河北省张北地区土壤氡分布特征及控制因素研究

赵嘉炜, 张云鹏, 刘志远, 柴 泉, 魏云飞

(河北省地质调查院，石家庄 050081)

0 引言

土壤氡测量方法自上世纪90年代以来被广泛应用于隐伏断裂调查的工作中，是一种探测隐伏断裂的存在、位置、走向和倾向的有效手段[1-8]。近几年国内土壤氡测量应用越来越广泛,并在隐伏断层探测中取得了较好的效果[9-15]。

研究区主要断裂构造大部分被第四系覆盖， 通过分析研究区内4条氡气测量剖面，得到不同岩性地区的土壤氡背景场特征和隐伏断裂的位置和产状，并根据幅背比对断层的活动性强弱进行了分析。研究结果对地质填图和隐伏断裂活动性研究有一定的科学价值。

1 研究区地质概况

研究区位于华北陆块北缘中段，处于尚义-赤城断裂带北侧，属坝上高原。南部为基岩裸露区，北部地表大部分为第四系覆盖。区内地层主要由古元古代(红旗营子岩群太平庄岩组)、中生代(早白垩世张家口组、青石砬组、晚白垩世南天门组)、新生代地层(汉诺坝组、上新世石匣组、晚更新世迁安组、马兰组及全新世冲洪积、风积、湖积等堆积物)组成。其中中元古代的岩浆活动表现最为强烈，侵入岩分布范围最大，主要岩性有其中中二叠世-三叠世的花岗岩、渐新世-中新世玄武岩。研究区西南部有少量白垩纪青石砬组砂岩及泥页岩[16]。

研究区新构造活动强烈,间歇性断块升降十分明显,主要表现为多级层状地貌、强烈的火山活动、盆地迁移、断裂活动及地震等[17]。研究区内主要有张北沽源断裂和上火石-兴义泉断裂，上火石-兴义泉断裂在喜马拉雅期以伸展拉张型正断层活动为特征，活动于北西-南东向拉张构造环境。该期形成的构造线呈北东-北北东向展布，切割了白垩纪及其之前的地质体，带内发育张性断层角砾夹断层泥及碎裂状岩石，具硅化等蚀变[17]。

2 工作原理及方法

2.1 测氡原理

氡是一种放射性气体，其半衰期较短仅为3.8 d，其衰变主要产生①218Po(RaA);②214Pb(RaB);③214Bi(RaC);④214Po(RaC)四种子体。

本次工作采用泵吸α能谱法测氡，其基本原理是利用放射性动态平衡理论，通过测量222Rn第一代子体218Po实现对氡222Rn 的间接测量，通过泵吸取样方式，抽取被测目标氡气及其子体进入带有正高压静电收集腔，进入内部的氡会继续衰变使取样腔中氡子体218Po 跟氡保持放射性平衡。218Po会在正静电高压电场力作用下，吸附到探测器表面进行α衰变。探测器会感应射线能量信息，采用α能谱测量，通过α能谱特性获取218Po子体的特征信息从而实现氡浓度的测量。实际土壤中，钍220Rn的分布与222Rn氡差不多，非常广泛[3-4]。

2.2 工作方法

利用土壤氡气测量对隐伏断裂构造的特征进行评估(位置、产状、影响范围及活动性强弱)。在垂直于断裂构造走向且覆盖层较厚的地区进行剖面布设，尽量避开人类活动较强的区域，氡气测量剖面布置统计见表1，测量点距为10 m。工作采用FD216型测氡仪，工作开展前首先对仪器进行了标定，并对仪器一致性进行了检测，每个工作日均对仪器稳定性进行检查，符合EJ/T605—1993《氡及其子体测量规范》要求。到达测点后，先记录土质及地质情况，然后打孔，打孔后立即插入取样器，并及时将周围土壤压实，防止空气窜入孔中稀释氡浓度，影响测量结果；取气深度一般在0.7 m～1.0 m。每个测点测量三次取三次测量的平均值为该测点的测量结果值。研究区氯气测量测线统计见表1。

表1 研究区氡气测量测线统计

目前，国内、外尚未对氡气测量方法研究断裂活动分级作出统一普遍适用的判别标准。参考前期学者提供的判断指标，通过异常幅值和背景值的比值，来表征断裂带的地球化学特征[18-19]。全部测量结果的平均值为区域背景场，背景场与两倍均方差之和为异常下限。因研究区地质条件较复杂，第四系厚度不均及黏土发育等问题，对测量结果产生较大影响，不同剖面间氡浓度差异较大，因此工作采用单条剖面统计的方式，分别计算各剖面的背景场及异常下限。

3 结果分析

3.1 土壤氡气与覆盖区岩性特征

覆盖区岩性特征对土壤氡气测量结果的影响主要在测量背景值大小上[20]，对通过统计分析研究区不同岩性的土壤氡背景值，工区主要岩性的土壤氡背景值差异较大(表2)。其中中二叠世-三叠世的花岗岩区土壤氡背景值平均值达4 766.1 Bq/m3，渐新世-中新世玄武岩区土壤氡背景值平均值达869.8 Bq/m3，白垩纪青石砬组砂岩及泥页岩区土壤氡背景值平均值达477.1 Bq/m3。统计结果表明,侵入岩氡浓度值普遍高于沉积地层的氡浓度值，说明在对不同剖面的土壤氡异常判定中，不同岩性的异常圈定是不同的，其中DQ04剖面通过花岗岩体和白垩纪青石砬组砂岩及泥页岩地层(青石砬组地层根据钻孔资料划定)，对土壤氡异常的解释也应该根据岩性分界，分段解释。

表2 研究区主要岩性土壤氡统计

Th、U元素是Rn的衰变母体核素，介质中Th、U等核素含量及分布与Rn含量、Rn析出率密切相关。根据河北省区域岩石地区化学调查报告和张北县幅(1:250 000)区域地质调查报告，研究区汉诺坝组玄武岩Th、U含量最低，早三叠世细粒二长花岗岩、中二叠世变质细粒花岗闪长岩与青石砬组(砂岩、泥页岩)的差距不大。但早三叠世细粒二长花岗岩、中二叠世变质细粒花岗岩区域内的氡背景值远大于青石砬组地层区域的氡背景场(表3)。

表3 研究区主要岩性Th、U含量统计

张北地区氡浓度不仅与不同岩性间放射性元素含量有关，也与不同岩性间Rn析出率相关。孔隙度越大氡气的析出率越高，研究区内的侵入岩体多形成于古生代，风化严重，其内部微裂缝发育，易形成较大孔隙度，利于氡气的存储，裂隙发育也为深部氡气的运移提供了通道。青石砬组地层Th、U含量与侵入岩体相当，其顶部有厚层泥岩，泥岩属于隔水层对氡气的运移有一定的阻碍效应，氡气向上的运移空间基本被阻断，形成了氡浓度背景值极低这一特征，与研究区内的侵入岩相比低了近10倍。研究区内的汉诺坝组地层厚度大，且多呈气孔杏仁状，，形成死孔隙，但是该组地层节理发育，为深层的氡气向上运移提供了通道，使虽然其气孔多被其他矿物质填充得该组地层虽然Th、U含量最低，但其氡浓度背景场较青石砬组地层高出一倍。

3.2 土壤氡气与断层活动性

DQ01剖面(图1(a))整体氡浓度值偏高，剖面西南均有二叠世细粒二长花岗岩出露，岩体氡浓度值普遍高于沉积地层的氡浓度值，这是引起整体氡浓度背景值偏高的主要原因。2 600点～3 200点间氡浓呈现剧烈跳变多峰状高场特征，氡浓度最大值为17 174 Bq/m3。推断该区段跳变处的氡高浓度值应为F10上火石-兴义泉断裂构造的反映，构造影响宽度约400 m。

图1 土壤氡测量剖面图Fig.1 Soil radon measurement profile(a)DQ01;(b)DQ02;(c)DQ03;(d)DQ04

DQ02剖面(图1(b))，1 000点～2 400点氡浓度表现为稳定平缓的低值场特征，与玄武岩地区背景场基本一致。2 400点～2 800点间氡浓度呈峰状，整体梯度表现为南陡北缓，氡浓度极大值为2 700 Bq/m3，推断该异常由隐伏的次级构造引起。2 900点～3 700点间氡浓度呈现剧烈跳变多峰状高场特征，氡浓度极大值为5 512 Bq/m3，推断该区段跳变处的氡高浓度值应为F11断裂构造的反映，构造影响宽度约800 m。

DQ03剖面(图1(c))共有氡浓度异常段三个，①1 200点～1 500点间氡浓度曲线呈单峰状高值异常特征，氡浓度极大值为16 111 Bq/m3;②2 400点～3 000点间氡浓度曲线呈单峰状高值异常特征，氡浓度极大值为9 157 Bq/m3;③3 600点～3 900点间氡浓度曲线也呈单峰状高值异常特征，氡浓度极大值为7 652 Bq/m3。推断该氡浓度异常由张北-沽源断裂带上的次级断裂构造F5引起。

DQ04剖面(图1(d))，主要穿越第四系全新世湖积覆盖区，主要为淤泥及粉砂质黏土。1 900点～2 700点间氡浓度呈单峰状高场特征，氡浓度最大值为15 004 Bq/m3。该区段间跳变处的氡高浓度值应为F10断裂构造的反映，影响宽度约700 m。

根据4条测氡剖面土壤氡浓度背景场与最大值统计结果计算幅背比(表4)，推断的断层活动性强弱。其中DQ01和DQ04剖面通过上火石-兴义泉断裂，Rn含量较为平稳，波动范围较少，幅背比为3.5和5.3，说明上火石-兴义泉断裂埋深较大且活动性较弱。DQ01和DQ04剖面氡浓度曲线均有明显波动，主要受侵入岩岩性影响，DQ04剖面1 000点到1 900点，氡浓度低值区推断为白垩纪青石砬组背景场的表现，厚层泥岩对氡气的运移有一定的阻碍效应。

表4 研究区土壤氡剖面幅背比统计

DQ02剖面通过F11断裂，异常幅度大形态好，幅背比为11.7，推断断裂活动性较强。F11断裂为1998年张北县6.2级地震的主控断裂，为第四纪活动断裂，与氡气测量推荐解释相吻合。DQ03剖面通过F5断裂，在隐伏断裂带氡浓度呈现剧烈跳变多峰状高场特征，幅背比为12.9，说明F5断裂存在多条次级断裂，且具有较强活动性，氡气测量结果推断出多条隐伏断裂，为物探手段在地质填图中的新发现。

张北地区的土壤氡测量结果表现了较强的非均值性和浓集性，对确定研究区隐伏断裂的精确位置及其活动性强弱有很好地应用(图2)。

图2 土壤氡测量综合成果图Fig.2 Comprehensive results of soil radon measurement

5 结论

根据总结研究区4条测氡剖面氡浓度曲线与研究区岩性特征和主要断裂的活动性关系，得出以下结论：

1)分析了土壤氡背景值与覆盖区岩性特征的关系，并定性描述了其影响因素及变化规律，张北地区氡浓度不仅与不同岩性间放射性元素含量有关，也与不同岩性间Rn析出率相关。研究区断裂带氡浓度呈剧烈跳变高值特征，背景值较低。造成这一特征的主要原因为，研究区多为湖相沉积环境，第四系地层内粘土较为发育，粘土有较强的隔水吸附效应阻碍了氡气的运移，形成该区域背景场值较低的特征。

2)土壤氡测量结果表现了较强的非均值性和浓集性，对确定研究区隐伏断裂的精确位置及其活动性强弱有很好地应用。

3)由于观测时间有限，关于土壤氡测量的定量研究，还需对断裂构造进行长期土壤氡浓度监测，对比不同时期土壤氡浓度的变化情况来判断断裂构造的活动性。