郭莉 劉旭東 高學(xué)泉 尤世娜 周瑜琨 白凌燕

摘 要：選取地表變形痕跡明顯的典型場(chǎng)地——溫榆河北堤、中部綠化帶和北部農(nóng)田，開(kāi)展土壤氣汞、大氣汞濃度和土壤汞含量監(jiān)測(cè)研究。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：1）地表覆蓋層性質(zhì)不同，對(duì)表層土壤氣汞特征有顯著的影響，表層（0～20 cm）土壤氣汞濃度以及土壤汞（0～20 cm）含量均為綠化帶>農(nóng)田>河堤;2）深層（60～80 cm）土壤氣汞濃度高于表層（0～20 cm）土壤氣汞濃度，地表變形痕跡明顯處為土壤氣汞濃度異常地段，其曲線分布形態(tài)反映溫榆河北堤和北部農(nóng)田斷裂結(jié)構(gòu)特征不同，不同季度深層土壤氣汞濃度特征表明黃莊-高麗營(yíng)斷裂帶溫榆河北堤和北部農(nóng)田地段活動(dòng)性相同;3）通過(guò)監(jiān)測(cè)土壤氣汞地球化學(xué)動(dòng)態(tài)特征，有利于土壤氣汞地球化學(xué)方法進(jìn)行斷裂帶的控制性探測(cè)。

關(guān)鍵詞：土壤氣汞;斷裂帶;黃莊-高麗營(yíng)斷裂帶

Geochemical characteristics of soil-gas mercury in northern section of Huangzhuang-Gaoliying fault of Beijing plain

GUO Li， LIU Xudong， GAO Xuequan， YOU Shina， ZHOU Yukun， BAI Lingyan

（Beijing Institute of Geological Survey，Beijing 100195， China）

Abstract： In the Future Science City Park， which is traversed by the northern section of the Huangzhuang-Gaoliying fault zone， typical sites with obvious surface deformation marks- the north embankment of Wenyu River， the central green belt， and the northern farmland-- are selected for monitoring experiments of soil-gas mercury， atmospheric mercury and soil mercury. The monitoring results show that： （1）The different properties of land cover layer have a significant influence on the characteristics of the surface soil-gas mercury and the surface soil mercury， with the green belt > the farmland > the embankment. （2）The concentration of deep soil-gas mercury is higher than that of the surface soil-gas mercury. There are obvious abnormal mercury concentrations in areas with obvious surface deformation traces. The curve peak corresponds well to the fault and the curve shape better reflects the fault properties. The characteristics of deep soil-gas mercury in different seasons show that the activities of the two segments of the fault zone are the same. （3） Monitoring the dynamic characteristics of soil-gas mercury geochemistry is beneficial to controlling detection of fault zones by soil-gas mercury geochemistry method.

Keywords： soil-gas mercury; fault zone; Huangzhuang-Gaoliying

20世紀(jì)60年代，地球化學(xué)勘查家已將壤中氣汞應(yīng)用于礦產(chǎn)勘查、地?zé)峥碧?、地震預(yù)報(bào)和考古工作。1991 年原地質(zhì)礦產(chǎn)部頒布實(shí)施了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DZ 0003-1991《汞蒸氣測(cè)量規(guī)范》，認(rèn)為土壤中汞氣來(lái)源于礦體，隨著試驗(yàn)范圍的擴(kuò)大和應(yīng)用性資料的積累，特別是斷裂構(gòu)造帶及地震預(yù)報(bào)的大量資料的應(yīng)用，汞氣廣泛來(lái)源于構(gòu)造斷裂帶，土壤中汞氣異常主要指示斷裂構(gòu)造（衛(wèi)敬生，1998）。

大量城市活斷層地球化學(xué)探測(cè)的實(shí)踐證明，利用土壤氣汞地球化學(xué)方法開(kāi)展城市隱伏斷裂的勘查，通常受地質(zhì)、氣象及地表環(huán)境條件的影響，如溫度、地表覆蓋層條件及地表巖石碎屑等（王傳遠(yuǎn)等，2004;張冠亞，2015;陸麗娜等，2018;Poissant et al.，2004）。為了使測(cè)量結(jié)果更精確可靠，分析和結(jié)論更為科學(xué)，選擇有斷層露頭或有探槽資料的典型場(chǎng)地開(kāi)展試驗(yàn)研究（張慧等，2013;Burton et al.，2004），驗(yàn)證土壤氣汞地球化學(xué)探測(cè)方法在各因素影響下，判斷斷層位置、斷裂結(jié)構(gòu)、斷裂影響范圍有效性（Shao Yongxin et al.，2008），斷裂釋放氣汞對(duì)環(huán)境影響研究的可行性。通過(guò)對(duì)典型場(chǎng)地土壤氣異常特征分析，氣汞濃度曲線特征，并結(jié)合理論基礎(chǔ)，為研究斷層控制性探測(cè)提供重要依據(jù)。

1? 研究區(qū)概況

研究場(chǎng)地位于北京市平原區(qū)黃莊-高麗營(yíng)斷裂北段穿越的未來(lái)科學(xué)城園區(qū)內(nèi)，斷裂北段全新世以來(lái)斷裂活動(dòng)明顯，地表變形痕跡明顯，溫榆河北堤斷裂錯(cuò)斷到地表位置（圖1 a），中部瀝青路面地表變形明顯，北部雞肉廠墻面強(qiáng)烈變形開(kāi)裂并延伸至地表，路面形成明顯的陡坎（圖1 b）。

2? 研究方法

2.1? 采樣方法

2.1.1? 監(jiān)測(cè)線布設(shè)

2020年6月—2021年5月，以地表變形痕跡明顯處為監(jiān)測(cè)中心點(diǎn)，北部農(nóng)田垂直于斷裂走向布設(shè)監(jiān)測(cè)線，溫榆河北堤沿河堤布設(shè)監(jiān)測(cè)線，見(jiàn)圖2，隨著遠(yuǎn)離變形痕跡明顯處或者陡坎位置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距逐漸增大，兩端固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距5 m、25 m、50 m、100 m。對(duì)表層（0～20 cm）土壤氣汞、深層（60～80 cm）土壤氣汞、大氣汞濃度和表層（0～20 cm）土壤汞含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。每次采樣記錄地表溫度，見(jiàn)圖3。

2.1.2? 捕汞管凈化

新出廠的和長(zhǎng)期未使用的鍍金玻璃砂捕汞管在500～600oC的爐溫下凈化，然后捕汞管連接儀器，儀器響應(yīng)值為零，回收率達(dá)85%以上的捕汞管封閉待用。

2.1.3? 取樣方法

1）表層土壤氣汞的采集：清理表層土壤雜草，將罩式取樣器（直徑30 cm，高20 cm不銹鋼圓罩）用錘打入土體至緊固，用硅膠管依次連接罩式取樣器、捕汞管和抽氣泵，以400 mL·min-1流速，按照需要設(shè)置抽取10 min的氣體4 L預(yù)富集土壤氣Hg，捕集管富集氣Hg后帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。

2）深層土壤氣汞的采集：用鋼釬打孔，將土壤取氣鉆密封在孔徑約20 mm、土壤深度60～80 cm的采樣孔中，用硅膠管依次連接取氣鉆、捕汞管和抽氣泵，以400 mL·min-1流速，按照需要設(shè)置抽取10 min的氣體4 L預(yù)富集土壤氣Hg，捕集管富集氣Hg后帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。

3）大氣汞的采集：直接連接硅膠管和捕汞管，用抽氣泵抽集大氣，以600 mL·min-1流速，按照需要設(shè)置抽取10 min的氣體6 L預(yù)富集大氣Hg，捕集管富集氣汞后帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。

4）表層土壤采集：同時(shí)在測(cè)點(diǎn)采集表層（0～20 cm）土壤，保存在密封的聚乙烯袋內(nèi)，避免取樣過(guò)程中的污染，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。

2.2? 分析方法

2.2.1? 氣汞分析方法

氣汞濃度測(cè)試所使用的儀器為冷原子熒光測(cè)汞儀Terank2600，該儀器采用熱脫附與冷原子熒光檢測(cè)器集成，雙金管濃縮系統(tǒng)，配有Terank 2505氣態(tài)汞外部校正源。儀器的檢測(cè)限為0.1 pg，對(duì)應(yīng)的土壤氣汞濃度檢測(cè)限為0.023 ng·m-3，根據(jù)峰面積計(jì)算土壤氣汞濃度。

在每次進(jìn)行測(cè)汞以前，對(duì)儀器進(jìn)行汞含量標(biāo)準(zhǔn)曲線測(cè)定，其結(jié)果非常接近。標(biāo)準(zhǔn)曲線的相關(guān)系數(shù)R> 0.999時(shí)開(kāi)始分析采集土壤氣汞的捕汞管樣品，所測(cè)樣品的絕對(duì)汞量均在標(biāo)準(zhǔn)曲線范圍內(nèi)。

2.2.2? 土壤汞分析方法

土壤汞含量測(cè)試所用的儀器為DMA-80，是基于高溫氧分解—催化吸附除雜—汞齊化捕集—原子吸收測(cè)定一體化技術(shù)研制而成的分析儀，無(wú)需樣品的酸化處理，將采集到的土壤樣品風(fēng)干，研磨后混勻，稱(chēng)取土壤樣品（精確至0.0001 g）放于預(yù)先清洗過(guò)的樣品舟中，放入自動(dòng)進(jìn)樣器進(jìn)行檢測(cè)。使用中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所研制的國(guó)家土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行質(zhì)量控制。

3? 結(jié)果

3.1? 表層土壤氣汞地球化學(xué)特征

在未來(lái)科學(xué)城園區(qū)的溫榆河北堤（南部）、馬路綠化帶（中部）和雞肉廠南農(nóng)田（北部）地表變形痕跡明顯處，布設(shè)表層土壤氣汞剖面測(cè)線。由表層土壤氣汞濃度特征（表1）可知：溫榆河北堤表層土壤氣汞濃度最低，平均值為23 ng·m-3，此處河堤樹(shù)木成排，地表覆蓋物主要為雜草，物質(zhì)單一，土壤汞含量也最低，平均值為0.017 mg·kg-1;林地綠化帶覆蓋物為建筑垃圾填土，表層土壤氣汞濃度平均值為45 ng·m-3，土壤汞含量平均值為0.041 mg·kg-1;雞肉廠南農(nóng)田2020 年種植玉米，2021年上半年農(nóng)田閑置，表層土壤氣汞濃度平均值為38 ng·m-3，表層土壤汞含量平均值0.029 mg·kg-1;可見(jiàn)因不同土地利用方式，即表層覆蓋層不同對(duì)表層土壤氣汞特征有顯著的影響，表層土壤氣汞濃度和土壤汞含量綠化帶>農(nóng)田>河堤。

從溫榆河北堤和雞肉廠南農(nóng)田表層土壤氣汞濃度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)特征看（圖4），溫榆河北堤表層土壤氣汞濃度在2020年9月時(shí)濃度達(dá)到高峰值，平均值為61 ng·m-3，在2020年10月至2021年5月期間表層土壤氣汞濃度相對(duì)較低，濃度范圍為6～21 ng·m-3，監(jiān)控曲線分布形態(tài)特征在中心帶差異顯著。雞肉廠南農(nóng)田表層土壤氣汞濃度分布形態(tài)特征從2020年6月到2021年5月基本一致，夏季表層土壤氣汞濃度顯著增高。

3.2? 深層土壤氣汞地球化學(xué)特征

選擇溫榆河北堤和雞肉廠南農(nóng)田2條測(cè)線進(jìn)行深層土壤氣汞濃度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，由深層土壤氣汞特征（表2）可知，深層土壤氣汞濃度高于表層土壤氣汞濃度，溫榆河北堤深層土壤氣汞濃度最高濃度可達(dá)246 ng·m-3，位于地表變形痕跡明顯處;雞肉廠南農(nóng)田深層土壤氣汞濃度最高可達(dá)372 ng·m-3，位于地表變形痕跡明顯處東側(cè)。

溫榆河北堤剖面線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)顯示，深層土壤氣汞濃度曲線的峰值分布形態(tài)較為一致（圖5 a），深層土壤氣汞的峰值分布形態(tài)為單峰，高峰值位于地表變形痕跡明顯處，為此段斷裂帶地下氣汞的主要釋放通道。

溫榆河北堤深層土壤氣汞在2020年9月的平均濃度達(dá)到114 ng·m-3，2020年10月到2021年3月深層土壤汞濃度持續(xù)較低，2021年4月深層土壤氣汞濃度在地表變形痕跡明顯處附近以及東側(cè)濃度劇增，小滿節(jié)氣有雨后，2021年5月份深層土壤氣汞濃度顯著下降。

雞肉廠南農(nóng)田剖面線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)顯示，深層土壤氣汞濃度曲線呈現(xiàn)雙峰形態(tài)（圖5 b），地表變形痕跡明顯處深層土壤氣汞濃度為低峰，兩側(cè)呈現(xiàn)高峰形態(tài);2021 年3月監(jiān)測(cè)線東側(cè)濃度增至372 ng·m-3，西側(cè)濃度增至349 ng·m-3，雙峰形態(tài)更加顯著。斷層?xùn)|側(cè)（上盤(pán)）深層土壤氣汞濃度高于西側(cè)（下盤(pán)）。

3.3? 大氣汞地球化學(xué)特征

林地和農(nóng)田監(jiān)測(cè)剖面線大氣汞濃度范圍為3.0～6.9 ng·m-3，平均值為4 ng·m-3，地表土壤氣汞和大氣汞的互相遷移達(dá)到平衡，沒(méi)有引起大氣汞濃度異常;僅在5月的大氣汞監(jiān)測(cè)時(shí)（圖6），出現(xiàn)斷層上盤(pán)（東側(cè)）大氣汞濃度升高。

4? 討論

4.1? 影響因素

溫榆河北堤為綠化林地，土壤致密，地表多雜草，地表變形痕跡明顯處為土壤氣汞的主要釋放通道，東側(cè)土壤質(zhì)地主要為壤土，西側(cè)土壤質(zhì)地主要為砂質(zhì)土壤，土壤氣汞濃度空間變化特征同時(shí)受到土壤質(zhì)地的影響。

中部綠化帶主要為建筑垃圾填埋地，土壤中汞含量高直接反映覆蓋層物質(zhì)的復(fù)雜性，顯著影響土壤氣汞濃度，不適合開(kāi)展土壤氣汞動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

雞肉廠南農(nóng)田2020年種植玉米，2021年上半年農(nóng)田閑置，土壤受到翻耕、施肥、雨水澆灌和收獲等因素影響，但是由于覆蓋層性質(zhì)單一，農(nóng)田在翻耕種植玉米和收獲后，地表土壤氣汞濃度變化不大，地表土壤氣汞濃度主要隨氣溫變化而變化。深層土壤氣汞濃度的主要影響因素是降雨，雨后土壤濕度大，封閉了深部土壤氣汞的逸出通道。

因而覆蓋層性質(zhì)影響土壤氣汞濃度特征，土壤中汞含量反映覆蓋層物質(zhì)含汞特征、土地利用性質(zhì)和受到人為環(huán)境的影響程度。

在城市活斷層監(jiān)測(cè)工作中，尋找覆蓋層性質(zhì)相對(duì)單一而且適宜開(kāi)展地球化學(xué)土壤氣汞工作的地區(qū)相對(duì)較難，剔除覆蓋層、土壤性質(zhì)、氣候變化等的影響因素，通過(guò)監(jiān)測(cè)表層和深層土壤氣汞濃度峰值特征，有利于對(duì)斷裂活動(dòng)性時(shí)空變化特征進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)研究。

4.2? 土壤氣汞濃度特征

原北京市地質(zhì)調(diào)查研究院在中部綠化帶和雞肉廠南農(nóng)田之間開(kāi)挖槽探，地表變形地段布設(shè)物探，推斷黃莊-高麗營(yíng)斷裂北段傾向南東，上斷點(diǎn)埋深接近地表，表現(xiàn)為“鏟式”斷層的特點(diǎn)，局部位置表現(xiàn)為“Y”字形結(jié)構(gòu)特征，該斷裂帶“Y”字形組合特征表明斷裂下降盤(pán)在斷面附近受到牽引力向下拖曳，在縱彎作用下，產(chǎn)生張裂，因而形成了具有與斷裂走向一致的地裂縫和墻體路面開(kāi)裂地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象（張曉亮等，2016;張磊等，2017;徐吉祥等，2022）。在雞肉廠南農(nóng)田中布設(shè)350 m測(cè)線，深層土壤氣汞濃度曲線出現(xiàn)多峰形態(tài)（圖7），是低滲透性的斷裂核部以及高滲透性的破碎帶在空間上相互交織，還是黃莊-高麗營(yíng)主斷裂和次級(jí)斷裂性質(zhì)的反映，有待進(jìn)一步研究。

4.3? 推測(cè)斷層性質(zhì)

從溫榆河北堤和雞肉廠南農(nóng)田深層土壤氣汞濃度曲線分布形態(tài)看，2處斷裂帶結(jié)構(gòu)特征不相同，溫榆河北堤深層土壤氣汞濃度曲線為單峰形態(tài)，在地表變形痕跡明顯處為峰值區(qū)（黃理善等，2020），推測(cè)該處由單一的斷裂核部及環(huán)繞其周?chē)扑閹ЫM成。

對(duì)比2020年10月和2021年5月溫榆河北堤和雞肉廠南農(nóng)田深層土壤氣汞濃度曲線特征（圖8），地表變形痕跡明顯處深層土壤氣汞濃度特征相近，表明斷裂帶活動(dòng)性相同。

5? 結(jié)論

表層土壤氣汞特征值因不同土地利用方式，即表層覆蓋層不同對(duì)表層土壤氣汞特征有顯著的影響，表層土壤氣汞濃度土壤汞含量綠化帶>農(nóng)田>河堤，覆蓋物質(zhì)中土壤汞含量和氣溫是影響表層土壤氣汞濃度的因素。

深層土壤氣汞濃度高于表層土壤氣汞濃度，通過(guò)監(jiān)測(cè)地表變形痕跡明顯處深層土壤氣汞的動(dòng)態(tài)特征，高峰值濃度段指示了斷裂帶地下氣汞的主要釋放通道，需要通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)深層土壤氣汞濃度峰值變化特征，剔除各因素的影響，才有利于斷裂活動(dòng)性時(shí)空變化特征進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)研究。

利用土壤氣汞地球化學(xué)探測(cè)方法，在黃莊-高麗營(yíng)斷裂北段地表調(diào)查發(fā)現(xiàn)的地表變形痕跡明顯處進(jìn)行土壤氣汞濃度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，溫榆河北堤土壤氣汞濃度單峰形態(tài)，地表變形痕跡明顯處為高峰值區(qū)，推測(cè)為單一的斷裂構(gòu)造。雞肉廠南農(nóng)田土壤氣汞濃度雙峰形態(tài)，地表變形痕跡明顯處為低峰值區(qū)，兩側(cè)為高峰值區(qū)，與該段斷裂帶“Y”字形組合特征一致，南北兩條監(jiān)測(cè)曲線分布形態(tài)反映斷裂結(jié)構(gòu)特征不同，不同季度深層土壤氣汞濃度特征表明該斷裂帶兩段活動(dòng)性相同。

通過(guò)監(jiān)測(cè)土壤氣汞地球化學(xué)動(dòng)態(tài)特征，有利于土壤氣汞地球化學(xué)方法進(jìn)行斷裂帶的控制性探測(cè)。

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