天津北部地区土壤氡气测量在隐伏断裂探测中的应用

[摘要]土壤氡（Rn）气测量是探测隐伏断裂的存在，判定断裂位置、走向、倾向的一种有效手段。通过对天津北部地区的宝坻断裂附近进行氡气探测并结合EH4电导率测量等物探手段，发现在宝坻断裂的北部存在与宝坻断裂平行的次级断裂。

[关键字] 土壤氡气 隐伏断裂 EH4电导率

[中图分类号] P65 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-2-114-2

土壤氡气测量作为一种研究隐伏断裂的新方法目前已得到国内外地质学界的重视。美、日等国学者先后将此方法应用在圣安德列斯断层、中央大断层等断层上进行断层活动性研究【1】。我国也先后将此方法应用于地震监测、探矿、资源开发等领域，并取得了良好的效果。

1 土壤氡（Rn）气测量原理

地球是一个巨大复杂的开放系统，地壳中断裂破碎带是地壳逸出气的通道之一，在隐伏断层上部的土壤中气体组分及其含量常常显示异常。氡（Rn）是逸出气最常见的一种气体组分。Rn是一种放射性气体组分，它不能与其它元素化合，衰变时辐射出α射线，半衰期为3.525天。由于氡的半衰期较长且溶于水，它能够通过地下水或沿着基岩的断裂构造等岩石疏松或孔隙相对较多的地段从地下深处运移到地表。当岩石破碎或有断层存在时，会为氡从岩石中的逸出提供通道，在断裂上部的覆盖层中形成Rn的富集带，所以在断裂破碎带的上方常常存在氡异常。通过探测地表氡异常，可以准确查明隐伏断裂位置及其产状。

氡（Rn）气测量的仪器是HDC型环境测氡仪，该仪器主要是考虑环境氡浓度的特点而设计的，由石家庄核工业航测遥感中心生产，仪器操作简便、工作效率高，可以快速测量土壤中的Rn含量。具有抗干扰、灵敏度高、稳定性好、操作简便、现场即可获得结果等优点。测量时，在测点上用钢钎打一个深约50cm的孔，将采样器插入打好的孔中，使采样器锥形端堵紧孔口。利用氡（Rn）气探测进行隐伏断裂活动性评价方法。

2 EH4电阻率成像仪简介

EH4电阻率成像仪由美国EMI公司根据任务特点而设计的目前最先进的EH4电阻率仪，它是Geometrics公司研制生产，为交变电磁法仪器，仪器的测量精度高，探测深度大，其测量频段为10Hz～100kHz，有效探测深度10m～2000m。

3 EH4电阻率成像仪工作方法

EH4电磁测量主要是剖面测量，在剖面上依次布设电磁测深点，X方向与剖面方向一致，Y方向垂直于剖面方向，测深点间距一般为40m左右，连续的测深点阵可以组成地下二维电阻率剖面图。为了提高测量精度，严格遵守布极规则，增加测量时间，反复测量以获取最佳信号。

在地面上采用仪器观测到相互正交的电磁场分量Ex，Hy，Ey，Hx，利用公式可计算出地下介质的电阻率值、相位差和探测深度，计算公式为：

式中：f为电磁场频率（Hz），ρ为视电阻率（Ω·m），Φ为相位差（弧度），δ为探测深度即理论上的趋肤深度（m）。

根据电磁场理论，收发距必须大于最低发射频率时"趋肤深度"的三倍，利用趋肤深度公式可以得到比较严格的收发距定义。

收发距：

式中： ρ：为大地平均电阻率，f ：为发射的最低频率

根据EH4系统发射机功率限制和本区地电特征，野外工作收发距一般采用230-250m。

4 工作区测量布设情况

对于本工作区的测量采取突然氡气测量与EH4电阻率测量相结合的方式，共布设三条剖面线路进行EH4测量和土壤氡射气测量。三条剖面线路布设在宝坻城区南部马家店乡和石桥乡境内，宝坻温泉城北侧，地处潮白河流域，具体布设如下：1号氡气测量剖面和1号EH-4电阻率测量剖面在小套村西布置，跨越潮白新河，二者方向一致。2号剖面线路布置在胡各庄村西，尔后向北穿过张牛屯村，再向北到核工业247大队南侧引滦河桥南边。3号剖面线路是沿着核工业247大队南侧引滦河向南做到津蓟高速宝坻引路；3号氡气测量剖面也是沿着核工业247大队南侧引滦河向南做到52号点处。

1号剖面线长4000m，EH4测深点81个，氡气测量点201个；2号剖面线长3000m，EH4测深点61个，氡气测量点151个；3号剖面线3000m，EH4测深点61个点，氡气测量点151个。EH4剖面线线距4000m，点距50m；氡气测量线距4000m，点距20m；能谱测量测线覆盖全宝坻区，布点密度平均为1个点/Km2，其中宝坻城区和周良新城区两个重点区域的布点密度为4个点/ Km2。

1号剖面电阻率测深断面资料整理。工作结果表明，该区电测深曲线类型整体呈二层特征，由南向北各点曲线类型显示为"G"型，个别点为"K"型三层曲线，其因是局部干扰造成电阻率增高。纵观全部剖面，南部电阻率偏低，上部低阻层与底部高阻层的界面埋藏较深；随着剖面向北延伸，该界面埋深变浅。到68号点北部高阻层明显下降，上部低阻层变厚，说明该处底部高阻层有错断现象。另外局部有些不规则形状的高阻团块是干扰所致。EH4测量1号剖面图见下图

2号剖面电阻率测深断面资料整理。2号剖面干扰严重，尤其是在测线北段，电磁干扰造成了剖面上出现了大片的假高阻体。但是，通过综合统计发现该剖面整体上还是有两层地电特征，且尽管干扰严重，在其中（40-42号之间）还是发现了构造特征的痕迹。同样，也是南段电阻率低，北段电阻率高，说明基底老地层在北段向上抬起。EH4测量2号剖面图见下图

3号剖面电阻率测深断面资料整理。3号电测深曲线类型整体呈二层特征，由南向北曲线各点显示为"G"型。纵观全部剖面，南部电阻率偏低，上部低阻层与底部高阻层的界面埋藏较深；随着剖面向北延伸，该界面埋深变浅。该剖面是沿着滦河边做的整体干扰相对较小，整个断面二层结构明显，在37-39号点附近有断裂迹象的电性特征。EH4测量3号剖面图见下图

3 测氡资料整理

氡气测量值要确定为异常的标准有两点：大于3倍底数和至少要有连续两个以上的偏高点伴随着异常点周围。

根据上述标准，我们在1号剖面发现了3个氡异常；在2号剖面上发现了2个氡异常；3号剖面发现了2个氡异常。其它处仅有些偏高，意义不大；但是，在东端的2号剖面的40-60号点之间，除了两个异常点之外，还有多个偏高点。1号剖面、3号剖面上发现了几个孤立的氡异常。

4 总论

EH4测量一号线500-700米，10号点-15号点之间，发现异常，推断该处有一断裂，根据EH4所测的电阻率等值线可推断出，该断裂倾角约为75度，较陡。断裂深度超过500米，该断裂南处，地下40-240米深处有一电阻率密集异常地区，该处电阻率等值线较密集。据查询宝坻地质资料得知该断裂为宝坻断裂。

EH4测量一号线2300-2600米处，47号点-54号点之间有一异常区，根据EH4物探推测该处有一断裂，该断裂倾角约为60度，该断裂北侧250米以下有高阻值异常区，但据地质资料查询，没有记载，该断裂为物探推测断裂。

EH4测量二号线500-700米处，10号-14号点之间有一异常区，据EH4物探推测该处有一断裂，该断裂倾角约为75度，较陡。该断裂南侧地下40-320米之间为高阻值区域，该区域有可能等值线较为密集。据宝坻地质资料记载该断裂为宝坻断裂。

EH4测量二号线1400-1600米处，30号-34号点之间有一异常区域，该区域南北两侧等值线较为密集，据EH4物探推测该处为一断裂，该断裂倾角约为75度，较陡，该断裂南侧70米以下为高阻值区域，向南阻值逐渐增大。宝坻地质资料没有记载，该断裂为物探推断断裂。

EH4测量二号线1900-2000米处，40号-42号左右，电阻值较为密集，该处两侧的电阻率值较为接近，据EH4物探推测该处为一断裂，倾角约为80度，较陡。该断裂两侧均为高阻值区域。宝坻地质资料没有记载，该断裂为物探推测断裂。

EH4测量三号线1800-1900米处，37-39号点之间发现异常，根据EH4物探推测该处有一断裂，该断裂倾角约为45度。该断裂北侧140米以下为高阻值异常区，该异常区有可能为岩体，该断裂南侧，400米以下为高阻值地区，由此推测该处很有可能形成断裂，但宝坻地质资料没有记载，该断裂为物探推断断裂。

在3条氡气测量剖面上都发现有异常点，最高值超过25000Bq/m ？对应的3条。EH-4电阻率测深剖面上也发现断裂迹象，进而解释出一条北西西向断裂。断裂属于局部浅层断裂，它是南部宝坻断裂形成时，由于该处基岩是蓟县系灰岩较脆，基岩隆起而产生的次一级的小断裂（相对宝坻断裂）。在东部2、3号剖面处上升到第四系，在西部1号剖面附近刚触及第四系。断裂走向北西285度倾向北北东，倾角70-80度，较陡。

与该处的EH4异常出现在同一地区，验证了该处的宝坻断裂的存在。一号线其它地区氡气异常不明显。

综合EH4测量和氡气测量三条穿越宝坻断裂的路线可推知，在宝坻断裂的北侧，有可能存在一处与宝坻断裂平行的断裂，该处断裂距离宝坻断裂1000-1600米，倾角比宝坻断裂小，比宝坻断裂略缓，并贯穿三条路线。长度超过12公里，此处断裂比宝坻断裂小，可能是向宝坻北部蓟县山区过度的断裂，并可以得知宝坻断裂的北部有有可能存在与宝坻断裂平行的断裂。

参考文献

[1] 刘江平，周斌，李庆红.氡（Rn）射气测量在胜利油田隐伏断裂研究中的应用[J]华北地震科学.2004，22（1）：42-45.

[2] 汪成民，李宣瑚，魏柏林.断层气测量在地震学中的应用[M].北京：地震出版社，1991，126-197

[3] 贾文懿，方方，周蓉生，等.氡及其子体运移规律与机理研究[J].核技术，2000，23（3）：179-175.