西藏谷露高温地热田汞量测量方法应用及试验研究

宋 亮,谢迎春,程纪星,朱万锋,吴国东,王东升,李 玲,李 斌

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

地热田与汞的关系极为密切，特别是高温地热系统，均有明显的汞异常反映。地热田中汞的化学性质使它易于以自然汞和其他汞化合物的形式赋存于多种金属元素的硫化物中或者伴随其他挥发性组分扩散、渗透到岩石、矿物的裂隙或包体中，长期作用下在地表形成较宽阔的原生分布晕。在表生地球化学条件下，汞形成的异常往往与地热田热储上升通道关系密切，大量资料表明，土壤汞异常可用于圈定地热田的范围［1］。汞具有很强的挥发性，是远程迁移元素，可以穿透岩层和土层并最终吸附于表生土壤介质中，在地球深部排气作用条件下能够以气态形式迁移并形成气晕［2］。形成的汞气晕往往是受到高温水热作用活化迁移的原生晕或赋存残留的次生晕，被热田上方围岩及土壤吸附（吸收），存在于土壤和岩石的孔隙与裂隙内。

汞量测量是一种利用加热、释放和测量土壤中赋存相态汞含量并提取异常的地球化学原理，来达到寻找隐伏热异常的目的。通过在谷露地热田开展土壤汞量测量方法研究，分析其异常分布特征与热源形成规律间的关系。根据土壤样的取样深度，样品粒度不同，结合测试过程中样品重量、载气流量、测试时间、标样状态、脱汞温度均对汞测量形成的不同影响因素，对其进行测量研究，确定上述各种条件中的最佳测试效果。同时，选取一条已知剖面进行取样分析，验证方法有效性。

土壤汞量测量的特点是在运积层覆盖的地区仍能发现异常［3］。由于谷露地热田的断陷盆地中有大量第四系运积层覆盖，且厚度较大，根据不同存在形式和不同相态的汞可以在运积层中形成吸附、贮存和游离汞气晕的特点，通过寻找异常形成规律来预测深部热异常，并结合地质、物探等方法进行综合解译。目的是研究中高温地热田尤其是浅表运积物覆盖区寻找隐伏热异常的可行性，进一步改进汞量测量的技术，使之推广应用。

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，东距青藏铁路约2 km。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，交通比较方便，靠近青藏公路（109国道）和青藏铁路。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，海拔在4675～6100 m之间。区内主要有桑曲河和给秀淌河两条常年性河流，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河，属于怒江水系。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，局部地方为风蚀地貌。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-38℃，年平均气压为587 hPa，年降水量约为400 mm，年蒸发总量约为1500 mm。

谷露地热田所处的那曲—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。由于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，而在羊八井附近被SN向的吉达果—尼木断裂交截，故它们在总体上呈NE向展布（图1）。

图1 区域地质构造及研究区位置示意图Fig.1 Sketch map of regional geological structure and study area location

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。区内的九子拉—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，热田区内断裂极为发育，主要发育有SN向、EW向、NW-SE向和少量NE向4组断裂，以SN向断裂为主。

SN向断裂为区域性断裂，其形成时间较早，伴随了整个谷露盆地的形成与演化，具有多期、长期活动的特征。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，覆盖了大量的第四系沉积，下盘（西盘）相对上升，由花岗岩和砂质板岩组成，沿断层破碎带有温泉、泉群出露及大量的泉华分布。岩浆活动则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。

2 样品采集及分析方法

2.1 样品采集

野外样品采集过程中选择适宜的采样层位及粒度是方法是否取得成功的关键。由于土壤发育程度不一，残坡积物地段黏土层发育存在差异，且某些地段时有缺失，在进行层位试验后统一确定采样介质并取三样坑组合样（不少于500 g）（图2），将采集到的土壤样品经风干后充分混匀，用四分法缩分至约100 g。再次进行风干，除去样品中的砾石和动植物残体等异物，用尼龙筛筛选不少于5 g样品，混匀后装瓶备用。

图2 剖面测量土壤采样现场Fig.2 Soil sampling site for profile survey

2.2 实验分析方法

由于每种汞化合物释汞的起始温度、峰值温度、终结温度形成的分解曲线是相互交叉和重叠的，因此，在每一温度下测量的汞量仅是某一相态汞为主，同时包含其他相态汞量之和，并非单纯某一相态的汞，因此，不同热释温条件下，热解释放汞的含量会有所不同。例如100℃热释汞以吸附态的自然汞为主，称吸附态汞；200℃热释汞以氯化亚汞、氯化高汞为主，称为低温热释汞；350℃以硫化汞为主，称为硫化物相态汞；500℃以氧化汞、硫酸汞（包括部分矿物晶格中汞）为主称为中温热释汞；800℃的是各种矿物晶格中汞，称为高温热释汞［4］。

此次测量采用Lumex RA-915M型测汞仪对土壤中含汞量进行直接测定，不需任何试剂，不需样品前处理，同时还具有快捷、准确、检出限低等特点。

开启仪器预热20～30 min，待测量基线平稳后，称取适量土壤样品通过石英舟插入热解装置，汞通过仪器热处理单元进行充分燃烧分解，热解产生的气态汞再由载气（空气）引入RA-915M分析仪进行检测。由于汞原子蒸气对波长253.7 nm紫外光具有强烈的吸收作用，汞蒸气量与吸收峰峰面积在一定范围内成正比关系［5］。根据测定的吸光度峰面积值和样品质量，即可求得样品中汞的含量［6］。具体计算公式和测定步骤如下：

式中：c—样品中总汞浓度，10-9；n—依据标准曲线测得的汞含量，ng；m—称样量，g。

136件实测剖面样品的分析测定条件：气体流速0.2 L·s-1，热处理温度680～740℃，每件样品检测时间1～2 min。

3 质量评价

3.1 采样质量

此次测量共完成土壤热释汞测量样品301件，其中检查测量样品35件，占样品总数的11.6%。重复样品与基本样品一同加工，统一编号装瓶送实验室分析。在获取基本样品分析数据后，对重复样品进行分析及重复性检验，计算基本取样分析汞含量数据A与重复采样分析汞含量数据B之间的相对偏差，得出相对偏差允许限R E。其公式为：R E=|A-B|/（A+B）×100%，相对偏差计算结果R E≤20%，合格率为95%，显示采样质量真实可靠，且符合规范要求。

3.2 分析质量

开始测量工作前，需连续测定洁净空气10次，以大于2倍空白的标准偏差除以标准曲线斜率，计算汞元素检出限为0.02×10-9，选取2个实际土壤样品，分别进行5个平行测定，计算相对标准偏差。每次测试前，使用标准土壤样品［8］（GSS-5）对RA-915M热释汞分析仪稳定性进行校准，标准样品汞含量为290×10-9。绘制标准工作曲线，标准曲线线性良好，其相关性系数均大于0.99。相对标准偏差小于5%，表明仪器性能良好，工作正常。统计每次测量前早晚校准测量结果如图3所示，此台分析仪早晚标准测量校准曲线与标准土壤样品（GSS-5）标准值相对误差均在±5%之内，测量所得数据稳定、合格。

图3 RA-915M热释汞分析仪稳定性校准曲线图Fig.3 Stability calibration curve of RA-915M thermo-mercury analyzer

样品的分析测试数据报出率为100%，按照测量样品总数的3%～5%开展样品的重复性检查测量，重复性测量的合格率为98%，热释汞测量的重现性均较好，所测样品数据质量可靠，符合相关规范要求。

4 影响因素分析

4.1 汞异常形成来源及特征

汞为亲铜元素，易于从各种化合物中还原出来而生成自然汞。在内生地球化学环境中，与其他亲铜元素，诸如Cu、Pb、Zn、Ag、Au、Cd、In、Ga、Ge、Tl和Re，以及As、Sb、Bi、S、Se和Te等一起富含于热液中。又由于汞的沸点和升华点很低，决定了汞在热液中具有很高蒸气压力［9］。因此，温度条件越高，迁移能力越强，在表生地球化学环境中，易溶于中酸性水中迁移。物理风化和生物风化作用条件下形成的各种成因的游离汞，由于易挥发呈汞蒸气以及由于汞蒸气有强大的穿透能力，可沿构造裂隙和岩石孔隙向地表扩散迁移。汞在运积层扩散时，疏松沉积物通过吸收、吸附和化学吸收，吸留和游离态等形式。将汞从气体和溶液中截留下来，形成吸收汞，游离汞气晕［10］。在这种接力传递的地质作用条件下，汞蒸气能够从溶液中不断逸出而扩散到围岩、覆盖层及大气中。所以，汞量测量在寻找隐伏热储层和断裂构造方面，具有明显优越性和独特性。

汞在自然界中的分布量很小，它在地壳中的丰度约为50×10-9，土壤中含汞量通常低于100×10-9［11-12］。西藏地区土壤含汞量的平均值为18×10-9。为突显谷露热田汞元素的地球化学特征差异，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、方差和衬值）来进行对比，是反映地热田热源异常信息的重要标志。表1所示为谷露地热田和羊八井地热田土壤背景区和异常区汞元素的特征参数对比。由数据可见，背景区采集的土壤样品汞含量的变化范围及特征参数差别不大，而异常区往往是热异常、热水作用和蚀变作用强烈的地区，含量变化范围及特征参数相较于背景区成倍数提高，谷露地热田和羊八井地热田均具有汞含量衬度较高的特征，是深部热流体在经混合水岩共同作用后形成的热水随断裂构造通道上升并进一步迁移扩散至地表后，沉淀所形成的富集型异常。

表1 谷露地热田土壤汞元素特征参数对比表Table 1 Comparison of soil mercury characteristic parameters in Gulu geothermal field

高含量富集和高异常衬度也说明其来源于深部，未受到地表水混合作用的影响，指示存在地热异常，推断深部可能存在高温热储。同时，对谷露地热田土壤汞特征参数进行了统计分析，结果如表2所示。

结合特征参数统计表（表2），谷露地热田异常区土壤汞含量最大值达到了1143.7×10-9。而背景区的土壤汞含量最大值则为28.9×10-9，背景值与异常值的比值平均值为0.219；异常衬度高，说明汞异常由深部热水引起，同时也对其具有明显指示作用。

表2 谷露地热田土壤汞地球化学特征参数表Table 2 Geochemical characteristics of soil mercury in Gulu geothermal field

4.2 取样深度影响

为确定取样深度对土壤汞含量的影响，选取研究区范围内第四系覆盖区（GL-1）和残坡积部位（WQ-1）分别开展层位试验（图4）。土壤具有分层结构，不同层的空隙、结构、矿物组分和元素含量互有区别，所在不同的土层取样就会得到不同的结果。如何选取合适的采样深度需要考虑汞元素的地球化学性质。在本次取样深度的样品测试中，汞量均表现为A层、B层释汞量相对最高，C层释汞量则大大减少，总体呈现由高到低的趋势［13］。

图4 不同深度土壤样品中热释汞含量变化图Fig.4 Variation of thermally released mercury in soil samples at different depths

根据土壤氧化还原电位的状况，吸附性强的高价氧化物均分布于土壤的表层或在强淋滤土壤中。在深层土壤中，它们则是呈低价态，当其不水解时对汞及其他离子没有明显吸附作用。地表土壤有机质和泉华中SO42-的存在使土壤对汞的固定率增加，尤其是在地表这种影响更为明显，使得地表土壤对Hg2+、Hg0的吸附量增大［14］。因此，在采样中选择A层下部细粒土壤作为采样目标层，既能确保采集样品粒度统一，又能够保留汞高含量异常，尽可能地避开地表各种因素的干扰。

4.3 样品粒度影响

将野外采集样品以自然粒度分别过筛得到-80、-120、-160和-200目四种不同粒度的样品，选取500℃的温度分别进行测试。由图5可见，随样品粒度的加大，释汞量减少，背景值和异常下线为下降趋势。

图5 不同粒度土壤标准样品中热释汞含量变化图Fig.5 Variation of thermally released mercury in standard soil samples of different grain sizes

在4种不同粒度的土壤样品中，从-80目粒度开始，热释汞含量随着粒度变细而逐渐升高，但热释汞含量变化不大，没有大幅度的增高或降低趋势。综合分析深度和粒度试验结果，由于腐殖质和黏土矿物胶体对汞的吸附能力都很强，在土壤中腐殖酸从水溶液中固定的Hg2+一般难以用其他元素置换出来，大部分汞固定于土壤的细粒部分。另外，土壤吸附汞的能力与自身颗粒级的表面积有关，粒级越小吸附汞量越高。因此，粒度越小的土壤样释汞量越大，在测量土壤汞时应使用细粒样品。在考虑工作效率以及高原地区采样特殊性的基础上，结合试验结果，选择A层下部-200目细粒土壤作为合适的采样粒度。

4.4 样品分析重量影响

分别选取高温800℃和低温300℃的不同条件下，对同一标准样品做不同重量的测试（表3）。

表3 高温和低温状态下样品重量对测试的影响Table 3 The infection of sample weight on the test at high and low temperatures

除个别样品外，在高温测试时，释汞量随样量增加而减少，在低温测试时，释汞量与样量的关系不甚明显，释放速度缓慢、时间成倍增长。而在高温测试过程中，石英舟底部样品受热温度高，释汞快，如果样量太大，则石英舟上部样品温度达不到测试温度，且对下部汞释放形成了屏蔽作用，致使整体释汞量降低［15］。而样量过少又会加大因样品不均而产生的误差，因此高温测试时应选择70～80 mg样重较为合适，尽量不超过100 mg为适宜。

4.5 载气流量及测量时间影响

不同状态的汞的释放温度亦各不相同。样品中可能同时存在低温、中温、高温等不同热态的汞，在载气流量相同的情况下，高温测试得到的是多种热态的混合汞，也能最直接地指示热异常，而测量温度越低，其释放的汞相态种类越少，因得到的汞异常的叠加值越少。选取高、中、低3个温度段测试在不同载气流量0.2、0.3和0.4 L·s-1状态的同一样品的释汞量，每种载气流量测试3个样品，取平均值，如表4所示。

表4 不同温度下载气流量对释汞量的影响Table 4 The effect of loading air flow mount on mercury release at different temperatures

同一样品，在同一温度下，释汞量与载气流量成反比。选择适当的载气流量可使测量数据更为精确。载气流量与释汞量关系见图6。

图6 不同载气流量、温度条件下释汞量与测量时间的关系对比图Fig.6 Comparison of relationship between mercury release and measurement time under different carrier gas flows and temperature conditions

由图6可见，在同一温度下，随载气流量的增加，汞释放时间减少，800℃时，0.2 L·s-1载气流量测试时，汞的起始释出时间在开始测试后的3 s，0.3 L·s-1载气流量测试时，汞的起始释出时间在开始测试后的1.5 s，0.4 L·s-1载气流量测试时，汞的起始释出时间在开始测试后的0.5 s，0.5 L·s-1载气流量测试时，由于载气流量过大，致使在仪器还没有开始测试时汞便已经被抽入测汞室，使仪器测量初始值不为零，曲线出现负值，这是造成汞量减少的主要原因。随载气量的增加，峰值浓度下降趋势明显。500和300℃测试曲线表明同样的特征。因此，在800℃高温测试时，应选择0.2 L·s-1载气流量，低温测试时，应选用0.2～0.3 L·s-1载气流量进行测试。

4.6 标样测试分析

在每次测试开始时都应对仪器进行标定，同一标样在不同温度时是否可以用同一数值标定存在不确定性［16］。此次分析试验过程中，首先在800℃进行汞量标定，然后使炉温逐渐下降至600℃，每下降一个温度段（100℃），对标样进行一次测试。由表5可见，温度下降对标样的释汞峰值浓度影响很大，但对积分浓度影响不超过10%，因此利用标样积分浓度进行标定是准确可行的。同一样品，在相同载气流量的情况下，释汞量与温度成正比。

表5 标准样品在不同温度下的释汞量对比表Table 5 Comparison of released mercury of standard samples at different temperatures

5 实测剖面结果

5.1 剖面样品采集

剖面测量的土壤样品采集比例尺均为1：10000，点距50 m，测线走向为EW向，垂直于主要断裂构造的展布方向，剖面线和取样点均穿过谷露地热田的地表热显示区。野外采用手持GPS定位，在设计点附近选择土壤发育完善、无人为污染处，采集深度约20 cm，在1～2 m范围内取组合样，样品重量不少于1 kg。重复样品沿测线在采样点附近重新采集，其数量不少于总采样量的5%，均匀分布于测线上，实际采样位置如图7所示。

图7 谷露地热田实测剖面取样位置图Fig.7 Sampling location of measured section in Gulu geothermal field

5.2 实测结果

采用逐步剔除法（M±2S）确定了背景值为13×10-9，异常下限为24×10-9。由两条剖面的测量结果（图8）可见，异常规模不大，但存在较大衬度的高值汞含量异常，具有强烈富集特征。两条剖面汞含量的分布基本不受不同岩性的影响，不同岩石性质（沉积岩）和不同土壤性质，虽然对土壤吸附汞的背景含量都有影响，但实测结果中，汞含量高达数十倍的衬度足以让其忽略不计，也并未造成较大差异。由于深大断裂是幔源物质上侵和地球释热、脱气的主要通道，各种构造活动产生的裂隙带和高渗透带是热液、热气流和金属气体迁移的通道，同时又是矿质组分沉淀和堆积的场所。断裂构造的间断性活动，既能把巨大的势能转化为热能，热流体受到加热作用，使断层面附近的易挥发组分活化，岩石破碎，表面积急剧增大，加速了岩石的物理和化学作用，使断裂带附近的释汞速度加快，并迁移上升至地表与地表的含硫泉华一同沉淀析出，在周围形成高含量异常，异常的形成与否存在热的密切相关。

图8 L1、L2线热释汞剖面测量结果Fig.8 Measured results profile of thermal release mercury of L1 and L2

由测量结果可见，汞的高值异常均分布于地表热泉出露及断裂构造上方，L1采集土壤汞含量的最大峰值出现在热泉正上方，L2线剖面朝热水的排泄方向（EW向）有锯齿状弱异常出现，远离热泉，汞含量急剧下降至背景含量。由于研究区内第四系地层覆盖范围大，北厚南薄，东厚西薄，深度在200～400 m不等，推断地表汞含量高值异常形成常与隐伏导热构造通道的导通存在明显相关性，含有大量微量元素的热水通过断裂构造的导通作用上升至地表第四系地层进而形成第四系热储，汞的化合物在后期受到水化学作用而大量沉淀形成了累积异常，异常往往分布在热水作用明显的泉华盖及周边范围，较为连续，表现为热储上方的土壤汞异常衬度较大的特征，而非单点异常，异常展布形态与泉华盖及热水作用范围吻合。两条剖面的实际测量结果也显示，汞含量的最大峰值也出现在热泉正上方。能够对深部热水的运移和赋存起到较明显指示作用。

结合物探测量结果，发现汞含量高值异常形成与深部已知的导热构造通道FAMT-7的导通作用存在相关关系，由于受到西段FAMT-1、FAMT-3断裂阻隔影响，低阻异常并不连续，东段FAMT-11为谷露断陷盆地边缘断裂，低阻体的展布明显受到FAMT-1、FAMT-3、FAMT-5和FAMT-11推测断裂的影响而范围逐渐减小，且推测断裂的上方，汞异常均为低值异常，说明这些断裂并没有对深部的热源进行导通，浅部也不存在大量水热活动参与其中。进而反映断裂构造既能对热储起到连接导通作用，也能产生阻隔作用，同时也对汞异常的形成产生了影响。

后对剖面测量中汞含量异常区段开展了地面异常查证工作。异常区段地表热蚀变发育，而其他采样位置则无明显热蚀变现象，高值强异常区附近地表存在大量冷、热水泉点，局部可见断裂构造痕迹，与汞异常形成范围一致。在L1线的强异常中心位置开展了钻探查证，深部揭露到多段最高水温达185℃的高温热流体，验证了此方法对于浅表及深部隐伏热储层具有较好指示作用。

6 结论

1）汞量测量在覆盖区的地热资源勘查勘查中是一种有效、可行的技术方法，对于隐伏断裂及隐伏深部热储具有较好的指示作用，可作为提供该区域划分热储范围，定位热源及部署钻孔位置的有力参考依据。

2）通过对层位选择、样品粒度、试样质量、载气流量、测试时间、标样选定及热释温度选择等影响因素的研究，提出适合谷露地热田汞量测量方法的最佳采集条件和分析测量参数，增加了定位隐伏热异常的准确性，汞元素可作为该区域地热勘查的地球化学标志元素。

3）根据剖面测量结果的分布特征显示出，汞异常与断裂构造及热水上升通道关系密切，一定程度受断裂构造的影响，汞沿裂隙带上升运移形成的部分异常值更高。