氡气测量在嘉鱼县地热资源勘查中的应用

李 强， 肖友发， 徐 璇， 赵子良， 占 佳

(湖北省地质局 第四地质大队，湖北 咸宁 437100)

地热资源作为新兴的清洁能源，具有清洁、廉价、易开采、用途广、符合低碳经济的发展战略等优势。嘉鱼县区域热储类型属于寒武系—奥陶系碳酸盐岩断裂带岩溶裂隙低温地热，该类型地热田是湖北省分布最广最多的地热田，地热的运移、聚集主要沿断裂带进行。因此，断裂构造对于地热田的形成尤为重要，它既起到导水增温的作用，又可以使深部热储在地下水动力作用下运移至地表。

因调查区涵盖嘉鱼蛇屋山金矿，前人地质工作研究较为详细，但其周边第四系覆盖较重，给断裂调查带来一定难度，大部分断裂根据物化探、遥感推测而来。本次研究工作的目的是应用测氡法确定调查区氡气背景值，通过分析已知断裂上方氡气值特征，验证两者是否具有一致性，并确定遥感解译隐伏断裂F22位置及倾向，从而分析其水文地质特征。通过钻孔验证氡气测量方法在寻找隐伏断裂中的有效性，为今后城市地热调查及市政规划建设提供地质参考资料。

1 地质背景

调查区地处鄂南丘陵山地与江汉平原的过渡地带，地势总体南高北低，自南向北依次为低山丘陵—垄岗湖盆—冲积平原地貌，地形总体起伏不大，一般相对高差<100 m，最低侵蚀基准面为23 m，为长河河底。地层属扬子地层区下扬子分区，以长江为界，其北为两湖断坳的沔阳凹陷，以南为下扬子台坪大冶褶带跨咸宁台褶束和梁子湖坳陷两个四级构造单位。据湖北嘉鱼—蒲圻地区矿产远景调查(1)李源,湖北嘉鱼—蒲圻地区矿产远景调查报告,湖北省地质调查院,2015。资料，调查区及附近区域构造演化分为三个阶段，即基底形成阶段(前震旦纪)、板块迁移及盖层发育阶段(震旦纪—古生代末)、板块内变形阶段(三叠纪—第三纪)。晋宁运动形成了调查区褶皱基底并伴随基底断裂的形成，加里东—印支运动、喜马拉雅运动均表现为升降运动，前者形成地层间的平行不整合接触关系，后者形成现代地貌，即长江以南相对抬升形成残丘岗地，长江以北相对下降形成湖冲积平原。燕山运动是区内主要构造运动，形成的构造形迹构成了本区主体构造格局。

1.1 地层及岩性

调查区地表大部分为第四系覆盖，出露基岩地层主要有奥陶系灰岩，属调查区含水主体岩系。志留系中统坟头组(S2f)泥质粉砂岩夹石英细砂岩，属区域性的隔水岩系。石炭系上统大埔组(C2d)—船山组(C2c)灰岩、白云岩岩性组合，岩溶现象较发育，透水性较好。二叠系栖霞组(P1q)—茅口组(P1m)含硅质团块(条带)生物屑灰岩、瘤状生物屑灰岩，岩石层面溶孔极为发育。富含腕足类、海百合茎、珊瑚等生物化石。横向上该组岩性、厚度较稳定，透水性较好。三叠系中统蒲圻组(T2P)紫红色泥质粉砂岩、钙质粉砂岩，透水性差，隔水性较好。三叠系上统—侏罗系下统王龙滩组(T3J1w)长石石英砂岩、中细粒砂岩，隔水性好。北部第四系覆盖广泛，基岩地表露头差，仅断续出露；南部岩石地表露头相对较好。

1.2 断裂构造

调查区主体构造格局形成于燕山期，且经历了多期次活动。燕山早期，在南北向挤压应力作用下，盖层形成强烈褶皱，同时伴生多层次的滑脱变形，形成顺层或近顺层的纵断裂。燕山中期，南北向挤压应力的持续作用，前期断裂的延续活动而成为深断裂导致隐伏岩体侵位。区内北部岩体侵位规模大，所产生的侧压应力形成局部应力场，将褶皱形迹改造成向南弯凸的弧形，形成嘉鱼—赤壁弧形构造带，同时伴生一组规模较大的北东向和北西向斜交断裂。燕山晚期，在伸展机制下形成北北东向断裂及箕状断陷盆地，并伴有次火山岩的侵入和火山喷发。

调查区及外围大部分都被第四系覆盖，给地层及构造的研究带来一定的难度。据收集资料显示，区内及外围隐伏构造极为发育(图1)，但图面上所反映的构造多是根据物化探、遥感、地质分析等推测或解释而来的，各构造形迹的详细特征具有很大的不确定性。调查区主要断裂有：

图1 区域构造纲要图Fig.1 Outline map of regional structure1.桐梓铺—五洪山背斜；2.蒲圻倒转向斜；3.斗门桥—望江楼背斜；4.洪山—大庄王向斜；5.宝塔山—米铺背斜；6.密泉湖向斜；7.高铁背斜；8.蛇屋山倒转背斜；F2.蛇屋山断裂；F3.尹家畈断裂；F4.邱家湾断裂；F10.嘉鱼沿江断裂；F13.咸宁—蒲圻断裂；F22.高铁断裂；F36.武昌—羊楼洞断裂；F37.官桥—赵李桥断裂；F38.嘉鱼—新店断裂；F39.陆黄断裂；F42.黄青断裂；F1.陆水湖断裂。

(1)陆水湖隐伏断裂(F1)。在1∶5万陆溪幅地质图中的测区长度为22 km，重力异常表现为密集的梯级带，沿断裂有航磁异常。

(2)蛇屋山隐伏断裂(F2)。收集钻孔资料(2)肖友发，湖北省嘉鱼县小蛇屋山地热田资源勘查报告，湖北省地质局第四地质大队,2011。显示，断裂总体呈北西西向不规则的锯齿状，据物探推测断裂南倾，倾角约为60°～80°，钻孔揭露断层厚度5～10 m，断层具逆掩性，其上盘岩性为寒武系—奥陶系碳酸盐岩，下盘主要为志留系坟头组碎屑岩，局部为寒武系—奥陶系碳酸盐岩。构造带内岩性主要为角砾岩及碎裂岩，胶结物为方解石、粘土矿物等。

(3)尹家畈隐伏断裂(F3)。收集钻孔资料显示，断裂总体呈近东西向不规则的弧形，其构造形迹隐伏于长河一带，据物探推测断裂南倾，倾角约80°，钻孔揭露断层厚度一般在5 m左右，断裂具逆掩性，上盘岩性主要为志留系坟头组碎屑岩，下盘为寒武系—奥陶系碳酸盐岩。

(4)邱家湾断裂(F4)。该断裂西起浏家湖，途经邱家湾，东至白果树村。断裂呈近东西向延伸，长约4.3 km，为低角度压性逆断层。断裂面倾向南，倾角约30°，发育宽约15 m的由构造角砾岩和碎裂岩组成的断裂破碎带，构造角砾成分主要为灰岩，呈次棱角状、次圆状，砾径一般2～10 cm，由硅质、岩屑、方解石胶结。断裂南盘茅口组与北盘蒲圻组直接接触，造成二叠系龙潭组、下窑组、大隆组及三叠系大冶组、嘉陵江组缺失。

(5)高铁隐伏断裂(F22)。在1∶5万嘉鱼幅地质图中的测区长度为10 km，断裂产状不详，两侧地貌差异较大，推测为地热田隔水边界。该断裂为本次氡气测量重点调查对象。

2 测量方法及数据处理

2.1 测量仪器

本次工作采用RaA测氡法，所用仪器为成都核盛科技有限公司生产的HS01测氡仪。它由壤氡取样器和测氡仪主机两部分组成，是一种新的瞬时测氡法，其测量对象是氡衰变的第一代短寿子体——RaA。

由于RaA离子在开始形成的瞬间具有带正电的特性，故可采用加电场的方法将它浓集在带负高压的金属收集片上。经过加电收集后，放入由金硅面垒型半导体探测器和相应的电子线路组成的仪器上测量，只有RaA的脉冲信号最后进入计数电路，在液晶屏上显示出来。

2.2 测量原理及方法

氡是一种放射性气体，是由镭蜕变而产生的惰性放射气体，其半衰期为3.825 d[1]。放射性气体自由氡，受扩散和对流等作用的影响而发生运移。介质的孔隙度、粒径大小、孔隙的结构等介质结构条件对氡迁移的速度有较大的影响。在基岩的破裂构造等岩石疏松或孔隙相对较多的地段，氡气能更迅速地由地下深处运移到地表，所以在断裂破碎带的上方常常存在着氡(RaA)的异常。有些氡气保留在岩石中，不能参与扩散和对流等迁移作用，但在活动断裂带等岩石疏松或孔隙相对较多的地段，由于其有效孔隙度和渗透率高，并且破碎带胶结程度较差，能够成为氡气聚集和对流的良好通道；再则，由于断层带的新活动，比如地震、滑坡等地质灾害，使束缚在断裂带两盘岩石裂隙中的氡气释放出来成为自由氡，通过相应的仪器可以收集这些自由氡[2]。由于上述两方面原因，在断裂带上部的土壤中能够形成氡气的富集区，土壤中氡气浓度也相应会高于当地氡气浓度背景值。因此可以利用断裂带氡气释放强度、范围来判断覆盖区断裂带的空间分布的具体位置。

正式生产前对仪器进行标定，保证仪器性能稳定，数据可靠。测点布设应相对干燥，点距50 m。采用长80 cm的专用钢钎打孔，孔深60 cm，成孔后将取样器快速放入孔中，对采样孔进行密闭处理，避免抽气过程中空气渗入。打开测氡仪开关进行抽气测量，取样抽气5 min，结果检测1 min后仪器自动显示并存储结果数据。

2.3 测线布置

本次氡气测量对调查区进行全覆盖，非重点区网度为250 m×250 m，重点区网度为250 m×50 m，测线的布置尽可能垂直热储层的走向和构造线的走向。对于重点构造部位点距加密至25 m，本次共布设37条剖面线，测量点数1 262个点。

2.4 数据处理

在室内对1 262个数据进行整理，参照野外记录对干扰点进行处理，如回填土、湿度较大部位均可能形成异常；有的氡气剖面背景值较高，但异常仍较为突出，因此，地质解释时要分辨出哪些是干扰异常，哪些是断裂构造引起的异常，具有地质信息的氡异常区域，即为断裂在地表的分布位置。对剔除干扰异常值后所有数据计算平均值X0=2.844 kBq/m3及标准离差σ0=5.961 kBq/m3，舍弃(X0-3σ，X0+3σ)范围以外的测量数据，认定剩余测量数据在合理变化范围，并再次计算平均值X1=2.146 kBq/m3及标准离差σ1=3.492 kBq/m3，定义X1为背景值RnB，阈值RnF(7.384 kBq/m3)=X1+1.5σ1，详见表1。在上述工作基础上绘制氡气测量异常区，超出异常阈值部分定义为高异常区。

表1 调查区氡气值分布统计Table 1 Statistics on radon value distribution in survey area

3 氡异常解释

本次工作中选择地表已知断裂F4来验证氡气值的有效性。从氡气测量18线剖面北部来看，RaA的背景值为2.15 kBq/m3，阀值为7.38 kBq/m3，北部三叠系中统蒲圻组中RaA值均在背景值之下，过F4断裂后150 m，出现高异常值17.48 kBq/m3，向南在二叠系下统茅口组中，高异常值仍不等距出现，过F22断裂后异常值逐渐降低。可以看出断裂F4正上方处与北侧(下盘)氡无异常，在其南侧(上盘)观测到土壤氡的高值异常，其原因是逆断层在断裂正上方被断层泥等物质充填，应力相对集中，使该处土质变得更加致密，渗透性、透气性不如一侧的破碎带高。地表地质信息显示该断裂倾向南，氡异常值均在南侧出现，放射性氡通过断裂运移至地表浅部，因其正上方土质致密，北侧有三叠系中统蒲圻组粉砂岩、泥岩的阻隔，转而向南侧裂隙带较发育处逸出，形成氡异常显示，随着远离断裂及深度的增加，氡气活动下降(图2)。调查区多处氡异常反应与其类似，应确定为断裂构造形成的氡异常区。

将1 226个野外实际测量点数据整理绘制氡异常区，通过计算后的背景值与阀值数据对调查区共圈定17处氡射气高异常靶区(图3)。从土壤氡异常图上可以看出高铁断裂(F22)北西侧高异常区共13处，多分布在蛇屋山倒转背斜核部及北翼，且发育多条近东西向断裂，在两组断裂交汇处，岩石破碎程度加重，造成孔隙度增加，氡高异常值数量因此增多。南东侧未受断层影响，裂隙不发育，氡异常区明显减少。通过氡异常边界可以确定氡气异常形态明显受控于断裂F22，北西侧异常区陡然增多，反应断面倾向北西，使氡气向北西侧扩散运移。在南倾逆冲推覆断裂F2与北东走向平移断裂F9交汇处及南倾逆冲推覆断裂F3与北西倾向平移断裂F22交汇处成为地下深部氡气上升的重要通道，这种断裂组合格局控制地表氡异常形态。

图2 土壤氡气测量剖面Fig.2 Plot of soil radon gas measurement1.淤泥质粘土；2.亚粘土；3.泥质粉砂岩；4.灰岩；5.硅化；6.实测逆断层；7.推测断层。

图3 调查区地表氡气异常图Fig.3 The ground Rn anomaly at investigation area1.隐伏断裂及编号；2.氡射气异常区；3.氡射气高异常区；4.地下水流方向；5.调查区；6.重点调查区；7.氡测量剖面线。

4 钻孔印证

对调查区地热田周边共布设3个钻孔，孔位见图4。

SHK01合计孔深240.30 m。钻孔揭露地层岩性如下：0～10.51 m为第四系湖积粘土、淤泥质粘土；10.51 ～200.30 m为志留系粉砂质页岩、粉砂质泥岩，均为隔水层，终孔时未见地下水。

SHK02合计孔深300.40 m。钻孔揭露地层岩性如下：0～15.80 m为第四系土层；15.80～300.40 m为奥陶系南津关组(O1n)灰岩、砾屑灰岩、角砾岩，溶洞较发育。钻孔在钻进时共进行了14次跟钻测温，并于终孔时进行了全孔测温(图5-a)。抽水试验结束后，最终水温53 ℃。

SHK03合计孔深140.60 m，钻孔揭露地层岩性如下：0～16.00 m为第四系湖积粘土、淤泥质粘土；16.00～49.10 m为志留系灰绿色砂质泥岩、页岩，为隔水层；49.10～140.60 m为奥陶系南津关组泥质灰岩、白云岩，为灰岩岩溶裂隙含水层。孔深103.50～123.60 m为溶洞，富含岩溶水，终孔稳定水位19.80 m，终孔时进行了全孔测温(图5-b)。抽水试验结束后，最终水温40.5 ℃。

从图4可以看出，SHK01虽在氡高异常区内，但其处在断裂北侧志留系隔水层之上，终孔未见地下水，印证了断裂F2向南部延深，构成了地热田北部边界；SHK02裂隙、溶洞较发育，孔隙度大，有良好的导水通道，且处在断裂F3边缘，地层增温快，仅孔深15 m就已增温至40.8 ℃，终孔未见志留系地层，印证了该断裂向南部延深，构成了地热田南部边界；SHK03虽成功钻得热水，但裂隙、岩溶发育较少，地层增温随孔深增加而逐渐增高，终孔未见志留系地层，印证了断裂F22隔水边界在其东侧。

图4 调查区地热田成因机制模型图Fig.4 Chart of borehole temperature measurement1.地热水；2.岩溶；3.氡高异常区；4.钻孔(水温)；5.断裂；6.硅帽；7.大气降水；8.热流；9.混合后热水。

5 地热田概念模型

5.1 控热、导热构造

调查区外西部发育陆水湖隐伏断裂，控制了赤壁处燕山期隐伏岩体，沟通了岩浆活动地热流体与区内碳酸盐岩中地下水，至高铁隐伏断裂时径流受阻，为区内控热断裂。区内高铁隐伏断裂控制了东部志留系与奥陶系地层的接触边界，蛇屋山隐伏断裂、尹家畈隐伏断裂为导热导水断裂。

5.2 热储

根据钻孔资料分析，调查区内地热流体的补给、运移和储存都是在碳酸盐岩地层中进行的，并且在裂隙岩溶较发育的碳酸盐岩中都获得了较丰富的地热流体。因此，在硅化碎裂岩和志留系地层之下奥陶系南津关组的角砾状灰岩、重结晶灰岩、白云岩裂隙岩溶较发育地段是地热流体的热储岩层。

5.3 热储盖层

在陆溪镇小蛇屋山一带上部为第四系粘性土，厚度9～80 m，透水透热性能差，组成了相对隔水隔热层，即盖层，对下部热水起到了保护作用。下部基岩中，其北、东、南和地热田底部均为志留系的泥岩、泥质粉砂岩，对地下热水向地热田的外部和底部的渗透起到了阻隔作用，透水和蓄水性能差，阻止了热量的散失，起到保温作用，是地热区的热储盖层。

5.4 地热田的形成

调查区地下水类型主要为碳酸盐岩溶洞溶蚀裂隙水，热源含水介质为奥陶系南津关组角砾状灰岩、重结晶灰岩、白云岩等碳酸盐岩类，志留系坟头组泥质粉砂岩为调查区隔水层。其地下水补径排条件：调查区及外围主要补给来源为大气降水，在蛇屋山一带、南部的高铁狮子山一带，大面积出露碳酸盐岩，直接接受大气降水的补给，水温一般<18°，富水性中等。大气降水到达地表后，一部分沿松散岩类孔隙水下渗补给地下水，一部分沿地表基岩裂隙溶洞下渗以侧流的形式向倒转背斜东部倾伏端即地热田处汇集，更主要的是部分顺断层F2下渗，参与深部循环。因倒转背斜核部地层为刚性灰岩、白云岩，受挤压易破碎，经过后期溶蚀作用后，为地热水的运移和储存提供了通道和空间。在向下渗运移的过程中，受该区地温梯度异常的影响而逐步加温；下渗地下水在渗到底板逆冲断层时，受志留系泥质粉砂岩隔阻不能继续下渗，而转向南部汇集渗透；当向南渗透到顶板逆冲断层F3时，又受南部志留系泥质粉砂岩隔阻而向东部背斜的倾伏端渗透，在此过程中，接受来自F1的热流；混合热水向东部渗透到F22时，一方面受东部志留系泥质粉砂岩阻隔，另一方面受到来自F2的热流与气流的顶托，而不能继续渗透，地热流体便沿着F3与F2之间裂隙部位上涌，形成地热田(图4)。收集资料(3)肖友发，湖北省嘉鱼县小蛇屋山地热田资源勘查报告，湖北省地质局第四地质大队，2011。显示在地热田处地下水具承压性质，由厚9～40 m的第四系亚粘土组成隔水顶板，顶板平均厚度约30 m左右。含水层由南津关组灰岩、白云岩等碳酸盐岩类组成，溶洞及裂隙较发育，厚度约200 m，透水性能好，水量丰富，水温25°～60°。

图5 钻孔测温曲线图Fig.5 Berehole temperature measurement curve

6 结论

(1) 氡气测量对隐伏断裂解译较为理想，对埋藏较浅隐伏断裂倾向、走向提供了非常有效的数据。经数据统计计算，调查区土壤氡背景值为2.146 kBq/m3，阀值为7.384 kBq/m3。

(2) 在寻找构造控制断裂型地热田时，断裂构造对于地热田的形成尤为重要，它既起到导水增温的作用，又可以使深部热储在地下水动力作用下运移至地表，调查区氡异常显示出明显受断裂控制，在断层交汇处，岩石破碎程度大，孔隙增多，氡气逸出量大，氡异常区位置与断裂位置具有较好的一致性。因此，利用氡气测量标定构造强烈地段是一种十分有效且快速的方法。

(3) 在对已知逆冲断裂带氡测量时，其正上方与下盘处氡无异常，在断层上盘一侧出现土壤氡的高值异常，究其原因逆断层在断裂正上方被断层泥等物质充填，应力相对集中，使该处土质变得更加致密，而下盘侧为泥质粉砂岩隔水层，阻止了氡运移扩散，渗透性、透气性不如上盘破碎带高。因此不同类型断裂带上所获取的土壤氡值出现在不同位置，不能简单地将氡高异常值划为断裂处。

(4) 通过氡射气测量更加精确推断F22断裂具体位置，通过钻孔的验证确定调查区地热田含水边界，推测蓄水构造由西侧藕塘湾村沿断裂构造F3汇入调查区地热田。