廣東惠州黃沙洞地區地熱資源地球化學勘探方法研究

蔣濤，李廣之，王國建，胡斌，榮發準

（中國石化石油勘探開發研究院無錫石油地質研究所，江蘇無錫 214126）

0 引言

地熱資源是一種可再生能源，有著廣泛的利用前景，對實現節能、減排目標具有重大意義。地熱資源按熱儲介質、構造成因、水熱傳輸方式等因素劃分為不同類型［1］。熱水沿主要控熱斷裂上升途中與圍巖發生物質和能量的交換［2］，通過觀測地熱儲上方土壤中各種氣體含量的變化模式，即可探測作為熱水上升、運移通過的斷裂構造，并可指示其所在大致位置。地熱地球化學探查技術是地熱探測技術的一種，它可提高探測精度，完善評價技術體系［3］。

近年來，我國對近30個地熱田進行了勘查地球化學研究，其成功應用較多，常用地熱地球化學勘探方法包括土壤化學元素（Hg、As 等）測量法［4］，氣體元素（Rn［4-5］、H2［6］、CH4［6］等）測量法，地溫測量法［5-7］，Sb、Bi地球化學指標［8］，形成了包括Rn、Hg、210Po 等地熱地球化學勘探方法和技術系列［9-11］。其勘查方法大致歸納為二類：①常規地化指標方法，包括壤氣Hg、熱釋Hg等；②放射性方法，包括各種Rn、He等。

1 廣東惠州黃沙洞地區地熱田地球化學勘探方法研究

研究區屬于巖漿型熱源，其熱流通道以北東向潼湖大斷裂帶為主的地熱系統。

1.1 黃沙洞地區地熱田地質特征概況

（1）區域地質概況。黃沙洞地熱田位于我國東南沿海地區，區域上屬華南準地臺。地熱田中的溫泉出露于北東向潼湖大斷裂帶中北北西向隱伏花崗閃長巖巖株與奧陶系外接觸帶的交會部位［12］。

（2）研究區地熱資源概況?；◢弾r類巖石放射性元素的蛻變產生地熱亦是區域地溫異常場的重要原因之一［13］。區內廣泛分布花崗巖類巖石，而斷裂自身的張扭性特征可允許熱水在其中流動或者直接成為地熱儲層［14］。受菲律賓板塊擠壓，東南沿海地區（研究區所在區域）出現平緩東傾的鏟狀斷裂系統，斷裂網格系統發育，在地表表現為北西、北東向的高角度斷裂［12］。研究區內熱源、導熱輸導層均發育。地熱田中奧陶紀地層以泥質粉砂巖和泥質或碳質頁巖為主，巖石風化強烈，巖石風化帶和基巖（泥質粉砂巖和泥質或碳質頁巖）透水性均較差，視為地熱田的良好蓋層。

1.2 研究區地球化學勘探方法

本次利用與地熱田密切相關的Rn、H2等地球化學方法、常規地溫測量法以及土壤熱釋Hg 法對黃沙洞地區開展地熱田研究，優選有效地球化學指標及其組合，圈定熱流的最有利富集部位，為高熱流花崗巖型地熱田勘探提供地球化學應用依據。

（1）樣品采集及勘探方法。在黃沙洞地熱田區按1 km×1 km 的網格化布置69 個物理站位，分別進行土壤熱釋汞（Hg）樣品（采集深度為1.0 m）和土壤游離氫氣（H2）（采集深度為0.7 m）等采集，氡（Rn）（深度為0.7 m）現場測定和地溫（深度為1.0 m）現場測定。

（2）測試數據統計特征。背景值（均值）和變異系數是分析地球化學場的兩個重要變量，地球化學背景與異常分別代表地球化學場的高低和變化幅度。

由于指示地熱資源豐富、起伏大、指標濃度變化顯著的地化指標地球化學場與區域蓋層、斷層、裂隙等滲漏通道以及Rn 氣體滲透力、Hg 元素隨熱水的遷移能力有著密切關系，因此，分析這些元素的地球化學場特征可追溯地熱資源的有利富集區。

已知黃沙洞研究區存在著豐富的深部熱源（環太平洋地熱帶的燕山期花崗巖）、厚度適中的熱儲蓋層（上覆蓋層厚度約1 560 m）、較為發育的深大斷裂（北東向潼湖大斷裂帶）等地熱資源有利開發的地質要素。首先，近地表地溫指標空間分布特征可以對研究區地熱流滲漏有指示作用；其次，地表Rn、Hg 等元素地球化學場特征的高值異常區空間分布規律對熱源、熱流滲漏通道亦有相應的反映。因此，地溫、Rn、Hg等指標可應用于黃沙洞地區的地熱勘探。

由表1 可知：研究區地溫指標變異系數最?。?.12），熱釋汞指標變異系數最大（1.19）；lgH2、lgRn變異系數分別為0.32、0.20。由此得知，研究區地溫地表環境指標地化場變化最小，熱釋汞指標地化場變化最大。

表1 研究區地球化學指標數據統計Table 1.Data statistics of geochemical indexes in the study area

（3）測試指標相關分析。由測試指標相關分析（表2）可知：lgRn 指標與地溫指標、熱釋汞指標、lgH2均為負相關關系，分別為-0.078 4、-0.041 7、-0.337 9，其中lgRn 與lgH2負相關性最為顯著。地溫指標與熱釋汞指標正相關關系為0.502 1，正值最大，顯示出它們有很大程度的成因聯系。

表2 研究區測試指標相關性分析Table 2.Correlation analysis of test indicators in the study area

1.3 研究區地球化學勘探應用

研究區熱釋Hg 指標等值線平面圖如圖1 所示。Hg 指標高值區主要呈北東、北西交叉方向，似呈“十”字形形態分布于工區。此外，在工區西北亦有部分高值異常區?；萘譁厝盎轃? 井Hg 指標高值區在中部高異常邊緣區。

圖1 Hg指標等值線平面圖Figure 1.Contour lines of Hg index

研究區地溫等值線平面圖如圖2所示。地溫指標高值區主要呈北東、北西交叉方向，似呈“十”字形形態分布于工區內?；萘譁厝盎轃? 井Hg 指標高值區在中部高異常邊緣區。

圖2 地溫等值線平面圖Figure 2.Geothermal contour lines

研究區lgH2指標等值線平面圖如圖3 所示。lgH2指標高值區主要以北西向分布于工區正中位置，這一部分高值區與熱釋Hg 指標、地溫指標高值區吻合度較好。lgH2指標少部分高值為北東向?；萘譁厝盎轃?井Hg指標高值區在中部高異常邊緣過渡區。

圖3 lgH2指標等值線平面圖Figure 3.Contour lines of lgH2 index

研究區Rn 指標對數等值線平面圖如圖4 所示。lgRn 指標高值區規律性不明顯，其高值點、低值點分布區與lgH2指標有一定程度的反相特征?；萘譁厝盎轃?井Hg指標高值區在中部高異常邊緣過渡區。

圖4 lgRn指標等值線平面圖Figure 4.Contour lines of lgRn index

1.4 地球化學勘探效果分析

由上述地溫、熱釋汞、lgRn、lgH2四項指標地球化學應用得知：研究區熱釋Hg 指標等值線圖與地溫指標等值線圖有較高的疊合性，兩者間的系數相關性亦可體現出來，它們指標高值區呈北東、北西交叉“十”字形形態分布于研究區內（圖5）。lgH2指標高值區與上述兩指標高值區在北東向有一定的疊合，其疊合形態較好（圖5、圖6），三指標間的系數相關性亦可得出相同認識，顯示它們的成因有一定的關聯。lgRn指標等值線與lgH2指標等值線分布特征存在部分反相特征（圖3、圖4），兩者間指標相關系數為-0.337 9，可看出兩者為負相關關系。

圖5 地溫、Hg指標高值異常區與“十”字形推測滲漏通道Figure 5.Abnormal areas of high values of geothermal temperature and Hg index and the inferred "cross" pattern leakage channel

圖6 Rn、H2指標高值異常區與“十”字形推測滲漏通道Figure 6.Abnormal areas of high values of Rn and H2 indexes and the inferred "cross" pattern leakage channel

地溫是地熱資源通過水介質（地熱水）由深部遷移至近地表的最直接反映，其指標高低受控于地熱源（巖漿巖）、滲漏通道（深部斷裂、裂隙）、地熱水載體（熱儲）、深部熱水的泄漏（流向、流速等）等相關因素影響，同時與地表水的補給亦有密切關系。地溫指標的高值分布情況一定程度上反映了與深部斷層（或大的裂縫、裂隙）相關的地熱水的泄漏。同理，熱釋Hg指標亦是地熱資源通過水介質由深部遷移至近地表的直接反映，另一方面，地熱源中的Hg（巖漿巖富集Hg）亦可直接穿透地熱上覆蓋層，微滲漏至近地表，因此，熱釋Hg 指標與地溫指標的地球化學意義存在一定程度的差異性，工區西北角存在Hg 指標高值異常，推測由下覆巖漿巖中Hg的垂向滲漏形成。

常溫下水的分解和氫氧的化合是同時存在的，而且按化學平衡的規律，水能分解的分子太少，而氫氧的濃度極低，分解和化合就可達到一種平衡，所以無法從水中收集到分解的氫和氧。研究區H2指標來源有兩種可能性：一是巖漿巖中自身攜帶有微量氫元素；二是水分子在深部巖漿巖高溫作用下，液態水加熱成為氣態水分子時，分子之間距離增大，水分子熱運動的動能在高溫下達到平衡時，氫氧的濃度要稍微大一點。高熱狀態下水分子在深部強地熱作用及還原性環境下，H2指標含量高，而H2指標的產生與地熱源、地熱斷裂通道（斷裂及裂隙）、熱儲中地熱水載體的存在及遷移方向（H2指標攜帶）等多種因素相關，是這些因素的綜合反映，其地球化學意義與熱釋Hg 指標、地溫指標有一定的差異性（圖5、圖6）。

Rn 為惰性氣體，其地表高值與深部巖漿巖地熱源（Rn 物質源）的存在和分布密切相關，與深部斷裂通道（滲漏輸導通道）、上覆地層裂縫與裂隙的發育、上覆地層厚度亦有一定的相關性；另外，由于深部斷裂地熱水中的補給水以及其向上運移造成的對巖漿巖物質的長期攜帶至近地表的散失作用可能造成Rn指標出現負異常。

綜上所述，由地溫、熱釋Hg 推測黃沙洞研究區地熱資源滲漏通道（深大斷裂、斷裂裂隙等）呈北東、北西向“十”字形分布于工區內，與該區域地熱資源認識相吻合（前已述及，研究區平緩東傾的鏟狀斷裂系統，斷裂網格發育，地表表現為北西、北東向的高角度斷裂，北東向斷裂帶規模大）。地溫、熱釋Hg、H2（對數）的高值異常有一定的相關性，它們均與地熱源、地熱水的補給和遷移、地熱斷裂（裂縫及裂隙）通道等因素相關；而Rn 指標高值區更多因素為巖漿巖體（物質源）中Rn 的正常垂向滲漏形成，與巖漿巖體（物質源）相關性好，同時，因深部斷裂地熱水中的補給水以及其向上遷移過程中造成的對斷裂區巖漿巖物質（Rn元素）的長期攜帶至近地表的散失作用可能造成Rn指標在斷裂帶近地表區出現負異常區。

2 研究區地熱田地球化學勘探方法認識

地熱資源富集賦存的關鍵要素涵蓋源（熱源和水源）、通（通道及傳輸）、儲（儲集體）、蓋（蓋層）等。研究區屬于巖漿型熱源，其熱流通道是以北東向潼湖大斷裂帶為主的地熱系統。本次研究區地熱地球化學勘探采用的方法包括地溫、土壤熱釋汞、氡（Rn）及土壤游離氫氣測試等四種方法，根據這四種方法的應用結果，得出如下幾方面的認識：

（1）研究區熱釋Hg 指標等值線平面圖與地溫指標等值線平面圖在高值區上有很高的疊合性，兩者相關系數為0.502 1，顯示出它們有很大程度的成因聯系。它們的高值區主要呈北東、北西交叉“十”字形形態分布于研究區內，這一特征與該區域地熱資源認識（東南沿海地區發育平緩東傾的鏟狀斷裂系統，地表表現為北西、北東向的高角度斷裂）相吻合。

（2）lgH2指標高值區與地溫、熱釋Hg 兩指標高值區，在研究區中部呈北東向形態展布，重疊性好，三指標高值異常在該區域有很高吻合度，它們均與地熱源、地熱水遷移、地熱滲漏通道（斷裂、裂縫、裂隙）等因素相關；H2指標的高低與地熱源、地熱滲漏通道（斷裂、裂縫、裂隙）、熱儲中地熱水載體（H2指標攜帶）遷移方向、H2的泄漏方向等多種因素相關，是這些因素的綜合反映，其地球化學意義與熱釋Hg、地溫有差異性。

（3）Rn 指標高值區更多是由于巖漿巖體（物質源）Rn 的正常垂向滲漏形成，與巖漿巖體（物質源）、垂向滲漏等因素相關。研究區西北角存在高值異常，這一高值異常區分布特征與Hg 指標分布特征相似，推測地熱源（巖漿巖體）保存較好。同時，深部斷裂地熱水在向上遷移攜帶物質與能量過程中可造成斷裂區巖漿巖物質（Rn 元素）至地表的散失，形成斷裂帶地表區Rn指標的負異常區。

3 結束語

地熱資源開發既要尋找高熱源（地熱能高值區），同時還要兼顧地熱滲漏通發育區（深大斷裂、大的裂縫或裂隙等）、良好的蓋層、豐富的熱儲載體（地下水資源）、地熱水泄漏區運移方向等因素。應避免在Rn（巖漿巖體物質源）高值區（Rn 垂向滲漏形成）鉆探（缺乏地熱水熱儲載體），亦不宜在地溫、熱釋Hg、H2指標的地表高值區鉆探（斷裂導引地下熱儲載體形成地表高值異常）。此次研究區地熱地球化學勘探網格為1 km×1 km，僅達到地熱資源開發的概查條件，應結合研究區地熱源（巖漿巖）分布、深大斷層走向/傾向、斷層與地熱源接觸區（位置）、熱儲（地熱水）豐度、地熱水泄漏區（運移方向）等地熱勘探綜合地質要素綜合分析，方可更好地進行地熱資源鉆探。