氡是一种放射性物质，其化学性质为惰性，在运移过程中不参与任何化学反应。自20世纪70年代发现断层上方土壤氡气浓度与地震活动有关后，利用断层土壤氡气浓度的变化来监测地震活动得到诸多应用^[1]，得出一些土壤氡气浓度与不同影响因素间的变化关系，形成一定的理论基础，而针对地震学短时间间隔的连续土壤氡气流动定点观测实验相对较少。随着当前水资源的过度开采，观测环境日益恶化，依靠井泉水作为观测对象的习惯遇到新的挑战，探究土壤氡的测量方法势在必行^[2]。为此，本文使用AlphaGUARD P2000测氡仪对宝坻断裂开展土壤氡气定点定期测量实验，以确定适用于本地区的土壤氡气观测技术方案，并对观测结果进行详细分析，为土壤氡气观测研究提供理论参考。

1 研究区域构造概况

宝坻断裂位于天津市宝坻区南约5 km处，是燕山隆起与冀中坳陷的分界断裂^[3]，东西走向，全长42 km，倾向南，倾角30°~70°，断裂北升南降，由数条阶梯状正断层组成，南侧第四系厚度达到400 m，而断裂北侧基岩埋深仅为80~100 m, 其宽度西段几十千米，往东逐渐变窄，中生代以来，一直控制着冀中坳陷的形成与发展^[4]。第四纪时期沉积盆地向北扩展，第四系覆于断层之上，其发展史上表现出极强的继承性。宝坻断裂是天津地区的活动断裂之一，断层部位成为氡气和其他气体聚集和向上迁移的通道，导致断层上土壤氡气富集，为土壤氡气观测提供了良好的地质构造基础。

2 土壤氡气的测量与数据处理 2.1 测量位置的选取

为了使土壤氡气测量结果能够真实反映断层产状特性，测线走向尽量垂直于断层，且避开3 a内回填的人工土和工业污染地区，避开地下潜水位埋深较浅的地方，以便排除环境干扰，使观测结果真实可靠。同一测线的所有测点，选择土壤、岩性差别不大的地段进行测量。测线长度的选择依据断层规模与破碎带宽度，必须跨越断层破碎带。测点间距根据测线上观测数据的变化情况确定，在测量数据变化幅度大的位置适当加密测点，在数据相对稳定的地区适当增大测点间距。

遵照以上原则，最终确定八户村、刘庄村两条测线。八户村测线位于新开口镇八户村东侧的宝武线两侧，测线总长2.2 km；刘庄村测线位于香河县刘宋镇刘庄村西国安线东侧，全长3.0 km。每条测线均设有12个测点，由南向北依次编号为1~12，并做好现场标记；测点间距根据数据变化情况设为80~350 m不等，因刘庄村测线观测数据相对稳定，选取的测点间距较大。自2017-04-15起，对所有测点开展为期1 a的定期测量。

2.2 土壤氡气的测量方法

每次测量时使用GPS定位到选取的测试点位置，采用专用地钻打孔，重复取样的位置是以第1次取样点为圆心，在1 m为半径的范围内取样，避免因取样点相距太远引起的数据差异^[5]。参考前人使用AlphaGUARD P2000的土壤氡气实验成果^[6]，并考虑到不同季节地下潜水层的变化，设定钻孔的直径为60 mm，深度为约800 mm。取样器长度1 000 mm，下端500 mm范围内钻有密集小孔，使土壤中的空气能够被仪器充分吸收。取样器内部含有600 mm导气管(图 1)，重复测量时保证测量装置的一致性。

将AlphaGUARD P2000测氡装置进行连接，打开主机开关，并将AlphaPUMP泵的两个开关分别置于“ON”和“1 L/min”档，检查气路是否畅通、各连接部位是否漏气等，保障实验结果的准确性。待屏幕显示本底到1 000 Bq/m³以下时，把取样器插入打好的孔中，四周用土填满压实。测量时仪器每抽气10 min产生一组数据，每个测量点连续观测直至氡气值不再增加，将最高值作为该测点的最终测量结果，并做好详细的观测记录。测量完毕后将观测孔回填，以防氡气流失，便于其后的原区域观测。

2.3 观测数据处理

本文所使用的观测数据为2017-04-15~2018-03-31宝坻断裂土壤氡气观测实验的测量结果。在此期间，分别对八户村测线和刘庄村测线选定的所有测点每两个月左右进行一次测量，每条测线均进行6次重复观测，所有土壤氡气含量的每次最终测量结果分别如图 2和图 3所示。依据天津市地震灾害防御中心2015年宝坻断裂综合探测结果，八户村测线的10号测点和刘庄村测线的11号测点为断层处测点。

3 观测数据分析 3.1 土壤氡气与岩土性质

岩土性质对土壤氡气测量结果的影响主要表现在测量背景值的大小上。通常情况下，细粒岩土含铀或镭较高，可以产生较多的氡，颗粒越细对气体(包括氡)的封闭性和吸附性越强。因此，取样部位土壤颗粒越细，所测土壤氡气含量(即背景值)越高，反之则越低^[7]。八户村测线的所有测点处土壤均为粘土性质，而刘庄村测线的取样部位土壤均为砂质。从图 2和图 3的测量结果容易看出，八户村测线的背景值明显高于同期刘庄村测线的背景值。从单一测线来看，粘土中的氡含量容易受其他因素影响，同一测点不同时期的波动较大；而砂土中的氡含量受其他因素影响较小，不同时期的观测值相对稳定。

3.2 土壤氡气与土壤含水量

土壤含水量主要影响氡的浓度和取样时的取样量，从而影响测量结果。在土壤含水量不大的情况下，随土壤含水量增加氡浓度有增高的趋势；但土壤含水量增加到饱和或接近饱和时，土壤氡气测量值明显降低。这种现象主要是由于土壤干燥时，土壤氡气容易向大气中扩散，或随土壤表层形成的上升气流而释放出来，致使氡浓度较低。随着降雨或灌溉引起的地表含水量的增加，能形成透气性差的“屏蔽层”，影响氡气向大气中释放，使土壤氡气浓度增加；当含水量达到或接近饱和状态时，土壤内气体含量明显减少，取样体积不足导致测量结果明显降低^[7]。本次测量期间，宝坻地区7月、8月降雨充沛，据宝坻台气象记录显示，分别为124 mm和129 mm，使土壤含水量明显增大，甚至多地出现饱和或过饱和现象。将每条测线08-20的观测值与其相应测线其他测量结果的均值相互比较(图 4)可以看出，处在粘土中的八户村测线受含水量变化影响的测点数量较多，观测值的变化幅度较大。而且从测量现场钻孔取样的土壤中也能明显发现，凡是粘结成块状或泥状位置处的观测值都很低。对于分布在砂土中的刘庄村测线，仅2号、3号测点因附近存在积水而出现异常极小值。

3.3 土壤氡气与断裂构造

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。一般将异常形态和断层产状的对应关系分为3类：一是倾角很小的断层，由于常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，土壤氡气为基本对称的单峰^[7]。将同一测点的6次测量值进行平均，所有测点测量平均值的统计结果如图 5所示。从八户村测线测点均值的变化曲线可以发现，数据呈现多峰状态，且峰值由左到右呈逐渐增大趋势，该形态清晰地反映了宝坻断裂向南倾的断层产状特性。而位于八户村测线以西12.3 km处的刘庄村测线，测点均值变化平缓，除因上述砂质土壤透气性较强的原因外，可能与宝坻断裂西宽东窄、所选测线内缺少释放通道有关。

3.4 土壤氡气与断层活动性

断层活动性主要是影响土壤氡气测量结果的大小或相对值的大小^[8]。这是因为在观测的土壤氡气中，有一部分是介质的孔隙、断裂产生的微裂隙中通过扩散、渗流、溶解与蒸发等机制向土壤表面运移的氡气。当断层活动性増强时, 往往伴随着地壳内应力增加、岩石介质孔隙率改变等, 这些变化都可能引起气体含量的变化或气体运移的增强。如果地下含水层在应力作用下发生形变, 也会加速气体的运动, 增强氡气的扩散, 导致土壤氡气含量增加。反之，当断层活动性减弱时，土壤氡气含量相对平稳或逐渐降低到背景值。所以，测定断裂带处土壤氡气浓度的变化可以反映断层的活动情况^[9]。在实验观测的近1 a内，八户村测线周边共发生1.0级(含)以上地震5次(表 1)，刘庄村测线附近0次。从表 1的统计数据中可以看出，震级均在1.0~2.0之间，震源深度明显不同，前两次为10 km左右，而后3次均大于20 km。在这种震级情况下，震源深度的变化是影响土壤表面断层运移氡气浓度的主要因素，随着震源深度的增加，向上运移的氡气急剧减少、甚至消失。将八户村测线断裂处测点的重复观测结果进行统计(图 6)，根据前文土壤氡气与土壤含水量的分析，忽略图 6中的第3个受土壤含水量影响较大值，其余5个测值呈现单调下降形态。分析数据变化原因，起初的高值可能与表 1中前两次地震的孕育和破裂有关，而之后因在近地表处无相应的地震发生，断裂活动减弱，氡含量逐渐降低，且2018-03-30测值并没有要回到2017-04-15同期测值的上升趋势。当然，要解释数据变化是否存在年变等其他因素的影响，还需要进行长久的连续观测研究。

4 结语

通过宝坻断裂土壤氡气的定期定点测量实验，得出以下几点结论：

1) 分析土壤氡气与岩土性质、土壤含水量的关系，并分别定性地阐明宝坻断裂研究区域土壤氡气与影响因素的变化规律，对深入研究宝坻断裂具有一定的科学价值。

2) 测线剖面观测结果验证了宝坻断裂研究区域的断层产状特性，通过断层处测点的重复观测，分析测量数据的变化特征与剖面附近断层活动情况的可能原因，为地震监测、断层活动性跟踪提供一定的参考依据。

3) 本实验中用于宝坻断裂土壤氡气的观测方法方便可行，为推广土壤氡气观测提供了数据资料和技术方案。由于观测时间和测量数据有限，更多有关土壤氡气观测的定量研究，还需要积累更加频繁和持久的测量数据。

致谢: 感谢中国地震台网中心地下流体实验室对本实验提供仪器支持。