断层气氡测量技术对石棉断裂的初步探测研究

毕杨杨,王运生,冯倩倩,刘江伟,罗 越,金 刚,苏 毅

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),四川 成都 610059;2.中铁工程设计咨询集团郑州设计院,河南 郑州 450000)

0 引言

随着断层气氡测量技术的不断进步与完善,利用断层破碎带Rn浓度及其范围、衬度等的变化来确定隐伏断层的空间展布和分析相对活动性强弱,已经在国内外得到广泛的应用,并获得了一系列的科研成果。Wang等[1]对唐山地区进行氡测量,发现东北部Rn浓度明显高于西南地区,说明唐山断裂东北部活动性显著强于西南部,且自2005年以来该地区发生了17次MS3.0地震,Rn浓度表明与该地区的浅层断层痕迹和地震活动有着密切的关系。李源等[2]通过对新郑—太康断裂东支开展断层气观测分析,确定了该地区土壤中Rn浓度和H2、CO2浓度的背景值与构造特征的异常边界。地球化学异常值揭示的异常区间与浅层地震勘探推测的隐伏断裂面基本吻合,认为地球化学测量是一种经济、快捷的隐伏断层探测方法。Ciotoli等[3]对意大利 Fucino 盆地气体运移机制研究时发现Rn与CO2的浓度成正相关,认为Rn是通过CO2运移至地表的。因此当用于监测断层活动的Rn浓度出现高值异常变化时,可以首先利用断层气浓度的变化特征判断氡的来源深度,进而对断层活动的性质及空间位置做出较为准确的判断。罗霄汉等[4]通过对承德地区街道口隐伏断裂以氡测量做为主要探测方法,对断裂的空间位置进行了精确定位,并使用CSAMT测量验证了断裂存在的准确性,确定氡测量是对隐伏断裂探测的一种切实可行的手段。刘学领等[5]为了确定天津北淮淀—山岭子一带沧东隐伏断裂的空间位置,使用FD-3017RaA测氡仪对沿线进行断层气氡测量,解译出隐伏断层的展布区域,并采用浅层人工地震探测进行验证,结果表明,断层气测量解译的隐伏断层位置与人工地震探测结果基本相符。Yang等[6]通过研究发现安宁河—则木河断裂带的活动性与断层气体的浓度密切相关,表明断层气的脱气强度在空间上与断层的封闭程度一致,断层带的高锁定度制约了气体的迁移,而低锁定度的蠕变断层更有利于气体从更深层向地表排放。

历史上由于石棉断裂带缺少破坏性的地震记录,且被第四纪覆盖,前人对该隐伏断裂的位置展布、性质、活动性认知存等在较大差异。研究区位于四川省雅安市石棉县,隐伏断裂始于安顺场,终于黑林子,延伸约13 km,主要沿大渡河和南桠河河谷分布,河谷两侧阶地村庄极为密集,人口众多。笔者结合野外地质勘察、探槽、浅层人工地震等多种资料数据,针对断裂断层气氡开展系统调查和综合分析,讨论研究区内Rn浓度异常与断裂空间位置、Rn浓度曲线异常形态与断裂特性、Rn浓度变化特征对相对活动性的判定,为区域稳定性研究提供重要依据,为石棉地区经济建设、地震预测及危险性评价提供支撑,其结果对石棉断裂特征的研究与这一地区的工程建设活动有一定的应用价值。

1 区域地质环境

研究区位于川滇活动地块东边界[图1(a)],块体以水平剪切运动为主,并具有较为强烈的隆升运动。石棉断裂为大凉山断裂带北段东支断裂,大凉山断裂带北起始于安顺场北侧,与公益海断裂相交,向南经过石棉、海棠、普雄、布拖,与安宁河—则木河断裂在云南巧家一同汇入小江断裂。大凉山断裂带分为3个主要区段:北段石棉—越西,由东支的石棉断裂和西支的公益海断裂组成;中段越西—布拖,由4条近乎平行的断裂组成,由东到西分别为洪溪—美姑断裂、甘洛—汉源断裂、普雄河断裂和越西河断裂组成;南段布拖—巧家,由交际河断裂和布拖断裂组成[7][图1(b)]。研究区周边主要的断裂构造有公益海断裂和大发断层[图1(c)]。

图1 区域地质环境图Fig.1 Map of the regional geological environment

研究区地势西高东低、北高南低,大渡河自北而南流经石棉县城折转向东流出本区。安顺场—石棉段,河面相对宽缓,为宽谷段,两岸可见多级河谷阶地,支流发育,支沟有磨坊沟、戴家沟、铜厂沟等。区内水系格局以大渡河为界两岸有明显差异,左岸受黄草山花岗岩体的控制,主要发育为树枝状水系。右岸松林河、小水河、南桠河等受断裂构造和地层岩性的控制,发育为格状水系。石棉断裂经石棉县城进入南桠河河道。南桠河为大渡河右岸的一级支流,石棉—黑林子段河谷相对较窄,水流湍急,两岸河谷阶地较为发育,河段内有老熊沟、后沟、白马沟等支沟。

区内岩性主要为元古界花岗岩、花岗闪长岩、下震旦统碎屑岩及碳酸盐岩,安顺场—新场西侧出露泥盆系灰岩,第四系沿河谷及断裂带分布。区内第四系松散堆积层成因类型主要有冲积、崩积、洪积、残坡积等,其中冲积层主要沿大渡河干流和一级支流呈带状分布;洪积层主要分布于二级支流出路沟、小水等出口处;崩积层则广泛分布在河谷两岸的缓坡和坡脚地带。

2 研究方法及其原理

氡(Rn)是地底深处放射性元素镭、铀衰变过程中产生的一种具有放射性的气体。Rn有一定的运移能力且对应力或应变的改变较为敏感,是了解覆盖层下构造破碎带、接触带的理想示踪剂[8]。氡能以游离原子的状态通过晶粒边界或晶体缺陷,沿着岩石构造破碎带系统迁移,由于断裂附近应力变化明显,有利于氡的聚集,因此断层破碎带的上部常存在明显的地球化学异常[9-10]。

本次研究使用的是KJD-2000R测氡仪,是一种新型的断层气氡测量仪器,属于标准型测量设备,它利用静电收集Rn衰变子进行累积测量,测量范围为10～1.0×105Bq/m3。在野外测量中,根据设计要求各测量点间隔应控制在20 m左右,在出现Rn值异常点附近可适当加密至5～10 m。在测量前,先用胶管连接取样器、干燥仪和测氡仪,用特制的钢钎在测点位置打深度为60 cm的孔洞,迅速将取样器放入孔内并进行密闭处理,进行自动抽气测量。测量过程设为3次循环过程,单次循环定为5 min,每个测点能获得3个数据。根据仪器设计要求指标,仪器10 min浓度数值基本达到稳定状态,10 min与15 min的数值差别小,可以用来表明该点的数值较为精确;若两者差值较大,则表明存在误差,需要重新定点测量,最终取10 min和15 min所测得的Rn浓度的平均值作为此测点的数值大小。

能否合理并准确地计算出异常值,直接影响对土壤气氡浓度曲线异常形态与隐伏断层位置的推断及断层特性分析。结合前人资料和场地条件,采用先计算每条测氡线所有测量点的Rn浓度的平均值及其标准方差,用平均值加减3倍标准方差所得的数据作为上限与下限,剔除数据中大于或小于此范围的值后所计算的平均值作为此条测线的背景值(RnB)。经川西南地区的测氡经验[9]和现场试验,以背景值加其1.5倍标准方差所得值作为测线的异常阀值(RnF)较为合理,超过异常阀值被称为地球化学异常[11-13]。此计算方法在西南地区大凉山断裂带中部断层和小江断裂带的断层气氡研究中广泛应用,并取得理想效果[7,9]。

野外断层气氡探测工作在6月进行,研究区气温在20～30 ℃,地表温度满足仪器的使用条件,测试场地均位于Ⅰ级阶地,阶地为冲积成因类型,拔河高度一般3～10 m,各剖面所切的第四系覆盖物厚度相差不大。

3 氡浓度剖面解译

研究区第四系极为发育,河谷内石棉断裂隐伏于河流阶地之下,野外布置了5条横跨整个河谷的氡测线,测线延伸至可测量的最大长度,用来确定石棉断裂北段(大渡河流域)和南段(南桠河流域)的空间位置、断层特性及其相对活动性强弱。

3.1 CX1剖面

CX1剖面布置在大渡河右岸Ⅰ级阶地安顺场附近,起点坐标为29°16′46.72″N,102°16′22.24″E,终点坐标为29°17′2.96″N,102°16′43.56″E,长520 m,布置测点31个。由图2可以看出,在距离测线起始点170 m和330 m的位置存在两处超过异常阀值的断层气Rn浓度,此测线最高峰峰值浓度(RnEmax)为26 100.00 Bq/m3,背景值(RnB)为8 892.81 Bq/m3,异常阀值(RnF)为18 407.81 Bq/m3,RnF与RnB比值为2.06,且RnEmax是RnB的2.93倍。

图2 CX1实测Rn浓度曲线及浅层人工地震物探剖面Fig.2 Measured Rn concentration curve of CX1 and shallow artificial seismic exploration section

3.2 CX2剖面

CX2剖面布置在大渡河左岸的安靖村,起点坐标为29°15′33.10″N,102°18′13.81″E,终点坐标为29°15′48.42″N,102°18′23.94″E,长500 m,布置测点30个。由图3可以看出,实测曲线在190～230 m处超过异常阀值,异常区间宽40 m左右。剖面起点紧邻大渡河,无法进行测量工作。此测线RnEmax为25 102.30 Bq/m3,RnB为8 404.97 Bq/m3,RnF为18 295.67 Bq/m3,RnF与RnB比值为2.17,且RnEmax是RnB的2.98倍。

图3 CX2实测Rn浓度曲线Fig.3 Measured Rn concentration curve of CX2

3.3 CX3剖面

CX3剖面布置于大渡河右岸Ⅰ级阶地的小水村附近,起点坐标为29°15′9.21″N,102°19′0.87″E,终点坐标为29°15′14.90″N,102°19′6.42″E,长510 m,布置测点31个。由图4可知,在距离起始点385～425 m位置处存在高出异常阀值的Rn浓度,异常区间宽40 m左右。此测线RnEmax为28 963.00 Bq/m3,RnB为9 553.12 Bq/m3,RnF为19 237.30 Bq/m3,RnF与RnB比值为2.01,且RnEmax是RnB的3.03倍。

图4 CX3实测Rn浓度曲线Fig.4 Measured Rn concentration curve of CX3

3.4 CX4剖面

CX4剖面位于石棉县城与广元堡之间京昆高速跨河大桥附近,属于南桠河冲洪积物之上,起点坐标为29°12′50.08″N,102°22′16.55″E,终点坐标为29°13′5.16″N,102°22′27.16″E,长570 m,布置测点37个。由图5可以看出,所有测点Rn浓度在距起始测点375～425 m之间在异常阀值之上,异常宽度约为50 m。剖面横跨南桠河,河面宽度约为70 m,位于剖面240～310 m处。此测线平均值为10 598.00 Bq/m3,RnEmax为46 821.50 Bq/m3,RnB为10 598.00 Bq/m3,RnF为27 996.9 Bq/m3,RnF与RnB比值为2.64,且RnEmax是RnB的4.42倍。

图5 CX4实测Rn浓度曲线Fig.5 Measured Rn concentration curve of CX4

3.5 CX5剖面

CX5剖面位于黑林子,剖面位于探槽西侧约20 m的位置,长300 m,布置测点30个。由图6可以看出,剖面形态为单峰型,Rn浓度在距起始测点155～200 m之间在异常阀值之上,异常宽度约为45 m。此测线平均值为9 984.00 Bq/m3,RnEmax为40 321.50 Bq/m3,RnB为9 984.00 Bq/m3,RnF为26 030.30 Bq/m3,RnF与RnB比值为2.60,且RnEmax是RnB的4.04倍。

图6 CX5实测Rn浓度曲线及探槽剖面(据文献[16]修改)Fig.6 Measured Rn concentration curve of CX5 and the trench profile(modified after reference [16])

4 分析与讨论

4.1 Rn浓度异常与断层空间位置

断层是地球内部气体向地表运移的良好通道,气体迁移至地表吸附在土壤颗粒表面,覆盖层又是气体的巨大附存空间,所以构成了断层气氡异常的天然有利条件[14]。

由CX1位置的Rn浓度曲线可知,在剖面170～205 m和320～330 m两处存在异常区间(图2),在170～205 m主峰区间内出现该剖面的最高峰峰值浓度,主峰位置为主断裂经过的部位,推测主峰的异常区间为石棉断裂经过的位置,320～330 m异常区间为上盘次级断裂存在的区域。为验证其推测的准确性,进行了人工地震探测。结合石棉地区的地质构造特点,研究区基岩是晋宁期花岗岩,为无层理面的火成岩,且目标断裂的倾角较陡,采用反射凌乱、出现岩面陡坎、凹槽等特征进行断层判断分析。地震反射剖面解译出在180 m和330 m的部位存在岩面陡坎及凹槽,推测均存在断层展布。物探与化探确定的断层位置相隔约10 m,原因是断层正上方为农田,耕植土为黑色淤泥为主,淤泥孔隙度较小,不易于气体的附存,导致其气体向四周土壤扩散,使断点东侧约10 m处出现高浓度异常带。物探、化探均发现该剖面位置存在两条隐伏断裂,且两者位置较为吻合。

CX5实测Rn浓度剖面在155～200 m处存在异常区间,并在186 m附近测得最高峰峰值浓度,表明石棉断裂从此处通过。在异常区间附近开挖了一条长约60 m的探槽,揭示了3条断裂,其分布形态为典型的平移断层花状结构[15][图6(b)]。探槽位于CX5剖面的150～210 m,该区域也是断层槽谷的展布区段。经过对比分析,在最高峰峰值浓度的下方为探槽揭示的断层F1位置,即目标断裂通过的位置。

CX1氡浓度实测曲线与浅层人工地震探测剖面和CX5氡浓度实测曲线与探槽相互对比分析研究,发现石棉地区隐伏断裂覆盖层厚度较薄,断层气氡测量揭示的断层空间位置较为合理,该方法可行性与准确性较高。

CX1～CX5 剖面均存在异常区间,宽度在40～50 m之间,且经过物探及探槽等验证后发现断裂均分布在异常区内。分析认为,氡测量确定的异常区间与隐伏断裂的空间展位置布吻合度较高,可用于石棉地区的断裂研究。依次将5条剖面的异常区间用平滑曲线相连接来确定石棉隐伏断裂的空间展布,如图7所示。断层气氡测量确定的空间展布具有良好的线型关系,在野外调查过程中,发现断层槽谷、垭口等地貌均较好的分布在沿线附近。

图7 石棉断裂空间展布图Fig.7 Spatial distribution of Shimian fault

4.2 Rn浓度曲线形态与断层特性

学者研究表明,土壤气氡实测剖面形成的曲线形态有尖窄单峰异常、圆宽单峰异常、双峰异常及多峰异常[16]。一般而言,直立断层异常曲线较为对称,多为单峰形态;倾斜断层异常曲线多为双峰和多峰形态,主要原因为上盘次级裂隙和断层较为发育,导致岩体较为破碎,导气性比下盘好,次级峰所指方位为断层的倾斜方向,异常峰衰减较缓一侧通常为断层上盘[16-17],且峰间距一般较大[18]。本文根据5条断层气氡浓度曲线分析发现,CX1和CX3曲线形态为双峰型,CX2和CX4曲线形态为多峰型,CX5曲线形态为单峰型。研究发现,断裂双峰型及多峰型的曲线形态其次级峰均位于主峰的南西测,次级峰与主峰之间的距离在150～300 m之间,次级峰形成原因大多为次级小断裂,在CX3剖面的次级峰位置找到对应的次级断裂露头(图8)。次级峰所指的方位为断层的倾斜方向,断层气氡探测结果推测石棉断裂倾向南西。对于5条氡浓度曲线的主峰而言,其峰值点南西侧的浓度衰减至背景值均慢于北东侧,其中以CX5剖面最为明显,即石棉断裂南西侧一盘为上盘。

图8 CX3剖面次级断裂及素描图Fig.8 Secondary fracture of the profile CX3 and the sketch

在CX4剖面氡浓度的异常区附近的后沟沟口位置发现南桠河冲洪积堆积层的错动,其剖面如图9所示。经过现场测量,该处石棉断裂产状为N38°W/SW∠78°,且为逆断层。

图9 后沟阶地位错剖面图Fig.9 Profile of the offset in Hougou terrace

断层气氡探测确定的石棉隐伏断裂的倾向与物探及探槽揭示结果具有一致性。综合前人资料,确定断裂的产状为N38°～45°W/SW∠70°～80°,力学特性为压性兼反扭。

4.3 Rn浓度变化特征与相对活动性

5条测线Rn浓度最小值在2 000～2 600 Bq/m3之间,表明本区域即使远离断层破碎带断层气氡浓度也偏高,其主要原因为石棉县周围基岩为花岗岩。研究表明放射性元素镭、铀在花岗岩中含量最高[19-20],理论认为存在镭、铀衰变的地方就会有土壤气氡,且镭、铀含量与浓度之间为正比关系。

断层带氡浓度受地质背景、场地条件、断层活动性等多种因素控制,用Rn浓度的衬度值大小对断层活动性进行分级,到目前尚未形成系统的判别标准,仅仅适应于局部地区应用的活动性判别[21]。从断层气氡的相关数值模拟方面分析,探测出的Rn浓度异常形态是受区域地质构造限制的,异常值是断面浓度和覆盖层岩组特性共同作用决定[22]。采用Rn浓度衬度值初步判定隐伏断裂的活动性可以在一定程度上消减覆盖层岩组特征对断层相关活动性的影响。Rn浓度强度包含了断面浓度信息,也包括断层两盘胶结开启程度和区域应力大小两种信息[17]。分析认为,区域应力大小不同,导致断层气氡测量的浓度存在一定差异,为断裂分段提供了最为有利的证据,且在较小的研究区域内两盘胶结开启程度相差较小的情况下,采用衬度值大小的方法来判定断裂相对活动性较为精确。

根据数据可以精确计算出断裂带Rn浓度的最大衬度值和平均衬度值。计算公式分别为:最大衬度值=最高峰峰值浓度(RnEmax)/背景值(RnB);平均衬度值=异常平均值/背景值,比值大小与断裂活动性呈正相关,因此可以用来大致确定断层不同段的相对活动性强弱[9,17]。对于石棉断裂而言(表1),北段(大渡河流域)最大衬度值为2.93～3.03,平均衬度值为2.58～2.75,异常破碎带宽度在30～40 m;南段(南桠河流域)最大衬度值为4.04～4.42,平均衬度值为3.43～3.30,异常破碎带宽度在45～50 m。石棉隐伏断裂南段最大平均衬度值均大于北段,且断裂破碎带宽度也较宽,说明断裂南段的相对活动性大于北段。

表1 断裂剖面测量数据处理结果Table 1 Processing results of measurement data from fracture profile

根据断层气氡探测结果,石棉隐伏断裂往东南方向延伸活动性有所增强。安顺场附近测得石棉断裂的左旋滑动速率为1.7 mm/a[23],陡坎子附近其左旋滑动速率为3.1 mm/a[15]。根据滑动速率的活断层分级标准[24],1～10 mm/a的滑动速率的断层活动性为中等-强,说明往东南延伸活动性增强。

5 结论

通过对大凉山断裂带北段东支的石棉断裂进行断层气氡精密探测,并结合浅层人工地震、探槽资料及前人的研究成果,对石棉地区的探测结果进行了初步探讨,获得主要认识如下:

(1) 断层气氡探测在石棉地区对隐伏断层的空间位置、几何特性、相对活动性均有较好的反映。

(2) 该区域第四纪覆盖层较薄,断层气氡探测揭示的断层空间位置与浅层人工地震、探槽、位错点解译的空间位置吻合度较高,位于最高峰峰值浓度附近且都在主峰的异常区间内,该方法可大致确定研究区覆盖层下断层的空间展布。

(3) 断层气氡探测确定的石棉隐伏断裂的倾向与物探、探槽揭示结果具有一致性,并结合各剖面的数据,确定隐伏断裂的产状为N38°～45°W/SW∠70°～80°。

(4) 利用断层气Rn浓度衬度值大小对石棉断裂的相对活动性进行判定,断裂南段(南桠河流域)的活动性要强于北段(大渡河流域),石棉隐伏断裂往东南方向延伸活动性有所增强。