土壤化探在谷露地热田高温地热资源勘查中的应用研究

2022-09-01宋亮孙国强程纪星朱万锋吴国东许海洲蒋执俊

世界核地质科学 2022年2期

宋亮，孙国强，程纪星，朱万锋，吴国东，许海洲，蒋执俊

（1.核工业北京地质研究院地热勘查技术研究中心，北京 100029；2.中核坤华能源发展有限公司，浙江杭州311100；3.核工业北京地质研究院铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京100029）

研究地热田周围各类介质中元素的分布，是地热田勘查的地质基础。它有助于人们选择地热田勘查的方法，也有助于选择地热田勘查的指示元素［1］。与元素地壳丰度（克拉克值）相比，地热田周围土壤中微量元素的平均值，除少数地热田偏低外，绝大多数地热田属于偏高。依据元素平均值与克拉克值的比值，偏高10 倍以上的元素有Hg、As、Sb、Bi、W、Mn 和Cs等；通常偏高10 倍以下的元素有Pb、Zn、Ni、Li、Rb、Be 和B 等；在不同的地热田周围，土壤中微量元素平均值差异甚大，变化明显［2］。中、高温地热田中指示元素的平均含量往往更高，变化也相对明显。包括水热活动产生的热泉沉淀物、硅华、钙华、盐华和硫华等［3］。热泉沉淀物中的微量元素可反映当时水热活动中的化学成分，不同类型的热泉沉淀物中，微量元素的平均含量有一定差异，但均表现出Hg、As、Sb和Bi 具有较高含量特征，这与土壤介质中这些元素的高含量相一致，具有普遍的参考意义［4］。利用这些指示元素来寻找水热异常，划分热储范围，区分热泉是现代沉淀物还是古老沉淀物，都能起到有效作用。

土壤总量测量是地热田勘查中的一种常用方法，用于圈定地热田范围和热水赋存的有利地段，常用的地热指示元素包括Hg、As、Sb、Bi、B、Li、Rb 和Cs 等。其中指示元素B、Li、Rb 和Cs 异常可用于圈定地热田的范围，亲硫指示元素As、Sb 和Bi用于指示热水的温度，指示元素Hg则用在指示地热田的构造［5］。笔者前期亦在谷露地热田开展了土壤汞量测量的相关研究工作，应用效果明显［6］。此次研究工作采用土壤微量元素测量方法，选取As、B 和Hg 为指示元素，主要用于圈定地热田范围和指示热水赋存的有利地段。

1 研究区概况

谷露地热田位于那曲市谷露盆地中部，属于那曲市色尼区古露镇辖区。古露镇北距那曲市约95 km，南距当雄县约75 km，距离拉萨市约270 km，研究区交通比较方便，靠近青藏公路（109 国道）和青藏铁路（图1）。本区地貌上表现为冲洪积河谷与高原夷平面相间分布的特征，海拔介于4 675～6 100 m 之间。区内主要河流由两条桑曲河交汇形成，为常年性河流，与其他季节性支流在盆地南端汇合，流向东南方向，最终汇入热振藏布河，属于拉萨河水系，北部支流向北汇入那曲，属于怒江水系［7］。气候属半干旱高原型气候，主要特点是气温低，日照长，昼夜温差大，多风少雨，局部地区为风蚀地貌。本区雨季为每年的6 月至9 月，年平均气温为-2℃，最高为22℃，最低为-38℃，年平均气压为587 hPa，年降水量约为400 mm，年蒸发总量约为1 500 mm。

谷露地热田属于高原型低高山区，研究区总体呈北高南低、西高东低的态势。北部及南部为高原丘陵地带，多被草原草甸所覆盖，露头少，相对高差不大，介于100～200 m 之间。中西部为山间低地，地势较为平坦，主要为第四系松散堆积物［8］。研究区所处的那曲—尼木地热带位于当雄-羊八井-多庆错活动构造带的中段，其北部为班公湖-怒江深大断裂带；南部为雅鲁藏布江深大断裂带。念青唐古拉南缘断裂在九子拉附近被近SN 向的九子拉-桑雄断裂所交截，在羊八井附近被SN 向的吉达果-尼木断裂所交截，它们在总体上呈NE 向展布（图1）。

图1 区域地质构造及地理位置图（左图据西藏地热大队，1991；右图据刘静修改，2009）Fig.1 Sketch map of regional geological structure and geographical location map（left figure after Tibet GeothermalBrigade，1991；the right figure modified after LIU Jing，2009）

近SN 向或NNE 向延伸的谷露盆地是上新世至早更新世强烈活动构造形成的地堑型裂谷，区内断裂构造、褶皱及新构造较为发育。九子拉-谷露-桑雄断裂为一组近SN 向或NNE向断裂构造贯穿北区，且向南北两侧有不同程度的延伸，东西方向各有一条高角度正断裂，均向谷地内倾斜，属于张性断裂，形成了断陷盆地的边界。沿主断裂发育一系列次级断裂构造，控制了谷地的形成和发展。

地热田的构造表现为断裂极为发育，主要发育有SN 向、EW 向、NW-SE 向和少量NE 向4组，以SN 向为主。SN 向断裂为区域性断裂，其形成时间较早，伴随整个谷露盆地的形成与演化，具有多期、长期活动的特征［9］。断裂以张性为主，局部表现出弱的扭性，规模大，延伸远，切割深，是区内的主要断裂，构造形迹比较明显，在地貌上有保存完好的断层三角面及地形突变等现象。上盘（东盘）相对下降形成断陷盆地，接受了大量的第四系沉积，下盘（西盘）相对上升，由花岗岩和砂板岩组成。沿断层破碎带有温泉、泉群出露，并分布有大量的泉华。

岩浆活动主要为酸性花岗岩侵入活动，并有小规模的中酸性火山岩活动。侵入岩主要分布于东段，主要发育花岗岩、石英正长斑岩、二长斑岩和闪长岩，与围岩呈侵入接触，穿插于早期的砂岩、泥页岩中，根据现有资料，岩浆岩属于燕山晚期构造活动的产物。喷出岩主要分布于谷露水热点西部、东部的局部地段，主要岩性为安山岩、凝灰岩和凝灰熔岩，其中以火山碎屑岩为主（图2）。谷露盆地内的水文地质条件整体受地形地貌条件、构造条件和岩性条件等因素的控制［10］。

图2 谷露盆地地质构造简图（据和钟铧修改，2007）及地热显示区位置（底图据西藏地热大队，2019）Fig.2 Geological structure of Gulu basin（Modified after HE Zhonghua，et al，2007）and location of geothermal display area（Base map after Tibet Geothermal Brigade，2019）

地热田及周边水系发育，桑曲河受NE 向区域性断裂控制，由北向南径流，支流多发育于西部山区和东部山区，受大气降水及地下潜水的补给。根据水化学特征，地下水分为两类：一类是第四系孔隙潜水；另一类是基岩裂隙水。热显示区及周边第四系发育，其独特的结构和产状为地下水提供了良好的储存条件，孔隙潜水主要储存在河流阶地、沟谷及湖沼堆积层中，其中以河流阶地、沟谷地段的含水性较好，为中等富水区。在基岩出露区，由于受到构造运动及各种风化作用影响，发育不同程度的裂隙，构成基岩裂隙含水层，是基岩裂隙水的主要富集场所［11］。

2 土壤测量

2.1 取样分析方法

在谷露地热田及邻近地区进行地表土壤采样，采样工作设计采样面积9.52 km2，测线29条，采样点距50 m，线距100 m。实际完成土壤采样1 965 件，采样介质为土壤B 层上部细粒土壤，土壤采样深度约20 cm。将采集的土壤样品经过风干后（一般不少于500 g）充分混匀，用四分法缩分至约100 g。缩分后的土样经风干（自然风干或冷冻干燥）后，除去土样中石子和动植物残体等异物，用木锤辗压，全部通过200目尼龙筛，混匀后备用。

重复样品采集65 件。按照土壤地球化学测量规程（DZ/T 0145—2017）要求，重复采样数量满足总样品数的2%～3%，并开展样品的重复性检查测量，重复样单元素相对偏差（RD）合格率≤±33%，重复样所有分析元素总合格率为100%，大于规范要求的85%，数据准确可信。

土壤样品分析汞含量使用Lumex-915m 塞曼测汞仪进行测定，硼含量使用DRC-E 等离子质谱仪分析进行测定，砷含量使用LC-6500 原子荧光光度计进行测定。

2.2 数据处理及制图

根据元素地球化学特征，采用逐步剔除法对As、B 和Hg 3 种指示元素数据进行剔除，使其呈正态分布，以元素的背景值＋2 倍均方差确定元素的异常下限值。使用ArcGIS10.6 和MapGIS6.7 绘图软件以克里金方法进行插值计算，绘制各指示元素的地球化学图和地球化学异常图。元素异常的圈定方法是以异常下限的1、2 和4 倍划分3 个浓度级，勾绘异常等量线，分别以不同的线条、面色表示，图件用色、图例等各要素符合《DZ/T0075—93 地球化学勘查图图式、图例及用色标准》制图要求。

3 指示元素特征参数

3.1 区域地球化学参数特征

为研究As、B 和Hg 3 种指示元素在测区内是否富集，首先针对谷露地热田及周边区域地球化学元素背景分布情况，统计这3 种指示元素在主要地质单元中含量的各种统计参数特征（表1）。谷露热显示区内As、B 和Hg 元素丰度相较于地壳和中国土壤含量［12］均大十几倍甚至数百倍以上，说明As、B 和Hg 元素存在高度富集现象。

表1 谷露地热田区域地球化学特征参数对比Table 1 Contrast of regional geochemical characteristic parameters in Gulu geothermal field

3.2 指示元素特征参数对比

将谷露研究区1 965 个土壤样品进行地球化学参数统计，得出As、B 和Hg 3 种指示元素在表生介质土壤中的分布特征及变化情况（表2）。

表2 谷露地热田指示元素地球化学特征参数Table 2 Geochemical characteristic parameters of indicator elements in Gulu geothermal field

统计的地球化学特征参数包括平均值、最大值、标准离差和变异系数等。在进行高低值剔除前，3 种指示元素的标准差较大，离散程度较高，分布不均匀，变异系数较大，迁移扩散性强。在剔除高值后，指示元素的特征分布情况逐渐趋于正态分布，且分布均匀（表3）。剔除后的数值更趋于正态分布，且逐渐均匀，有利于更精准地确定指示元素的背景值和异常下限。

表3 指示元素在剔除高值前后的特征参数对比Table 3 Contrast of indicating element characteristic parameters before and after eliminating high values

为凸显谷露热田周围土壤中主要指示元素的地球化学差异，以地球化学特征参数（包括元素含量最大值、最小值、平均值、标准离差、方差和平均衬值）来进行对比，其差异是有效反映地热田热源信息的重要标志［13-14］。将原始样品数据进行逐步剔除划分，按照高低值范围得到异常区和背景区的数据，平均衬值是由背景区的均值与异常区的均值相除得到。在分别计算各地球化学特征参数后，与同处于那曲—尼木地热带上的续迈地热田（中高温）和羊八井地热田（高温）的地球化学参数变化特征进行了分析比较（表4）。

表4 不同地热田指示元素地球化学特征参数对比Table 4 Contrast of indicator element geochemical characteristic parameters in different geothermal fields

结果发现3 处地热田的背景水平变化基本一致，平均值变化范围不大，但与克拉克值相比，均高于克拉克值。异常区样品较背景区样品的变化更明显，元素含量变化范围大，As、B 和Hg 元素含量均呈现倍数提高，元素在异常区具有平均值高，标准离差变化大，平均衬值和最大衬值高的特点。分别对比3 种指示元素特征发现，谷露地热田As 元素的异常衬值与续迈地热田相似，反映地表热蚀变作用不明显，羊八井地热田As 元素含量要明显高于前者，推断地表热显示强烈。而B元素异常衬值均出现成倍增加，水热蚀变和沉淀富集作用较强，推测3 处地热田均有一定规模的第四系热储层形成于地表。而谷露地热田Hg 元素的异常衬值与羊八井地热田则均具有较高的异常衬度。依据3 种指示元素含量的变化范围和平均衬值的结果，可以看出谷露和羊八井两处地热田的计算值均高于续迈地区，元素异常明显、清晰，异常衬值成倍增加反映存在有利地热异常，推测地热田深部的热传导及热源加热作用明显，显示出高温地热田的特征。

4 地球化学异常提取分析

在圈定地热异常的过程中，指示元素所表现的异常形成特征也各不相同。As 元素是亲硫元素，与地表水-热蚀变产物的分布特征关系密切，能够指示近期热异常分布情况，As 元素异常可用于指示浅部热蚀变范围，其伴生元素为挥发性元素，具有分带特征，能够指示中浅部热储层形成范围及水-热蚀变作用范围。B 离子由于其半径小，常与热液温度呈正相关，是岩浆分异过程中的一种重要挥发组分，在第四系热储层中受热后易挥发扩散，能够指示热流体的性质及活动形迹，尤其是高温地热流体中常含有较高浓度的B，与热往往关系密切。Hg 元素在地热活动中，常以气体形式和硫化物的形式存在，且穿透性强，形成的异常衬度大，在热显示区内常形成Hg的次生晕，异常的浓集中心集中且明显，常指示热流体的运移方向和通道，异常的延伸方向还能为追索隐伏断裂和构造提供判断依据。上述3 种指示元素所形成的强异常往往出现在高温热水体及覆盖层上方，能够直接指示地热田范围，且受人为和环境影响因素小。

4.1 异常下限的确定

结合各指示元素异常形成特征，对As、B 和Hg 3 种指示元素异常下限进行了计算（表5）。异常下限（T）是用对数剔除特高值后的背景值加2 倍标准偏差之和得出。单元素异常的圈定，是按指示元素异常下限（T）的1、2 和4 倍，划分外带、中带、内带，即按anT（a=2，n=0、1、2）的划分原则，进行三级浓度分带的划分［15］。

表5 指示元素异常下限及分带值统计表Table 5 Statistics on indicator elements’ abnormal thresholds and zoning values

在确定3 种指示元素的异常下限后，绘制了地球化学符号图（图3），依据图中As、B 和Hg 3 种指示元素的高低值含量分布特征，能够得到元素异常明显的的分布规律。分析发现As 元素的强异常主要分布在测区中部、东部和测区西南部，浓集中心和异常峰值分布较明显。B 元素的强异常主要分布在测区中部、东部和测区西南部，基本集中于热显示区内，异常形成的范围与浅部水-热作用形成的第四系热储层范围相吻合。Hg 元素的异常则主要沿NE 向断裂分布在热显示区及热泉点的出露部位，浓集中心和峰值较明显，形成的强异常点多与热显示区内多条不同方向的构造交汇部位重合。

图3 谷露地热田As、B 和Hg 元素地球化学符号图Fig.3 The geochemical symbol map of arsenic，boron and mercury in Gulu geothermal field

4.2 等值线图

根据面积实测数据绘制了As、B 和Hg 3 种指示元素的地球化学图和异常图（图4）。

图4 谷露地热田As、B 和Hg 元素地球化学图及异常图（底图据西藏地热大队，2019）Fig.4 Geochemical map and geochemical anomaly of arsenic，baron and mercury in Gulu geothermal field（Base map after Tibet Geothermal Brigade，2019）

由结果可见，圈出的As 元素异常能够基本反映地表热异常及水-热蚀变作用的范围，尤其在热显示区范围内异常衬度高，分布于热泉、沸泉周边，在热水作用改造下产生富集形成大面积异常。东部异常的形态则呈带状分布、规模较大、异常衬度较高、连续性较好。受到深部热水层影响，浓集中心明显，受到断裂构造的控制，在交汇部位形成大面积异常。在测区西南部，分布有星点异常，规模小，推断存在小规模深部裂隙型热储，深部热源若能由断裂导通上来，则可形成局部强异常。圈出的B元素异常大面积分布在中部、东部和西南部地区，内带主要分布在地表热显示强烈的位置，形成较规则浓集中心。高含量异常出现在近NS 向的主断裂和NE 向次级断裂带交汇处，形成的异常区明显受构造控制，推断覆盖区下方存在热水交换区。Hg 元素则出现了局部异常不连续，异常分布面积广、衬度高的强异常，说明地表Hg 异常由深部构造导通热水上升引起，且异常沿隐伏构造方向向北东方向展布，所形成的异常对热的运移通道具有一定的指示作用。

4.3 异常解释推断

根据等值线图所划分的异常分布范围，在测区内共圈出这3 种指示元素浓度高低不一、规模大小不等的具有3 级浓度级别以上的异常20 个，其中As 异常7 个，B 异常5 个，Hg 异常8个。圈定划分了3 个综合异常区（图5）。

4.3.1 I 号综合异常区（HS1）

异常区横跨桑曲河东、西两岸，是由3 个指示元素的累加异常组合形成，异常走向与近SN向构造走向基本一致，受近EW 向和NE 向断裂挫断，向东异常面积逐渐缩小，扩散延展为EW向长条状。长1 km，宽约0.2 km。异常面积约1.8 km2。3 种指示元素异常的浓集中心吻合好，重叠异常区有5 处。结合地热地质成因环境，推测其浓集中心基本上是分布于SN 向的深大断裂带附近，后期EW 向和NE 向断裂起导通作用，形成较好的储热条件，具有较好的找热前景。

4.3.2 Ⅱ号综合异常区（HS2）

异常区位于测区西南部的山前一带，同样也是一个As 和B 的累加异常，呈不规则条带状展布，异常面积约0.33 km2。异常区内指示元素衬度不高，浓集中心不明显，具有中低异常衬度值，但热异常点较多，反映经历了早期的水热蚀变作用，后经风化剥蚀生成残坡积物而形成异常。

4.3.3 Ⅲ号综合异常区（HS3）

异常区位于测区最南部的桑曲河的下游地带。该异常出露呈点状分布，有浓集中心但不明显，综合异常面积较小，仅为0.01 km2。推断所形成的异常受到NS 断裂控制，裂隙型热水被浅部构造导通出露至地表沉积形成星点状分布热异常，类似情况还出现在部分断裂交汇处，建议对此类异常进一步开展工作验证。

后期在叠加各指示元素强异常的区段开展了钻探查证，在深部钻遇并揭露到多段最高水温达185℃的高温热流体，钻孔位置（图5）与各指示元素含量所圈定的高值异常范围对应吻合，对土壤地球化学勘查方法指示浅覆盖层及深部隐伏热储层的有效性进行了初步佐证。