郭莉 刘旭东 高学泉 尤世娜 周瑜琨 白凌燕

摘 要：选取地表变形痕迹明显的典型场地——温榆河北堤、中部绿化带和北部农田，开展土壤气汞、大气汞浓度和土壤汞含量监测研究。监测结果表明：1）地表覆盖层性质不同，对表层土壤气汞特征有显著的影响，表层（0～20 cm）土壤气汞浓度以及土壤汞（0～20 cm）含量均为绿化带>农田>河堤;2）深层（60～80 cm）土壤气汞浓度高于表层（0～20 cm）土壤气汞濃度，地表变形痕迹明显处为土壤气汞浓度异常地段，其曲线分布形态反映温榆河北堤和北部农田断裂结构特征不同，不同季度深层土壤气汞浓度特征表明黄庄-高丽营断裂带温榆河北堤和北部农田地段活动性相同;3）通过监测土壤气汞地球化学动态特征，有利于土壤气汞地球化学方法进行断裂带的控制性探测。

关键词：土壤气汞;断裂带;黄庄-高丽营断裂带

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世纪60年代，地球化学勘查家已将壤中气汞应用于矿产勘查、地热勘探、地震预报和考古工作。1991 年原地质矿产部颁布实施了行业标准DZ 0003-1991《汞蒸气测量规范》，认为土壤中汞气来源于矿体，随着试验范围的扩大和应用性资料的积累，特别是断裂构造带及地震预报的大量资料的应用，汞气广泛来源于构造断裂带，土壤中汞气异常主要指示断裂构造（卫敬生，1998）。

大量城市活断层地球化学探测的实践证明，利用土壤气汞地球化学方法开展城市隐伏断裂的勘查，通常受地质、气象及地表环境条件的影响，如温度、地表覆盖层条件及地表岩石碎屑等（王传远等，2004;张冠亚，2015;陆丽娜等，2018;Poissant et al.，2004）。为了使测量结果更精确可靠，分析和结论更为科学，选择有断层露头或有探槽资料的典型场地开展试验研究（张慧等，2013;Burton et al.，2004），验证土壤气汞地球化学探测方法在各因素影响下，判断断层位置、断裂结构、断裂影响范围有效性（Shao Yongxin et al.，2008），断裂释放气汞对环境影响研究的可行性。通过对典型场地土壤气异常特征分析，气汞浓度曲线特征，并结合理论基础，为研究断层控制性探测提供重要依据。

1  研究区概况

研究场地位于北京市平原区黄庄-高丽营断裂北段穿越的未来科学城园区内，断裂北段全新世以来断裂活动明显，地表变形痕迹明显，温榆河北堤断裂错断到地表位置（图1 a），中部沥青路面地表变形明显，北部鸡肉厂墙面强烈变形开裂并延伸至地表，路面形成明显的陡坎（图1 b）。

2  研究方法

2.1  采樣方法

2.1.1  监测线布设

2020年6月—2021年5月，以地表变形痕迹明显处为监测中心点，北部农田垂直于断裂走向布设监测线，温榆河北堤沿河堤布设监测线，见图2，随着远离变形痕迹明显处或者陡坎位置，监测点间距逐渐增大，两端固定监测点间距5 m、25 m、50 m、100 m。对表层（0～20 cm）土壤气汞、深层（60～80 cm）土壤气汞、大气汞浓度和表层（0～20 cm）土壤汞含量进行监测。每次采样记录地表温度，见图3。

2.1.2  捕汞管净化

新出厂的和长期未使用的镀金玻璃砂捕汞管在500～600ºC的炉温下净化，然后捕汞管连接仪器，仪器响应值为零，回收率达85%以上的捕汞管封闭待用。

2.1.3  取样方法

1）表层土壤气汞的采集：清理表层土壤杂草，将罩式取样器（直径30 cm，高20 cm不锈钢圆罩）用锤打入土体至紧固，用硅胶管依次连接罩式取样器、捕汞管和抽气泵，以400 mL·min-1流速，按照需要设置抽取10 min的气体4 L预富集土壤气Hg，捕集管富集气Hg后带回实验室测试。

2）深层土壤气汞的采集：用钢钎打孔，将土壤取气钻密封在孔径约20 mm、土壤深度60～80 cm的采样孔中，用硅胶管依次连接取气钻、捕汞管和抽气泵，以400 mL·min-1流速，按照需要设置抽取10 min的气体4 L预富集土壤气Hg，捕集管富集气Hg后带回实验室测试。

3）大气汞的采集：直接连接硅胶管和捕汞管，用抽气泵抽集大气，以600 mL·min-1流速，按照需要设置抽取10 min的气体6 L预富集大气Hg，捕集管富集气汞后带回实验室测试。

4）表层土壤采集：同时在测点采集表层（0～20 cm）土壤，保存在密封的聚乙烯袋内，避免取样过程中的污染，带回实验室测试。

2.2  分析方法

2.2.1  气汞分析方法

气汞浓度测试所使用的仪器为冷原子荧光测汞仪Terank2600，该仪器采用热脱附与冷原子荧光检测器集成，双金管浓缩系统，配有Terank 2505气态汞外部校正源。仪器的检测限为0.1 pg，对应的土壤气汞浓度检测限为0.023 ng·m-3，根据峰面积计算土壤气汞浓度。

在每次进行测汞以前，对仪器进行汞含量标准曲线测定，其结果非常接近。标准曲线的相关系数R> 0.999时开始分析采集土壤气汞的捕汞管样品，所测样品的绝对汞量均在标准曲线范围内。

2.2.2  土壤汞分析方法

土壤汞含量测试所用的仪器为DMA-80，是基于高温氧分解—催化吸附除杂—汞齐化捕集—原子吸收测定一体化技术研制而成的分析仪，无需样品的酸化处理，将采集到的土壤样品风干，研磨后混匀，称取土壤样品（精确至0.0001 g）放于预先清洗过的样品舟中，放入自动进样器进行检测。使用中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所研制的国家土壤标准样品进行质量控制。

3  结果

3.1  表层土壤气汞地球化学特征

在未来科学城园区的温榆河北堤（南部）、马路绿化带（中部）和鸡肉厂南农田（北部）地表变形痕迹明显处，布设表层土壤气汞剖面测线。由表层土壤气汞浓度特征（表1）可知：温榆河北堤表层土壤气汞浓度最低，平均值为23 ng·m-3，此处河堤树木成排，地表覆盖物主要为杂草，物质单一，土壤汞含量也最低，平均值为0.017 mg·kg-1;林地绿化带覆盖物为建筑垃圾填土，表层土壤气汞浓度平均值为45 ng·m-3，土壤汞含量平均值为0.041 mg·kg-1;鸡肉厂南农田2020 年种植玉米，2021年上半年农田闲置，表层土壤气汞浓度平均值为38 ng·m-3，表层土壤汞含量平均值0.029 mg·kg-1;可见因不同土地利用方式，即表层覆盖层不同对表层土壤气汞特征有显著的影响，表层土壤气汞浓度和土壤汞含量绿化带>农田>河堤。

从温榆河北堤和鸡肉厂南农田表层土壤气汞浓度动态监测特征看（图4），温榆河北堤表层土壤气汞浓度在2020年9月时浓度达到高峰值，平均值为61 ng·m-3，在2020年10月至2021年5月期间表层土壤气汞浓度相对较低，浓度范围为6～21 ng·m-3，监控曲线分布形态特征在中心带差异显著。鸡肉厂南农田表层土壤气汞浓度分布形态特征从2020年6月到2021年5月基本一致，夏季表层土壤气汞浓度显著增高。

3.2  深层土壤气汞地球化学特征

选择温榆河北堤和鸡肉厂南农田2条测线进行深层土壤气汞浓度动态监测，由深层土壤气汞特征（表2）可知，深层土壤气汞浓度高于表层土壤气汞浓度，温榆河北堤深层土壤气汞浓度最高浓度可达246 ng·m-3，位于地表变形痕迹明显处;鸡肉厂南农田深层土壤气汞浓度最高可达372 ng·m-3，位于地表变形痕迹明显处东侧。

温榆河北堤剖面线动态监测显示，深层土壤气汞浓度曲线的峰值分布形态较为一致（图5 a），深层土壤气汞的峰值分布形态为单峰，高峰值位于地表变形痕迹明显处，为此段断裂带地下气汞的主要释放通道。

温榆河北堤深层土壤气汞在2020年9月的平均浓度达到114 ng·m-3，2020年10月到2021年3月深层土壤汞浓度持续较低，2021年4月深层土壤气汞浓度在地表变形痕迹明显处附近以及东侧浓度剧增，小满节气有雨后，2021年5月份深层土壤气汞浓度显著下降。

雞肉厂南农田剖面线动态监测显示，深层土壤气汞浓度曲线呈现双峰形态（图5 b），地表变形痕迹明显处深层土壤气汞浓度为低峰，两侧呈现高峰形态;2021 年3月监测线东侧浓度增至372 ng·m-3，西侧浓度增至349 ng·m-3，双峰形态更加显著。断层东侧（上盘）深层土壤气汞浓度高于西侧（下盘）。

3.3  大气汞地球化学特征

林地和农田监测剖面线大气汞浓度范围为3.0～6.9 ng·m-3，平均值为4 ng·m-3，地表土壤气汞和大气汞的互相迁移达到平衡，没有引起大气汞浓度异常;仅在5月的大气汞监测时（图6），出现断层上盘（东侧）大气汞浓度升高。

4  讨论

4.1  影响因素

温榆河北堤为绿化林地，土壤致密，地表多杂草，地表变形痕迹明显处为土壤气汞的主要释放通道，东侧土壤质地主要为壤土，西侧土壤质地主要为砂质土壤，土壤气汞浓度空间变化特征同时受到土壤质地的影响。

中部绿化带主要为建筑垃圾填埋地，土壤中汞含量高直接反映覆盖层物质的复杂性，显著影响土壤气汞浓度，不适合开展土壤气汞动态监测。

鸡肉厂南农田2020年种植玉米，2021年上半年农田闲置，土壤受到翻耕、施肥、雨水浇灌和收获等因素影响，但是由于覆盖层性质单一，农田在翻耕种植玉米和收获后，地表土壤气汞浓度变化不大，地表土壤气汞浓度主要随气温变化而变化。深层土壤气汞浓度的主要影响因素是降雨，雨后土壤湿度大，封闭了深部土壤气汞的逸出通道。

因而覆盖层性质影响土壤气汞浓度特征，土壤中汞含量反映覆盖层物质含汞特征、土地利用性质和受到人为环境的影响程度。

在城市活断层监测工作中，寻找覆盖层性质相对单一而且适宜开展地球化学土壤气汞工作的地区相对较难，剔除覆盖层、土壤性质、气候变化等的影响因素，通过监测表层和深层土壤气汞浓度峰值特征，有利于对断裂活动性时空变化特征进行跟踪监测研究。

4.2  土壤气汞浓度特征

原北京市地质调查研究院在中部绿化带和鸡肉厂南农田之间开挖槽探，地表变形地段布设物探，推断黄庄-高丽营断裂北段倾向南东，上断点埋深接近地表，表现为“铲式”断层的特点，局部位置表现为“Y”字形结构特征，该断裂带“Y”字形组合特征表明断裂下降盘在断面附近受到牵引力向下拖曳，在纵弯作用下，产生张裂，因而形成了具有与断裂走向一致的地裂缝和墙体路面开裂地质灾害现象（张晓亮等，2016;张磊等，2017;徐吉祥等，2022）。在鸡肉厂南农田中布设350 m测线，深层土壤气汞浓度曲线出现多峰形态（图7），是低渗透性的断裂核部以及高渗透性的破碎带在空间上相互交织，还是黄庄-高丽营主断裂和次级断裂性质的反映，有待进一步研究。

4.3  推测断层性质

从温榆河北堤和鸡肉厂南农田深层土壤气汞浓度曲线分布形态看，2处断裂带结构特征不相同，温榆河北堤深层土壤气汞浓度曲线为单峰形态，在地表变形痕迹明显处为峰值区（黄理善等，2020），推测该处由单一的断裂核部及环绕其周围破碎带组成。

对比2020年10月和2021年5月温榆河北堤和鸡肉厂南农田深层土壤气汞浓度曲线特征（图8），地表变形痕迹明显处深层土壤气汞浓度特征相近，表明断裂带活动性相同。

5  结论

表层土壤气汞特征值因不同土地利用方式，即表层覆盖层不同对表层土壤气汞特征有显著的影响，表层土壤气汞浓度土壤汞含量绿化带>农田>河堤，覆盖物质中土壤汞含量和气温是影响表层土壤气汞浓度的因素。

深层土壤气汞浓度高于表层土壤气汞浓度，通过监测地表变形痕迹明显处深层土壤气汞的动态特征，高峰值浓度段指示了断裂带地下气汞的主要释放通道，需要通过动态监测深层土壤气汞浓度峰值变化特征，剔除各因素的影响，才有利于断裂活动性时空变化特征进行跟踪监测研究。

利用土壤气汞地球化学探测方法，在黄庄-高丽营断裂北段地表调查发现的地表变形痕迹明显处进行土壤气汞浓度动态监测，温榆河北堤土壤气汞浓度单峰形态，地表变形痕迹明显处为高峰值区，推测为单一的断裂构造。鸡肉厂南农田土壤气汞浓度双峰形态，地表变形痕迹明显处为低峰值区，两侧为高峰值区，与该段断裂带“Y”字形组合特征一致，南北两条监测曲线分布形态反映断裂结构特征不同，不同季度深层土壤气汞浓度特征表明该断裂带两段活动性相同。

通过监测土壤气汞地球化学动态特征，有利于土壤气汞地球化学方法进行断裂带的控制性探测。

参考文献

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