引用本文
胡俊峰, 陈永凌, 代雪健, 李怀远, 邱东, 严浩. 定日县岗嘎地堑盆地隐伏断层氡气特征及其活动性分析[J].中国地质调查, 2024,11(1): 45-56.
HU Junfeng, CHEN Yongling, DAI Xuejian, LI Huaiyuan, QIU Dong, YAN Hao. Radon gas characteristics and activity analysis of hidden faults in Gangga Graben Basin of Dingri County[J].Geological Survey of China, 2024,11(1): 45-56.  
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2024.01.06
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定日县岗嘎地堑盆地隐伏断层氡气特征及其活动性分析
胡俊峰, 陈永凌*, 代雪健, 李怀远, 邱东, 严浩
中国地质调查局军民融合地质调查中心,四川 成都 610059

第一作者简介: 胡俊峰(1992—),男,工程师,主要从事综合物理勘探工作。Email: 1179176232@qq.com。

通信作者简介: 陈永凌(1988—),男,工程师,主要从事综合物理勘探工作。Email: cdlgdcyl@163.com。

收稿日期: 2022-11-09
基金资助: 中国地质调查局“中尼铁路扎果—岗嘎段美母等4幅1∶5万区域地质调查(编号: DD20211547)”项目资助
摘要

在中尼铁路的前期地质勘查工作中,岗嘎地堑盆地的活动断层对于铁路选址的影响是不可忽略的因素。为查明岗嘎地堑盆地的盆地边界断层、3个地垒的边界正断层以及其他隐伏断层的位置与活动性,开展了土壤氡气测量工作。通过测量,查明了盆地的东侧、西侧、北侧3个边界断层的大致位置,明确了3个地垒边界正断层的位置及其延伸走向。对盆地内断层的活动性进行了分析,北侧断层的活动性整体强于南侧,东侧强于西侧。研究可为中尼铁路的选址工作提供科学依据。

关键词: 地堑盆地; 氡气测量; 断层活动性
中图分类号:P313.2 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2024)01-0045-12
Radon gas characteristics and activity analysis of hidden faults in Gangga Graben Basin of Dingri County
HU Junfeng, CHEN Yongling, DAI Xuejian, LI Huaiyuan, QIU Dong, YAN Hao
Civil-Military Integration Center of China Geological Survey, Sichuan Chengdu 610059, China
Abstract

The active faults impact of Gangga Graben Basin on the railway site selection cannot be ignored in the geological work in the early stage of China-Nepal Railway. Soil radon measurement work was carried out to identify the location and activity of boundary faults of Gangga graben basin and three horsts, and other hidden faults. The approximate positions of the three boundary faults in the east, west, and north of the basin were ascertained and the positions and extension directions of the faults on both sides of the three horsts were verified through measurement. The faults activity within the basin was analyzed, with the overall activity of the northern faults and eastern faults being stronger than that of the southern faults and western faults. This research could provide scientific basis for the site selection work of China-Nepal Railway.

Keyword: graben basin; radon gas measurement; fault activity
0 引言

断层气是地球内部沿着活动板块、块体边界以及其他地壳薄弱带向地表迁移释放的气体。监测断层气释放浓度的变化范围, 已成为探索地震前兆、地震预测以及评价断层活动性的重要方法[1, 2]。韩谢等[3]对中国地震分布规律做了深入研究, 肖天纬[4]从周期性、重复性和迁移性上详细介绍了喜马拉雅地震带, 两者的研究都表明喜马拉雅地区为地震高发地区。地球物理探测是了解地下地质结构的有效途径, 近年来相关单位在青藏高原开展了不同方法的地球物理探测, 包括深地震测深剖面、近垂直地震反射剖面、宽频带地震观测、大地电磁测深剖面、深部重力与磁力测量剖面、遥感等, 主要为大区域、小比例尺的物探工作, 以深部构造研究为主, 获得了很多地质资料[5]。然而, 以往的地球物理探测以剖面测量为主, 大范围的面积资料较少, 不利于从整体上认识青藏高原的地质结构。中国地质调查局航空物探遥感中心在青藏高原中西部地区开展了1∶ 25万航磁调查[6], 中国石油天然气集团公司在羌塘盆地完成了1∶ 25万区域重力测量[7], 陕西省地质调查院在青藏高原定日— 木孜塔格峰地区开展了区域重力调查工作[8], 这些工作填补了部分面积资料的空白。

岗嘎地堑盆地人口较为稠密, 岗嘎镇作为当地的政治、经济、文化中心, 位于岗嘎地堑盆地的北侧。岗嘎地堑盆地位于喜马拉雅山脉北侧, 距珠穆朗玛峰59 km, 正处大型活动断层及地震带上, 常年大小地震频发。近年来, 盆地周边地区地震的发生频率明显增多, 盆地内活动断层较为活跃, 第四系覆盖层错动明显, 这对于岗嘎镇经济建设以及中尼铁路的修建和维护是重大隐患。因此, 有必要对盆地周边及内部的活动断层进行探测, 并对断层活动性进行分析。本文依托“ 中尼铁路扎果— 岗嘎段美母等4幅1∶ 5万区域地质调查” 项目, 对岗嘎地堑盆地的土壤开展氡气测量工作, 查明活动断层分布情况, 可为今后在高原地区开展土壤氡气测量寻找活动断层提供技术参考, 为在青藏高原开展同类工作提供依据。

1 研究区概况
1.1 断层

岗嘎地堑盆地整体为宽阔的山前断陷盆地, 内部由数个SN向展布的地堑和地垒构成, 由一系列SN向正断层所控制, 其东侧边界为热久— 龙江正断层, 西侧边界为参木达— 郎果正断层, 北侧边界为EW向的朋曲河走滑断层, 地堑南部向藏南拆离系延伸(图1)。地堑中部至南部自西向东发育3个较为重要的地垒, 分别为贡巴萨巴地垒、贡达普地垒和曲龙贡达地垒。

图1 岗嘎地堑盆地正断层与测线分布Fig.1 Distribution of normal faults and survey lines in Gangga Graben Basin

参木达— 郎果正断层为定日盆地西侧的边界断层, 北端止于朋曲河河谷附近, 总体走向为近SN向, 参木达— 郎果正断层东盘的地层呈单斜东倾(图2(a)), 西盘地层则具复杂的褶曲形态, 在参木达村附近, 断层带宽近1 km, 由5条近SN向的断层组成, 并沿断层形成高约10 m的泉华脊垅(图2(b)), 脊顶尚有几处流量不足1 L/s的温泉出露, 泉口温度超过40 ℃, 泉华的U-Th年龄为19.96~13.05 ka, 活动时限为更新世晚期。

图2-1 岗嘎地堑盆地断层野外特征Fig.2-1 Field characteristics of faults in Gangga graben basin

图2-2 岗嘎地堑盆地断层野外特征Fig.2-2 Field characteristics of faults in Gangga graben basin

热久— 龙江正断层沿定日盆地东缘热曲藏布向南延伸, 总体走向约355° 。断层在遥感影像上表现为清晰的线性影像, 在热久村一带发育多期洪积扇, 可见由断层错断并延伸数千米的洪积扇陡坎(图2(c)), 反映了断层最新活动时期强烈的差异活动特性。龙江村附近的断层活动在断层西盘形成典型的构造残山地貌(图2(d)), 且两盘的地层产状与构造形态迥异。

EW向的朋曲河走滑断层为本区最主要的一条断层, 也是测区最晚开始活动的断层, 其近期活动表现为SN向的参木达温泉泉华被断层错断, 呈雁列式分布, 在接近朋曲河处因受该断层右旋拉伸作用影响, 断层走向由NE向偏转为NWW向(图2(e)), 该断层在参木达村一带可见由断层错断并延伸数千米的冲积扇陡坎(图2(f))。

1.2 地堑成因

根据详细的野外调查, 初步推断岗嘎地堑整体为“ 地堑+地垒” 的构造模式(图3), 根据钙华U系测年结果[9, 10], 推断地堑由两侧向中间发育, 地堑边界断层的年龄较老, 中部地垒断层的年龄较新。

图3 岗嘎地堑构造模式Fig.3 Tectonic model of Gangga graben

基于藏南近SN向裂谷的时空发育特征, 可以用“ 印度板片向东拆离模型” 来解释岗嘎地堑近EW向盆地的伸展变形[11, 12]。该模型认为, 新特提斯洋板片向北俯冲发生断离后, 印度大陆岩石圈持续俯冲并固定在地幔中, 之后开始自西向东逐步拆离, 这一过程的另一结果是俯冲板片的纵向撕裂。随着板片横向拆离的发展, 印度岩石圈以不同的方式向前俯冲, 拆离和未拆离板片之间的运动学差异导致在它们的连接点处产生剪应力, 当剪应力累积至超过俯冲板片的极限强度时, 板片发生自北向南的撕裂, 从而产生了SN向的裂谷或地堑。

1.3 地层

岗嘎地堑盆地主要出露中生界和新生界。中生界主要为二叠系基龙组(P1j)、上三叠统曲龙共巴组二段(T3q2)和德日荣组(T3d)、下侏罗统普普嘎组(J1p)和中侏罗统聂聂雄拉组(J2n)等海相沉积, 新生界主要由上新统沃马组(N2w)陆相沉积及上更新统— 全新统冲洪积组成。

新生界几乎覆盖了整个地堑盆地的内部, 并由东西两侧的正断层所控制。上新统沃马组(N2w)分布于贡达普地垒及曲龙贡达地垒南侧, 呈角度不整合覆盖于曲龙共巴组二段(T3q2)岩屑石英砂岩或普普嘎组(J1p)灰岩之上, 其下部为泥岩和砂岩的河湖相沉积, 上部为一套河流相砾石堆积, 产状基本水平。更新统主要为冲洪积物、湖积物和少量冰碛物, 冲积物沿地堑东西两侧的山前带分布, 主要为冲积扇。湖积物多被全新世冲积物覆盖, 由第四系钻孔揭露为一套深灰色含有机质的泥岩。地堑南侧有少量更新统冰碛物堆积, 主要来自南侧卓奥友峰的冰川冰湖, 向北呈舌状展布。全新统主要为大量的河流冲积物和洪积物, 地堑东西两侧的山前冲洪积物呈扇状或带状分布, 切割或覆盖了早期沉积的更新统冲洪积物。地堑中部主要为加角曲河及热曲藏布的冲洪积物堆积和钙华盐碱地, 整体为广袤的冲洪积平原, 地势平坦, 靠近村庄的区域多已开发为农田。

2 研究方法

采用美国产的 DURRIDGE- RAD7型氡气分析测试仪器对岗嘎地堑盆地隐伏的断层进行土壤氡气浓度现场测定。在氡气测量过程中, 测点间距布置为10 m, 在断层构造不发育或氡气浓度较低的部位适当增大测距, 在地形图上确定剖面起点及测线的总体方位。野外测量时, 每一个测点用实时动态(real time kinematic, RTK)测量系统确定点位和点距, 点位误差小于10 cm。在每一个测点上, 先将仪器抽取空气净化4 min, 采用专业钢钎打孔, 孔的直径约30 mm, 深度为60~70 cm, 然后将头部有气孔的取样器插入其中并密封地表[13]。测量过程设定为4次循环过程, 每个循环4 min, 共获得4个数据。按照仪器使用要求, 取第3次数据和第4次数据的平均值作为该点土壤氡气浓度数据, 再根据每台仪器标定实验得到的单位体积响应度, 求得该点的氡气浓度异常值, 单位为 Bq/m3。

背景值的确定直接影响氡气特征曲线的形态和规模, 进而影响对断层规模和活动性的判断, 需将明显的高值、低值和不可靠值排除出统计计算。由于测线之间的地质背景存在些许差异, 因此分开计算每条测线的背景值。计算每条测线的背景值时, 首先区分数据分布情况, 当服从正态分布时, 用算术平均值法确定背景值, 当服从对数正态分布时, 用对数平均值法确定背景值。

根据《DB/J 15— 2009活动断层探测》[14], 异常下限值的计算取该测线均值与其2~4倍均方差之和, 本文均取2倍的均方差计算。背景值为该条测线反复剔除异常值(大于异常下限值)和零值后的平均值。为了保持数据的真实性和完整性, 所有数据均参与第一次计算, 得到一个背景值及异常下限值, 去掉异常值(大于异常下限值)和异常低值后再次计算, 以此反复剔除计算, 最终得到的数据均值作为该条测线的背景值, 背景值与其2倍的均方差之和为测线的异常下限值。此外, 根据背景值、最高峰值浓度和平均峰值浓度, 计算出最高峰背比(最高峰值浓度与背景值的比值)与平均峰背比(平均峰值浓度与背景值的比值)。考虑到 L1、 L2、 L3、 L4线首尾基本相连, 在这些测线共用同一个背景值及异常下限值。

3 岗嘎地堑盆地断层氡气特征
3.1 测线布置依据

依据地质勘探和遥感解译成果, 初步划定盆地的东侧、北侧和西侧边界及3个地垒隐伏断层的大致位置, 据此布置测线, 以求在工作量最小的情况下达到研究目的。由图1可以看出, 在研究区的东侧、西侧和北侧边界及3个地垒周边分别布置了7条测线。其中L1线用于测量贡达普地垒, L2线用于测量曲龙贡达地垒, L3线和L4线用于测量贡巴萨巴地垒, L5线用于测量盆地东侧边界, L6线用于测量西侧边界, L7线用于测量北侧边界。

3.2 测量结果

3.2.1 L1线与L2线

L1线位于贡达普地垒的南侧, 长2.20 km, 用于测量地垒两侧的隐伏断层F1、F2和F3。根据异常下限值以及土壤氡气浓度的分布特征, 可将L1线的异常分为3个异常带, 从西到东分别为I、II和III带(图4, 表1)。

图4 L1线土壤氡气浓度异常曲线Fig.4 Abnormal curve of soil radon concentration in L1 line

表1 L1线土壤氡气异常带特征 Tab.1 Characteristics of soil radon anomaly zones in L1 line

根据L1线土壤氡气异常带特征, 其所指示的断层(带)的相对活动性表现为异常带I> II> III。结合地质调查及遥感解译成果, 推测异常I带为贡达普地垒西侧断裂F1, 异常III带为地垒东侧断裂F3, 异常II带为遥感解译的山体中段断层F2。

L2线位于曲龙贡达地垒的北侧, 长4.00 km, 用于测量地垒两侧的隐伏断层F4、F5、F6及盆地东侧边界的热久— 龙江正断层。根据异常下限值以及土壤氡气浓度的分布特征, 可将L2线的异常分为4个异常带, 从西到东分别为异常带I、II、III、IV(图5, 表2)。

图5 L2线土壤氡气浓度异常曲线Fig.5 Abnormal curve of soil radon concentration in L2 line

表2 L2线土壤氡气异常带特征 Tab.2 Characteristics of soil radon anomaly zones in L2 line

根据L2线土壤氡气异常带特征, 其所指示的断层(带)的相对活动性表现为异常带II> I> IV> III。结合地质调查及遥感解译成果, 推测异常I带为曲龙贡达地垒西侧隐伏断层F4, 异常III带为盆地东侧边界热久— 龙江正断层, 异常IV带为盆地东侧的切割断层F6。

3.2.2 L3线

L3线位于贡巴萨巴地垒的西侧, 长2.90 km, 用于测量贡巴萨巴地垒西侧的隐伏断层F7。由图8可以看出, 测线前端出现3个异常(图6), 但根据地质调查及遥感解译成果, 断层F7应当出现在测线的尾端, 因此L3线并未探测到贡巴萨巴地垒西侧的隐伏断层。

图6 L3线土壤氡气浓度异常曲线Fig.6 Abnormal curve of soil radon concentration in L3 line

3.2.3 L4线与L5线

L4线位于贡巴萨巴地垒的北侧, 长4.96 km, 用于测量贡巴萨巴地垒两侧的隐伏断层F7、F8。根据异常下限值以及土壤氡气浓度的分布特征, 可将L4线的异常分为1个明显的异常带和多个不明显的异常带(图7, 表3)。结合地质调查及遥感解译成果, 推测异常I带为贡巴萨巴地垒的西侧隐伏断层F7, 但尚未发现明显的东侧隐伏断层F8。

图7 L4线土壤氡气浓度异常曲线Fig.7 Abnormal curve of soil radon concentration in L4 line

表3 L4线土壤氡气异常带特征 Tab.3 Characteristics of soil radon anomaly zone in L4 line

L5线位于岗嘎地堑盆地的北侧, 长1.00 km, 用于测量盆地东侧边界的热久— 龙江正断层。根据异常下限值以及土壤氡气浓度分布特征, 可将L5线的异常分为2个异常带, 从西到东分别为I带和II带(图8, 表4)。

图8 L5线土壤氡气浓度异常曲线Fig.8 Abnormal curve of soil radon concentration in L5 line

表4 L5线土壤氡气异常带特征 Tab.4 Characteristics of soil radon anomaly zones in L5 line

根据L5线的土壤氡气异常带特征其所指示的断层(带)的相对活动性表现为异常带I> II。结合地质调查及遥感解译成果, 推测异常I带为岗嘎地堑盆地东侧边界的热久— 龙江正断层。

3.2.4 L6线与L7线

L6线位于岗嘎地堑盆地的西侧, 长3.78 km, 用于测量盆地西侧边界的参木达— 郎果正断层。根据异常下限值与土壤氡气浓度的分布特征, 可将L6线的异常分为3个异常带, 从西到东分别为I带、II带和III带(图9, 表5)。

图9 L6线土壤氡气浓度异常曲线Fig.9 Abnormal curve of soil radon concentration in L6 line

表5 L6线土壤氡气异常带特征 Tab.5 Characteristics of soil radon anomaly zones in L6 line

根据L6线土壤氡气异常带特征, 其所指示的断层(带)的相对活动性表现为异常带II> III> I。结合地质调查及遥感解译成果, 推测异常II带为岗嘎盆地西侧边界参木达— 郎果正断层。

L7线位于岗嘎地堑盆地的北侧, 长5.29 km, 用于测量盆地北侧边界的朋曲河走滑断层。根据异常下限值以及土壤氡气浓度分布特征, 可将L7线的异常分为9个异常带, 从西到东分别为I、II、III、IV、V、VI、VII、VIII和IX带(图10, 表6)。

图10 L7线土壤氡气浓度异常曲线Fig.10 Abnormal curve of soil radon concentration in L7 line

表6 L7线土壤氡气异常带特征 Tab.6 Characteristics of soil radon anomaly zones in L7 line

根据L7线土壤氡气异常带特征, 其所指示的断层(带)的相对活动性表现为异常带IX> III> IV> VIII> V、VI、VII> I、II带。结合地质调查及遥感解译成果, 推测异常III带为朋曲河走滑断层。

3.3 盆地断层氡气特征

本文布设的7条氡气测线基本包含了盆地北侧、东侧、西侧边界及3个地垒的边界断层, 测线走向同时涵盖了SN向与NE向, 很好地实现了布设目的。L1线、L2线、L4线、L6线及L7线还存在多个不明显的异常带及单个异常点, 可能是由于第四系厚度较大, 氡气上升通道不畅等因素所致, 未将其分为异常带。根据7条氡气测线的测量结果, 可以得到以下认识。

(1)盆地整体的氡气浓度相比于我国其他地区的氡气浓度[1]普遍要大得多, 基本都在1 000 Bq/m3以上, 在其他地区很少出现这么大的数值。

(2)盆地整体的氡气浓度表现出东边高、西边低的特征, 在朋曲河一带, 氡气浓度整体波动较小, 但存在更多的小断层, 在断层出现的地方氡气异常显著。

(3)受第四系覆盖的影响, 在远离断层的位置氡气异常不显著, 测量效果不好。

(4)受印度板片向东拆离的影响, 整个盆地内3个地垒的西侧断层F1、F4、F7较东侧断层F3、F5、F8的氡气浓度更大, 峰背比数值更大, 断层活动更活跃。

4 岗嘎地堑盆地断层活动性判别

断层氡气浓度受地质条件、断层活动性等多种因素影响, 用氡气浓度来进行断层活动性分级(活动强度级别)没有统一的判别标准, 仅有少数学者依据经验提出了若干仅适用于局部地区的相对活动性判别方法[15, 16, 17, 18]。本文对岗嘎地堑盆地具有代表性的隐伏断层的氡气浓度进行了分析, 以最高峰背比与平均峰背比的大小来划分隐伏断层的相对活动性强弱。

考虑到高原地区氡气浓度整体较高, 导致峰背比偏小, 在判定断层活动性时, 数值标准需相对放低。如表7所示, 断层活动性由强到弱为: 热久— 龙江断层、朋曲河走滑断层、F7、参木达— 郎果断层、F6、F4、F5、F1、F3、F2, 表明位于岗嘎地堑盆地东部边缘的隐伏断层活动性最强, 其次为北部的隐伏断层, 而后为西部的隐伏断层, 中部地垒两侧的隐伏断层活动性最弱。岗嘎地堑盆地的隐伏断层受印度板片向东拆离以及藏南拆离系所控制。

表7 岗嘎地堑盆地断层带氡气异常形态及对断层的指示 Tab.7 Radon anomaly putterns in fault zone of Gangga Graben Basin and its indication for faults
5 结论与建议

本文布设了7条土壤氡气浓度测线, 测量的断层基本涵盖了岗嘎地堑盆地内地质调查与遥感解译探明的所有断层, 为更好地解释区内活动断层的位置及走向提供了物探依据。

(1)结合地质调查、遥感解译及土壤氡气测量成果, L2线异常III带和L5线异常I带探明了盆地东侧边界热久— 龙江正断层的大致位置及走向, L6线异常I带探明了盆地西侧边界参木达— 郎果正断层的大致位置及走向, L7线异常III带探明了盆地北侧边界朋曲河断裂的大致位置及走向。这几条测线很好地划定了盆地的东侧、北侧、西侧边界, 综合圈定了岗嘎地堑盆地的大致范围。L1线、L2线、L3线、L4线基本划定了3个地垒的边界断层位置, 查明了断层的活动性。L1线异常I带、异常III带划定了贡达普地垒边界断层F1、F3的位置, L2线划定了曲龙贡达地垒边界断层F4的位置, L3线、L4线划定了贡巴萨巴地垒边界断层F7的位置, 地堑盆地西侧的断层活动性明显高于东侧。

(2)岗嘎地堑盆地内部的氡气浓度相对边界处的氡气浓度整体偏大, 峰背比整体偏小。盆地边界处第四系覆盖层厚度更大, 且第四系颗粒较小, 气体通道堵塞可能是边界处数值整体较小的原因, 也可能是由于SN向的大构造横穿盆地, 走向垂直于盆地内部的测线, 导致盆地中间数据整体偏大。

(3)本次在岗嘎地堑盆地开展土壤氡气测量工作, 基本查明了盆地内的所有活动断层, 并分析了其活动性, 为中尼铁路的后期选址及修建提供了科学的数据依据。

氡气浓度异常的形成与活动断层的规模大小、活动程度、断层的倾向及倾角、破碎带宽度、充填物的透气性、覆盖层厚度等因素有关, 同时受气候条件、地貌、植被影响, 较为容易受到干扰, 使得数据可靠性不够强, 同时土壤氡气测量工作较为单一, 使得其理论结果难以得到相互印证、相互支撑。建议在开展土壤氡气测量的同时开展高密度电法、音频大地电磁法、瞬变电磁法等能探测深部地质情况的物探方法。

(责任编辑: 魏昊明)

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