郯庐断裂带宿迁段土壤气氡与断裂活动性关系研究_单友磊.pdf

通过跨断层土壤气氡逸出浓度测量，获得数据资料，氡浓度呈明显的正态分布特征，峰值出现在断裂中心区域或断裂带附近，随着远离断裂轴线，测值沿断层两侧呈阶梯式降低。结合郯庐断裂带宿迁段 5 条主干断裂分段特征以及土壤气氡 M 值、B 值、A 值、N 值、相对活动度、异常下限、异常衬度等指标参数变化，得出土壤气氡逸出浓度高低与断裂活动性强弱有较好的对应关系，土壤气氡逸出浓度越高，断裂活动性越强。关键词:郯庐断裂;宿迁段;土壤气氡;断裂活动性doi:1016256/jissn1001-8956202302011氡是铀的中间衰变产物镭经过 衰变产生的，其半衰期较短，限制了氡在土壤中扩散，但当氡被流动的气体(如二氧化碳、甲烷、氮气等)或水运移时，可以反映地下深部的信息，因此常用于勘探隐伏断裂1-2。氡是一种放射性气体，是镭衰变的中间产物，它在岩石的孔隙和裂隙中以自由氡、吸附氡和封闭氡的形式存在，当地壳介质受到力的作用而发生变形破坏时，赋存于介质中的流体在动力作用、热力作用时，氡容易从其赋存的介质中逃逸出来3。氡射气的成因是岩石中所含镭的衰变，可以通过断层和破碎带从地下深处向地表迁移，在同一条断裂带上，近期活动的地段含量较大，据此可以推断断层的活动段和稳定段4。水氡以溶解氡为主，逸出氡为辅，而气氡以观测断层逸出氡为主，气氡观测的钻孔设在中条山山前大断裂与NW 向隐伏断裂交汇处，主要受温度和气压的影响5。在活动断裂带等岩石疏松或孔隙相对较多的地段，由于其有效孔隙度和渗透率高，并且破碎带胶结程度较差，能够成为氡气聚集和对流的良好通道6。新 10 泉位于杨柳沟红雁池断裂带上，可以对该测点及其周围附近进行断层气体的测量，探究断层气浓度空间分布、变化与断层活动的关系，对断层活动性进行评价7。在风化花岗岩地区，高渗透率和中渗透率占优势，而第四纪沉积物地区大部分土壤氡渗透率较低，人工回填土情况较为复杂，土壤氡渗透率差别较大8。土层中氡含量取决于获取量和逸散量，当土层厚度较大、结构密实时，氡气逸散不畅，对氡的富集有利，当测区表土为透气性差的密闭盖层时，向上运移的氡气屏蔽于该盖层之下，使得近地表土层气体中氡含量降低9。氡异常点与断裂位置吻合程度高，在基岩凹陷地区的氡浓度平均值要小于隆起地区，基岩埋深较浅的断裂对应的氡浓度值明显高于其他地区断裂带的氡浓度，推断氡浓度分布特征不但与基岩的埋深有关，而且主要受断裂影响10。郯城庐江断裂带是中国东部一条规模第37卷第2期2023年6月内陆地震INLANDEATHQUAKEVol37No2Jun2023收稿日期:2022-05-12;修回日期:2022-06-29课题项目:宿迁市断层气观测台网建设项目(201711);江苏省 2018 年重点研发专项(苏财教 2018 247 号)作者简介:单友磊(1988)，男，高级工程师，硕士，2010 年毕业于河南理工大学地球信息科学与技术专业，主要从事地震监测仪器运维和地震分析预报工作 E-mail:1773979777 qqcom巨大的断裂带，简称郯庐断裂带。总体走向 NNE，由数条相互平行的主干断裂所组成，构成堑垒格架，并被一系列北西向断裂所切割。该断裂带在重、磁场上均有明显的条带状、串珠状异常反映。在长期的发展演化过程中，在空间上表现为分段差异活动，在时间上则具多期活动的特点。因此，通过测量土壤氡逸出浓度和峰值位置，对判断区域内断裂分布及其活动性具有重要意义。1郯庐断裂带宿迁段地质特征强震的发生有着深刻的地震构造背景，邢台 72 级地震的发生不单是一条活动断裂的问题，也包括这条活动断裂所处的区域地震构造环境11。根据活动断层探测最新成果，郯庐断裂带宿迁段存在 5 条近 NEE 向主干断裂，分别为王庄苏圩断裂(F1)、大官庄双庄断裂(F2)、城岗耿车断裂(F3)、窑湾高作断裂(F4)、桥北镇宿迁断裂(F5)，其中 F5断裂可分为东支(F51)和西支(F52)，公元前 70 年安丘 70 级地震、1668 年山东郯城 85 级地震都曾发生在这条断裂带上(表 1)。王庄苏圩断裂为郯庐断裂带东边界断裂，目标区内该断裂均为第四系覆盖，未见断裂出露，仅在宿迁北部、新沂市可见地表露头，多为王氏组红色砂岩与花岗岩接触。大官庄双庄断裂由新沂经祁园、新店、骆马湖，至双庄龙河一带，总体走向平行于F1断裂，主要出露于祁园、大官庄一带，该处可见宿迁组地层与第四系接触，其余都为第四系覆盖。城岗耿车断裂是郯庐断裂带的主干断裂之一，宿迁段由北向南经城岗、骆马湖、蔡集镇、耿车镇至安徽境内，大部分被第四系覆盖。窑湾高作断裂为郯庐断裂带西边界断裂，东侧为郯庐带白垩纪断陷盆地，西侧是古老地层断块隆起，均为第四系覆盖，未见断裂出露。桥北镇宿迁断裂又称马陵山重岗山断裂，位于 F1和 F2断裂之间，由苏鲁交界的沭河向南到马陵山、晓店、宿迁主城区、重岗山，终止于淮河北岸，断错地貌现象比较明显。表 1郯庐断裂带宿迁段主要断裂特征编号断裂名称长度/km产状走向/倾向倾角/断裂性质最新活动时代切割深度F1王庄苏圩断裂1101020NWW6065右旋正断Q12错断莫霍面至上地幔F2大官庄双庄断裂601020SEE/NWW6065右旋逆、正断Q12错断莫霍面至上地幔F3城岗耿车断裂501020SEE/NWW6580右旋逆、正断Q3错断莫霍面F4窑湾高作断裂171020SEE6065右旋正断Q12错断莫霍面F5桥北镇宿迁断裂(东支 F51、西支 F52)1101020SEE/NWW6585右旋逆、正断Qh错断莫霍面在野外对断层气测线的勘选，要尽可能的在土质老且均匀、地形较平坦、地下水埋深较一致的地段布设测线12。影响氡析出率的主要因素除气象因素外，还与岩层孔隙、裂隙发育程度及其连通性及含水饱和度等有关13。经过多次实地勘察，采取垂直断层走向布设测线，测量不同位置断层气氡的浓度，判定不同活动年代断层气氡异常表现差异。由于 F1、F2和 F4断层最新活动时间在晚更新世以前，活动性较弱，在 3 条断层上各选择 1 处剖面进行测量。F3和 F51断层均为晚更新世活动断层，仍具有一定的发震能力，按照 10 km 间距分别布设 5 条和7 条测线。F52断层为全新世断层，具有较强的发震能力，按照 8 km 间距由北向南布设 14 条402内陆地震37 卷测线。根据场地条件，布的测线长 300400 m，测点间距 50 m 左右，出现高值异常时，测点间距缩小到 10 m。本次测量共布设 29 条测线、488 个测点，测线总长达 96 km，覆盖了郯庐断裂带宿迁段每一条断层。把进气口用管子延伸至采样器底部，出气口保持不变，可形成气体快速循环，使氡气不发生积累和被平均，观测到的是瞬时值，这样观测效果会更好14。本次测量使用的仪器为北京核地科技公司生产的便携式 FD216 环境氡测量仪，丁政等在探测隐伏断裂可信度研究中发现，分别在 30 cm、60 cm 断层深度进行氡气测量时，发现 60 cm 深度存在氡气异常，而 30 cm 深度未见异常15。因此为保证取气质量，每次测量前，先将仪器放置测点预热，将钢钎垂直打入地下 100 cm，用橡胶管从钢钎孔抽气，抽气速度控制在约 12 L/min，抽气结束后，每间隔 5 min 连续读取 3 个数，待读数平衡后取第 3 个数作为该测点断层气氡浓度。2结果与分析断层内部靠近断点的破碎带孔隙度较大，是氡迁移的主要通道，在测量判断土壤氡峰值位置时，应对断裂破碎带进行识别16。断点附近构造应力和断层活动性强度达到最大时，派生裂缝的宽度随着距断点的距离的缩短而增大，氡在此通道中迁移越快，土壤氡异常峰是断裂相对破碎区间在地面的直接反映。王庄苏圩断裂布设的测线 1 峰值为 1408 KBq/m3，在测线 99 m 处，位于湖滨新区晓店镇北，为背景值的 25 倍，为最低值(1259 KBq/m3)的 112 倍，异常点数占该测线的 133%。大官庄双庄断裂布设的测线 2 峰值为 5218 KBq/m3，在测线 152 m 处，位于宿城区双庄镇南，为背景值的 23 倍，为最低值(0896 KBq/m3)的 58 倍，异常点数占该测线的 176%。城岗耿车断裂布设 5 条测线，测线37 峰值为6007 117KBq/m3，位于断裂附近，均值为 24614916 KBq/m3。各条测线最高峰值为 117 KBq/m3，在测线 3 的 150 m 处，位于宿城区蔡集镇北，靠近骆马湖大堤，F3断裂异常点数占测点总数的118%。窑湾高作断裂布设的测线 8 峰值为 8477 KBq/m3，在测线 150 m 处，位于湖滨新区皂河镇北，靠近骆马湖大堤南岸，峰值为背景值的 41 倍，为最低值(1258 KBq/m3)的 67倍，异常点数占该测线的 5%。桥北镇宿迁断裂存在地震潜在风险，进行加密测量。F51断裂布设的测线 915 峰值为 489513762 KBq/m3，均值为 23756976 KBq/m3，最高峰值在测线 10 的 149 m 处，位于湖滨新区三台山森林公园内，该处基岩出露明显，异常点数占测点总数的 108%。F52断裂布设的测线 1629 峰值为 451636737 KBq/m3，均值为 196314203 KBq/m3，最高峰值出现在测线 28 的 181 m 处，位于泗洪县峰山乡境内，属于丘陵地带，异常点数占测点总数的 91%。各条测线氡逸出浓度统计情况见表 2，最高峰值曲线见图 1。孟广魁等研究海原断裂构造，提出峰背比是评价断层有无、活动性强弱的参数17。刘菁华等研究指出，断层的位置基本与异常的峰值相对应，主峰在断层处18。丁政等提出地球化学背景值、异常下限、异常衬度等异常参数，为判别断裂位置及两侧活动强度差异提供了参考15。借鉴前人的断层活动性判定方法，引入异常最大值 M、异常背景值 B、相对活动度 S、异常平均值 A、正常平均值 N、异常衬度 An 等指标。以测线测量值的平均值作为背景值 B，以超过背景值加 15 倍标准差作为土壤气氡的异常值19，这里异常值为 D，作为断层气氡异常下限，超过 D 值的数据均为异常值，5022 期单友磊等:郯庐断裂带宿迁段土壤气氡与断裂活动性关系研究表 2郯庐断裂带宿迁段主干断裂氡浓度测量结果统计表断裂名称测线编号测点数最大值/KBqm3最小值/KBqm3均值/KBqm3中值/KBqm3标准差/KBqm3比值F111514081259568544263717112F22175218089622971459141758F3317117192749164214261461417600708962461236512926751861251365307725431402456157629096826972245158779718765213213262956168458F48208477125812684321196867F51917489510582375212211461016137620996394121693488138111812769261369767087262849121612472247569546032943501317520108962421223512115814201020114594657367125427015168651154335933237177656F5216179581089626481757264810717134516135919631653084333181617251126745213507407136191674531024278320631723732017152081413606655724071082120232710825615546725832822217264180628103548325644421231720646124662154346541416624102631103854723239373768325183236911871420313969976827326169247129734552753186771271821433036530191292484858728183673706957245416686245292917964814446554779258867B=1NNi=1Xi(1)D=B+Ni=1(Xi B)2/N 15(i=1，2，3，N)(2)式(1)和(2)中:Xi为每条测线第 i 个测点断层气氡逸出浓度;N 为每条测线测点总数。M 为每条测线断层气氡异常最大值，相对活动度 S=M/B，A 为每条测线断层气氡异常值的平均值，N 为每条测线断层气氡异正常值的平均值，异常衬度 An=A/N。根据上述方法，测量并计算得到 F1F5断裂异常下限、M 值、B 值、S 值、A 值、N 值、An 值等(表 3)。断层气氡浓度测值分布特征与断层位置联系密切，距离断层越近，氡逸出浓度高值点越集中，随着距离断层越来越远，氡浓度逐渐降低。以 F1、F2、F4断裂为例，除 F1出现个别测点高602内陆地震37 卷表 3郯庐断裂带宿迁段主要断裂断层气氡各指标对比表断裂名称测线编号D/KBqm3M/KBqm3B/KBqm3SA/KBqm3N/KBqm3AnF1111261140856852477134844863005F224422521822972272479117622719F3388361174916238113140632783443996007246124415223209324965518161253077199156742558221865077762926972829762923683222757857652326234870982782553F487063847741112062847738822184F519402548952375206147912053233310917313762394134921376232874187111091812769697618311164363921821121010912472569521911911480724781342375201242121484895209123411484691020146572191003840592473156257865135932408744330432446F52165786958126483618733220243622173228451619632345161752581810626172514521381617251367246981953677453278326786685231928832012172152086066250713782503727362114923271615537812039145734458222001426418103542552249378409296523143362064662153322183174602398124157782631147235572631123251131825288553236914203227930974121072558266256924734552676924730693013271029121433301971214331936110732820183673772455071367375516667298537964846552072964843442221值异常外，其余测点氡浓度均为个位数，相对活动程度和异常衬度均不高。F3断裂和 F51断裂各类指标总体情况相似，测得 F3断裂峰值和最高背景值分别为 117 KBq/m3和 4916 KBq/m3，最大相对活动程度和异常衬度数值分别大约为 28、32，测得 F51断裂峰值和最高背景值分别为 13762 KBq/m3和 6976 KBq/m3，最大相对活动程度和异常衬度数值分别大约为 35、42，可以看出 F51断裂比 F3断裂活动程度要强一些。F52断裂各类指标高值区段在所有主干断裂中占比均最大，氡浓度高值异常主要集中在该断裂，测得峰值和最高背景值分别为 36737KBq/m3和14203 KBq/m3，最大相对活动程度和异常衬度数值分别为 71、113，明显高于其他断裂，且异常背景值下限多数高于其它断裂，F52断裂活动性高于其余断裂，与宿迁市城市活动断层探测项目对断层的活动性鉴定成果一致。利用氡浓度强度初步判断断层的相对活动性7022 期单友磊等:郯庐断裂带宿迁段土壤气氡与断裂活动性关系研究可以在一定程度消除覆盖层岩组特征对断层活动性的影响，那么氡浓度强度主要包含了断面浓度信息，即区域应力大小和两盘胶结开启程度 2 种信息20。图 1郯庐断裂带宿迁段主干断裂氡浓度最高峰值曲线(a)测线 1(b)测线 2(c)测线 3(d)测线 8(e)测线 10(f)测线 28Fig1Highest peak curves of adon concentration in the main faults of Suqian segment of Tanlu Fault Zone4结束语跨断层测量发现，断层气氡浓度峰值主要集中在断层带内，呈明显的正态分布，随着远离断裂中心位置，浓度逐渐降低。这主要是由于断层两侧错动或挤压破裂形成破碎带，为断层气向上逸出打开了通道，当地下断层活动由压性变为张性时，断层气逸出浓度会明显增加。通过换算关系和计算结果，得出各条剖面断层气氡浓度相对活动程度和异常衬度等指标，再根据不同位置断层气氡各类指标对比分析，判断 F52断层活动性明显高于 F51、F3、F2、F1，能够为区分断层分段特征提供科学依据。当然，如果要精确定位隐伏断裂位置和判断活动程度，还需借鉴其它方法。郯庐断裂带沿北北东向纵贯宿迁，辖区内断裂分布特征为开展断层气氡观测提供了天然场地条件，断层气氡逸出浓度变化与地震构造活动密切相关，通过加密断层气氡观测，对开展区域地震活动监测、及时捕捉地震前兆异常具有指示意义。参考文献:1Toutain J P Baubron J CGas geochemistry and seismotectonics:areview J Tectonophysics，1999，304:1-27 2Baubron J C igo A Toutain J PSoil gas profiles as a tool to characteristic active tectonic areas:the Jaut Pass example(Pyrenees France)J Earth and Planetary Science Letters，2002，196:69-81802内陆地震37 卷 3徐长银，孙海军，杨绍富库尔勒新 43 泉自动测氡仪脱气装置应用效果J 内陆地震，2018，32(3):282-287 4张炜，王吉易，鄂秀满，等水文地球化学预报地震的原理与方法M 北京:教育科学出版社，1988 5高守全，赵刚，薛生瑞，等夏县地震台气氡、水氡测值一致性及干扰因素分析 J内陆地震，2019，33(4):345-350 6杨凤山，徐燕氡气测量方法在礼贤断裂勘查中的应用J 城市地质，2015，10(2):127-130 7梁卉，向阳，颜龙，等新疆新 10 泉水文地球化学与断层气特征研究J 内陆地震，2020，34(2):157-164 8肖磊，王南萍，周志广，等广东中山地区土壤氡浓度填图研究 J 基层农技服务推广，2012，26(6):1 300-1 305 9戴华林，胡建平，包乾宗，等关于浅层地震勘探和测氡定位隐伏断裂的初步探讨 J 西安工程学院学报，2001，23(4):66-68 10 张晓亮，王志辉，白凌燕，等北京平原区土壤氡地球化学特征分析J城市地质，2014，9(3):29-32 11 边庆凯，刘志辉，王晓山，等邢台老震区地震构造环境特征 J 内陆地震，2021，35(4):337-345 12 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area of the fault or near the fault zone With the distancefrom the fault axis，the measured value decreases step by step along both sides of the fault Based onthe segmentation characteristics of five main faults in Suqian segment of Tanlu fault zone and the var-iation of soil radon parameters，such as M value，B value，A value，N value，relative activity，ab-normal lower limit and abnormal contrast，it is concluded that there is a good relationship betweenthe concentration of radon in soil and the activity of faults The higher the concentration of radon insoil，the stronger the activity of faultsKey words:Tanlu fault;Suqian section;Soil gas radon;Fault activity9022 期单友磊等:郯庐断裂带宿迁段土壤气氡与断裂活动性关系研究