土壤氡氣測(cè)量在調(diào)查礦山斷裂中的應(yīng)用

郭鵬文，王 飛

（天津華北地質(zhì)勘查局核工業(yè)二四七大隊(duì)，天津 301800）

氡通常的單質(zhì)形態(tài)是氡氣，是人類(lèi)所接觸到的唯一具有放射性的最重的惰性氣體。由于氡是由鈾最終衰變而成，而鈾以一定的含量存在于自然界中的巖石、土壤和水體之中，所以在自然環(huán)境中氡無(wú)處不在。地層或礦山介質(zhì)內(nèi)部的238U通過(guò)衰變鏈產(chǎn)生222Rn。222Rn在介質(zhì)內(nèi)部積累并進(jìn)一步衰變，同時(shí)在擴(kuò)散、滲流機(jī)理作用下從介質(zhì)表面析出[1]。地層是層狀分布的，如果沒(méi)有采空區(qū)或其他地質(zhì)構(gòu)造，其物理性質(zhì)在沿層橫向上是相對(duì)均一的。氡在地層或礦山介質(zhì)中的運(yùn)移機(jī)制主要有：擴(kuò)散對(duì)流、孔隙流體運(yùn)移、應(yīng)力應(yīng)變、溫度壓力、接力傳遞等作用。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于太行斷塊沁水塊坳的南端，區(qū)域地層總體走向?yàn)楸蔽骰蚪鼥|西向，傾向北東，傾角一般小于10°，區(qū)域構(gòu)造總體形態(tài)為單斜構(gòu)造。

區(qū)域上地層分布自東向西由老至新，下川—前交莊一線南西出露長(zhǎng)城系及寒武系地層，日華—次營(yíng)鎮(zhèn)—河北鎮(zhèn)—北留鎮(zhèn)一線以南出露奧陶系地層，測(cè)線向北依次出露石炭系、二疊系地層，三疊系地層出露于北部及城后腰斷層與寺頭斷層北東段之間，第四系松散沉積物廣泛分布。

2 儀器與測(cè)量方法

本次工作選擇使用核工業(yè)北京地質(zhì)研究院生產(chǎn)的FD216環(huán)境氡測(cè)量?jī)x。該儀器以閃爍室法為基礎(chǔ)，用氣泵將含氡的氣體吸入閃爍室，氡及其子體發(fā)射的α粒子使閃爍室內(nèi)的ZnS(Ag)涂層發(fā)光，光電倍增管再把這種光訊號(hào)變成電脈沖。單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)與氡濃度成正比，從而確定空氣中氡的濃度。在測(cè)量前進(jìn)行儀器的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、一致性檢測(cè)，符合精度要求即可投入使用。

剖面布設(shè)在第四系發(fā)育，斷層被覆蓋的地段。剖面沿方位88°～168°布設(shè)，垂直斷層的總體走向。測(cè)點(diǎn)間距10m。測(cè)量打孔（孔深0.7m～1.0m）立即插入取樣器，并將取樣器上部椎體周?chē)寥捞?shí)，防止大氣竄入孔中稀釋氡濃度，影響測(cè)量效果。用軟橡膠皮管將儀器與取樣器連接，一端接取樣器的氣體出口處，另一端接入儀器的進(jìn)氣孔，進(jìn)行測(cè)量。儀器內(nèi)置參數(shù)為：本底測(cè)量，充氣時(shí)間：2min；測(cè)量時(shí)間：5min；排氣時(shí)間：2min。當(dāng)儀器充氣結(jié)束后進(jìn)入測(cè)量過(guò)程時(shí)及時(shí)拔掉進(jìn)氣孔膠皮管，使儀器在空氣中完成排氣過(guò)程。記錄讀數(shù)進(jìn)行下一個(gè)點(diǎn)測(cè)量。

本次測(cè)量完成20條土壤氡氣剖面測(cè)量，共計(jì)5.8km，656個(gè)測(cè)點(diǎn)。

3 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

對(duì)野外氡氣測(cè)量原始數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)字填圖進(jìn)行剃值分別計(jì)算單條剖面氡濃度異常背景值，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，制作出數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)分布直方圖。通過(guò)對(duì)數(shù)特征統(tǒng)計(jì)直方圖，可以看出數(shù)據(jù)偏向于對(duì)數(shù)正態(tài)分布。因此，采用對(duì)數(shù)正態(tài)分布進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪制圖件。

3.1 土壤氡濃度變化特征

對(duì)本次測(cè)量的1線，2線，4線，7線，8線，17線所取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（見(jiàn)表1），各剖面土壤氡濃度平均值及背景值差別較大，平均值在4581.96Bq/m3～13021.08Bq/m3之間，背景值在3576.40Bq/m3～11974.00Bq/m3之間。根據(jù)背景值的高低劃分為高背景（大于等于9000Bq/m3）、中背景（大于等于5000Bq/m3小于9000Bq/m3）、低背景（小于5000Bq/m3）。背景值高低主要反映了剖面所通過(guò)地段的巖性、孔隙度、富水性等的差異。利于氡氣運(yùn)移的地段顯示較高背景，反之則是較低背景。

表1 土壤氡濃度分布特征

各剖面土壤氡濃度的變化系數(shù)在0.31～1.03之間。本次測(cè)量發(fā)現(xiàn)次級(jí)斷層的剖面，除4號(hào)，濃度變化系數(shù)均小于0.50。在有限地段內(nèi)（剖面線測(cè)量范圍），次級(jí)斷層的發(fā)育，增加了氡濃度的高值點(diǎn)，顯示出了較低的變化系數(shù)。

3.2 土壤異常劃分標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)對(duì)氡氣測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)特征，各剖面的土壤氡異常劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 各剖面土壤氡氣異常劃分標(biāo)準(zhǔn) 單位：Bq/m3

3.3 土壤氡異常斷層定位模式

斷裂構(gòu)造對(duì)土壤氡氣測(cè)量的影響，特別是在現(xiàn)今仍處于活動(dòng)期的斷裂中，由于其巖石破裂，使巖石或地層由原來(lái)的封閉狀態(tài)變成開(kāi)放或半開(kāi)放狀態(tài)，使斷層部位成為氡氣和其他氣體聚集和向上遷移的良好通道，導(dǎo)致斷層上土壤氡氣富集。松散土層的覆蓋厚度對(duì)土壤氡氣含量及異常形態(tài)有較大影響，當(dāng)覆蓋層厚度不大時(shí),峰值突出,異常明顯；當(dāng)厚度增大時(shí)則異常變得低緩,寬度加大。

一般將異常形態(tài)和斷層產(chǎn)狀的對(duì)應(yīng)關(guān)系分為三類(lèi)，一是傾角很小的斷層，見(jiàn)有與斷層相交的裂隙出現(xiàn)，土壤氡氣常為高低不等的多峰形態(tài)；二是傾角較大的斷層，土壤氡氣的總體形態(tài)為不對(duì)稱(chēng)的單峰，在斷層傾向的方向一側(cè)比另一側(cè)升降緩慢；三是直立斷層，土壤氡氣基本為對(duì)稱(chēng)的單峰[2]。當(dāng)然這三種類(lèi)型之間還有好多過(guò)渡型。出現(xiàn)斷層相交、錯(cuò)切等情形，異常的識(shí)別與斷層確定就更為復(fù)雜，存在“高中選高”、“高中選低”等原則.下面就剖面7線、8線進(jìn)行結(jié)果分析，見(jiàn)圖1。

圖1 7線、8線氡濃度剖面圖

3.3.1 剖面D7

剖面D7測(cè)線方位171°，完成探測(cè)點(diǎn)33個(gè)。氡濃度介于3387.5Bq/m3～22265.0Bq/m3之間，背景值為11322.05Bq/m3，最大異常峰值為22265.0Bq/m3，高出背景值2.0倍左右。在測(cè)點(diǎn)240～300出現(xiàn)高值異常，剖面形態(tài)為相對(duì)連續(xù)的多峰，異常段也相對(duì)連續(xù)，根據(jù)氡氣測(cè)量數(shù)據(jù)及背景值，在該異常段推測(cè)出斷層，編號(hào)F1，根據(jù)剖面形態(tài)變化，異常往大號(hào)點(diǎn)方向變化緩慢，確定斷層傾向北西。

3.3.2 剖面8

剖面D8測(cè)線方位175°，完成探測(cè)點(diǎn)31個(gè)。氡濃度介于2612.9Bq/m3～27726.9Bq/m3之間，背景值為8019.485Bq/m3，最大異常峰值為27726.9Bq/m3，高出背景值3.45倍左右。在測(cè)點(diǎn)230～280出現(xiàn)高值異常，剖面形態(tài)整體為連續(xù)的多峰，異常段較為連續(xù)，根據(jù)氡氣測(cè)量數(shù)據(jù)及背景值，在該異常段推測(cè)出斷層,編號(hào)F1,根據(jù)剖面變化形態(tài)，異常往大號(hào)點(diǎn)方向變化緩慢，確定斷層傾向北西，在測(cè)點(diǎn)50出現(xiàn)最高值異常，為單點(diǎn)異常。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)取得的土壤氡的測(cè)量數(shù)據(jù)，經(jīng)處理分析后得到了研究區(qū)斷裂構(gòu)造及其上、下盤(pán)的土壤氡分布特征。

（2）總結(jié)建立了研究區(qū)斷裂構(gòu)造識(shí)別的土壤氡異常標(biāo)志，并確定了寺斷層在第四系覆蓋區(qū)的具體分布位置。驗(yàn)證了土壤氡測(cè)量探測(cè)斷層的有效性。

（3）氡氣濃度與斷層的發(fā)育位置具有相關(guān)性，可以在效地確定隱伏斷裂構(gòu)造的位置及傾向。但氡氣測(cè)量研究對(duì)斷層有一定的局限性，難以確定斷層的傾角。如果要準(zhǔn)確的查明斷層的所有產(chǎn)狀要素，建議考慮結(jié)合其他物探方法進(jìn)行調(diào)查研究。