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夏垫活动断层土壤氡地球化学特征
夏垫活动断层土壤氡地球化学特征
陆丽娜1) 李静1) 沈军1) 盛书中1) 杨明1) 李宝君1) 龚丽文2)
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20160404
夏垫活动断层土壤氡地球化学特征
陆丽娜1) 李静1) 沈军1) 盛书中1) 杨明1) 李宝君1) 龚丽文2)
1)防灾科技学院,河北三河065201;
2)重庆市地震局,重庆401147
 [收稿日期]: 2016-04-29
摘要

夏垫活动断层为首都圈重要的断层之一。本文用土壤中气氡测量法在齐心庄和东柳河屯区段进行了野外现场勘测,揭示了研究区土壤氡的地球化学异常,绘制出研究区的氡浓度等值线图,分析了该区段活动断层的上下盘、空间位置及断层走向,并探讨了研究区断裂带的规模及活动性。综合分析认为,断裂带规模较大和断层活动性较强的齐心庄处的夏垫活动断层应为今后地震监测的重点。

关键词:夏垫  土壤氡  活动断层


引言

清康熙十八年,即公元1679年三河8级地震(烈度Ⅺ)是京津唐地区最大的一次历史地震,发生在夏垫断裂带。夏垫活动断层位于华北平原地震带与张家口-渤海地震带的交汇区,是首都圈地震监测的主要断层之一。

由于地震发生强度和首都经济圈位置的特殊性,近年来众多学者利用不同研究手段和方法在夏垫活动断层开展了一系列研究,获得了大量成果和资料(Karakostas等,2013;丁健民等,1984;向宏发等,1988;冉勇康等,1997;邓前辉等,2000;江娃利等,2000;徐锡伟等,2000;邓前辉等,2001;柴建峰,2003;潘波等,2009;李梁等,2011;李梁,2012;杨晓平等,2012;何付兵等,2013;冉志杰等,2013;田优平等,2014;万永魁等,2014;王雷等,2014;张超等,2014)。目前,详细的具有统计学意义的活断层地球化学测量工作仍然较少。活断层地球化学测量以断层气测量为主要手段。断层气的测量不但对断层活动性研究和地震危险区的划分具有重要意义,且可为寻找隐伏断层提供依据(Ciotoli等,1999;Burton等,2004;Vivek等,2009;Pereira等,2010;汪成民等,1991;孟广魁等,1997;任明甫,2000;王传远等,2004)。本文运用土壤中气态氡测量法在齐心庄和东柳河屯区段进行了野外测量,揭示了研究区土壤氡地球化学特征,对该区段活断层的上下盘、空间位置及走向进行了分析,并探讨了研究区断裂带的规模及活动性。

1 区域地质构造背景

夏垫活动断层位于华北板块北部(图1),是首都东部地区一条NNE向的岩石圈尺度的区域性深断裂带,其形成和演化对于北京平原地区的构造演化起着至关重要的作用。该断裂带北起平谷岳各庄,向西南经马坊西、潘各庄,南至永乐店村南,总体走向NE45°,全长45km,新生代断距大(可达3—4km),是控制大厂凹陷形成和演化的盆地边界断层,构成了大厂凹陷与大兴隆起的分界线(何付兵等,2013;冉志杰等,2013)。1679年三河大地震造成夏垫活断带地表破裂,并且在断裂带上形成了新夏垫断裂。为方便讨论,本文将“新夏垫断裂(北东向)”和“老”夏垫断裂(北北东向)统称为夏垫活动断层。

1679年三河大地震使地表形成了一条长约10km的断层陡坎,西起东柳河屯,经潘各庄、齐心庄,东至东兴庄止,为正断层性质。研究区地层的主要岩性见表1。野外考察中,在齐心庄人工探槽剖面上可观察到典型的断层面(图2)和显著的断层陡坎。根据测量,该处断层走向45°,倾向135°,倾角74°,断层两盘皆为第四纪堆积,断层上盘底层水平层理发育,薄层、粘土质粉砂层中有牵引,断层下盘为中薄层粘土质粉砂层,粉砂层中见向下拖拉现象,断层面平直、光滑,裂缝宽5—6mm。

图 1 研究区地震地质简图(高战武等,2001 Fig. 1Simplified geological map of the studying area (Gao et al., 2001)
图 2 夏垫断裂齐心庄区段剖面图(镜头向SE) Fig. 2Profile of the Qixinzhuang segment of Xiadian fault
2 方法和原理
2.1 测线布置

为了准确探测夏垫活动断裂带土壤气氡地球化学特征,本次测量选取了齐心庄(QX)和东柳河屯(DL)两个研究区段,在断层活动性较强和断层陡坎发育的位置布设剖面并进行野外现场勘测。测线垂直于断层走向,在齐心庄(39°58′54.32″N,116°55′54.32″E)和东柳河屯(39°56′36.40″N,116°53′40.34″E)分别布置3条平行测线,保证数据的可信度。研究区共有6条剖面。同一条测线上相邻两个测量点的间隔一般为10m,每条测线以断层地表迹线为中心,长约600m,测线间距为20m。

2.2 仪器工作原理

最适合的在断裂带上实时测量场地土壤气氡的方法是常规瞬时法。本次工作采用上海申核电子仪器厂生产的FD-3017RaA型测氡仪,该仪器操作简便,准确度高,便于携带,是目前国内生产的先进的土壤氡检测仪器。其工作原理是:氡衰变的第一代子体RaA呈正电性,利用高压电场产生的负高压将RaA吸附在金属圆片上,金属圆片上的RaA浓度与土壤氡的浓度呈正相关,通过计算可得出土壤氡浓度。该仪器的极限探测灵敏度小于0.37Bq/L,计数误差≤10%。工作条件为:取气深度60—80cm,取样体积1.5L,高压释放2min,测量读数2min。

2.3 测试采取的措施

为减少或排除非构造因素对土壤氡测量产生的影响,测量时尽量保证以下几点:①测量时钻孔严格保持在同一深度,避免测量深度差异的影响;②抽取土壤中的气体体积统一为1.5L,排除采样体积对土壤氡浓度的影响;③同一条测线尽量在同一天完成,避免因气象因素和土壤湿度的不同影响测量结果;④测量过程中不能使用手机,减少手机电磁波对测量结果的影响;⑤保持干燥剂中蓝色的硅胶含量在50%以上,提高土壤氡测量的准确性。此外,测量工作避开雨天进行,如遇雨天待地面干燥后再进行测量。

表1 研究区地层划分(鞠紫云等,1982;张利利,2012 Table 1 Stratigraphic classification in the study area (Ju et al., 1982; Zhang, 2012)
3 测量结果
3.1 土壤氡浓度的背景值

本次工作在夏垫活动断层的齐心庄和东柳河屯两个区段六条剖面共获得356个土壤氡地球化学样本数据,平均每条剖面约60个数据点。首先对这些数据进行分布型式检验。以原始数据的分组浓度值为横坐标,以频数为纵坐标绘制的数据曲线,整体呈负偏态分布。将原始数据以10为底取对数,然后重新分组和统计频数,以取对数后的分组值为横坐标,频数为纵坐标,据此绘制的图形曲线呈倒钟形,故此次测量的土壤氡浓度数据服从对数正态分布。通常背景值通过计算均值来确定。服从对数正态分布的数据,一般采用几何平均值,亦可采用对数均值。通过计算验证,由对数均值和几何平均值计算的背景值结果一致。在齐心庄区段,利用Rn浓度的对数均值再取反对数计算出的数值和几何平均值均为56.5Bq/L;在东柳河屯区段,两个计算结果均为35.4Bq/L。故夏垫活动断层在齐心庄和东柳河屯两个区段Rn浓度的背景值分别为56.5Bq/L和35.4Bq/L(表2)。

表2 夏垫活动断层土壤氡统计结果 Table 2 Statistical result of soil radon crossing the Xiadian active fault (Bq/L)
3.2 土壤氡浓度异常阈值

地球化学异常阈值亦称为地球化学异常下限值,它的计算直接关系到地球化学异常制图结果,进而影响地球化学数据在地震活动断层探测工作中的应用。为了确保研究结果的准确性和可靠性,本文对比了三种数据处理方法计算的氡浓度地球化学阈值。

在传统的勘查地球化学数据处理中,人们常使用“均值+2倍标准差”的方法来确定某元素的异常阈值。在背景值取几何平均值的基础之上,应用该方法算得齐心庄区段三条剖面的Rn异常阈值为268.2Bq/L,东柳河屯区段三条剖面的Rn异常阈值为102.5Bq/L。和背景值比较可以看出,东柳河屯区段的DL-2剖面的异常阈值明显高于Rn浓度的最大值,并未出现地球化学异常;而该区段的DL-1和DL-3剖面均显示出Rn浓度异常,但异常点较少,异常也并不显著。齐心庄区段的3条剖面揭示出并不显著的Rn浓度地球化学异常,且异常点不多。由于本次测量选取的是断层活动性较强和断层陡坎较发育的位置,而经传统计算方法确定的异常阈值所显示出的地球化学异常并不显著,且异常点较少的地球化学特征,与实际情况不吻合。

稳健的统计分析技术可以求出更加可靠的地球化学异常阈值,比如探索性数据分析方法(EDA)和中位数绝对离差方法(MAD)。EDA方法的原理为:先求出中位数,利用中位数将数据分为两组,最小值到中位数的一组数据为Lower Hinge(LH),最大值到中位数的另一组数据为Upper Hinge(UH),再分别求取两组数据的中位数XLHXUHXLHXUH之差的绝对值就是四分位数间距(YIQR)(王帅等,2009;周曙光等,2013)。XLIFXUIF分别通过下式计算:

XLIF=XLH-(1.5×YIQR)
XUIF=XUH+(1.5×YIQR)

落在XLIFXUIF的数据之外的数据,即氡地球化学异常。

通过探索性数据分析方法计算得出齐心庄区段XLIF=-162.6Bq/L,XUIF=333.7Bq/L。在地震地球化学测量中,测试结果都是正浓度值,而计算结果XLIF为-162.6Bq/L,显然不符合实际情况,所以本文将齐心庄区段异常阈值取333.7Bq/L。同理,计算得出东柳河屯区段的异常阈值为107.3Bq/L。由探索性数据分析方法(EDA)得出的计算结果显示,东柳河屯区段Rn浓度异常趋势较齐心庄区段显著。而夏垫隐伏断裂的地震地质情况正好相反,齐心庄区段断层构造特征比东柳河屯区段明显(图2),地形地貌特征也较之显著;无论是野外实地测量的脉冲值还是室内换算的浓度值,齐心庄区段也明显高于东柳河屯区段。所以,探索性数据分析方法确定的异常阈值与实际情况不相符合,表明该方法在确定Rn异常阈值时,明显不适用。

图 3 齐心庄(QX)和东柳河屯(DL)区段氡浓度值图 Fig. 3Plot of radon concentration of Qixinzhuang (QX) and Dongliuhetun (DL)

中位数绝对离差法(MAD)的原理为:首先求出中位数Xi,再将中位数与每一项浓度值做差并求出绝对值,然后对求得的绝对值再求中位数,即XMAD(盛骤等,2008)。异常阈值为第一次求得的原数据的中位数Xi与2倍XMAD的和。根据此方法计算得出齐心庄地区Rn异常阈值为130.5Bq/L,东柳河屯地区Rn异常阈值为65.6Bq/L。在齐心庄和东柳河屯两个区段测得的Rn浓度最大值都明显大于此方法计算得出的异常阈值,因此氡地球化学异常显著。将数据绘制成氡浓度异常曲线图,使结果更加直观,同时便于我们探讨。由齐心庄和东柳河屯区段异常曲线图(图3)可以看出,氡异常的趋势显著。齐心庄区段(图3)的QX-1(测线位置如图1)、QX-2(测线QX-1以南,如图1)和QX-3(测线QX-1以北,如图1)3条剖面均可见明显的Rn浓度异常,东柳河屯区段(图3)的DL-1(测线位置如图1)、DL-2(测线DL-1以东,如图1)和DL-3(测线DL-1以西,如图1)3条剖面亦均显示显著Rn浓度异常,且齐心庄区段土壤Rn的异常程度强于东柳河屯区段。中位数绝对离差方法确定的异常阈值与实际情况完全吻合。

通过上述分析可以看出,稳健统计方法(MAD)是求取Rn异常阈值的最佳方法。故齐心庄区段Rn元素浓度的异常阈值为和130.5Bq/L,东柳河屯区段Rn异常阈值为65.6Bq/L。

4 讨论
4.1 土壤氡异常和断裂空间位置分析

在前人(江娃利等,2000)工作基础上,项目组在齐心庄剖面继续开展了探槽挖掘工作。在齐心庄剖面坐标位置39°58′54.32″N,116°55′54.32″E处揭示了断层面及断层上下盘(图2)。根据探槽位置和断裂走向,可以推断出断裂带在齐心庄剖面的6号点到51号点土壤氡异常出现的范围内,靠近断层面的断层上下盘之间为主断裂的位置。由于断层面出露处土壤紧实程高,在此处扎钢钎非常困难,不利于氡的释放和迁移,故在此处反复测量氡浓度值均不高。在图3齐心庄区段的3条剖面中(QX-1、QX-2和QX-3),均显示出Rn浓度的多峰地球化学异常,而在齐心庄区段Rn浓度频数直方图上也显示多母体样本的特点,由此可以说明隐伏的夏垫活动断层在地表以下肯定不是由一条断层组成。多峰异常一般见于深大断裂带上,断裂带可能有多个分支隐伏断层。多个异常次级峰(图3)对应主断裂的分支隐伏断裂所在位置,其中QX-1、QX-2和QX-3 3条平行剖面的异常次级峰出现的点号略有不同,所对应的隐伏断裂的位置也不同;在图3中出现5—7个异常次级峰,说明在齐心庄地区可能至少有5条分支隐伏断层。断层上盘出现的峰值异常比下盘要多,且峰值较下盘要高。由于断裂上盘活动性较下盘要大,产生的裂隙也较多,结合氡地球化学特征,可分析出剖面QX-1上1—37号点为断层上盘,QX-2上1—26号点为上盘,QX-3上1—27号点为上盘,各剖面其余点号为下盘,且与人工露头观察一致。

在东柳河屯区段,剖面DL-1、DL-2和DL-3均显示出在26号点和36号点之间有显著的氡地球化学异常,出现尖窄的单峰,该异常主峰对应断裂带的位置。与齐心庄区段的地球化学异常不同,在东柳河屯区段氡浓度异常变化梯度大,异常峰较窄,且出现明显的单峰,还有一到两个异常的次级峰,显示出双峰异常。同时在Rn元素频数直方图上亦显示单一母体样本的特征,与氡地球化学异常情况一致。这种双峰特征的情况,在圣安德列斯断裂的研究中已有发现(King等,1996)。在3条剖面上出现的双峰特征,反映隐伏断裂的宽度范围;主峰对应断裂带的位置,次级峰对应断裂的一盘;而3条剖面的异常峰值出现的位置不尽相同,反映隐伏断裂在地下延伸的位置略有不同。在异常变化上,整体上断层上盘异常较宽,梯度变化慢,下盘异常窄且梯度陡。3条剖面均反映从31号点左右为上下盘的界限,31号点之前为上盘,之后为下盘。

4.2 断层走向分析

因本次测量测点较多(356个样本数据),具有统计学意义,且为平行剖面,分布比较均匀,故适合绘制夏垫活动断层氡浓度等值线图。以研究区即齐心庄和东柳河屯为绘图区域(116.890°—116.935°E,39.940°—39.980°N),如图4所示,经纬度为横纵坐标,等值线为氡浓度值,单位为Bq/L。为了图件的准确性和美观,应用Surfer软件,绘制基于最小曲率法插值的含断层的等值线图(图4)。该图揭示了夏垫活动断层在齐心庄和东柳河屯这一区域内的土壤氡浓度分布情况,氡浓度等值线梯度变化。在氡浓度等值线图上,还显示出断层在这一区域走向为45°,即等值线的整体曲线斜率为45°。氡浓度等值线图显示的走向和在齐心庄人工剖面断层测量的走向一致,故推测断层在齐心庄区段的走向为45°(图4)。综合以上分析,夏垫活动断层在齐心庄和东柳河屯区段的走向为45°。

图 4 夏垫活动断层研究区氡浓度等值线 Fig. 4Radon concentration contour lines around the Xiadian active fault stndy area
4.3 断裂规模和活动性分析

该隐伏的活动断裂已经通过多种综合探测和探槽开挖确定了其准确的位置和活动性质。因此,研究夏垫隐伏活动断层的土壤气氡特征就排除了许多不确定因素,也排除了资料解释的多样性。实践表明,断裂规模大,则氡异常点多且峰值高,反之,则氡异常点少,峰值低且容易出现单峰和双峰(李洪艺等,2011)。根据夏垫氡地球化学特征(图3和图4),齐心庄处的夏垫活动断层比东柳河屯处的断裂规模要大。研究表明,断裂活动性与氡气浓度密切相关,在区域背景大致相同的前提下,浓度高、梯度大、异常点多的断裂活动性强,反之则弱。另外,最高值除以背景值得到的结果为浓度比,浓度比越大,活动性越强(刘菁华,2006)。夏垫断裂在齐心庄段比东柳河屯的浓度峰值高400Bq/L以上,浓度比值也比东柳河屯要高,异常点也明显多于东柳河屯段,变化梯度也大,这些数据充分说明齐心庄段断层活动性要强于东柳河屯段。

5 结论

夏垫隐伏活动断层在土壤氡分布图上显示极为清晰,断层在齐心庄段显示出氡浓度的多峰异常表明此处断裂由多条隐伏断裂组成,剖面的6—51号点对应主断裂的范围;在东柳河屯段显示出的双峰异常表明此处为一条主断裂,剖面的26号点和36号点对应主断裂的范围。齐心庄剖面QX-1上1—37号点为断层上盘,QX-2上1—26号点为上盘,QX-3上1—27号点为上盘,各剖面其余点号为下盘。DL-1、DL-2和DL-3剖面均显示东柳河屯段从1—31号点处为断层上盘,其余点为断层下盘。根据研究区氡浓度等值线图,夏垫活动断层在齐心庄和东柳河屯区段的整体走向为45°。根据异常点多、峰值高的特点,推断齐心庄处的夏垫活动断层比东柳河屯处的断裂规模要大。齐心庄段氡浓度高、变化梯度大、异常点多,据此推断其活动性要强于东柳河屯段。故齐心庄段的夏垫活动断层应该是今后地震监测的重点地段。

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Geochemical Characteristics of Soil Radon in the Xiadian Active Fault
Lu Lina1), Li Jing1), Shen Jun1), Sheng Shuzhong1), Yang Ming1), Li Baojun1) and Gong Liwen2)
1) Institute of Disaster Prevention, Sanhe 065201, Hebei, China;
2) Earthquake Administration of Chongqing Municipality, China Earthquake Administration, Chongqing 401147, China
Abstract

The Xiadian active fault is one of the most important seismogenic faults in the capital area of China. Based on the detailed field survey on site in Qixinzhuang section and Dongliuhetun section we measured gaseous radon concentration in soil to reveal the soil radon geochemical anomaly in study area, and produced the radon concentration contour map. We analyzed the hanging wall and footwall, spatial position and strike of active fault, and discussed the scale and activity of fault zone in study area. After the comprehensive analysis, we concluded that Qixinzhuang segment of Xiadian fault should be paid more attention in the future because it has relatively high faulting activity in terms of soil radon concentration.



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