地球物理学进展  2015, Vol. 30 Issue (2): 975-982   PDF    
土壤氡浓度测量在广州市岩溶地面塌陷、地面沉降地质灾害调查中的应用
胡让全, 黄健民     
广州市地质调查院, 广州 510440
摘要:由于受大型地下工程施工大量抽排地下水的影响, 广州市大坦沙和金沙洲先后发生了大规模岩溶地面塌陷、地面沉降地质灾害, 为查明区内岩溶发育和断裂带的分布情况, 综合运用土壤氡浓度测量、高密度电法、浅层地震反射波、弹性波CT和地质雷达进行探则.由于受各种管线、电磁和震动的干扰, 在城市开展电法、磁法、浅层地震等受到限制,而土壤氡浓度测量具有不受地电、地磁和震动干扰的优点.本文以土壤氡浓度测量在广州市金沙洲和大坦沙岩溶地面塌陷、地面沉降地质灾害应用为例, 说明了土壤氡浓度测量机理、方法技术和影响因素, 结果表明土壤氡浓度测量在广州市金沙洲和大坦沙岩溶地面塌陷、地面沉降地质灾害调查中取得了显著的效果, 为广州市金沙洲和大坦沙地质灾害防治提供了基础资料.
关键词土壤氡浓度测量     岩溶地面塌陷     地面沉降     地质灾害    
The application of soil radon concentration detection on the geological disaster of Karst collapse, ground subsidence in Guangzhou city
HU Rang-quan, HUANG Jian-min    
Geological survey of Guangzhou 510440, China
Abstract: Because of the influence of ground water was over pumped on construction. It happen large-scale karst surface collapse, ground subsidence geological disasters on Datansha and Jinshazhou in Guangzhou. In order to investigate the distribution of karst development and fracture structure,comprehensive use of soil radon concentration and high density resistivity method and shallow seismic reflection wave method and cross-hole seismic CT techniques and ground penetration radar. which have detected geological hazard of karst ground collapse and ground subsidence on Jinshazhou and Datansha in Guangzhou city.Due to the interference of various pipelines and electromagnetic and vibration,electrical method and magnetic method and seismic method is limited in the city, soil radon concentration measurement has the advantages of no electricity, magnetism and vibration disturbance.This article take the application of soil radon concentration measurement on Jinshazhou and Datansha in Guangzhou for example to explain: measuring mechanism and technology and influence factors of soil radon concentration.The results show that it has achieved remarkable effect on the investigation of karst surface collapse, ground subsidence geological disasters on Jinshazhou and Datansha in Guangzhou,to provide the basic data for the prevention and control of geological disasters in Jinshazhou and Datansha.
Key words: soil radon concentration measurement     karst collapse     ground subsidence     geological disaster    
0 引 言

广州市金沙洲和大坦沙均位于广州市西部,属于广花盆地岩溶发育区.由于大型地下工程施工大量抽排地下水的影响,2003-2012年广州市大坦沙和金沙洲先后发生了大规模岩溶地面塌陷、地面沉降地质灾害,部分楼房发生倾斜、变形和开裂,严重威胁人民群众的生命财产安全,造成了巨大的经济损失.

灾害发生后,我院迅速组织了地质、物探和钻探工作人员进行综合勘查,物探选用了土壤氡浓度测量、高密度电法、浅层地震反射波、地质雷达、弹性波CT等方法进行探测,查明区内溶洞及断裂带的分布情况(赵永贵,2002朱德兵,2002赵永贵,2003曾昭发等,2004胡祥云等,2006程业勋等,2007),为广州市金沙洲和大坦沙的地质灾害防治提供依据(王齐仁,2004).

土壤氡浓度测量主要应用于找铀矿、研究活动断层和建筑场地氡浓度检测(石玉春等,1996杨亚新等,2003刘汉彬和范光,2004赵桂芝和肖德涛,2007刘菁华和王祝文,2009),在岩溶地面塌陷、地面沉降地质灾害中的应用并不多见,由于岩溶的发育与断裂带有密切关系,断裂带为氡气提供运移通道,因此,在广州市金沙洲和大坦沙开展了土壤氡浓度测量,探测溶洞和断裂带的分布情况(吕惠进,2002邓起东等,2003易兵等,2008李学军,2011).

1 工区概况

1.1 金沙洲地面塌陷、地面沉降地质灾害现状

受大型地下工程施工大量抽排地下水的影响,自2007-2012年,金沙洲共发生了24个地面塌陷、21处地面沉降,形成7个地面沉降区域,受影响面积约5.03 km2,部分楼房发生倾斜、变形和开裂,造成了重大经济损失.

1.2 大坦沙地面塌陷、地面沉降地质灾害现状

受大型地下工程施工大量抽排地下水的影响,自2003年9月至2009年7月,大坦沙共发生了32个地面塌陷,14处地面沉降,部分楼房发生倾斜、变形和开裂,造成了重大经济损失.

1.3 金沙洲地质环境条件

金沙洲总面积8.26 km2,西部为低丘陵地貌、东部和南部为平原地貌,地形起伏较大.区内广泛分布灰岩和软土,覆盖层厚度在6.80~25.40 m之间,基岩面起伏大,岩性自上而下依次为人工填土 、冲积成因的淤泥、淤泥质土、粉质粘土及残积粉质粘土.经统计,发生岩溶塌陷处覆盖层厚度在8.10~13.90 m之间.

地层岩石主要有石炭系石磴子组(C1S)和壶天群(C2+3h)灰岩,其次有石炭系大赛坝组(C1ds)泥质粉砂岩或粉砂质泥岩,测水组(C1c)砂岩、粉砂质泥岩、炭质页岩及白垩系大塱山组(K2dl)泥质粉砂岩或粉砂质泥岩.石磴子组灰岩钻孔遇洞率76.9%,线岩溶率在3.26%~52.58%之间,壶天群灰岩钻孔遇洞率60.0%,线岩溶率在2.53%~18.54%之间,溶洞、土洞发育,地质环境条件十分复杂、脆弱.

区内主要发育有5条北东向断裂带,自西向东分别为F1~F5断裂,断裂构造对金沙洲地区的地下水赋存起控制作用,断裂带及周边多形成地下水强径流带,对地下水流场动态变化影响明显.

区内地下水类型有第四系松散岩类孔隙水、层状岩类基岩裂隙水和碳酸盐岩类裂隙溶洞水.地下水补给来源主要接受大气降雨和地表水体的补给.第四系松散岩类孔隙水除接受大气降雨补给外,还接受基岩裂隙水的侧向补给和地表水体的侧渗和垂向补给,层状岩类基岩裂隙水由上覆第四系松散层下渗补给,而碳酸盐岩类裂隙溶洞水由第四系松散岩类 孔隙水通过第四系松散层直接下渗补给,同时接受珠江补给.

以横沙村、金满花园、富力地块连线为阻水条带,此北东向阻水条带将金沙洲分成两个相对独立的两级水文地质单元.区内的地下水排泄方式主要为蒸发排泄、人工开采和径流排泄等三种.没有人为因素干扰的自然状态下,区内的地下水流动方向与地形地貌和所处的两级水文地质单元有关.西部水文地质单元(阻水条带以西)的地下水先从北西低丘流向南东平原,到达平原中部受阻水条带阻隔,再顺地势由高往低,即由北东往南西方向流动,最后排泄于珠江;东部水文地质单元(阻水条带以东)的地下水总体流动方向与地表水总体流动方向一致,即由北西向南东方向流动,并排泄于珠江.

1.4 大坦沙地质环境条件

大坦沙面积约3.48 km2,覆盖层厚度在13.5~37.6 m之间,基岩面起伏大,岩性自上而下依次为第四系覆盖层、石炭系灰岩、白垩系钙质泥岩、粉砂岩.地层有石炭系石磴子组(C1S)、白垩系上统大塱山组(K2dl)、第四系(Q).大坦沙岛在北东向广从断裂带和北西向白坭—沙湾断裂带影响范围内,主要发育有北东向F1~F7断裂带和北西向F8~F12断裂带.

地下水类型主要有第四系松散岩类孔隙水、覆盖型碳酸岩类岩溶裂隙水、覆盖型层状岩类裂隙水、覆盖型块状岩类裂隙水四种,地下水补给来源主要有大气降雨渗入补给、河涌渗漏补给、松散岩类孔隙水侧向补给、岩溶裂隙溶洞水地下潜流补给.大坦沙岛地势平坦,天然条件下水力坡度小,地下水运移缓慢,北东向断裂带、北西向断裂带与岩溶裂隙相关联形成强径流带,岩溶裂隙溶洞水的运动方向自北东向南西方向流动,地下水的排泄主要为潜水蒸发、侧向径流排泄和岩溶裂隙溶洞水地下潜流排泄.

综上所述,广州市金沙洲和大坦沙地面沉降、地面塌陷地质灾害与岩溶发育、断裂带和地下水的活动有关(黄健民等,2015).

2 土壤氡浓度测量机理

自然界天然放射性系列有铀系、钍系、锕系三个系列,铀系中的母体元素为 92238U,半衰期4.5×109年,钍系中的起始元素为 90232Th,半衰期1.3910×1010年,锕系中的母体元素为 92235U.三个衰变系列中都有一个放射性气体氡的同位素,铀系的射气是 86222Rn(Rn),它是由 92238U衰变产生的,半衰期3.825天;钍系的射气是 86220Rn(Tn),它是由 90232Th衰变产生的,半衰期54.6 s;锕系的射气是 86219Rn(An),它是由 92235U衰变产生的,半衰期3.93 s,由于 86220Rn(Tn)、 86219Rn(An)的半衰期极短,因此,铀系中的 86222Rn迁移的距离比 86220Rn(Tn)、 86219Rn(An)远,有利于传递深部信息,铀系中的母体元素 92238U沿着断裂带或裂隙随地下水运移至浅部,土壤氡浓度测量主要探测断裂带或溶洞中的 86222Rn(Rn).

自然界中除了三个天然放射性系列外,还有180多种以上不成系的放射性元素,这些放射性元素多半含量极少,其中钾的放射性不可忽略,因为钾在地壳中分布极广,天然钾含有三个同位素,分别为1939K(93.38%)、1940K(0.01%)、1941K(6.61%),其中只是1940K(0.01%)有放射性,它的半衰期为1.3×109年,因此,在放射性测量定量解释计算中要考虑1940K的影响,当铀矿中放射性钾含量超过5%时就要进行钾的修正,消除它的影响.

氡气在岩石和土壤中主要通过扩散和对流作用进行迁移(吴慧山等,1997曹玲玲等,2005刘菁华等,2007),氡气由浓度高处向浓度低处扩散,由压力高处向压力低处渗流(刘雷等,2012).断裂带、溶洞是氡气迁移、富集的有利空间,在裂隙、断裂带发育地段,其岩溶相对发育,断裂带、溶洞为氡气的向上迁移提供了通道(刘菁华等.2006李洪艺等,2011曾敏等,2012),因此,地层条件相近地段,在断裂带、溶洞上方或旁侧容易形成土壤氡浓度异常(孟广魁等,1997邵永新等,2007王秋良等,2010).

3 方法技术

3.1 剖面布设及定位

一般情况下,剖面垂直断裂走向布设,采用Trimble GPS-天宝GEO 2008XH亚米级双屏手持GPS对剖面起点、拐点和终点进行定位,定位精度小于1m.用GPS定点前,先用已知的四个城建控制点坐标进行校正,根据校正结果对测量数据进行修正,并对剖面起点、拐点和终点处用红色喷漆做标记.

3.2 仪器工作原理及野外工作方法

采用上海申核电子仪器厂生产FD-3017RaA测氡仪,主要由抽气泵和测量操作台两部分组成,抽气泵除了完成抽取地下气体外,还起到贮存收集氡子体的功能.FD-3017RaA测氡仪是一种瞬时测氡仪器,利用静电收集氡衰变的第一代子体RaA作为测量对象,RaA在初始形成的瞬间为带正电的离子,该仪器就是利用它的带电特性,采用加电的方式对它进行收集,使RaA离子在电场作用下被浓集在带负高压的金属收集片上,在经一段时间加电收集后,从抽气泵上方取出金属片放入操作台探测器内测量RaA的α放射性,其强度与氡浓度成正比,按公式换算成氡浓度.

工作前,应先进行仪器标定和装置气密性检查,用专用钢钎打孔,孔的直径在20~40 mm范围内,孔深在600~800 mm范围内,对覆盖层较厚的地区,可加深孔深,但在同一地区,孔深必须保持一致,无异常地段,测量点距10 m,有异常地段测量点距加密至5 m,线距视测量精度而定(20~50 m)根据试验结果,抽气次数选取3次.

土壤氡浓度测量流程:打孔→排气→放片→抽气→启动高压收集RaA(2 min)→移点→取片(15 s)→测量(2 min).

工作具体过程:(1)插入取样器后,用脚踩实上部松土,防止大气渗入取样器中,在抽气筒上部放入收集片.(2)用抽气筒抽气3次,目的是排除取样器内、取样器与抽气筒之间连接的胶皮管内的外来气体.(3)用抽气筒抽取1.5 dm3土壤气体,对收集片启动高压2 min收集氡产生的子体RaA.(4)取出收集片放入探测器测量盒内,仪器自动启动计数电路,经2 min计数测量后,记下脉冲数,再由公式换算为氡浓度.

土壤氡浓度测量应避开雨天进行,如遇雨天,雨后24小时后或视地面干燥情况再进行测量.

测量时间程序(加电-取片-测量)一般为2 min-15 s-2 min,若需要更高的测量灵敏度,可增长加电和测量时间,此时公式中的换算系数应进行修正.

3.3 异常处理

深入了解测区的地质环境特征,尤其是地下水位、土层情况等,对异常的评价起着重要作用.测量过程中如发现有异常,应进一步做工作:

(1)加密测点和测线,对异常进行追索,追至正常底数为止,圈定异常范围.

(2)对团块状或带状的异常,作不同抽气次数测量,目的在于了解射气源的大小,确定异常产生的原因.

3.4 数据处理

3.4.1 换算系数的计算和原始数据的换算

换算系数(J)的计算:根据所测得的α计数及液体镭源的已知强度,可按下式计算换算系数:

J=[α×(1-e-λRn×t)×K]×1010/(V×Na2′)

式中:α—液体镭源中镭的含量(10-8~10-7gRa);λRn—氡的衰变常数(0.00755/小时);t—液体镭源的积累时间(小时);K—脱气效率修正系数,当脱气体积为1.5 dm3时,其实测结果的脱气效率为90%~92%左右;V—抽筒抽气体积为1.5 dm3;Na2′—2 min RaA的测量计数.

原始数据的换算:将测量的计数率换算为相应的氡浓度值,换算公式:

CRn=J×NaRaA

式中:CRn—氡浓度(Bq·m-3),J—换算系数,NaRaA-RaA的α计数.

3.4.2 背景值、异常下限值和异常带的确定

对氡浓度值进行数理统计,通过作累积频率曲线图来确定土壤氡浓度背景值,累积百分频率为50%相对应的横坐标点数值即为土壤氡浓度背景值,土壤氡浓度大于或等于背景值的3倍定为异常值;异常连续反应长度大于或等于20 m,或异常断续反应长度大于或等于40 m定为异常带.

根据统计结果,金沙洲和大坦沙的土壤氡浓度背景值为3.1 kBq/cm3,异常值为≥9.3 kBq/cm3.

3.4.3 图件制作

将换算结果分别绘制土壤氡浓度实际材料图、土壤氡浓度剖面平面图、土壤氡浓度等值线图和土壤氡浓度综合成果图.

4 影响因素及质量保证措施

4.1 影响因素

氡浓度高低分布除了与岩性、岩层接触带、断裂带和溶洞有关外,还与土壤孔隙度及其含水量、腐殖质和氧化还原环境等因素有关(侯彦珍和王永才,1994吴自香等,2006李洪艺等,2011).

对于氡易溶于水的这一特性,虽有利于氡从深部沿着裂隙或构造破碎带随着地下水被迁移到浅部、并释放到土层中,但同时部分氡溶于水,因此,对于地下水位比较浅的地区,不利于氡气的测量.

淤泥质土或含水量饱和的土层,其渗透性差,不利于氡的溢出,因此,此地段测得的氡浓度也明显偏低,在淤泥质土或含水量饱和的土层大规模出现的地区不宜开展土壤氡浓度测量.

三大岩类中,岩浆岩上方的土壤氡浓度高于沉积岩,而变质岩介于岩浆岩和沉积岩之间,其土壤氡浓度高低取决于变质前母岩是岩浆岩还是变质岩.

正常情况下,灰岩上方的土壤氡浓度较低,但灰岩中有溶洞、断裂带或岩层接触带时,土壤氡浓度会偏高.

屏蔽层、腐殖质较多地段或还原环境地段,有利于氡气的贮藏,土壤氡浓度会偏高.作异常评价时,要考虑排除这些影响因素.

FD-3017 RaA测氡仪易受手机高频电磁波的干扰,因此,测量过程中须关闭手机.

由于这些因素直接影响土壤氡浓度的高低,因此,工作过程中尽可能避开这些影响因素(贾国相等,2005),了解工作区的地质、地球物理特征,对异常排查、评价做到心中有素.

4.2 质量保证措施

(1)仪器在使用前必须进行标定和气密性检查,仪器标定主要对仪器“三性”(准确性、一致性、稳定性)进行标定,标准氡室给定浓度应大于5 kBq/m3.目前,比较权威的土壤氡测量仪标定单位有核工业放射性勘查计量站、南华大学.

(2)如果使用多台仪器进行测量,应同时进行标定,以保证仪器量值的一致性.

(3)工作期间,每次出工前和收工后用仪器配备的α源对测氡仪进行稳定性检查,一般多台仪器测量结果的相对偏差不超过10%,只有稳定性良好的仪器才能投入使用.

(4)为了保证测氡的精确度,应经常注意干燥剂受潮情况,当干燥剂约有1/2由蓝色变为红色后,应立即更换干燥剂.

(5)充分考虑土壤氡浓度测量的条件及其影响因素,确保土壤氡浓度测量的质量.

5 完成工作量、取得的成果及异常验证

金沙洲和大坦沙两个测区共完成土壤氡浓度剖面30条,剖面总长29.49 km,测点总数3212个;土壤氡浓度单点异常共171个、异常带共16条,异常验证16处,验证结果见溶洞或构造共11处,准确率为68.8%,完成土壤氡浓度工作量、取得的成果及异常验证(表 1).

表 1 工作量、成果及异常验证统计表 Table 1 Statistics of workload and achievements and anomaly verification

金沙洲完成土壤氡浓度剖面20条,剖面总长13.39 km测点1492个.该区土壤氡浓度单点异常89个、异常带6条,其中有5条异常带与高密度电法异常或浅层地震反射波异常相吻合.验证土壤氡浓度异常6处,有4处见溶洞或构造带,准确率为66.7%.

大坦沙完成土壤氡浓度剖面10条,剖面总长16.10 km,测点1720个;该岩溶区土壤氡浓度单点异常82个、异常带10条,其中有8条异常带与高密度电法异常或浅层地震反射波异常相吻合.验证氡浓度异常10处,其中7处见溶洞或构造带,准确率为70%.

验证结果表明:土壤氡浓度测量在广州市金沙洲和大坦沙地面塌陷、地面沉降地质灾害探测中的应用取得了显著效 果.

6 应用实例

图 1为金沙洲Rn8号测线土壤氡浓度剖面图,该处为一氡浓度异常带,断续反应长度120 m,氡浓度最高为66 kBq/cm3,最低为3.5 kBq/cm3,与浅层地震反射波异常吻合,推测为溶洞或断裂带,在34~35号点之间布置ZK3016钻孔验证:在39.90~41.20 m、46.40~46.70 m地段见断裂带,在42.80~43.30 m地段见溶洞.

图 1 金沙洲Rn8号测线土壤氡浓度剖面图 Fig. 1 Profile of soil radon concentration from No. Rn8 line in Jinshazhou

图 2为金沙洲Rn16号测线土壤氡浓度剖面图,该处为一氡浓度异常带,断续反应长度290 m,氡浓度最高为29.9 kBq/cm3,最低为2.6 kBq/cm3,与高密度电法低阻异常吻合,推测为溶洞或断裂带,在27与28号点之间布置ZK3015钻孔验证:在40.80~42.05 m,43.00~44.50 m见破碎带;45.00~45.20 m见溶洞.

图 2 金沙洲Rn16号线土壤氡浓度剖面图 Fig. 2 Profile of soil radon concentration from No. Rn16 line in Jinshazhou

图 3为金沙洲Ⅰ号综合剖面图,该剖面在藤业一路,分别做了高密度电法、浅层地震反射波和土壤氡浓度探测,高密度电法D25号测线150~180 m、深度13~40 m之间有一低阻异常,该低阻异常错断了高阻岩层;浅层地震反射波DZ3号测线155~170 m、深度20~40 m之间有一同相轴被错断;土壤氡浓度Rn6-2号测线155~175 m之间有峰值异常,三种方法在同一位置均出现异常,推测可能为破碎带或溶洞, 经钻孔ZK3014揭露验证:19.85~21.90 m见溶洞,覆盖层厚度11.70 m.

图 3 金沙洲Ⅰ号综合剖面图
1.粉质粘土;2.灰岩; 3.断裂构造; 4.高密度电法推测溶洞; 5.浅层地震反射波推测溶洞; 6.浅层地震反射波推测构造; 7.验证钻孔
Fig. 3 No.1 comprehensive profile in Jinshazhou
1.Silty clay; 2. limestone; 3. fault structures; 4.speculated karst cave of high-densityresistivity method; 5.speculated karst cave of shallow seismic reflection wave method; 6.speculated structure ofshallow seismic reflection wave method; 7.verified drilling

图 4为大坦沙Rn3号测线土壤氡浓度剖面图,该处为一氡浓度异常带,异常断续反应长度200 m,氡浓度最高值为26.9 kBq/cm3,最低值为1.6 kBq/cm3,与浅层地震反射波异常吻合,推测为溶洞或断裂带,在12与13号点之间布置ZK504钻孔验证:在22.40~24.50 m、27.60~31.55 m、34.00~37.80 m地段见溶洞,此地段为F3与F10断裂交汇部位,有溶洞的地段同时岩石也较破碎;在26与27号点之间布置ZK308钻孔验证:在21.10~25.80 m地段见溶洞,当ZK308孔揭穿溶洞后,离孔口5 m处出现了直径5 m、深3 m塌陷坑.

图 4 大坦沙Rn3号线土壤氡浓度剖面图 Fig. 4 Profile of soil radon concentration from No. Rn3 line in Datansha

图 5为大坦沙Rn2号测线土壤氡浓度剖面图,该处为一氡浓度异常带,异常断续反应长度80 m,氡浓度最高值为23.7 kBq/cm3,最低值为1.8 kBq/cm3.测点号7~20为广州市第一中学运动场与教学楼地面之间沉降较严重地段,异常周边的钻孔揭露表明:该地段溶洞发育.

图 5 大坦沙Rn2号线土壤氡浓度剖面图 Fig. 5 Profile of soil radon concentration from No. Rn2 line in Datansha
7 几点认识

(1)土壤氡浓度探测结合其它物探方法在广州市金沙洲和大坦沙地面塌陷、地面沉降地质灾害探测中的应用取得了显著效果.

由于城市地下有各种管线,地面上有车流人流,严重影响了电磁法和浅层地震等方法在城市中的应用,土壤氡浓度测量具有不受地电、地磁和震动的干扰、不受场地大小限制,能在现场快速测定,直接给出结果,可随时重复测量或加密测量,从而保证测量数据可靠,具有快速、经济的优点,因此,土壤氡浓度探测在城市地质灾害探测中具有优越性,可供类似地区参考.

(2)对呈团块状或带状异常,如果经过多次抽气,氡浓度没有降低或降低幅度很小,则可推测该异常是由岩溶发育或断裂带或岩层接触带产生的,根据地质情况作相应推断解释;如果随着抽气次数增加氡浓度降低,则可推测该异常是由屏蔽作用或腐殖质较多吸附作用产生的,一般情况下单点异常为干扰异常.

(3)土壤氡浓度高值带和低值带交替出现,高值带背景上出现低值带,则低值带对应着岩溶发育或断裂带;根据土壤氡浓度剖面平面图上异常峰值连线,可推测为溶洞或断裂带的走向.

(4)在普查阶段,用土壤氡浓度进行面积普查,有氡浓度异常地段开展浅层地震反射波或高密度电法,进一步查明异常产生的原因及其深度.

(5)在松散地层、地下水位较深的地段,土壤氡浓度测量效果较好,而在淤泥地层、沼泽地或地下水位较浅的地段,则效果较差,在淤泥质土或含水量饱和的土层大规模出现的地区不宜开展土壤氡浓度测量.

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