广东惠州黄沙洞地区地热资源地球化学勘探方法研究

蒋涛，李广之，王国建，胡斌，荣发准

（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）

0 引言

地热资源是一种可再生能源，有着广泛的利用前景，对实现节能、减排目标具有重大意义。地热资源按热储介质、构造成因、水热传输方式等因素划分为不同类型［1］。热水沿主要控热断裂上升途中与围岩发生物质和能量的交换［2］，通过观测地热储上方土壤中各种气体含量的变化模式，即可探测作为热水上升、运移通过的断裂构造，并可指示其所在大致位置。地热地球化学探查技术是地热探测技术的一种，它可提高探测精度，完善评价技术体系［3］。

近年来，我国对近30个地热田进行了勘查地球化学研究，其成功应用较多，常用地热地球化学勘探方法包括土壤化学元素（Hg、As 等）测量法［4］，气体元素（Rn［4-5］、H2［6］、CH4［6］等）测量法，地温测量法［5-7］，Sb、Bi地球化学指标［8］，形成了包括Rn、Hg、210Po 等地热地球化学勘探方法和技术系列［9-11］。其勘查方法大致归纳为二类：①常规地化指标方法，包括壤气Hg、热释Hg等；②放射性方法，包括各种Rn、He等。

1 广东惠州黄沙洞地区地热田地球化学勘探方法研究

研究区属于岩浆型热源，其热流通道以北东向潼湖大断裂带为主的地热系统。

1.1 黄沙洞地区地热田地质特征概况

（1）区域地质概况。黄沙洞地热田位于我国东南沿海地区，区域上属华南准地台。地热田中的温泉出露于北东向潼湖大断裂带中北北西向隐伏花岗闪长岩岩株与奥陶系外接触带的交会部位［12］。

（2）研究区地热资源概况。花岗岩类岩石放射性元素的蜕变产生地热亦是区域地温异常场的重要原因之一［13］。区内广泛分布花岗岩类岩石，而断裂自身的张扭性特征可允许热水在其中流动或者直接成为地热储层［14］。受菲律宾板块挤压，东南沿海地区（研究区所在区域）出现平缓东倾的铲状断裂系统，断裂网格系统发育，在地表表现为北西、北东向的高角度断裂［12］。研究区内热源、导热输导层均发育。地热田中奥陶纪地层以泥质粉砂岩和泥质或碳质页岩为主，岩石风化强烈，岩石风化带和基岩（泥质粉砂岩和泥质或碳质页岩）透水性均较差，视为地热田的良好盖层。

1.2 研究区地球化学勘探方法

本次利用与地热田密切相关的Rn、H2等地球化学方法、常规地温测量法以及土壤热释Hg 法对黄沙洞地区开展地热田研究，优选有效地球化学指标及其组合，圈定热流的最有利富集部位，为高热流花岗岩型地热田勘探提供地球化学应用依据。

（1）样品采集及勘探方法。在黄沙洞地热田区按1 km×1 km 的网格化布置69 个物理站位，分别进行土壤热释汞（Hg）样品（采集深度为1.0 m）和土壤游离氢气（H2）（采集深度为0.7 m）等采集，氡（Rn）（深度为0.7 m）现场测定和地温（深度为1.0 m）现场测定。

（2）测试数据统计特征。背景值（均值）和变异系数是分析地球化学场的两个重要变量，地球化学背景与异常分别代表地球化学场的高低和变化幅度。

由于指示地热资源丰富、起伏大、指标浓度变化显著的地化指标地球化学场与区域盖层、断层、裂隙等渗漏通道以及Rn 气体渗透力、Hg 元素随热水的迁移能力有着密切关系，因此，分析这些元素的地球化学场特征可追溯地热资源的有利富集区。

已知黄沙洞研究区存在着丰富的深部热源（环太平洋地热带的燕山期花岗岩）、厚度适中的热储盖层（上覆盖层厚度约1 560 m）、较为发育的深大断裂（北东向潼湖大断裂带）等地热资源有利开发的地质要素。首先，近地表地温指标空间分布特征可以对研究区地热流渗漏有指示作用；其次，地表Rn、Hg 等元素地球化学场特征的高值异常区空间分布规律对热源、热流渗漏通道亦有相应的反映。因此，地温、Rn、Hg等指标可应用于黄沙洞地区的地热勘探。

由表1 可知：研究区地温指标变异系数最小（0.12），热释汞指标变异系数最大（1.19）；lgH2、lgRn变异系数分别为0.32、0.20。由此得知，研究区地温地表环境指标地化场变化最小，热释汞指标地化场变化最大。

表1 研究区地球化学指标数据统计Table 1.Data statistics of geochemical indexes in the study area

（3）测试指标相关分析。由测试指标相关分析（表2）可知：lgRn 指标与地温指标、热释汞指标、lgH2均为负相关关系，分别为-0.078 4、-0.041 7、-0.337 9，其中lgRn 与lgH2负相关性最为显著。地温指标与热释汞指标正相关关系为0.502 1，正值最大，显示出它们有很大程度的成因联系。

表2 研究区测试指标相关性分析Table 2.Correlation analysis of test indicators in the study area

1.3 研究区地球化学勘探应用

研究区热释Hg 指标等值线平面图如图1 所示。Hg 指标高值区主要呈北东、北西交叉方向，似呈“十”字形形态分布于工区。此外，在工区西北亦有部分高值异常区。惠林温泉及惠热1 井Hg 指标高值区在中部高异常边缘区。

图1 Hg指标等值线平面图Figure 1.Contour lines of Hg index

研究区地温等值线平面图如图2所示。地温指标高值区主要呈北东、北西交叉方向，似呈“十”字形形态分布于工区内。惠林温泉及惠热1 井Hg 指标高值区在中部高异常边缘区。

图2 地温等值线平面图Figure 2.Geothermal contour lines

研究区lgH2指标等值线平面图如图3 所示。lgH2指标高值区主要以北西向分布于工区正中位置，这一部分高值区与热释Hg 指标、地温指标高值区吻合度较好。lgH2指标少部分高值为北东向。惠林温泉及惠热1井Hg指标高值区在中部高异常边缘过渡区。

图3 lgH2指标等值线平面图Figure 3.Contour lines of lgH2 index

研究区Rn 指标对数等值线平面图如图4 所示。lgRn 指标高值区规律性不明显，其高值点、低值点分布区与lgH2指标有一定程度的反相特征。惠林温泉及惠热1井Hg指标高值区在中部高异常边缘过渡区。

图4 lgRn指标等值线平面图Figure 4.Contour lines of lgRn index

1.4 地球化学勘探效果分析

由上述地温、热释汞、lgRn、lgH2四项指标地球化学应用得知：研究区热释Hg 指标等值线图与地温指标等值线图有较高的叠合性，两者间的系数相关性亦可体现出来，它们指标高值区呈北东、北西交叉“十”字形形态分布于研究区内（图5）。lgH2指标高值区与上述两指标高值区在北东向有一定的叠合，其叠合形态较好（图5、图6），三指标间的系数相关性亦可得出相同认识，显示它们的成因有一定的关联。lgRn指标等值线与lgH2指标等值线分布特征存在部分反相特征（图3、图4），两者间指标相关系数为-0.337 9，可看出两者为负相关关系。

图5 地温、Hg指标高值异常区与“十”字形推测渗漏通道Figure 5.Abnormal areas of high values of geothermal temperature and Hg index and the inferred "cross" pattern leakage channel

图6 Rn、H2指标高值异常区与“十”字形推测渗漏通道Figure 6.Abnormal areas of high values of Rn and H2 indexes and the inferred "cross" pattern leakage channel

地温是地热资源通过水介质（地热水）由深部迁移至近地表的最直接反映，其指标高低受控于地热源（岩浆岩）、渗漏通道（深部断裂、裂隙）、地热水载体（热储）、深部热水的泄漏（流向、流速等）等相关因素影响，同时与地表水的补给亦有密切关系。地温指标的高值分布情况一定程度上反映了与深部断层（或大的裂缝、裂隙）相关的地热水的泄漏。同理，热释Hg指标亦是地热资源通过水介质由深部迁移至近地表的直接反映，另一方面，地热源中的Hg（岩浆岩富集Hg）亦可直接穿透地热上覆盖层，微渗漏至近地表，因此，热释Hg 指标与地温指标的地球化学意义存在一定程度的差异性，工区西北角存在Hg 指标高值异常，推测由下覆岩浆岩中Hg的垂向渗漏形成。

常温下水的分解和氢氧的化合是同时存在的，而且按化学平衡的规律，水能分解的分子太少，而氢氧的浓度极低，分解和化合就可达到一种平衡，所以无法从水中收集到分解的氢和氧。研究区H2指标来源有两种可能性：一是岩浆岩中自身携带有微量氢元素；二是水分子在深部岩浆岩高温作用下，液态水加热成为气态水分子时，分子之间距离增大，水分子热运动的动能在高温下达到平衡时，氢氧的浓度要稍微大一点。高热状态下水分子在深部强地热作用及还原性环境下，H2指标含量高，而H2指标的产生与地热源、地热断裂通道（断裂及裂隙）、热储中地热水载体的存在及迁移方向（H2指标携带）等多种因素相关，是这些因素的综合反映，其地球化学意义与热释Hg 指标、地温指标有一定的差异性（图5、图6）。

Rn 为惰性气体，其地表高值与深部岩浆岩地热源（Rn 物质源）的存在和分布密切相关，与深部断裂通道（渗漏输导通道）、上覆地层裂缝与裂隙的发育、上覆地层厚度亦有一定的相关性；另外，由于深部断裂地热水中的补给水以及其向上运移造成的对岩浆岩物质的长期携带至近地表的散失作用可能造成Rn指标出现负异常。

综上所述，由地温、热释Hg 推测黄沙洞研究区地热资源渗漏通道（深大断裂、断裂裂隙等）呈北东、北西向“十”字形分布于工区内，与该区域地热资源认识相吻合（前已述及，研究区平缓东倾的铲状断裂系统，断裂网格发育，地表表现为北西、北东向的高角度断裂，北东向断裂带规模大）。地温、热释Hg、H2（对数）的高值异常有一定的相关性，它们均与地热源、地热水的补给和迁移、地热断裂（裂缝及裂隙）通道等因素相关；而Rn 指标高值区更多因素为岩浆岩体（物质源）中Rn 的正常垂向渗漏形成，与岩浆岩体（物质源）相关性好，同时，因深部断裂地热水中的补给水以及其向上迁移过程中造成的对断裂区岩浆岩物质（Rn元素）的长期携带至近地表的散失作用可能造成Rn指标在断裂带近地表区出现负异常区。

2 研究区地热田地球化学勘探方法认识

地热资源富集赋存的关键要素涵盖源（热源和水源）、通（通道及传输）、储（储集体）、盖（盖层）等。研究区属于岩浆型热源，其热流通道是以北东向潼湖大断裂带为主的地热系统。本次研究区地热地球化学勘探采用的方法包括地温、土壤热释汞、氡（Rn）及土壤游离氢气测试等四种方法，根据这四种方法的应用结果，得出如下几方面的认识：

（1）研究区热释Hg 指标等值线平面图与地温指标等值线平面图在高值区上有很高的叠合性，两者相关系数为0.502 1，显示出它们有很大程度的成因联系。它们的高值区主要呈北东、北西交叉“十”字形形态分布于研究区内，这一特征与该区域地热资源认识（东南沿海地区发育平缓东倾的铲状断裂系统，地表表现为北西、北东向的高角度断裂）相吻合。

（2）lgH2指标高值区与地温、热释Hg 两指标高值区，在研究区中部呈北东向形态展布，重叠性好，三指标高值异常在该区域有很高吻合度，它们均与地热源、地热水迁移、地热渗漏通道（断裂、裂缝、裂隙）等因素相关；H2指标的高低与地热源、地热渗漏通道（断裂、裂缝、裂隙）、热储中地热水载体（H2指标携带）迁移方向、H2的泄漏方向等多种因素相关，是这些因素的综合反映，其地球化学意义与热释Hg、地温有差异性。

（3）Rn 指标高值区更多是由于岩浆岩体（物质源）Rn 的正常垂向渗漏形成，与岩浆岩体（物质源）、垂向渗漏等因素相关。研究区西北角存在高值异常，这一高值异常区分布特征与Hg 指标分布特征相似，推测地热源（岩浆岩体）保存较好。同时，深部断裂地热水在向上迁移携带物质与能量过程中可造成断裂区岩浆岩物质（Rn 元素）至地表的散失，形成断裂带地表区Rn指标的负异常区。

3 结束语

地热资源开发既要寻找高热源（地热能高值区），同时还要兼顾地热渗漏通发育区（深大断裂、大的裂缝或裂隙等）、良好的盖层、丰富的热储载体（地下水资源）、地热水泄漏区运移方向等因素。应避免在Rn（岩浆岩体物质源）高值区（Rn 垂向渗漏形成）钻探（缺乏地热水热储载体），亦不宜在地温、热释Hg、H2指标的地表高值区钻探（断裂导引地下热储载体形成地表高值异常）。此次研究区地热地球化学勘探网格为1 km×1 km，仅达到地热资源开发的概查条件，应结合研究区地热源（岩浆岩）分布、深大断层走向/倾向、断层与地热源接触区（位置）、热储（地热水）丰度、地热水泄漏区（运移方向）等地热勘探综合地质要素综合分析，方可更好地进行地热资源钻探。