郯廬斷裂帶宿遷段土壤氣氡與斷裂活動性關(guān)系研究

單友磊　朱紅　張加家

摘要：通過跨斷層土壤氣氡逸出濃度測量，獲得數(shù)據(jù)資料，氡濃度呈明顯的正態(tài)分布特征，峰值出現(xiàn)在斷裂中心區(qū)域或斷裂帶附近，隨著遠(yuǎn)離斷裂軸線，測值沿斷層兩側(cè)呈階梯式降低。結(jié)合郯廬斷裂帶宿遷段5條主干斷裂分段特征以及土壤氣氡M值、B值、A值、N值、相對活動度、異常下限、異常襯度等指標(biāo)參數(shù)變化，得出土壤氣氡逸出濃度高低與斷裂活動性強(qiáng)弱有較好的對應(yīng)關(guān)系，土壤氣氡逸出濃度越高，斷裂活動性越強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：? 郯廬斷裂；? 宿遷段；? 土壤氣氡；? 斷裂活動性

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2023.02.011

氡是鈾的中間衰變產(chǎn)物鐳經(jīng)過α衰變產(chǎn)生的，其半衰期較短，限制了氡在土壤中擴(kuò)散，但當(dāng)氡被流動的氣體（如二氧化碳、甲烷、氮?dú)獾龋┗蛩\(yùn)移時，可以反映地下深部的信息，因此常用于勘探隱伏斷裂［1-2］。氡是一種放射性氣體，是鐳衰變的中間產(chǎn)物，它在巖石的孔隙和裂隙中以自由氡、吸附氡和封閉氡的形式存在，當(dāng)?shù)貧そ橘|(zhì)受到力的作用而發(fā)生變形破壞時，賦存于介質(zhì)中的流體在動力作用、熱力作用時，氡容易從其賦存的介質(zhì)中逃逸出來［3］。氡射氣的成因是巖石中所含鐳的衰變，可以通過斷層和破碎帶從地下深處向地表遷移，在同一條斷裂帶上，近期活動的地段含量較大，據(jù)此可以推斷斷層的活動段和穩(wěn)定段［4］。水氡以溶解氡為主，逸出氡為輔，而氣氡以觀測斷層逸出氡為主，氣氡觀測的鉆孔設(shè)在中條山山前大斷裂與NW向隱伏斷裂交匯處，主要受溫度和氣壓的影響［5］。在活動斷裂帶等巖石疏松或孔隙相對較多的地段，由于其有效孔隙度和滲透率高，并且破碎帶膠結(jié)程度較差，能夠成為氡氣聚集和對流的良好通道［6］。新10泉位于楊柳溝—紅雁池斷裂帶上，可以對該測點(diǎn)及其周圍附近進(jìn)行斷層氣體的測量，探究斷層氣濃度空間分布、變化與斷層活動的關(guān)系，對斷層活動性進(jìn)行評價［7］。在風(fēng)化花崗巖地區(qū)，高滲透率和中滲透率占優(yōu)勢，而第四紀(jì)沉積物地區(qū)大部分土壤氡滲透率較低，人工回填土情況較為復(fù)雜，土壤氡滲透率差別較大［8］。土層中氡含量取決于獲取量和逸散量，當(dāng)土層厚度較大、結(jié)構(gòu)密實(shí)時，氡氣逸散不暢，對氡的富集有利，當(dāng)測區(qū)表土為透氣性差的密閉蓋層時，向上運(yùn)移的氡氣屏蔽于該蓋層之下，使得近地表土層氣體中氡含量降低［9］。氡異常點(diǎn)與斷裂位置吻合程度高，在基巖凹陷地區(qū)的氡濃度平均值要小于隆起地區(qū)，基巖埋深較淺的斷裂對應(yīng)的氡濃度值明顯高于其他地區(qū)斷裂帶的氡濃度，推斷氡濃度分布特征不但與基巖的埋深有關(guān)，而且主要受斷裂影響［10］。郯城—廬江斷裂帶是中國東部一條規(guī)模巨大的斷裂帶，簡稱郯廬斷裂帶。總體走向NNE，由數(shù)條相互平行的主干斷裂所組成，構(gòu)成塹壘格架，并被一系列北西向斷裂所切割。該斷裂帶在重、磁場上均有明顯的條帶狀、串珠狀異常反映。在長期的發(fā)展演化過程中，在空間上表現(xiàn)為分段差異活動，在時間上則具多期活動的特點(diǎn)。因此，通過測量土壤氡逸出濃度和峰值位置，對判斷區(qū)域內(nèi)斷裂分布及其活動性具有重要意義。

1郯廬斷裂帶宿遷段地質(zhì)特征

強(qiáng)震的發(fā)生有著深刻的地震構(gòu)造背景，邢臺7.2級地震的發(fā)生不單是一條活動斷裂的問題，也包括這條活動斷裂所處的區(qū)域地震構(gòu)造環(huán)境［11］。根據(jù)活動斷層探測最新成果，郯廬斷裂帶宿遷段存在5條近NEE向主干斷裂，分別為王莊—蘇圩斷裂（F₁）、大官莊—雙莊斷裂（F₂）、城崗—耿車斷裂（F₃）、窯灣—高作斷裂（F₄）、橋北鎮(zhèn)—宿遷斷裂（F₅），其中F5斷裂可分為東支（F_5-1）和西支（F_5-2），公元前70年安丘7.0級地震、1668年山東郯城8.5級地震都曾發(fā)生在這條斷裂帶上（表1）。王莊—蘇圩斷裂為郯廬斷裂帶東邊界斷裂，目標(biāo)區(qū)內(nèi)該斷裂均為第四系覆蓋，未見斷裂出露，僅在宿遷北部、新沂市可見地表露頭，多為王氏組紅色砂巖與花崗巖接觸。大官莊—雙莊斷裂由新沂經(jīng)祁園、新店、駱馬湖，至雙莊—龍河一帶，總體走向平行于F1斷裂，主要出露于祁園、大官莊一帶，該處可見宿遷組地層與第四系接觸，其余都為第四系覆蓋。城崗—耿車斷裂是郯廬斷裂帶的主干斷裂之一，宿遷段由北向南經(jīng)城崗、駱馬湖、蔡集鎮(zhèn)、耿車鎮(zhèn)至安徽境內(nèi)，大部分被第四系覆蓋。窯灣—高作斷裂為郯廬斷裂帶西邊界斷裂，東側(cè)為郯廬帶白堊紀(jì)斷陷盆地，西側(cè)是古老地層斷塊隆起，均為第四系覆蓋，未見斷裂出露。橋北鎮(zhèn)—宿遷斷裂又稱馬陵山—重崗山斷裂，位于F1和F2斷裂之間，由蘇魯交界的沭河向南到馬陵山、曉店、宿遷主城區(qū)、重崗山，終止于淮河北岸，斷錯地貌現(xiàn)象比較明顯。

在野外對斷層氣測線的勘選，要盡可能的在土質(zhì)老且均勻、地形較平坦、地下水埋深較一致的地段布設(shè)測線［12］。影響氡析出率的主要因素除氣象因素外，還與巖層孔隙、裂隙發(fā)育程度及其連通性及含水飽和度等有關(guān)［13］。經(jīng)過多次實(shí)地勘察，采取垂直斷層走向布設(shè)測線，測量不同位置斷層氣氡的濃度，判定不同活動年代斷層氣氡異常表現(xiàn)差異。由于F1、F2和F4斷層最新活動時間在晚更新世以前，活動性較弱，在3條斷層上各選擇1處剖面進(jìn)行測量。F3和F5-1斷層均為晚更新世活動斷層，仍具有一定的發(fā)震能力，按照10 km間距分別布設(shè)5條和7條測線。F5-2斷層為全新世斷層，具有較強(qiáng)的發(fā)震能力，按照8 km間距由北向南布設(shè)14條測線。根據(jù)場地條件，布的測線長300～400 m，測點(diǎn)間距50 m左右，出現(xiàn)高值異常時，測點(diǎn)間距縮小到10 m。本次測量共布設(shè)29條測線、488個測點(diǎn)，測線總長達(dá)9.6 km，覆蓋了郯廬斷裂帶宿遷段每一條斷層。把進(jìn)氣口用管子延伸至采樣器底部，出氣口保持不變，可形成氣體快速循環(huán)，使氡氣不發(fā)生積累和被平均，觀測到的是瞬時值，這樣觀測效果會更好［14］。本次測量使用的儀器為北京核地科技公司生產(chǎn)的便攜式FD216環(huán)境氡測量儀，丁政等在探測隱伏斷裂可信度研究中發(fā)現(xiàn)，分別在30 cm、60 cm斷層深度進(jìn)行氡氣測量時，發(fā)現(xiàn)60 cm深度存在氡氣異常，而30 cm深度未見異常［15］。因此為保證取氣質(zhì)量，每次測量前，先將儀器放置測點(diǎn)預(yù)熱，將鋼釬垂直打入地下100 cm，用橡膠管從鋼釬孔抽氣，抽氣速度控制在約1.2 L/min，抽氣結(jié)束后，每間隔5 min連續(xù)讀取3個數(shù)，待讀數(shù)平衡后取第3個數(shù)作為該測點(diǎn)斷層氣氡濃度。

2結(jié)果與分析

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，在測量判斷土壤氡峰值位置時，應(yīng)對斷裂破碎帶進(jìn)行識別［16］。斷點(diǎn)附近構(gòu)造應(yīng)力和斷層活動性強(qiáng)度達(dá)到最大時，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破碎區(qū)間在地面的直接反映。① 王莊—蘇圩斷裂布設(shè)的測線1峰值為14.08 KBq/m³，在測線99 m處，位于湖濱新區(qū)曉店鎮(zhèn)北，為背景值的2.5倍，為最低值（1.259 KBq/m³）的11.2倍，異常點(diǎn)數(shù)占該測線的13.3%。② 大官莊—雙莊斷裂布設(shè)的測線2峰值為5.218 KBq/m³，在測線152 m處，位于宿城區(qū)雙莊鎮(zhèn)南，為背景值的2.3倍，為最低值（0.896 KBq/m³）的5.8倍，異常點(diǎn)數(shù)占該測線的17.6%。③ 城崗—耿車斷裂布設(shè)5條測線，測線3-7 峰值為6.007～11.7 KBq/m³，位于斷裂附近，均值為2.461～4.916 KBq/m³。各條測線最高峰值為11.7 KBq/m³，在測線3的150 m處，位于宿城區(qū)蔡集鎮(zhèn)北，靠近駱馬湖大堤，F(xiàn)₃斷裂異常點(diǎn)數(shù)占測點(diǎn)總數(shù)的11.8%。④ 窯灣—高作斷裂布設(shè)的測線8峰值為8.477 KBq/m³，在測線150 m處，位于湖濱新區(qū)皂河鎮(zhèn)北，靠近駱馬湖大堤南岸，峰值為背景值的4.1倍，為最低值（1.258 KBq/m³）的6.7倍，異常點(diǎn)數(shù)占該測線的5%。⑤ 橋北鎮(zhèn)—宿遷斷裂存在地震潛在風(fēng)險，進(jìn)行加密測量。F_5-1斷裂布設(shè)的測線9～15峰值為4.895～13.762 KBq/m³，均值為2.375～6.976 KBq/m³，最高峰值在測線10的149 m處，位于湖濱新區(qū)三臺山森林公園內(nèi)，該處基巖出露明顯，異常點(diǎn)數(shù)占測點(diǎn)總數(shù)的10.8%。F_5-2斷裂布設(shè)的測線16～29峰值為4.516～36.737 KBq/m³，均值為1.963～14.203 KBq/m³，最高峰值出現(xiàn)在測線28的181 m處，位于泗洪縣峰山鄉(xiāng)境內(nèi)，屬于丘陵地帶，異常點(diǎn)數(shù)占測點(diǎn)總數(shù)的9.1%。各條測線氡逸出濃度統(tǒng)計情況見表2，最高峰值曲線見圖1。

2期 單友磊等：郯廬斷裂帶宿遷段土壤氣氡與斷裂活動性關(guān)系研究? 孟廣魁等研究海原斷裂構(gòu)造，提出峰背比是評價斷層有無、活動性強(qiáng)弱的參數(shù)［17］。劉菁華等研究指出，斷層的位置基本與異常的峰值相對應(yīng)，主峰在斷層處［18］。丁政等提出地球化學(xué)背景值、異常下限、異常襯度等異常參數(shù)，為判別斷裂位置及兩側(cè)活動強(qiáng)度差異提供了參考［15］。借鑒前人的斷層活動性判定方法，引入異常最大值M、異常背景值B、相對活動度S、異常平均值A(chǔ)、正常平均值N、異常襯度An等指標(biāo)。以測線測量值的平均值作為背景值B，以超過背景值加1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差作為土壤氣氡的異常值［19］，這里異常值為D，作為斷層氣氡異常下限，超過D值的數(shù)據(jù)均為異常值，

斷層氣氡濃度測值分布特征與斷層位置聯(lián)系密切，距離斷層越近，氡逸出濃度高值點(diǎn)越集中，隨著距離斷層越來越遠(yuǎn)，氡濃度逐漸降低。以F₁、F₂、F₄斷裂為例，除 F₁出現(xiàn)個別測點(diǎn)高值異常外，其余測點(diǎn)氡濃度均為個位數(shù)，相對活動程度和異常襯度均不高。F₃斷裂和F_5-1斷裂各類指標(biāo)總體情況相似，測得F3斷裂峰值和最高背景值分別為11.7 KBq/m³和4.916 KBq/m³，最大相對活動程度和異常襯度數(shù)值分別大約為2.8、3.2，測得F_5-1斷裂峰值和最高背景值分別為13.762 KBq/m³和6.976 KBq/m³，最大相對活動程度和異常襯度數(shù)值分別大約為3.5、4.2，可以看出F_5-1斷裂比F₃斷裂活動程度要強(qiáng)一些。F_5-2斷裂各類指標(biāo)高值區(qū)段在所有主干斷裂中占比均最大，氡濃度高值異常主要集中在該斷裂，測得峰值和最高背景值分別為36.737 KBq/m³和14.203 KBq/m³，最大相對活動程度和異常襯度數(shù)值分別為7.1、11.3，明顯高于其他斷裂，且異常背景值下限多數(shù)高于其它斷裂，F(xiàn)5-2斷裂活動性高于其余斷裂，與宿遷市城市活動斷層探測項目對斷層的活動性鑒定成果一致。利用氡濃度強(qiáng)度初步判斷斷層的相對活動性可以在一定程度消除覆蓋層巖組特征對斷層活動性的影響，那么氡濃度強(qiáng)度主要包含了斷面濃度信息，即區(qū)域應(yīng)力大小和兩盤膠結(jié)開啟程度2種信息［20］。

4結(jié)束語

跨斷層測量發(fā)現(xiàn)，斷層氣氡濃度峰值主要集中在斷層帶內(nèi)，呈明顯的正態(tài)分布，隨著遠(yuǎn)離斷裂中心位置，濃度逐漸降低。這主要是由于斷層兩側(cè)錯動或擠壓破裂形成破碎帶，為斷層氣向上逸出打開了通道，當(dāng)?shù)叵聰鄬踊顒佑蓧盒宰優(yōu)閺埿詴r，斷層氣逸出濃度會明顯增加。通過換算關(guān)系和計算結(jié)果，得出各條剖面斷層氣氡濃度相對活動程度和異常襯度等指標(biāo)，再根據(jù)不同位置斷層氣氡各類指標(biāo)對比分析，判斷F_5-2斷層活動性明顯高于F_5-1、F₃、F₂、F₁，能夠為區(qū)分?jǐn)鄬臃侄翁卣魈峁┛茖W(xué)依據(jù)。當(dāng)然，如果要精確定位隱伏斷裂位置和判斷活動程度，還需借鑒其它方法。郯廬斷裂帶沿北北東向縱貫宿遷，轄區(qū)內(nèi)斷裂分布特征為開展斷層氣氡觀測提供了天然場地條件，斷層氣氡逸出濃度變化與地震構(gòu)造活動密切相關(guān)，通過加密斷層氣氡觀測，對開展區(qū)域地震活動監(jiān)測、及時捕捉地震前兆異常具有指示意義。

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STUDY ON RELATIONSHIP BETWEEN SOIL RADON

AND FAULT ACTIVITY IN SUQIAN SEGMENT

OF TANLU FAULT ZONE

SHAN You-lei，? ZHU Hong， ZHANG Jia-jia

（Suqian Seismological Service Center， Suqian 223800， Jiangsu， China）

Abstract： Through the measurement of the radon escaping concentration of soil gas across the fault， the data obtained show that the radon concentration presents an obvious normal distribution feature， and the peak value appears in the central area of the fault or near the fault zone. With the distance from the fault axis， the measured value decreases step by step along both sides of the fault. Based on the segmentation characteristics of five main faults in Suqian segment of Tanlu fault zone and the variation of soil radon parameters， such as M value， B value， A value， N value， relative activity， abnormal lower limit and abnormal contrast， it is concluded that there is a good relationship between the concentration of radon in soil and the activity of faults. The higher the concentration of radon in soil， the stronger the activity of faults.

Key words： Tanlu fault; Suqian section; Soil gas radon; Fault activity