运用土壤氡测量评价大成都地区断裂带活动性(终稿).doc

成都理工大学核技术级自动化工程学院1运 用 土 壤 氡 测 量 评 价 大 成 都 地 区 断 裂带 活 动 性成都理工大学核技术及自动化工程自学院2009 年 5 月 15 日成都理工大学核技术级自动化工程学院2目录目录 ....................................................................................................................................................21. 当前土壤氡测量评价断裂带活动性及预测地震的发展现状 ...................................................32. 土壤氡测量评价断裂带活动性的理论基础 ...............................................................................32.1 氡气的产生及析出 .....................................................................................................32.2 土壤氡迁移的影响因素 .............................................................................................42.3 土壤氡测量评价活断层的理论基础 .........................................................................53. 土壤氡测量原理及 IED-3000R 土壤氡测量仪的技术指标 ......................................................63.1 土壤氡测量的基本原理 .............................................................................................63.2 IED-3000R 土壤氡测量仪的技术指标 ......................................................................74. 大成都地区断裂带剖面测量数据结果 .......................................................................................84.1 大成都地区的地质情况及主要断裂带 .....................................................................94.2 大成都地区活断层剖面土壤氡浓度测量结果及数据处理 ...................................105. 基于断裂剖面土壤氡测量数据的大成都区断裂（带）活动性评价 .....................................155.1 测量成果剖面解释分析 ............................................................................................155.2 大成都地区断裂（带）活动性评价 .......................................................................196. 结论 .............................................................................................................................................21参考文献 ..........................................................................................................................................22成都理工大学核技术级自动化工程学院31. 当前土壤氡测量评价断裂带活动性及预测地震的发展现状地球上绝大数地震都是构造地震。

关于构造断裂与地震的关系，鲍尼拉曾对全球 108次大地震资料进行统计研究，其中 91%的地震发生在原先存在的断层上，8% 属不清楚，只有一例发生在无断层区域 [1]地震与现有的断裂活动带有着紧密的联系， “5.12 汶川大地震”就发生在原先存在的断层上，与龙门山断裂带有着紧密的联系早在 1975 年，美国地质调查所开始对圣安德列斯断层和卡拉维拉斯断层的 60km 活动带的 20 个监测孔进行了地下氡气的监测，使用的是 α 径迹蚀刻法通过该方法对断层活动性进行了研究，并发现了土壤氡浓度与地震活动之间联系 [2]1978 年，日本伊豆大岛近海地震时，加藤完等人利用 α 径迹蚀刻法对稻取- 大峰山断层、浅间山断层都进行了调查 [2]，并用同样的方法调查了伊豆半岛和富士川地区的活断层我国也先后将此方法应用于地震监测、地震区划、地震烈度评估、探矿、资源开发等领域，并取得了较好的效果自 1991 年开始，土壤氡(Rn) 射气测量在胜利油田部分地区地震小区划、黄河三角洲地震地质特征研究等项目中得到应用，在确定断层位置、产状及活动性分析中都取得了较好的效果当前利用测量断层氡气释放强度、范围等的变化来寻找覆盖区断裂(带) 的空间分布位置及分析评价其相对活动性，已逐渐在国内外得到较广泛的应用。

2. 土壤氡测量评价断裂带活动性的理论基础2.1 氡气的产生及析出地壳中存在三个天然放射性系列：铀系、钍系、锕铀系，每个系列都有一个放射性气体氡的同位素存在，他们分别为 222Rn、 220Rn、 219Rn其中， 220Rn 和 219Rn 的半衰期很短，分别为 55.6 秒和 3.96 秒，所以氡的析出和迁移主要考虑 222Rn（半衰期为 3.825 天） 222Rn是铀系中 226Ra 的衰变子体，氡从土壤的析出过程包括自由氡的产生和氡的迁移两个阶段：第一阶段是同位素镭释放出 α 粒子而衰变成氡原子，由于核反冲作用，岩石或矿石晶格中氡原子可能进入连通的微裂隙中形成可迁移的自由氡；第二阶段是这些可迁移的氡原子在成都理工大学核技术级自动化工程学院4介质的孔隙、微裂隙和裂隙中通过扩散、对流等机制向土壤表面迁移，最终离开土壤表面进入周围空气当同位素镭衰变时，产生的氡原子与 α 粒子之间由于动量守恒使氡原子获得 86keV 的动能，在这个反冲动能的作用下，新衰变产生的氡原子将离开衰变前镭原子的位置而运动一段距离，这段距离称为反冲距离反冲的氡原子在运行它们获得的反冲距离后，可能进入微裂隙或毛细管而逃逸出矿物晶格，也可能被固定在晶格内，或穿过微裂隙重新进入附近的固体晶格而阻留，而受阻在晶格中的氡原子常温下仅靠分子热运动很难扩散出晶格，故可认为是不可迁移的。

所以固体中的镭衰变后，产生的氡原子并不全是可迁移的，进入到土壤孔隙中可迁移部分的氡被称为自由氡，是本次测量的对象自由氡在孔隙的迁移是一个复杂的过程，经典的氡气迁移理论模式有：扩散作用、对流作用一般认为，对流迁移方式主要在渗透率较高的土壤中进行，扩散则是低渗透性土壤中氡迁移的主要方式但也有研究表明，即使在相对较高渗透性的土壤中，扩散作用仍然在氡的迁移过程中扮演重要角色 [2]随着对氡气迁移方面研究的深入，一些学者提出了新的氡迁移理论模式，影响较大的有：抽吸作用、水的作用、伴生气体的压力作用、泵吸作用及地热作用1976 年，吴慧山在庐山核工业系统物化探会议上提出了用于解释氡迁移的“接力传递”作用该观点不再是孤立的讨论氡的迁移，认为氡迁移是几种迁移模式综合作用的结果 [4]2.2 土壤氡迁移的影响因素从地球化学的观点来看，氡元素迁移就是氡元素的转移再分配，氡元素在地壳中分散或几种的迁移是一个复杂的过程影响氡迁移的内在因素主要有：1）与原子有关的重力性质，如：机械分异、结晶分异、熔离作用；2）与原子核结构有关的放射性性质，如：放射性衰变、核反冲、能量释放和能量转化；3）与原子、电子排布有关的化合物的键性及能量的特点。

[1]除了上述关于元素原子本身特性的元素迁移内在因素，土壤中影响氡迁移的外在因素有以下几个方面：1）气象条件的影响，如：大气压力、温度、湿度和降水；2）地形的影响；3）地质构造及表层土壤结构对氡气分布的影响；4）矿化赋存深度和覆盖层渗透性对于氡迁移的经典迁移模式来说，氡在射气介质中的扩散运动是它最基本的运动形式扩散系数 D 在一定程度上反映了射气介质为氡的扩散迁移所提供条件的好坏，而实际研究成都理工大学核技术级自动化工程学院5中经常用到的是有效扩散系数 De，即氡在介质孔隙空间中的扩散系数，两者的换算关系为：D=η×De ，其中 η 为介质的总孔隙度土壤的有效扩散系数主要由土壤的含水饱和度和孔隙度决定对流速度对氡迁移有重要影响：其中空气压力是产生对流作用的原动力，气压、温度等的变化都会造成土壤内部孔隙间的压力差；土壤的渗透率对氡的对流速度有本质影响，很多研究表明，土壤的渗透率是决定土壤氡潜势的重要因素 [5][6]土壤渗透率是衡量土壤允许流体流过能力大小的物理量渗透率高流体容易流过，渗透率低则相反土壤渗透性与土壤粒径大小、土壤成分、孔隙度以及孔隙的大小、形状、连通情况密切相关综上所述，影响氡迁移的主要因素有氡原子的相关特性、温度和压力等气候条件、放射性元素的含量、地质构造、岩土结构。

在温度、压力和放射性衰变核素含量基本一致的某一测量区域范围内，岩土结构和地质构造等地质条件就成为影响地表土壤氡浓度的重要因素，这也就是氡测量评价断裂带活动强度的基础，具体理论描述参考下一节2.3 土壤氡测量评价活断层的理论基础放射性气体自由氡，受扩散和对流等作用的影响而发生运移由上一节的论述可知：对于主要的氡迁移理论模型，即扩散和对流作用，介质的孔隙度、粒径大小、孔隙的结构等介质结构条件对氡迁移的速度有较大的影响在基岩的破裂构造等岩石疏松或孔隙相对较多的地段，氡气能更迅速的地下深处运移到地表，所以在断裂破碎带的上方常常存在着氡(Rn)的异常保留在岩石中的氡气是受束缚的，不能参与扩散和对流等迁移作用，但在活动断裂带等岩石疏松或孔隙相对较多的地段，一方面由于其破碎带胶结程度差，有效孔隙度和渗透率高，成为放射性气体富集和运移的良好通道；另一方面，由于断层的新活动性，比如地震、滑坡等地质灾害，使束缚在断裂带两盘岩石孔隙中的放射性气体释放出来成为自由氡由于地震大多与断层活动有关，因此，通过对断层上氡浓度的长期观测可以对地震进行监测和预报由于上述两方面原因，在断层上部的土壤中会形成氡射气的富集带，土壤中氡浓度也相应会高于地区的氡浓度背景值。

此为当前利用断层氡气释放强度、范围、可以用来寻找覆盖区断裂(带)的空间分布位置及分析评价其相对活动性的理论基础成都理工大学核技术级自动化工程学院61979 年，加藤完通过对日本地震活断层的研究，提出了断层氡浓度峰位置与断层产状之间的位置关系模式断层氡浓度峰值位置与断层错动位基本一致，但由于断层上部覆盖的第四系沉积物的影响，断层氡浓度的峰值位置与地表断层错动位置并不完全一致，土壤氡浓度峰值位置偏向断层上盘方向断层氡浓度峰值异常位置与断层产状的关系可由图 1加以解释 [2]图 1 断层氡浓度峰值位置与断层产状关系模式图（加藤完等，1979）3.。