(cè)線SG 分為東西測(cè)線SG1、SG2。土壤氡測(cè)線探測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)分析與同場(chǎng)地淺層人工地震探測(cè)結(jié)果如表2 所示。

表2 土壤氡測(cè)線探測(cè)結(jié)果與淺層人工地震探測(cè)結(jié)果Table 2 Detection results of soil radon line and shallow seismic

圖4 合歡路測(cè)線土壤氡濃度、CO2 濃度Fig. 4 Soil radon and carbon dioxide survey line of Hehuan road

土壤氣體濃度除受地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)、地殼特征和地震活動(dòng)影響外，還受溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速等氣象因素的影響，在決定活動(dòng)斷裂土壤氣體濃度值的因素中，環(huán)境條件是次要的（Toutain 等，1999；周曉成等，2011）。在郯廬斷裂帶合歡路土壤氡探測(cè)期間環(huán)境條件相對(duì)穩(wěn)定，土壤氡異常原因主要與地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)、地殼特征和地震活動(dòng)等因素有關(guān)。從探測(cè)結(jié)果可以看出，斷裂F5-1和F5-2斷點(diǎn)位置均在土壤氡濃度異常區(qū)間內(nèi)，郯廬斷裂帶宿遷段合歡路土壤氡探測(cè)對(duì)活斷層有較好的效果，能夠有效展示活斷層的位置。

3 活斷層上覆蓋層中氡遷移的數(shù)值模擬

對(duì)于合歡路場(chǎng)地宿遷市活動(dòng)斷層探測(cè)與地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)項(xiàng)目通過(guò)鉆孔聯(lián)合剖面探測(cè)獲得了郯廬斷裂帶宿遷段F5斷裂合歡路場(chǎng)地的地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性特征等參數(shù)，為本文進(jìn)行氡遷移的數(shù)值模擬提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐，在淺層人工地震勘探的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了鉆孔聯(lián)合剖面探測(cè)，分布在淺層地震測(cè)線SS 控制的東西兩端，東西兩端鉆孔聯(lián)合剖面各施工6 個(gè)孔（圖3），探明了西支F5-2斷裂和東支F5-1斷裂的2 個(gè)分支F5-11、F5-12，斷點(diǎn)上覆蓋層巖性特征如表3 所示，根據(jù)不同地層的巖性特征，對(duì)流速度和有效擴(kuò)散系數(shù)取值參考表1 中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表3 斷點(diǎn)上覆蓋層參數(shù)Table 3 Overburden parameters on fault point

由淺層人工地震和鉆孔聯(lián)合剖面探測(cè)結(jié)果可知，合歡路場(chǎng)地地質(zhì)構(gòu)造和覆蓋層巖組特征相對(duì)復(fù)雜，氡遷移的基本模型不能準(zhǔn)確解釋氡異常現(xiàn)象。為得到更準(zhǔn)確的數(shù)值模擬結(jié)果，建立模型時(shí)，一方面要識(shí)別地質(zhì)構(gòu)造中的次級(jí)斷裂、裂隙（劉菁華，2006；伍劍波等，2014），另一方面要考慮覆蓋層的非均值性（Yakovlev 等，2010；Zhang 等，2014）。此外，活斷層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是建模需要關(guān)注的重要方面。在應(yīng)力釋放作用下，斷層末端受到較小的應(yīng)力，巖石未完全破碎，僅發(fā)生局部破裂，保留了母巖基本特征，而靠近斷點(diǎn)的斷層破碎帶在形成過(guò)程中消耗了斷層發(fā)育釋放的大部分能量，破碎程度高（付曉飛等，2005）。由此可見(jiàn)，斷層內(nèi)部靠近斷點(diǎn)的破碎帶孔隙度較大，是氡遷移的主要通道，在對(duì)斷層內(nèi)部建模時(shí)，應(yīng)對(duì)斷裂破碎帶進(jìn)行識(shí)別。斷點(diǎn)附近構(gòu)造應(yīng)力和斷層活動(dòng)性強(qiáng)度達(dá)到最大時(shí)，派生裂縫的寬度隨著距斷點(diǎn)的距離的縮短而增大，氡在此通道中遷移越快，土壤氡異常峰是斷裂相對(duì)破碎區(qū)間在地面的直接反映。模型建立時(shí)，可用土壤氡異常峰寬度對(duì)應(yīng)斷層內(nèi)部相對(duì)破碎區(qū)域，通過(guò)二次函數(shù)來(lái)描述斷層內(nèi)部破碎帶氡濃度。本文根據(jù)淺層人工地震和聯(lián)合鉆孔結(jié)果，識(shí)別出合歡路場(chǎng)地?cái)嗔?、覆蓋層分層特性和斷層內(nèi)部結(jié)構(gòu)，完成對(duì)合歡路場(chǎng)地土壤氡遷移建模（圖5）。

圖5 合歡路土壤氡遷移模型Fig. 5 Radon migration mode of Hehuan Road

針對(duì)合歡路場(chǎng)地西支F5-2斷層土壤氡遷移模型，給定邊界條件及參數(shù)：

式中，N1為斷點(diǎn)處氡濃度值；W為斷裂帶寬度，取值為氡濃度異常峰的寬度；N2、N3為斷層兩側(cè)地層上氡濃度值；f(x) 為斷裂帶氡濃度函數(shù)。給定參數(shù)值a=180 m，b=5.8 m，W＝79 m，N1＝2.4×105Bq/m3，N2=N3＝2×104Bq/m3，h=0.01 cm/s。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，得到該模型的數(shù)值模擬結(jié)果，如圖6（a）所示。圖6（b）為F5-2斷裂上方地表下0.8 m 處的氡濃度數(shù)值模擬曲線，其結(jié)果與土壤氡實(shí)測(cè)曲線較吻合。

圖6 F5-2 斷層土壤氡遷移數(shù)值模擬Fig. 6 Numerical simulation of soil radon migration in fault F5-2

針對(duì)合歡路場(chǎng)地西支F5-1斷層土壤氡遷移模型，給定邊界條件及參數(shù)：

式中，N1為F5-11斷點(diǎn)處氡濃度值，W1為F5-11斷點(diǎn)處斷裂帶寬度；N2為F5-12斷點(diǎn)處氡濃度值，W2為F5-12斷點(diǎn)處斷裂帶寬度。W1和W2取值分別為2 個(gè)氡濃度異常峰的寬度；f(x)為斷裂帶氡濃度函數(shù)。給定的參數(shù)值a=110 m，b=32 m，W1＝16 m，N1＝4.3×105Bq/m3，W2＝35 m，N2＝3.6×105Bq/m3，N3＝1×105Bq/m3，N4＝5×104Bq/m3，h=0.01 cm/s。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，得到該模型數(shù)值模擬結(jié)果，如圖7（a）所示。圖7（b）為F5-1斷裂上方地表下0.8 m 處的氡濃度數(shù)值模擬曲線，其結(jié)果與土壤氡實(shí)測(cè)曲線較吻合。

圖7 F5-1 斷層土壤氡遷移數(shù)值模擬Fig. 7 Numerical simulation of soil radon migration in fault F5-1

土壤氡遷移的數(shù)值模擬結(jié)果給出了斷點(diǎn)上覆蓋層內(nèi)的氡濃度二維分布。合歡路場(chǎng)地F5-2斷層地質(zhì)構(gòu)造主要包含1 個(gè)斷裂，數(shù)值模擬的結(jié)果為單峰異常，F(xiàn)5-1斷層的地質(zhì)構(gòu)造主要包含1 個(gè)主斷裂和1 個(gè)次級(jí)斷裂，數(shù)值模擬結(jié)果為雙峰異常；斷裂寬度決定了異常峰寬度，異常峰值由覆蓋層巖組特征和斷面氡濃度共同決定；氡在不同類型覆蓋層中遷移速度不同，以圖5（a）為例，垂直方向上覆蓋層中氡濃度變化梯度呈分段特征，覆蓋層3（最致密）中氡遷移速度最慢，覆蓋層2（最疏松）中氡遷移速度最快。

4 結(jié)論

郯廬斷裂帶作為1 個(gè)巖石圈尺度的深大斷裂和構(gòu)造薄弱帶，是氡及其母體向上遷移的有利通道，本研究的郯廬斷裂帶宿遷段合歡路場(chǎng)地是郯廬斷裂土壤氡響應(yīng)“靈敏點(diǎn)”，土壤氡釋放強(qiáng)度較強(qiáng)。土壤氡濃度異常特征不僅與斷層自身釋放的特性有關(guān)，還與斷層類型、覆蓋層的分層特征等因素有關(guān)：氡沿?cái)嗔严蛏线w移，濃度不斷減小，呈衰減趨勢(shì)；雙峰或多峰的形態(tài)異常，多與存在次斷裂相關(guān)；異常峰值由斷面氡濃度和覆蓋層類型等因素決定；異常峰寬度與破碎帶寬度有關(guān)；不同類型覆蓋層中氡氣分布不同，在致密的覆蓋層中氡的對(duì)流速度慢，有效擴(kuò)散系數(shù)較小，對(duì)流和擴(kuò)散作用較弱，濃度梯度變化較大；在疏松的覆蓋層中氡的對(duì)流速度快，有效擴(kuò)散系數(shù)較大，對(duì)流和擴(kuò)散作用相對(duì)較強(qiáng)，濃度梯度變化較小。

本文根據(jù)土壤氡遷移理論，利用數(shù)值模擬方法分析了郯廬斷裂帶宿遷段合歡路場(chǎng)地2 種典型土壤氡濃度異常，并給出合歡路場(chǎng)地覆蓋層中土壤氡濃度二維模擬結(jié)果，與實(shí)測(cè)情況相近，證明了理論模型可行性。開(kāi)展氡遷移數(shù)值模擬研究，可以定量解釋斷層類型、覆蓋層其分層特征與土壤氡濃度異常的關(guān)系，判斷斷層斷點(diǎn)的位置，給出斷層相對(duì)破碎的區(qū)間，為斷層土壤氡實(shí)測(cè)資料的解釋提供客觀依據(jù)。