瑪曲斷裂帶土壤氣汞、氡地球化學(xué)特征①

趙振燊，張 慧，2，蘇鶴軍，2

（1.中國(guó)地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所蘭州科技創(chuàng)新基地，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

瑪曲斷裂帶屬于東昆侖活動(dòng)斷裂帶的東段。斷裂西起瑪沁盆地北側(cè)，以瑪沁盆地與東昆侖斷裂帶的托索湖－瑪沁段左階斜接，向東經(jīng)肯定那、西貢周、西科河南岸、唐地、瑪曲，沿黑河南岸穿過(guò)若爾蓋草地向東，直至岷山北端求吉附近，長(zhǎng)約330km［1］。筆者此次化探場(chǎng)地主要集中在瑪曲段，位于瑪曲縣城南側(cè)。該段走向285°～290°，傾向 NE，傾角70°～86°，斷面平直光滑，沿?cái)嗔延幸幌盗泄诺卣鹦巫冞z跡，為1條發(fā)震斷層（青海省地震局等，1999）。斷裂在地貌上主要表現(xiàn)為正斷裂陡坎［2］?，斍瓮淼谒募o(jì)的活動(dòng)性非常強(qiáng)烈，晚更新世晚期至今的平均水平走滑運(yùn)動(dòng)速率達(dá)10.15±0.34mm／a［3］。

目前國(guó)內(nèi)外利用斷層氣氡、汞地球化學(xué)特征進(jìn)行活動(dòng)構(gòu)造的研究發(fā)展迅速，已得到地震地質(zhì)界的廣泛重視和應(yīng)用［4－6］。斷層氣的測(cè)量在活動(dòng)構(gòu)造方面的應(yīng)用，可分為以下幾個(gè)方面：（1）利用斷層氣異常特征確定斷層的性質(zhì)；（2）確定隱伏斷層，以及斷層活動(dòng)性研究；（3）斷層分段性的研究。與其他手段相比，斷層氣測(cè)量具有易操作、經(jīng)濟(jì)、快速和易流動(dòng)觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)［7－8］。

本文研究的主要內(nèi)容是用斷層氣測(cè)量方法進(jìn)行野外現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，分析每條測(cè)線上汞、氡的地球化學(xué)特征；主要目標(biāo)是分析瑪曲斷裂土壤氣氡、汞的地球化學(xué)特征及其與活動(dòng)構(gòu)造的關(guān)系；研究重點(diǎn)是利用土壤氡、汞的異常分布特征來(lái)研究斷層活動(dòng)性特征。在此基礎(chǔ)上為今后該地區(qū)流體臺(tái)網(wǎng)優(yōu)化布設(shè)、流動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)以及地下流體前兆異常提供背景資料。

1 斷層土壤氣組分氡、汞地球化學(xué)行為

地球是一個(gè)復(fù)雜的開放的系統(tǒng)，地殼放氣是巖石圈與大氣圈進(jìn)行物質(zhì)、能量、信息交換的一種重要形式。地殼中斷裂帶是地殼逸出氣體的通道之一。地殼逸出氣測(cè)量的氣體組分有氡、汞、He、CO2、H2、As、Sb、Bi、B等。氡、汞是其中常用的兩種氣體組分。

1.1 氡地球化學(xué)行為

氡是一種放射性氣體，是惰性氣體族（He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn）中的最后一個(gè)元素，也是氣體中最重的一個(gè)元素。氡是鐳核衰變的中間產(chǎn)物，有4個(gè)同位素，222Rn和218Rn是鈾衰變產(chǎn)物；219Rn和220Rn分別是錒系和釷系衰變產(chǎn)物。其中主要的是222Rn，它的半衰期為3.825d，衰變常數(shù)為2.097×10－6S；α粒子能量是5.481MeV，在空氣中的射程低于4.04cm［9］。

氡氣在一定壓力差、溫度差、梯度差下，從下往上遷移，在遷移的過(guò)程中由于所通過(guò)的巖層巖性及構(gòu)造環(huán)境不同，在地下形成不同的氡、汞氣聚集。含有鐳或其他某些元素的固體物體向外部介質(zhì)自發(fā)地或人為地釋放放射性氣體氡的過(guò)程，稱為射氣作用。氡的消散通過(guò)這種作用經(jīng)過(guò)斷裂通道向大氣釋放。在斷裂帶的出露位置及其上盤的土壤中氡的含量較高，形成異常區(qū)域。

氣象因素及條件對(duì)氡氣體的消散具有明顯的影響。研究結(jié)果表明（吳慧山，1995，牟保壘，1999）氣壓與氡的消散量表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)。氣壓降低，消散量將增大；土壤的溫度特別是溫度的變化量，能夠影響氡的消散量，夜間土壤中氡的射氣通量最大，即為日間平均值的1.5～2.0倍。降雨對(duì)氡的消散的影響較為復(fù)雜：少量降雨導(dǎo)致射氣擴(kuò)散系數(shù)增大及氡的受壓，因此消散量增高；連續(xù)降雨時(shí)，由于土壤中的毛細(xì)管被堵塞，氡的消散量降低。另外，吳慧山（1995）將毛細(xì)管對(duì)氡射氣的吸附作用導(dǎo)致的物質(zhì)射氣能力的下降做出了機(jī)理解釋。

1.2 汞地球化學(xué)行為

汞是常溫下唯一呈液態(tài)的金屬。汞具有兩個(gè)明顯的特性：熱敏性和高滲透性。汞在常溫下具有明顯的蒸汽壓，還具有極強(qiáng)的穿透能力。汞的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，在常溫的干燥氣體中是一種穩(wěn)定的元素，只有在高溫時(shí)與氧發(fā)生反應(yīng)。

地幔物質(zhì)在長(zhǎng)期分異過(guò)程中由于蒸氣作用而形成汞，常常沿深部斷裂發(fā)生遷移，斷層土壤氣中汞的來(lái)源以及汞自地殼深部向地表的遷移機(jī)理是利用斷層氣開展活斷層探測(cè)的理論基礎(chǔ)。汞遷移主要是靠滲透－擴(kuò)散和對(duì)流兩種方式，其長(zhǎng)距離遷移機(jī)理與氡一樣。汞具有較強(qiáng)的滲透能力，因而汞的垂直擴(kuò)散距離比氡的大得多。研究結(jié)果認(rèn)為，地震孕育過(guò)程中，震源附近應(yīng)力集中，汞蒸氣逐漸增加并聚集在深大斷裂帶附近。在高溫和壓力作用下，汞蒸氣有可以沿深部斷裂或巖石裂隙向地表遷移，當(dāng)穿過(guò)上覆不同介質(zhì)覆蓋層時(shí)，汞蒸氣被吸附、吸留或溶解期間形成汞異常，使地震活動(dòng)區(qū)介質(zhì)中汞含量明顯高于外圍地區(qū)［10］。

2 測(cè)線布設(shè)和測(cè)量方法

2.1 測(cè)量對(duì)象和取樣方法

測(cè)量對(duì)象有測(cè)汞、測(cè)氡兩項(xiàng)。汞測(cè)量采用JM－4數(shù)字金膜測(cè)汞儀，具有體積小、輕便、靈敏度高等特點(diǎn)，最低檢出限為10－2ng；氡的測(cè)量采用FD－3017RaA測(cè)氡儀，為一種瞬時(shí)測(cè)氡儀器，極限探測(cè)靈敏度為0.37Bq／L。

取樣方法是：首先用鋼釬打一個(gè)導(dǎo)向眼插入取樣器，用橡皮管將FD－3017RaA測(cè)氡儀與取樣器連接，排出橡皮管內(nèi)及取樣器內(nèi)的殘留氣體，然后開始正式取氡樣。取樣體積為1.5L。完成氡的取樣后，再將取樣器與JM－4數(shù)字金膜測(cè)汞儀及大氣采樣儀連接，流速0.5L／min，抽氣時(shí)間2min，取樣體積為1L。

2.2 測(cè)線布設(shè)

根據(jù)前人的研究結(jié)果，瑪曲縣城外的斷裂帶在衛(wèi)星片上影像清晰，總體方向呈SEE方向展布。因此在與該斷裂近于直交，由北向南布設(shè)了3條測(cè)線。每條測(cè)線上測(cè)點(diǎn)間距為10m，當(dāng)測(cè)到異常點(diǎn)時(shí)重復(fù)測(cè)量，并進(jìn)行加密觀測(cè)點(diǎn)距為5m。同時(shí)在高值點(diǎn)附近再布設(shè)一條平行短測(cè)線，點(diǎn)距5m。3條測(cè)線分別是：①瑪曲東側(cè)剖面，長(zhǎng)約270m，共34個(gè)測(cè)點(diǎn)；②瑪曲中間剖面，長(zhǎng)約300m，共36個(gè)測(cè)點(diǎn)；③瑪曲西側(cè)剖面，長(zhǎng)約280m，共29個(gè)測(cè)點(diǎn)（圖1）。

3 瑪曲縣斷裂帶土壤氣汞、氡測(cè)量結(jié)果

3.1 斷層氣影響因素、異常特征以及異常識(shí)別

由于汞、氡異常的形成與活斷層的規(guī)模大小，活動(dòng)程度，斷層的傾向、傾角，破碎帶寬度，充填物的透氣性、覆蓋層厚度等因素有關(guān)，同時(shí)氡、汞受氣候條件、地貌、植被和人類活動(dòng)影響。

圖1 瑪曲活斷層地球化學(xué)測(cè)線分布示意圖Fig.1 Distribution map of geochemical survey lines across Maqu active fault.

氣汞和氣氡異常在平面上呈線性條帶狀延伸，其延伸方向和斷裂破碎帶位置相吻合；在測(cè)線剖面方向上，斷層氣異常多呈尖峰狀。在某些斷裂上，氣體異常以多峰谷形出現(xiàn)，常常和斷裂帶的破碎寬度有關(guān)。特別是傾角較緩的斷層，在斷層上盤羽狀節(jié)理和裂隙往往都比較發(fā)育，地下氣體可由此向上運(yùn)移和富集，因此形成了較大寬度的氣體異常。

3.2 瑪曲斷裂帶土壤氣汞、氡測(cè)量結(jié)果

圖2為瑪曲HT1測(cè)線汞、氡濃度異常曲線。由圖可知：汞濃度曲線出現(xiàn)1組峰值異常形態(tài)，其最大值0.171 45ng／L，是背景值0.113 3ng／L的1.5倍；氡濃度曲線也出現(xiàn)1組峰值異常形態(tài)，其最大值15.406 3Bq／L，是背景值3.124 6Bq／L的4.9倍。其中，汞值較高測(cè)點(diǎn)為第6、7、25測(cè)點(diǎn)，氡值較高測(cè)點(diǎn)為第26、27測(cè)點(diǎn)。并且氡的異常范圍與汞異常測(cè)點(diǎn)第25個(gè)點(diǎn)有相鄰，具有對(duì)應(yīng)的異常關(guān)系。

圖3為瑪曲HT2測(cè)線汞、氡濃度異常曲線。由圖可知：汞濃度曲線出現(xiàn)1組峰值異常形態(tài)，其最大值0.240 03ng／L，是背景值0.128 9ng／L的1.9倍；氡濃度曲線也出現(xiàn)4組峰值異常形態(tài)，并且相鄰較近，在10～25m的范圍內(nèi)，其最大值25.395Bq／L是背景值9.241Bq／L的2.7倍。在點(diǎn)距100m處有挖出的斷層剖面，氡的4組峰值的影響范圍約為100m，都是在出露的斷裂帶附近。

圖2 瑪曲HT1測(cè)線汞、氡濃度曲線Fig.2 The abnormal variation curves of ardon and mercury along HT1line across the Maqu fault.

圖3 瑪曲HT2測(cè)線汞氡濃度曲線Fig.3 The abnormal variation curves of ardon and mercury along HT2line across the Maqu fault.

圖4為瑪曲HT3測(cè)線汞、氡濃度異常曲線。由圖可知：汞濃度曲線出現(xiàn)1組峰值異常形態(tài)，其最大值0.182 88ng／L，是背景值0.093 2ng／L的2倍；氡濃度曲線出現(xiàn)2組峰值異常形態(tài)，其最大值10.665 9Bq／L，是背景值5.014 8Bq／L的2.1倍。且氡的第2組異常值與汞的異常高值比較相鄰，具有對(duì)應(yīng)的異常關(guān)系。斷層剖面在200m處，汞、氡異常區(qū)域都發(fā)生在斷層的上盤且靠近出露的斷層剖面。

圖4 瑪曲HT3測(cè)線汞、氡濃度曲線圖Fig.4 The abnormal variation curves of ardon and mercury along HT3line across the Maqu fault.

在進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)處理時(shí)，我們采用平均值與均方差的概念，其中汞的平均值與均方差分別用K和δ1表示，氡的平均值與均方差分別用R和δ2表示，我們?nèi)∑骄底鳛楸尘爸?，并取K＋δ1與R＋δ2分別作為土壤氣汞、氡異常下限，土壤氣中所測(cè)汞、氡的含量的單位分別是ng／L和Bq／L。3條測(cè)線的土壤氣中汞、氡的結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 測(cè)線土壤氣汞、氡的數(shù)據(jù)分析

綜上所述，HT1、HT2、HT3剖面是確定的異常剖面，正好處于斷層剖面附近。其中，HT1剖面和HT3剖面的異常區(qū)域都在斷層的上盤。HT2剖面橫跨了斷層，異常區(qū)域在斷層的兩盤都有分布，在第1組峰值和第2組峰值之間出現(xiàn)了一個(gè)低值，可能是因?yàn)樵撎幘用窬幼?dǎo)致地層的不均一性而產(chǎn)生的異常低值點(diǎn)?？傮w來(lái)說(shuō)，瑪曲縣斷裂帶的研究場(chǎng)地地質(zhì)條件比較均一，受人類活動(dòng)等因素影響較小，得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的參考性。在研究區(qū)域，汞背景值偏低，為0.111 8ng／L，氡背景值偏高，為5.793 5Bq／L。汞背景值偏低可能是地下潛水對(duì)測(cè)汞儀的取氣都存在著影響，也可能是潛水對(duì)毛細(xì)管屏蔽引起的。出現(xiàn)較高的氡背景值可能是因?yàn)榈谒募o(jì)覆蓋物與深部基巖形成良好的貫通，并且在一定程度上反映了斷層的活動(dòng)性較強(qiáng)。

4 認(rèn)識(shí)與討論

（1）瑪曲縣斷裂具有明顯的土壤斷層氣異常顯示，在3條測(cè)線上均出現(xiàn)了峰值異常區(qū)域。從測(cè)量的結(jié)果來(lái)看，3條剖面所出現(xiàn)的異常區(qū)域都發(fā)生在斷層的上盤或上、下盤，與斷層出露位置具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

（2）深部地下流體沿著斷裂帶向上運(yùn)移和富集，在斷裂帶上方覆蓋形成了漏斗形的土壤氣體異常暈。因此土壤氣汞、氡的異常形態(tài)為：低－較高－高－較高－低的峰值形態(tài)，HT2剖面100m處的異常低值點(diǎn)為一單點(diǎn)異常，主要是探測(cè)過(guò)程中的干擾因素造成的。

（3）TH2剖面中，氡值異常區(qū)域分布廣泛，跨過(guò)了斷層的兩盤，在下盤有1個(gè)異常區(qū)，在上盤有3個(gè)異常區(qū)。上盤的3個(gè)異常區(qū)域，在測(cè)線剖面上分布范圍約為80m，相對(duì)斷層規(guī)模較小，反映了該斷層是傾角較陡的正斷層，這與前人得出的斷層傾角為70°～80°相一致。

（4）瑪曲斷裂所在區(qū)域?yàn)椴菰?，地質(zhì)條件均一，受外在因素影響小，其氡背景值較高，約為5.793 5 Bq／L，異常也比較明顯，在一定程度上能反映該斷裂的活動(dòng)性。并且有利于定期流動(dòng)觀測(cè)，為以后檢測(cè)該斷裂的活動(dòng)性提供一種經(jīng)濟(jì)而又實(shí)用的監(jiān)測(cè)手段。同時(shí)，為今后該地區(qū)流體臺(tái)網(wǎng)優(yōu)化布設(shè)、流動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)以及地下流體前兆異常提供背景資料。

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