土壤氡气测量在调查矿山断裂中的应用

郭鹏文，王 飞

（天津华北地质勘查局核工业二四七大队，天津 301800）

氡通常的单质形态是氡气，是人类所接触到的唯一具有放射性的最重的惰性气体。由于氡是由铀最终衰变而成，而铀以一定的含量存在于自然界中的岩石、土壤和水体之中，所以在自然环境中氡无处不在。地层或矿山介质内部的238U通过衰变链产生222Rn。222Rn在介质内部积累并进一步衰变，同时在扩散、渗流机理作用下从介质表面析出[1]。地层是层状分布的，如果没有采空区或其他地质构造，其物理性质在沿层横向上是相对均一的。氡在地层或矿山介质中的运移机制主要有：扩散对流、孔隙流体运移、应力应变、温度压力、接力传递等作用。

1 地质概况

研究区位于太行断块沁水块坳的南端，区域地层总体走向为北西或近东西向，倾向北东，倾角一般小于10°，区域构造总体形态为单斜构造。

区域上地层分布自东向西由老至新，下川—前交庄一线南西出露长城系及寒武系地层，日华—次营镇—河北镇—北留镇一线以南出露奥陶系地层，测线向北依次出露石炭系、二叠系地层，三叠系地层出露于北部及城后腰断层与寺头断层北东段之间，第四系松散沉积物广泛分布。

2 仪器与测量方法

本次工作选择使用核工业北京地质研究院生产的FD216环境氡测量仪。该仪器以闪烁室法为基础，用气泵将含氡的气体吸入闪烁室，氡及其子体发射的α粒子使闪烁室内的ZnS(Ag)涂层发光，光电倍增管再把这种光讯号变成电脉冲。单位时间内的脉冲数与氡浓度成正比，从而确定空气中氡的浓度。在测量前进行仪器的稳定性、准确性、一致性检测，符合精度要求即可投入使用。

剖面布设在第四系发育，断层被覆盖的地段。剖面沿方位88°～168°布设，垂直断层的总体走向。测点间距10m。测量打孔（孔深0.7m～1.0m）立即插入取样器，并将取样器上部椎体周围土壤踏实，防止大气窜入孔中稀释氡浓度，影响测量效果。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，另一端接入仪器的进气孔，进行测量。仪器内置参数为：本底测量，充气时间：2min；测量时间：5min；排气时间：2min。当仪器充气结束后进入测量过程时及时拔掉进气孔胶皮管，使仪器在空气中完成排气过程。记录读数进行下一个点测量。

本次测量完成20条土壤氡气剖面测量，共计5.8km，656个测点。

3 数据处理及结果分析

对野外氡气测量原始数据通过数字填图进行剃值分别计算单条剖面氡浓度异常背景值，对数据进行数理统计分析，制作出数据对数分布直方图。通过对数特征统计直方图，可以看出数据偏向于对数正态分布。因此，采用对数正态分布进行数据处理和绘制图件。

3.1 土壤氡浓度变化特征

对本次测量的1线，2线，4线，7线，8线，17线所取得的数据进行分析（见表1），各剖面土壤氡浓度平均值及背景值差别较大，平均值在4581.96Bq/m³～13021.08Bq/m³之间，背景值在3576.40Bq/m³～11974.00Bq/m³之间。根据背景值的高低划分为高背景（大于等于9000Bq/m³）、中背景（大于等于5000Bq/m³小于9000Bq/m³）、低背景（小于5000Bq/m³）。背景值高低主要反映了剖面所通过地段的岩性、孔隙度、富水性等的差异。利于氡气运移的地段显示较高背景，反之则是较低背景。

表1 土壤氡浓度分布特征

各剖面土壤氡浓度的变化系数在0.31～1.03之间。本次测量发现次级断层的剖面，除4号，浓度变化系数均小于0.50。在有限地段内（剖面线测量范围），次级断层的发育，增加了氡浓度的高值点，显示出了较低的变化系数。

3.2 土壤异常划分标准

通过对氡气测量的数据进行计算分析，结合研究区地质特征，各剖面的土壤氡异常划分标准见表2。

表2 各剖面土壤氡气异常划分标准 单位：Bq/m3

3.3 土壤氡异常断层定位模式

断裂构造对土壤氡气测量的影响，特别是在现今仍处于活动期的断裂中，由于其岩石破裂，使岩石或地层由原来的封闭状态变成开放或半开放状态，使断层部位成为氡气和其他气体聚集和向上迁移的良好通道，导致断层上土壤氡气富集。松散土层的覆盖厚度对土壤氡气含量及异常形态有较大影响，当覆盖层厚度不大时,峰值突出,异常明显；当厚度增大时则异常变得低缓,宽度加大。

一般将异常形态和断层产状的对应关系分为三类，一是倾角很小的断层，见有与断层相交的裂隙出现，土壤氡气常为高低不等的多峰形态；二是倾角较大的断层，土壤氡气的总体形态为不对称的单峰，在断层倾向的方向一侧比另一侧升降缓慢；三是直立断层，土壤氡气基本为对称的单峰[2]。当然这三种类型之间还有好多过渡型。出现断层相交、错切等情形，异常的识别与断层确定就更为复杂，存在“高中选高”、“高中选低”等原则.下面就剖面7线、8线进行结果分析，见图1。

图1 7线、8线氡浓度剖面图

3.3.1 剖面D7

剖面D7测线方位171°，完成探测点33个。氡浓度介于3387.5Bq/m³～22265.0Bq/m³之间，背景值为11322.05Bq/m³，最大异常峰值为22265.0Bq/m³，高出背景值2.0倍左右。在测点240～300出现高值异常，剖面形态为相对连续的多峰，异常段也相对连续，根据氡气测量数据及背景值，在该异常段推测出断层，编号F1，根据剖面形态变化，异常往大号点方向变化缓慢，确定断层倾向北西。

3.3.2 剖面8

剖面D8测线方位175°，完成探测点31个。氡浓度介于2612.9Bq/m³～27726.9Bq/m³之间，背景值为8019.485Bq/m³，最大异常峰值为27726.9Bq/m³，高出背景值3.45倍左右。在测点230～280出现高值异常，剖面形态整体为连续的多峰，异常段较为连续，根据氡气测量数据及背景值，在该异常段推测出断层,编号F1,根据剖面变化形态，异常往大号点方向变化缓慢，确定断层倾向北西，在测点50出现最高值异常，为单点异常。

4 结论

（1）通过取得的土壤氡的测量数据，经处理分析后得到了研究区断裂构造及其上、下盘的土壤氡分布特征。

（2）总结建立了研究区断裂构造识别的土壤氡异常标志，并确定了寺断层在第四系覆盖区的具体分布位置。验证了土壤氡测量探测断层的有效性。

（3）氡气浓度与断层的发育位置具有相关性，可以在效地确定隐伏断裂构造的位置及倾向。但氡气测量研究对断层有一定的局限性，难以确定断层的倾角。如果要准确的查明断层的所有产状要素，建议考虑结合其他物探方法进行调查研究。