北京市平原區(qū)黃莊-高麗營斷裂北段土壤氣汞地球化學特征

郭莉 劉旭東 高學泉 尤世娜 周瑜琨 白凌燕

摘 要：選取地表變形痕跡明顯的典型場地——溫榆河北堤、中部綠化帶和北部農田，開展土壤氣汞、大氣汞濃度和土壤汞含量監(jiān)測研究。監(jiān)測結果表明：1）地表覆蓋層性質不同，對表層土壤氣汞特征有顯著的影響，表層（0～20 cm）土壤氣汞濃度以及土壤汞（0～20 cm）含量均為綠化帶>農田>河堤;2）深層（60～80 cm）土壤氣汞濃度高于表層（0～20 cm）土壤氣汞濃度，地表變形痕跡明顯處為土壤氣汞濃度異常地段，其曲線分布形態(tài)反映溫榆河北堤和北部農田斷裂結構特征不同，不同季度深層土壤氣汞濃度特征表明黃莊-高麗營斷裂帶溫榆河北堤和北部農田地段活動性相同;3）通過監(jiān)測土壤氣汞地球化學動態(tài)特征，有利于土壤氣汞地球化學方法進行斷裂帶的控制性探測。

關鍵詞：土壤氣汞;斷裂帶;黃莊-高麗營斷裂帶

Geochemical characteristics of soil-gas mercury in northern section of Huangzhuang-Gaoliying fault of Beijing plain

GUO Li， LIU Xudong， GAO Xuequan， YOU Shina， ZHOU Yukun， BAI Lingyan

（Beijing Institute of Geological Survey，Beijing 100195， China）

Abstract： In the Future Science City Park， which is traversed by the northern section of the Huangzhuang-Gaoliying fault zone， typical sites with obvious surface deformation marks- the north embankment of Wenyu River， the central green belt， and the northern farmland-- are selected for monitoring experiments of soil-gas mercury， atmospheric mercury and soil mercury. The monitoring results show that： （1）The different properties of land cover layer have a significant influence on the characteristics of the surface soil-gas mercury and the surface soil mercury， with the green belt > the farmland > the embankment. （2）The concentration of deep soil-gas mercury is higher than that of the surface soil-gas mercury. There are obvious abnormal mercury concentrations in areas with obvious surface deformation traces. The curve peak corresponds well to the fault and the curve shape better reflects the fault properties. The characteristics of deep soil-gas mercury in different seasons show that the activities of the two segments of the fault zone are the same. （3） Monitoring the dynamic characteristics of soil-gas mercury geochemistry is beneficial to controlling detection of fault zones by soil-gas mercury geochemistry method.

Keywords： soil-gas mercury; fault zone; Huangzhuang-Gaoliying

20世紀60年代，地球化學勘查家已將壤中氣汞應用于礦產勘查、地熱勘探、地震預報和考古工作。1991 年原地質礦產部頒布實施了行業(yè)標準DZ 0003-1991《汞蒸氣測量規(guī)范》，認為土壤中汞氣來源于礦體，隨著試驗范圍的擴大和應用性資料的積累，特別是斷裂構造帶及地震預報的大量資料的應用，汞氣廣泛來源于構造斷裂帶，土壤中汞氣異常主要指示斷裂構造（衛(wèi)敬生，1998）。

大量城市活斷層地球化學探測的實踐證明，利用土壤氣汞地球化學方法開展城市隱伏斷裂的勘查，通常受地質、氣象及地表環(huán)境條件的影響，如溫度、地表覆蓋層條件及地表巖石碎屑等（王傳遠等，2004;張冠亞，2015;陸麗娜等，2018;Poissant et al.，2004）。為了使測量結果更精確可靠，分析和結論更為科學，選擇有斷層露頭或有探槽資料的典型場地開展試驗研究（張慧等，2013;Burton et al.，2004），驗證土壤氣汞地球化學探測方法在各因素影響下，判斷斷層位置、斷裂結構、斷裂影響范圍有效性（Shao Yongxin et al.，2008），斷裂釋放氣汞對環(huán)境影響研究的可行性。通過對典型場地土壤氣異常特征分析，氣汞濃度曲線特征，并結合理論基礎，為研究斷層控制性探測提供重要依據(jù)。

1? 研究區(qū)概況

研究場地位于北京市平原區(qū)黃莊-高麗營斷裂北段穿越的未來科學城園區(qū)內，斷裂北段全新世以來斷裂活動明顯，地表變形痕跡明顯，溫榆河北堤斷裂錯斷到地表位置（圖1 a），中部瀝青路面地表變形明顯，北部雞肉廠墻面強烈變形開裂并延伸至地表，路面形成明顯的陡坎（圖1 b）。

2? 研究方法

2.1? 采樣方法

2.1.1? 監(jiān)測線布設

2020年6月—2021年5月，以地表變形痕跡明顯處為監(jiān)測中心點，北部農田垂直于斷裂走向布設監(jiān)測線，溫榆河北堤沿河堤布設監(jiān)測線，見圖2，隨著遠離變形痕跡明顯處或者陡坎位置，監(jiān)測點間距逐漸增大，兩端固定監(jiān)測點間距5 m、25 m、50 m、100 m。對表層（0～20 cm）土壤氣汞、深層（60～80 cm）土壤氣汞、大氣汞濃度和表層（0～20 cm）土壤汞含量進行監(jiān)測。每次采樣記錄地表溫度，見圖3。

2.1.2? 捕汞管凈化

新出廠的和長期未使用的鍍金玻璃砂捕汞管在500～600oC的爐溫下凈化，然后捕汞管連接儀器，儀器響應值為零，回收率達85%以上的捕汞管封閉待用。

2.1.3? 取樣方法

1）表層土壤氣汞的采集：清理表層土壤雜草，將罩式取樣器（直徑30 cm，高20 cm不銹鋼圓罩）用錘打入土體至緊固，用硅膠管依次連接罩式取樣器、捕汞管和抽氣泵，以400 mL·min-1流速，按照需要設置抽取10 min的氣體4 L預富集土壤氣Hg，捕集管富集氣Hg后帶回實驗室測試。

2）深層土壤氣汞的采集：用鋼釬打孔，將土壤取氣鉆密封在孔徑約20 mm、土壤深度60～80 cm的采樣孔中，用硅膠管依次連接取氣鉆、捕汞管和抽氣泵，以400 mL·min-1流速，按照需要設置抽取10 min的氣體4 L預富集土壤氣Hg，捕集管富集氣Hg后帶回實驗室測試。

3）大氣汞的采集：直接連接硅膠管和捕汞管，用抽氣泵抽集大氣，以600 mL·min-1流速，按照需要設置抽取10 min的氣體6 L預富集大氣Hg，捕集管富集氣汞后帶回實驗室測試。

4）表層土壤采集：同時在測點采集表層（0～20 cm）土壤，保存在密封的聚乙烯袋內，避免取樣過程中的污染，帶回實驗室測試。

2.2? 分析方法

2.2.1? 氣汞分析方法

氣汞濃度測試所使用的儀器為冷原子熒光測汞儀Terank2600，該儀器采用熱脫附與冷原子熒光檢測器集成，雙金管濃縮系統(tǒng)，配有Terank 2505氣態(tài)汞外部校正源。儀器的檢測限為0.1 pg，對應的土壤氣汞濃度檢測限為0.023 ng·m-3，根據(jù)峰面積計算土壤氣汞濃度。

在每次進行測汞以前，對儀器進行汞含量標準曲線測定，其結果非常接近。標準曲線的相關系數(shù)R> 0.999時開始分析采集土壤氣汞的捕汞管樣品，所測樣品的絕對汞量均在標準曲線范圍內。

2.2.2? 土壤汞分析方法

土壤汞含量測試所用的儀器為DMA-80，是基于高溫氧分解—催化吸附除雜—汞齊化捕集—原子吸收測定一體化技術研制而成的分析儀，無需樣品的酸化處理，將采集到的土壤樣品風干，研磨后混勻，稱取土壤樣品（精確至0.0001 g）放于預先清洗過的樣品舟中，放入自動進樣器進行檢測。使用中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所研制的國家土壤標準樣品進行質量控制。

3? 結果

3.1? 表層土壤氣汞地球化學特征

在未來科學城園區(qū)的溫榆河北堤（南部）、馬路綠化帶（中部）和雞肉廠南農田（北部）地表變形痕跡明顯處，布設表層土壤氣汞剖面測線。由表層土壤氣汞濃度特征（表1）可知：溫榆河北堤表層土壤氣汞濃度最低，平均值為23 ng·m-3，此處河堤樹木成排，地表覆蓋物主要為雜草，物質單一，土壤汞含量也最低，平均值為0.017 mg·kg-1;林地綠化帶覆蓋物為建筑垃圾填土，表層土壤氣汞濃度平均值為45 ng·m-3，土壤汞含量平均值為0.041 mg·kg-1;雞肉廠南農田2020 年種植玉米，2021年上半年農田閑置，表層土壤氣汞濃度平均值為38 ng·m-3，表層土壤汞含量平均值0.029 mg·kg-1;可見因不同土地利用方式，即表層覆蓋層不同對表層土壤氣汞特征有顯著的影響，表層土壤氣汞濃度和土壤汞含量綠化帶>農田>河堤。

從溫榆河北堤和雞肉廠南農田表層土壤氣汞濃度動態(tài)監(jiān)測特征看（圖4），溫榆河北堤表層土壤氣汞濃度在2020年9月時濃度達到高峰值，平均值為61 ng·m-3，在2020年10月至2021年5月期間表層土壤氣汞濃度相對較低，濃度范圍為6～21 ng·m-3，監(jiān)控曲線分布形態(tài)特征在中心帶差異顯著。雞肉廠南農田表層土壤氣汞濃度分布形態(tài)特征從2020年6月到2021年5月基本一致，夏季表層土壤氣汞濃度顯著增高。

3.2? 深層土壤氣汞地球化學特征

選擇溫榆河北堤和雞肉廠南農田2條測線進行深層土壤氣汞濃度動態(tài)監(jiān)測，由深層土壤氣汞特征（表2）可知，深層土壤氣汞濃度高于表層土壤氣汞濃度，溫榆河北堤深層土壤氣汞濃度最高濃度可達246 ng·m-3，位于地表變形痕跡明顯處;雞肉廠南農田深層土壤氣汞濃度最高可達372 ng·m-3，位于地表變形痕跡明顯處東側。

溫榆河北堤剖面線動態(tài)監(jiān)測顯示，深層土壤氣汞濃度曲線的峰值分布形態(tài)較為一致（圖5 a），深層土壤氣汞的峰值分布形態(tài)為單峰，高峰值位于地表變形痕跡明顯處，為此段斷裂帶地下氣汞的主要釋放通道。

溫榆河北堤深層土壤氣汞在2020年9月的平均濃度達到114 ng·m-3，2020年10月到2021年3月深層土壤汞濃度持續(xù)較低，2021年4月深層土壤氣汞濃度在地表變形痕跡明顯處附近以及東側濃度劇增，小滿節(jié)氣有雨后，2021年5月份深層土壤氣汞濃度顯著下降。

雞肉廠南農田剖面線動態(tài)監(jiān)測顯示，深層土壤氣汞濃度曲線呈現(xiàn)雙峰形態(tài)（圖5 b），地表變形痕跡明顯處深層土壤氣汞濃度為低峰，兩側呈現(xiàn)高峰形態(tài);2021 年3月監(jiān)測線東側濃度增至372 ng·m-3，西側濃度增至349 ng·m-3，雙峰形態(tài)更加顯著。斷層東側（上盤）深層土壤氣汞濃度高于西側（下盤）。

3.3? 大氣汞地球化學特征

林地和農田監(jiān)測剖面線大氣汞濃度范圍為3.0～6.9 ng·m-3，平均值為4 ng·m-3，地表土壤氣汞和大氣汞的互相遷移達到平衡，沒有引起大氣汞濃度異常;僅在5月的大氣汞監(jiān)測時（圖6），出現(xiàn)斷層上盤（東側）大氣汞濃度升高。

4? 討論

4.1? 影響因素

溫榆河北堤為綠化林地，土壤致密，地表多雜草，地表變形痕跡明顯處為土壤氣汞的主要釋放通道，東側土壤質地主要為壤土，西側土壤質地主要為砂質土壤，土壤氣汞濃度空間變化特征同時受到土壤質地的影響。

中部綠化帶主要為建筑垃圾填埋地，土壤中汞含量高直接反映覆蓋層物質的復雜性，顯著影響土壤氣汞濃度，不適合開展土壤氣汞動態(tài)監(jiān)測。

雞肉廠南農田2020年種植玉米，2021年上半年農田閑置，土壤受到翻耕、施肥、雨水澆灌和收獲等因素影響，但是由于覆蓋層性質單一，農田在翻耕種植玉米和收獲后，地表土壤氣汞濃度變化不大，地表土壤氣汞濃度主要隨氣溫變化而變化。深層土壤氣汞濃度的主要影響因素是降雨，雨后土壤濕度大，封閉了深部土壤氣汞的逸出通道。

因而覆蓋層性質影響土壤氣汞濃度特征，土壤中汞含量反映覆蓋層物質含汞特征、土地利用性質和受到人為環(huán)境的影響程度。

在城市活斷層監(jiān)測工作中，尋找覆蓋層性質相對單一而且適宜開展地球化學土壤氣汞工作的地區(qū)相對較難，剔除覆蓋層、土壤性質、氣候變化等的影響因素，通過監(jiān)測表層和深層土壤氣汞濃度峰值特征，有利于對斷裂活動性時空變化特征進行跟蹤監(jiān)測研究。

4.2? 土壤氣汞濃度特征

原北京市地質調查研究院在中部綠化帶和雞肉廠南農田之間開挖槽探，地表變形地段布設物探，推斷黃莊-高麗營斷裂北段傾向南東，上斷點埋深接近地表，表現(xiàn)為“鏟式”斷層的特點，局部位置表現(xiàn)為“Y”字形結構特征，該斷裂帶“Y”字形組合特征表明斷裂下降盤在斷面附近受到牽引力向下拖曳，在縱彎作用下，產生張裂，因而形成了具有與斷裂走向一致的地裂縫和墻體路面開裂地質災害現(xiàn)象（張曉亮等，2016;張磊等，2017;徐吉祥等，2022）。在雞肉廠南農田中布設350 m測線，深層土壤氣汞濃度曲線出現(xiàn)多峰形態(tài)（圖7），是低滲透性的斷裂核部以及高滲透性的破碎帶在空間上相互交織，還是黃莊-高麗營主斷裂和次級斷裂性質的反映，有待進一步研究。

4.3? 推測斷層性質

從溫榆河北堤和雞肉廠南農田深層土壤氣汞濃度曲線分布形態(tài)看，2處斷裂帶結構特征不相同，溫榆河北堤深層土壤氣汞濃度曲線為單峰形態(tài)，在地表變形痕跡明顯處為峰值區(qū)（黃理善等，2020），推測該處由單一的斷裂核部及環(huán)繞其周圍破碎帶組成。

對比2020年10月和2021年5月溫榆河北堤和雞肉廠南農田深層土壤氣汞濃度曲線特征（圖8），地表變形痕跡明顯處深層土壤氣汞濃度特征相近，表明斷裂帶活動性相同。

5? 結論

表層土壤氣汞特征值因不同土地利用方式，即表層覆蓋層不同對表層土壤氣汞特征有顯著的影響，表層土壤氣汞濃度土壤汞含量綠化帶>農田>河堤，覆蓋物質中土壤汞含量和氣溫是影響表層土壤氣汞濃度的因素。

深層土壤氣汞濃度高于表層土壤氣汞濃度，通過監(jiān)測地表變形痕跡明顯處深層土壤氣汞的動態(tài)特征，高峰值濃度段指示了斷裂帶地下氣汞的主要釋放通道，需要通過動態(tài)監(jiān)測深層土壤氣汞濃度峰值變化特征，剔除各因素的影響，才有利于斷裂活動性時空變化特征進行跟蹤監(jiān)測研究。

利用土壤氣汞地球化學探測方法，在黃莊-高麗營斷裂北段地表調查發(fā)現(xiàn)的地表變形痕跡明顯處進行土壤氣汞濃度動態(tài)監(jiān)測，溫榆河北堤土壤氣汞濃度單峰形態(tài)，地表變形痕跡明顯處為高峰值區(qū)，推測為單一的斷裂構造。雞肉廠南農田土壤氣汞濃度雙峰形態(tài)，地表變形痕跡明顯處為低峰值區(qū)，兩側為高峰值區(qū)，與該段斷裂帶“Y”字形組合特征一致，南北兩條監(jiān)測曲線分布形態(tài)反映斷裂結構特征不同，不同季度深層土壤氣汞濃度特征表明該斷裂帶兩段活動性相同。

通過監(jiān)測土壤氣汞地球化學動態(tài)特征，有利于土壤氣汞地球化學方法進行斷裂帶的控制性探測。

參考文獻

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