0 引言

氡(Radon，符号Rn)作为一种无色、无味的放射性惰性气体，是铀(U)和钍(Th)衰变链的产物，其中最具研究意义的同位素为氡-222(Rn-222)，其半衰期为3.82天，通过α衰变持续释放射线并最终转化为稳定元素(曾力等，1993)。由于地壳岩石和土壤中普遍存在铀、钍等放射性元素，氡气可通过两种途径进入土壤环境：一是取样点岩土自身放射性元素衰变产生，主要影响背景值；二是沿断层迁移富集，与断层性质直接相关，可用于分析断层活动性(侯彦珍等，1994)。

土壤气氡在断层研究中具有重要作用。在空间上，断层处裂隙发育为氡气释放提供通道，使断层位置及上盘常出现显著氡异常，可用于圈定断层(尤其是隐伏断层)位置，如张慧等(2005)分析了兰州金城关断裂带土壤气氡、汞的地球化学特征及其与断层出露位置和断层产状的关系，邵永新等(2007)利用氡和汞探测海河隐伏活断层，任峰等(2016)通过土壤氡分析天津断裂分段特征，王喜龙等(2017、2021)分析了首都圈及辽宁金州断裂断层气地球化学特征及影响因素，毕杨杨等(2022)对石棉断裂开展的氡气探测，以及唐杰等(2023)对河北阳泉盆地开展的氡气探测等，均验证了这一有效性；在时间上，断层活动性变化会改变岩石孔隙结构与渗透性，导致氡浓度时序异常，可反映断层应力状态(邵永新，2012)，如嘉峪关断层带土壤气氡年变起伏较大时，附近地区地震活动性较强(王博等，2010)，唐山地区东北部因构造活动性强，氡浓度显著高于西南部(Wang et al，2014)，2016年门源M_S6.4地震前乐都气氡出现破年变特征(刘磊等，2017、2020)，1999年中国台湾南投7.6级地震前4~6个月土壤气氡异常幅度达背景值7倍(林依再，2001)。综上所述，监测土壤气氡浓度变化已成为断裂活动性评价和地震前兆分析的重要手段(Ciotoli et al，2007；King et al，1996；Wang et al，2014)。

郯庐断裂带是我国东部最大的断裂带(晁洪太等，1994)。近年来，已在该断裂带的不同位置开展了多次断层气探测。郑海刚等(2016)在郯庐断裂带安徽段的4个测点开展了土壤气Rn、Hg、CO₂的探测；张扬等(2017)、缪阿丽等(2019)先后在郯庐断裂带江苏段的4个测点开展了断层气Rn、CO₂的探测，戴波等(2020)在郯庐断裂带宿迁段F₅断裂开展了断层气Rn的探测分析。在山东省内，安丘—莒县断裂作为郯庐断裂带内活动时代最新、地表形迹最明显、地震危险性最大的断裂，是1668年郯城8.5级地震的发震断层，具备发生中强地震的构造背景(郑朗荪等，1988；朱光等，2001；万桂梅等，2009)。耿杰等(2019)曾在该断裂开展跨断层土壤气(Rn、CO₂、H₂)探测，发现北段眉村、安丘测线氡气最大测值为89.61~203.29kBq/m³，南段岭泉、麦坡测线为57.80~165.04kBq/m³，推测安丘段应力集中高于郯城段。为分析该断裂活动性的动态变化，借助氡具有惰性气体、衰变时间短等特点，以及其作为断层活动性指标的独特优势，在2017年测线基础上，2024年山东省地震局再次开展断层气探测。本文重点针对土壤气氡的分布特征、变化规律及其与构造活动性的关联展开研究，通过对比2017年与2024年数据、多气体协同分析，揭示断裂分段活动性差异。

1 地震地质背景

安丘—莒县断裂全长约360km，总体走向为北偏东5°~15°，是鲁西、胶东两大隆起区的构造分界带，对两侧基底与盖层类型、地球物理场性质具有显著分隔作用(万桂梅等，2009)。该断裂全新世活动特征明确，最新活动性质以走滑逆冲为主，历史上曾发生公元前70年安丘7级地震，更是1668年郯城8.5级特大地震的发震断层，具备深部孕震构造条件，是区域内未来强震的潜在危险构造，其地震活动呈现震级大、频率低的特点，因此对其全新世活动特征的研究是区域地震风险评估的核心内容(图 1)。

从构造发育背景看，安丘—莒县断裂形成于全新世，具有多期活动特点，其在昌邑—大店断裂与白芬子—浮来山断裂基础上发育而成，部分段落与上述两条断裂重合(晁洪太等，1994)。安丘—莒县断裂附近褶皱发育、裂隙分布不均，这种复杂的构造格局为土壤气氡的运移与富集提供了差异化的通道条件。断裂带不同段落的产状存在显著差异，北段(如坊子、安丘)与南段(如莒南、郯城)在断层倾角、倾向及破碎带宽度上的差异(表 1)，直接影响了氡气在空间上的分布形态与富集程度，这也是后续测线曲线呈现单峰、双峰或多峰形态的重要地质基础。

2 探测方法与数据特征 2.1 探测仪器与技术方法

本次土壤气氡探测工作选取气象条件稳定的时段(避开雨季)，于2024年9月19—27日开展，每日测量时间为8时0分—18时30分，同步采集土壤中Rn、CO₂、Hg、H₂、He共5种气体浓度。野外采样严格遵循构造地球化学观测要求：采样点优先选择田间土路等湿度较低区域，使用钢钎打孔至80cm深度，拔除钢钎后迅速将螺旋取样器放入孔内并旋转封堵孔口，确保气体采集的密封性。

氡浓度测量采用RAD-7型氡探测仪，该仪器通过频谱分析静电聚集后的Rn-222和Rn-220释放的α粒子计算浓度，检测范围为4~750000Bq/m³，标定误差小于10%，满足高精度测量需求。每个测点连续采集3组数据，每组数据采样时长5min，根据数据变化趋势取最大值；若数据持续升高，则追加至4~6组测量值，最终选取特征最大值作为该点代表值。为降低湿度对测量的干扰，仪器进气口前端加装干燥剂装置。

测线布设时参考耿杰等(2019)的探测路线，在安丘—莒县断裂沿线共设置10条测线(L1~L10)，自北向南依次为L1(昌邑三教堂)、L2(坊子眉村)、L3(坊子院上村)、L4(安丘北)、L5(安丘南)、L6(岭泉北)、L7(岭泉南)、L8(郯城北)、L9(郯城中)、L10(郯城南)，覆盖昌邑、坊子、安丘、莒南、郯城5个场地(图 1)。测线方向垂直于断层走向，长度根据跨断层需求设定为231~660m；测点间距采用差异化设置，靠近断层区域为10m，远离断层区域因地质条件限制为20~50m。实际测量中，L2测线获11组数据，L8测线获13组数据，其余测线各10组数据，总计104组有效土壤气氡数据。

2.2 数据的基本特征 2.2.1 测线形态初步分析

将10条测线的氡浓度数据绘制成三维可视化图(图 2(a))，可见氡浓度空间分布呈现显著的“山峰”状特征：高值区(深色、峰值高)对应断裂构造活跃段落，反映断层裂隙发育为氡气运移富集提供了有利通道；低值区(浅色、峰值低)多为断裂影响较弱或地层封闭性好的区域。不同测线的形态差异直观反映断裂分段活动性，单峰形态(如L1、L9、L10)：测值在局部区域集中升高，表明对应位置存在单一氡气富集带，应为断层核心位置(如L1测线的7~9号测点)；双峰或多峰形态(如L2~L8)：测值出现多个高值中心，反映断裂带内存在多段氡气富集区，与断裂多期活动形成的复杂裂隙系统相关。将各测线最大峰值位置连线(图 2(b))，可大致勾勒安丘—莒县断裂走向，但测线两侧数据不对称、曲线形态各异。这种不对称性源于图中标注的断层位置多为地表出露或推测连线，而实测测线峰值位置更接近断层实际精确位置；形态差异则与断裂形成过程密切相关，即安丘—莒县断裂在昌邑—大店断裂与白芬子—浮来山断裂基础上发育，多期活动导致褶皱发育、裂隙分布不均，进而造成氡气释放的空间差异。

根据侯彦珍等(1994)、刘菁华等(2006)、耿杰(2020)对氡曲线与断层产状关系的研究，绘制断层土壤气氡数据曲线原理示意图(图 3)，进一步解析断裂结构，正断层(倾角较大)对应对称单峰(如L8~L10)，因裂隙垂直发育均匀，氡气释放对称；逆断层(倾角较小)对应不对称单峰(如L1)，倾向一侧裂隙延伸更远，氡气衰减更缓慢；倾角极小且伴生褶皱的断层(如L4~L7)呈现多峰形态，褶皱引发的次级裂隙增加了氡气富集的复杂性(图 4)。实际观测中，安丘—莒县断裂各段多为上述类型的过渡形态，体现断裂产状的渐变特征。

2.2.2 分布形态分析

通过图 5中Quantile-Quantile图(Q-Q)检验数据分布形态(苏淑娟等，2024)，结果显示：数据主体(中间区域)接近正态分布，均值为22607Bq/m³，标准差17503Bq/m³，表明大部分测点的氡浓度受区域背景控制；两端数据(尤其是左侧低值区)明显偏离理论线，存在“厚尾”特征，提示存在异常值，其中极大值主要源于断层裂隙集中处的氡气异常富集，验证了断裂活动性对氡分布的显著影响。

核密度分布图(图 6)进一步揭示测线间差异：L1、L3测值集中在中低浓度(粉色-浅绿色)，整体水平低且波动小，反映对应断裂段裂隙不发育；L2、L4测值分布偏“窄长”且呈深绿-紫色，表明浓度整体偏高且数值集中，断裂活动性较强；L5、L6、L8、L9出现双峰分布，提示存在两种不同环境介质(如断层两侧岩性差异)导致的氡浓度差异；L6、L7低浓度测值占比极高(粉色高丘)，与该区域断层裂隙相对稀少一致。空间上，地理位置相近的测线(如L2与L3)呈现显著差异，而L4与L5(安丘场地)、L6与L7(莒南场地)、L8~L10(郯城场地)的形态相似性，进一步印证断裂活动性的分段特征，北段(昌邑、坊子、安丘)整体氡浓度高于南段(莒南、郯城)，反映北段裂隙发育程度更高。

3 数据计算与分析 3.1 数据统计与分析

基于数据主体接近正态分布的特征，参考邵永新等(2007)、毕杨杨等(2022)、任峰等(2016)、苏淑娟等(2024)的处理方法，结合拉依达准则(样本量≥30时适用)，对10条测线103组数据进行预处理：以测线平均值加3倍均方差作为正常数据上限，剔除超限值；以剩余数据算术平均值为背景值，背景值加1倍均方差为阈值，超过阈值的测值判定为异常点(异常点占比均≤30%，指标合理)，结合图 3原理，异常点所形成的区域为断层所经过的位置。数据统计结果见表 2、表 3、表 4，相应曲线变化见图 7。

3.1.1 测线尺度特征

由表 2可知，各测线氡浓度差异显著。所有数据的浓度范围为1930~74300Bq/m³，最大值出现在L2(眉村，74300Bq/m³)，最小值出现在L8(郯城北，1930Bq/m³)；各测线的最大值整体上呈现北高南低的趋势(图 7(a))；背景值上，L2(48845Bq/m³)、L4(41140Bq/m³)显著高于其他测线，L10(6161Bq/m³)、L7(8822Bq/m³)最低，呈现北段(L1~L5)高于南段(L6~L10)的趋势(图 7(c))；极值比(最大值/背景值)方面(图 7(e))，L8(3.15)最高，L4(1.45)最低，反映南段局部高值与背景值的差异更显著，可能存在更强的局部应力集中。L1~L10每条测线的异常点个数为1~2个，即每条测线峰值处或峰值与次峰值连线，即为断层所在的具体位置。

3.1.2 场地与分段特征

根据场地统计(表 3)，坊子(36764Bq/m³)、安丘(34778Bq/m³)背景值显著高于昌邑(21910Bq/m³)、莒南(9486Bq/m³)、郯城(14386Bq/m³)，且坊子、安丘的均方差更大(19828Bq/m³、15039Bq/m³)，表明北段场地裂隙更为发育且分布不均(图 7(d))；郯城极值比(2.73)最高，莒南(1.68)最低，与测线尺度分析结果一致(图 7(f))。

按断裂南北段划分(表 4)，北段(昌邑、坊子、安丘)背景值(33072Bq/m³)为南段(莒南、郯城，11663Bq/m³)的2.8倍，最大值(74300Bq/m³)为南段(58000Bq/m³)的1.28倍，说明北段整体裂隙发育程度更高；南段极值比(3.16)高于北段(2.25)，提示南段局部应力集中更明显，与图 7中郯城测线(L8)的极端高值特征吻合。

3.2 不同测项之间的对比

同步探测的CO₂、Hg、H₂、He数据显示，土壤气氡与其他气体的分布特征存在显著关联性(图 8)，背景值趋势：Rn(红色)、CO₂(黑色)、H₂(绿色)从北至南均呈现“高—低—高”的趋势，最高点均位于坊子，最低点位于莒南，空间分布一致性显著；极值比趋势：Rn、CO₂、H₂的极值比均在郯城达到最大值，且曲线形态高度相似。为量化其相关性，分别计算了Rn与其他气体背景值的相关系数，结果分别为CO₂(0.77)、Hg(-0.28)、H₂(0.66)、He(0.43)，可见Rn与CO₂、H₂的关系最为密切，相关系数较高。三者的协同变化进一步说明断层活动性是控制气体释放的核心因素。

3.3 不同测期之间的对比

对比耿杰等(2019)的探测数据(2017年)与本次2024年数据(图 9)，发现显著的时序变化：2024年各场地背景值整体低于2017年，且趋势差异明显(如莒南2017年为高值，2024年为低值)，反映了断层活动性的阶段性变化；除郯城外，2024年极值比均低于2017年，其中坊子至莒南呈下降趋势，而郯城则大幅上升。结合断层活动性的时间动态特征，郯城极值比的异常上升可能暗示该段构造应力集中程度增加，需重点关注其地震危险性。

3.4 不同断裂之间的对比

与2023年4月张店—仁河断裂(同属郯庐断裂带，距本次测区安丘段约93km)的探测数据对比(图 10)，结果显示：安丘—莒县断裂氡浓度为1930~74300Bq/m³(均值22607Bq/m³)，张店—仁河断裂为3520~43300Bq/m³(均值15956Bq/m³)，前者浓度跨度更大，极端高值更显著；分布趋势上，两者均呈现“北高南低”特征(图 10(c))，但安丘—莒县断裂北段(大于20000Bq/m³)占比(42%)高于张店—仁河断裂(34%)，反映其北段裂隙发育更充分。空间上同属郯庐断裂带、时间上间隔1.5年的两次探测结果对比初步说明背景值“北高南低”是该区域断裂带的共性特征，而安丘—莒县断裂更宽的浓度范围与其“地震危险性最大”的构造属性一致。张店—仁河断裂的极值比(图 10(d))同样具有“北低南高”的特性，与安丘—莒县断裂的极值比特征类似(图 9(b))。

4 机理讨论

土壤气氡的分布特征是地质构造、断裂活动性及外部环境等多因素共同作用的结果。结合安丘—莒县断裂的地质背景与数据特征，其氡浓度的空间差异及时序变化可通过以下机理阐释。

4.1 地质构造对氡分布的控制作用

地层岩性与断裂结构是决定氡背景值与异常形态的核心因素。

(1) 地层岩性起基础作用。中生界地层(如坊子的王氏组砂砾岩、安丘的白垩系砾岩)铀钍含量较高且易风化破碎，为氡气生成提供了物质基础，其背景值(33072~36764Bq/m³)显著高于第四系为主的莒南、郯城(9486~14386Bq/m³)。但2017与2024年同地层氡值的大幅差异(图 9)表明，岩性仅为背景值提供物质条件，而非决定性因素。

(2) 断裂产状直接影响。断裂走向(NNE向)与倾向的差异导致裂隙分布不均，坊子(右旋走滑正断层，倾向东)、郯城(右旋走滑逆断层，倾向东)因裂隙沿倾向延伸，形成不对称单峰或多峰(L2~L3、L8~L10)；安丘(右旋走滑逆断层，倾向西)伴生褶皱发育(图 4)，次级裂隙密集，呈现多峰形态(L4~L5)。断裂带宽度(30~50m)则控制异常范围，各测线异常范围相差不大，实际异常曲线宽度也受褶皱等影响(表 1)。

(3) 多期活动产生叠加效应。该断裂经历多期活动，在昌邑—大店断裂与白芬子—浮来山断裂基础上叠加改造，导致北段(坊子、安丘)裂隙连通性更好，整体背景值偏高；南段(莒南、郯城)改造程度较低，裂隙分散，故背景值低，但局部因应力集中出现高值(如L8测线为58000Bq/m³)。

4.2 地震活动性与氡异常的关联

断层活动性强弱通过改变裂隙渗透性控制氡气释放强度。空间上，2015—2025年地震震中分布显示(图 1)，南段(郯城、莒南)地震频次显著高于北段，与南段更高的极值比(3.16)一致。地震活动频繁意味着构造应力持续释放，裂隙反复开合，促进局部氡气富集，形成高极值比。张店—仁河断裂同样呈现“地震活跃段极值比高”的规律(图 1)，进一步印证地震活动性是驱动氡异常的关键动力。安丘—莒县断裂及张店—仁河断裂的北段均是高背景值，但地震活动少，应力积累稳定，极值比相对较低。时序上，2024年郯城极值比的大幅上升(图 9(b))与该区域近年地震活动强的现状吻合，暗示构造应力集中程度增加。而坊子至莒南极值比下降，可能反映北段应力释放趋于稳定，与2017—2024年间北段地震频次减少的特征一致。

4.3 气象因素的间接影响

气象条件通过改变土壤物理性质影响氡气运移，但其作用次于构造因素。其中降雨量具有调控作用。2024年郯城降雨量接近近10年最大值(图 11)，理论上高湿度会抑制氡气释放，但L8测线仍出现58000Bq/m³的极端高值，说明构造活动的主导作用已超过气象干扰。而北段安丘2024年降雨量较少，土壤透气性好，可能加剧了氡气释放，部分解释了北段背景值偏高的现象。此外，测量时段具有一致性，本次探测(2024年9月)与2017年同期均避开雨季，气象条件稳定，因此测期间的氡值差异(图 9)主要反映构造活动性变化，而非短期气象波动。

综上，安丘—莒县断裂土壤气氡的分布特征以地质构造为基础(控制背景值与异常形态)，以地震活动性为核心驱动力(决定极值比与时空变化)，气象因素仅起次要调节作用。这种多因素耦合机制为通过土壤气氡解析断裂活动性提供了理论依据。

5 结论

本文通过对2024年9月山东安丘—莒县断裂10条测线104个测点的土壤气氡浓度数据进行系统分析，结合地质构造、地震活动及气象条件等因素，得出以下结论：

(1) 土壤气氡浓度分布特征显著。该断裂带土壤气氡浓度变化范围为1930~74300Bq/m³，均值为22607Bq/m³，主体分布接近正态分布但两端存在偏离，反映区域背景值主导下的断层裂隙异常。空间上整体呈现“北高南低”的趋势，北段(昌邑、坊子、安丘)背景值(33072Bq/m³)为南段(莒南、郯城，11663Bq/m³)的2.8倍，表明北段整体裂隙更发育。测线曲线形态多样，单峰(如L1、L8~L10)对应单一断层位置，双峰或多峰(如L2~L8)反映断裂带内多段氡气富集区，与断层及附近褶皱的裂隙分布特征一致。

(2) 分段活动性差异明显。北段以高背景值、低极值比(2.25)为特征，体现整体裂隙发育且应力分布较均匀；南段背景值低但极值比高(3.16)，显示局部应力集中更显著，尤其郯城测线(L8)极值比达3.15，暗示该段构造活动相对活跃。土壤气氡与CO₂、H₂的背景值及极值比变化趋势高度一致，且相关系数较高，三者协同响应断层活动性。

(3) 多因素共同影响氡浓度分布。地质构造上，中生界地层背景值高于第四系，断裂产状及多期活动导致裂隙不均匀分布，控制氡气异常形态；地震活动性方面，南段地震数量多于北段，与极值比特征吻合，反映构造活动对局部高值的驱动作用；气象因素中，降雨量通过影响土壤透气性间接调节氡浓度，但主导作用次于构造因素。2024年与2017年数据对比显示，郯城极值比大幅上升，可能指示该段应力集中程度增加。

综上所述，安丘—莒县断裂土壤气氡的地球化学特征为该断裂的活动性评价、地震风险评估及前兆分析提供了关键的地球化学依据，其中南段局部高应力集中现象需持续监测。