北京平原区隐伏断裂与氡浓度响应关系

张晓亮，白凌燕，倪敬波，王志辉，赵勇，何付兵

(1.北京市地质调查研究所，北京 100195； 2.中国地质调查局 中国地质科学院地球深部探测中心，北京 100037)

0 引言

气体地球化学测量在研究活动断裂方面具有重要的作用，隐伏断裂带是气体地球化学迁移的有利通道，断裂带内的裂隙及填充物越松散，其裂隙的导气性越好，而且，隐伏断裂活动会改变上覆地层的结构，造成一些气体元素的相对富集[1-2]。近年来，断层气体地球化学勘查是应用于地震研究领域的一项新技术，在地震监测预报、地震烈度考察、断层活动性评价等方面得到了广泛的应用[3]。焦德成等[4]开展了断层气测量应用于银川地堑隐伏断裂活动性的研究工作，验证了在平原地区，特别是第四系覆盖层厚度大的情况下，土壤气氡、气汞测量是研究隐伏断裂活动性的行之有效的方法之一。戴华林等[5]开展了浅层地震勘探和测氡定位隐伏断裂研究，认为隐伏断裂本身的特殊性和隐蔽性以及众多因素影响，加之目前对各种因素的影响研究尚处于很低水平，做出正确的解释判断仍很困难。曾敏等[6]利用氡气测量探测沙湾断裂带，结果显示不同测线上的断裂带均有氡气异常显示，认为该方是确定隐伏断裂的方法之一。杜建国等[7]开展了八宝山断裂带逸出氡的地球化学特征及其映震效能研究，得出断裂附近逸出氡明显，且对附近地震活动反应敏感的结论。王广才等[8]对福州市隐伏断层进行地球化学探测和研究，有效地探测福州地区隐伏断层。周晓成等[9]利用土壤氡、汞地球化学方法对呼和浩特地区隐伏断层进行探测，根据土壤氡、汞异常特征确定了断层的具体位置。中国地震局地震研究所王良秋在深圳市利用土壤氡对城市内的隐伏断裂进行了探测，取得了很好的效果[10]。

本文通过对北京平原区NW和NE向2条土壤剖面氡浓度测量，获得相应数据并绘制土壤氡浓度变化剖面图，分析了北京平原区土壤氡浓度与隐伏断裂的响应关系，以及不同母质原岩对平原区土壤氡浓度背景值的影响。

1 地质概况

北京平原区位于中朝准地台华北断坳的西北部,其北侧为燕山台褶带,西侧为山西断隆。中侏罗世至晚白垩世的燕山运动奠定了本区构造基础,发育了八宝山断裂与黄庄—高丽营断裂之后,经过白垩纪至古新世剥蚀作用,本区形成北台期准平原面。北京断陷为中、新生代断陷盆地,可作为华北平原区一个相对独立的构造单元，其构造边界:南界以NW向的东垒子—涞水断裂与冀中坳陷分开,西界以黄庄—高丽营断裂与京西隆起相邻,东界以南苑—通县断裂与大兴隆起相联接,形成了“两隆一凹”的构造格局。在断陷内部，发育NE和NW向两组断裂，两组断裂相互切割，进一步将北京平原分割成几个次一级的凹陷和凸起,自南向北依次是:涿县凹陷、良乡凸起、丰台凹陷、来广营凸起、顺义凹陷与沙河凹陷[11](图1)。

图1 研究区构造单元简图Fig.1 Tectonic map of the study area

2 数据采集与处理

温度和湿度对土壤氡的测量具有一定的干扰作用[12-16]。为了避免温度、湿度等外界因素对土壤氡测量结果的影响，野外数据采集工作在2个月内完成。野外调查时间为10～11月份，温度在18～24 ℃之间；测量点尽量选在湿度适中的原状土层中，如遇到下雨，雨后48 h内不进行野外数据采集工作。

为了保证仪器的稳定性，每次测量前，在同一地点反复多次测定土壤氡，数据浮动变化不大、仪器运行稳定时，可以进行实际测量，从而确保数据的可靠性。

2.1 测量仪器

本次使用的测氡仪是上海申核电子仪器有限公司生产的FD-3017型RaA测氡仪(2003年建设部对全国20个城市土壤氡调查指定统一使用的仪器)。其工作原理是利用静电收集氡衰变的第一代子体——RaA作为测量对象，定量测量土壤或者水中的氡浓度。

2.2 测线布设与数据采集

北京平原区隐伏断裂主要为NE、NW向两组，此次研究工作布设2条长测线剖面，基本上控制了平原区主要断裂。其中NE向剖面(aa′)北起怀柔统军庄火车站附近(40°19′，116°45′)，南至大兴庞各庄镇赵村西(39°34′，116°12′)，长约90 km；NW向剖面(bb′)西起石景山区双峪路边(39°56′，116°07′)，东至通州区柏德路(39°38′，116°50′)，全长约60 km。测点间距控制在500 m，测线通过的土地利用类型包括农田、绿化带、林区、道路、居民区等。为确保数据的可靠性，每个测点采集数据2～3次，保证数据稳定。剖面线分布如图2所示。

图2 工作区测氡剖面部署Fig.2 Survey line in the working area

数据在采集过程中，严格按照仪器的工作流程操作。首先，选用直径2.0 cm左右，长80 cm的钢钎，锤入土壤中形成约70 cm深的小孔。然后，将钢钎拔出，迅速将取样器(使用前要检查取样器下端壁上的孔不能被泥土堵塞)插入土中，并将取样器顶端地表部分用土密封压实，以防止抽气时空气进入孔中。在测量土壤氡干燥剂的前端加棉纱和纤维，以防止微尘抽入仪器内。用软橡胶皮管将仪器与取样器连接：一端接取样器的气体出口处，另一端接入附件干燥塔及仪器的进气孔。最后，设置测量参数，充气时间：2 min；测量时间：5 min；排气时间：2 min。按“土壤氡”键进行测量。测量过程为：本底测量—充气—测量—排气。测量完成后记录数据。

2.3 测量结果

为使测量数据便于处理分析，将每条测线的氡浓度剔除最大值和最小值后取平均值作为背景值，异常阈值判定采用单测线的平均值与2倍均方差之和为标准[17]，具体结果见表1。NE向剖面氡浓度背景值明显高于NW向剖面氡浓度值，两条测线异常阈值与背景值之比近似相等。

表1 两条测线中氡浓度变化统计Table 1 Statistics of radon concentration changes in two profiles

3 氡浓度与构造响应关系

下面从地质构造、地层和土壤母质原岩3方面，探讨北京平原区土壤氡分布特征的形成原因。

3.1 氡浓度与隐伏断裂关系

对照地质构造特征发现，怀柔统军庄—大兴庞各庄测线D1(aa′)氡浓度剖面斜切过NE向断裂及个别NW向断裂，其中主要断裂包括赵全营断裂、顺义断裂、南口—孙河断裂、东坝断裂、南苑—通县断裂及北臧村断裂。剖面氡浓度明显呈中间高两侧低的特征(图3)，1号点至43号点(Ⅰ区)，氡浓度值变化不大，平均值为1 808 Bq/m3；44号点至73号点(Ⅱ区)，氡浓度值变化明显，平均值升高到3 024 Bq/m3；74号点至135号点(Ⅲ区)，氡浓度值开始降低，且变化幅度减弱，其平均值降至1 504 Bq/m3。具体变化量见表2。

表2 D1(aa′)测线氡浓度变化统计Table 2 Statistical of radon concentration variation in profiles D1(aa′)

Ⅱ区背景值相对较高，但未出现氡浓度异常点。Ⅱ区域为NE向顺义断裂与NW向南口—孙河断裂交汇部位，且存在一条NW向的东坝断裂。在顺义机场附近到朝阳区东四环北路一带，氡浓度背景值最高，氡浓度最高值点出现在首都机场附近，受控于顺义断裂，氡浓度最高值10 260 Bq/m3。高明亮等在2003年6月至2011年11月，利用InSar时间序列技术测量，对首都机场地区进行的监测研究发现，相对于固定参考点，位移速率估计为最大值约为66.2 mm/a[18]，表明断裂活动性明显。因此，笔者认为正是断裂的活动造成覆盖层地质结构发生扰动，氡通过地下水或者土体沿破碎带散逸至地表，从而造成该区域内氡浓度富集。次高值出现在东坝断裂和酒仙桥断裂尾端附近，氡浓度值分别为7 560 Bq/m3和6 912 Bq/m3，这两条断裂属于张渤带断裂，但在南口—孙河断裂附近未见氡浓度异常，有待进一步研究。Ⅲ区氡浓度背景值相对最低，区域内出现氡浓度异常点3处，其中2处出现在西红门桥东南侧，主要是受到南苑—通县断裂的影响，笔者2017年对南苑—通县断裂开展了大量的物探、钻探和测年等工作，确定该断裂是一条全新世活动断裂，且目前仍在活动。另外1处异常点出现在北臧村镇以西，北臧村断裂与瀛海断裂交汇处一带，推断是受到北臧村断裂与瀛海断裂的影响。

对石景山双峪路—通州柏德路测线D2(bb′)氡浓度剖面进行分析(图4)。该剖面横跨北京凹陷、大兴隆起和大厂凹陷，走向与平原区多条隐伏断裂走向相互垂直，包括黄庄—高丽营断裂、南苑—通县断裂、礼贤断裂和夏垫断裂，以及多条中小型断裂，断裂位置如图4所示。该剖面氡浓度变化幅度较大且频繁，整体背景值为752 Bq/m3，最高值为3 132 Bq/m3，出现在大兴区黄易路边与通州小月家具厂附近。为便于研究氡浓度与断裂的响应关系，将该测线按照北京平原区不同地质条件，分为山前地带、北京凹陷区、大兴隆起区、大厂凹陷区四段，1号测点至15号测点定为山前地带，氡浓度背景值786Bq/m3，区域内见异常点2处，第一处位于石景山双峪路附近，推测是受到NW向永定河断裂的影响，该断裂被前人确定为第四纪断裂，最晚一次活动期应该在早更新世，第二处位于石景山松林公园附近，推测是受到八宝山断裂与黄庄—高丽营断裂的影响。测点16号至43号区域内超出阈值的异常点虽然只有1处，出现在南苑—通县断裂附近，氡浓度值为2 268 Bq/m3，但是存在氡浓度值低于阈值但高于2倍背景值的异常点3处，3处分别位于车公庄断裂、前门断裂、崇文门断裂附近。46号至72号测点范围内见2处氡浓度异常点，分别位于南海子公园北侧(氡浓度值3 132 Bq/m3)和同义庄村东(氡浓度值2 268 Bq/m3)，主要是受旧宫断裂和礼贤断裂的影响。73号至94号测点位于大厂凹陷区内，氡浓度背景值707 Bq/m3，区内出现2处异常点，最大值位于于家务一带，主要是受控于礼贤断裂，氡浓度值为3 132 Bq/m3，次高值出现在凤德路附近，该点位置与夏垫断裂位置吻合(表3)。2018年，陆丽娜在夏垫断裂带开展的土壤气汞研究成果[19]显示，夏垫断裂带在气汞剖面的浓度比(剖面汞浓度最大值与最小值的比，单位mg/m3)为8.47/0.12，异常特征明显，与本次氡气异常吻合度较高。

表3 D2(bb′)测线氡浓度变化统计Table 3 Statistical of radon concentration variation in profiles D2(bb′)

图4 测线D2(bb′)氡浓度与地质联合剖面(图例同图3)Fig.4 Composite profile of radon concentration and geological in D2(the legend is the same as Fig.3)

通过对以上两条剖面研究分析表明，几乎所有的异常点都出现在隐伏断裂附近，异常点与断裂位置吻合程度高。D1线与平原区NE向的断裂近顺延关系，背景值高，异常点主要出现在构造复杂与活动性强的断裂附近地区，同时，D1线背景值要明显高于垂直于NE向断裂布设的D2线背景值，因此，推断断裂对氡浓度的扩散富集存在明显的对应关系。

3.2 氡浓度与地层的关系

氡浓度不但受构造影响，而且与地层也存在一定的影响。D2线测点16号至43号属于北京凹陷范围内，氡浓度背景值598 Bq/m3，在四段之中背景值最低，虽然区域内发育多条NE向隐伏断裂，但由于北京凹陷巨厚的新生界对氡的运移扩散产生了阻碍作用。46号至72号测点位于大兴隆起区范围内，新生界厚度小，对从基岩中析出氡的抑制扩散作用减弱，致使区域内氡浓度背景值在四个区段中最高。

D2线氡浓度特征表明，在基岩凹陷地区的氡浓度背景值要小于隆起地区，主要是因为新生界地层中，不同岩石地层对氡的运移扩散同样存在影响(表4)。中细砂地层孔隙度大，要有利于氡的运移扩散，而黏土地层孔隙度较小，对氡的运移起到阻隔的作用，在以中细砂为主的地层氡浓度要高于以黏质砂土和黏土为主的地层。新生界厚度小，基岩埋深较浅的隐伏断裂，对应的氡浓度值明显高于其他地区断裂带的氡浓度。因此，推断北京平原区的氡浓度分布特征不但受到隐伏断裂影响，同时与基岩的埋深有关。

表4 不同岩石中氡、钍元素扩散系数Table 4 Dffusion coefficient about radon and thorium in different rocks

此外，不同地质背景下形成的土壤，土壤中氡气浓度水平也存在差异[19]。笔者在分析氡浓度与断裂的响应关系的同时，探讨了成土母质源区的原岩对平原区氡浓度的影响。分别统计了西山12件和北山18件岩石样品核素含量(图5)，并且按照不同岩性进行核素含量统计分析(图6)，发现北山岩石的核素比活度要明显高于西山，岩浆岩的核素比活度要明显高于变质岩和沉积岩。由于北山多以岩浆岩和变质岩为主，西山则以沉积岩为主，而平原区北部成土母质主要来自于北山，西部成土母质主要来自西山。因此，可初步解释为NE线土壤氡浓度背景值要高于NW线的另一个原因。

图5 不同地区核素比活度柱状图Fig.5 Histogram of different areas aboutnuclide specific activity

图6 不同岩性核素比活度柱状图Fig.6 Histogram of different rocks aboutnuclide specific activity

4 结论

本次工作在北京平原区开展了NE和NW向两条土壤剖面的氡气测量工作，分析研究了区域土壤氡气浓度变化特征与隐伏断裂的发育程度、地层厚度及成土母质的关系，结论如下：

1) 北京平原区氡浓度异常与区域隐伏断裂存在明显的对应关系，即隐伏断裂发育的区域氡浓度明显高于周边。隐伏断裂第四纪以来活动强度越大，区域内土壤氡浓度越高。除此以外，在构造复杂(如断裂交汇部位)区域，周围氡浓度值变化也较为显著。

2) 土壤厚度是制约北京地区土壤氡浓度水平的另一关键要素。平原区由于其新生界厚度的差异，导致隐伏断裂埋藏深度的不同，凹陷区巨厚的新生界抑制了氡的散逸强度，导致凹陷区内氡浓度背景值明显低于隆起区。

3) 土壤氡浓度水平不仅与构造和地层厚度等因素有关，同时也与土壤母质原岩有关。三大岩类中，岩浆岩的核素比活度最高，变质岩最低。因此，母岩以岩浆岩为主的土壤氡浓度要大于以沉积岩和变质岩为主的土壤。