河北省張北地區(qū)土壤氡分布特征及控制因素研究

趙嘉煒, 張云鵬, 劉志遠, 柴 泉, 魏云飛

(河北省地質(zhì)調(diào)查院，石家莊 050081)

0 引言

土壤氡測量方法自上世紀90年代以來被廣泛應用于隱伏斷裂調(diào)查的工作中，是一種探測隱伏斷裂的存在、位置、走向和傾向的有效手段[1-8]。近幾年國內(nèi)土壤氡測量應用越來越廣泛,并在隱伏斷層探測中取得了較好的效果[9-15]。

研究區(qū)主要斷裂構(gòu)造大部分被第四系覆蓋， 通過分析研究區(qū)內(nèi)4條氡氣測量剖面，得到不同巖性地區(qū)的土壤氡背景場特征和隱伏斷裂的位置和產(chǎn)狀，并根據(jù)幅背比對斷層的活動性強弱進行了分析。研究結(jié)果對地質(zhì)填圖和隱伏斷裂活動性研究有一定的科學價值。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于華北陸塊北緣中段，處于尚義-赤城斷裂帶北側(cè)，屬壩上高原。南部為基巖裸露區(qū)，北部地表大部分為第四系覆蓋。區(qū)內(nèi)地層主要由古元古代(紅旗營子巖群太平莊巖組)、中生代(早白堊世張家口組、青石砬組、晚白堊世南天門組)、新生代地層(漢諾壩組、上新世石匣組、晚更新世遷安組、馬蘭組及全新世沖洪積、風積、湖積等堆積物)組成。其中中元古代的巖漿活動表現(xiàn)最為強烈，侵入巖分布范圍最大，主要巖性有其中中二疊世-三疊世的花崗巖、漸新世-中新世玄武巖。研究區(qū)西南部有少量白堊紀青石砬組砂巖及泥頁巖[16]。

研究區(qū)新構(gòu)造活動強烈,間歇性斷塊升降十分明顯,主要表現(xiàn)為多級層狀地貌、強烈的火山活動、盆地遷移、斷裂活動及地震等[17]。研究區(qū)內(nèi)主要有張北沽源斷裂和上火石-興義泉斷裂，上火石-興義泉斷裂在喜馬拉雅期以伸展拉張型正斷層活動為特征，活動于北西-南東向拉張構(gòu)造環(huán)境。該期形成的構(gòu)造線呈北東-北北東向展布，切割了白堊紀及其之前的地質(zhì)體，帶內(nèi)發(fā)育張性斷層角礫夾斷層泥及碎裂狀巖石，具硅化等蝕變[17]。

2 工作原理及方法

2.1 測氡原理

氡是一種放射性氣體，其半衰期較短僅為3.8 d，其衰變主要產(chǎn)生①218Po(RaA);②214Pb(RaB);③214Bi(RaC);④214Po(RaC)四種子體。

本次工作采用泵吸α能譜法測氡，其基本原理是利用放射性動態(tài)平衡理論，通過測量222Rn第一代子體218Po實現(xiàn)對氡222Rn 的間接測量，通過泵吸取樣方式，抽取被測目標氡氣及其子體進入帶有正高壓靜電收集腔，進入內(nèi)部的氡會繼續(xù)衰變使取樣腔中氡子體218Po 跟氡保持放射性平衡。218Po會在正靜電高壓電場力作用下，吸附到探測器表面進行α衰變。探測器會感應射線能量信息，采用α能譜測量，通過α能譜特性獲取218Po子體的特征信息從而實現(xiàn)氡濃度的測量。實際土壤中，釷220Rn的分布與222Rn氡差不多，非常廣泛[3-4]。

2.2 工作方法

利用土壤氡氣測量對隱伏斷裂構(gòu)造的特征進行評估(位置、產(chǎn)狀、影響范圍及活動性強弱)。在垂直于斷裂構(gòu)造走向且覆蓋層較厚的地區(qū)進行剖面布設，盡量避開人類活動較強的區(qū)域，氡氣測量剖面布置統(tǒng)計見表1，測量點距為10 m。工作采用FD216型測氡儀，工作開展前首先對儀器進行了標定，并對儀器一致性進行了檢測，每個工作日均對儀器穩(wěn)定性進行檢查，符合EJ/T605—1993《氡及其子體測量規(guī)范》要求。到達測點后，先記錄土質(zhì)及地質(zhì)情況，然后打孔，打孔后立即插入取樣器，并及時將周圍土壤壓實，防止空氣竄入孔中稀釋氡濃度，影響測量結(jié)果；取氣深度一般在0.7 m～1.0 m。每個測點測量三次取三次測量的平均值為該測點的測量結(jié)果值。研究區(qū)氯氣測量測線統(tǒng)計見表1。

表1 研究區(qū)氡氣測量測線統(tǒng)計

目前，國內(nèi)、外尚未對氡氣測量方法研究斷裂活動分級作出統(tǒng)一普遍適用的判別標準。參考前期學者提供的判斷指標，通過異常幅值和背景值的比值，來表征斷裂帶的地球化學特征[18-19]。全部測量結(jié)果的平均值為區(qū)域背景場，背景場與兩倍均方差之和為異常下限。因研究區(qū)地質(zhì)條件較復雜，第四系厚度不均及黏土發(fā)育等問題，對測量結(jié)果產(chǎn)生較大影響，不同剖面間氡濃度差異較大，因此工作采用單條剖面統(tǒng)計的方式，分別計算各剖面的背景場及異常下限。

3 結(jié)果分析

3.1 土壤氡氣與覆蓋區(qū)巖性特征

覆蓋區(qū)巖性特征對土壤氡氣測量結(jié)果的影響主要在測量背景值大小上[20]，對通過統(tǒng)計分析研究區(qū)不同巖性的土壤氡背景值，工區(qū)主要巖性的土壤氡背景值差異較大(表2)。其中中二疊世-三疊世的花崗巖區(qū)土壤氡背景值平均值達4 766.1 Bq/m3，漸新世-中新世玄武巖區(qū)土壤氡背景值平均值達869.8 Bq/m3，白堊紀青石砬組砂巖及泥頁巖區(qū)土壤氡背景值平均值達477.1 Bq/m3。統(tǒng)計結(jié)果表明,侵入巖氡濃度值普遍高于沉積地層的氡濃度值，說明在對不同剖面的土壤氡異常判定中，不同巖性的異常圈定是不同的，其中DQ04剖面通過花崗巖體和白堊紀青石砬組砂巖及泥頁巖地層(青石砬組地層根據(jù)鉆孔資料劃定)，對土壤氡異常的解釋也應該根據(jù)巖性分界，分段解釋。

表2 研究區(qū)主要巖性土壤氡統(tǒng)計

Th、U元素是Rn的衰變母體核素，介質(zhì)中Th、U等核素含量及分布與Rn含量、Rn析出率密切相關(guān)。根據(jù)河北省區(qū)域巖石地區(qū)化學調(diào)查報告和張北縣幅(1:250 000)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告，研究區(qū)漢諾壩組玄武巖Th、U含量最低，早三疊世細粒二長花崗巖、中二疊世變質(zhì)細粒花崗閃長巖與青石砬組(砂巖、泥頁巖)的差距不大。但早三疊世細粒二長花崗巖、中二疊世變質(zhì)細粒花崗巖區(qū)域內(nèi)的氡背景值遠大于青石砬組地層區(qū)域的氡背景場(表3)。

表3 研究區(qū)主要巖性Th、U含量統(tǒng)計

張北地區(qū)氡濃度不僅與不同巖性間放射性元素含量有關(guān)，也與不同巖性間Rn析出率相關(guān)。孔隙度越大氡氣的析出率越高，研究區(qū)內(nèi)的侵入巖體多形成于古生代，風化嚴重，其內(nèi)部微裂縫發(fā)育，易形成較大孔隙度，利于氡氣的存儲，裂隙發(fā)育也為深部氡氣的運移提供了通道。青石砬組地層Th、U含量與侵入巖體相當，其頂部有厚層泥巖，泥巖屬于隔水層對氡氣的運移有一定的阻礙效應，氡氣向上的運移空間基本被阻斷，形成了氡濃度背景值極低這一特征，與研究區(qū)內(nèi)的侵入巖相比低了近10倍。研究區(qū)內(nèi)的漢諾壩組地層厚度大，且多呈氣孔杏仁狀，，形成死孔隙，但是該組地層節(jié)理發(fā)育，為深層的氡氣向上運移提供了通道，使雖然其氣孔多被其他礦物質(zhì)填充得該組地層雖然Th、U含量最低，但其氡濃度背景場較青石砬組地層高出一倍。

3.2 土壤氡氣與斷層活動性

DQ01剖面(圖1(a))整體氡濃度值偏高，剖面西南均有二疊世細粒二長花崗巖出露，巖體氡濃度值普遍高于沉積地層的氡濃度值，這是引起整體氡濃度背景值偏高的主要原因。2 600點～3 200點間氡濃呈現(xiàn)劇烈跳變多峰狀高場特征，氡濃度最大值為17 174 Bq/m3。推斷該區(qū)段跳變處的氡高濃度值應為F10上火石-興義泉斷裂構(gòu)造的反映，構(gòu)造影響寬度約400 m。

圖1 土壤氡測量剖面圖Fig.1 Soil radon measurement profile(a)DQ01;(b)DQ02;(c)DQ03;(d)DQ04

DQ02剖面(圖1(b))，1 000點～2 400點氡濃度表現(xiàn)為穩(wěn)定平緩的低值場特征，與玄武巖地區(qū)背景場基本一致。2 400點～2 800點間氡濃度呈峰狀，整體梯度表現(xiàn)為南陡北緩，氡濃度極大值為2 700 Bq/m3，推斷該異常由隱伏的次級構(gòu)造引起。2 900點～3 700點間氡濃度呈現(xiàn)劇烈跳變多峰狀高場特征，氡濃度極大值為5 512 Bq/m3，推斷該區(qū)段跳變處的氡高濃度值應為F11斷裂構(gòu)造的反映，構(gòu)造影響寬度約800 m。

DQ03剖面(圖1(c))共有氡濃度異常段三個，①1 200點～1 500點間氡濃度曲線呈單峰狀高值異常特征，氡濃度極大值為16 111 Bq/m3;②2 400點～3 000點間氡濃度曲線呈單峰狀高值異常特征，氡濃度極大值為9 157 Bq/m3;③3 600點～3 900點間氡濃度曲線也呈單峰狀高值異常特征，氡濃度極大值為7 652 Bq/m3。推斷該氡濃度異常由張北-沽源斷裂帶上的次級斷裂構(gòu)造F5引起。

DQ04剖面(圖1(d))，主要穿越第四系全新世湖積覆蓋區(qū)，主要為淤泥及粉砂質(zhì)黏土。1 900點～2 700點間氡濃度呈單峰狀高場特征，氡濃度最大值為15 004 Bq/m3。該區(qū)段間跳變處的氡高濃度值應為F10斷裂構(gòu)造的反映，影響寬度約700 m。

根據(jù)4條測氡剖面土壤氡濃度背景場與最大值統(tǒng)計結(jié)果計算幅背比(表4)，推斷的斷層活動性強弱。其中DQ01和DQ04剖面通過上火石-興義泉斷裂，Rn含量較為平穩(wěn)，波動范圍較少，幅背比為3.5和5.3，說明上火石-興義泉斷裂埋深較大且活動性較弱。DQ01和DQ04剖面氡濃度曲線均有明顯波動，主要受侵入巖巖性影響，DQ04剖面1 000點到1 900點，氡濃度低值區(qū)推斷為白堊紀青石砬組背景場的表現(xiàn)，厚層泥巖對氡氣的運移有一定的阻礙效應。

表4 研究區(qū)土壤氡剖面幅背比統(tǒng)計

DQ02剖面通過F11斷裂，異常幅度大形態(tài)好，幅背比為11.7，推斷斷裂活動性較強。F11斷裂為1998年張北縣6.2級地震的主控斷裂，為第四紀活動斷裂，與氡氣測量推薦解釋相吻合。DQ03剖面通過F5斷裂，在隱伏斷裂帶氡濃度呈現(xiàn)劇烈跳變多峰狀高場特征，幅背比為12.9，說明F5斷裂存在多條次級斷裂，且具有較強活動性，氡氣測量結(jié)果推斷出多條隱伏斷裂，為物探手段在地質(zhì)填圖中的新發(fā)現(xiàn)。

張北地區(qū)的土壤氡測量結(jié)果表現(xiàn)了較強的非均值性和濃集性，對確定研究區(qū)隱伏斷裂的精確位置及其活動性強弱有很好地應用(圖2)。

圖2 土壤氡測量綜合成果圖Fig.2 Comprehensive results of soil radon measurement

5 結(jié)論

根據(jù)總結(jié)研究區(qū)4條測氡剖面氡濃度曲線與研究區(qū)巖性特征和主要斷裂的活動性關(guān)系，得出以下結(jié)論：

1)分析了土壤氡背景值與覆蓋區(qū)巖性特征的關(guān)系，并定性描述了其影響因素及變化規(guī)律，張北地區(qū)氡濃度不僅與不同巖性間放射性元素含量有關(guān)，也與不同巖性間Rn析出率相關(guān)。研究區(qū)斷裂帶氡濃度呈劇烈跳變高值特征，背景值較低。造成這一特征的主要原因為，研究區(qū)多為湖相沉積環(huán)境，第四系地層內(nèi)粘土較為發(fā)育，粘土有較強的隔水吸附效應阻礙了氡氣的運移，形成該區(qū)域背景場值較低的特征。

2)土壤氡測量結(jié)果表現(xiàn)了較強的非均值性和濃集性，對確定研究區(qū)隱伏斷裂的精確位置及其活動性強弱有很好地應用。

3)由于觀測時間有限，關(guān)于土壤氡測量的定量研究，還需對斷裂構(gòu)造進行長期土壤氡濃度監(jiān)測，對比不同時期土壤氡濃度的變化情況來判斷斷裂構(gòu)造的活動性。