土氡测量在广从断裂探测中的初步应用

李洪艺，张澄博，陈国能，彭卓伦，张永定

（1.中山大学地球科学系，广东 广州 510275；2.广东省地质过程与矿产资源探查重点实验室，广东 广州 510275）

土氡测量在广从断裂探测中的初步应用

李洪艺1,2，张澄博1,2，陈国能1,2，彭卓伦1,2，张永定1,2

（1.中山大学地球科学系，广东 广州 510275；2.广东省地质过程与矿产资源探查重点实验室，广东 广州 510275）

在广从断裂带共布置5条氡气测量剖面，利用FD-3017RaA和CDI-2000两种氡探测仪快速测定其浓度，得到土氡含量曲线图和等值线图，并分析氡异常曲线的特征，得到如下结论：广从断裂上土壤氡具有明显的峰值异常特征，通过异常峰值位置能很好地圈定断裂或隐伏断裂的位置和断裂带的宽度；利用峰值异常的几何形态能很好地判断断层的倾向；广从断裂带中氡气浓度比与断层活动性有明显的对应关系；测线中的峰值连线以及等值线图都能很好的再现断裂的走向。

广从断裂；土氡；测量

引言

早有证据表明，断裂带及其附近地区存在气体释放以及气体异常现象，而且这种现象是长期的，这就意味着断裂带附近岩土体具有高的可渗透性和孔隙度，断裂带则充当了地壳中气体排放的通道[1～4]。地震的发生伴随着很多新的裂隙、裂缝的生成，这些裂隙和裂缝为地球内部氡气的溢出提供了很好的通道，特别是那些岩石破碎、结构松散、空隙连通性好、覆盖层密实且较厚的断裂带，客观上为氡气向上快速运动和富集提供了较好的自然条件。

断裂带中测到的异常气体种类繁多，常见的有Rn、Hg、He、Ar、H2、CO2、CH4等。氡 （219Rn，220Rn，222Rn）是铀或者钍自然衰变而产生的放射性惰性气体，广泛存在于地壳中。222Rn是由238U衰变产生，半衰期只有3.825 d；220Rn由232Th衰变产生，半衰期为55 s，219Rn的半衰期更短，只有3.9 s。由于219Rn、220Rn半衰期较短，所以在活动断裂上测量的氡气一般为222Rn。氡的溢出可分为两个阶段，第一阶段是固体晶格中的镭原子放出α粒子而衰变成氡原子，由于核反冲作用，氡原子离开固体晶格进入连通的微裂隙中形成可迁移的氡；第二阶段是这些可迁移的氡原子在介质的孔隙、断裂产生的微裂隙和裂隙中通过扩散、渗流、溶解与蒸发等机制向土壤表面运移[5]。国内外有不少学者利用氡气异常探测断裂带位置、性质，预测地震等，都取得了比较好的效果[6～10]，其中郭钦华、吴华平等[11、12]分别在2008年和2009年对广从断裂局部进行氡气探测，取得了较好的实验效果。

本文在广从断裂带上共布置5条氡气测量剖线，利用FD-3017RaA和CDI-2000两种氡探测仪快速测量其浓度，从而得到氡含量曲线图和等值线图，分析氡异常曲线的特征，查明土壤氡地球化学测量效果，为后续研究积累更多经验。

1 研究区地质背景

1.1 构造背景

广州-从化断裂 （简称广从断裂）位于恩平-新丰断裂带中段，后者为华南东部重要的北东向断裂带之一，在广东境内北起连平、新丰，往南西经从化、广州、高明、鹤城、开平、恩平、阳江而进入南海，陆区出露长约450 km，总体走向NE30°～50°。断裂带在从化以南平面上分为东、西两支，总体向南西撒开，向北东收敛。主干断裂断面主要倾向北西，倾角40°～60°。本文所指的 “广从断裂”，是指恩平-新丰断裂带中部广州从化-佛山南海段（图1，虚线方框内为本次研究范围），其北起从化良口，向南经过温泉、街口、神岗、太和，通过广州市郊的五雷岭，至广州市区内的广州中医学院，越秀山西侧、象岗山，至三元里附近潜伏于第四系之下继续向南延伸到佛山市南海区、研究区内延伸长达上百公里，为广州地区规模最大的北东向深断裂带。

图1 恩开断裂带展布示意图Fig.1 Schematic diagram of Enping-Xinfeng fracture

1.2 地层岩性

根据1∶25万广州幅和江门幅区域地质调查 （2003）结果，研究区出露的地层由老至新有前寒武系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系和第四系，岩性以砂岩、粉砂岩、页岩、灰岩为主 （图2）。

区内深成岩浆岩主要为花岗岩类，形成于奥陶纪、二叠纪、三叠纪、侏罗纪以及白垩纪，其中以侏罗纪花岗岩最为发育，岩性从石英闪长岩到花岗岩，以二长花岗岩为主 （图2）。

图2 广从断裂带地层岩性示意图[13]Fig.2 Schematic diagram of lithology in Guangzhou-Conghua fractur

2 仪器与方法

本次测量所用的测氡仪为广东省矿产应用研究所和成都理工大学联合研制的CDI-2000型自动换片式土壤测氡仪和上海电子仪器厂生产的FD-3017RaA，两种仪器的一致性指标经测验满足测量要求。将野外测量记录的计数率或氡浓度用各台测氡仪的换算系数进行相应换算得到实际氡浓度值，数据单位为kBq·m-3

土壤中氡浓度测定是按照 《民用建筑工程室内环境污染控制规范》 （GB50325-2001）的测定要求进行的。本次测量共布置测线5条，氡气测量剖面分别位于从化街口、太平场、大源村、同泰路和花地河，测线均近于垂直 （隐伏）断裂带 （图3）。

图3 测量剖面示意图Fig.3 Schematic diagram of measurement section

野外测量方法如下：将测线图导入GPS，使用GPS导航功能定位起点坐标并进行路线导航，选取测试点，采用专用钢钎打孔，孔的直径为20～40 mm，孔的深度为600～800 mm。成孔后，使用头部有气孔的特制的取样器，插入打好的孔中，取样器在靠近地表处进行密封，避免大气渗入孔中，然后使用FD-3017测氡仪、CDI-2000土壤测氡仪进行抽气测量，测量时用表格形式详细记录测量点的线点号、坐标值、仪器计数率或氡浓度、覆盖层土壤类别等。无异常时按测量比例尺为1∶2 000测量，连续无异常时测点可适当放稀；发现异常时在其附近适当加密测点。测量时间一般在8∶00～18∶00之间，如遇雨天，在雨后24 h后进行。

本次测量于2008年12月12日开始测量，于2008年12月14日结束，完成测线5条，完成工作量如表1所示。

3 结果与讨论

3.1 背景值和异常下限值的确定

按测量剖面线路统计土壤氡浓度背景值，采用算术平均法计算该剖面线路的土壤氡浓度背景值；然后按土壤氡浓度背景值加一倍、二倍、三倍标准差，分别作为偏高值、相对高值区域和异常区域的分界线，其结果见表2。根据中国地震局活断层探测标准，地球化学探测异常下限值应为该测项的均值与2～4倍均方差之和，本文土壤氡异常下限定为背景值加三倍标准差，超过此下限被认为异常。

表1 工作量统计表Table 1 Statistics of workload

表2 剖面线土壤氡浓度统计表Table 2 Statistics of soil radon concentration

3.2 测量结果

3.2.1 土氡测量变化曲线

野外工作实践表明，土壤氡地球化学测量与其他地球化学手段相比，具有一些十分突出的优点，如小巧、轻便，能在现场进行快速测定，直接给出结果；遇到异常，随时可以重复测量或者加密观测，从而保证数据可靠。图4所示分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ号剖面土壤氡的变化曲线图。背景值变化范围为4.70～14.34 kBq/m3，主要与剖面所处的地层岩性和覆盖层性质有关，如Ⅱ、Ⅳ剖面背景值偏低，比广州市平均值8 kBq/m3还小，主要是由于测量样品均在河边或者湖边，土壤湿度高，可渗透性低，不利于氡的溢出，因而探测到的氡浓度偏小。对各剖面分析如下：

（1） 剖面Ⅰ

剖面Ⅰ位于从化街口，完成探测点56个。氡浓度介于0.785～60.75 kBq/m3之间，背景值为14.34 kBq/m3，最大异常峰值为60.75 kBq/m3，高出背景值3.2倍左右。测点8～12、26～29出现偏高值异常，测点8～12出现个别异常值，推测为主断裂位置，点26～29出现次级异常峰值，但仅超出背景值一倍多，推测为断裂带裂隙发育地带。

（2） 剖面Ⅱ

剖面Ⅱ位于从化太平场，完成探测点56个。氡浓度介于0.498～15.984 kBq/m3之间，背景值为4.70 kBq/m3，最大异常峰值为15.984 kBq/m3，高出背景值2.4倍左右。测点2～15、49～50出现偏高值异常，测点7～15出现个别异常值，推测为断裂经过地带，点49～50出现次级异常峰值，推测为断层上盘引起的。

（3） 剖面Ⅲ

剖面Ⅲ位于广州大源村，完成探测点70个。氡浓度介于1.099～57.462 kBq/m3之间，背景值为10.63 kBq/m3，最大异常峰值为57.462 kBq/m3，高出背景值4.4倍左右。测点15～25、43～45、和点68出现偏高值异常，测点15～25出现个别异常值，推测为断裂经过地带，点43～45和点68出现次级异常峰值，推测为断层上盘引起的。

图4 广从断裂带土氡测量变化曲线（虚线表示背景值，实线表示异常下限）Fig.4 The variation curves of soil radon measurement in Guangzhou-Conghua fracture.(dotted lines indicate the background values,solid line represents the threshold)

（4） 剖面Ⅳ

剖面Ⅳ位于广州同泰路，完成探测点89个。氡浓度介于0.166～64.906 kBq/m3之间，背景值为11.36 kBq/m3，最大异常峰值为64.096 kBq/m3，高出背景值4.7倍左右。测点12～24、76～87出现偏高值异常，测点12～24出现个别异常值，推测为断裂经过地带，点76～87出现次级异常峰值，推测为断层上盘引起的。

（5） 剖面Ⅴ

剖面Ⅴ位于广州花地河，完成探测点59个。氡浓度介于1.099～18.75 kBq/m3之间，背景值为5.15 kBq/m3，最大异常峰值为18.75 kBq/m3，高出背景值2.6倍左右。测点2～5、27～44、55～59出现偏高值异常，其中测点27～44、55～59出现个别异常值，推测该处存在隐伏断层，但还需要更多证据证明。

通过以上5个剖面分析，结合图4，我们有如下推论：

（1）5个剖面均呈尖窄型的脉冲单峰异常或多峰异常，且异常集中在点5～20之间，说明断裂倾角较陡，符合正断层倾角较陡的特征，这与广从断裂从中生代末期或古近纪初开始以正断层方式活动的实证相符合；

（2）氡的峰值形态具有南东陡北西缓 （剖面Ⅰ除外）的特征，以Ⅲ、Ⅳ号剖面最为突出；此外，一般地说，断层上盘异常较宽，梯度变化慢，而下盘异常窄且梯度陡[14]，因此结合第一点的认识，判断该断裂的北西侧为断层上盘，这与广从断裂为倾向北西的正断层的实证考察一致；

（3）主峰异常基本集中在点5～20之间，由于异常范围较窄，说明断裂带宽度不大；

（4）由以上5个剖面分析我们推测主峰异常主要为断裂所引起，因而将主峰异常连接起来就是广从断裂的大致展布方向 （图5）。由图5可以明显看出，5个剖面氡异常主峰连线主要呈北东向45°左右展布，与广从断裂大致平行，再次实证氡气异常测量在探测断裂空间展布上的有效性。

（5）将最高值除以背景值得到的结果称为浓度比，浓度比越大，活动性越强[15]。表3为5个剖面的浓度比。陈国能等在 《广州市主要断裂活动性研究及区域稳定性评价成果报告》中指出，广从断裂活动性可分为三段，灌村以北为北段，灌村与金盘岭之间为中段，金盘岭以南为南段。北段近期活动性较弱，第四纪以来基本处于稳定状态；中段最近50 ka虽有活动，但未发现其切割第四系，故其活动方式可能以蠕动为主；而金盘岭以南-佛山西淋岗段的广从断裂，晚更新世以来至少发生过两次较强烈的活动。本次氡气测量中，剖面Ⅰ、Ⅱ处于中段，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ处于南段，通过浓度比我们可以看出，南段氡浓度比比中段明显偏大，这一测量结果表明广从断裂带中氡气浓度比与断层活动性有着明显的对应关系。

3.2.2 氡气浓度等值线图

表3 剖面浓度比Table 3 Ratio of radon concentration for each profile

图5 主峰异常展布图Fig.5 Abnormal distribution of the main peaks

图6 氡气浓度等值线图Fig.6 Contours of radon gas concentration

图6为调查区5条剖面氡气浓度等值线图。由于数据离散，显示结果虽不甚准确美观，但也有较好的参考价值。从图6可以明显地划分出氡气异常带。异常主要沿着北东向30°～60°方向分布，其中北段异常呈北北东向，南段异常呈北东向，基本与广从断裂在空间上的展布一致。在南段坐标 （2 565 000，730 000）附近，广从断裂 （F1）在该处被东西向分布的瘦狗岭断裂 （F2）切割，裂隙发育，因而呈现较明显的氡异常区。

4 结论

（1）广从断裂上土壤氡具有明显的峰值异常特征，通过异常峰值位置能很好的圈定断裂或隐伏断裂的位置和断裂带的宽度；每条测线中的峰值连线方向为断裂的走向，峰值连线显示广从断裂走向为NE45°左右；同时利用峰值异常的几何形态可判断断层的倾向，氡的峰值形态具有南东陡北西缓的特征，以大源村、同泰路剖面最为突出，结合经验和其他资料可以判断该断裂的北西侧为断层上盘，但在从化街口剖面测得氡的峰值形态具北西陡南东缓的特征，至今没找到原因。

（2）根据氡气等值线图，可以清楚地划分出氡气异常带，异常主要沿着北东30°～60°方向，北段异常呈北北东向，南段异常呈北东向，且在南段与瘦狗岭断裂交汇地带显示出明显的氡异常。

（3）氡气浓度比与断裂活动性有一定的联系，浓度比越大，活动性越强。本次氡气测量中，从化街口、太平场剖面处于中段，大源村、同泰路和花地河剖面处于南段，南段氡浓度比比中段明显偏大。

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Preliminary Application of Soil Radon Measurement in Guangzhou-Conghua Fracture Detection

LI Hongyi1,2,ZHANG Chengbo1*,2,CHEN Guoneng1,2,PENG Zhuolun1,2ZHANG Yongding1,2

(1.Department of Earth Science,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275,China;2 Guangdong Province Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources Exploration,Guangzhou 510275,China)

Five profiles along Guangzhou-Conghua fracture were employed in this research.CDI-2000 and FD-3017RaA were used to detect soil radon concentration rapidly.Then soil radon concentration curves and contour maps were ploted.The characteristics of soil radon anomaly curve were analyzed.The paper has several conclusions:Obvious abnormal peaks are observed,and location of fractures or concealed fractures and width of fractures could be well delineated according to location of abnormal peak;Inclination could be deduced by using the geometric shape of the peak anomaly;There is a clear correspondence between concentration ratio of radon and fault activity;The trend of the fracture could be well revealed on the basis of contour maps and measured line connected by peak values.

Guangzhou-Conghua fracture;Soil radon;Measurement

P315.241

A

1001-8662（2011）02-0061-10

2010-11-12

广东省地震设计规范中的场地和地震作用研究 （广东省科技厅）

李洪艺，男， 1986年生，在读硕士研究生.主要从事岩土工程.E-mail：eeszcb@mail.sysu.edu.cn