土壤氡气测量与CSAMT测量在铜冶店-孙祖断裂勘查中应用

白新飞，张军，王涛，宋亮，宋津宇，于超，赵明杨，王振国

(山东省第一地质矿产勘查院，山东省地质矿产勘查开发局富铁矿找矿与资源评价重点实验室，山东 济南 250100)

0 引言

土壤氡气测量主要应用于探测断层的位置、产状、性质、活动性并应用于地震监测预警[1]，近些年氡气测量技术广泛应用到地下水与地热资源勘查[2-4]、铀矿勘查[5-6]、地下煤矿自燃区探查[7-8]、采空区勘察[9]等方面。

土壤氡气测量有快捷、直接、经济的优势，亦有无法准确判断断层产状及深部延伸变化特征且易受各种因素干扰的劣势，需要另外的勘查方法与其相辅相成，便捷、高效、准确的解释断裂构造产状及变化特征。本文采用土壤氡气测量与CSAMT法对铜冶店-孙祖断裂雪野段进行勘查研究，探讨2种方法联合使用的有效性。

1 区域地质背景

1.1 地层

区域地层由老至新依次为：寒武纪长清群朱砂洞组、馒头组，寒武-奥陶纪九龙群张夏组、崮山组、炒米店组、三山子组，第四纪大站组、临沂组、沂河组(图1)。

1.2 岩浆岩

区域内侵入岩极其发育，占全区基岩面积的75%以上，新太古代傲徕山序列松山单元、邱子峪单元及蒋峪单元为主，呈岩基状产出，岩性为二长花岗岩(图1)。

1.3 铜冶店-孙祖断裂特征

铜冶店-孙祖断裂北起垛庄，南至沂南孙祖，断裂总长度大于100km，宽约100～200m，走向320°，倾向SW，断裂面产状230°∠80°。受沂沭断裂带左行伸展运动影响该断裂构造具有典型的左行压扭特征，为活动断裂[10-12]。

1.4 雪野段特征

铜冶店-孙祖断裂雪野段从雪野水库西南穿过，区内长度约30km，总体走向310°，西北部产状近直立，东南部倾向SW，倾角70°～80°，断裂带性质为正断层。断裂带在雪野段切割新太古代傲徕山序列松山单元的中粒二长花岗岩、蒋峪单元条带状中粒黑云二长花岗岩，断层构造带宽度一般为几十米，最宽处可达200m，断裂带内强烈硅化、褐铁矿化。

构造运动表现为先张后压扭特征：在莱芜轿马人夫山一带断裂露头硅化带中有大量围岩角砾，棱角状，成分较杂乱，具有一定的褐铁矿化，显示硅质热液沿张性结构面渗透并胶结了早期角砾，后期硅化带受压扭作用破碎。

2 工作方法

本次研究采取土壤氡气测量、CSAMT测量2种方法对铜冶店-孙祖断裂进行勘查，并在氡异常带取水样测氡进行验证(图1)。

1—沂河组；2—临沂组；3—大站组；4—三山子组；5—炒米店组；6—崮山组；7—张夏组；8—馒头组；9—朱砂洞组；10—调军顶单元细粒二长花岗岩；11—松山单元中粒二长花岗岩；12—邱子峪单元细粒含黑云二长花岗岩；13—蒋峪单元中粒黑云二长花岗岩；14—实测断裂及倾角；15—推测断裂；16—土壤氡气测量剖面及编号；17—CSAMT测量剖面；18—水样点及编号图1 雪野地区地质简图

2.1 土壤氡气测量

断裂及伴生裂隙带是地下深部与浅部的沟通通道，同时是地下水富集地带。氡显著溶于水，在断裂及伴生裂隙带富集并向上迁移至地表并形成氡异常带，土壤氡气测量可以快速测量并确定氡异常带从而推断断裂构造位置及大致产状等。

2.1.1 测量设备与工作流程

本次土壤氡气测试仪器采用北京核工业地质研究院北京核地科技发展有限公司研发的FD-216环境氡测量仪，采用瞬时法测量，工作流程如下;

(1)将直径2cm，长80cm的钢钎，在土壤中打入约70cm深的孔。

(2)将钢钎拔出，迅速将取样器插入孔中，并将取样器顶端地表部分用土密封压实，以防止抽气时空气进入孔中。

(3)用软橡胶皮管将仪器与取样器连接时：一端接取样气的气体出口处，另一端接入附件干燥管及仪器的进气孔。

(4)进行土壤氡测量：本底测量(2min)→充气(2min)→测量(5min)→排气(2min)，测量结束后自动显示结果。

2.1.2 测线布置

本次研究共布置3条土壤氡气测量剖面，分别位于小楼村西南、北江水村东北、谷堆山村西北，点距20m(图1)。

2.1.3 测量数据处理

研究区第四系、花岗岩类风化层厚度分布不均，不宜将所有数据统一处理，本次研究分别对每条测线测量数据进行数据处理并计算其背景值与阈值。

表1 土壤氡测量剖面线数据处理结果

2.2 CSAMT测量

断裂构造破坏了岩体的连续性，裂隙多被水或其他物质充填，使岩体电磁场连续稳定性被破坏，引起电位场产生畸变。断裂构造随着裂隙带的发育程度、填充物组分含水率等因素的不同，电阻率反映有明显差异，在CSAMT反演的电阻率断面图上表现为电阻率等值线扭曲、错动、突变、出现“V”字形或“U”字形低阻凹陷等特征。

2.2.1 测量设备与工作流程

本次CSAMT采用的勘查仪器设备为美国(ZONGE)公司研究生成的GDP-32Ⅱ多功能电法工作站及其配套设备。测量采用赤道(旁侧)装置，通过有限长接地导线电流源向地下发送不同频率的交变电流，在地面一定范围内测量正交的电磁场分量，计算卡尼亚电阻率及阻抗相位，达到探测不同埋深地质目标体的一种频率域电磁探测方法。

2.2.2 测线布置与主要工作参数

CSAMT测线与土壤氡测线布置基本一致，以达到相互印证与补充解释目的。本次CSAMT测量工作发射源总体上长度在1.0～1.5km，发射电流在6.0～20A之间，采样频率为0.125～8192Hz。

2.2.3 数据处理

采用SCS2D可控源反演软件对数据进行剔除异常点、降噪、静校正、地形矫正和反演等，最终形成电阻率剖面图。

2.3 水氡测量

本次水样在土壤氡气测量推断的氡气异常带附近寻找水井取水，每个取样点均先进行地下水抽汲10min后按技术标准采取地下水样品并在24h内送国土资源部济南矿产资源监督检测中心(山东省地质科学研究院)进行氡测试。

3 综合推断解释

3.1 PM01线异常分析

PM01线位于侵入岩发育区，岩性为新太古代晚期傲徕山序列松山单元中粒二长花岗岩，第四系厚度<6m，背景值与阈值高于另外2条测线，土壤氡测量超出阈值的异常4处(图2)：

(1)1-2点极值为106037.5Bq/m3，为背景值的3.30倍，与CSAMT反演剖面推测断层相吻合，推测为铜冶店-孙祖断裂次级断裂。

(2)1-11～1-23点总体呈锯齿状多峰形态，1-20点极值为93756.4Bq/m3，为背景值的2.92倍；CSAMT反演剖面在该范围呈现明显的近垂直低阻异常带，综合可判断该处发育一条近垂直、宽度大、与深部连通性好的断裂，与铜冶店-孙祖断裂特征基本吻合。

(3)1-34点极值为83186.5Bq/m3，为背景值的2.59倍，呈单峰形态，CSAMT反演剖面呈明显的电阻率等值线垂直扭曲，深部形成明显低阻区，推测为铜冶店-孙祖断裂次级断裂。

(4)1-44～1-46点形成双峰形态，1-46点极值为77893.7Bq/m3，为背景值的2.42倍，CSAMT反演剖面呈明显的电阻率等值线垂直扭曲，深部形成明显低阻区，推测为铜冶店-孙祖次级断裂形成。

综上所述，铜冶店-孙祖断裂在该区域形成一系列近平行的次级断裂，各级断裂呈现随着与主断裂距离越远氡异常幅度及范围降低的规律，由此可推断各级断裂构造应力逐渐消减，活动强度亦随之降低。

1—Rn浓度测量曲线；2—Rn背景值；3—Rn阈值；4—水样投影位置；5—推测断裂图2 PM01土壤氡气测量剖面与CSAMT反演断面图

1—Rn浓度测量曲线；2—Rn背景值；3—Rn阈值；4—水样投影位置；5—推测断裂图3 PM02土壤氡气测量剖面与CSAMT反演断面图

3.2 PM02线异常分析

PM02线位于侵入岩发育区，岩性为新太古代晚期傲徕山序列松山单元中粒二长花岗岩和蒋峪单元中粒二黑云长花岗岩，第四系厚度>6m，氡测量超出阈值的异常1处(图3)：

2-30～2-35点形成高—低—高的多峰形态，2-34点极值为55413.4Bq/m3，为背景值的3.77倍，CSAMT反演剖面呈现明显的电阻率等值线呈现近垂直的扭曲、突变，推测为铜冶店-孙祖断裂。

另外在2-13～2-21形成锯齿状多峰形态，极值为25091.2Bq/m3，接近阈值，为背景值的1.7倍，CSAMT反演剖面呈现近垂直的电阻率等值线突变、错断且在深部有明显的低阻异区，推测为铜冶店-孙祖断裂带次级断裂。

3.3 PM03线异常分析

PM03线位于侵入岩发育区，由南至北穿越奥陶纪三山子组灰岩、中生代白垩纪济南序列金牛山单元中细粒辉长岩、新太古代晚期傲徕山序列松山单元中粒二长花岗岩，测线大部分第四系厚度>6m，测线北端第四系厚度<6m。土壤氡测量超出阈值的异常带5处(图4)：

(1)3-43点极值为29656.3Bq/m3，为背景值的2.13倍，与3-39、3-46点形成多峰形态。CSAMT反演剖面在2740～2980点呈现明显的高低阻接触带，推测为泰安-大王庄断裂。该异常第四系厚度较厚，氡异常范围与CSAMT推断的断裂位置沿倾角存在一定迁移偏差。

(2)3-53点极值为30784.9Bq/m3，为背景值的2.21倍，与3-51点形成双峰形态，CSAMT反演剖面呈现电阻率等值线垂直扭曲，推测为铜冶店-孙祖断裂次级断裂。

(3)3-63～3-76点形成双峰形态，3-69点极值为35756.3Bq/m3，为背景值的2.57倍，CSAMT反演剖面呈现电阻率等值线错断、垂直突变，推测为铜冶店-孙祖断裂次级断裂。

(4)3-84～3-87点形成双峰形态，3-87点极值为138405.1Bq/m3，为背景值的9.93倍，CSAMT反演剖面呈现视电阻率错断、扭曲，并与PM01线1-11～1-23异常、PM02线2-30～2-35异常相呼应，推测为铜冶店-孙祖断裂。

(5)3-93点极值为31586.2Bq/m3，为背景值的2.27倍，与3-91、3-96点形成多峰谷形态，位于CSAMT测线边缘，视电阻率异常不明显，暂不推测为断裂。

PM03线与PM01线相似，亦呈现铜冶店-孙祖断裂的各级断裂随着与主断裂距离增大，氡异常幅度降低的规律。

1—Rn浓度测量曲线；2—Rn背景值；3—Rn阈值；4—推测断裂图4 PM03土壤氡气测量剖面与CSAMT反演断面图

3.4 水样氡异常分析

本次研究地下水样品氡测量结果见表2，其中SD01、SD03超过矿水命名浓度下限[13]和理疗天然矿泉水水质指标[14-20]，SD02超过理疗天然矿泉水水质指标，接近矿水命名浓度下限(表2)。

表2 地下水样品氡测量结果

SD02位于PM01线推测的铜冶店-孙祖断裂氡气异常带边缘；SD03位于PM02线推测的次级断裂氡气异常带边缘；SD01位于PM01线CSAMT推测的次级断裂附近。三件样品检测结果均显示地下水中氡含量异常，既印证了断裂是氡气富集和迁移的通道，也印证了本次土壤氡气测量推断异常范围准确性。

4 结论

(1)氡气沿断裂及伴生裂隙带向上迁移和富集，并在地表形成一定范围的氡异常带。通过土壤氡气测量能迅速、直接探测断层的近地表位置，CSAMT测量能够较好反应断裂产状、深部构造，两者联合使用既能相互佐证，又能优势互补，本文通过两者联合勘查铜冶店-孙祖断裂取得良好效果。

(2)铜冶店-孙祖断裂及其次级断裂也是地下水运移和富集区，氡气显著溶于水，往往在沿断裂形成的氡气异常带形成达到矿水命名浓度下限或理疗天然矿泉水水质指标的氡泉。铜冶店-孙祖断裂是深大断裂，与深部热源沟通良好，地下水经深循环对流作用及正常热传导后形成地热氡泉，具有显著的理疗效果。

(3)铜冶店-孙祖断裂在雪野地区形成数条近平行的次级断裂，呈现随着与主断裂距离越远氡异常幅度亦弱的规律，可推断各级断裂构造应力亦逐渐消减，活动强度降低。

(4)铜冶店-孙祖断裂氡气异常幅度较大，可通过布设长期土壤氡气测量点进行监测，进一步研究其活动性并进行地震预警。

综上所述，土壤氡气测量和CSAMT测量联合使用在探测断裂分布及活动性取得良好效果，可以推广到与断裂密切相关的各类地质勘查工作中使用。