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        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(shù)值模擬1

        2021-04-09 06:25:24趙啟光周曉成
        震災(zāi)防御技術(shù) 2021年1期

        戴 波 趙啟光 張 敏 張 揚(yáng) 周曉成

        1)江蘇省地震局,南京 210000

        2)中國地震局地震預(yù)測研究所,北京 100036

        引言

        氡氣是地殼內(nèi)部的天然放射性惰性氣體,具有較強(qiáng)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(jié)合了地球物理與地球化學(xué)方法,在活斷層探測、地震前兆與地震預(yù)測等領(lǐng)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(jià)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(yù)測方面,斷層氣觀測是有效手段,地球內(nèi)部斷層氣遷移速度明顯快于液體,對地震前兆響應(yīng)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(xué)者相繼對斷層氣觀測臺網(wǎng)、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(shù)值模擬方法是對斷層土壤氡實(shí)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(nèi)氡遷移的物理模型,并推導(dǎo)出活斷層上覆蓋層內(nèi)氡濃度異常分布結(jié)果;Ho(2008)描述了氡在兩相介質(zhì)中的遷移衰減模型和規(guī)律;Yakovlev 等(2010)推導(dǎo)出地下多層介質(zhì)中氡遷移的傳輸方程。除主斷裂外,覆蓋層內(nèi)次級斷裂和裂隙都是氡及母體向上遷移的通道,設(shè)置相應(yīng)的數(shù)值模擬邊界條件,計(jì)算得到多氡源在覆蓋層內(nèi)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(zhì)各向同性的土壤層組成,通過給定不同土壤層的有效擴(kuò)散系數(shù)和對流速率,計(jì)算氡濃度分布(伍劍波等,2014)。土壤氡受溫度和壓強(qiáng)等因素的影響,對流速度具有一定周期性變化規(guī)律,可以得到隨著時(shí)間和深度變化的非穩(wěn)定條件下氡濃度數(shù)學(xué)表達(dá)式(葛良全等,2012)。通過評價(jià)對流速度影響因素,建立多向?qū)α髂P?,完善土壤氡遷移的數(shù)值模擬(劉洪濤,2018)。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對影響土壤氡遷移機(jī)制中各因素進(jìn)行了深入研究,使數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性不斷提高。但在土壤氡數(shù)值模擬識別斷層內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面尚未進(jìn)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(shí)例較少。

        本文在郯廬斷裂宿遷段合歡路場地準(zhǔn)確的地層巖性特征、斷裂參數(shù)資料基礎(chǔ)上,建立土壤氡遷移模型,計(jì)算得到氡濃度分布定量結(jié)果,并對研究區(qū)內(nèi)氡濃度異常形態(tài)特征與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系進(jìn)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(jì)算及形成機(jī)理

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

        Abdoh 等(1989)根據(jù)擴(kuò)散-對流經(jīng)典土壤氡遷移理論,在假設(shè)介質(zhì)是均勻、各向同性的,土壤不具有放射性,處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)的條件下,提出了斷層上覆蓋層內(nèi)氡遷移基本模型,如圖1 所示。建立二維直角坐標(biāo)系,取覆蓋層寬度x=a,厚度y=b的有限區(qū)域,設(shè)斷裂帶寬度為W,斷面氡濃度為N0,斷層兩側(cè)氡濃度分別為N1、N2,推導(dǎo)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(shù);氡濃度N=N(x,y);D*為有效擴(kuò)散系數(shù),D*=D/e,D為擴(kuò)散系數(shù),e為覆蓋層介質(zhì)孔隙度,相應(yīng)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(shù)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(guān)參數(shù)Table 1 Parameters related to radon migration in overburden

        2 斷層土壤氡測線布設(shè)及測量

        郯廬斷裂帶在中國境內(nèi)北起黑龍江蘿北,南至湖北武穴,全長約2 400 km,該斷裂帶經(jīng)歷了多期構(gòu)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(gòu)造格架,是巖石圈尺度的深大斷裂帶和構(gòu)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(nèi),北起新沂河南岸,南至宿遷埠子鎮(zhèn),沿曉店鎮(zhèn)、宿遷市區(qū)、三棵樹鄉(xiāng)一帶分布,長度約35 km。已有研究結(jié)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(fā)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(yùn)動為主(許漢剛等,2016)。

        圖2 郯廬斷裂帶宿遷段地質(zhì)構(gòu)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(cè),地勢平坦、土壤干燥。測線布設(shè)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(shí)與土壤氡同場地進(jìn)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(shù)指標(biāo)為:探測靈敏度≥0.68 cpm/(Bq·m-3),本底計(jì)數(shù)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(gè)點(diǎn)位進(jìn)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(qū)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(shù)指標(biāo)為:測量范圍0~0.500%,分辨率0.001%,重復(fù)性≤1%滿刻度。土壤氡探測時(shí)間為2018 年9 月,每日8:00-18:00 進(jìn)行測量,歷時(shí)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(jié)果如圖4 所示,測線存在2個(gè)明顯的異常區(qū)間。異常區(qū)間與F5斷裂2 條主干斷裂F5-1、F5-2有較好的位置對應(yīng)關(guān)系。為便于數(shù)據(jù)分析,以1770 號CDP(共發(fā)射點(diǎn)道集)點(diǎn)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(jié)果數(shù)據(jù)分析與同場地淺層人工地震探測結(jié)果如表2 所示。

        表2 土壤氡測線探測結(jié)果與淺層人工地震探測結(jié)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(zhì)構(gòu)造活動、地殼特征和地震活動影響外,還受溫度、濕度、氣壓、風(fēng)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(huán)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(huán)境條件相對穩(wěn)定,土壤氡異常原因主要與地質(zhì)構(gòu)造活動、地殼特征和地震活動等因素有關(guān)。從探測結(jié)果可以看出,斷裂F5-1和F5-2斷點(diǎn)位置均在土壤氡濃度異常區(qū)間內(nèi),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(shù)值模擬

        對于合歡路場地宿遷市活動斷層探測與地震危險(xiǎn)性評價(jià)項(xiàng)目通過鉆孔聯(lián)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(zhì)構(gòu)造、地層巖性特征等參數(shù),為本文進(jìn)行氡遷移的數(shù)值模擬提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐,在淺層人工地震勘探的基礎(chǔ)上,開展了鉆孔聯(lián)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(lián)合剖面各施工6 個(gè)孔(圖3),探明了西支F5-2斷裂和東支F5-1斷裂的2 個(gè)分支F5-11、F5-12,斷點(diǎn)上覆蓋層巖性特征如表3 所示,根據(jù)不同地層的巖性特征,對流速度和有效擴(kuò)散系數(shù)取值參考表1 中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

        表3 斷點(diǎn)上覆蓋層參數(shù)Table 3 Overburden parameters on fault point

        由淺層人工地震和鉆孔聯(lián)合剖面探測結(jié)果可知,合歡路場地地質(zhì)構(gòu)造和覆蓋層巖組特征相對復(fù)雜,氡遷移的基本模型不能準(zhǔn)確解釋氡異常現(xiàn)象。為得到更準(zhǔn)確的數(shù)值模擬結(jié)果,建立模型時(shí),一方面要識別地質(zhì)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)也是建模需要關(guān)注的重要方面。在應(yīng)力釋放作用下,斷層末端受到較小的應(yīng)力,巖石未完全破碎,僅發(fā)生局部破裂,保留了母巖基本特征,而靠近斷點(diǎn)的斷層破碎帶在形成過程中消耗了斷層發(fā)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(nèi)部靠近斷點(diǎn)的破碎帶孔隙度較大,是氡遷移的主要通道,在對斷層內(nèi)部建模時(shí),應(yīng)對斷裂破碎帶進(jìn)行識別。斷點(diǎn)附近構(gòu)造應(yīng)力和斷層活動性強(qiáng)度達(dá)到最大時(shí),派生裂縫的寬度隨著距斷點(diǎn)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(qū)間在地面的直接反映。模型建立時(shí),可用土壤氡異常峰寬度對應(yīng)斷層內(nèi)部相對破碎區(qū)域,通過二次函數(shù)來描述斷層內(nèi)部破碎帶氡濃度。本文根據(jù)淺層人工地震和聯(lián)合鉆孔結(jié)果,識別出合歡路場地?cái)嗔选⒏采w層分層特性和斷層內(nèi)部結(jié)構(gòu),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(shù):

        式中,N1為斷點(diǎn)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(cè)地層上氡濃度值;f(x) 為斷裂帶氡濃度函數(shù)。給定參數(shù)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(jù)以上數(shù)據(jù),得到該模型的數(shù)值模擬結(jié)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(shù)值模擬曲線,其結(jié)果與土壤氡實(shí)測曲線較吻合。

        圖6 F5-2 斷層土壤氡遷移數(shù)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(shù):

        式中,N1為F5-11斷點(diǎn)處氡濃度值,W1為F5-11斷點(diǎn)處斷裂帶寬度;N2為F5-12斷點(diǎn)處氡濃度值,W2為F5-12斷點(diǎn)處斷裂帶寬度。W1和W2取值分別為2 個(gè)氡濃度異常峰的寬度;f(x)為斷裂帶氡濃度函數(shù)。給定的參數(shù)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(jù)以上數(shù)據(jù),得到該模型數(shù)值模擬結(jié)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(shù)值模擬曲線,其結(jié)果與土壤氡實(shí)測曲線較吻合。

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

        土壤氡遷移的數(shù)值模擬結(jié)果給出了斷點(diǎn)上覆蓋層內(nèi)的氡濃度二維分布。合歡路場地F5-2斷層地質(zhì)構(gòu)造主要包含1 個(gè)斷裂,數(shù)值模擬的結(jié)果為單峰異常,F(xiàn)5-1斷層的地質(zhì)構(gòu)造主要包含1 個(gè)主斷裂和1 個(gè)次級斷裂,數(shù)值模擬結(jié)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(jié)論

        郯廬斷裂帶作為1 個(gè)巖石圈尺度的深大斷裂和構(gòu)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(yīng)“靈敏點(diǎn)”,土壤氡釋放強(qiáng)度較強(qiáng)。土壤氡濃度異常特征不僅與斷層自身釋放的特性有關(guān),還與斷層類型、覆蓋層的分層特征等因素有關(guān):氡沿?cái)嗔严蛏线w移,濃度不斷減小,呈衰減趨勢;雙峰或多峰的形態(tài)異常,多與存在次斷裂相關(guān);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(guān);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(kuò)散系數(shù)較小,對流和擴(kuò)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(kuò)散系數(shù)較大,對流和擴(kuò)散作用相對較強(qiáng),濃度梯度變化較小。

        本文根據(jù)土壤氡遷移理論,利用數(shù)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(jié)果,與實(shí)測情況相近,證明了理論模型可行性。開展氡遷移數(shù)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(guān)系,判斷斷層斷點(diǎn)的位置,給出斷層相對破碎的區(qū)間,為斷層土壤氡實(shí)測資料的解釋提供客觀依據(jù)。

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