西班牙阿尔哈马-德穆尔西亚断层区域的土壤和地下水中氡的含量

《Applied Geochemistry》：Radon levels in soil and in groundwater in the Alhama de Murcia fault area, Spain.

氡和二氧化碳在Alhama de Murcia断层区域的水体和土壤中分布特征及与地震活动关联性研究。通过电法成像技术揭示断层带附近地下水流动和土壤氡浓度异常的空间分布规律，发现断层位置土壤氡浓度显著升高，且与地震活动存在时间上的相关性。

　　本研究聚焦于西班牙东南部伊比利亚半岛活跃的东贝提克剪切带（Eastern Betic Shear Zone, EBSZ）中的一条重要断裂带——阿尔哈马德穆尔西亚断裂（Alhama de Murcia Fault, AMF）。AMF作为该区域的主要活动断裂之一，不仅在历史上记录了多次地震活动，而且其地质结构和地球物理特征对研究区域的地震风险评估具有重要意义。本文通过结合土壤和地下水中的氡（Radon, Rn）与二氧化碳（CO?）浓度测量、土壤氡释放速率分析以及电导率电阻率成像（Electrical Resistivity Imaging, ERI）技术，探讨了AMF对这些气体分布的影响，从而评估其可能与地震活动的关系。

氡是一种放射性惰性气体，主要来源于铀和钍的自然衰变过程。它在地球的岩石和土壤中普遍存在，但由于其密度较高，需要借助空气等载体才能在地表有效迁移。因此，土壤和地下水中的氡浓度受到多种因素的共同影响，包括地质构造、地下水流动、大气条件以及地壳活动等。特别是当断裂带或裂隙发育时，这些结构可能成为氡和其他气体快速迁移的通道，从而在局部形成较高的浓度或显著的波动。这种现象在许多地震活跃区域已被观察到，并被广泛用于监测和研究地震前兆。

本研究在AMF区域选取了40个地下水采样点，包括3个泉和37个井，以分析地下水中的氡和二氧化碳浓度。此外，还选择了22个土壤采样点，沿两条穿过断裂带的剖面进行测量，以评估土壤中氡的分布情况。通过这些采样点，研究人员获得了地下水和土壤中氡和二氧化碳的浓度数据，并结合电导率电阻率成像技术，进一步揭示了该区域的地下结构特征。

在地下水中的氡浓度测量中，研究人员发现这些浓度范围从0.4到66.8 Bq/L不等，整体呈现出较低的水平。值得注意的是，仅有一个采样点——位于AMF上的Carraclaca泉——显示出较高的氡浓度。其他井水中的氡浓度均未超过35 Bq/L，并且没有明显的局部高浓度区域。这表明地下水中的氡分布可能与断裂带的局部特征密切相关，但整体上并未呈现出明显的集中趋势。同时，研究人员还测量了二氧化碳的浓度，部分地下水样本中二氧化碳含量超过500 mg/L，这可能与区域内的地质活动有关。

在土壤中，研究人员测量了两种主要的氡浓度指标：土壤中的年均氡浓度以及土壤氡释放速率。年均氡浓度的测量结果表明，土壤中的氡浓度相对较低，范围在8 ± 1 kBq/m3至12 ± 2 kBq/m3之间。这些值与已知的土壤氡背景值相近，但进一步分析发现，土壤中的氡浓度在两条剖面中存在一定的空间变化，且这种变化与AMF的位置密切相关。例如，在靠近断裂带的区域，土壤中的氡浓度显著高于远离断裂带的区域，表明断裂带可能在氡的迁移过程中起到关键作用。

土壤氡释放速率的测量结果则进一步支持了这一观点。在两条剖面中，土壤氡释放速率分别为（36 ± 8）和（53 ± 12）Bq/m2/h。这些数值不仅与土壤中的年均氡浓度相吻合，还显示出与断裂带位置相关的空间变化。这表明，断裂带可能为氡的迁移提供了特殊的通道，从而在土壤中形成较高的释放速率。此外，研究人员还发现，土壤中的氡浓度在不同时间点表现出一定的波动，这种波动与大气压力和气温变化有关，但在某些情况下，波动模式与地震活动的特征相吻合，这可能意味着地震活动对土壤氡浓度的影响不容忽视。

在研究过程中，研究人员还采用了电导率电阻率成像技术（ERI）来进一步分析AMF区域的地下结构。ERI是一种广泛应用的地球物理方法，通过测量地下介质的电阻率分布，可以揭示断裂带及其周围区域的地质构造特征。AMF区域的ERI结果显示，断裂带及其附近的地质结构存在显著的电阻率差异，这可能与不同岩性、孔隙度和含水率有关。此外，断裂带的存在可能影响地下水的流动路径，从而改变土壤和地下水中的气体分布。这些结果为理解AMF区域的地下水流动和气体迁移提供了重要的地质背景信息。

研究还特别关注了AMF区域内的极端环境条件，如SimadelVapor洞穴。该洞穴因其独特的地质构造和高浓度的氡与二氧化碳而成为研究的重点。洞穴内的二氧化碳浓度随深度增加而逐渐上升，在–50米处达到超过10,200 ppm的水平，这表明二氧化碳可能来源于较深的地层，甚至可能与地幔物质有关。同时，洞穴内的δ13C–CO?值范围在–6.4至–24.7 ‰之间，进一步支持了其地内来源。此外，洞穴内的铀和钍浓度虽然相对较低，但不足以解释高浓度的氡水平，这表明氡的来源可能与洞穴外部的断裂带或深层地质活动有关。

研究的另一个重要方面是时间序列分析。研究人员在AMF区域的一个监测站持续记录了氡浓度的变化，时间跨度从2013年初到2015年中期。通过分析这些数据，研究人员发现氡浓度的变化不仅受到大气条件的影响，还可能与近期的地震活动相关。例如，在某些时间段内，氡浓度的波动模式与地震事件的发生时间相吻合，这可能意味着地震活动对地下水和土壤中的气体分布产生了影响。然而，这种关联需要进一步的验证，以排除其他可能的干扰因素。

本研究的综合分析表明，AMF区域的土壤和地下水中的氡浓度变化与断裂带的结构特征密切相关。断裂带可能通过改变地下水流动路径和土壤气体迁移方式，影响局部的氡浓度分布。此外，土壤中的氡释放速率和空间分布也显示出与断裂带位置相关的特征，进一步支持了断裂带对气体迁移的控制作用。这些结果不仅有助于理解AMF区域的地质活动，还可能为地震前兆的监测和预警提供新的思路。

在方法上，本研究结合了多种地球物理和地球化学技术，以全面评估AMF区域的气体分布和断裂带活动。通过分析地下水和土壤中的氡浓度，研究人员能够揭示断裂带对气体迁移的影响，而ERI技术则提供了关于地下结构的详细信息，有助于解释这些气体分布的成因。此外，研究还强调了多方法结合的重要性，通过综合分析不同数据源，可以更准确地识别断裂带活动的潜在信号。

从实际应用的角度来看，本研究的结果对地震风险评估和地质灾害监测具有重要意义。由于氡和二氧化碳的分布与断裂带活动密切相关，它们可以作为监测地震活动的潜在指标。特别是在一些地质构造复杂的区域，这些气体的异常变化可能预示着未来的地震活动。因此，本研究为相关领域的研究提供了新的数据支持和方法借鉴，有助于提高地震预测的准确性。

此外，本研究还涉及了关于研究资助和作者贡献的声明。研究人员强调，本研究得到了西班牙科学与创新部的资助，并且所有作者均声明不存在与研究相关的利益冲突。这些声明确保了研究的透明性和客观性，也为后续研究提供了参考依据。

总的来说，本研究通过系统分析AMF区域的土壤和地下水中的氡和二氧化碳浓度，结合电导率电阻率成像技术，揭示了断裂带对气体分布的影响。这些发现不仅加深了对AMF区域地质活动的理解，还为地震监测和预警提供了新的视角。未来的研究可以进一步探索这些气体变化与地震活动之间的具体机制，以及如何利用这些数据提高地震预测的可靠性。