白新飛，張軍，王濤，宋亮，宋津宇，于超，趙明楊，王振國

(山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局富鐵礦找礦與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100)

0 引言

土壤氡氣測(cè)量主要應(yīng)用于探測(cè)斷層的位置、產(chǎn)狀、性質(zhì)、活動(dòng)性并應(yīng)用于地震監(jiān)測(cè)預(yù)警[1]，近些年氡氣測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用到地下水與地?zé)豳Y源勘查[2-4]、鈾礦勘查[5-6]、地下煤礦自燃區(qū)探查[7-8]、采空區(qū)勘察[9]等方面。

土壤氡氣測(cè)量有快捷、直接、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)，亦有無法準(zhǔn)確判斷斷層產(chǎn)狀及深部延伸變化特征且易受各種因素干擾的劣勢(shì)，需要另外的勘查方法與其相輔相成，便捷、高效、準(zhǔn)確的解釋斷裂構(gòu)造產(chǎn)狀及變化特征。本文采用土壤氡氣測(cè)量與CSAMT法對(duì)銅冶店-孫祖斷裂雪野段進(jìn)行勘查研究，探討2種方法聯(lián)合使用的有效性。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 地層

區(qū)域地層由老至新依次為：寒武紀(jì)長(zhǎng)清群朱砂洞組、饅頭組，寒武-奧陶紀(jì)九龍群張夏組、崮山組、炒米店組、三山子組，第四紀(jì)大站組、臨沂組、沂河組(圖1)。

1.2 巖漿巖

區(qū)域內(nèi)侵入巖極其發(fā)育，占全區(qū)基巖面積的75%以上，新太古代傲徠山序列松山單元、邱子峪單元及蔣峪單元為主，呈巖基狀產(chǎn)出，巖性為二長(zhǎng)花崗巖(圖1)。

1.3 銅冶店-孫祖斷裂特征

銅冶店-孫祖斷裂北起垛莊，南至沂南孫祖，斷裂總長(zhǎng)度大于100km，寬約100～200m，走向320°，傾向SW，斷裂面產(chǎn)狀230°∠80°。受沂沭斷裂帶左行伸展運(yùn)動(dòng)影響該斷裂構(gòu)造具有典型的左行壓扭特征，為活動(dòng)斷裂[10-12]。

1.4 雪野段特征

銅冶店-孫祖斷裂雪野段從雪野水庫西南穿過，區(qū)內(nèi)長(zhǎng)度約30km，總體走向310°，西北部產(chǎn)狀近直立，東南部?jī)A向SW，傾角70°～80°，斷裂帶性質(zhì)為正斷層。斷裂帶在雪野段切割新太古代傲徠山序列松山單元的中粒二長(zhǎng)花崗巖、蔣峪單元條帶狀中粒黑云二長(zhǎng)花崗巖，斷層構(gòu)造帶寬度一般為幾十米，最寬處可達(dá)200m，斷裂帶內(nèi)強(qiáng)烈硅化、褐鐵礦化。

構(gòu)造運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為先張后壓扭特征：在萊蕪轎馬人夫山一帶斷裂露頭硅化帶中有大量圍巖角礫，棱角狀，成分較雜亂，具有一定的褐鐵礦化，顯示硅質(zhì)熱液沿張性結(jié)構(gòu)面滲透并膠結(jié)了早期角礫，后期硅化帶受壓扭作用破碎。

2 工作方法

本次研究采取土壤氡氣測(cè)量、CSAMT測(cè)量2種方法對(duì)銅冶店-孫祖斷裂進(jìn)行勘查，并在氡異常帶取水樣測(cè)氡進(jìn)行驗(yàn)證(圖1)。

1—沂河組；2—臨沂組；3—大站組；4—三山子組；5—炒米店組；6—崮山組；7—張夏組；8—饅頭組；9—朱砂洞組；10—調(diào)軍頂單元細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖；11—松山單元中粒二長(zhǎng)花崗巖；12—邱子峪單元細(xì)粒含黑云二長(zhǎng)花崗巖；13—蔣峪單元中粒黑云二長(zhǎng)花崗巖；14—實(shí)測(cè)斷裂及傾角；15—推測(cè)斷裂；16—土壤氡氣測(cè)量剖面及編號(hào)；17—CSAMT測(cè)量剖面；18—水樣點(diǎn)及編號(hào)圖1 雪野地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖

2.1 土壤氡氣測(cè)量

斷裂及伴生裂隙帶是地下深部與淺部的溝通通道，同時(shí)是地下水富集地帶。氡顯著溶于水，在斷裂及伴生裂隙帶富集并向上遷移至地表并形成氡異常帶，土壤氡氣測(cè)量可以快速測(cè)量并確定氡異常帶從而推斷斷裂構(gòu)造位置及大致產(chǎn)狀等。

2.1.1 測(cè)量設(shè)備與工作流程

本次土壤氡氣測(cè)試儀器采用北京核工業(yè)地質(zhì)研究院北京核地科技發(fā)展有限公司研發(fā)的FD-216環(huán)境氡測(cè)量?jī)x，采用瞬時(shí)法測(cè)量，工作流程如下;

(1)將直徑2cm，長(zhǎng)80cm的鋼釬，在土壤中打入約70cm深的孔。

(2)將鋼釬拔出，迅速將取樣器插入孔中，并將取樣器頂端地表部分用土密封壓實(shí)，以防止抽氣時(shí)空氣進(jìn)入孔中。

(3)用軟橡膠皮管將儀器與取樣器連接時(shí)：一端接取樣氣的氣體出口處，另一端接入附件干燥管及儀器的進(jìn)氣孔。

(4)進(jìn)行土壤氡測(cè)量：本底測(cè)量(2min)→充氣(2min)→測(cè)量(5min)→排氣(2min)，測(cè)量結(jié)束后自動(dòng)顯示結(jié)果。

2.1.2 測(cè)線布置

本次研究共布置3條土壤氡氣測(cè)量剖面，分別位于小樓村西南、北江水村東北、谷堆山村西北，點(diǎn)距20m(圖1)。

2.1.3 測(cè)量數(shù)據(jù)處理

研究區(qū)第四系、花崗巖類風(fēng)化層厚度分布不均，不宜將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理，本次研究分別對(duì)每條測(cè)線測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并計(jì)算其背景值與閾值。

表1 土壤氡測(cè)量剖面線數(shù)據(jù)處理結(jié)果

2.2 CSAMT測(cè)量

斷裂構(gòu)造破壞了巖體的連續(xù)性，裂隙多被水或其他物質(zhì)充填，使巖體電磁場(chǎng)連續(xù)穩(wěn)定性被破壞，引起電位場(chǎng)產(chǎn)生畸變。斷裂構(gòu)造隨著裂隙帶的發(fā)育程度、填充物組分含水率等因素的不同，電阻率反映有明顯差異，在CSAMT反演的電阻率斷面圖上表現(xiàn)為電阻率等值線扭曲、錯(cuò)動(dòng)、突變、出現(xiàn)“V”字形或“U”字形低阻凹陷等特征。

2.2.1 測(cè)量設(shè)備與工作流程

本次CSAMT采用的勘查儀器設(shè)備為美國(ZONGE)公司研究生成的GDP-32Ⅱ多功能電法工作站及其配套設(shè)備。測(cè)量采用赤道(旁側(cè))裝置，通過有限長(zhǎng)接地導(dǎo)線電流源向地下發(fā)送不同頻率的交變電流，在地面一定范圍內(nèi)測(cè)量正交的電磁場(chǎng)分量，計(jì)算卡尼亞電阻率及阻抗相位，達(dá)到探測(cè)不同埋深地質(zhì)目標(biāo)體的一種頻率域電磁探測(cè)方法。

2.2.2 測(cè)線布置與主要工作參數(shù)

CSAMT測(cè)線與土壤氡測(cè)線布置基本一致，以達(dá)到相互印證與補(bǔ)充解釋目的。本次CSAMT測(cè)量工作發(fā)射源總體上長(zhǎng)度在1.0～1.5km，發(fā)射電流在6.0～20A之間，采樣頻率為0.125～8192Hz。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理

采用SCS2D可控源反演軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除異常點(diǎn)、降噪、靜校正、地形矯正和反演等，最終形成電阻率剖面圖。

2.3 水氡測(cè)量

本次水樣在土壤氡氣測(cè)量推斷的氡氣異常帶附近尋找水井取水，每個(gè)取樣點(diǎn)均先進(jìn)行地下水抽汲10min后按技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)采取地下水樣品并在24h內(nèi)送國土資源部濟(jì)南礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心(山東省地質(zhì)科學(xué)研究院)進(jìn)行氡測(cè)試。

3 綜合推斷解釋

3.1 PM01線異常分析

PM01線位于侵入巖發(fā)育區(qū)，巖性為新太古代晚期傲徠山序列松山單元中粒二長(zhǎng)花崗巖，第四系厚度<6m，背景值與閾值高于另外2條測(cè)線，土壤氡測(cè)量超出閾值的異常4處(圖2)：

(1)1-2點(diǎn)極值為106037.5Bq/m3，為背景值的3.30倍，與CSAMT反演剖面推測(cè)斷層相吻合，推測(cè)為銅冶店-孫祖斷裂次級(jí)斷裂。

(2)1-11～1-23點(diǎn)總體呈鋸齒狀多峰形態(tài)，1-20點(diǎn)極值為93756.4Bq/m3，為背景值的2.92倍；CSAMT反演剖面在該范圍呈現(xiàn)明顯的近垂直低阻異常帶，綜合可判斷該處發(fā)育一條近垂直、寬度大、與深部連通性好的斷裂，與銅冶店-孫祖斷裂特征基本吻合。

(3)1-34點(diǎn)極值為83186.5Bq/m3，為背景值的2.59倍，呈單峰形態(tài)，CSAMT反演剖面呈明顯的電阻率等值線垂直扭曲，深部形成明顯低阻區(qū)，推測(cè)為銅冶店-孫祖斷裂次級(jí)斷裂。

(4)1-44～1-46點(diǎn)形成雙峰形態(tài)，1-46點(diǎn)極值為77893.7Bq/m3，為背景值的2.42倍，CSAMT反演剖面呈明顯的電阻率等值線垂直扭曲，深部形成明顯低阻區(qū)，推測(cè)為銅冶店-孫祖次級(jí)斷裂形成。

綜上所述，銅冶店-孫祖斷裂在該區(qū)域形成一系列近平行的次級(jí)斷裂，各級(jí)斷裂呈現(xiàn)隨著與主斷裂距離越遠(yuǎn)氡異常幅度及范圍降低的規(guī)律，由此可推斷各級(jí)斷裂構(gòu)造應(yīng)力逐漸消減，活動(dòng)強(qiáng)度亦隨之降低。

1—Rn濃度測(cè)量曲線；2—Rn背景值；3—Rn閾值；4—水樣投影位置；5—推測(cè)斷裂圖2 PM01土壤氡氣測(cè)量剖面與CSAMT反演斷面圖

1—Rn濃度測(cè)量曲線；2—Rn背景值；3—Rn閾值；4—水樣投影位置；5—推測(cè)斷裂圖3 PM02土壤氡氣測(cè)量剖面與CSAMT反演斷面圖

3.2 PM02線異常分析

PM02線位于侵入巖發(fā)育區(qū)，巖性為新太古代晚期傲徠山序列松山單元中粒二長(zhǎng)花崗巖和蔣峪單元中粒二黑云長(zhǎng)花崗巖，第四系厚度>6m，氡測(cè)量超出閾值的異常1處(圖3)：

2-30～2-35點(diǎn)形成高—低—高的多峰形態(tài)，2-34點(diǎn)極值為55413.4Bq/m3，為背景值的3.77倍，CSAMT反演剖面呈現(xiàn)明顯的電阻率等值線呈現(xiàn)近垂直的扭曲、突變，推測(cè)為銅冶店-孫祖斷裂。

另外在2-13～2-21形成鋸齒狀多峰形態(tài)，極值為25091.2Bq/m3，接近閾值，為背景值的1.7倍，CSAMT反演剖面呈現(xiàn)近垂直的電阻率等值線突變、錯(cuò)斷且在深部有明顯的低阻異區(qū)，推測(cè)為銅冶店-孫祖斷裂帶次級(jí)斷裂。

3.3 PM03線異常分析

PM03線位于侵入巖發(fā)育區(qū)，由南至北穿越奧陶紀(jì)三山子組灰?guī)r、中生代白堊紀(jì)濟(jì)南序列金牛山單元中細(xì)粒輝長(zhǎng)巖、新太古代晚期傲徠山序列松山單元中粒二長(zhǎng)花崗巖，測(cè)線大部分第四系厚度>6m，測(cè)線北端第四系厚度<6m。土壤氡測(cè)量超出閾值的異常帶5處(圖4)：

(1)3-43點(diǎn)極值為29656.3Bq/m3，為背景值的2.13倍，與3-39、3-46點(diǎn)形成多峰形態(tài)。CSAMT反演剖面在2740～2980點(diǎn)呈現(xiàn)明顯的高低阻接觸帶，推測(cè)為泰安-大王莊斷裂。該異常第四系厚度較厚，氡異常范圍與CSAMT推斷的斷裂位置沿傾角存在一定遷移偏差。

(2)3-53點(diǎn)極值為30784.9Bq/m3，為背景值的2.21倍，與3-51點(diǎn)形成雙峰形態(tài)，CSAMT反演剖面呈現(xiàn)電阻率等值線垂直扭曲，推測(cè)為銅冶店-孫祖斷裂次級(jí)斷裂。

(3)3-63～3-76點(diǎn)形成雙峰形態(tài)，3-69點(diǎn)極值為35756.3Bq/m3，為背景值的2.57倍，CSAMT反演剖面呈現(xiàn)電阻率等值線錯(cuò)斷、垂直突變，推測(cè)為銅冶店-孫祖斷裂次級(jí)斷裂。

(4)3-84～3-87點(diǎn)形成雙峰形態(tài)，3-87點(diǎn)極值為138405.1Bq/m3，為背景值的9.93倍，CSAMT反演剖面呈現(xiàn)視電阻率錯(cuò)斷、扭曲，并與PM01線1-11～1-23異常、PM02線2-30～2-35異常相呼應(yīng)，推測(cè)為銅冶店-孫祖斷裂。

(5)3-93點(diǎn)極值為31586.2Bq/m3，為背景值的2.27倍，與3-91、3-96點(diǎn)形成多峰谷形態(tài)，位于CSAMT測(cè)線邊緣，視電阻率異常不明顯，暫不推測(cè)為斷裂。

PM03線與PM01線相似，亦呈現(xiàn)銅冶店-孫祖斷裂的各級(jí)斷裂隨著與主斷裂距離增大，氡異常幅度降低的規(guī)律。

1—Rn濃度測(cè)量曲線；2—Rn背景值；3—Rn閾值；4—推測(cè)斷裂圖4 PM03土壤氡氣測(cè)量剖面與CSAMT反演斷面圖

3.4 水樣氡異常分析

本次研究地下水樣品氡測(cè)量結(jié)果見表2，其中SD01、SD03超過礦水命名濃度下限[13]和理療天然礦泉水水質(zhì)指標(biāo)[14-20]，SD02超過理療天然礦泉水水質(zhì)指標(biāo)，接近礦水命名濃度下限(表2)。

表2 地下水樣品氡測(cè)量結(jié)果

SD02位于PM01線推測(cè)的銅冶店-孫祖斷裂氡氣異常帶邊緣；SD03位于PM02線推測(cè)的次級(jí)斷裂氡氣異常帶邊緣；SD01位于PM01線CSAMT推測(cè)的次級(jí)斷裂附近。三件樣品檢測(cè)結(jié)果均顯示地下水中氡含量異常，既印證了斷裂是氡氣富集和遷移的通道，也印證了本次土壤氡氣測(cè)量推斷異常范圍準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

(1)氡氣沿?cái)嗔鸭鞍樯严稁蛏线w移和富集，并在地表形成一定范圍的氡異常帶。通過土壤氡氣測(cè)量能迅速、直接探測(cè)斷層的近地表位置，CSAMT測(cè)量能夠較好反應(yīng)斷裂產(chǎn)狀、深部構(gòu)造，兩者聯(lián)合使用既能相互佐證，又能優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，本文通過兩者聯(lián)合勘查銅冶店-孫祖斷裂取得良好效果。

(2)銅冶店-孫祖斷裂及其次級(jí)斷裂也是地下水運(yùn)移和富集區(qū)，氡氣顯著溶于水，往往在沿?cái)嗔研纬傻碾睔猱惓纬蛇_(dá)到礦水命名濃度下限或理療天然礦泉水水質(zhì)指標(biāo)的氡泉。銅冶店-孫祖斷裂是深大斷裂，與深部熱源溝通良好，地下水經(jīng)深循環(huán)對(duì)流作用及正常熱傳導(dǎo)后形成地?zé)犭比哂酗@著的理療效果。

(3)銅冶店-孫祖斷裂在雪野地區(qū)形成數(shù)條近平行的次級(jí)斷裂，呈現(xiàn)隨著與主斷裂距離越遠(yuǎn)氡異常幅度亦弱的規(guī)律，可推斷各級(jí)斷裂構(gòu)造應(yīng)力亦逐漸消減，活動(dòng)強(qiáng)度降低。

(4)銅冶店-孫祖斷裂氡氣異常幅度較大，可通過布設(shè)長(zhǎng)期土壤氡氣測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步研究其活動(dòng)性并進(jìn)行地震預(yù)警。

綜上所述，土壤氡氣測(cè)量和CSAMT測(cè)量聯(lián)合使用在探測(cè)斷裂分布及活動(dòng)性取得良好效果，可以推廣到與斷裂密切相關(guān)的各類地質(zhì)勘查工作中使用。