沉积盆地型与隆起山地型地热系统地表地球化学异常模式差异性分析

王国建, 宁丽荣,李广之, 吴传芝, 朱怀平,胡斌, 肖鹏飞,唐俊红

1)中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所,江苏无锡,214126;

2)中国石化石油物探技术研究院,南京,211100;

3)杭州电子科技大学材料科学与环境工程学院,杭州,310018

内容提要:地球化学勘探技术作为地热资源综合勘查技术之一,在地热勘探开发中发挥了重要作用。 沉积盆地型与隆起山地型地热系统由于自身地质特征的不同,必然造成它们的地球化学判识指标和异常模式存在差异。 目前国内外尚缺乏对这两种类型地热系统判识指标和地球化学异常模式差异性进行地质地球化学分析,导致针对不同的勘探对象在方法选择和异常解释上依据不足。 以典型沉积盆地型地热系统——河北雄县地热系统,隆起山地型地热系统——安徽巢湖半汤地热系统为例,开展地球化学方法试验,建立了两种类型地热系统的地表地球化学异常模式,并从地热系统的地质因素(热源、热水、热储、通道、盖层)出发,对其地表地球化学异常模式差异性进行分析,表明隆起山地型地热系统地表地球化学异常模式为受导水断层、破碎带控制的正异常;沉积盆地型地热系统气体地球化学异常模式为受热储构造控制的正异常,微量元素地球化学异常为受氧化还原环境控制的负异常;二者在有效地球化学指标组合和异常形态上均存在差异。 研究结果为不同类型地热系统勘探提供方法和理论依据。

从构造成因角度看,地热系统可分为沉积盆地型地热系统与隆起山地型地热系统(朱炳球等,1992;陈墨香等,1996;王钧等,1990;张英等,2017)。沉积盆地型地热系统一般发育于比较稳定的盆地中,构造活动一般较弱,热能传递以热传导方式为主,一般不具有向上运移的流体循环,热背景值较低(阎敦实等,2000;王琦,2010;张英等,2017;张薇等,2019;罗璐等,2019;李泓泉等,2020);隆起山地型地热系统的发育与构造活动密切相关,通常分布于构造活动异常活跃的地区,如板块边缘区以及板内断裂活动异常强烈的地区,往往在地质历史上伴有火山或岩浆活动。 异常强烈的构造活动与深大断裂为深部岩浆上涌提供了通道条件,成为深部热源传递并形成地热资源的重要因素(Reed,1983;汪集旸,1996;周立岱,2005;张英等,2017;史猛等,2019;袁利娟等,2020)。 地球化学勘探技术作为地热资源综合勘查技术之一,在圈定地热异常区、控热、导热构造,寻找控热断裂,推断地热水的成因和年龄,推断深部热储温度等方面发挥了重要作用,配合地质、地球物理技术,可以提高地热勘探开发的成功率。长期以来,尽管众多研究者进行了不同类型地热系统的地球化学勘探(史长义等,1992;吴述来等,2007;谢学锦等,2009;张元培等,2010;Fourré et al.,2011;Nguyen Kim Phuong et al.,2012;Samuel et al.,2013;吴继新,2013;赵苏民等,2013;韩冀春等,2018),但是都限于勘探找热个例,尚没有对沉积盆地型地热系统和隆起山地型地热系统富热区的地球化学判识指标和地球化学异常模式进行对比,也没有对两种类型地热系统判识指标和地球化学异常模式的差异性原因进行地质地球化学分析,导致针对不同的勘探对象在方法选择和异常解释上尚缺乏依据。 因此,开展两种不同类型地热系统地球化学判识指标和异常模式差异性研究具有重要意义。 本文以典型沉积盆地型地热系统——河北雄县地热系统,隆起山地型地热系统——安徽巢湖半汤地热系统为例,开展地球化学方法试验,主要包括土壤游离气(CH4、H2、He、CO2)、顶空气(CH4、He、CO2)、热释汞、酸解烃、碳酸盐(卢丽等,2013),壤气汞、壤气氡、土壤元素(Hg、S、As、Ti、Bi、V、Ni、Sr)(宾德智等,2010)。 各方法的地热指标意义分别简述如下:CH4、H2、He、CO2都是地热系统伴生的重要气体,在地下各种驱动力作用上容易微渗漏扩散到地表形成气体及其衍生物浓度异常(朱炳球等,1992;汤玉平等,2017),如酸解烃为微渗漏扩散甲烷进入矿物晶格形成化学吸附的烃类(杨俊等,2015),碳酸盐为微渗漏扩散的CO2以及CH4被微生物氧化形成的CO2与地表碱土金属阳离子以及非碱金属阳离子反应形成;地热系统中硫化物的存在为亲铜元素提供了来源。 Hg 为亲铜元素,它的电离势很高,居亲铜元素的第一位,因而汞易从各种化合物中还原成汞蒸气而进入大气,或以游离的形式赋存于岩石裂隙和土壤颗粒间隙(壤气汞)或被这些介质吸附和吸留(热释汞)(朱炳球等,1992)。 氡是放射性元素铀、镭衰变链中的产物,在温差及压驱动下,随地下水沿孔隙或破碎带运移至地表。 一些易挥发元素(如亲铜元素)在地热水和构造的作用下,造成元素在空间分布上的变化,通常在地热系统的上方及周围形成分散晕或异常(童运福等,1992;汤玉平等,2017)。 通过实测获得的大量地球化学数据对两种类型地热系统的地表地球化学异常模式差异性进行分析。

1 沉积盆地型地热系统——雄县地热系统地球化学异常模式

1.1 地质概况及化探剖面

选择中国石化集团新星公司地热示范基地,沉积盆地型地热系统——冀中坳陷河北雄县地热系统作为本次研究的试验区,化探剖面如图1 所示。 雄县地热系统被认为是一个有共同热源的地质综合体,关于其热源、热储、导水通道、盖层信息等如下(韩征,2009):① 热源:结合区域性氦数据,冀中凹陷地幔热流约占61%,地壳热流约占到39%,证明该地区(含雄县地热系统)热源以幔源为主。 ② 热储:雄县地热系统中包括新近—古近系砂岩孔隙热储和基岩岩溶裂隙热储,特别是蓟县系雾迷山组热储分布范围广、厚度大、岩溶裂隙发育、渗透性良好,是整个地热系统中最重要的热储。 在牛驼镇凸起部分仅存在蓟县系热储,其埋藏深度在950 ～1050 m之间,是雄县地热系统开发利用的主要热储层。 ③ 导水通道:雄县地热系统基岩中的断裂和次生断裂构成了地热水的主要导水通道。 ④ 热储盖层:雄县范围内第四系地层构成了地热系统的良好盖层。 ⑤ 热储温度:在雄县的牛驼镇凸起范围,新近—古近系的底板(大部分范围也是蓟县系的顶板)深度一般在1000 m 左右。 因此,1000 m 深度地温等值线相当于新近—古近系热储底板温度和蓟县系热储顶板温度等值线,其最高值为92 ℃(韩征,2009)。 在牛驼镇凸起,蓟县系雾迷山组的底板深度在2000 m 左右,其温度在凸起的轴部为90～118 ℃,两侧温度逐渐变低,最低约为60 ℃。

图1 雄县地热系统基岩地质图及化探剖面位置(据韩征,2009 修改)Fig. 1 The location of bedrock geology and geochemical profile of Xiongxian geothermal system (modified after Han Zheng, 2009＆)

1.2 雄县地热系统地球化学异常模式

通过对雄县地热系统地表地球化学特征分析表明,能反映地热系统富热区的主要有效地球化学勘探指标有:游离气甲烷(Y-CH4)、氢气(Y-H2),微量元素Sr,氧化还原电位Eh,其中Eh 为环境指标。 为了消除单点异常的随机性,对剖面上的地球化学数据进行了滑动平均处理,初步建立雄县地热系统地质—地球化学异常模式(图2、图3):游离还原性气体指标(CH4、H2)在雄县地热系统最有利地热富集区(牛驼镇凸起顶部)为正异常(或顶端块状异常)模式;元素Sr、环境指标Eh 在雄县地热系统最有利地热富集区(牛驼镇凸起顶部)为负异常(或环状异常)模式。

雄县地热水和壤气中的高浓度甲烷主要是有机来源(汤玉平等,2017),牛驼镇凸起紧邻霸县凹陷、廊坊固安凹陷,凹陷中的烃源岩生成的气体可能沿牛东断裂、角度不整合面等侧向微运移,以游离态和溶解态聚集在凸起顶部,形成具有指示地热富集部位的甲烷浓度异常。 因此从地表探测游离气(CH4、H2)的异常峰值主要分布在牛驼镇凸起顶部及其附近区域,较好地响应了凸起上部蓟县系储层与新近—古近系不整合接触的范围,这是基岩岩溶裂隙热储的地表地球化学效应反映。 由于游离气CH4、H2属于还原性气体,在地表的高丰度存在将导致土壤环境相对还原,因而Eh 相对于背景区明显降低,出现负异常。 氧化还原电位变化,从而引起富热区地表Sr、Ni 等元素活化迁移,在最有利富热部位出现亏损或负异常。 牛驼镇凸起顶部的地温梯度最高可达12 ℃/100 m(韩征,2009),在这样高的地温梯度以及高浓度还原性气体下,使地表产生了响应最有利地热富集部位的地球化学异常模式和环境。

从图2、图3 还可以看到,牛驼镇凸起北西翼(即邻近凸起顶部的北西方向)也有较强的还原性气体浓度异常,可能与地热系统的最有利热储——蓟县系雾迷山组(Jxw)岩溶热储主要沿北西翼展布有关;另外在剖面Ⅱ—Ⅱ’上,牛驼镇凸起北西翼还存在一个较大的次级断裂,该断裂断至中上元古界热储和古近系地层,热储中的气体可能沿此通道微渗漏扩散到地表,形成高丰度异常。

2 隆起山地型地热系统——半汤地热系统地球化学异常模式

2.1 地质概况及化探剖面

巢湖半汤地热系统位于安徽省巢湖市汤山背斜南西倾伏端,背斜核部由震旦系、寒武系、奥陶系碳酸盐岩类地层组成,南、东、西(背斜两翼)三面则分布着志留系砂质页岩、泥岩等极弱含水层,自然形成一个封闭式储水构造。 半汤地热系统的热源是滁河深断裂沟通深部热流,滁河断裂带内次级断层构造、裂隙和岩溶发育,大气降水沿溶孔、溶洞、裂隙向地下深部渗透径流,由于裂隙、岩溶在地下不同标高段发育,具不均匀性。 地下水在不同标高深度段的岩溶、裂隙通道内径流、循环、在径流过程中受地热增温率影响,获取热能,温度升高的地下热水,溶解度增大,溶解了大量的稀有元素、微量元素和金属元素。 深部热流体沿F2、F3 断层由北东向南西径流、运移。 当受到深部F1 断层和志留系地层阻隔后,在补给、排泄区水头差和热对流作用影响下,沿F5 断层裂隙、岩溶通道迅速向上运移,在受到第四系松散盖层影响后,呈带状分散涌出地表(图4)。 由于地下热流体在不同深度的岩溶、裂隙发育带径流、循环,因而,各温泉涌出地表的水温也各不相同(刘飞等,2008)。 本次化探剖面如图4 所示。

图4 安徽巢湖半汤地热系统地质图(据刘飞,2008 修改)及化探剖面示意图Fig. 4 Geological map ( modified from Liu Fei, 2008＆) and geochemical profile of Bantang geothermal system, Chaohu

2.2 半汤地热系统地球化学异常模式

通过对半汤地热系统地表地球化学特征分析表明,隆起山地型地热系统地表地球化学指标主要受导水断层控制,以破碎带处地球化学异常显著。 主要有效地球化学指标是:酸解烃甲烷,碳酸盐含量,顶空气甲烷,热释汞,壤气汞,壤气氡,元素Hg、S。因此,隆起山地型地热系统地表地球化学异常模式为:以断层、破碎带控制的多种地球化学指标浓度显著正异常,在剖面上的形态表现为尖峰状(图5)。

图5 巢湖半汤地热系统地质—地球化学异常模式Fig. 5 Geological—geochemical anomaly pattern of Bantang geothermal system,Chaohu

半汤地热系统的地球化学异常模式与局部断裂有关。 半汤温泉F3 断层分布在地热田西部, 走向北北东20°～40°,倾向南东,倾角较陡,性质为压扭性逆断层,断层南东盘为震旦系灯影组和寒武系中上统山凹丁群,北西盘零星出露,为奥陶系下统。 该断层在地热田北部空军疗养院山坡,见宽约15.0 m 的角砾岩带,角砾呈棱角状,砾径小者3.0 ～5.0 mm,大者2.0 cm 以上,胶结物为细屑白云岩、方解石和铁质氧化物组成。 该断层为富水断层,冷泉王泉分布在断层带上。 在半汤地表可以见到F3 断层受到在挤压构造应力场中扭性作用力下地层破碎较为严重,破碎带角砾岩胶结物证明了这一点,同时也证明了F3 断层是地下与地上的沟通通道。 本次半汤地区化探测量的酸解烃甲烷,碳酸盐含量,顶空气甲烷,热释汞,微量元素Hg、S 等指标在F3 断层上显示了明显的地球化学异常,化探指标的共同分布特征,反映F3 断层是地下物质垂向运移至地表的有效通道;而F3 断层破碎带胶结物为方解石和铁质氧化物的组成,证明了早期高矿化水溶液存在通过断裂系统持续的上渗运移。 F3 断层起到了对半汤温泉地表化探异常输送物质和控制化探异常空间分布的决定作用。

3 两种类型地热系统地球化学异常模式差异性分析

上述两种类型地热系统的地球化学勘探试验结果表明,沉积盆地型地热系统——雄县地热系统与隆起山地型地热系统——半汤地热系统的最有利富热部位无论是在有效地球化学判识指标上,还是在地球化学异常模式上均存在很大差异。 表1 将二者的地质特征、地球化学判识指标、地球化学异常模式做了对比。 从地热系统的地质因素(热源、热水、热储、通道、盖层)出发,对两类地热系统地球化学异常模式差异性的原因进行探讨。

表1 不同类型地热系统地质特征与地球化学有效指标、异常模式对比表Table 1 Comparison of geological characteristics, effective geochemical indicators and anomaly patterns of different types of geothermal systems

热源及导热方式差异:隆起山地型地热系统与沉积盆地型地热系统地质构造背景存在差异,在热成因上有着明显的不同。 隆起山地型地热系统受板内活动深大断裂控制,地下水深循环对流传热,以深部热流为主,存在上地幔、地壳深部物质加入(如CO2、CH4、H2S、Hg、Rn 等);沉积盆地型地热系统受盆地沉降活动控制,为地温梯度增温模式,以地幔上隆烘烤岩石层向上部地层传热,缺乏地壳及以下深部物质的加入。

热水伴生物差异:隆起山地型地热系统以深大断裂发育为特征,断裂沟通地壳带来深部物质,如甲烷、二氧化碳、氡、汞气,元素Hg、S 等地壳深部物质进入热储,这一特征是隆起山地型地热系统地球化学特征;沉积盆地型地热系统,因为热储层附近沉积有一定的生烃潜力有机质,成熟烃类可以游离态、溶解态进入地热水中,因此地热水游离气甲烷、氢气丰富。 沉积盆地地热系统是深部幔源热流对上覆地层传导增热,受地层封盖性阻隔,因而热水缺少地壳及以下深部物质指标,此为沉积盆地型地热系统地球化学特征与隆起山地型地热系统地球化学指标组合上的差异。

热储差异:隆起山地型地热系统一般为带状热储,是以对流传热为主、平面上呈条带状延伸、具有有效空隙和渗透性的断裂带构成的热储。 尽管断裂带深部也可能存在沉积层状热储,但由于断裂带热储沟通地下层状热储,就地热开发而言,深层层状热储不是最有利的富热部位,也不是被考虑的钻探对象。 从地热系统热储中的气体、元素微渗漏扩散来说,因为有断裂带热储的这种优势通道的存在,主要体现的是断裂带热储形成的地球化学异常,深部层状热储的地表地球化学效应相对很微弱。 沉积盆地型地热系统为层状热储,以传导热为主、分布面积大并具有有效空隙和渗透性的地层构成的热储。 因此二者的地表化探异常模式明显不同,隆起山地型地热系统的异常模式为断裂或破碎带处正异常,在剖面上呈现为峰状异常,在平面上呈现条带状异常;沉积盆地型地热系统的地球化学指标异常模式为层状热储高部位的正异常(或顶端块状异常)或围绕热储构造高部位的环状异常。

通道差异:隆起山地型地热系统一般是深断裂切割所有地层,地表地球化学异常通常沿导水断裂分布;沉积盆地型地热系统断裂一般切割部分地层,保存条件好,热水伴生气体或元素主要沿地层中的微裂隙网络近垂向微渗漏扩散到地表。

热储体系封闭性差异:隆起山地型地热系统为半封闭体系:地热系统因多与深大断裂有关,并且断裂基本延至地表,因此,地热水中富含氡、二氧化碳、以及元素Hg、S 等。 由于断裂沟通地壳与地表,热储中所有化学物质均可释放至地表并发生物理化学沉积和产生化学反应。 地热水伴生CO2在地表易形成碳酸,碳酸根离子与地表碱土金属阳离子以及非碱金属阳离子结合生成碳酸盐,导致温泉附近土壤碳酸盐含量升高。 碳酸盐含量的升高增加了土壤对地热水伴生甲烷的化学吸附量,因此,温泉附近土壤酸解烃含量升高。 同时,潮湿的土壤密封性较好,容易使烃类以物理吸附态、溶解态赋存,因此温泉附近的土壤顶空气甲烷也为高值异常。 沉积盆地型地热系统为封闭体系,大多数热储中元素、化合物等难以直接迁移到地表,热储中仅气体类游离气甲烷、氢气、二氧化碳,可通过微裂隙系统近垂向迁移到地表,由于游离气甲烷、氢气迁移至地表,在地表产生次生地球化学效应,如氧化还原电位变化,从而引起富热区地表Sr、Ni 等元素活化迁移,在最有利富热部位出现亏损或负异常;氡气和汞气在沉积盆地型地热系统上方只反映深大断裂,并不反映最有利的热储部位。 热储体系封闭性差异导致地热系统地球化学指标在空间分布上的差异。

4 结论

(1)无论是沉积盆地型地热系统和还是隆起山地型地热系统,从根本上来说,它们的热源基本上一致,均来自岩浆熔融和放射性物质的衰变。 隆起山地型地热系统通过深大断裂沟通地壳带来深部物质进入热储,而沉积盆地地热系统是深部幔源热流对上覆地层传导增热,受地层封盖性阻隔,因而热水缺少深部物质指标,其地球化学指标主要与热储、围岩的水岩相互作用或邻近沉积有机质生烃有关,由于两种类型的地热系统的热储中存在的地球化学物质(如元素、气体等)不同,近垂向微渗漏扩散到地表后形成的地球化学效应和有效地球化学指标组合上存在差异。

(2)隆起山地型地热系统一般为带状热储,以对流传热为主、平面上呈条带状延伸、具有有效空隙和渗透性的断裂带构成的热储。 沉积盆地型地热系统为层状热储,以传导热为主、分布面积大并具有有效空隙和渗透性的地层构成的热储。 由于两种类型地热系统的热储空间形态不同,因而热储中的地球化学物质近垂向微渗漏扩散到地表形成的异常形态不同。 隆起山地型地热系统的地球化学异常形态在剖面上呈现为峰状异常,在平面上呈现条带状异常;沉积盆地型地热系统的地球化学异常形态为层状热储高部位的顶端块状异常或围绕热储构造高部位的环状异常。

(3)沉积盆地型地热系统与隆起山地型地热系统的最有利富热部位有效地球化学判识指标,以及地球化学异常模式上均存在很大差异,与地热系统的源、储、通、盖等地质因素息息相关。 本研究提出的两种类型地热系统的地球学判识指标和地球化学异常模式,对于相应的地热系统勘探具有指导意义。

致谢:感谢中国石化新星公司河北绿源地热能开发有限公司李小军经理和安徽省地质矿产勘查局327 地质队刘飞高级工程师对本项工作的支持。 作者同时也感谢章雨旭教授和匿名审稿人对文章所提出的修改建议。