Numerical Simulation of Radon Concentration in Soil of Hehuan Road in Tan Lu Fault Suqian Segment
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摘要: 沿郯庐断裂带宿迁段合欢路布设土壤氡测线并对测得的数据进行分析研究，结果表明研究区域内土壤氡探测结果对断裂带位置、断层类型和特征有较好的指示性。在已知场地地质构造参数、地层岩性特征的基础上，建立土壤氡迁移模型。建立模型时识别了断裂类型和覆盖层分层特征，并讨论了断层内部结构与氡浓度取值，使模型与实际情况相等。数值模拟结果印证了土壤氡异常峰区间在圈定断裂位置和断层破碎带中的重要作用，揭示了氡在不同覆盖层中的迁移速度，并定量解释了合欢路场地断层土壤氡异常的成因。Abstract: Based on the known geological structural parameters and stratigraphic lithology characteristics of the HeHuan road in the Suqian section of the Tan Lu fault, a model of soil radon migration is established. The type of fracture and the layered characteristics of overburden are identified during the model establishment, and we discussed the internal structure of the fault and the radon concentration.This makes the model more consistent with the actual situation.The calculated numerical simulation results are very close to the measured radon curve in soil. The result quantitatively explains the main causes of anomalies in soil radon measurement. It’s confirmed that the abnormal form of soil radon is mainly determined by geological structure, the abnormal values are related to the concentration of cross section and the characteristics of overburden rock formation, the migration velocity of radon in different overburden is different, the range of abnormal soil radon peak can indicate the position of breakpoint and the range of relative fracture.
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Key words:
- Soil radon /
- Radon migration /
- TanLu fault /
- Active fault /
- Numerical simulation
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引言
氡气是地壳内部的天然放射性惰性气体，具有较强的迁移能力，从地球深部迁移到地表，可作为揭示地下信息的指示元素（Wakita等，1980；Baubron等，2002）。土壤氡探测结合了地球物理与地球化学方法，在活断层探测、地震前兆与地震预测等领域已取得一些研究成果。在活断层探测方面，主要利用土壤氡浓度特征评价断层活动性，研究断层位置和断层特征等（King等，1996；邵永新等，2007；Lombardi等，2010；周晓成等，2011；张慧等，2013；王江等，2017；戴波等，2020）。在探索地震前兆与地震预测方面，断层气观测是有效手段，地球内部断层气迁移速度明显快于液体，对地震前兆响应更加灵敏（汪成民等，1991；杜建国等，1998；刘耀炜；2009；Walia等，2013；Janik等，2016）。近年来，众多学者相继对断层气观测台网、台阵方向展开了研究（车用太等，2015；周慧玲等，2018；柯云龙等，2018）。
土壤氡迁移数值模拟方法是对断层土壤氡实测资料开展定量解释和研究的高效、客观途径。Abdoh等（1989）首次建立了活断层上覆盖层内氡迁移的物理模型，并推导出活断层上覆盖层内氡浓度异常分布结果；Ho（2008）描述了氡在两相介质中的迁移衰减模型和规律；Yakovlev等（2010）推导出地下多层介质中氡迁移的传输方程。除主断裂外，覆盖层内次级断裂和裂隙都是氡及母体向上迁移的通道，设置相应的数值模拟边界条件，计算得到多氡源在覆盖层内分布的解释（刘菁华，2006）。对于断层上非均匀覆盖层建模，可以由若干均质各向同性的土壤层组成，通过给定不同土壤层的有效扩散系数和对流速率，计算氡浓度分布（伍剑波等，2014）。土壤氡受温度和压强等因素的影响，对流速度具有一定周期性变化规律，可以得到随着时间和深度变化的非稳定条件下氡浓度数学表达式（葛良全等，2012）。通过评价对流速度影响因素，建立多向对流模型，完善土壤氡迁移的数值模拟（刘洪涛，2018）。近年来，国内外学者对影响土壤氡迁移机制中各因素进行了深入研究，使数值模拟结构准确性不断提高。但在土壤氡数值模拟识别断层内部结构方面尚未进行深入研究，且对野外测量中断层土壤氡异常定量解释的实例较少。
本文在郯庐断裂宿迁段合欢路场地准确的地层岩性特征、断裂参数资料基础上，建立土壤氡迁移模型，计算得到氡浓度分布定量结果，并对研究区内氡浓度异常形态特征与地质构造的关系进行分析，探讨土壤氡异常的成因。
1. 活断层上土壤氡分布模型计算及形成机理
氡及其母体氡、铀、镭元素存在于地壳中，经过长距离迁移，从深部迁移到地表，活断层是构成地表氡异常的有利天然条件，氡在活断层上覆盖层内进行短距离迁移，形成不同分布状态，并在地表构成不同形态的浓度异常（Giammanco等，1998）。
Abdoh等（1989）根据扩散-对流经典土壤氡迁移理论，在假设介质是均匀、各向同性的，土壤不具有放射性，处于稳定平衡状态的条件下，提出了断层上覆盖层内氡迁移基本模型，如图1所示。建立二维直角坐标系，取覆盖层宽度x=a，厚度y=b的有限区域，设断裂带宽度为W，断面氡浓度为N0，断层两侧氡浓度分别为N1、N2，推导出覆盖层中氡的二维浓度方程为：
$$\frac{{{\partial ^2}N}}{{\partial {x^2}}} + \frac{{{\partial ^2}N}}{{\partial {y^2}}} - \frac{v}{{{D^*}}}\frac{{\partial N}}{{\partial y}} = \frac{\lambda }{{{D^*}}}N$$ (1) 式中，v为对流速率；λ为氡衰变系数；氡浓度N=N(x,y)；D*为有效扩散系数，D*=D/e，D为扩散系数，e为覆盖层介质孔隙度，相应的边界条件为：
$$ \left\{ \begin{array}{l} N(0,y) = N(a,y) = 0 \\ \dfrac{{\partial N(x,y)}}{{\partial y}}\left| \begin{array}{l} \\ y = b \end{array} \right. + hN(x,b) = 0 \\ N(x,0) = f(x) \end{array} \right. $$ (2) 式中，h为氡从土壤向空气迁移的散失因子。覆盖层中氡迁移的各参数取值范围如表1所示（吴慧山，1995；Iakovleva等，2003）。
表 1 覆盖层中氡迁移相关参数Table 1. Parameters related to radon migration in overburden土壤性质 孔隙度e/% 扩散系数D/10−2 cm2·s−1 有效扩散系数D*/cm2·s−1 对流速度V/10−4 cm·s−1 砂 40.0 4.50～7.00 0.110～0.175 8.0 疏松沉积物 20.0 2.00～2.50 0.100～0.125 6.8 白黏土 59.3 1.53 0.023 4.0 砂质黏土 10.8 1.09 0.100 4.2 2. 断层土壤氡测线布设及测量
郯庐断裂带在中国境内北起黑龙江萝北，南至湖北武穴，全长约2400 km，该断裂带经历了多期构造活动，是东亚大陆上北东向巨型断裂带。郯庐断裂鲁苏沂沭段由5条主干断层（F1～F5）组成，形成了“两堑夹一垒”的构造格架，是岩石圈尺度的深大断裂带和构造薄弱带（晁洪太等，1994；刘保金等，2015）。郯庐断裂宿迁段F5断裂（图2）在江苏省宿迁市境内，北起新沂河南岸，南至宿迁埠子镇，沿晓店镇、宿迁市区、三棵树乡一带分布，长度约35 km。已有研究结果表明，郯庐断裂宿迁段F5断裂大体呈NNE向羽状排列，主要是由相向而倾、近直立发育的东西2条主干断裂F5-1和F5-2组成，形成的断裂宽度为100～1000 m，且北部较窄，南部较宽。东支断裂F5-1以西倾为主，西支断裂F5-2以东倾为主，既有逆冲又有正断，整体以右旋走滑运动为主（许汉刚等，2016）。
图 2 郯庐断裂带宿迁段地质构造图Figure 2. Geological structure map of the Tanlu fault Suqian segment本研究断层土壤氡测线 SG 位于宿迁市三台山森林公园以南，合欢路北侧，地势平坦、土壤干燥。测线布设垂直于断层走向，总长度720 m，跨郯庐断裂宿迁段F5断裂，同时与土壤氡同场地进行了土壤CO2探测（图3）。土壤氡测量采用FD216型测氡仪，主要技术指标为：探测灵敏度≥0.68 cpm/(Bq∙m−3)，本底计数率≤0.3 cpm，土壤氡测量范围为300～300000 Bq∙m−3。仪器抽取气体流速为1.2 L/min，一次测量周期为11 min，采用锥形气体采样器，土壤氡采集深度80 cm，测线上每个点位进行3次平行测定，并取平均值。测线总长720 m，测量间隔为5 m，高值区测量间隔为1 m。土壤CO2探测采用GXH-3010E1型红外线CO2探测仪，主要技术指标为：测量范围0～0.500%，分辨率0.001%，重复性≤1%满刻度。土壤氡探测时间为2018年9月，每日8:00—18:00进行测量，历时3 d完成，探测期间天气晴朗，平均气温24 ℃，平均相对湿度41%。
土壤氡、CO2测量结果如图4所示，测线存在2个明显的异常区间。异常区间与F5断裂2条主干断裂F5-1、F5-2有较好的位置对应关系。为便于数据分析，以1770号CDP（共发射点道集）点为界，将土壤氡测线SG分为东西测线SG1、SG2。土壤氡测线探测结果数据分析与同场地浅层人工地震探测结果如表2所示。
图 4 合欢路测线土壤氡浓度、CO2浓度Figure 4. Soil radon and carbon dioxide survey line of Hehuan road表 2 土壤氡测线探测结果与浅层人工地震探测结果Table 2. Detection results of soil radon line and shallow seismic土壤氡测线
分段名称测线长度
/m最大值
/kBq·m−3最小值
/kBq·m−3平均值
/kBq·m−3异常下限
/kBq·m−3异常
形态异常峰区
间间距/m异常区间
/m浅层人工
地震测线分支断裂
编号断点位置
/m断错
性质倾向
倾角/°上断点
埋深/mSG1 360 1.09 1.09 9.40 23.46 单峰 － 1490～1545 S F5-2 1508 正断 E70 6 SG2 360 0.99 0.99 4.11 7.77 双峰 23 1970～2022 S F5-1 1988 正断 W65 18 土壤气体浓度除受地质构造活动、地壳特征和地震活动影响外，还受温度、湿度、气压、风速等气象因素的影响，在决定活动断裂土壤气体浓度值的因素中，环境条件是次要的（Toutain等，1999；周晓成等，2011）。在郯庐断裂带合欢路土壤氡探测期间环境条件相对稳定，土壤氡异常原因主要与地质构造活动、地壳特征和地震活动等因素有关。从探测结果可以看出，断裂F5-1和F5-2断点位置均在土壤氡浓度异常区间内，郯庐断裂带宿迁段合欢路土壤氡探测对活断层有较好的效果，能够有效展示活断层的位置。
3. 活断层上覆盖层中氡迁移的数值模拟
对于合欢路场地宿迁市活动断层探测与地震危险性评价项目通过钻孔联合剖面探测获得了郯庐断裂带宿迁段F5断裂合欢路场地的地质构造、地层岩性特征等参数，为本文进行氡迁移的数值模拟提供了可靠的数据支撑，在浅层人工地震勘探的基础上，开展了钻孔联合剖面探测，分布在浅层地震测线SS控制的东西两端，东西两端钻孔联合剖面各施工6个孔（图3），探明了西支F5-2断裂和东支F5-1断裂的2个分支F5-11、F5-12，断点上覆盖层岩性特征如表3所示，根据不同地层的岩性特征，对流速度和有效扩散系数取值参考表1中的试验数据。
表 3 断点上覆盖层参数Table 3. Overburden parameters on fault point断点 断点上覆盖层参数 覆盖层 深度/m 厚度/m 描述 对流速度/cm·s−1 有效扩散系数/cm2·s−1 断裂F5～2断点 1 0～4 4 灰黑、灰黄色黏土，质软 4.5 0.06 2 4～10 6 黄棕、青灰色条纹砂质黏土，含有锰结核和姜结石 6.0 0.11 3 10～24 14 黄棕、青灰色黏土 4.0 0.05 4 24～32 8 黄棕、灰黄色砂质黏土 5.0 0.08 断裂F5-1断点 1 0～2.0 2 灰黑色，黑色黏土，质软 4.5 0.06 2 2.0～3.8 1.8 棕红色，局部有灰色粗砂质黏土，含有钙质结核 6.0 0.11 3 3.8～4.5 0.7 青灰色粉砂质黏土，质软 5.0 0.08 4 4.5～5.8 1.3 棕色、褐棕色黏土，含有铁锰结核 4.0 0.04 由浅层人工地震和钻孔联合剖面探测结果可知，合欢路场地地质构造和覆盖层岩组特征相对复杂，氡迁移的基本模型不能准确解释氡异常现象。为得到更准确的数值模拟结果，建立模型时，一方面要识别地质构造中的次级断裂、裂隙（刘菁华，2006；伍剑波等，2014），另一方面要考虑覆盖层的非均值性（Yakovlev等，2010；Zhang等，2014）。此外，活断层的内部结构也是建模需要关注的重要方面。在应力释放作用下，断层末端受到较小的应力，岩石未完全破碎，仅发生局部破裂，保留了母岩基本特征，而靠近断点的断层破碎带在形成过程中消耗了断层发育释放的大部分能量，破碎程度高（付晓飞等，2005）。由此可见，断层内部靠近断点的破碎带孔隙度较大，是氡迁移的主要通道，在对断层内部建模时，应对断裂破碎带进行识别。断点附近构造应力和断层活动性强度达到最大时，派生裂缝的宽度随着距断点的距离的缩短而增大，氡在此通道中迁移越快，土壤氡异常峰是断裂相对破碎区间在地面的直接反映。模型建立时，可用土壤氡异常峰宽度对应断层内部相对破碎区域，通过二次函数来描述断层内部破碎带氡浓度。本文根据浅层人工地震和联合钻孔结果，识别出合欢路场地断裂、覆盖层分层特性和断层内部结构，完成对合欢路场地土壤氡迁移建模（图5）。
针对合欢路场地西支F5-2断层土壤氡迁移模型，给定边界条件及参数：
$$ \left\{ \begin{array}{l} N(0,y) = N(a,y) = 0\\ \dfrac{{\partial N(x,y)}}{{\partial y}}\bigg| \begin{array}{l} \\ y = b \end{array} + hN(x,b) = 0\\ N(x,0) = f(x)\left\{ \begin{array}{l} {N_1} - \alpha {\left(x - \dfrac{W}{2}\right)^2} ,\;\;\;\; {{\rm{F}}_{5 - 2}}{\text{断裂带}}\\ {N_2}={N_3},\qquad\qquad{\text{其他}} \end{array} \right.\\ {N_1} - \alpha {\left(x - \dfrac{W}{2}\right)^2} = {N_2} \end{array} \right.$$ (3) 式中，N1为断点处氡浓度值；W为断裂带宽度，取值为氡浓度异常峰的宽度；N2、N3为断层两侧地层上氡浓度值；f(x)为断裂带氡浓度函数。给定参数值a=180 m，b=5.8 m，W＝79 m，N1＝2.4×105 Bq/m3，N2=N3＝2×104 Bq/m3，h=0.01 cm/s。根据以上数据，得到该模型的数值模拟结果，如图6（a）所示。图6（b）为F5-2断裂上方地表下0.8 m处的氡浓度数值模拟曲线，其结果与土壤氡实测曲线较吻合。
图 6 F5-2断层土壤氡迁移数值模拟Figure 6. Numerical simulation of soil radon migration in fault F5-2针对合欢路场地西支F5-1断层土壤氡迁移模型，给定边界条件及参数：
$$\left\{ \begin{array}{l} N(0,y) = N(a,y) = 0\\ \dfrac{{\partial N(x,y)}}{{\partial y}}\left| \begin{array}{l} \\ y = b \end{array} \right. + hN(x,b) = 0\\ N(x,0) = f(x)\left\{ \begin{array}{l} {N_1} - \alpha {\left(x - \dfrac{{{W_1}}}{2}\right)^2},\;\;\;{{\rm{F}}_{5 {\text{-}} 11}}{\text{断裂带}}\\ {N_2} - \beta {\left(x - \dfrac{{{W_2}}}{2}\right)^2},\;\;\;{{\rm{F}}_{5 {\text{-}} 12}}{\text{断裂带}}\\ N3,N4,\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\text{其他}} \end{array} \right.\\ {N_1} - \alpha {\left(x - \dfrac{W}{2}\right)^2} = {N_3}\\ {N_1} - \beta {\left(x - \dfrac{W}{2}\right)^2} = {N_4} \end{array} \right.$$ (4) 式中，N 1为F5-11断点处氡浓度值，W 1为F5-11断点处断裂带宽度；N 2为F5-12断点处氡浓度值，W 2为F5-12断点处断裂带宽度。W1和W2取值分别为2个氡浓度异常峰的宽度；f(x)为断裂带氡浓度函数。给定的参数值a=110 m，b=32 m，W1＝16 m，N1＝4.3×105 Bq/m3，W2＝35 m，N2＝3.6×105 Bq/m3，N3＝1×105 Bq/m3，N4＝5×104 Bq/m3，h=0.01 cm/s。根据以上数据，得到该模型数值模拟结果，如图7（a）所示。图7（b）为F5-1断裂上方地表下0.8 m处的氡浓度数值模拟曲线，其结果与土壤氡实测曲线较吻合。
图 7 F5-1断层土壤氡迁移数值模拟Figure 7. Numerical simulation of soil radon migration in fault F5-1土壤氡迁移的数值模拟结果给出了断点上覆盖层内的氡浓度二维分布。合欢路场地F5-2断层地质构造主要包含1个断裂，数值模拟的结果为单峰异常，F5-1断层的地质构造主要包含1个主断裂和1个次级断裂，数值模拟结果为双峰异常；断裂宽度决定了异常峰宽度，异常峰值由覆盖层岩组特征和断面氡浓度共同决定；氡在不同类型覆盖层中迁移速度不同，以图5（a）为例，垂直方向上覆盖层中氡浓度变化梯度呈分段特征，覆盖层3（最致密）中氡迁移速度最慢，覆盖层2（最疏松）中氡迁移速度最快。
4. 结论
郯庐断裂带作为1个岩石圈尺度的深大断裂和构造薄弱带，是氡及其母体向上迁移的有利通道，本研究的郯庐断裂带宿迁段合欢路场地是郯庐断裂土壤氡响应“灵敏点”，土壤氡释放强度较强。土壤氡浓度异常特征不仅与断层自身释放的特性有关，还与断层类型、覆盖层的分层特征等因素有关：氡沿断裂向上迁移，浓度不断减小，呈衰减趋势；双峰或多峰的形态异常，多与存在次断裂相关；异常峰值由断面氡浓度和覆盖层类型等因素决定；异常峰宽度与破碎带宽度有关；不同类型覆盖层中氡气分布不同，在致密的覆盖层中氡的对流速度慢，有效扩散系数较小，对流和扩散作用较弱，浓度梯度变化较大；在疏松的覆盖层中氡的对流速度快，有效扩散系数较大，对流和扩散作用相对较强，浓度梯度变化较小。
本文根据土壤氡迁移理论，利用数值模拟方法分析了郯庐断裂带宿迁段合欢路场地2种典型土壤氡浓度异常，并给出合欢路场地覆盖层中土壤氡浓度二维模拟结果，与实测情况相近，证明了理论模型可行性。开展氡迁移数值模拟研究，可以定量解释断层类型、覆盖层其分层特征与土壤氡浓度异常的关系，判断断层断点的位置，给出断层相对破碎的区间，为断层土壤氡实测资料的解释提供客观依据。
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图 2 郯庐断裂带宿迁段地质构造图
Figure 2. Geological structure map of the Tanlu fault Suqian segment
图 4 合欢路测线土壤氡浓度、CO2浓度
Figure 4. Soil radon and carbon dioxide survey line of Hehuan road
图 6 F5-2断层土壤氡迁移数值模拟
Figure 6. Numerical simulation of soil radon migration in fault F5-2
图 7 F5-1断层土壤氡迁移数值模拟
Figure 7. Numerical simulation of soil radon migration in fault F5-1
表 1 覆盖层中氡迁移相关参数
Table 1. Parameters related to radon migration in overburden
土壤性质 孔隙度e/% 扩散系数D/10−2 cm2·s−1 有效扩散系数D*/cm2·s−1 对流速度V/10−4 cm·s−1 砂 40.0 4.50～7.00 0.110～0.175 8.0 疏松沉积物 20.0 2.00～2.50 0.100～0.125 6.8 白黏土 59.3 1.53 0.023 4.0 砂质黏土 10.8 1.09 0.100 4.2 
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表 2 土壤氡测线探测结果与浅层人工地震探测结果
Table 2. Detection results of soil radon line and shallow seismic
土壤氡测线
分段名称测线长度
/m最大值
/kBq·m−3最小值
/kBq·m−3平均值
/kBq·m−3异常下限
/kBq·m−3异常
形态异常峰区
间间距/m异常区间
/m浅层人工
地震测线分支断裂
编号断点位置
/m断错
性质倾向
倾角/°上断点
埋深/mSG1 360 1.09 1.09 9.40 23.46 单峰 － 1490～1545 S F5-2 1508 正断 E70 6 SG2 360 0.99 0.99 4.11 7.77 双峰 23 1970～2022 S F5-1 1988 正断 W65 18
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表 3 断点上覆盖层参数
Table 3. Overburden parameters on fault point
断点 断点上覆盖层参数 覆盖层 深度/m 厚度/m 描述 对流速度/cm·s−1 有效扩散系数/cm2·s−1 断裂F5～2断点 1 0～4 4 灰黑、灰黄色黏土，质软 4.5 0.06 2 4～10 6 黄棕、青灰色条纹砂质黏土，含有锰结核和姜结石 6.0 0.11 3 10～24 14 黄棕、青灰色黏土 4.0 0.05 4 24～32 8 黄棕、灰黄色砂质黏土 5.0 0.08 断裂F5-1断点 1 0～2.0 2 灰黑色，黑色黏土，质软 4.5 0.06 2 2.0～3.8 1.8 棕红色，局部有灰色粗砂质黏土，含有钙质结核 6.0 0.11 3 3.8～4.5 0.7 青灰色粉砂质黏土，质软 5.0 0.08 4 4.5～5.8 1.3 棕色、褐棕色黏土，含有铁锰结核 4.0 0.04
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