郯廬斷裂帶宿遷段合歡路土壤氡分布特征與遷移特征的數值模擬1

戴 波 趙啟光 張 敏 張 揚 周曉成

1）江蘇省地震局，南京 210000

2）中國地震局地震預測研究所，北京 100036

引言

氡氣是地殼內部的天然放射性惰性氣體，具有較強的遷移能力，從地球深部遷移到地表，可作為揭示地下信息的指示元素（Wakita 等，1980；Baubron 等，2002）。土壤氡探測結合了地球物理與地球化學方法，在活斷層探測、地震前兆與地震預測等領域已取得一些研究成果。在活斷層探測方面，主要利用土壤氡濃度特征評價斷層活動性，研究斷層位置和斷層特征等（King 等，1996；邵永新等，2007；Lombardi 等，2010；周曉成等，2011；張慧等，2013；王江等，2017；戴波等，2020）。在探索地震前兆與地震預測方面，斷層氣觀測是有效手段，地球內部斷層氣遷移速度明顯快于液體，對地震前兆響應更加靈敏（汪成民等，1991；杜建國等，1998；劉耀煒；2009；Walia 等，2013；Janik 等，2016）。近年來，眾多學者相繼對斷層氣觀測臺網、臺陣方向展開了研究（車用太等，2015；周慧玲等，2018；柯云龍等，2018）。

土壤氡遷移數值模擬方法是對斷層土壤氡實測資料開展定量解釋和研究的高效、客觀途徑。Abdoh 等（1989）首次建立了活斷層上覆蓋層內氡遷移的物理模型，并推導出活斷層上覆蓋層內氡濃度異常分布結果；Ho（2008）描述了氡在兩相介質中的遷移衰減模型和規律；Yakovlev 等（2010）推導出地下多層介質中氡遷移的傳輸方程。除主斷裂外，覆蓋層內次級斷裂和裂隙都是氡及母體向上遷移的通道，設置相應的數值模擬邊界條件，計算得到多氡源在覆蓋層內分布的解釋（劉菁華，2006）。對于斷層上非均勻覆蓋層建模，可以由若干均質各向同性的土壤層組成，通過給定不同土壤層的有效擴散系數和對流速率，計算氡濃度分布（伍劍波等，2014）。土壤氡受溫度和壓強等因素的影響，對流速度具有一定周期性變化規律，可以得到隨著時間和深度變化的非穩定條件下氡濃度數學表達式（葛良全等，2012）。通過評價對流速度影響因素，建立多向對流模型，完善土壤氡遷移的數值模擬（劉洪濤，2018）。近年來，國內外學者對影響土壤氡遷移機制中各因素進行了深入研究，使數值模擬結構準確性不斷提高。但在土壤氡數值模擬識別斷層內部結構方面尚未進行深入研究，且對野外測量中斷層土壤氡異常定量解釋的實例較少。

本文在郯廬斷裂宿遷段合歡路場地準確的地層巖性特征、斷裂參數資料基礎上，建立土壤氡遷移模型，計算得到氡濃度分布定量結果，并對研究區內氡濃度異常形態特征與地質構造的關系進行分析，探討土壤氡異常的成因。

1 活斷層上土壤氡分布模型計算及形成機理

氡及其母體氡、鈾、鐳元素存在于地殼中，經過長距離遷移，從深部遷移到地表，活斷層是構成地表氡異常的有利天然條件，氡在活斷層上覆蓋層內進行短距離遷移，形成不同分布狀態，并在地表構成不同形態的濃度異常（Giammanco 等，1998）。

Abdoh 等（1989）根據擴散-對流經典土壤氡遷移理論，在假設介質是均勻、各向同性的，土壤不具有放射性，處于穩定平衡狀態的條件下，提出了斷層上覆蓋層內氡遷移基本模型，如圖1 所示。建立二維直角坐標系，取覆蓋層寬度x=a，厚度y=b的有限區域，設斷裂帶寬度為W，斷面氡濃度為N0，斷層兩側氡濃度分別為N1、N2，推導出覆蓋層中氡的二維濃度方程為：

圖1 活斷層上氡遷移的物理模型Fig. 1 Physical model of radon migration in active fault

式中，v為對流速率；λ為氡衰變系數；氡濃度N=N(x,y)；D*為有效擴散系數，D*=D/e，D為擴散系數，e為覆蓋層介質孔隙度，相應的邊界條件為：

式中，h為氡從土壤向空氣遷移的散失因子。覆蓋層中氡遷移的各參數取值范圍如表1 所示（吳慧山，1995；Iakovleva 等，2003）。

表1 覆蓋層中氡遷移相關參數Table 1 Parameters related to radon migration in overburden

2 斷層土壤氡測線布設及測量

郯廬斷裂帶在中國境內北起黑龍江蘿北，南至湖北武穴，全長約2 400 km，該斷裂帶經歷了多期構造活動，是東亞大陸上北東向巨型斷裂帶。郯廬斷裂魯蘇沂沭段由5 條主干斷層（F1～F5）組成，形成了“兩塹夾一壘”的構造格架，是巖石圈尺度的深大斷裂帶和構造薄弱帶（晁洪太等，1994；劉保金等，2015）。郯廬斷裂宿遷段F5斷裂（圖2）在江蘇省宿遷市境內，北起新沂河南岸，南至宿遷埠子鎮，沿曉店鎮、宿遷市區、三棵樹鄉一帶分布，長度約35 km。已有研究結果表明，郯廬斷裂宿遷段F5斷裂大體呈NNE 向羽狀排列，主要是由相向而傾、近直立發育的東西2 條主干斷裂F5-1和F5-2組成，形成的斷裂寬度為100～1 000 m，且北部較窄，南部較寬。東支斷裂F5-1以西傾為主，西支斷裂F5-2以東傾為主，既有逆沖又有正斷，整體以右旋走滑運動為主（許漢剛等，2016）。

圖2 郯廬斷裂帶宿遷段地質構造圖Fig. 2 Geological structure map of the Tanlu fault Suqian segment

本研究斷層土壤氡測線 SG 位于宿遷市三臺山森林公園以南，合歡路北側，地勢平坦、土壤干燥。測線布設垂直于斷層走向，總長度720 m，跨郯廬斷裂宿遷段F5斷裂，同時與土壤氡同場地進行了土壤CO2探測（圖3）。土壤氡測量采用FD216 型測氡儀，主要技術指標為：探測靈敏度≥0.68 cpm/(Bq·m-3)，本底計數率≤0.3 cpm，土壤氡測量范圍為300～300 000 Bq·m-3。儀器抽取氣體流速為1.2 L/min，一次測量周期為11 min，采用錐形氣體采樣器，土壤氡采集深度80 cm，測線上每個點位進行3 次平行測定，并取平均值。測線總長720 m，測量間隔為5 m，高值區測量間隔為1 m。土壤CO2探測采用GXH-3010E1 型紅外線CO2探測儀，主要技術指標為：測量范圍0～0.500%，分辨率0.001%，重復性≤1%滿刻度。土壤氡探測時間為2018 年9 月，每日8:00-18:00 進行測量，歷時3 d 完成，探測期間天氣晴朗，平均氣溫24 ℃，平均相對濕度41%。

圖3 合歡路場地位置圖Fig. 3 Location of Hehuan road

土壤氡、CO2測量結果如圖4 所示，測線存在2個明顯的異常區間。異常區間與F5斷裂2 條主干斷裂F5-1、F5-2有較好的位置對應關系。為便于數據分析，以1770 號CDP（共發射點道集）點為界，將土壤氡測線SG 分為東西測線SG1、SG2。土壤氡測線探測結果數據分析與同場地淺層人工地震探測結果如表2 所示。

表2 土壤氡測線探測結果與淺層人工地震探測結果Table 2 Detection results of soil radon line and shallow seismic

圖4 合歡路測線土壤氡濃度、CO2 濃度Fig. 4 Soil radon and carbon dioxide survey line of Hehuan road

土壤氣體濃度除受地質構造活動、地殼特征和地震活動影響外，還受溫度、濕度、氣壓、風速等氣象因素的影響，在決定活動斷裂土壤氣體濃度值的因素中，環境條件是次要的（Toutain 等，1999；周曉成等，2011）。在郯廬斷裂帶合歡路土壤氡探測期間環境條件相對穩定，土壤氡異常原因主要與地質構造活動、地殼特征和地震活動等因素有關。從探測結果可以看出，斷裂F5-1和F5-2斷點位置均在土壤氡濃度異常區間內，郯廬斷裂帶宿遷段合歡路土壤氡探測對活斷層有較好的效果，能夠有效展示活斷層的位置。

3 活斷層上覆蓋層中氡遷移的數值模擬

對于合歡路場地宿遷市活動斷層探測與地震危險性評價項目通過鉆孔聯合剖面探測獲得了郯廬斷裂帶宿遷段F5斷裂合歡路場地的地質構造、地層巖性特征等參數，為本文進行氡遷移的數值模擬提供了可靠的數據支撐，在淺層人工地震勘探的基礎上，開展了鉆孔聯合剖面探測，分布在淺層地震測線SS 控制的東西兩端，東西兩端鉆孔聯合剖面各施工6 個孔（圖3），探明了西支F5-2斷裂和東支F5-1斷裂的2 個分支F5-11、F5-12，斷點上覆蓋層巖性特征如表3 所示，根據不同地層的巖性特征，對流速度和有效擴散系數取值參考表1 中的試驗數據。

表3 斷點上覆蓋層參數Table 3 Overburden parameters on fault point

由淺層人工地震和鉆孔聯合剖面探測結果可知，合歡路場地地質構造和覆蓋層巖組特征相對復雜，氡遷移的基本模型不能準確解釋氡異常現象。為得到更準確的數值模擬結果，建立模型時，一方面要識別地質構造中的次級斷裂、裂隙（劉菁華，2006；伍劍波等，2014），另一方面要考慮覆蓋層的非均值性（Yakovlev 等，2010；Zhang 等，2014）。此外，活斷層的內部結構也是建模需要關注的重要方面。在應力釋放作用下，斷層末端受到較小的應力，巖石未完全破碎，僅發生局部破裂，保留了母巖基本特征，而靠近斷點的斷層破碎帶在形成過程中消耗了斷層發育釋放的大部分能量，破碎程度高（付曉飛等，2005）。由此可見，斷層內部靠近斷點的破碎帶孔隙度較大，是氡遷移的主要通道，在對斷層內部建模時，應對斷裂破碎帶進行識別。斷點附近構造應力和斷層活動性強度達到最大時，派生裂縫的寬度隨著距斷點的距離的縮短而增大，氡在此通道中遷移越快，土壤氡異常峰是斷裂相對破碎區間在地面的直接反映。模型建立時，可用土壤氡異常峰寬度對應斷層內部相對破碎區域，通過二次函數來描述斷層內部破碎帶氡濃度。本文根據淺層人工地震和聯合鉆孔結果，識別出合歡路場地斷裂、覆蓋層分層特性和斷層內部結構，完成對合歡路場地土壤氡遷移建模（圖5）。

圖5 合歡路土壤氡遷移模型Fig. 5 Radon migration mode of Hehuan Road

針對合歡路場地西支F5-2斷層土壤氡遷移模型，給定邊界條件及參數：

式中，N1為斷點處氡濃度值；W為斷裂帶寬度，取值為氡濃度異常峰的寬度；N2、N3為斷層兩側地層上氡濃度值；f(x) 為斷裂帶氡濃度函數。給定參數值a=180 m，b=5.8 m，W＝79 m，N1＝2.4×105Bq/m3，N2=N3＝2×104Bq/m3，h=0.01 cm/s。根據以上數據，得到該模型的數值模擬結果，如圖6（a）所示。圖6（b）為F5-2斷裂上方地表下0.8 m 處的氡濃度數值模擬曲線，其結果與土壤氡實測曲線較吻合。

圖6 F5-2 斷層土壤氡遷移數值模擬Fig. 6 Numerical simulation of soil radon migration in fault F5-2

針對合歡路場地西支F5-1斷層土壤氡遷移模型，給定邊界條件及參數：

式中，N1為F5-11斷點處氡濃度值，W1為F5-11斷點處斷裂帶寬度；N2為F5-12斷點處氡濃度值，W2為F5-12斷點處斷裂帶寬度。W1和W2取值分別為2 個氡濃度異常峰的寬度；f(x)為斷裂帶氡濃度函數。給定的參數值a=110 m，b=32 m，W1＝16 m，N1＝4.3×105Bq/m3，W2＝35 m，N2＝3.6×105Bq/m3，N3＝1×105Bq/m3，N4＝5×104Bq/m3，h=0.01 cm/s。根據以上數據，得到該模型數值模擬結果，如圖7（a）所示。圖7（b）為F5-1斷裂上方地表下0.8 m 處的氡濃度數值模擬曲線，其結果與土壤氡實測曲線較吻合。

圖7 F5-1 斷層土壤氡遷移數值模擬Fig. 7 Numerical simulation of soil radon migration in fault F5-1

土壤氡遷移的數值模擬結果給出了斷點上覆蓋層內的氡濃度二維分布。合歡路場地F5-2斷層地質構造主要包含1 個斷裂，數值模擬的結果為單峰異常，F5-1斷層的地質構造主要包含1 個主斷裂和1 個次級斷裂，數值模擬結果為雙峰異常；斷裂寬度決定了異常峰寬度，異常峰值由覆蓋層巖組特征和斷面氡濃度共同決定；氡在不同類型覆蓋層中遷移速度不同，以圖5（a）為例，垂直方向上覆蓋層中氡濃度變化梯度呈分段特征，覆蓋層3（最致密）中氡遷移速度最慢，覆蓋層2（最疏松）中氡遷移速度最快。

4 結論

郯廬斷裂帶作為1 個巖石圈尺度的深大斷裂和構造薄弱帶，是氡及其母體向上遷移的有利通道，本研究的郯廬斷裂帶宿遷段合歡路場地是郯廬斷裂土壤氡響應“靈敏點”，土壤氡釋放強度較強。土壤氡濃度異常特征不僅與斷層自身釋放的特性有關，還與斷層類型、覆蓋層的分層特征等因素有關：氡沿斷裂向上遷移，濃度不斷減小，呈衰減趨勢；雙峰或多峰的形態異常，多與存在次斷裂相關；異常峰值由斷面氡濃度和覆蓋層類型等因素決定；異常峰寬度與破碎帶寬度有關；不同類型覆蓋層中氡氣分布不同，在致密的覆蓋層中氡的對流速度慢，有效擴散系數較小，對流和擴散作用較弱，濃度梯度變化較大；在疏松的覆蓋層中氡的對流速度快，有效擴散系數較大，對流和擴散作用相對較強，濃度梯度變化較小。

本文根據土壤氡遷移理論，利用數值模擬方法分析了郯廬斷裂帶宿遷段合歡路場地2 種典型土壤氡濃度異常，并給出合歡路場地覆蓋層中土壤氡濃度二維模擬結果，與實測情況相近，證明了理論模型可行性。開展氡遷移數值模擬研究，可以定量解釋斷層類型、覆蓋層其分層特征與土壤氡濃度異常的關系，判斷斷層斷點的位置，給出斷層相對破碎的區間，為斷層土壤氡實測資料的解釋提供客觀依據。