張曉亮，白凌燕，倪敬波，王志輝，趙勇，何付兵

(1.北京市地質(zhì)調(diào)查研究所，北京 100195； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局 中國地質(zhì)科學(xué)院地球深部探測中心，北京 100037)

0 引言

氣體地球化學(xué)測量在研究活動斷裂方面具有重要的作用，隱伏斷裂帶是氣體地球化學(xué)遷移的有利通道，斷裂帶內(nèi)的裂隙及填充物越松散，其裂隙的導(dǎo)氣性越好，而且，隱伏斷裂活動會改變上覆地層的結(jié)構(gòu)，造成一些氣體元素的相對富集[1-2]。近年來，斷層氣體地球化學(xué)勘查是應(yīng)用于地震研究領(lǐng)域的一項新技術(shù)，在地震監(jiān)測預(yù)報、地震烈度考察、斷層活動性評價等方面得到了廣泛的應(yīng)用[3]。焦德成等[4]開展了斷層氣測量應(yīng)用于銀川地塹隱伏斷裂活動性的研究工作，驗證了在平原地區(qū)，特別是第四系覆蓋層厚度大的情況下，土壤氣氡、氣汞測量是研究隱伏斷裂活動性的行之有效的方法之一。戴華林等[5]開展了淺層地震勘探和測氡定位隱伏斷裂研究，認(rèn)為隱伏斷裂本身的特殊性和隱蔽性以及眾多因素影響，加之目前對各種因素的影響研究尚處于很低水平，做出正確的解釋判斷仍很困難。曾敏等[6]利用氡氣測量探測沙灣斷裂帶，結(jié)果顯示不同測線上的斷裂帶均有氡氣異常顯示，認(rèn)為該方是確定隱伏斷裂的方法之一。杜建國等[7]開展了八寶山斷裂帶逸出氡的地球化學(xué)特征及其映震效能研究，得出斷裂附近逸出氡明顯，且對附近地震活動反應(yīng)敏感的結(jié)論。王廣才等[8]對福州市隱伏斷層進(jìn)行地球化學(xué)探測和研究，有效地探測福州地區(qū)隱伏斷層。周曉成等[9]利用土壤氡、汞地球化學(xué)方法對呼和浩特地區(qū)隱伏斷層進(jìn)行探測，根據(jù)土壤氡、汞異常特征確定了斷層的具體位置。中國地震局地震研究所王良秋在深圳市利用土壤氡對城市內(nèi)的隱伏斷裂進(jìn)行了探測，取得了很好的效果[10]。

本文通過對北京平原區(qū)NW和NE向2條土壤剖面氡濃度測量，獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)并繪制土壤氡濃度變化剖面圖，分析了北京平原區(qū)土壤氡濃度與隱伏斷裂的響應(yīng)關(guān)系，以及不同母質(zhì)原巖對平原區(qū)土壤氡濃度背景值的影響。

1 地質(zhì)概況

北京平原區(qū)位于中朝準(zhǔn)地臺華北斷坳的西北部,其北側(cè)為燕山臺褶帶,西側(cè)為山西斷隆。中侏羅世至晚白堊世的燕山運(yùn)動奠定了本區(qū)構(gòu)造基礎(chǔ),發(fā)育了八寶山斷裂與黃莊—高麗營斷裂之后,經(jīng)過白堊紀(jì)至古新世剝蝕作用,本區(qū)形成北臺期準(zhǔn)平原面。北京斷陷為中、新生代斷陷盆地,可作為華北平原區(qū)一個相對獨立的構(gòu)造單元，其構(gòu)造邊界:南界以NW向的東壘子—淶水?dāng)嗔雅c冀中坳陷分開,西界以黃莊—高麗營斷裂與京西隆起相鄰,東界以南苑—通縣斷裂與大興隆起相聯(lián)接,形成了“兩隆一凹”的構(gòu)造格局。在斷陷內(nèi)部，發(fā)育NE和NW向兩組斷裂，兩組斷裂相互切割，進(jìn)一步將北京平原分割成幾個次一級的凹陷和凸起,自南向北依次是:涿縣凹陷、良鄉(xiāng)凸起、豐臺凹陷、來廣營凸起、順義凹陷與沙河凹陷[11](圖1)。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造單元簡圖Fig.1 Tectonic map of the study area

2 數(shù)據(jù)采集與處理

溫度和濕度對土壤氡的測量具有一定的干擾作用[12-16]。為了避免溫度、濕度等外界因素對土壤氡測量結(jié)果的影響，野外數(shù)據(jù)采集工作在2個月內(nèi)完成。野外調(diào)查時間為10～11月份，溫度在18～24 ℃之間；測量點盡量選在濕度適中的原狀土層中，如遇到下雨，雨后48 h內(nèi)不進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集工作。

為了保證儀器的穩(wěn)定性，每次測量前，在同一地點反復(fù)多次測定土壤氡，數(shù)據(jù)浮動變化不大、儀器運(yùn)行穩(wěn)定時，可以進(jìn)行實際測量，從而確保數(shù)據(jù)的可靠性。

2.1 測量儀器

本次使用的測氡儀是上海申核電子儀器有限公司生產(chǎn)的FD-3017型RaA測氡儀(2003年建設(shè)部對全國20個城市土壤氡調(diào)查指定統(tǒng)一使用的儀器)。其工作原理是利用靜電收集氡衰變的第一代子體——RaA作為測量對象，定量測量土壤或者水中的氡濃度。

2.2 測線布設(shè)與數(shù)據(jù)采集

北京平原區(qū)隱伏斷裂主要為NE、NW向兩組，此次研究工作布設(shè)2條長測線剖面，基本上控制了平原區(qū)主要斷裂。其中NE向剖面(aa′)北起懷柔統(tǒng)軍莊火車站附近(40°19′，116°45′)，南至大興龐各莊鎮(zhèn)趙村西(39°34′，116°12′)，長約90 km；NW向剖面(bb′)西起石景山區(qū)雙峪路邊(39°56′，116°07′)，東至通州區(qū)柏德路(39°38′，116°50′)，全長約60 km。測點間距控制在500 m，測線通過的土地利用類型包括農(nóng)田、綠化帶、林區(qū)、道路、居民區(qū)等。為確保數(shù)據(jù)的可靠性，每個測點采集數(shù)據(jù)2～3次，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定。剖面線分布如圖2所示。

圖2 工作區(qū)測氡剖面部署Fig.2 Survey line in the working area

數(shù)據(jù)在采集過程中，嚴(yán)格按照儀器的工作流程操作。首先，選用直徑2.0 cm左右，長80 cm的鋼釬，錘入土壤中形成約70 cm深的小孔。然后，將鋼釬拔出，迅速將取樣器(使用前要檢查取樣器下端壁上的孔不能被泥土堵塞)插入土中，并將取樣器頂端地表部分用土密封壓實，以防止抽氣時空氣進(jìn)入孔中。在測量土壤氡干燥劑的前端加棉紗和纖維，以防止微塵抽入儀器內(nèi)。用軟橡膠皮管將儀器與取樣器連接：一端接取樣器的氣體出口處，另一端接入附件干燥塔及儀器的進(jìn)氣孔。最后，設(shè)置測量參數(shù)，充氣時間：2 min；測量時間：5 min；排氣時間：2 min。按“土壤氡”鍵進(jìn)行測量。測量過程為：本底測量—充氣—測量—排氣。測量完成后記錄數(shù)據(jù)。

2.3 測量結(jié)果

為使測量數(shù)據(jù)便于處理分析，將每條測線的氡濃度剔除最大值和最小值后取平均值作為背景值，異常閾值判定采用單測線的平均值與2倍均方差之和為標(biāo)準(zhǔn)[17]，具體結(jié)果見表1。NE向剖面氡濃度背景值明顯高于NW向剖面氡濃度值，兩條測線異常閾值與背景值之比近似相等。

表1 兩條測線中氡濃度變化統(tǒng)計Table 1 Statistics of radon concentration changes in two profiles

3 氡濃度與構(gòu)造響應(yīng)關(guān)系

下面從地質(zhì)構(gòu)造、地層和土壤母質(zhì)原巖3方面，探討北京平原區(qū)土壤氡分布特征的形成原因。

3.1 氡濃度與隱伏斷裂關(guān)系

對照地質(zhì)構(gòu)造特征發(fā)現(xiàn)，懷柔統(tǒng)軍莊—大興龐各莊測線D1(aa′)氡濃度剖面斜切過NE向斷裂及個別NW向斷裂，其中主要斷裂包括趙全營斷裂、順義斷裂、南口—孫河斷裂、東壩斷裂、南苑—通縣斷裂及北臧村斷裂。剖面氡濃度明顯呈中間高兩側(cè)低的特征(圖3)，1號點至43號點(Ⅰ區(qū))，氡濃度值變化不大，平均值為1 808 Bq/m3；44號點至73號點(Ⅱ區(qū))，氡濃度值變化明顯，平均值升高到3 024 Bq/m3；74號點至135號點(Ⅲ區(qū))，氡濃度值開始降低，且變化幅度減弱，其平均值降至1 504 Bq/m3。具體變化量見表2。

表2 D1(aa′)測線氡濃度變化統(tǒng)計Table 2 Statistical of radon concentration variation in profiles D1(aa′)

Ⅱ區(qū)背景值相對較高，但未出現(xiàn)氡濃度異常點。Ⅱ區(qū)域為NE向順義斷裂與NW向南口—孫河斷裂交匯部位，且存在一條NW向的東壩斷裂。在順義機(jī)場附近到朝陽區(qū)東四環(huán)北路一帶，氡濃度背景值最高，氡濃度最高值點出現(xiàn)在首都機(jī)場附近，受控于順義斷裂，氡濃度最高值10 260 Bq/m3。高明亮等在2003年6月至2011年11月，利用InSar時間序列技術(shù)測量，對首都機(jī)場地區(qū)進(jìn)行的監(jiān)測研究發(fā)現(xiàn)，相對于固定參考點，位移速率估計為最大值約為66.2 mm/a[18]，表明斷裂活動性明顯。因此，筆者認(rèn)為正是斷裂的活動造成覆蓋層地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生擾動，氡通過地下水或者土體沿破碎帶散逸至地表，從而造成該區(qū)域內(nèi)氡濃度富集。次高值出現(xiàn)在東壩斷裂和酒仙橋斷裂尾端附近，氡濃度值分別為7 560 Bq/m3和6 912 Bq/m3，這兩條斷裂屬于張渤帶斷裂，但在南口—孫河斷裂附近未見氡濃度異常，有待進(jìn)一步研究。Ⅲ區(qū)氡濃度背景值相對最低，區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)氡濃度異常點3處，其中2處出現(xiàn)在西紅門橋東南側(cè)，主要是受到南苑—通縣斷裂的影響，筆者2017年對南苑—通縣斷裂開展了大量的物探、鉆探和測年等工作，確定該斷裂是一條全新世活動斷裂，且目前仍在活動。另外1處異常點出現(xiàn)在北臧村鎮(zhèn)以西，北臧村斷裂與瀛海斷裂交匯處一帶，推斷是受到北臧村斷裂與瀛海斷裂的影響。

對石景山雙峪路—通州柏德路測線D2(bb′)氡濃度剖面進(jìn)行分析(圖4)。該剖面橫跨北京凹陷、大興隆起和大廠凹陷，走向與平原區(qū)多條隱伏斷裂走向相互垂直，包括黃莊—高麗營斷裂、南苑—通縣斷裂、禮賢斷裂和夏墊斷裂，以及多條中小型斷裂，斷裂位置如圖4所示。該剖面氡濃度變化幅度較大且頻繁，整體背景值為752 Bq/m3，最高值為3 132 Bq/m3，出現(xiàn)在大興區(qū)黃易路邊與通州小月家具廠附近。為便于研究氡濃度與斷裂的響應(yīng)關(guān)系，將該測線按照北京平原區(qū)不同地質(zhì)條件，分為山前地帶、北京凹陷區(qū)、大興隆起區(qū)、大廠凹陷區(qū)四段，1號測點至15號測點定為山前地帶，氡濃度背景值786Bq/m3，區(qū)域內(nèi)見異常點2處，第一處位于石景山雙峪路附近，推測是受到NW向永定河斷裂的影響，該斷裂被前人確定為第四紀(jì)斷裂，最晚一次活動期應(yīng)該在早更新世，第二處位于石景山松林公園附近，推測是受到八寶山斷裂與黃莊—高麗營斷裂的影響。測點16號至43號區(qū)域內(nèi)超出閾值的異常點雖然只有1處，出現(xiàn)在南苑—通縣斷裂附近，氡濃度值為2 268 Bq/m3，但是存在氡濃度值低于閾值但高于2倍背景值的異常點3處，3處分別位于車公莊斷裂、前門斷裂、崇文門斷裂附近。46號至72號測點范圍內(nèi)見2處氡濃度異常點，分別位于南海子公園北側(cè)(氡濃度值3 132 Bq/m3)和同義莊村東(氡濃度值2 268 Bq/m3)，主要是受舊宮斷裂和禮賢斷裂的影響。73號至94號測點位于大廠凹陷區(qū)內(nèi)，氡濃度背景值707 Bq/m3，區(qū)內(nèi)出現(xiàn)2處異常點，最大值位于于家務(wù)一帶，主要是受控于禮賢斷裂，氡濃度值為3 132 Bq/m3，次高值出現(xiàn)在鳳德路附近，該點位置與夏墊斷裂位置吻合(表3)。2018年，陸麗娜在夏墊斷裂帶開展的土壤氣汞研究成果[19]顯示，夏墊斷裂帶在氣汞剖面的濃度比(剖面汞濃度最大值與最小值的比，單位mg/m3)為8.47/0.12，異常特征明顯，與本次氡氣異常吻合度較高。

表3 D2(bb′)測線氡濃度變化統(tǒng)計Table 3 Statistical of radon concentration variation in profiles D2(bb′)

圖4 測線D2(bb′)氡濃度與地質(zhì)聯(lián)合剖面(圖例同圖3)Fig.4 Composite profile of radon concentration and geological in D2(the legend is the same as Fig.3)

通過對以上兩條剖面研究分析表明，幾乎所有的異常點都出現(xiàn)在隱伏斷裂附近，異常點與斷裂位置吻合程度高。D1線與平原區(qū)NE向的斷裂近順延關(guān)系，背景值高，異常點主要出現(xiàn)在構(gòu)造復(fù)雜與活動性強(qiáng)的斷裂附近地區(qū)，同時，D1線背景值要明顯高于垂直于NE向斷裂布設(shè)的D2線背景值，因此，推斷斷裂對氡濃度的擴(kuò)散富集存在明顯的對應(yīng)關(guān)系。

3.2 氡濃度與地層的關(guān)系

氡濃度不但受構(gòu)造影響，而且與地層也存在一定的影響。D2線測點16號至43號屬于北京凹陷范圍內(nèi)，氡濃度背景值598 Bq/m3，在四段之中背景值最低，雖然區(qū)域內(nèi)發(fā)育多條NE向隱伏斷裂，但由于北京凹陷巨厚的新生界對氡的運(yùn)移擴(kuò)散產(chǎn)生了阻礙作用。46號至72號測點位于大興隆起區(qū)范圍內(nèi)，新生界厚度小，對從基巖中析出氡的抑制擴(kuò)散作用減弱，致使區(qū)域內(nèi)氡濃度背景值在四個區(qū)段中最高。

D2線氡濃度特征表明，在基巖凹陷地區(qū)的氡濃度背景值要小于隆起地區(qū)，主要是因為新生界地層中，不同巖石地層對氡的運(yùn)移擴(kuò)散同樣存在影響(表4)。中細(xì)砂地層孔隙度大，要有利于氡的運(yùn)移擴(kuò)散，而黏土地層孔隙度較小，對氡的運(yùn)移起到阻隔的作用，在以中細(xì)砂為主的地層氡濃度要高于以黏質(zhì)砂土和黏土為主的地層。新生界厚度小，基巖埋深較淺的隱伏斷裂，對應(yīng)的氡濃度值明顯高于其他地區(qū)斷裂帶的氡濃度。因此，推斷北京平原區(qū)的氡濃度分布特征不但受到隱伏斷裂影響，同時與基巖的埋深有關(guān)。

表4 不同巖石中氡、釷元素擴(kuò)散系數(shù)Table 4 Dffusion coefficient about radon and thorium in different rocks

此外，不同地質(zhì)背景下形成的土壤，土壤中氡氣濃度水平也存在差異[19]。筆者在分析氡濃度與斷裂的響應(yīng)關(guān)系的同時，探討了成土母質(zhì)源區(qū)的原巖對平原區(qū)氡濃度的影響。分別統(tǒng)計了西山12件和北山18件巖石樣品核素含量(圖5)，并且按照不同巖性進(jìn)行核素含量統(tǒng)計分析(圖6)，發(fā)現(xiàn)北山巖石的核素比活度要明顯高于西山，巖漿巖的核素比活度要明顯高于變質(zhì)巖和沉積巖。由于北山多以巖漿巖和變質(zhì)巖為主，西山則以沉積巖為主，而平原區(qū)北部成土母質(zhì)主要來自于北山，西部成土母質(zhì)主要來自西山。因此，可初步解釋為NE線土壤氡濃度背景值要高于NW線的另一個原因。

圖5 不同地區(qū)核素比活度柱狀圖Fig.5 Histogram of different areas aboutnuclide specific activity

圖6 不同巖性核素比活度柱狀圖Fig.6 Histogram of different rocks aboutnuclide specific activity

4 結(jié)論

本次工作在北京平原區(qū)開展了NE和NW向兩條土壤剖面的氡氣測量工作，分析研究了區(qū)域土壤氡氣濃度變化特征與隱伏斷裂的發(fā)育程度、地層厚度及成土母質(zhì)的關(guān)系，結(jié)論如下：

1) 北京平原區(qū)氡濃度異常與區(qū)域隱伏斷裂存在明顯的對應(yīng)關(guān)系，即隱伏斷裂發(fā)育的區(qū)域氡濃度明顯高于周邊。隱伏斷裂第四紀(jì)以來活動強(qiáng)度越大，區(qū)域內(nèi)土壤氡濃度越高。除此以外，在構(gòu)造復(fù)雜(如斷裂交匯部位)區(qū)域，周圍氡濃度值變化也較為顯著。

2) 土壤厚度是制約北京地區(qū)土壤氡濃度水平的另一關(guān)鍵要素。平原區(qū)由于其新生界厚度的差異，導(dǎo)致隱伏斷裂埋藏深度的不同，凹陷區(qū)巨厚的新生界抑制了氡的散逸強(qiáng)度，導(dǎo)致凹陷區(qū)內(nèi)氡濃度背景值明顯低于隆起區(qū)。

3) 土壤氡濃度水平不僅與構(gòu)造和地層厚度等因素有關(guān)，同時也與土壤母質(zhì)原巖有關(guān)。三大巖類中，巖漿巖的核素比活度最高，變質(zhì)巖最低。因此，母巖以巖漿巖為主的土壤氡濃度要大于以沉積巖和變質(zhì)巖為主的土壤。