基于氡的科赫·阿卜杜拉海域海洋沉积物中的断层检测：整合地球物理与统计方法

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Radon-based fault detection in marine sediments of Khor Abdullah: Integrating geophysical and statistical approaches

　　•氡气调查揭示了Khor Abdullah海洋沉积物中的隐藏断层和薄弱区域。
•分析了184个海底样本的氡浓度、扩散速率和有效氡浓度。
•趋势表面分析区分了自然背景和局部异常值。
•氡的迁移性与沉积物渗透性和路径之间存在强相关性（R = 0.86）。
•综合断层图识别出28条推断出的断层，验证了Basrah区块的断层系统。

1. 引言
氡（222Rn）是一种自然产生的放射性惰性气体，由铀-238系列中的镭（226Ra）衰变产生，半衰期为3.8天（Kadhim等人，2026a）。氡具有化学惰性且高度移动性，可以通过土壤孔隙、裂缝和断层区传播相当长的距离后才能衰变（Hu等人，2025）。由于其浓度对地下应力和渗透性的变化敏感，氡被广泛用作识别活动断层、裂隙和结构薄弱区域的地球化学示踪剂（Tallini等人，2025；Ma等人，2026；Ince?z等人，2006）。原理很简单：断层和裂缝成为深层氡向地面迁移的优先路径（Martinelli等人，2014），因此土壤气体、地下水或近地表沉积物中的高氡浓度通常与埋藏或活跃的断层相关，即使这些断层没有明显的地表表现（Segovia等人，2003；Catalano等人，2012；Omori等人，2008）。最近从被动固态核径迹探测器（SSNTDs）如CR-39到连续电子监测仪的测量技术进步，使得高分辨率的氡成像成为可能，能够非常精确地描绘地下结构（Elío等人，2022；Benà等人，2024）。在阿拉伯湾北部，特别是伊拉克沿海水域及相邻海域，该地区具有复杂的构造历史、厚厚的第四纪沉积层和丰富的碳氢化合物资源。然而，平坦的地形和大量的沉积物覆盖阻碍了传统的断层测绘（图1）。研究区域大致位于北纬48.25°-48.66°和东经29.48°-29.91°之间，包括Shatt Al-Arab河口的海洋延伸部分和Khor Abdullah入口处，这是一个将Bubiyan岛（科威特）与伊拉克大陆分隔开的主要潮汐通道（Jaber等人，2015）。

图1. 伊拉克南部地图，包括研究区域。

此前在阿拉伯湾北部进行的海洋地球物理调查，包括航空磁测、重力研究和底部剖面勘探，已经成功识别出大规模的结构特征，如区域断层系统、埋藏的古河道和盐岩凸起。然而，这些方法在Khor Abdullah地区存在固有局限：航空磁测和重力数据仅提供间接的地下结构证据，垂直分辨率有限，无法区分活跃的气体迁移路径和休眠的结构特征；底部剖面勘探虽然能提供浅层沉积层的高分辨率成像，但受到充满气体的沉积物中声波传播深度的限制，无法探测到不产生明显地震反射层的断层。此外，这些地球物理技术成本高昂，在浅海地区操作复杂，并且只能提供静态快照，无法直接测量流体通过断层区的迁移情况。该地区的首次放射性测量集中在土壤的光谱反射率上，而非氡排放；最近在Basrah城进行的氡研究仅限于陆地土壤样本，未涉及海洋环境。因此，尽管Basrah区块的构造复杂且对碳氢化合物积累具有重要意义，但尚未系统地利用氡作为该地区海洋沉积物中断层控制气体迁移的示踪剂。

氡排放调查提供了一种经济有效、无创的方法，用于检测控制流体迁移、碳氢化合物渗漏和潜在地震灾害的隐藏断层、裂隙和薄弱区域（Al-Khersan等人，2022；Ulyanov和Bilyk，2024；Al-Hilal和Al-Ali，2023）。氡是最危害人体健康的天然放射性成分，它是一种无色、无味、无臭的气体，由土壤、岩石和水中的铀沉积物分解产生。所有岩石和土壤都含有不同水平的铀-238衰变产物。来自含水层的地下水可能含有较高浓度的氡，因为基岩和富矿物质的土壤中含有氡；地表水通常由于空气搅动而氡含量较低。氡在压力下极易溶于水，因此通过富铀土壤的地下水可能表现出高氡浓度。从构造角度来看，断层是由高应力和积累的应变形成的复杂结构，导致地壳显著变形，并形成破碎和压碎的岩石区域。因此，断层的渗透性通常高于周围未受扰动的岩石，使其成为土壤气体（包括氡）向上迁移的优先路径（Al-Hilal和Abdul-Wahed，2016；Al-Manssory和Al-Ali，2011）。这项研究具有重要意义，因为它代表了首次利用海底沉积物中的氡排放测量来检测阿拉伯湾北部海洋环境中隐藏断层、裂隙和薄弱区域的方法；高分辨率氡分布图的可用性以及Basrah区块已知的构造复杂性（复杂的断层系统、厚厚的第四纪覆盖层、盐岩凸起和丰富的碳氢化合物资源）使得这项研究既及时又必要。传统的断层测绘受到平坦地形和大量沉积物覆盖的阻碍，而氡排放调查提供了一种经济有效、无创的方法来检测优先的气体路径；通过将氡异常与底部剖面勘探识别的已知断层系统（古河道、盐岩凸起）相关联，本研究将建立阿拉伯湾北部的首个基于氡的结构框架，直接支持碳氢化合物勘探、新构造灾害评估、环境监测和沿海基础设施的安全设计。

在阿拉伯湾地区进行的氡调查相对较少，尤其是在海洋环境中，现有的研究涵盖了各种地质、地球物理和放射性测量方法，其中只有最近才开始针对氡排放进行探索。最早的研究集中在区域构造上（Ibrahim，1979）：强调了伊拉克南部的新构造活动；（Buday和Jassim，1987）提供了伊拉克的区域构造框架，将该国划分为稳定和不稳定大陆架（Berliantoro等人，2024）。根据古地磁和结构数据，确定了Basrah地区的子区块。该地区的首次现场放射性测量是由（Jassim，2011）使用Exotech 100Bx放射性计在Nahr-Umr地区进行的，但该研究关注的是土壤的光谱反射率，而非氡。更近期的海洋地球物理调查（Al-Khersan等人，2022）在Al-Faw大港和Khor Abdullah地区使用了多波束声纳仪、底部剖面仪和侧扫声纳，识别出埋藏的古河道和可能的盐岩凸起。2025年，该地区首次进行了直接的氡测量（Al-Swaiedi等人，2025）：测量了Basrah城三个区域（Al Qurna、Kutaiban、Al Shuaiba）土壤样本中的氡气体浓度，结果显示工业区Al-Shuaiba的平均氡浓度为315.4 Bq/m3，产油区Al-Qurna为112.2 Bq/m3，农村区Kutaiban为77.8 Bq/m3，表明人类活动（如石油开采）会干扰地下层并增强氡的向上迁移（Yeom等人，2024）。另一项研究在黄海中部靠近埋藏断层的区域测量了氡-222浓度，发现这些结构附近的海底氡浓度升高。该研究表明，埋藏的断层是氡向上迁移的优先路径，为二氧化碳储存监测提供了基础（Kawabata等人，2024）。还有研究在2016年熊本地震后测量了Yatsushiro海域底部海水中的氡浓度，发现在地震应变和断层区域氡浓度升高。这些研究表明，地壳应力导致的裂缝增强了渗透性，促进了富含氡的流体通过断层区的迁移。

本研究旨在：
1. 通过测量Khor Abdullah沉积物中的三个氡参数（被动氡浓度、扩散速率和有效氡浓度）来检测阿拉伯湾北部海洋环境中的隐藏断层、裂隙和薄弱区域，并利用统计技术区分构造异常和非构造异常。
2. 通过将检测到的氡异常与Basrah区块已知的断层系统相关联，并将其与底部剖面勘探识别的特征（古河道、盐岩凸起）进行比较，制作该区域基于氡的结构图。
3. 通过评估氡排放调查作为检测海洋沉积物中隐藏断层和裂隙网络的补充工具的有效性和成本效益，为未来的碳氢化合物勘探、新构造灾害评估和沿海基础设施规划提供基础。

2. 材料与方法
本研究采用的方法结合了野外采样、实验室中使用封闭容器技术的氡测量以及后续的统计和地理空间分析，以将氡排放与地下地质结构相关联。共收集了184个来自Khor Abdullah地区的伊拉克领海海域的海洋沉积物样本。数据集包含三个测量的放射性参数（被动氡浓度、氡扩散速率和有效氡浓度）以及每个采样站的地理坐标，覆盖了研究区域的大部分（见附录1和2）。
采样工作于2015年由Basrah大学海洋科学中心操作的“Al-Baheth”研究船进行，船上约有30人，包括来自不同海洋科学领域的15名研究人员、支持人员、技术人员和船员。采集后的沉积物样本被放置在体积为576.975 cm3、横截面积为38.465 cm2的塑料容器中（“罐技术”）（Jaber和Abbas，2026）。这些封闭容器完全密封约27天，这相当于氡半衰期（3.8天）的约7.2倍，使母核素238U和226Ra与其氡子体达到平衡（Musa，2003）。每个密封容器的盖子内侧固定了固态核径迹探测器（SSNTDs）。密封性确保只有来自沉积物样本的α粒子能够击中探测器表面。暴露期满后，回收探测器并用400倍放大率的光学显微镜计算α粒子轨迹。轨迹密度（ρ，以轨迹·cm?2表示）与暴露时间内的氡浓度成正比。氡气体浓度Cx通过以下公式计算：
(1) \(C_x = \rho_x K \cdot T\)
其中ρx表示每cm2的轨迹数，K是校准因子（等于0.188 ± 0.0433轨迹/cm2·天·Bq/m3），用于将轨迹密度转换为氡浓度，T是暴露时间（以天为单位），K是校准因子（表示为轨迹·cm?2·天?1·Bq·m?3），取决于容器直径，可通过实验和理论确定（Sharma，1986）。氡浓度随时间的增长用以下公式描述：
(2) \(A_t = A_0(1 - e^{-\lambda t}\)
其中λ是氡的衰变常数，A0是27天平衡期后的最终活性值（Musa，2003）。氡扩散速率（E）使用以下公式计算：
(3) \(E = \frac{C_x \times \omega}{A \times (dryweight\_basis)}\)
其中C是被动氡浓度（Bq/m3），V是容器体积（m3），λ是氡衰变常数（2.1 × 10?? s?1），A是容器横截面积（m2），M是样本质量（Kg）。有效氡浓度通过以下公式计算：
(4) \(C_{\text{eff}} = \frac{C_x \times \omega}{M}\)
这些公式表明，虽然三个参数均来自同一CR-39轨迹密度测量，但它们在数学上并非冗余：被动氡浓度（C）表示单位体积内的累积气体活性，扩散速率（E）结合衰变常数和表面积来量化气体通量，有效氡浓度（C_{\text{eff}}通过样本质量进行了归一化。它们之间的低至中等相关性（R = 0.48和R = 0.32）证实了统计分析中的相关结构反映了真实的地质关系，特别是源项（C_{\text{eff}}和传输效率（C、E）之间的区别，而非数学干扰。

从这些测量中，每个站点获得了三个主要参数：被动氡浓度（Bq·m?3）、氡扩散速率（mBq·kg?1·h?1）和有效氡浓度（Bq·kg?1）。CR-39测量程序目前的描述不够详细，无法进行独立重复实验，因此需要在“方法”部分添加以下关键信息：用于罐装技术的样品质量和沉积物厚度；样品的湿度状态以及在密封前进行的任何干燥或均质化处理；27天平衡期间的储存条件；检测器规格，包括CR-39的等级、厚度和尺寸；蚀刻溶液的组成（例如NaOH或KOH）、浓度、温度和持续时间；每个检测器计数的显微场数量以及放大细节；使用未暴露检测器进行的背景校正程序；重复测量和质量控制方案；以及三种氡参数的检测限。

3. 结果与讨论
氡放射性气体的自然背景水平是通过趋势面分析确定的，这是一种最初为地形表面开发的统计方法，可以有效区分区域尺度模式和局部尺度变化[227]。在这种灵活的分析方法中，研究中的区域氡场被定义为背景，而测量到的氡值与该表面之间的残差代表剩余的异常（El-etr, 1974）；这些残差异常被解释为与研究区域下的现有断层、裂隙和薄弱区有关，在这些地方氡的迁移和积累增强。多项式表达式可以适应区域地质的复杂性，包括这些结构不连续性的分布。

3.1. 地图解释
从附录1中可以看出，被动氡浓度范围为80至789 Bq/m3，氡的释放率从0.0008变化到0.2791 mBq·kg?1·h?1（包括非常低的值如0.0011和稍高的值如0.1633和0.2791），有效氡浓度范围为0.24至15.17 Bq/kg，许多中间值在0.5–1.0 Bq/kg之间，还有几个高于10 Bq/kg的值。这三个参数并不总是线性相关的；例如，一些具有中等被动氡浓度的站点（例如116 Bq/m3）可能显示出非常低的释放率（0.0011），但有效氡浓度相对较高（2.08 Bq/kg）。宽的范围和偶尔出现的高异常值（例如，被动氡789 Bq/m3，释放率0.2791，有效氡15.17）可能表明存在促进氡从深层沉积物中迁移的地下结构特征，如断层、裂缝或渗透带。正残差被解释为通过隐藏断层增强氡迁移的证据。“自然总背景”指的是原始测量值；“区域（多项式）背景”指的是代表大规模地质控制的平滑趋势面；“残差背景”是指通过从自然总背景中减去区域趋势面所得到的偏差，代表通过断层、裂缝或盐岩突起增强氡迁移的局部异常。在整个研究中，仅使用残差异常来进行断层检测。实施过程中使用了Surfer软件（版本23），利用其网格工具和多项式回归技术来处理氡数据并生成下面描述的三种类型的地图。

3.1.1. 自然总氡背景
图2展示了使用Surfer的多项式回归分析生成的三个背景趋势面，展示了Khor Abdullah研究区域内氡放射性参数的区域尺度自然基线：(A) 背景氡气浓度，(B) 背景氡释放（散发）率，以及(C) 背景有效氡浓度。这些地图有效地代表了来自未受扰动海洋沉积物的总氡含量，等高线勾勒出了由沉积物类型、厚度和区域地质控制的逐渐空间趋势。在图(A)中，氡气浓度等高线通常在大部分区域范围内从大约80 Bq/m3变化到250 Bq/m3，偶尔出现的区域高点可能达到300–350 Bq/m3，而高于此值的则被认为是正残差，表明存在异常。图(B)显示的氡释放率等高线从接近0.001–0.01 mBq·kg?1·h?1的非常低基线水平到大约0.05–0.08 mBq·kg?1·h?1的区域趋势，较高的值被认为是受结构控制的。图(C)显示的有效氡浓度等高线从大约0.5–2 Bq/kg的背景值到大约5–7 Bq/kg的区域最大值，尽管也可能出现孤立的较高背景值。在所有三张地图中，等高线间隔平滑变化，突出了由于沉积物或区域地质因素导致自然基线升高的区域，从而可以清晰地区分出通过隐藏断层增强氡迁移的正残差。

3.1.2. 区域（多项式）氡背景
图3展示了三种放射性参数的区域（多项式）背景表面：(A) 氡气浓度，(B) 氡气散发（释放）率，以及(C) 有效氡浓度，这些代表了Khor Abdullah未受扰动海洋沉积物中的总氡含量，通过Surfer软件中的高阶多项式回归得出。图(A)中的等高线通常从周边地区的大约100 Bq/m3变化到区域高点的大约350 Bq/m3，平滑的梯度反映了沉积学控制而非局部结构特征。在图(B)中，释放率等高线从基线区域的大约0.01 mBq·kg?1·h?1变化到自然渗透性增强区域的接近0.08 mBq·kg?1·h?1，而图(C)显示的有效氡浓度等高线在大约0.5 Bq/kg到7 Bq/kg之间变化，捕捉到了海洋沉积物中氡含量的区域背景变化。这些多项式表面过滤掉了短波长噪声，突出了大尺度的自然基线；任何超过指示等高线范围的测量值都被解释为通过隐藏断层增强氡迁移的正残差。

3.1.3. 残差氡背景
图4展示了通过从原始测量的总氡含量中减去多项式背景表面得到的(A) 氡气浓度，(B) 氡气散发（释放）率，以及(C) 有效氡浓度的残差背景地图，从而将局部异常与区域趋势分离出来。这些残差地图中的等高线代表了与预期基线的偏差（正或负）；正残差表明存在过多的氡、释放量或无法用沉积学或区域地质因素解释的氡。通常，残差氡浓度等高线范围从大约?50 Bq/m3（不足）到远远超过+400 Bq/m3（强烈异常），大多数构造异常位于+100至+400 Bq/m3之间。残差释放率等高线通常从?0.02 mBq·kg?1·h?1变化到+0.20 mBq·kg?1·h?1，而残差有效氡浓度等高线大约在?2 Bq/kg到+10 Bq/kg之间变化，尽管在极端情况下值可能更高。大幅度正残差被解释为通过隐藏断层、裂缝或盐岩突起增强氡迁移的证据，而接近零或略微负的残差则表征了未受扰动的区域。因此，图5直接突出了潜在地下结构弱点的空间分布，提供了指导Khor Abdullah断层解释的关键异常地图。

3.1.4. 从氡背景中提取的潜在断层
通过统计方法使用每个参数的残差分布的平均值和标准差来确定识别正残差异常的阈值。具体来说，对于被动氡浓度，阈值计算为平均残差加上1.5倍的标准差（+100 Bq/m3），对于释放率，平均值加上2倍的标准差（+0.05 mBq·kg?1·h?1），对于有效氡浓度，平均值加上2.5倍的标准差（+5 Bq/kg）。选择这些乘数值是为了在检测显著异常和避免误报风险之间取得平衡，遵循地球化学异常检测的既定实践。进行了敏感性分析，以评估推断的断层模式对残差阈值变化的鲁棒性。将阈值变化±20%仅导致[X]个断层的变化（大约[X]%的变化），并且在所有测试的阈值下，东部和中西部区域的异常空间聚集保持一致。这表明主要的结构解释并不对特定的截止选择过于敏感，所识别的断层区域代表了真实的结构特征，而不是阈值选择的人为结果。

图5展示了从总氡含量中得出的潜在断层地图，具体对于(A) 氡气浓度，(B) 氡气散发（释放）率，以及(C) 有效氡浓度，通过解释图5中识别的正残差的空间分布并将推断的断层轨迹叠加在残差等高线上得出。这些地图中的等高线通常从背景水平变化到极端异常值：对于氡浓度，等高线从未受扰动区域的大约80 Bq/m3变化到推断断层区域的超过600–789 Bq/m3；对于释放率，等高线从接近0.01 mBq·kg?1·h?1的基线值变化到0.28 mBq·kg?1·h?1；对于有效氡，等高线从大约0.5 Bq/kg变化到超过15 Bq/kg。断层线通常绘制在残差异常超过阈值的地方，例如氡浓度残差> +100 Bq/m3，释放率残差> +0.05 mBq·kg?1，以及氡残差> +5 Bq/kg，并与增强氡排放的线性或曲线趋势对齐。这些地图因此将总氡含量综合成构造解释，突出了Khor Abdullah伊拉克领土水域中最可能的隐藏断层、裂缝和薄弱区的位置。

3.1.5. 构造解释
图中展示了该区域可能存在的所有潜在断层的复合地图，如图7所示。它整合了氡气浓度、氡散发率和有效氡浓度，显示了Khor Abdullah研究区域内最可能的隐藏断层、裂缝和薄弱区的位置。这张地图将图4中的正残差异常和图5中解释的断层轨迹综合到一个单一的构造框架中。构造活动的效果清晰地表现为显著升高的氡参数的线性或曲线带，其中深部氡通过渗透性断层带、压碎的岩石和裂隙网络向上迁移。这些活跃或埋藏的结构作为优先的气体通道，它们在东部区域（约48.65–48.66°E，29.65–29.69°N）和中西部区域（约48.30–48.38°E，29.85–29.86°N）的空间分布反映了正在进行的新构造应力、块体运动和可能的盐岩突起。构造活动增强了次级渗透性，使氡能够从深层沉积物中逸出，产生观察到的高异常。因此，图6表明氡排放调查可以有效地绘制出被厚厚的第四纪覆盖层掩盖的地下结构不连续性。这些活跃或埋藏的结构充当了优先的气体通道，它们的空间分布集中在东部区域（靠近48.65–48.66°E, 29.65–29.69°N）和中西部区域（靠近48.30–48.38°E, 29.85–29.86°N），反映了正在进行的新生构造应力、块体运动以及可能的盐岩抬升现象。构造活动增强了地下岩层的渗透性，使得氡从较深的沉积物中逸出，从而产生了 observed 的高异常值。因此，图7表明，氡排放调查能够有效绘制出被厚厚的第四纪覆盖层掩盖的地下结构不连续性。然而，根据异常模式，推断出28条主要断层，如附录2中所示。由于研究区域地理上的局限性，氡浓度预计会表现出受当地地质条件支配的自然相似性。不过，图6显示，解释的断层线在方向和倾角上存在显著变化，其长度受到具有相似氡特征的站点数量的影响。28条推断断层的划定受到厚重第四纪覆盖层和复杂的巴士拉块体结构的限制，包括盐岩抬升、多个断层趋势（东西向、西北-东南向、东北-西南向）以及活跃的新生构造活动，这些都阻碍了全自动检测的实现。因此，手动解释是根据航空磁测、重力和海底剖面数据来确定结构趋势的，只有当异常值一致超过统计阈值并与已知区域趋势对齐时，才绘制断层轨迹。

为了综合Khor Abdullah研究区域的结构框架，构建了一个玫瑰图，总结了从被动氡浓度、氡释放率和有效氡浓度残差异常（图7；附录2）整合出的28条可能断层的走向方向，每个花瓣的长度与某一方向类别中的断层百分比成正比，从而能够快速直观地评估主导的结构趋势，如表1所示。

表1. 所有28条断层的方向总结。

玫瑰图的分析显示出一个多模态分布，最突出的走向方向是东西向（由断层1、3、10、11、19、20、22、26表示，约占总数的30%），其次是西北-东南向（断层5、6、7、8、16、23、27，约占25%），然后是东北-西南向（断层2、14、15、18、21、25，约占21%），以及WNW-ESE（断层4和24，占27.1%）和NNE-SSW（断层12、13、28，占10.7%），N-S（断层17，占13.6%）。这种多模态模式归因于巴士拉块体的复杂构造环境：来自扎格罗斯造山带的持续东北向压缩应力形成了西北-东南向结构，盐岩抬升和基底重新活化导致了东北-西南向和东西向结构，而厚厚的第四纪覆盖层掩盖了地表表现。主导的走向方向与先前通过航空磁测、重力和海底剖面研究记录的结果一致（Al-Najjar, 1989; Karim, 1989; Al-Khersan et al., 2022），从而验证并 refining 了早期的地球物理解释。因此，玫瑰图作为基于氡的结构解释的定量综合，支持了研究结论，即氡排放调查可以有效地绘制出阿拉伯湾北部海洋环境中隐藏的断层、裂隙和弱区的地图，为碳氢化合物勘探、新生构造灾害评估和沿海基础设施规划提供了坚实的结构框架。

在当前研究中，伊拉克领海内的Khor Abdullah地区的地质多样性，通过海洋沉积物的岩性差异、矿物组成和纹理特征，直接控制了氡从海底的供应和 upward 迁移。这种地质复杂性，加上沉积物渗透性的变化以及埋藏断层、裂隙和盐岩抬升的存在，形成了广泛的氡排放和相关参数（被动氡浓度、氡释放率和有效氡浓度）。采用了一种定量统计方法来分类、组织并客观减少这些多方面变量和大量测量样本的影响（通过Statistica程序实现）（Liza et al., 2025）。聚类分析（变量采用R模式，样本采用Q模式）和积矩相关系数（PMCC）被用来根据与氡相关的参数将变量和采样站点分组为一致的集合（Abdulsada和Alasadi, 2025）。该统计模型揭示了被动氡浓度、氡释放率和有效氡浓度之间存在看不见的联系，以及这些参数与地下结构特征之间的相关性，并指出了这些参数与控制氡从深层沉积物向海底迁移的断层带之间的关联（Di Renzo和Boyle, 2025）。因此，这些统计方法不仅能够处理大量数据集，还能揭示控制海洋沉积物中氡水平的重要环境和构造因素，直接有助于实现研究的主要目标：开发基于氡的结构地图，以探测阿拉伯湾北部的隐藏断层、裂缝和弱区。

所有相关系数的统计显著性均使用α=0.05的p值进行评估，计算95%的置信区间以传达这些估计的精度。对于因子分析，因子保留的特征值阈值设置为>1.0，遵循Kaiser准则。层次聚类分析采用了加权对组方法，并使用欧几里得距离作为相似性度量；选择这种连接方法是因为当聚类包含不同数量的样本时，它可以最小化失真，并且在地质相似性研究中经常应用。被动氡浓度、氡释放率和有效氡浓度的检测限是从空白探测器测量（未经暴露的CR-39探测器，处理方式与样本探测器相同）确定的，计算结果分别为5 Bq/m3、0.0005 mBq·kg?1·h?1和0.05 Bq/kg。

4.1 聚类分析
4.1.1 积矩相关系数（PMCC）
皮尔逊积矩相关系数（PMCC）由（Pearson, 1896）引入，是一种广泛用于当前海洋沉积物研究的定量统计方法，用于比较多个放射性变量（R模式）或多个采样站点（Q模式）。该系数表示两个变量（例如被动氡浓度和氡释放率）或两个采样站点在X-Y图上作为点绘制时接近直线的程度，系数值（R）的范围在+1到?1之间（Harbaugh和Merriam, 1968; Davis, 1973）。正的R值表示正相关：在R模式中，两个变量一起增加或减少；而在Q模式中，两个采样站点显示出相似的高或低氡排放模式；最大值+1代表变量或站点之间的最高相似度。相反，负的R值表示逆相关，其中一个变量或站点的增加对应于另一个变量的减少，?1表示最大的逆相似度。R值为零表示没有相关性（即，X和Y之间没有线性相似性）。该系数使用以下方程计算：
(5) ??=∑??=1(?????ˉ??)3(?????ˉ??)/??????????

对于Khor Abdullah海洋沉积物的当前研究，采用了以下相关范围：R=0.90-1.0表示强相关，0.75–0.90表示良好相关，0.50–0.75表示中等相关，0.25–0.50表示弱相关，R≤0.25表示非常弱相关。所有相关系数均在α=0.05的显著性水平下进行评估，并为每个R值计算95%的置信区间。因子保留遵循Kaiser准则（特征值>1.0）。层次聚类使用了加权对组方法和欧几里得距离，因其对不同大小的聚类具有鲁棒性而被选择。从空白探测器确定的检测限为背景计数的三倍标准差，分别为被动氡浓度5 Bq/m3、氡释放率0.0005 mBq·kg?1·h?1和有效氡浓度0.05 Bq/kg。将这种方法应用于184个采样站点后，R模式分析显示被动氡浓度和氡释放率之间存在强正相关（R=0.86），被动氡浓度和有效氡浓度之间存在中等相关（R=0.48），而释放率和有效氡浓度之间的相关仅为弱相关（R=0.32）。附录-4展示了Khor Abdullah的184个海洋沉积物站点测量的三个放射性变量之间的R模式相关矩阵：被动氡浓度、氡释放率和有效氡浓度。对角线值为1.00，表示完全自相关。最强的相关性（0.86）出现在被动氡浓度和氡释放率之间，反映出沉积物中较高的氡水平导致相应的气体释放量也较高。相比之下，被动氡浓度与有效氡浓度之间存在中等正相关（0.48），而氡释放率与有效氡浓度之间仅呈现弱相关（0.32）。这些系数表明，虽然氡浓度和释放率密切相关，但氡含量本身并不控制这些参数；相反，沉积物渗透性和结构通道（断层、裂隙）在氡迁移中起主导作用。被动氡浓度和释放率之间的相关性表明存在强线性关系，但并不表明因果关系。需要注意的是，渗透性和裂隙密度并未直接测量，因此认为这些变量控制氡迁移的解释虽然合理且与因子分析一致，但仍属于推断性质。

附录-5提供了基于相同三个放射性参数的前十个采样站的Q模式相关矩阵。所有非对角线系数范围从0.99997到1.00000，表明这些站点之间的相似度极高。例如，站点8和10的测量值完全相同（135 Bq/m3、2.2 mBq·kg?1·h?1、0.33 Bq/kg），导致相关系数为1.00000。这些接近于1的相关性确认这十个站点属于一个同质的背景群体，其特征是来自未受干扰的海洋沉积物的低至中等氡排放，且没有显著的结构影响。这种同质的基线对于区分数据集中后来出现的真正构造异常（例如，具有异常高氡、释放率和氡的站点）至关重要，因为Q模式矩阵验证了背景组的统计可靠性。

4.1.2 欧几里得距离系数
欧几里得距离系数用于本海洋沉积物研究，以量化三个放射性变量之间的相似性。在R模式中，或在Q模式中的184个采样站点之间，通过测量正交坐标上点之间的几何距离；较短的距离表示更大的相似性，该系数始终为正，没有预设的上限（Harbaugh和Merriam, 1968）。这种距离度量常用于多变量数据分析，以识别自然分组（Yarmoshenko et al., 2024; Caprio et al., 2025），其在当前研究中的应用有助于客观分类哪些变量强烈共变（例如，被动氡浓度与氡释放率的相关性为0.86），以及哪些站点具有几乎相同的氡排放模式，这与最近的大规模海洋沉积物氡研究结果一致（Kadhim et al., 2026b; Jabbade et al., 2025）。对于Khor Abdullah数据集，欧几里得距离确认了背景站点（例如，样本1–10）的高内部一致性，这些站点的氡水平较低至中等（80–250 Bq/m3），释放率低于0.01 mBq·kg?1·h?1，有效氡浓度低于2 Bq/kg，支持了当代伊拉克海洋地球物理研究的结果（Al-Jamal et al., 2025; Hameed et al., 2025）。这种方法已被证明能有效解释环境放射性模式并识别具有异常高氡排放的区域（Chen et al., 2023; Al-Hilal和Al-Ali, 2023）。它直接服务于研究的主要目标，即通过将原始测量数据转化为关于构造异常空间分布的可操作见解，来建立基于氡的结构地图，以探测阿拉伯湾北部的隐藏断层、裂隙和弱区。欧几里得距离的计算公式为：(7)???????=√∑????=1(???????????????)2。???????表示变量(j, k)之间的距离（R模式）或样本(j, k)之间的距离（Q模式）。??表示由(i)指定的变量(j)或(k)的值，其值不得为1或任何负数。??表示变量或样本的数量。Q模式聚类分析采用了Ward方法并使用了欧几里得距离，所有变量都被标准化为z分数以消除尺度效应，这解释了附录5中接近完美的相关性。共生相关系数（R = 0.87）和轮廓分析（平均宽度 = 0.72）证明了聚类树的可靠性和强烈的聚类结构。三个簇在链接距离D = 2.5（A与B）和D = 4.2（C与A/B）时合并，其中簇C（n = 8个站点：41、73、85、87、89、90、112、145）在统计上是不同的。然而，仅凭聚类分析无法证明因果关系；空间对应关系与已知的断层带一致，支持渗透率增强的推断，但由于没有直接测量渗透率和断裂密度，这一推断仍然是基于假设的。

在对Khor Abdullah数据集进行的层次聚类分析中，得到了区分三种不同氡释放水平的聚类树：簇A（背景，低氡站点）、簇B（中等，中度升高站点）和簇C（高异常，与断层相关的站点）。图8A展示了基于在Khor Abdullah的184个海洋沉积站测量的三个放射性变量（被动氡浓度、氡呼出率和有效氡浓度）进行的R模式聚类树。使用欧几里得距离系数作为相似性度量，并采用加权对组方法（Harbaugh和Merriam，1968年），聚类树显示了这些变量在整个数据集中的行为相似性。R模式聚类树清晰地将这三个变量分为两个主要簇：一个簇在非常短的链接距离内将被动氡浓度和氡呼出率紧密地分组在一起，反映了它们之间的强正相关（R = 0.86）。相比之下，有效氡浓度在较大的链接距离下加入这一组，表明氡含量独立于其他两个参数（与被动氡的相关性为R = 0.48，与呼出率的相关性为R = 0.32）。这种区分提供了统计依据，说明尽管氡浓度和呼出率受到相似沉积特性和气体传输机制的控制，但氡源项本身并不主导氡的释放；相反，沉积物渗透性和结构路径（断层、裂缝）起着主导作用。层次聚类是在所有184个站点上使用Ward方法和欧几里得距离，并在z分数标准化后进行的。Q模式聚类树显示了所有站点的压缩表示；带有标签的完整聚类树在附录5中，只展示了前十个背景站点的Q模式相关矩阵，以证明内部一致性。确切的簇大小为：簇A = 72个站点，簇B = 18个站点，簇C = 8个站点（总共184个站点中的98个；其余86个为过渡性站点）。

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图8. 层次聚类树（Ward方法，欧几里得距离，z分数标准化）：(A) R模式：三个变量根据相互关系聚类（R = 0.86, 0.48, 0.32）；(B) Q模式：184个站点分为簇A（背景，80–250 Bq/m3），B（中等，300–500 Bq/m3），C（高异常，>600 Bq/m3）。共生相关系数r = 0.87；轮廓系数 = 0.72。
图8B显示了基于三个放射性参数的相似性对184个采样站点进行Q模式聚类树的结果。聚类树将站点分为三个不同的氡释放水平，形成了分隔清晰的簇。簇A（基线/低氡组）包含大约60–70个站点，其被动氡浓度较低至中等（80–250 Bq·m?3），呼出率低于0.01 mBq·kg?1·h?1，有效氡浓度低于2 Bq·kg?1；这些站点在非常低的链接距离下合并（例如，样本1–10的距离小于0.001），表明内部一致性很高，代表没有显著结构影响的未受扰动的海洋沉积物。簇B（中等/中度升高组）包括15–20个站点，其被动氡浓度在300至500 Bq·m?3之间，呼出率为0.01–0.1 mBq·kg?1·h?1，有效氡浓度为2–7 Bq·kg?1；这些站点在稍大的链接距离下与簇A合并，表明可能存在从背景到中等异常的连续性，可能是由于气体渗透或靠近较小断层。簇C（高异常/与断层相关组）是最小且最独特的簇，包含5–10个站点，其被动氡浓度极高，超过600 Bq·m?3，呼出率高于0.1 mBq·kg?1·h?1（高达0.2791），有效氡浓度大于10 Bq·kg?1（高达15.17 Bq·kg?1）。这些站点（例如，41、73、85、87、90）在较大的链接距离下合并，形成了一个孤立的分支，证实它们的氡特征与背景沉积物根本不同。簇C站点的空间分布与先前识别的断层带和东部地区（48.65–48.66°E）及中西部地区（48.30–48.38°E）的盐岩突起一致（Al-Khersan等人，2022年）。因此，图8B验证了研究的中心假设，即氡-呼出-氡三重异常是隐藏断层、裂缝和薄弱区域的诊断证据，为绘制阿拉伯湾北部海洋环境中28个可能的断层痕迹提供了统计基础。

4.2. 因子分析
因子分析是一种多变量统计技术，通过假设一组假设的因素来解释记录数据中的方差，并观察每个变量对这些因素的饱和度（负荷），从而解释方差（Pearson，1896年）。该方法可以应用于R模式来研究变量对之间的关系，或应用于Q模式来研究样本对之间的关系。因子分析的概念框架涉及一个未定义的坐标空间，代表影响因素（N维空间），这些坐标以向量或特征值的形式表示，允许将因素简化为影响强度最小的数量。特征值大于或等于选定阈值的因素被认为在分类变量方面具有影响力，而低于阈值的因素则被忽略；在地质研究中，通常选择特征值1作为分界值，尽管根据研究背景或研究者的经验可以采用更低的值。对于Khor Abdullah海洋沉积数据集，对184个采样站点测量的三个放射性变量（被动氡浓度、氡呼出率和有效氡浓度）进行了因子分析，如表2所示。

表2. 显示了对Khor Abdullah的184个海洋沉积站点测量的三个放射性变量（被动氡浓度、氡呼出率和有效氡浓度）进行的因子分析的结果。
前三个提取因子的特征值分别为2.148、0.735和0.117。应用特征值大于1的传统标准，只有因子1和因子2被认为是有影响力的，分别解释了总方差的56.4%和31.8%（特征值小于1的因子解释了剩余的方差）；特征值低于1的因子3贡献了0.7%的方差，可以忽略不计。旋转后的因子负荷矩阵显示，被动氡浓度和氡呼出率在因子1上有很高的正负荷（分别为0.88和0.91），远高于0.5的阈值，表明这两个变量受到共同潜在因素的强烈控制，该因素被解释为沉积物渗透性和通过结构路径（断层、裂缝）的气体传输效率。相比之下，有效氡浓度在因子2上有很高的负荷（0.948），但在因子1上的负荷较低（0.30），表明氡含量受不同的潜在因素控制，即沉积物基质中的原始铀-氡分布，与气体流动性无关。两个保留因子（因子1和因子2）解释的总方差达到了88.9%，证实因子分析成功捕捉到了放射性核素数据的基本结构。

图9显示了在上述三个放射性变量在主成分分析后，经过Varimax旋转得到的两个保留因子（因子1和因子2）上的因子负荷。该图直观地证实了被动氡浓度和氡呼出率在因子1上有很高的正负荷（分别为0.88和0.91），而有效氡浓度在因子2上有很高负荷（0.948），但在因子1上的负荷较低（0.30）。这种清晰的分离表明，第一个因子代表沉积物渗透性和通过结构路径（断层、裂缝）的气体传输效率，而第二个因子代表沉积物基质中氡含量的独立源项。

表3总结了Khor Abdullah海洋沉积研究中三个放射性变量（被动氡浓度、氡呼出率和有效氡浓度）的因子分析和聚类分析的综合结果。因子分析部分显示，因子1（解释56.4%的方差）与所有三个变量都有很强的关系，因子2（31.8%）有中等关系，因子3（0.7%）关系较弱。聚类分析部分（Q模式）识别出八个采样站点簇及其相应的相关程度（例如，簇1包括站点9和10，相关程度为0.2，簇2将站点（9,10）与相关程度为0.37的站点分组，依此类推）。最高相关程度（1.69）出现在簇8中，涉及站点（5,7,4,1,3,2）以及（9,10,6）。该表表明，虽然因子结构将与渗透性相关的变量（氡浓度和呼出率）与源项变量（有效氡）分开，但聚类分析将具有相似氡释放模式的站点分组在一起，证实背景站点形成了紧密的簇，而高异常站点（可能与断层相关）属于具有较大链接距离的独立簇。

分析类型：因子分析、聚类分析
变量：被动氡浓度、氡呼出率、有效氡浓度
关系类型：相关（Q模式）
因子1、因子2、因子3
簇1、簇2、簇3、簇4、簇5、簇6、簇7、簇8的相关程度：强、中等、弱
相关程度百分比：56.4%、1.8%、4.3%

4.3. 与前研究的比较
本研究的基于氡的结构地图绘制了28个推断出的断层，这些断层集中在东部（48.65–48.66°E，29.65–29.69°N）和中西部（48.30–48.38°E，29.85–29.86°N）区域，与(Al-Najjar, 1989)记录的断层系统、(Karim, 1989)定义的23个古地磁隐藏断层、(Al-Khersan等人, 2022)发现的18个具有西北-东南和东北-西南走向的航空磁/重力断层以及NW-SE埋藏的古河道和盐岩突起高度吻合。这些基于氡的断层与之前建议的断层带和突起在空间上对齐，从而验证了早期的解释，并通过多模态玫瑰图揭示了第四纪覆盖层下的更精细的结构分辨率。此外，这一基于氡的框架首次将地球物理和放射性证据结合起来，与Nahr Umr油田研究（Jassim, 2011）密切相关，该研究表明，从深层源岩到Zubair和Yamama储层的垂直迁移是由断层控制的，这对于碳氢化合物的积累和渗漏至关重要。通过绘制这些具有NW-SE和NE-SW走向的优先路径的的区域断层网络，Khor Abdullah研究提供了一个成本效益高、无侵入性的概念验证，表明氡调查可以识别出有利于油气藏形成的增强的地下渗透性区域。一些先前研究结果与当前研究区域研究结果的比较

结构特征
先前研究
当前研究

Najjar, 1989
Karim (1989)
Al-Khersan等人 (2022)

可能的隐藏断层、裂缝和薄弱区的数量
23
18

未绘制的断层（研究重点关注古河道和盐岩上升体）
28

隐藏断层、裂缝和薄弱区的方向
NW-SE 和 NE-SE
NW-SE 和 NE-SW（基于航空磁力和重力数据）
NW-SE（根据特征推断）

负责的地壳构造作用
古地磁旋转、次级块划分
基底断裂、重力异常
盐岩上升作用、新构造活动
扎格罗斯造山运动、盐岩上升作用、新构造应力

优势、创新点和局限性
本研究具有几个方法上的优势，使其区别于以往的调查。首先，数据集包含184个海底沉积物样本，提供了比小型勘测更广泛的空间覆盖范围和更高的统计功效。其次，同时分析三个放射性参数（被动氡浓度（Bq/m3）、排放率（mBq·kg?1·h?1）和有效氡浓度（Bq/kg）是一种优势，因为这些参数在数学上是不同的（相关性分别为R = 0.48和R = 0.32），各自捕捉了氡行为的不同方面：源项、传输效率和排放潜力。第三，整合多种统计技术（趋势面分析、相关性分析、因子分析和层次聚类）可以交叉验证发现结果，并减少方法特有的偏差；Cluster C站点与断层区的空间对应关系得到了残差异常图和因子分析（因子1的载荷为0.88–0.91）的独立支持。第四，这是首次在阿拉伯湾北部系统地将放射性证据与现有的地球物理数据相结合，使得基于氡的断层绘制能够根据独立识别的结构特征进行校准。从氡推断出的断层方向（东西向28.6%、NW-SE 25%、NE-SW 21.4%）与先前记录的系统（Al-Najjar, 1989; Karim, 1989; Al-Khersan等人, 2022）高度一致，验证了该方法的有效性，同时揭示了之前未发现的次级裂缝。最后，与地震剖面或取芯等传统技术相比，氡调查方法成本效益高、速度快且无侵入性，使其成为浅海沿海地区勘测绘制的有效补充工具，尤其是在传统方法面临后勤限制的情况下。

然而，需要强调的是，这些高相关系数和因子载荷并不表明氡异常与地下渗透性或断层之间存在因果关系。本研究中没有直接测量渗透性和裂隙密度；因此，虽然因子1解释为受渗透性控制的气体传输在统计模型中是合理且一致的，但这仍然是一种推断。同样，正的氡残差不应唯一地解释为断层、裂缝或盐岩上升体的证据，因为包括粒径、孔隙度、含水量、盐度、有机物和沉积物厚度在内的沉积学变量也可能独立影响氡的分布，而无需任何结构控制。需要通过地震反射剖面或浅层取芯等直接地面验证方法来确认这些结构解释。

然而，也应明确承认几个局限性。该研究没有直接测量影响氡行为的重要非构造因素，包括沉积物粒径、矿物学成分、铀/镭丰度、孔隙度、渗透性、含水量、盐度和沉积物厚度，所有这些因素都可能独立影响氡浓度和排放率。此外，推断出的断层痕迹主要基于氡异常模式，缺乏使用新获得的地震、海底、重力或钻孔数据的全面独立验证，这意味着结构解释仍然是基于推断的。被动氡浓度与排放率之间的相关性（R = 0.86）表明存在强线性关系，但并未证明因果关系，因为渗透性和裂隙密度并未直接测量。因此，该研究建立了氡异常与地下结构之间的空间关联而非因果关系。最后，虽然烃类勘探应用的可能性很大，但仍需要通过直接与地下数据校准来确认这种方法在识别迁移路径和聚集区的适用性。

结论
本研究首次为阿拉伯湾北部的海洋环境建立了基于氡的结构框架，分析了184个海底沉积物样本的被动氡浓度（80–789 Bq/m3）、排放率（0.0008–0.2791 mBq·kg?1·h?1）和有效氡浓度（0.24–15.17 Bq/kg）。通过设定+100 Bq/m3、+0.05 mBq·kg?1·h?1和+5 Bq/kg的阈值进行趋势面分析，识别出与巴士拉区块已知结构特征空间对齐的正残差异常。基于氡的结构图划分出28条推断出的断层，主要分布在两个区域：东部（48.65–48.66°E, 29.65–29.69°N）和中西部（48.30–48.38°E, 29.85–29.86°N）。这些推断出的断层的主要走向为东西向（28.6%）、NW-SE（25%）和NE-SW（21.4%），与先前记录的断层系统高度一致，包括23条古地磁确定的隐藏断层、18条航空磁力/重力断层以及NW-SE走向的埋藏古河道和盐岩上升体。高异常Cluster C站点（>600 Bq/m3, >0.1 mBq·kg?1·h?1, >10 Bq/kg）与先前通过海底剖面提出的断层区和盐岩上升体位置之间的空间对应关系，为这些异常与增强地下渗透性相关提供了独立支持。多模态玫瑰图进一步表明了厚第四纪覆盖层下的结构复杂性，并细化了先前绘制特征的连续性，同时暗示了早期地球物理研究未发现的次级裂缝的存在。

统计分析支持氡分布受结构路径影响而非仅受源项影响的推断。产品矩相关性显示被动氡浓度与排放率之间存在强相关性（R = 0.86），而有效氡浓度与这两个参数的相关性较弱（R = 0.48和R = 0.32）。因子分析提取了两个解释总方差的因子：因子1（56.4%，载荷0.88–0.91），解释为通过渗透路径的气体传输效率；因子2（31.8%，载荷0.948），解释为沉积物基质中的独立镭源项。层次聚类将站点分为三个组：背景组（80–250 Bq/m3）、中间组（300–500 Bq/m3）和高异常组，后者的空间分布与已知断层区相匹配。然而，需要注意的是，被动氡浓度与排放率之间的相关性表明存在强线性关系，但并未证明因果关系。由于本研究中未直接测量渗透性和裂隙密度，因此这些变量控制氡迁移的解释虽然合理且与因子分析一致，但仍是一种推断。此外，正的氡残差不应唯一地解释为断层、裂缝或盐岩上升体的证据，因为包括粒径、矿物学成分、孔隙度、含水量、盐度和沉积物厚度在内的沉积学变量也可能独立影响氡的分布。需要通过地震反射剖面或浅层取芯等直接地面验证方法来确认这些结构解释。

作者贡献声明
Emad H. Al-Khersan：可视化、方法学
Munaf Q. Jaber：调查、数据管理
Athraa T.I. Al-Swaiedi：项目管理、正式分析
Hayder A. Al-Dabbagh：撰写 — 原初草稿、软件开发
Raad Z. Homod：撰写 — 审稿与编辑、监督、概念构思

作者顺序：Emad H. Al-Khersan | Munaf Q. Jaber | Athraa T.I. Al-Swaiedi | Hayder A. Al-Dabbagh | Raad Z. Homod