史 楊, 官致君, 楊 耀

(1. 成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059；2. 四川省地震局，四川 成都 610041；3. 蘆山縣防震減災(zāi)局，四川 蘆山 625600)

斷層土壤氣氡的應(yīng)用綜述

史 楊1,3, 官致君2, 楊 耀2

(1. 成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059；2. 四川省地震局，四川 成都 610041；3. 蘆山縣防震減災(zāi)局，四川 蘆山 625600)

氡是揭示構(gòu)造活動(dòng)的重要化學(xué)示蹤元素。研究斷層土壤氣氡及其同位素的地球化學(xué)特征，可以揭示流體在構(gòu)造活動(dòng)研究中的作用。本文簡(jiǎn)述了斷層土壤氣氡的地球化學(xué)特征及目前在斷裂帶上開展的土壤氣氡觀測(cè)的研究成果，歸納了氡的理論及實(shí)驗(yàn)研究以及形成運(yùn)移機(jī)理等方面所取得的進(jìn)展,分析了氡氣在地殼中濃度變化的影響因素。探討斷裂帶中氡濃度空間分布特征有助于深入理解地殼深部流體、構(gòu)造活動(dòng)與地震孕育之間的關(guān)系，對(duì)提高地震短臨預(yù)報(bào)水平具有重要意義。

斷層；土壤氣氡；影響因素；短臨地震

地下深部流體的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征與地殼活動(dòng)密切相關(guān)，地殼構(gòu)造活動(dòng)常常伴隨著化學(xué)和物理變化，因而地下流體成份及運(yùn)動(dòng)形式必然發(fā)生相應(yīng)變化，形成地球化學(xué)異常帶[1]。一般來(lái)說(shuō)，這種異常帶與地下斷層的存在有關(guān)。研究斷層氣隨時(shí)間變化的情況，可能捕捉到地震孕育或斷層活動(dòng)信息。自二十世紀(jì)60年代中期開展斷層土壤氣觀測(cè)以來(lái)，相關(guān)應(yīng)用主要可分三個(gè)方面：一是用于探測(cè)隱伏斷層的活動(dòng)位置；二是研究已知斷層的產(chǎn)狀、性質(zhì)、活動(dòng)性及分段評(píng)價(jià)；三是應(yīng)用于地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。二十世紀(jì)80年代初，國(guó)內(nèi)學(xué)者以巖石標(biāo)本加壓、超聲振動(dòng)、低頻振動(dòng)等實(shí)驗(yàn)室研究為主，探究氡射氣及土氡濃度變化機(jī)理。二十世紀(jì)80年代末至90年代，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大量開展隱伏斷層定位、城市活動(dòng)斷層探測(cè)與小區(qū)劃、活動(dòng)斷裂分段、地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)等系列實(shí)踐研究。由于氡具有特殊的物理化學(xué)特征，破碎帶或裂隙系統(tǒng)，尤其是現(xiàn)今活動(dòng)斷裂為其提供了良好的逸出通道[2]，國(guó)內(nèi)外大量研究表明斷層氣氡活動(dòng)與地殼動(dòng)力作用密切相關(guān)[3]。本文旨在通過(guò)對(duì)土壤氣氡研究的總結(jié)，為土壤氣氡在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中發(fā)揮更好作用提供一些建議。

1 氡的地球化學(xué)特征

氡(Rn)是一種放射性氣體，為鈾、釷經(jīng)過(guò)系列α衰變的中間產(chǎn)物，在自然界中有4種放射性同位素：218Rn、219Rn、220Rn、222Rn，其中222Rn半衰期最長(zhǎng)，為3.825 d，220Rn為55.65 s，219Rn為3.96 s，218Rn為0.03 s，由于220Rn和219Rn、218Rn半衰期短，在自然界含量極少，一般地，在地震監(jiān)測(cè)中主要以222Rn為觀測(cè)對(duì)象。氡具有較強(qiáng)的擴(kuò)散能力和遷移能力，能在一定的壓力差、溫度差、梯度差下，從下往上運(yùn)移，在遷移的過(guò)程中由于所通過(guò)的巖層巖性及構(gòu)造環(huán)境不同，在地下形成不同的氡、汞氣聚集。能溶于水和有機(jī)質(zhì)，常溫常壓下氡在水中的溶解度為51%，但隨著溫度的升高，其溶解度迅速降低，易被活性炭、粘土等吸附，在地質(zhì)環(huán)境中除了以氣態(tài)形式遷移外，還以溶解態(tài)伴隨地下水和土壤水遷移。由于其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，能夠準(zhǔn)確地反映出地殼內(nèi)部物質(zhì)運(yùn)移情況，因此，斷層氣氡有助于識(shí)別由于斷塊運(yùn)動(dòng)而引發(fā)的地震前兆。

許多學(xué)者通過(guò)分析對(duì)比斷裂帶土氡濃度特征，利用現(xiàn)有的土氡活動(dòng)性評(píng)價(jià)方法來(lái)判斷活動(dòng)斷裂的活動(dòng)性強(qiáng)弱，并應(yīng)用于城市活動(dòng)斷層探測(cè)等[4-8]。研究表明，在破碎帶或裂隙附近土壤氣體濃度往往形成高值異常，隨著遠(yuǎn)離破碎帶，濃度值降低，趨于背景值，無(wú)活動(dòng)斷層上，覆蓋層中氣氡濃度不易出現(xiàn)高值異常[9-11]。同一活動(dòng)斷裂帶拉張區(qū)氡濃度值高于壓扭區(qū)的值[12]。斷層土壤氣定點(diǎn)觀測(cè)，氡濃度呈現(xiàn)一定的年變規(guī)律[13-15]，這種年變規(guī)律與氣象條件有很大關(guān)系。地震活動(dòng)區(qū)土壤中氡濃度要明顯高于外圍地區(qū)[16]，這種異常是由構(gòu)造活動(dòng)引起氡的釋放引起的。國(guó)內(nèi)外利用斷層土壤氣預(yù)報(bào)地震已有大量實(shí)踐，例如T.F.Yang等[17]在分析臺(tái)灣西南部斷裂帶土壤氣連續(xù)觀測(cè)數(shù)值結(jié)果時(shí)，發(fā)現(xiàn)在ML4.5級(jí)以上地震前數(shù)天或數(shù)周，測(cè)值曲線上出現(xiàn)異常峰值；T.Tsvetkova[18]在探索斷層土壤氡濃度與地震孕育關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)在距離震中數(shù)十至數(shù)百千米的范圍內(nèi)能觀察到氡濃度的變化，且氡濃度在地震前數(shù)月、數(shù)天、數(shù)小時(shí)在一定范圍內(nèi)常常表現(xiàn)為“峰”或“突起”。陳華靜等[19]分析對(duì)比了1990-1996年首都圈外圍及華北北部的地震活動(dòng)與同期斷層土壤氣動(dòng)態(tài)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)某些斷層土壤氣組分在地震活動(dòng)段與平靜段的動(dòng)態(tài)特征有顯著差異，在地震活動(dòng)時(shí)段表現(xiàn)為明顯的鋸齒狀動(dòng)態(tài)變化，在地震平靜時(shí)段則表現(xiàn)為平穩(wěn)型動(dòng)態(tài)變化，認(rèn)為斷層土壤氣觀測(cè)應(yīng)用可在地震中短期預(yù)報(bào)中發(fā)揮較好的作用。另外，斷層氣氡測(cè)值日均值變化還可以記錄到固體潮變化特征，有效地反映地殼應(yīng)力變化[20]。

此外，在斷層氣活動(dòng)區(qū)域內(nèi)，斷層氣氡異常高值最大值并不一定出現(xiàn)在斷層線附近，往往在斷裂帶兩側(cè)呈現(xiàn)出雙峰曲線特征。針對(duì)此問(wèn)題，許多學(xué)者又有不同的解釋。King等[21]在美國(guó)加州圣安德烈斯斷裂帶上測(cè)量斷層氣的過(guò)程中，由于測(cè)點(diǎn)間距小，獲取了跨斷層逸出氡在破碎帶上方的空間變化特征，因?yàn)閿鄬用姹粩鄬幽嗨畛?，而斷層泥部分的滲透性、透氣性不如鄰區(qū)兩側(cè)的破碎帶高，因此，斷層活動(dòng)面上逸出氡的含量低于相鄰兩側(cè)，這種氡濃度分布特點(diǎn)在蠕滑的斷層上表現(xiàn)更為突出[21-22]。孫小龍等[7]在研究海原斷裂帶土壤氣氡濃度的分布特征時(shí)，也發(fā)現(xiàn)每條測(cè)線的氣氡濃度值在斷裂帶中部位置較低，向斷層兩側(cè)逐漸升高，認(rèn)為這與氡的運(yùn)移機(jī)制和斷層愈合程度有關(guān)。

2 斷層土壤氣氡的觀測(cè)方法和氡遷移機(jī)理

2.1 斷層氣氡的觀測(cè)方法

土壤氣氡的測(cè)量主要分為流動(dòng)觀測(cè)和固定觀測(cè)。流動(dòng)觀測(cè)在位置的選擇上，首先遵循所布設(shè)的位置盡可能垂直于斷層走向的原則，并且盡量跨過(guò)整個(gè)斷層破碎帶。為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確度，一條剖面通常由兩到三條測(cè)線組成，取其平均值作為該剖面土壤氣氡的觀測(cè)值。其次應(yīng)該選擇適當(dāng)?shù)挠^測(cè)深度，以避免自然因素干擾。觀測(cè)孔深度的選擇與地貌、覆蓋層的厚度、植被等多種因素有關(guān)。若一個(gè)研究區(qū)域的土壤類型和厚度相似，在實(shí)際工作中觀測(cè)深度(測(cè)量孔的深度)通常為80 cm。固定觀測(cè)選點(diǎn)之前，首先要開展野外地質(zhì)調(diào)查和流動(dòng)觀測(cè)工作，確保觀測(cè)點(diǎn)位于斷層帶上，且該點(diǎn)的土壤氣氡的濃度值較高，此外還需要選擇在地勢(shì)較為平坦和土壤干燥的地區(qū)，盡量避開新填土路或垃圾堆放地，以便后期穩(wěn)定地進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)。目前國(guó)內(nèi)外地震研究單位經(jīng)常使用的土壤氣測(cè)氡儀主要有AlphaGUARD系列PQ2000測(cè)氡儀，F(xiàn)D-3017RaA測(cè)氡儀，HDC-B型測(cè)氡儀和RAD7測(cè)氡儀等。AlphaGUARD系列PQ2000測(cè)氡儀基于最優(yōu)化脈沖電離室原理，是目前最穩(wěn)定的測(cè)氡儀之一，可以快速測(cè)量空氣、土壤和水中氡濃度，并同時(shí)顯示樣品測(cè)量誤差值、測(cè)量時(shí)的溫度、濕度和大氣壓等參數(shù)；FD-3017RaA測(cè)氡儀，靈敏度為0.37 Bq/L，其測(cè)量對(duì)象是氡衰變的第一代短壽子體-RaA[14]；HDC-B型測(cè)氡儀，是一種高靈敏度環(huán)境測(cè)氡儀，采用靜電收集法采樣，操作簡(jiǎn)便，工作效率高；RAD7便攜式測(cè)氡儀，是應(yīng)用半導(dǎo)體探測(cè)器的快速測(cè)氡儀，其特殊之處是采用干燥管，消除進(jìn)入測(cè)腔內(nèi)氣體的濕度，避免濕度對(duì)測(cè)量的影響，在國(guó)內(nèi)各領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。

2.2 氡氣在斷層帶上覆蓋層中的遷移機(jī)制研究

斷層氣氡從地下深處遷移到地表經(jīng)過(guò)了一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程[23]。20世紀(jì)早期，有關(guān)氡氣在覆蓋層中的遷移機(jī)制和規(guī)律，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者做過(guò)大量的模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)氡的遷移機(jī)制取得了一定的認(rèn)識(shí)。其機(jī)制主要有擴(kuò)散作用、對(duì)流作用、載氣運(yùn)移作用、接力傳遞作用和團(tuán)簇運(yùn)移模式。Flügge和Zimens[24]最早提出氡運(yùn)移是由擴(kuò)散作用引起的，認(rèn)為由于濃度的差異引起氣體從高濃度向低濃度的地方運(yùn)移，主要與擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)。隨后King[25]在擴(kuò)散機(jī)理的基礎(chǔ)上建立了一維模型，覆蓋層土壤被當(dāng)作是同質(zhì)疏松多孔，具有統(tǒng)一氡氣逸出率的介質(zhì)，由于熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果氡的分子而向濃度小的方向移動(dòng)，遵循Fick定理和Darcy定理在土壤中遷移，導(dǎo)出氡濃度值與深度的關(guān)系，實(shí)測(cè)曲線與模擬計(jì)算結(jié)果吻合較好。氣體的擴(kuò)散主要與自身的擴(kuò)散系數(shù)、圍巖性質(zhì)、覆蓋層土壤性質(zhì)等有關(guān)，氣體在地表淺層較深部擴(kuò)散較快，松散砂層中較密實(shí)巖石中擴(kuò)散較快。一般來(lái)說(shuō)，擴(kuò)散是低滲透性土壤中氣體遷移的主要方式[26]。這個(gè)理論對(duì)研究氣體運(yùn)移具有重要影響。當(dāng)存在壓力差時(shí)，在某一地點(diǎn)富集的氡氣可以從壓力高的部位向壓力低的部位遷移，往往在多孔介質(zhì)內(nèi)部空隙與地面空氣之間形成壓力差，形成流向大氣的對(duì)流。主要用于解釋擴(kuò)散系數(shù)較小，且長(zhǎng)距離運(yùn)移的氣體。對(duì)流作用主要與壓力梯度、遷移系數(shù)有關(guān)。對(duì)流主要在較高的滲透性土壤中進(jìn)行[26]。劉菁華[4]基于對(duì)流-擴(kuò)散理論，對(duì)氡遷移進(jìn)行了數(shù)值模擬，推導(dǎo)出在各項(xiàng)同性和均勻覆蓋層中氡遷移的二維濃度方程，將氡從深部的遷移分為二個(gè)空間：(1)覆蓋層以下的空間，這一空間氡氣沿?cái)鄬拥纳仙菑?fù)雜的，在有利的氧化-還原條件下沉積富集，在活斷層中形成氡源；(2)覆蓋層空間，在這一空間氡的遷移以對(duì)流和擴(kuò)散為主，形成氡濃度不均勻分布，在構(gòu)造上方的氡濃度相對(duì)周圍非構(gòu)造上方的氡濃度增大，即氡濃度異常(參見圖1)。隨后伍建波等[26]同樣基于對(duì)流-擴(kuò)散機(jī)理針對(duì)非均質(zhì)覆蓋層中的遷移規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬，解釋了實(shí)際野外測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)的氡異常位置與斷裂帶位置不同步以及斷層上下盤氡濃度分布不對(duì)稱等現(xiàn)象。

圖1 活斷層上氡異常形成的模型示意圖(引自劉菁華，2006)

劉泰峰等[27]通過(guò)理論計(jì)算認(rèn)為，即使是非常富集的來(lái)源，擴(kuò)散作用運(yùn)移最長(zhǎng)距離不超過(guò)10 m，因此擴(kuò)散作用和對(duì)流作用不能解釋如Rn和He這類深部氣體的運(yùn)移，一些學(xué)者便提出載氣運(yùn)移機(jī)制。載氣運(yùn)移作用是指微量氣體伴隨著載氣運(yùn)移至地表，通常載氣為N2、CO2或CH4氣體。由于稀有氣體氡在地球深部的濃度很低，只有10-10ppm，半衰期僅有3.8天，具有低的本征遷移率，氡的短距離運(yùn)移擴(kuò)散很容易被觀測(cè)到[28]。如Ciotoli G等[29]在研究富齊諾盆地氣體運(yùn)移機(jī)制時(shí)認(rèn)為，氣體Rn以CO2為載體，以對(duì)流作用的形式從深部運(yùn)移至地表。Yang T F等[30]在研究臺(tái)灣西南部活動(dòng)斷層時(shí)，認(rèn)為該區(qū)域內(nèi)載氣CO2、CH4對(duì)Rn氣向地表運(yùn)移、分布起主導(dǎo)作用。接力傳遞作用是基于兩個(gè)因素提出的：(1)氡半衰期短，本身不可能做長(zhǎng)距離的運(yùn)移；(2)氡的母體鐳核素的半衰期很長(zhǎng)，它可以做長(zhǎng)距離的運(yùn)動(dòng)。接力傳遞類似于接力賽跑，借助于其他的氡，或是其他物質(zhì)一棒接著一棒由起點(diǎn)跑到終點(diǎn)，一般用于解釋半衰期短，不能做長(zhǎng)距離運(yùn)移的氣體，認(rèn)為氡法找礦、氡法監(jiān)測(cè)地震、氡在地質(zhì)構(gòu)造中的作用等均是依據(jù)氡的接力傳遞作用實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)變能以縱波的形式傳播，引起巖石疏密變化，造成氡的遷移[31-33]。賈文懿等[34-35]在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)較理想的條件下，利用α杯法觀測(cè)，研究氡及其子體的運(yùn)移規(guī)律。氡及其子體和母體多為α衰變體，會(huì)輻射出α粒子，α粒子減速后將成為帶兩個(gè)正電的4He核，借助強(qiáng)電場(chǎng)作用和Vander Waals力，能使4He與氡及其子體或母體形成團(tuán)簇。4He的比重遠(yuǎn)小于空氣，情況合適時(shí)，可在地殼中向上遷移數(shù)十米甚至數(shù)百米，其他地氣也會(huì)因團(tuán)簇現(xiàn)象運(yùn)移，這是內(nèi)因。氡的遷移是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，有其外在因素，也有其內(nèi)在因素,既有物理作用，又有化學(xué)因素，可能是以上這些內(nèi)外因素綜合作用的結(jié)果。

3 斷層土壤氣氡濃度變化的影響因素

無(wú)論是實(shí)驗(yàn)室數(shù)值模擬還是野外實(shí)際測(cè)量結(jié)果，均表明土壤氣氡濃度受到構(gòu)造和非構(gòu)造因素(包括氣象、水文、人為等因素)的影響，其中主要有地質(zhì)構(gòu)造特征，覆蓋層土壤類型及特征(如厚度、濕度、粒度、孔隙度、密度、圍巖及下伏母巖巖性特征等)，氣象因素和其他影響因素等幾個(gè)方面。

3.1 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)體、構(gòu)造上的不均勻性均會(huì)造成氡濃度異常，如斷層存在形式、面寬度、活動(dòng)性、開啟性及裂隙發(fā)育情況等。King等[21]在對(duì)美國(guó)加州圣安德烈斯主要活動(dòng)斷層上方土壤氣氡進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，獲取了不同活動(dòng)類型斷層的開啟段、閉鎖段、蠕滑段上方土壤氣氡空間分布特征，發(fā)現(xiàn)不論是近期有地震活動(dòng)的斷層開啟段、近期無(wú)地震活動(dòng)的歷史上發(fā)生過(guò)大震的斷層閉鎖段、有蠕滑而無(wú)地震活動(dòng)的蠕滑段，均在斷裂帶上方觀測(cè)到氡的高值異常。一般正斷層的上盤裂隙發(fā)育，提供了斷層氣氡溢出的通道，使得斷層面附近和上盤一側(cè)出現(xiàn)氡濃度峰值和次級(jí)峰，斷層傾角越小，次級(jí)峰越多，在剖面上常常表現(xiàn)為單峰、雙峰或多峰異常，峰間距小(參見圖2a)。逆斷層中心部位往往被斷層泥等填充，而上盤因出現(xiàn)橫向張應(yīng)力，使張性小裂隙發(fā)育，為斷層氣氡溢出提供了通道，因而在斷裂面附近和上盤一側(cè)可觀察到氡濃度值的主峰和次級(jí)峰，同樣地，斷層傾角越小，次級(jí)峰越多，剖面上也可以表現(xiàn)為雙峰或多峰異常，由于逆斷層傾角一般較大，峰間距較大(參見圖2b)。近乎直立斷層上方氣氡異常值相對(duì)較低，異常寬度也小，一般為10～30 m，在剖面上表現(xiàn)為單峰(參見圖2c)?？偟膩?lái)說(shuō)，除了在主斷面上出現(xiàn)主峰外，在斷裂上盤會(huì)出現(xiàn)次級(jí)峰值，只是次級(jí)峰值幅度較主峰小，而且多寬緩，可根據(jù)次級(jí)峰值異常指示斷層的傾向。

圖2 不同存在形式斷層上氡異常剖面曲線特征

3.2 覆蓋層土壤性質(zhì)

土壤氣氡變化形態(tài)及變化值大小不僅與斷層規(guī)模、大小、產(chǎn)狀有關(guān)系，也與覆蓋層性質(zhì)有關(guān)。土壤中氡濃度取決于兩個(gè)因素，即獲取量和逸散量，其中逸散量與覆蓋層的厚度、密實(shí)度、孔隙度等有關(guān)[36]。在一個(gè)坡度較大或者土壤可滲透性低的場(chǎng)地，如果覆蓋層相對(duì)較薄，則測(cè)得覆蓋層下面的氡濃度值升高；對(duì)應(yīng)地，在一個(gè)平坦的高滲透性場(chǎng)地，如果覆蓋層比探測(cè)深度大，深部富集的氡氣難以到達(dá)探測(cè)點(diǎn)位，測(cè)得的氡含量下降[2，37]。候彥珍[38]認(rèn)為覆蓋層厚度達(dá)到200 m時(shí)，其覆蓋土層中已經(jīng)不能觀測(cè)到明顯的土氡。伍劍波[26]等通過(guò)對(duì)非均勻覆蓋層中氡遷移的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為覆蓋層對(duì)土壤氣氡有削弱作用，當(dāng)厚度超過(guò)一個(gè)上限時(shí)，斷層帶上方氡氣含量不會(huì)出現(xiàn)。王新等[11]在研究唐山地區(qū)氡濃度分布特征時(shí)，發(fā)現(xiàn)覆蓋層厚度從西南向北東方向逐漸變薄，相應(yīng)的氡濃度值從北東向西南方向降低，跟數(shù)值實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果一致。覆蓋層厚度不大時(shí)變化明顯，當(dāng)厚度增大時(shí)則變化變得低緩；同時(shí)發(fā)現(xiàn)控制氡背景值和濃度值的因素還與覆蓋層下伏母巖類型有關(guān)，如延懷盆地發(fā)育富含放射性元素的花崗巖，而唐山地區(qū)則不發(fā)育花崗巖，其氡濃度背景值(8 105.8 Bq/m3)比唐山地區(qū)高(4 730.4 Bq/m3)。在相同的采樣深度，氡濃度值還與射氣系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、土壤密度和孔隙度、顆粒大小等有關(guān)。覆蓋層顆粒越小，像黃土、粘土等，本身含鈾鐳較高，對(duì)氣體(包括氡)的封閉性和吸附性強(qiáng)，另外可供氡氣體逸出的通道少，氡濃度值升高，相反在如砂質(zhì)等粗粒沉積物中則氡濃度低。松散土層的覆蓋厚度對(duì)土壤氣氡含量及異常形態(tài)有較大的影響，如覆蓋層是松散的回填土等物質(zhì)時(shí)，氡氣易擴(kuò)散入大氣，使得氡氣含量降低。吳華平等[39]在分析廣東西淋岡斷層氣氡濃度時(shí)發(fā)現(xiàn)，在受斷層影響范圍內(nèi)的氣氡含量可能與載體地層年代有關(guān)，受覆蓋層載體凝固程度及其厚度影響較大，載體狀態(tài)為松散—稍密或稍密—密實(shí)時(shí)，有利于富集氡氣，凝固狀態(tài)載體越厚，漂移到地表載體里的氡濃度越低。

3.3 氣象因素

大多數(shù)定點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，斷層氣氡有明顯的年變規(guī)律，這主要與氣象因素有關(guān)。常秋君等[40]對(duì)嘉峪關(guān)等5個(gè)干旱地區(qū)土壤氣氡定點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，認(rèn)為氣溫是斷層氣氡濃度變化最主要的影響因素，形成斷層氣夏低冬高的年變規(guī)律。王博等[15]系統(tǒng)地分析了嘉峪關(guān)斷層帶土壤氣氡與氣溫、地溫和降水等因素的關(guān)系，結(jié)果表明氡的年變規(guī)律主要受氣溫影響。杜建國(guó)等[13]在研究八寶山斷裂帶逸出氡氣測(cè)量結(jié)果時(shí)發(fā)現(xiàn)大氣降水可使土壤濕度增大，土壤空隙被雨水填充，引起粘土礦物膨脹，導(dǎo)致土壤氣脫氣受阻，斷層氣中氡濃度相應(yīng)增高。候彥珍等[38]利用真空法取氣測(cè)氡時(shí)發(fā)現(xiàn)在土壤中含水量不大的情況下，隨土壤含水量增加，氣氡濃度有增高的趨勢(shì)，但當(dāng)土壤含水量增加到飽和或接近飽和時(shí)，土壤氣濃度則明顯降低，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)，氣氡濃度隨含水量增加呈現(xiàn)低-高-低的現(xiàn)象。曹玲玲等[41]認(rèn)為氣溫和氣壓對(duì)嘉峪關(guān)氣氡濃度日值變化均有顯著的影響，且均有滯后效應(yīng)，氣壓對(duì)氣氡濃度的短期影響明顯強(qiáng)于氣溫對(duì)氣氡濃度的短期影響，這與以往以年為單位尺度時(shí)，氣溫對(duì)氣氡濃度的影響大于氣壓對(duì)氣氡濃度的影響結(jié)果正好相反。King等[2]在研究加州兩條逆沖斷層夏季(干燥)和冬季(多雨)斷層氣氡濃度時(shí)發(fā)現(xiàn)，夏季氣氡濃度值在斷裂帶兩側(cè)表現(xiàn)為明顯的雙峰特征，而在冬季多雨季節(jié)氡濃度值則明顯降低，因?yàn)樵谟昙?，氣氡被限制在飽含水的覆蓋層土壤下，從而降低了氣體的滲透率和有效孔隙度。

3.4 其它影響因素

關(guān)于地下水活動(dòng)的影響，由于氡氣易溶于水，地下水的運(yùn)動(dòng)往往使氡氣隨之遷移，從而造成對(duì)測(cè)量結(jié)果的變化；人為因素的影響，如在野外對(duì)斷層氣測(cè)線的勘選，要盡可能的在土質(zhì)老且均勻、地形較平坦，地下水埋深較一致的地段布設(shè)測(cè)線；此外，還可能有儀器靈敏度等的影響。

4 斷層土壤氣氡在實(shí)際觀測(cè)過(guò)程中的注意事項(xiàng)

在隱伏斷層探測(cè)過(guò)程中，斷層氣對(duì)斷層大致位置的判定，以及斷層的分段和活動(dòng)性判定有不可忽略的作用。但實(shí)際測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，有時(shí)氡濃度異常位置和斷層的實(shí)際位置相吻合，有時(shí)會(huì)發(fā)生偏差，這與氡濃度異常曲線受斷層條件及土層巖性、斷層活動(dòng)性和干擾因素等多方面的影響有關(guān)，所以不能僅僅通過(guò)氣氡測(cè)值高低判斷斷層位置、活動(dòng)性等，還需要結(jié)合地球物理、地質(zhì)、樣品定年等地震地質(zhì)學(xué)手段及同位素組成與示蹤等方法綜合分析和評(píng)價(jià)，有效地識(shí)別斷層氣來(lái)源。如孫小龍等[7]以海原斷裂帶為研究對(duì)象，結(jié)合不同構(gòu)造部位的土壤氣氡濃度、同位素組成、水化學(xué)組分，分析了海原斷裂帶活動(dòng)性分段特征。

盡管利用氣氡濃度研究斷層活動(dòng)性操作方便，簡(jiǎn)單易行，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值，但是目前利用氡濃度進(jìn)行活動(dòng)斷裂活動(dòng)性分級(jí)仍無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)中國(guó)地震局活斷層探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，地球化學(xué)探測(cè)各項(xiàng)測(cè)值下限值應(yīng)為該測(cè)項(xiàng)的均值與2-4倍均方差之和，超出此下限值推測(cè)為可能存在活斷層的地球化學(xué)異常，何朝楓等[8]用該方法判斷了麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂現(xiàn)今活動(dòng)性。仍有許多學(xué)者結(jié)合理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出了利用斷層氣的相對(duì)強(qiáng)度判斷斷層活動(dòng)強(qiáng)度的辦法，認(rèn)為異常峰值與背景值的比值可作為依據(jù)。如劉菁華等[42]在進(jìn)行城市活動(dòng)斷裂勘探時(shí)，利用該評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)判別長(zhǎng)春市活動(dòng)斷裂位置及規(guī)模、產(chǎn)狀。邵永新等[43]運(yùn)用斷層氣測(cè)量結(jié)果的高低或按一定換算關(guān)系計(jì)算結(jié)果的高低來(lái)表示斷層的活動(dòng)性強(qiáng)弱，分析了海河隱伏斷裂氣氡測(cè)量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)利用測(cè)量結(jié)果對(duì)斷層活動(dòng)性的討論與斷層活動(dòng)性分段是有區(qū)別的，并且不同斷裂間的測(cè)量結(jié)果不能通過(guò)相互比較來(lái)判斷其活動(dòng)性強(qiáng)弱。葛良全等[44]發(fā)現(xiàn)地氣測(cè)值形態(tài)主要呈現(xiàn)“群”的分布特征，因此，在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)研究中，應(yīng)配套觀測(cè)研究多組分(如H2、He、CH4、H2S、N2、O2等)的濃度變化特征，在跨斷層測(cè)量逸出氣過(guò)程中，結(jié)合多種氣體測(cè)值分析研究，將比單獨(dú)觀測(cè)某一組分的意義要大。氣象因素對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響，野外測(cè)量盡可能使各觀測(cè)期間的氣象條件相似，特別是一條斷層上布設(shè)的幾條測(cè)線的施工和觀測(cè)條件相近，才能取得比較理想的結(jié)果。

5 結(jié)論

氡具有較強(qiáng)的擴(kuò)散能力和遷移能力，在一定的壓力差、溫度差、梯度差下，能從下往上運(yùn)移，通常能夠反映出地殼內(nèi)部氡運(yùn)移情況。研究斷層土壤氣氡的濃度，有助于揭示出在地震頻發(fā)區(qū)域內(nèi)由于斷塊運(yùn)動(dòng)而引發(fā)的地震前兆。此外，通過(guò)分析對(duì)比斷裂帶土氡濃度特征，利用現(xiàn)有的土氡活動(dòng)性評(píng)價(jià)方法，還可以開展城市活動(dòng)斷層探測(cè)，并判斷活動(dòng)斷裂的活動(dòng)性強(qiáng)弱。土壤氣氡濃度容易受到研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)、覆蓋層土壤以及氣象因素等的影響。這使得單一氣體測(cè)量結(jié)果難以判定出與地震有關(guān)的異常，也不能準(zhǔn)確地反映整個(gè)研究區(qū)域的地球化學(xué)特征。多組分監(jiān)測(cè)和高密度布點(diǎn)可以減小外部因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。因此，通過(guò)研究土壤氣氡的地球化學(xué)特征來(lái)判斷斷層活動(dòng)性的強(qiáng)弱還需要結(jié)合地球物理、地質(zhì)、樣品定年等地震地質(zhì)學(xué)手段及同位素組成與示蹤等方法綜合進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。此外，野外測(cè)量應(yīng)盡可能使各觀測(cè)期間的氣象條件相似，特別是一條斷層上布設(shè)的幾條測(cè)線的施工和觀測(cè)條件相近，才能取得比較理想的結(jié)果。進(jìn)行土壤氣氡流動(dòng)觀測(cè)時(shí)，在條件允許時(shí)，測(cè)線盡可能長(zhǎng)(完全跨越斷層破碎帶)且要垂直于斷層的走向布設(shè)測(cè)線。一條剖面可由多條平行的測(cè)線組成，測(cè)點(diǎn)的布設(shè)要盡可能的密集。每個(gè)點(diǎn)位的打孔深度要保持一致，且深度要在松散沉積物中的氣體與大氣發(fā)生強(qiáng)烈交換的覆蓋層或凍土層以下，盡可能減少氣象因素的影響。在測(cè)量過(guò)程中，如采樣、儀器測(cè)試等，要嚴(yán)格按照規(guī)程操作，使影響因素降到最低限度。在后期數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，可選擇一個(gè)點(diǎn)的多次測(cè)量結(jié)果的平均結(jié)果作為實(shí)際測(cè)量值，結(jié)合研究區(qū)域的構(gòu)造背景，以及采樣點(diǎn)的數(shù)目來(lái)選擇確定異常下限的最優(yōu)方法，以識(shí)別土壤氣氡的異常。

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Geochemistry Characteristics and Application Research on Radon from the Fault Zone

SHI Yang1,3, GUAN Zhijun2, YANG Yao2

(1. Geochemistry Department，Chengdu University of Technology, Sichuan Chengdu 610059；2. Earthquake Administration of Sichuan Province，Sichuan Chengdu 610041；3. Earthquake Prevention and Disaster Reduction Administration of Lushan County，Sichuan Lushan 625600，China)

As an important chemical tracer, radon content change can reveal tectonic activities. Researching on the geochemistry characteristics of soil radon and its isotopes from fault can determine the role of fluid in tectonic activities. In this paper, we summarize the geochemical characteristics of soil radon in fault as well as the related research results about soil radon observation on fault zones. We introduce the progress of formation and migration mechanism, and analyze the effect factors of radon in the crust. The spatial distribution of radon concentrations in the fault zone will help us to further understand the relationship between the deep fluids and the earthquakes in the crust. Otherwise, it may have important scientific significance to improve the works of impending earthquake prediction.

fault; soil radon; effect factors; impending earthquake prediction

2017-03-20

史楊(1988-)，女，陜西省洛南縣人，助理工程師，成都理工大學(xué)研究生，研究方向?yàn)榈刭|(zhì)學(xué)、地球化學(xué).

P315.31

B

1001-8115(2017)02-0038-07

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.02.010