畢楊楊,王運生,馮倩倩,劉江偉,羅 越,金 剛,蘇 毅

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學),四川 成都 610059;2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團鄭州設(shè)計院,河南 鄭州 450000)

0 引言

隨著斷層氣氡測量技術(shù)的不斷進步與完善,利用斷層破碎帶Rn濃度及其范圍、襯度等的變化來確定隱伏斷層的空間展布和分析相對活動性強弱,已經(jīng)在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用,并獲得了一系列的科研成果。Wang等[1]對唐山地區(qū)進行氡測量,發(fā)現(xiàn)東北部Rn濃度明顯高于西南地區(qū),說明唐山斷裂東北部活動性顯著強于西南部,且自2005年以來該地區(qū)發(fā)生了17次MS3.0地震,Rn濃度表明與該地區(qū)的淺層斷層痕跡和地震活動有著密切的關(guān)系。李源等[2]通過對新鄭—太康斷裂東支開展斷層氣觀測分析,確定了該地區(qū)土壤中Rn濃度和H2、CO2濃度的背景值與構(gòu)造特征的異常邊界。地球化學異常值揭示的異常區(qū)間與淺層地震勘探推測的隱伏斷裂面基本吻合,認為地球化學測量是一種經(jīng)濟、快捷的隱伏斷層探測方法。Ciotoli等[3]對意大利 Fucino 盆地氣體運移機制研究時發(fā)現(xiàn)Rn與CO2的濃度成正相關(guān),認為Rn是通過CO2運移至地表的。因此當用于監(jiān)測斷層活動的Rn濃度出現(xiàn)高值異常變化時,可以首先利用斷層氣濃度的變化特征判斷氡的來源深度,進而對斷層活動的性質(zhì)及空間位置做出較為準確的判斷。羅霄漢等[4]通過對承德地區(qū)街道口隱伏斷裂以氡測量做為主要探測方法,對斷裂的空間位置進行了精確定位,并使用CSAMT測量驗證了斷裂存在的準確性,確定氡測量是對隱伏斷裂探測的一種切實可行的手段。劉學領(lǐng)等[5]為了確定天津北淮淀—山嶺子一帶滄東隱伏斷裂的空間位置,使用FD-3017RaA測氡儀對沿線進行斷層氣氡測量,解譯出隱伏斷層的展布區(qū)域,并采用淺層人工地震探測進行驗證,結(jié)果表明,斷層氣測量解譯的隱伏斷層位置與人工地震探測結(jié)果基本相符。Yang等[6]通過研究發(fā)現(xiàn)安寧河—則木河斷裂帶的活動性與斷層氣體的濃度密切相關(guān),表明斷層氣的脫氣強度在空間上與斷層的封閉程度一致,斷層帶的高鎖定度制約了氣體的遷移,而低鎖定度的蠕變斷層更有利于氣體從更深層向地表排放。

歷史上由于石棉斷裂帶缺少破壞性的地震記錄,且被第四紀覆蓋,前人對該隱伏斷裂的位置展布、性質(zhì)、活動性認知存等在較大差異。研究區(qū)位于四川省雅安市石棉縣,隱伏斷裂始于安順場,終于黑林子,延伸約13 km,主要沿大渡河和南椏河河谷分布,河谷兩側(cè)階地村莊極為密集,人口眾多。筆者結(jié)合野外地質(zhì)勘察、探槽、淺層人工地震等多種資料數(shù)據(jù),針對斷裂斷層氣氡開展系統(tǒng)調(diào)查和綜合分析,討論研究區(qū)內(nèi)Rn濃度異常與斷裂空間位置、Rn濃度曲線異常形態(tài)與斷裂特性、Rn濃度變化特征對相對活動性的判定,為區(qū)域穩(wěn)定性研究提供重要依據(jù),為石棉地區(qū)經(jīng)濟建設(shè)、地震預(yù)測及危險性評價提供支撐,其結(jié)果對石棉斷裂特征的研究與這一地區(qū)的工程建設(shè)活動有一定的應(yīng)用價值。

1 區(qū)域地質(zhì)環(huán)境

研究區(qū)位于川滇活動地塊東邊界[圖1(a)],塊體以水平剪切運動為主,并具有較為強烈的隆升運動。石棉斷裂為大涼山斷裂帶北段東支斷裂,大涼山斷裂帶北起始于安順場北側(cè),與公益海斷裂相交,向南經(jīng)過石棉、海棠、普雄、布拖,與安寧河—則木河斷裂在云南巧家一同匯入小江斷裂。大涼山斷裂帶分為3個主要區(qū)段:北段石棉—越西,由東支的石棉斷裂和西支的公益海斷裂組成;中段越西—布拖,由4條近乎平行的斷裂組成,由東到西分別為洪溪—美姑斷裂、甘洛—漢源斷裂、普雄河斷裂和越西河斷裂組成;南段布拖—巧家,由交際河斷裂和布拖斷裂組成[7][圖1(b)]。研究區(qū)周邊主要的斷裂構(gòu)造有公益海斷裂和大發(fā)斷層[圖1(c)]。

圖1 區(qū)域地質(zhì)環(huán)境圖Fig.1 Map of the regional geological environment

研究區(qū)地勢西高東低、北高南低,大渡河自北而南流經(jīng)石棉縣城折轉(zhuǎn)向東流出本區(qū)。安順場—石棉段,河面相對寬緩,為寬谷段,兩岸可見多級河谷階地,支流發(fā)育,支溝有磨坊溝、戴家溝、銅廠溝等。區(qū)內(nèi)水系格局以大渡河為界兩岸有明顯差異,左岸受黃草山花崗巖體的控制,主要發(fā)育為樹枝狀水系。右岸松林河、小水河、南椏河等受斷裂構(gòu)造和地層巖性的控制,發(fā)育為格狀水系。石棉斷裂經(jīng)石棉縣城進入南椏河河道。南椏河為大渡河右岸的一級支流,石棉—黑林子段河谷相對較窄,水流湍急,兩岸河谷階地較為發(fā)育,河段內(nèi)有老熊溝、后溝、白馬溝等支溝。

區(qū)內(nèi)巖性主要為元古界花崗巖、花崗閃長巖、下震旦統(tǒng)碎屑巖及碳酸鹽巖,安順場—新場西側(cè)出露泥盆系灰?guī)r,第四系沿河谷及斷裂帶分布。區(qū)內(nèi)第四系松散堆積層成因類型主要有沖積、崩積、洪積、殘坡積等,其中沖積層主要沿大渡河干流和一級支流呈帶狀分布;洪積層主要分布于二級支流出路溝、小水等出口處;崩積層則廣泛分布在河谷兩岸的緩坡和坡腳地帶。

2 研究方法及其原理

氡(Rn)是地底深處放射性元素鐳、鈾衰變過程中產(chǎn)生的一種具有放射性的氣體。Rn有一定的運移能力且對應(yīng)力或應(yīng)變的改變較為敏感,是了解覆蓋層下構(gòu)造破碎帶、接觸帶的理想示蹤劑[8]。氡能以游離原子的狀態(tài)通過晶粒邊界或晶體缺陷,沿著巖石構(gòu)造破碎帶系統(tǒng)遷移,由于斷裂附近應(yīng)力變化明顯,有利于氡的聚集,因此斷層破碎帶的上部常存在明顯的地球化學異常[9-10]。

本次研究使用的是KJD-2000R測氡儀,是一種新型的斷層氣氡測量儀器,屬于標準型測量設(shè)備,它利用靜電收集Rn衰變子進行累積測量,測量范圍為10～1.0×105Bq/m3。在野外測量中,根據(jù)設(shè)計要求各測量點間隔應(yīng)控制在20 m左右,在出現(xiàn)Rn值異常點附近可適當加密至5～10 m。在測量前,先用膠管連接取樣器、干燥儀和測氡儀,用特制的鋼釬在測點位置打深度為60 cm的孔洞,迅速將取樣器放入孔內(nèi)并進行密閉處理,進行自動抽氣測量。測量過程設(shè)為3次循環(huán)過程,單次循環(huán)定為5 min,每個測點能獲得3個數(shù)據(jù)。根據(jù)儀器設(shè)計要求指標,儀器10 min濃度數(shù)值基本達到穩(wěn)定狀態(tài),10 min與15 min的數(shù)值差別小,可以用來表明該點的數(shù)值較為精確;若兩者差值較大,則表明存在誤差,需要重新定點測量,最終取10 min和15 min所測得的Rn濃度的平均值作為此測點的數(shù)值大小。

能否合理并準確地計算出異常值,直接影響對土壤氣氡濃度曲線異常形態(tài)與隱伏斷層位置的推斷及斷層特性分析。結(jié)合前人資料和場地條件,采用先計算每條測氡線所有測量點的Rn濃度的平均值及其標準方差,用平均值加減3倍標準方差所得的數(shù)據(jù)作為上限與下限,剔除數(shù)據(jù)中大于或小于此范圍的值后所計算的平均值作為此條測線的背景值(RnB)。經(jīng)川西南地區(qū)的測氡經(jīng)驗[9]和現(xiàn)場試驗,以背景值加其1.5倍標準方差所得值作為測線的異常閥值(RnF)較為合理,超過異常閥值被稱為地球化學異常[11-13]。此計算方法在西南地區(qū)大涼山斷裂帶中部斷層和小江斷裂帶的斷層氣氡研究中廣泛應(yīng)用,并取得理想效果[7,9]。

野外斷層氣氡探測工作在6月進行,研究區(qū)氣溫在20～30 ℃,地表溫度滿足儀器的使用條件,測試場地均位于Ⅰ級階地,階地為沖積成因類型,拔河高度一般3～10 m,各剖面所切的第四系覆蓋物厚度相差不大。

3 氡濃度剖面解譯

研究區(qū)第四系極為發(fā)育,河谷內(nèi)石棉斷裂隱伏于河流階地之下,野外布置了5條橫跨整個河谷的氡測線,測線延伸至可測量的最大長度,用來確定石棉斷裂北段(大渡河流域)和南段(南椏河流域)的空間位置、斷層特性及其相對活動性強弱。

3.1 CX1剖面

CX1剖面布置在大渡河右岸Ⅰ級階地安順場附近,起點坐標為29°16′46.72″N,102°16′22.24″E,終點坐標為29°17′2.96″N,102°16′43.56″E,長520 m,布置測點31個。由圖2可以看出,在距離測線起始點170 m和330 m的位置存在兩處超過異常閥值的斷層氣Rn濃度,此測線最高峰峰值濃度(RnEmax)為26 100.00 Bq/m3,背景值(RnB)為8 892.81 Bq/m3,異常閥值(RnF)為18 407.81 Bq/m3,RnF與RnB比值為2.06,且RnEmax是RnB的2.93倍。

圖2 CX1實測Rn濃度曲線及淺層人工地震物探剖面Fig.2 Measured Rn concentration curve of CX1 and shallow artificial seismic exploration section

3.2 CX2剖面

CX2剖面布置在大渡河左岸的安靖村,起點坐標為29°15′33.10″N,102°18′13.81″E,終點坐標為29°15′48.42″N,102°18′23.94″E,長500 m,布置測點30個。由圖3可以看出,實測曲線在190～230 m處超過異常閥值,異常區(qū)間寬40 m左右。剖面起點緊鄰大渡河,無法進行測量工作。此測線RnEmax為25 102.30 Bq/m3,RnB為8 404.97 Bq/m3,RnF為18 295.67 Bq/m3,RnF與RnB比值為2.17,且RnEmax是RnB的2.98倍。

圖3 CX2實測Rn濃度曲線Fig.3 Measured Rn concentration curve of CX2

3.3 CX3剖面

CX3剖面布置于大渡河右岸Ⅰ級階地的小水村附近,起點坐標為29°15′9.21″N,102°19′0.87″E,終點坐標為29°15′14.90″N,102°19′6.42″E,長510 m,布置測點31個。由圖4可知,在距離起始點385～425 m位置處存在高出異常閥值的Rn濃度,異常區(qū)間寬40 m左右。此測線RnEmax為28 963.00 Bq/m3,RnB為9 553.12 Bq/m3,RnF為19 237.30 Bq/m3,RnF與RnB比值為2.01,且RnEmax是RnB的3.03倍。

圖4 CX3實測Rn濃度曲線Fig.4 Measured Rn concentration curve of CX3

3.4 CX4剖面

CX4剖面位于石棉縣城與廣元堡之間京昆高速跨河大橋附近,屬于南椏河沖洪積物之上,起點坐標為29°12′50.08″N,102°22′16.55″E,終點坐標為29°13′5.16″N,102°22′27.16″E,長570 m,布置測點37個。由圖5可以看出,所有測點Rn濃度在距起始測點375～425 m之間在異常閥值之上,異常寬度約為50 m。剖面橫跨南椏河,河面寬度約為70 m,位于剖面240～310 m處。此測線平均值為10 598.00 Bq/m3,RnEmax為46 821.50 Bq/m3,RnB為10 598.00 Bq/m3,RnF為27 996.9 Bq/m3,RnF與RnB比值為2.64,且RnEmax是RnB的4.42倍。

圖5 CX4實測Rn濃度曲線Fig.5 Measured Rn concentration curve of CX4

3.5 CX5剖面

CX5剖面位于黑林子,剖面位于探槽西側(cè)約20 m的位置,長300 m,布置測點30個。由圖6可以看出,剖面形態(tài)為單峰型,Rn濃度在距起始測點155～200 m之間在異常閥值之上,異常寬度約為45 m。此測線平均值為9 984.00 Bq/m3,RnEmax為40 321.50 Bq/m3,RnB為9 984.00 Bq/m3,RnF為26 030.30 Bq/m3,RnF與RnB比值為2.60,且RnEmax是RnB的4.04倍。

圖6 CX5實測Rn濃度曲線及探槽剖面(據(jù)文獻[16]修改)Fig.6 Measured Rn concentration curve of CX5 and the trench profile(modified after reference [16])

4 分析與討論

4.1 Rn濃度異常與斷層空間位置

斷層是地球內(nèi)部氣體向地表運移的良好通道,氣體遷移至地表吸附在土壤顆粒表面,覆蓋層又是氣體的巨大附存空間,所以構(gòu)成了斷層氣氡異常的天然有利條件[14]。

由CX1位置的Rn濃度曲線可知,在剖面170～205 m和320～330 m兩處存在異常區(qū)間(圖2),在170～205 m主峰區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)該剖面的最高峰峰值濃度,主峰位置為主斷裂經(jīng)過的部位,推測主峰的異常區(qū)間為石棉斷裂經(jīng)過的位置,320～330 m異常區(qū)間為上盤次級斷裂存在的區(qū)域。為驗證其推測的準確性,進行了人工地震探測。結(jié)合石棉地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造特點,研究區(qū)基巖是晉寧期花崗巖,為無層理面的火成巖,且目標斷裂的傾角較陡,采用反射凌亂、出現(xiàn)巖面陡坎、凹槽等特征進行斷層判斷分析。地震反射剖面解譯出在180 m和330 m的部位存在巖面陡坎及凹槽,推測均存在斷層展布。物探與化探確定的斷層位置相隔約10 m,原因是斷層正上方為農(nóng)田,耕植土為黑色淤泥為主,淤泥孔隙度較小,不易于氣體的附存,導(dǎo)致其氣體向四周土壤擴散,使斷點東側(cè)約10 m處出現(xiàn)高濃度異常帶。物探、化探均發(fā)現(xiàn)該剖面位置存在兩條隱伏斷裂,且兩者位置較為吻合。

CX5實測Rn濃度剖面在155～200 m處存在異常區(qū)間,并在186 m附近測得最高峰峰值濃度,表明石棉斷裂從此處通過。在異常區(qū)間附近開挖了一條長約60 m的探槽,揭示了3條斷裂,其分布形態(tài)為典型的平移斷層花狀結(jié)構(gòu)[15][圖6(b)]。探槽位于CX5剖面的150～210 m,該區(qū)域也是斷層槽谷的展布區(qū)段。經(jīng)過對比分析,在最高峰峰值濃度的下方為探槽揭示的斷層F1位置,即目標斷裂通過的位置。

CX1氡濃度實測曲線與淺層人工地震探測剖面和CX5氡濃度實測曲線與探槽相互對比分析研究,發(fā)現(xiàn)石棉地區(qū)隱伏斷裂覆蓋層厚度較薄,斷層氣氡測量揭示的斷層空間位置較為合理,該方法可行性與準確性較高。

CX1～CX5 剖面均存在異常區(qū)間,寬度在40～50 m之間,且經(jīng)過物探及探槽等驗證后發(fā)現(xiàn)斷裂均分布在異常區(qū)內(nèi)。分析認為,氡測量確定的異常區(qū)間與隱伏斷裂的空間展位置布吻合度較高,可用于石棉地區(qū)的斷裂研究。依次將5條剖面的異常區(qū)間用平滑曲線相連接來確定石棉隱伏斷裂的空間展布,如圖7所示。斷層氣氡測量確定的空間展布具有良好的線型關(guān)系,在野外調(diào)查過程中,發(fā)現(xiàn)斷層槽谷、埡口等地貌均較好的分布在沿線附近。

圖7 石棉斷裂空間展布圖Fig.7 Spatial distribution of Shimian fault

4.2 Rn濃度曲線形態(tài)與斷層特性

學者研究表明,土壤氣氡實測剖面形成的曲線形態(tài)有尖窄單峰異常、圓寬單峰異常、雙峰異常及多峰異常[16]。一般而言,直立斷層異常曲線較為對稱,多為單峰形態(tài);傾斜斷層異常曲線多為雙峰和多峰形態(tài),主要原因為上盤次級裂隙和斷層較為發(fā)育,導(dǎo)致巖體較為破碎,導(dǎo)氣性比下盤好,次級峰所指方位為斷層的傾斜方向,異常峰衰減較緩一側(cè)通常為斷層上盤[16-17],且峰間距一般較大[18]。本文根據(jù)5條斷層氣氡濃度曲線分析發(fā)現(xiàn),CX1和CX3曲線形態(tài)為雙峰型,CX2和CX4曲線形態(tài)為多峰型,CX5曲線形態(tài)為單峰型。研究發(fā)現(xiàn),斷裂雙峰型及多峰型的曲線形態(tài)其次級峰均位于主峰的南西測,次級峰與主峰之間的距離在150～300 m之間,次級峰形成原因大多為次級小斷裂,在CX3剖面的次級峰位置找到對應(yīng)的次級斷裂露頭(圖8)。次級峰所指的方位為斷層的傾斜方向,斷層氣氡探測結(jié)果推測石棉斷裂傾向南西。對于5條氡濃度曲線的主峰而言,其峰值點南西側(cè)的濃度衰減至背景值均慢于北東側(cè),其中以CX5剖面最為明顯,即石棉斷裂南西側(cè)一盤為上盤。

圖8 CX3剖面次級斷裂及素描圖Fig.8 Secondary fracture of the profile CX3 and the sketch

在CX4剖面氡濃度的異常區(qū)附近的后溝溝口位置發(fā)現(xiàn)南椏河沖洪積堆積層的錯動,其剖面如圖9所示。經(jīng)過現(xiàn)場測量,該處石棉斷裂產(chǎn)狀為N38°W/SW∠78°,且為逆斷層。

圖9 后溝階地位錯剖面圖Fig.9 Profile of the offset in Hougou terrace

斷層氣氡探測確定的石棉隱伏斷裂的傾向與物探及探槽揭示結(jié)果具有一致性。綜合前人資料,確定斷裂的產(chǎn)狀為N38°～45°W/SW∠70°～80°,力學特性為壓性兼反扭。

4.3 Rn濃度變化特征與相對活動性

5條測線Rn濃度最小值在2 000～2 600 Bq/m3之間,表明本區(qū)域即使遠離斷層破碎帶斷層氣氡濃度也偏高,其主要原因為石棉縣周圍基巖為花崗巖。研究表明放射性元素鐳、鈾在花崗巖中含量最高[19-20],理論認為存在鐳、鈾衰變的地方就會有土壤氣氡,且鐳、鈾含量與濃度之間為正比關(guān)系。

斷層帶氡濃度受地質(zhì)背景、場地條件、斷層活動性等多種因素控制,用Rn濃度的襯度值大小對斷層活動性進行分級,到目前尚未形成系統(tǒng)的判別標準,僅僅適應(yīng)于局部地區(qū)應(yīng)用的活動性判別[21]。從斷層氣氡的相關(guān)數(shù)值模擬方面分析,探測出的Rn濃度異常形態(tài)是受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造限制的,異常值是斷面濃度和覆蓋層巖組特性共同作用決定[22]。采用Rn濃度襯度值初步判定隱伏斷裂的活動性可以在一定程度上消減覆蓋層巖組特征對斷層相關(guān)活動性的影響。Rn濃度強度包含了斷面濃度信息,也包括斷層兩盤膠結(jié)開啟程度和區(qū)域應(yīng)力大小兩種信息[17]。分析認為,區(qū)域應(yīng)力大小不同,導(dǎo)致斷層氣氡測量的濃度存在一定差異,為斷裂分段提供了最為有利的證據(jù),且在較小的研究區(qū)域內(nèi)兩盤膠結(jié)開啟程度相差較小的情況下,采用襯度值大小的方法來判定斷裂相對活動性較為精確。

根據(jù)數(shù)據(jù)可以精確計算出斷裂帶Rn濃度的最大襯度值和平均襯度值。計算公式分別為:最大襯度值=最高峰峰值濃度(RnEmax)/背景值(RnB);平均襯度值=異常平均值/背景值,比值大小與斷裂活動性呈正相關(guān),因此可以用來大致確定斷層不同段的相對活動性強弱[9,17]。對于石棉斷裂而言(表1),北段(大渡河流域)最大襯度值為2.93～3.03,平均襯度值為2.58～2.75,異常破碎帶寬度在30～40 m;南段(南椏河流域)最大襯度值為4.04～4.42,平均襯度值為3.43～3.30,異常破碎帶寬度在45～50 m。石棉隱伏斷裂南段最大平均襯度值均大于北段,且斷裂破碎帶寬度也較寬,說明斷裂南段的相對活動性大于北段。

表1 斷裂剖面測量數(shù)據(jù)處理結(jié)果Table 1 Processing results of measurement data from fracture profile

根據(jù)斷層氣氡探測結(jié)果,石棉隱伏斷裂往東南方向延伸活動性有所增強。安順場附近測得石棉斷裂的左旋滑動速率為1.7 mm/a[23],陡坎子附近其左旋滑動速率為3.1 mm/a[15]。根據(jù)滑動速率的活斷層分級標準[24],1～10 mm/a的滑動速率的斷層活動性為中等-強,說明往東南延伸活動性增強。

5 結(jié)論

通過對大涼山斷裂帶北段東支的石棉斷裂進行斷層氣氡精密探測,并結(jié)合淺層人工地震、探槽資料及前人的研究成果,對石棉地區(qū)的探測結(jié)果進行了初步探討,獲得主要認識如下:

(1) 斷層氣氡探測在石棉地區(qū)對隱伏斷層的空間位置、幾何特性、相對活動性均有較好的反映。

(2) 該區(qū)域第四紀覆蓋層較薄,斷層氣氡探測揭示的斷層空間位置與淺層人工地震、探槽、位錯點解譯的空間位置吻合度較高,位于最高峰峰值濃度附近且都在主峰的異常區(qū)間內(nèi),該方法可大致確定研究區(qū)覆蓋層下斷層的空間展布。

(3) 斷層氣氡探測確定的石棉隱伏斷裂的傾向與物探、探槽揭示結(jié)果具有一致性,并結(jié)合各剖面的數(shù)據(jù),確定隱伏斷裂的產(chǎn)狀為N38°～45°W/SW∠70°～80°。

(4) 利用斷層氣Rn濃度襯度值大小對石棉斷裂的相對活動性進行判定,斷裂南段(南椏河流域)的活動性要強于北段(大渡河流域),石棉隱伏斷裂往東南方向延伸活動性有所增強。