河北省張北地區(qū)土壤氡分布特征及控制因素研究

趙嘉煒, 張?jiān)迄i, 劉志遠(yuǎn), 柴 泉, 魏云飛

(河北省地質(zhì)調(diào)查院，石家莊 050081)

0 引言

土壤氡測(cè)量方法自上世紀(jì)90年代以來(lái)被廣泛應(yīng)用于隱伏斷裂調(diào)查的工作中，是一種探測(cè)隱伏斷裂的存在、位置、走向和傾向的有效手段[1-8]。近幾年國(guó)內(nèi)土壤氡測(cè)量應(yīng)用越來(lái)越廣泛,并在隱伏斷層探測(cè)中取得了較好的效果[9-15]。

研究區(qū)主要斷裂構(gòu)造大部分被第四系覆蓋， 通過(guò)分析研究區(qū)內(nèi)4條氡氣測(cè)量剖面，得到不同巖性地區(qū)的土壤氡背景場(chǎng)特征和隱伏斷裂的位置和產(chǎn)狀，并根據(jù)幅背比對(duì)斷層的活動(dòng)性強(qiáng)弱進(jìn)行了分析。研究結(jié)果對(duì)地質(zhì)填圖和隱伏斷裂活動(dòng)性研究有一定的科學(xué)價(jià)值。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于華北陸塊北緣中段，處于尚義-赤城斷裂帶北側(cè)，屬壩上高原。南部為基巖裸露區(qū)，北部地表大部分為第四系覆蓋。區(qū)內(nèi)地層主要由古元古代(紅旗營(yíng)子巖群太平莊巖組)、中生代(早白堊世張家口組、青石砬組、晚白堊世南天門(mén)組)、新生代地層(漢諾壩組、上新世石匣組、晚更新世遷安組、馬蘭組及全新世沖洪積、風(fēng)積、湖積等堆積物)組成。其中中元古代的巖漿活動(dòng)表現(xiàn)最為強(qiáng)烈，侵入巖分布范圍最大，主要巖性有其中中二疊世-三疊世的花崗巖、漸新世-中新世玄武巖。研究區(qū)西南部有少量白堊紀(jì)青石砬組砂巖及泥頁(yè)巖[16]。

研究區(qū)新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,間歇性斷塊升降十分明顯,主要表現(xiàn)為多級(jí)層狀地貌、強(qiáng)烈的火山活動(dòng)、盆地遷移、斷裂活動(dòng)及地震等[17]。研究區(qū)內(nèi)主要有張北沽源斷裂和上火石-興義泉斷裂，上火石-興義泉斷裂在喜馬拉雅期以伸展拉張型正斷層活動(dòng)為特征，活動(dòng)于北西-南東向拉張構(gòu)造環(huán)境。該期形成的構(gòu)造線呈北東-北北東向展布，切割了白堊紀(jì)及其之前的地質(zhì)體，帶內(nèi)發(fā)育張性斷層角礫夾斷層泥及碎裂狀巖石，具硅化等蝕變[17]。

2 工作原理及方法

2.1 測(cè)氡原理

氡是一種放射性氣體，其半衰期較短僅為3.8 d，其衰變主要產(chǎn)生①218Po(RaA);②214Pb(RaB);③214Bi(RaC);④214Po(RaC)四種子體。

本次工作采用泵吸α能譜法測(cè)氡，其基本原理是利用放射性動(dòng)態(tài)平衡理論，通過(guò)測(cè)量222Rn第一代子體218Po實(shí)現(xiàn)對(duì)氡222Rn 的間接測(cè)量，通過(guò)泵吸取樣方式，抽取被測(cè)目標(biāo)氡氣及其子體進(jìn)入帶有正高壓靜電收集腔，進(jìn)入內(nèi)部的氡會(huì)繼續(xù)衰變使取樣腔中氡子體218Po 跟氡保持放射性平衡。218Po會(huì)在正靜電高壓電場(chǎng)力作用下，吸附到探測(cè)器表面進(jìn)行α衰變。探測(cè)器會(huì)感應(yīng)射線能量信息，采用α能譜測(cè)量，通過(guò)α能譜特性獲取218Po子體的特征信息從而實(shí)現(xiàn)氡濃度的測(cè)量。實(shí)際土壤中，釷220Rn的分布與222Rn氡差不多，非常廣泛[3-4]。

2.2 工作方法

利用土壤氡氣測(cè)量對(duì)隱伏斷裂構(gòu)造的特征進(jìn)行評(píng)估(位置、產(chǎn)狀、影響范圍及活動(dòng)性強(qiáng)弱)。在垂直于斷裂構(gòu)造走向且覆蓋層較厚的地區(qū)進(jìn)行剖面布設(shè)，盡量避開(kāi)人類活動(dòng)較強(qiáng)的區(qū)域，氡氣測(cè)量剖面布置統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1，測(cè)量點(diǎn)距為10 m。工作采用FD216型測(cè)氡儀，工作開(kāi)展前首先對(duì)儀器進(jìn)行了標(biāo)定，并對(duì)儀器一致性進(jìn)行了檢測(cè)，每個(gè)工作日均對(duì)儀器穩(wěn)定性進(jìn)行檢查，符合EJ/T605—1993《氡及其子體測(cè)量規(guī)范》要求。到達(dá)測(cè)點(diǎn)后，先記錄土質(zhì)及地質(zhì)情況，然后打孔，打孔后立即插入取樣器，并及時(shí)將周?chē)寥缐簩?shí)，防止空氣竄入孔中稀釋氡濃度，影響測(cè)量結(jié)果；取氣深度一般在0.7 m～1.0 m。每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量三次取三次測(cè)量的平均值為該測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果值。研究區(qū)氯氣測(cè)量測(cè)線統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)氡氣測(cè)量測(cè)線統(tǒng)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)、外尚未對(duì)氡氣測(cè)量方法研究斷裂活動(dòng)分級(jí)作出統(tǒng)一普遍適用的判別標(biāo)準(zhǔn)。參考前期學(xué)者提供的判斷指標(biāo)，通過(guò)異常幅值和背景值的比值，來(lái)表征斷裂帶的地球化學(xué)特征[18-19]。全部測(cè)量結(jié)果的平均值為區(qū)域背景場(chǎng)，背景場(chǎng)與兩倍均方差之和為異常下限。因研究區(qū)地質(zhì)條件較復(fù)雜，第四系厚度不均及黏土發(fā)育等問(wèn)題，對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大影響，不同剖面間氡濃度差異較大，因此工作采用單條剖面統(tǒng)計(jì)的方式，分別計(jì)算各剖面的背景場(chǎng)及異常下限。

3 結(jié)果分析

3.1 土壤氡氣與覆蓋區(qū)巖性特征

覆蓋區(qū)巖性特征對(duì)土壤氡氣測(cè)量結(jié)果的影響主要在測(cè)量背景值大小上[20]，對(duì)通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析研究區(qū)不同巖性的土壤氡背景值，工區(qū)主要巖性的土壤氡背景值差異較大(表2)。其中中二疊世-三疊世的花崗巖區(qū)土壤氡背景值平均值達(dá)4 766.1 Bq/m3，漸新世-中新世玄武巖區(qū)土壤氡背景值平均值達(dá)869.8 Bq/m3，白堊紀(jì)青石砬組砂巖及泥頁(yè)巖區(qū)土壤氡背景值平均值達(dá)477.1 Bq/m3。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,侵入巖氡濃度值普遍高于沉積地層的氡濃度值，說(shuō)明在對(duì)不同剖面的土壤氡異常判定中，不同巖性的異常圈定是不同的，其中DQ04剖面通過(guò)花崗巖體和白堊紀(jì)青石砬組砂巖及泥頁(yè)巖地層(青石砬組地層根據(jù)鉆孔資料劃定)，對(duì)土壤氡異常的解釋也應(yīng)該根據(jù)巖性分界，分段解釋。

表2 研究區(qū)主要巖性土壤氡統(tǒng)計(jì)

Th、U元素是Rn的衰變母體核素，介質(zhì)中Th、U等核素含量及分布與Rn含量、Rn析出率密切相關(guān)。根據(jù)河北省區(qū)域巖石地區(qū)化學(xué)調(diào)查報(bào)告和張北縣幅(1:250 000)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，研究區(qū)漢諾壩組玄武巖Th、U含量最低，早三疊世細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖、中二疊世變質(zhì)細(xì)粒花崗閃長(zhǎng)巖與青石砬組(砂巖、泥頁(yè)巖)的差距不大。但早三疊世細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖、中二疊世變質(zhì)細(xì)粒花崗巖區(qū)域內(nèi)的氡背景值遠(yuǎn)大于青石砬組地層區(qū)域的氡背景場(chǎng)(表3)。

表3 研究區(qū)主要巖性Th、U含量統(tǒng)計(jì)

張北地區(qū)氡濃度不僅與不同巖性間放射性元素含量有關(guān)，也與不同巖性間Rn析出率相關(guān)?？紫抖仍酱箅睔獾奈龀雎试礁撸芯繀^(qū)內(nèi)的侵入巖體多形成于古生代，風(fēng)化嚴(yán)重，其內(nèi)部微裂縫發(fā)育，易形成較大孔隙度，利于氡氣的存儲(chǔ)，裂隙發(fā)育也為深部氡氣的運(yùn)移提供了通道。青石砬組地層Th、U含量與侵入巖體相當(dāng)，其頂部有厚層泥巖，泥巖屬于隔水層對(duì)氡氣的運(yùn)移有一定的阻礙效應(yīng)，氡氣向上的運(yùn)移空間基本被阻斷，形成了氡濃度背景值極低這一特征，與研究區(qū)內(nèi)的侵入巖相比低了近10倍。研究區(qū)內(nèi)的漢諾壩組地層厚度大，且多呈氣孔杏仁狀，，形成死孔隙，但是該組地層節(jié)理發(fā)育，為深層的氡氣向上運(yùn)移提供了通道，使雖然其氣孔多被其他礦物質(zhì)填充得該組地層雖然Th、U含量最低，但其氡濃度背景場(chǎng)較青石砬組地層高出一倍。

3.2 土壤氡氣與斷層活動(dòng)性

DQ01剖面(圖1(a))整體氡濃度值偏高，剖面西南均有二疊世細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖出露，巖體氡濃度值普遍高于沉積地層的氡濃度值，這是引起整體氡濃度背景值偏高的主要原因。2 600點(diǎn)～3 200點(diǎn)間氡濃呈現(xiàn)劇烈跳變多峰狀高場(chǎng)特征，氡濃度最大值為17 174 Bq/m3。推斷該區(qū)段跳變處的氡高濃度值應(yīng)為F10上火石-興義泉斷裂構(gòu)造的反映，構(gòu)造影響寬度約400 m。

圖1 土壤氡測(cè)量剖面圖Fig.1 Soil radon measurement profile(a)DQ01;(b)DQ02;(c)DQ03;(d)DQ04

DQ02剖面(圖1(b))，1 000點(diǎn)～2 400點(diǎn)氡濃度表現(xiàn)為穩(wěn)定平緩的低值場(chǎng)特征，與玄武巖地區(qū)背景場(chǎng)基本一致。2 400點(diǎn)～2 800點(diǎn)間氡濃度呈峰狀，整體梯度表現(xiàn)為南陡北緩，氡濃度極大值為2 700 Bq/m3，推斷該異常由隱伏的次級(jí)構(gòu)造引起。2 900點(diǎn)～3 700點(diǎn)間氡濃度呈現(xiàn)劇烈跳變多峰狀高場(chǎng)特征，氡濃度極大值為5 512 Bq/m3，推斷該區(qū)段跳變處的氡高濃度值應(yīng)為F11斷裂構(gòu)造的反映，構(gòu)造影響寬度約800 m。

DQ03剖面(圖1(c))共有氡濃度異常段三個(gè)，①1 200點(diǎn)～1 500點(diǎn)間氡濃度曲線呈單峰狀高值異常特征，氡濃度極大值為16 111 Bq/m3;②2 400點(diǎn)～3 000點(diǎn)間氡濃度曲線呈單峰狀高值異常特征，氡濃度極大值為9 157 Bq/m3;③3 600點(diǎn)～3 900點(diǎn)間氡濃度曲線也呈單峰狀高值異常特征，氡濃度極大值為7 652 Bq/m3。推斷該氡濃度異常由張北-沽源斷裂帶上的次級(jí)斷裂構(gòu)造F5引起。

DQ04剖面(圖1(d))，主要穿越第四系全新世湖積覆蓋區(qū)，主要為淤泥及粉砂質(zhì)黏土。1 900點(diǎn)～2 700點(diǎn)間氡濃度呈單峰狀高場(chǎng)特征，氡濃度最大值為15 004 Bq/m3。該區(qū)段間跳變處的氡高濃度值應(yīng)為F10斷裂構(gòu)造的反映，影響寬度約700 m。

根據(jù)4條測(cè)氡剖面土壤氡濃度背景場(chǎng)與最大值統(tǒng)計(jì)結(jié)果計(jì)算幅背比(表4)，推斷的斷層活動(dòng)性強(qiáng)弱。其中DQ01和DQ04剖面通過(guò)上火石-興義泉斷裂，Rn含量較為平穩(wěn)，波動(dòng)范圍較少，幅背比為3.5和5.3，說(shuō)明上火石-興義泉斷裂埋深較大且活動(dòng)性較弱。DQ01和DQ04剖面氡濃度曲線均有明顯波動(dòng)，主要受侵入巖巖性影響，DQ04剖面1 000點(diǎn)到1 900點(diǎn)，氡濃度低值區(qū)推斷為白堊紀(jì)青石砬組背景場(chǎng)的表現(xiàn)，厚層泥巖對(duì)氡氣的運(yùn)移有一定的阻礙效應(yīng)。

表4 研究區(qū)土壤氡剖面幅背比統(tǒng)計(jì)

DQ02剖面通過(guò)F11斷裂，異常幅度大形態(tài)好，幅背比為11.7，推斷斷裂活動(dòng)性較強(qiáng)。F11斷裂為1998年張北縣6.2級(jí)地震的主控?cái)嗔?，為第四紀(jì)活動(dòng)斷裂，與氡氣測(cè)量推薦解釋相吻合。DQ03剖面通過(guò)F5斷裂，在隱伏斷裂帶氡濃度呈現(xiàn)劇烈跳變多峰狀高場(chǎng)特征，幅背比為12.9，說(shuō)明F5斷裂存在多條次級(jí)斷裂，且具有較強(qiáng)活動(dòng)性，氡氣測(cè)量結(jié)果推斷出多條隱伏斷裂，為物探手段在地質(zhì)填圖中的新發(fā)現(xiàn)。

張北地區(qū)的土壤氡測(cè)量結(jié)果表現(xiàn)了較強(qiáng)的非均值性和濃集性，對(duì)確定研究區(qū)隱伏斷裂的精確位置及其活動(dòng)性強(qiáng)弱有很好地應(yīng)用(圖2)。

圖2 土壤氡測(cè)量綜合成果圖Fig.2 Comprehensive results of soil radon measurement

5 結(jié)論

根據(jù)總結(jié)研究區(qū)4條測(cè)氡剖面氡濃度曲線與研究區(qū)巖性特征和主要斷裂的活動(dòng)性關(guān)系，得出以下結(jié)論：

1)分析了土壤氡背景值與覆蓋區(qū)巖性特征的關(guān)系，并定性描述了其影響因素及變化規(guī)律，張北地區(qū)氡濃度不僅與不同巖性間放射性元素含量有關(guān)，也與不同巖性間Rn析出率相關(guān)。研究區(qū)斷裂帶氡濃度呈劇烈跳變高值特征，背景值較低。造成這一特征的主要原因?yàn)椋芯繀^(qū)多為湖相沉積環(huán)境，第四系地層內(nèi)粘土較為發(fā)育，粘土有較強(qiáng)的隔水吸附效應(yīng)阻礙了氡氣的運(yùn)移，形成該區(qū)域背景場(chǎng)值較低的特征。

2)土壤氡測(cè)量結(jié)果表現(xiàn)了較強(qiáng)的非均值性和濃集性，對(duì)確定研究區(qū)隱伏斷裂的精確位置及其活動(dòng)性強(qiáng)弱有很好地應(yīng)用。

3)由于觀測(cè)時(shí)間有限，關(guān)于土壤氡測(cè)量的定量研究，還需對(duì)斷裂構(gòu)造進(jìn)行長(zhǎng)期土壤氡濃度監(jiān)測(cè)，對(duì)比不同時(shí)期土壤氡濃度的變化情況來(lái)判斷斷裂構(gòu)造的活動(dòng)性。