夏墊活動斷層土壤氡地球化學特征1

陸麗娜 李　靜 沈 軍 盛書中 楊　明 李寶君 龔麗文

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夏墊活動斷層土壤氡地球化學特征1

陸麗娜1）李靜1）沈 軍1）盛書中1）楊明1）李寶君1）龔麗文2）

1）防災科技學院，河北三河065201 2）重慶市地震局，重慶401147

夏墊活動斷層為首都圈重要的斷層之一。本文用土壤中氣氡測量法在齊心莊和東柳河屯區段進行了野外現場勘測，揭示了研究區土壤氡的地球化學異常，繪制出研究區的氡濃度等值線圖，分析了該區段活動斷層的上下盤、空間位置及斷層走向，并探討了研究區斷裂帶的規模及活動性。綜合分析認為，斷裂帶規模較大和斷層活動性較強的齊心莊處的夏墊活動斷層應為今后地震監測的重點。

夏墊土壤氡活動斷層

引言

清康熙十八年，即公元1679年三河8級地震（烈度Ⅺ）是京津唐地區最大的一次歷史地震，發生在夏墊斷裂帶。夏墊活動斷層位于華北平原地震帶與張家口-渤海地震帶的交匯區，是首都圈地震監測的主要斷層之一。

由于地震發生強度和首都經濟圈位置的特殊性，近年來眾多學者利用不同研究手段和方法在夏墊活動斷層開展了一系列研究，獲得了大量成果和資料（Karakostas等，2013；丁健民等，1984；向宏發等，1988；冉勇康等，1997；鄧前輝等，2000；江娃利等，2000；徐錫偉等，2000；鄧前輝等，2001；柴建峰，2003；潘波等，2009；李梁等，2011；李梁，2012；楊曉平等，2012；何付兵等，2013；冉志杰等，2013；田優平等，2014；萬永魁等，2014；王雷等，2014；張超等，2014）。目前，詳細的具有統計學意義的活斷層地球化學測量工作仍然較少。活斷層地球化學測量以斷層氣測量為主要手段。斷層氣的測量不但對斷層活動性研究和地震危險區的劃分具有重要意義，且可為尋找隱伏斷層提供依據（Ciotoli等，1999；Burton等，2004；Vivek等，2009；Pereira等，2010；汪成民等，1991；孟廣魁等，1997；任明甫，2000；王傳遠等，2004）。本文運用土壤中氣態氡測量法在齊心莊和東柳河屯區段進行了野外測量，揭示了研究區土壤氡地球化學特征，對該區段活斷層的上下盤、空間位置及走向進行了分析，并探討了研究區斷裂帶的規模及活動性。

1 區域地質構造背景

夏墊活動斷層位于華北板塊北部（圖1），是首都東部地區一條NNE向的巖石圈尺度的區域性深斷裂帶，其形成和演化對于北京平原地區的構造演化起著至關重要的作用。該斷裂帶北起平谷岳各莊，向西南經馬坊西、潘各莊，南至永樂店村南，總體走向NE45°，全長45km，新生代斷距大（可達3—4km），是控制大廠凹陷形成和演化的盆地邊界斷層，構成了大廠凹陷與大興隆起的分界線（何付兵等，2013；冉志杰等，2013）。1679年三河大地震造成夏墊活斷帶地表破裂，并且在斷裂帶上形成了新夏墊斷裂。為方便討論，本文將“新夏墊斷裂（北東向）”和“老”夏墊斷裂（北北東向）統稱為夏墊活動斷層。

1679年三河大地震使地表形成了一條長約10km的斷層陡坎，西起東柳河屯，經潘各莊、齊心莊，東至東興莊止，為正斷層性質。研究區地層的主要巖性見表1。野外考察中，在齊心莊人工探槽剖面上可觀察到典型的斷層面（圖2）和顯著的斷層陡坎。根據測量，該處斷層走向45°，傾向135°，傾角74°，斷層兩盤皆為第四紀堆積，斷層上盤底層水平層理發育，薄層、粘土質粉砂層中有牽引，斷層下盤為中薄層粘土質粉砂層，粉砂層中見向下拖拉現象，斷層面平直、光滑，裂縫寬5—6mm。

2 方法和原理

2.1 測線布置

為了準確探測夏墊活動斷裂帶土壤氣氡地球化學特征，本次測量選取了齊心莊（QX）和東柳河屯（DL）兩個研究區段，在斷層活動性較強和斷層陡坎發育的位置布設剖面并進行野外現場勘測。測線垂直于斷層走向，在齊心莊（39°58′54.32″N，116°55′54.32″E）和東柳河屯（39°56′36.40″N，116°53′40.34″E）分別布置3條平行測線，保證數據的可信度。研究區共有6條剖面。同一條測線上相鄰兩個測量點的間隔一般為10m，每條測線以斷層地表跡線為中心，長約600m，測線間距為20m。

2.2 儀器工作原理

最適合的在斷裂帶上實時測量場地土壤氣氡的方法是常規瞬時法。本次工作采用上海申核電子儀器廠生產的FD-3017RaA型測氡儀，該儀器操作簡便，準確度高，便于攜帶，是目前國內生產的先進的土壤氡檢測儀器。其工作原理是：氡衰變的第一代子體RaA呈正電性，利用高壓電場產生的負高壓將RaA吸附在金屬圓片上，金屬圓片上的RaA濃度與土壤氡的濃度呈正相關，通過計算可得出土壤氡濃度。該儀器的極限探測靈敏度小于0.37Bq/L，計數誤差≤10%。工作條件為：取氣深度60—80cm，取樣體積1.5L，高壓釋放2min，測量讀數2min。

2.3 測試采取的措施

為減少或排除非構造因素對土壤氡測量產生的影響，測量時盡量保證以下幾點：①測量時鉆孔嚴格保持在同一深度，避免測量深度差異的影響；②抽取土壤中的氣體體積統一為1.5L，排除采樣體積對土壤氡濃度的影響；③同一條測線盡量在同一天完成，避免因氣象因素和土壤濕度的不同影響測量結果；④測量過程中不能使用手機，減少手機電磁波對測量結果的影響；⑤保持干燥劑中藍色的硅膠含量在50%以上，提高土壤氡測量的準確性。此外，測量工作避開雨天進行，如遇雨天待地面干燥后再進行測量。

表1 研究區地層劃分（鞠紫云等，1982；張利利，2012）

3 測量結果

3.1 土壤氡濃度的背景值

本次工作在夏墊活動斷層的齊心莊和東柳河屯兩個區段六條剖面共獲得356個土壤氡地球化學樣本數據，平均每條剖面約60個數據點。首先對這些數據進行分布型式檢驗。以原始數據的分組濃度值為橫坐標，以頻數為縱坐標繪制的數據曲線，整體呈負偏態分布。將原始數據以10為底取對數，然后重新分組和統計頻數，以取對數后的分組值為橫坐標，頻數為縱坐標，據此繪制的圖形曲線呈倒鐘形，故此次測量的土壤氡濃度數據服從對數正態分布。通常背景值通過計算均值來確定。服從對數正態分布的數據，一般采用幾何平均值，亦可采用對數均值。通過計算驗證，由對數均值和幾何平均值計算的背景值結果一致。在齊心莊區段，利用Rn濃度的對數均值再取反對數計算出的數值和幾何平均值均為56.5Bq/L；在東柳河屯區段，兩個計算結果均為35.4Bq/L。故夏墊活動斷層在齊心莊和東柳河屯兩個區段Rn濃度的背景值分別為56.5Bq/L和35.4Bq/L（表2）。

表2 夏墊活動斷層土壤氡統計結果

續表

測線組分點數最小值最大值均值中值標準差背景值異常閾值 東柳河屯DL-1Rn595.0168.639.4 30.0 33.6 35.465.6 DL-2597.1186.863.753.533.635.465.6 DL-3571.486.332.931.433.635.465.6 總計1751.4186.845.536.433.635.465.6

注：背景值為該地區Rn濃度的幾何平均值；表中異常值閾值為MAD方法計算結果；標準差公式：（其中x為Rn的含量值，為均值）。

3.2 土壤氡濃度異常閾值

地球化學異常閾值亦稱為地球化學異常下限值，它的計算直接關系到地球化學異常制圖結果，進而影響地球化學數據在地震活動斷層探測工作中的應用。為了確保研究結果的準確性和可靠性，本文對比了三種數據處理方法計算的氡濃度地球化學閾值。

在傳統的勘查地球化學數據處理中，人們常使用“均值+2倍標準差”的方法來確定某元素的異常閾值。在背景值取幾何平均值的基礎之上，應用該方法算得齊心莊區段三條剖面的Rn異常閾值為268.2Bq/L，東柳河屯區段三條剖面的Rn異常閾值為102.5Bq/L。和背景值比較可以看出，東柳河屯區段的DL-2剖面的異常閾值明顯高于Rn濃度的最大值，并未出現地球化學異常；而該區段的DL-1和DL-3剖面均顯示出Rn濃度異常，但異常點較少，異常也并不顯著。齊心莊區段的3條剖面揭示出并不顯著的Rn濃度地球化學異常，且異常點不多。由于本次測量選取的是斷層活動性較強和斷層陡坎較發育的位置，而經傳統計算方法確定的異常閾值所顯示出的地球化學異常并不顯著，且異常點較少的地球化學特征，與實際情況不吻合。

穩健的統計分析技術可以求出更加可靠的地球化學異常閾值，比如探索性數據分析方法（EDA）和中位數絕對離差方法（MAD）。EDA方法的原理為：先求出中位數，利用中位數將數據分為兩組，最小值到中位數的一組數據為Lower Hinge（LH），最大值到中位數的另一組數據為Upper Hinge（UH），再分別求取兩組數據的中位數LH和UH。LH和UH之差的絕對值就是四分位數間距（IQR）（王帥等，2009；周曙光等，2013）。LIF和UIF分別通過下式計算：

落在LIF和UIF的數據之外的數據，即氡地球化學異常。

通過探索性數據分析方法計算得出齊心莊區段LIF=-162.6Bq/L，UIF=333.7Bq/L。在地震地球化學測量中，測試結果都是正濃度值，而計算結果LIF為-162.6Bq/L，顯然不符合實際情況，所以本文將齊心莊區段異常閾值取333.7Bq/L。同理，計算得出東柳河屯區段的異常閾值為107.3Bq/L。由探索性數據分析方法（EDA）得出的計算結果顯示，東柳河屯區段Rn濃度異常趨勢較齊心莊區段顯著。而夏墊隱伏斷裂的地震地質情況正好相反，齊心莊區段斷層構造特征比東柳河屯區段明顯（圖2），地形地貌特征也較之顯著；無論是野外實地測量的脈沖值還是室內換算的濃度值，齊心莊區段也明顯高于東柳河屯區段。所以，探索性數據分析方法確定的異常閾值與實際情況不相符合，表明該方法在確定Rn異常閾值時，明顯不適用。

中位數絕對離差法（MAD）的原理為：首先求出中位數X，再將中位數與每一項濃度值做差并求出絕對值，然后對求得的絕對值再求中位數，即MAD（盛驟等，2008）。異常閾值為第一次求得的原數據的中位數X與2倍MAD的和。根據此方法計算得出齊心莊地區Rn異常閾值為130.5Bq/L，東柳河屯地區Rn異常閾值為65.6Bq/L。在齊心莊和東柳河屯兩個區段測得的Rn濃度最大值都明顯大于此方法計算得出的異常閾值，因此氡地球化學異常顯著。將數據繪制成氡濃度異常曲線圖，使結果更加直觀，同時便于我們探討。由齊心莊和東柳河屯區段異常曲線圖（圖3）可以看出，氡異常的趨勢顯著。齊心莊區段（圖3）的QX-1（測線位置如圖1）、QX-2（測線QX-1以南，如圖1）和QX-3（測線QX-1以北，如圖1）3條剖面均可見明顯的Rn濃度異常，東柳河屯區段（圖3）的DL-1（測線位置如圖1）、DL-2（測線DL-1以東，如圖1）和DL-3（測線DL-1以西，如圖1）3條剖面亦均顯示顯著Rn濃度異常，且齊心莊區段土壤Rn的異常程度強于東柳河屯區段。中位數絕對離差方法確定的異常閾值與實際情況完全吻合。

通過上述分析可以看出，穩健統計方法（MAD）是求取Rn異常閾值的最佳方法。故齊心莊區段Rn元素濃度的異常閾值為和130.5Bq/L，東柳河屯區段Rn異常閾值為65.6Bq/L。

4 討論

4.1 土壤氡異常和斷裂空間位置分析

在前人（江娃利等，2000）工作基礎上，項目組在齊心莊剖面繼續開展了探槽挖掘工作。在齊心莊剖面坐標位置39°58′54.32″N，116°55′54.32″E處揭示了斷層面及斷層上下盤（圖2）。根據探槽位置和斷裂走向，可以推斷出斷裂帶在齊心莊剖面的6號點到51號點土壤氡異常出現的范圍內，靠近斷層面的斷層上下盤之間為主斷裂的位置。由于斷層面出露處土壤緊實程高，在此處扎鋼釬非常困難，不利于氡的釋放和遷移，故在此處反復測量氡濃度值均不高。在圖3齊心莊區段的3條剖面中（QX-1、QX-2和QX-3），均顯示出Rn濃度的多峰地球化學異常，而在齊心莊區段Rn濃度頻數直方圖上也顯示多母體樣本的特點，由此可以說明隱伏的夏墊活動斷層在地表以下肯定不是由一條斷層組成。多峰異常一般見于深大斷裂帶上，斷裂帶可能有多個分支隱伏斷層。多個異常次級峰（圖3）對應主斷裂的分支隱伏斷裂所在位置，其中QX-1、QX-2和QX-3 3條平行剖面的異常次級峰出現的點號略有不同，所對應的隱伏斷裂的位置也不同；在圖3中出現5—7個異常次級峰，說明在齊心莊地區可能至少有5條分支隱伏斷層。斷層上盤出現的峰值異常比下盤要多，且峰值較下盤要高。由于斷裂上盤活動性較下盤要大，產生的裂隙也較多，結合氡地球化學特征，可分析出剖面QX-1上1—37號點為斷層上盤，QX-2上1—26號點為上盤，QX-3上1—27號點為上盤，各剖面其余點號為下盤，且與人工露頭觀察一致。

在東柳河屯區段，剖面DL-1、DL-2和DL-3均顯示出在26號點和36號點之間有顯著的氡地球化學異常，出現尖窄的單峰，該異常主峰對應斷裂帶的位置。與齊心莊區段的地球化學異常不同，在東柳河屯區段氡濃度異常變化梯度大，異常峰較窄，且出現明顯的單峰，還有一到兩個異常的次級峰，顯示出雙峰異常。同時在Rn元素頻數直方圖上亦顯示單一母體樣本的特征，與氡地球化學異常情況一致。這種雙峰特征的情況，在圣安德列斯斷裂的研究中已有發現（King等，1996）。在3條剖面上出現的雙峰特征，反映隱伏斷裂的寬度范圍；主峰對應斷裂帶的位置，次級峰對應斷裂的一盤；而3條剖面的異常峰值出現的位置不盡相同，反映隱伏斷裂在地下延伸的位置略有不同。在異常變化上，整體上斷層上盤異常較寬，梯度變化慢，下盤異常窄且梯度陡。3條剖面均反映從31號點左右為上下盤的界限，31號點之前為上盤，之后為下盤。

4.2 斷層走向分析

因本次測量測點較多（356個樣本數據），具有統計學意義，且為平行剖面，分布比較均勻，故適合繪制夏墊活動斷層氡濃度等值線圖。以研究區即齊心莊和東柳河屯為繪圖區域（116.890°—116.935°E，39.940°—39.980°N），如圖4所示，經緯度為橫縱坐標，等值線為氡濃度值，單位為Bq/L。為了圖件的準確性和美觀，應用Surfer軟件，繪制基于最小曲率法插值的含斷層的等值線圖（圖4）。該圖揭示了夏墊活動斷層在齊心莊和東柳河屯這一區域內的土壤氡濃度分布情況，氡濃度等值線梯度變化。在氡濃度等值線圖上，還顯示出斷層在這一區域走向為45°，即等值線的整體曲線斜率為45°。氡濃度等值線圖顯示的走向和在齊心莊人工剖面斷層測量的走向一致，故推測斷層在齊心莊區段的走向為45°（圖4）。綜合以上分析，夏墊活動斷層在齊心莊和東柳河屯區段的走向為45°。

4.3 斷裂規模和活動性分析

該隱伏的活動斷裂已經通過多種綜合探測和探槽開挖確定了其準確的位置和活動性質。因此，研究夏墊隱伏活動斷層的土壤氣氡特征就排除了許多不確定因素，也排除了資料解釋的多樣性。實踐表明，斷裂規模大，則氡異常點多且峰值高，反之，則氡異常點少，峰值低且容易出現單峰和雙峰（李洪藝等，2011）。根據夏墊氡地球化學特征（圖3和圖4），齊心莊處的夏墊活動斷層比東柳河屯處的斷裂規模要大。研究表明，斷裂活動性與氡氣濃度密切相關，在區域背景大致相同的前提下，濃度高、梯度大、異常點多的斷裂活動性強，反之則弱。另外，最高值除以背景值得到的結果為濃度比，濃度比越大，活動性越強（劉菁華，2006）。夏墊斷裂在齊心莊段比東柳河屯的濃度峰值高400Bq/L以上，濃度比值也比東柳河屯要高，異常點也明顯多于東柳河屯段，變化梯度也大，這些數據充分說明齊心莊段斷層活動性要強于東柳河屯段。

5 結論

夏墊隱伏活動斷層在土壤氡分布圖上顯示極為清晰，斷層在齊心莊段顯示出氡濃度的多峰異常表明此處斷裂由多條隱伏斷裂組成，剖面的6—51號點對應主斷裂的范圍；在東柳河屯段顯示出的雙峰異常表明此處為一條主斷裂，剖面的26號點和36號點對應主斷裂的范圍。齊心莊剖面QX-1上1—37號點為斷層上盤，QX-2上1—26號點為上盤，QX-3上1—27號點為上盤，各剖面其余點號為下盤。DL-1、DL-2和DL-3剖面均顯示東柳河屯段從1—31號點處為斷層上盤，其余點為斷層下盤。根據研究區氡濃度等值線圖，夏墊活動斷層在齊心莊和東柳河屯區段的整體走向為45°。根據異常點多、峰值高的特點，推斷齊心莊處的夏墊活動斷層比東柳河屯處的斷裂規模要大。齊心莊段氡濃度高、變化梯度大、異常點多，據此推斷其活動性要強于東柳河屯段。故齊心莊段的夏墊活動斷層應該是今后地震監測的重點地段。

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Geochemical Characteristics of Soil Radon in the Xiadian Active Fault

Lu Lina1), Li Jing1), Shen Jun1), Sheng Shuzhong1), Yang Ming1),Li Baojun1)and Gong Liwen2)

1) Institute of Disaster Prevention, Sanhe 065201, Hebei, China 2) Earthquake Administration of Chongqing Municipality, China Earthquake Administration, Chongqing 401147, China

The Xiadian active fault is one of the most important seismogenic faults in the capital area of China. Based on the detailed field survey on site in Qixinzhuang section and Dongliuhetun section we measured gaseous radon concentration in soil to reveal the soil radon geochemical anomaly in study area, and produced the radon concentration contour map. We analyzed the hanging wall and footwall, spatial position and strike of active fault, and discussed the scale and activity of fault zone in study area. After the comprehensive analysis, we concluded that Qixinzhuang segment of Xiadian fault should be paid more attention in the future because it has relatively high faulting activity in terms of soil radon concentration.

Xiadian; Soil radon; Active fault

10.11899/zzfy20160404

2016年廊坊市科學技術研究自籌經費項目（2016013075）和中央高校基本科研業務費項目資助

2016-04-29

陸麗娜，女，生于1983年。博士，講師。主要從事礦床地球化學和地震地球化學的教科研工作。E-mail：lulina@cidp.edu.cn