蘭州市活動斷層土壤氣汞、氡地球化學(xué)特征場地試驗(yàn)①

張 慧,張新基,蘇鶴軍,劉旭宙

(1.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅蘭州 730000; 2.中國地震局地震預(yù)測研究所蘭州科技創(chuàng)新基地,甘肅蘭州 730000)

蘭州市活動斷層土壤氣汞、氡地球化學(xué)特征場地試驗(yàn)①

張 慧1,2,張新基1,蘇鶴軍1,2,劉旭宙1,2

(1.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅蘭州 730000; 2.中國地震局地震預(yù)測研究所蘭州科技創(chuàng)新基地,甘肅蘭州 730000)

在蘭州市主要活動斷層上選擇有斷層露頭或有鉆孔資料的典型場地開展了斷裂帶土壤氣異常特征及其影響因素的試驗(yàn)研究。結(jié)果顯示斷層帶上方土壤氣氡、汞不僅具有明顯的峰值異常顯示,而且其異常的形態(tài)特征對斷層產(chǎn)狀和斷層性質(zhì)有顯著的反映,斷層土壤氣測量是活斷層探測和研究的有效方法。結(jié)果還顯示覆蓋層厚度對斷層帶土壤氡、汞濃度的峰值形態(tài)及特征具有顯著的影響。

蘭州;活動斷層;土壤氣;氡、汞地球化學(xué);場地試驗(yàn)

Abstract:Concentrations of radon andm ercury in soilgas which were obtained on them ain active faults in Lanzhou cityarem easured.The sample pointswere selected at the sitewhere theoutcrop of fau ltexists or there are borehole data.The resu lt show sthatno tonly the peak-value anom aliesof radon andm ercury in soil gason the active fault show obviously,but also their shape characters reflect the fault location, faultp roperty,and fault attitudew ell.It isp roved that gas survey is a usefulm ethod for active fault exploring and study.The result show salso that the shape and characteristicsofpeak-value anomaly of radon andm ercury concentrations in soilgason fault zone are affected by the overburden thickness.

Keywords:Lanzhou city;Active fau lt;So il gas;Radon andm ercury geochem istry;Field test

0 引言

大量震例表明活動斷層是造成城市地震災(zāi)害的最大因素,活動斷層產(chǎn)生的直下型地震對城市造成的最嚴(yán)重破壞直接來自沿活動斷層的同震地表錯(cuò)動以及地震波引起的振動效應(yīng)。蘭州地區(qū)位于新構(gòu)造活動強(qiáng)烈的青藏活動地塊的東北緣,處在祁連山地震帶與南北地震帶的復(fù)合部位。區(qū)內(nèi)多組活動構(gòu)造交匯,具有孕育和發(fā)生中強(qiáng)以上地震的構(gòu)造條件。歷史上蘭州地區(qū)曾多次遭受過強(qiáng)震的襲擊和影響,如1125年蘭州7級地震[1],138年金城-隴西級地震和宛川6級地震等[2],造成相當(dāng)嚴(yán)重的災(zāi)害。為了減輕城市可能遭遇的地震損失,更合理地進(jìn)行城市規(guī)劃和抗震設(shè)防,在蘭州市及其鄰近地區(qū)開展活斷層探測和地震危險(xiǎn)性評價(jià)的研究具有重要的減災(zāi)意義。

近年來利用土壤氣開展城市活斷層探測由于其方便、快捷、高效和低成本等特點(diǎn)而在世界范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用[3-7]。其中汞、氡觀測技術(shù)相對成熟,因此在活斷層探測與危險(xiǎn)性評價(jià)的研究中具有重要的地位[8-12]。研究重點(diǎn)是通過土壤氣氡、汞濃度異常特征分析,確定隱伏斷層的位置及其產(chǎn)狀,最終達(dá)到為進(jìn)一步的鉆探和槽探提供“目標(biāo)靶”區(qū)的目的。由于各個(gè)城市所處的環(huán)境條件的特殊性和地質(zhì)情況的復(fù)雜性,為了使測量結(jié)果更精確可靠、分析和結(jié)論更為科學(xué),在開展大規(guī)模的野外探測及特征分析之前,選擇有斷層露頭或有鉆孔資料的典型場地開展斷裂帶土壤氣異常特征及其影響因素的試驗(yàn)研究是十分必要的。本文選擇在蘭州市區(qū)3條主要活動斷層上開展土壤氣汞、氡的野外場地測試。

1 測線的布設(shè)、測項(xiàng)及取樣方法

1.1 測線的布設(shè)

垂直斷層走向進(jìn)行測點(diǎn)的布設(shè),各測線測點(diǎn)間距10m。發(fā)現(xiàn)異常點(diǎn)后立即進(jìn)行復(fù)測,并在異常段進(jìn)行加密觀測,點(diǎn)距為5m。

1.2 測量項(xiàng)目和取樣方法

現(xiàn)場土壤氣氡、汞測量同步進(jìn)行,嚴(yán)格按有關(guān)規(guī)范要求。使用的兩臺FD-3017RaA測氡儀均事先進(jìn)行了標(biāo)定和一致性實(shí)驗(yàn),K值分別是0.169 3和0.166 9。該儀器為一種瞬時(shí)測氡儀器,利用靜電收集氡衰變的第一代子體RaA作為測量對象來定量測定土壤中的氡濃度,極限探測靈敏度為0.37 Bq/L。該儀器的特點(diǎn)是沒有探測器污染問題,也不存在釷射氣的干擾,具有較高的靈敏度,簡捷,在剖面連續(xù)測量中獲取一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)僅數(shù)分鐘現(xiàn)場即可出數(shù)。

汞測量儀器為JM-4數(shù)字金膜測汞儀,可以在現(xiàn)場測定極微量的汞。該儀器具有體積小、輕便、靈敏度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn),最低檢出限為10-2ngHg。每天取樣之前首先作三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣對測汞儀標(biāo)定后才開始正式對土壤氣進(jìn)行取樣、測量。使用靈敏度= (注射汞蒸氣體積×單位體積汞含量)/幾次注射后的平均讀數(shù)。

取樣方法是:首先用鋼釬打一個(gè)導(dǎo)向眼插入取樣器,用橡皮管將FD-3017RaA測氡儀與取樣器連接,排出橡皮管內(nèi)及取樣器內(nèi)的殘留氣體,然后開始正式取氡樣。取樣體積為1.5 L。完成氡的取樣后,再將取樣器與JM-4數(shù)字金膜測汞儀及大氣采樣儀連接,流速0.5 L/m in,抽氣時(shí)間2m in,取樣體積為1 L。

表1 測量儀器性能指標(biāo)

2 場地試驗(yàn)

2.1 孔家崖場地

2.1.2 場地基本條件和測線的布設(shè)

該場地位于蘭州市安寧區(qū)孔家崖,為一個(gè)320 m×200m的近長方形的建筑場地(圖1)。前期開展了建筑場地鉆孔勘探,3條鉆孔剖面均顯示該場地地層不連續(xù),存在一個(gè)傾向S的斷錯(cuò)面,斷面的傾角較大,在70°～80°之間(圖2)。地質(zhì)調(diào)查結(jié)果認(rèn)為該斷面即為劉家堡斷層。

從西到東共設(shè)了4條土壤氣氡、汞測線,其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ號剖面與鉆孔剖面重復(fù)布設(shè)。4條測線分別是:Ⅰ號剖面,長90 m,共10個(gè)測點(diǎn);Ⅱ號剖面,長90m,共10個(gè)測點(diǎn);Ⅲ號剖面,長190m,共20個(gè)測點(diǎn);Ⅳ號剖面,長100 m,共有10個(gè)測點(diǎn)(圖1)。場地為三年以上回填土及荒地。

圖1 孔家崖場地鉆孔剖面及土壤氣測量剖面示意圖Fig.1 Diagrammatic cross-section of boreho leand soilgas at Kongjiaai site.

2.1.2 斷層土壤氣氡、汞測量結(jié)果

圖3(a)、(b)、(c)、(d)分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ號剖面土壤氣氡、汞濃度變化曲線。由圖可見,Ⅰ號剖面上汞沒有明顯的峰值異常顯示,氡出現(xiàn)了一組明顯的峰值異常,最高達(dá)11.00Bq/L,是背景濃度值2. 88 Bq /L的3. 82倍; Ⅱ號剖面汞出現(xiàn)了一組峰值,最高點(diǎn)為0.205 7 ng/m3,是背景濃度值0.036 3 ng/L的5.67倍,氡沒有明顯的異常顯示;Ⅲ號剖面汞出現(xiàn)了一個(gè)單點(diǎn)高值異常,為0.137 2 ng/L,是背景濃度值0.039 7 ng/L的3.46倍,氡出現(xiàn)了一組明顯的峰值異常,最高點(diǎn)氡濃度達(dá)13.37 Bq/L,是背景濃度值2.05 Bq/L的6.52倍;Ⅳ號剖面汞濃度整個(gè)偏低,沒有明顯的異常顯示,氡出現(xiàn)了一組明顯的峰值異常,最高點(diǎn)達(dá)9.99 Bq/L,是背景濃度值3.95 Bq/L的2.53倍。

圖2 孔家崖實(shí)驗(yàn)場地鉆孔資料(袁道陽提供)Fig.2 The boreho ledata at Kongjiaaitest site(by Yuandaoyang).

圖3 孔家崖實(shí)驗(yàn)場地土壤氣汞、氡異常變化曲線Fig.3 The abnormal variation curvesof radon andm ercury in soil gas at Kongjiaaisite.

2.1.3 異常識別

在進(jìn)行測量數(shù)據(jù)處理時(shí)我們采用平均值與均方差的概念,其中汞的平均值與均方差分別用K和δ1表示,氡的平均值與均方差分別用R和δ2表示。取平均值作為背景值,并取K+δ1與R+δ2分別作為土壤氣汞、氡異常下限。背景值與異常下限是整個(gè)數(shù)據(jù)分析時(shí)主要的兩個(gè)異常判斷依據(jù)(表2)。

表2 測線土壤氣汞、氡的數(shù)據(jù)分析

2.1.4 土壤氣氡、汞濃度異常特征及其與斷層特性的關(guān)系

典型的土壤氣氡、汞的異常形態(tài)為低→較高→高→較高→低的峰值形態(tài),且峰值形態(tài)不對稱。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ剖面的氡、汞的高值不對稱峰的轉(zhuǎn)折陡變部位與鉆孔剖面顯示的斷錯(cuò)面的位置一致。

圖4 孔家崖場地土壤氣測量結(jié)果與斷層傾向關(guān)系示意圖Fig.4 The sketchmap of relationship between abnorm al variation survesof radon andm ercury in soilgas and the fault dips at Kongjiaaisite.

氡的峰值異常具有北陡南緩的形態(tài)特征,鉆孔資料顯示,該場地?cái)噱e(cuò)面南傾,與不對稱峰的緩變一側(cè)的方向一致(圖4);四個(gè)剖面土壤氣氡、汞測量值的峰值點(diǎn)基本處在同一條直線上,峰值的連線與鉆孔資料顯示的斷錯(cuò)面的走向一致。

鉆孔柱狀圖對比的結(jié)果顯示,該斷錯(cuò)面為一高傾角界面,符合正斷層的特性。土壤氣氡、汞異常峰值的寬度較小,高值點(diǎn)之間的距離只有10～30m。

2.2 青白石場地

2.2.1 場地條件和測線的布設(shè)

該場地位于青白石鄉(xiāng)一個(gè)小的山體沖溝,由于場地條件限制,共布設(shè)1條測線,測線長400m。測線垂直跨過一老斷層。斷層露頭顯示該斷層為一逆沖斷層。傾角小于30°。

2.2.2 斷層土壤氣氡、汞測量結(jié)果

圖5為該剖面上土壤氣氡、汞濃度變化曲線。由圖可見該場地土壤氣汞和氡的變化曲線上均有成組高值出現(xiàn),其中汞的峰值最高點(diǎn)濃度為1.314 5 ng/L,約為背景值0.287 5 ng/L的4.57倍;氡濃度最大值為53.668 1 Bq/L,是背景值9.531 59 Bq/L的5.6倍。

表3 測線土壤氣汞、氡的數(shù)據(jù)分析

圖5 青白石實(shí)驗(yàn)場地土壤氣汞、氡異常變化曲線Fig.5 The abnorm alvariation curvesof radon and mercury in soilgas at Qingbaishisite.

2.2.3 土壤氣氡、汞濃度異常特征及其與斷層特性的關(guān)系

土壤氣氡、汞的異常形態(tài)仍然為低→較高→高→較高→低的峰值形態(tài),但出現(xiàn)了多個(gè)峰值;異常帶寬度較大,其中汞的異常帶寬度達(dá)到270m。由此可見傾角較緩的逆沖斷層由于在斷層上盤羽狀節(jié)理和裂隙往往都比較發(fā)育,地下氣體可以在這里向上運(yùn)移和富集,斷層土壤氣形成了較大寬度的氣體異常帶。

圖6 桃樹坪試驗(yàn)場汞、氡濃度變化曲線Fig.6 The abnormal variation of soilgas radon andm ercury at Taoshup in site.

汞的峰值異常帶與斷層出露的位置相對應(yīng),顯示土壤氣汞具有更好的指示意義。這與汞的穿透能力強(qiáng)有關(guān)。汞的峰值異常具有南陡北緩的形態(tài)特征,斷層露頭揭示該場地?cái)鄬用姹眱A,與不對稱峰的緩變一側(cè)的方向一致。

2.3 桃樹坪場地

2.3.1 場地基本條件和測線的布設(shè)

為了研究覆蓋層厚度對測量結(jié)果的影響,我們選擇桃樹坪作為一個(gè)試驗(yàn)場地進(jìn)行試驗(yàn)研究。前人地質(zhì)調(diào)查研究資料顯示,劉家堡斷層通過試驗(yàn)場。這里黃河四級階地發(fā)育,每級階地覆蓋層厚度差異明顯,是進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)的理想場地。分別在Ⅱ級、Ⅲ級階地和Ⅳ級階地上各布設(shè)一條測線,分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號剖面,三條測線方向基本平行,均為N 85°E方向。

2.3.2 土壤氣氡、汞測量結(jié)果與異常分析

三個(gè)剖面上汞、氡濃度變化曲線如圖6所示。結(jié)果顯示:Ⅰ剖面土壤氣汞、氡的變化曲線均未出現(xiàn)明顯異常;Ⅱ剖面上氣汞值出現(xiàn)兩組峰值,第一組最大值0.18 ng/L,是背景值0.032 1 ng/L的5.6倍,氡出現(xiàn)了一組峰值(與汞的位置有所偏離),其最大值7.5 Bq/L,是背景值2.89 Bq/L的2.6倍;Ⅲ剖面上氣汞出現(xiàn)了一組峰值,最大值0.12 ng/L,是背景值0.03 ng/L的4倍,其位置與Ⅱ剖面上第一組異常對應(yīng)。

表4 測線土壤氣汞、氡的數(shù)據(jù)分析

2.3.3 覆蓋層厚度對測量結(jié)果的影響

場地試驗(yàn)的觀測結(jié)果表明覆蓋層對觀測結(jié)果的影響較大。尤其是對氡的影響更為明顯:Ⅰ剖面在第四級階地上,比第三級階地Ⅱ剖面的覆蓋層厚大6m,Ⅱ剖面覆蓋層又比Ⅲ剖面大8m。Ⅰ、Ⅱ剖面的觀測結(jié)果表明,覆蓋層越厚,測量值越小。Ⅲ剖面位于黃河第二級階地,野外觀測結(jié)果顯示覆蓋層為粗砂或砂礫層,與大氣貫通,深部氣體賦存較少,導(dǎo)致測量值減小。

3 結(jié)論與討論

斷裂帶土壤氣氡、汞具有明顯的異常顯示,其典型異常形態(tài)為低→較高→高→較高→低的峰值形態(tài)或類似的形態(tài),且峰值異常中比背景值高出2倍以上的點(diǎn)2個(gè)以上。單點(diǎn)異常大多數(shù)為觀測中的干擾因素造成,不代表斷層帶。其中土壤氣汞測值曲線背景值穩(wěn)定,峰值異常明顯,比氣氡具有更好的指示性。

根據(jù)測值曲線上峰值異常的形態(tài)特征對異常界面進(jìn)行產(chǎn)狀判定:各測線峰值異常的連線為異常界面的走向;一般峰值異常為不對稱形態(tài),不對稱峰轉(zhuǎn)折陡變部位為斷層上斷點(diǎn)地表投影;緩變一側(cè)為界面的傾向。

直立正斷層上方氣氡、氣汞異常值相對較低,異常帶寬度也小,一般為10～30m;而傾角較緩的逆沖斷層由于在斷層上盤羽狀節(jié)理和裂隙往往都比較發(fā)育,地下氣體可以在這里向上運(yùn)移和富集,因此形成了較大寬度的氣體異常帶。因此根據(jù)異常帶的寬度和峰值形態(tài)可以判斷斷層的性質(zhì)。

覆蓋層的厚度會影響斷層帶土壤中氡、汞的濃度。正常情況下,覆蓋層厚度不大時(shí)峰值突出,異常明顯;當(dāng)厚度增大時(shí)異常形態(tài)低緩、寬度加大。但覆蓋層厚度太小時(shí),斷層帶富集的氣體與大氣圈溝通好,反而使異常幅度變得不甚明顯。因此,利用汞、氡地球化學(xué)勘探方法研究隱伏斷裂時(shí),測線的布置是比較關(guān)鍵的,同一測線覆蓋層厚度差異最好不要太大,否則往往會把一些由于覆蓋層厚度變化引起的較大的擴(kuò)散濃度差異認(rèn)為是斷層氣異常,從而得出錯(cuò)誤的判斷。

[1] 袁道陽,雷中生,葛偉鵬,等.蘭州1125年7級地震考證與發(fā)震構(gòu)造分析[J].中國地震,2002,18(1):67-75.

[2] 袁道陽,雷中生,劉小鳳,等.138年金城-隴西級地震的史料考證與發(fā)震構(gòu)造背景探討[J].地震地質(zhì),2004,26(1): 52-60.

[3] MohamedM Moussa,Abdel-GabarM,ElA rabi.Soil radon survey for tracing active fault:a case study alongQena-Safaga road, Eastern Desert,Egyp t[J].Radiation M easurements,2003,37: 211-216.

[4] M ark A Engle,M ae Sexauer Gustin,Hong Zhang.Quantifying natural sourcem ercu ry em issions from the Ivanhoe M ining D istrict, no rth-centralNevada,USA[J].A tmospheric Environm ent,2001, 35:3987-3997.

[5] M V iladevall,X Font,A Navarro.Geochem icalm ercury survey in the Azogue Valley(Betic area,SE Spain)[J].Jou rnal of Geochem ical Exp loration,1999,66:27-35.

[6] C Papastefanou.An overview of instrum entan tion fo rm easuring radon in soilgas and groundw aters[J].Journalof Environm entalRadioac tivity,2002,63:271-283.

[7] Ok tay Baykara.M easurem entsof radon em anation from soil samp les in trip le-junction ofNo rth and EastAnato lian active fau lts system s in Turkey[J].RadiationM easu rem en ts,2005,39:209-212.

[8] 吳慧山.氡測量方法與應(yīng)用[M].北京:原子能出版社,1995.

[9] 汪成民,李宣瑚,魏柏林,等.斷層氣在地震科學(xué)中的應(yīng)用[M].北京:地震地震出版社,1991.

[10] 孟廣魁,何開明,班鐵,等.氡、汞測量用于斷裂活動性和分段的研究[J].中國地震,1997,13(1):43-51.

[11] 衛(wèi)敬生.利用土壤吸附汞尋找斷裂破碎帶的應(yīng)用實(shí)例[J].物探與化,2001,25(1):78-81.

[12] 姜大庸,陳文彬,石雅留.海原活動斷裂的地殼脫氣作用[J].西北地震學(xué)報(bào),2000,22(4):448-464.

[13] 何文貴,袁道陽,葛偉鵬,等.對蘭州市劉家堡斷層的新認(rèn)識[J].西北地震學(xué)報(bào),2009,31(1):40-45.

[14] 盧玉霞,王振明,王蘭民,等.蘭州盆地活斷層的高分辨率淺層地震勘探技術(shù)[J].西北地震學(xué)報(bào),2008,30(4):344-353.

Field Test on the Geochemical Features of Radon and Mercury from Soil Gason the A ctive Faults in Lanzhou

ZHANG Hui1,2,ZHANG X in-ji1,SU He-jun1,2,L IU Xu-zhou1,2

(1.Lanzhou Institu te of Seism ology,CEA,Lanzhou 730000,China; 2.Lanzhou Base of Institu te of Earthquake Science,CEA,Lanzhou 730000,China)

P593

A

1000-0844(2010)03-0273-06

2009-11-12

中國地震局“十五”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目——蘭州市活斷層探測與地震危險(xiǎn)性分析(I-4-48);中國地震局蘭州地震研究所論著編號:LC2010036

張 慧(1966-),女(漢族),甘肅天水人,博士,研究員,主要從事地震地下流體應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究.