王國建, 寧麗榮,李廣之, 吳傳芝, 朱懷平,胡斌, 肖鵬飛,唐俊紅
1)中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所,江蘇無錫,214126;
2)中國石化石油物探技術研究院,南京,211100;
3)杭州電子科技大學材料科學與環(huán)境工程學院,杭州,310018
內(nèi)容提要:地球化學勘探技術作為地熱資源綜合勘查技術之一,在地熱勘探開發(fā)中發(fā)揮了重要作用。 沉積盆地型與隆起山地型地熱系統(tǒng)由于自身地質(zhì)特征的不同,必然造成它們的地球化學判識指標和異常模式存在差異。 目前國內(nèi)外尚缺乏對這兩種類型地熱系統(tǒng)判識指標和地球化學異常模式差異性進行地質(zhì)地球化學分析,導致針對不同的勘探對象在方法選擇和異常解釋上依據(jù)不足。 以典型沉積盆地型地熱系統(tǒng)——河北雄縣地熱系統(tǒng),隆起山地型地熱系統(tǒng)——安徽巢湖半湯地熱系統(tǒng)為例,開展地球化學方法試驗,建立了兩種類型地熱系統(tǒng)的地表地球化學異常模式,并從地熱系統(tǒng)的地質(zhì)因素(熱源、熱水、熱儲、通道、蓋層)出發(fā),對其地表地球化學異常模式差異性進行分析,表明隆起山地型地熱系統(tǒng)地表地球化學異常模式為受導水斷層、破碎帶控制的正異常;沉積盆地型地熱系統(tǒng)氣體地球化學異常模式為受熱儲構(gòu)造控制的正異常,微量元素地球化學異常為受氧化還原環(huán)境控制的負異常;二者在有效地球化學指標組合和異常形態(tài)上均存在差異。 研究結(jié)果為不同類型地熱系統(tǒng)勘探提供方法和理論依據(jù)。
從構(gòu)造成因角度看,地熱系統(tǒng)可分為沉積盆地型地熱系統(tǒng)與隆起山地型地熱系統(tǒng)(朱炳球等,1992;陳墨香等,1996;王鈞等,1990;張英等,2017)。沉積盆地型地熱系統(tǒng)一般發(fā)育于比較穩(wěn)定的盆地中,構(gòu)造活動一般較弱,熱能傳遞以熱傳導方式為主,一般不具有向上運移的流體循環(huán),熱背景值較低(閻敦實等,2000;王琦,2010;張英等,2017;張薇等,2019;羅璐等,2019;李泓泉等,2020);隆起山地型地熱系統(tǒng)的發(fā)育與構(gòu)造活動密切相關,通常分布于構(gòu)造活動異?;钴S的地區(qū),如板塊邊緣區(qū)以及板內(nèi)斷裂活動異常強烈的地區(qū),往往在地質(zhì)歷史上伴有火山或巖漿活動。 異常強烈的構(gòu)造活動與深大斷裂為深部巖漿上涌提供了通道條件,成為深部熱源傳遞并形成地熱資源的重要因素(Reed,1983;汪集旸,1996;周立岱,2005;張英等,2017;史猛等,2019;袁利娟等,2020)。 地球化學勘探技術作為地熱資源綜合勘查技術之一,在圈定地熱異常區(qū)、控熱、導熱構(gòu)造,尋找控熱斷裂,推斷地熱水的成因和年齡,推斷深部熱儲溫度等方面發(fā)揮了重要作用,配合地質(zhì)、地球物理技術,可以提高地熱勘探開發(fā)的成功率。長期以來,盡管眾多研究者進行了不同類型地熱系統(tǒng)的地球化學勘探(史長義等,1992;吳述來等,2007;謝學錦等,2009;張元培等,2010;Fourré et al.,2011;Nguyen Kim Phuong et al.,2012;Samuel et al.,2013;吳繼新,2013;趙蘇民等,2013;韓冀春等,2018),但是都限于勘探找熱個例,尚沒有對沉積盆地型地熱系統(tǒng)和隆起山地型地熱系統(tǒng)富熱區(qū)的地球化學判識指標和地球化學異常模式進行對比,也沒有對兩種類型地熱系統(tǒng)判識指標和地球化學異常模式的差異性原因進行地質(zhì)地球化學分析,導致針對不同的勘探對象在方法選擇和異常解釋上尚缺乏依據(jù)。 因此,開展兩種不同類型地熱系統(tǒng)地球化學判識指標和異常模式差異性研究具有重要意義。 本文以典型沉積盆地型地熱系統(tǒng)——河北雄縣地熱系統(tǒng),隆起山地型地熱系統(tǒng)——安徽巢湖半湯地熱系統(tǒng)為例,開展地球化學方法試驗,主要包括土壤游離氣(CH4、H2、He、CO2)、頂空氣(CH4、He、CO2)、熱釋汞、酸解烴、碳酸鹽(盧麗等,2013),壤氣汞、壤氣氡、土壤元素(Hg、S、As、Ti、Bi、V、Ni、Sr)(賓德智等,2010)。 各方法的地熱指標意義分別簡述如下:CH4、H2、He、CO2都是地熱系統(tǒng)伴生的重要氣體,在地下各種驅(qū)動力作用上容易微滲漏擴散到地表形成氣體及其衍生物濃度異常(朱炳球等,1992;湯玉平等,2017),如酸解烴為微滲漏擴散甲烷進入礦物晶格形成化學吸附的烴類(楊俊等,2015),碳酸鹽為微滲漏擴散的CO2以及CH4被微生物氧化形成的CO2與地表堿土金屬陽離子以及非堿金屬陽離子反應形成;地熱系統(tǒng)中硫化物的存在為親銅元素提供了來源。 Hg 為親銅元素,它的電離勢很高,居親銅元素的第一位,因而汞易從各種化合物中還原成汞蒸氣而進入大氣,或以游離的形式賦存于巖石裂隙和土壤顆粒間隙(壤氣汞)或被這些介質(zhì)吸附和吸留(熱釋汞)(朱炳球等,1992)。 氡是放射性元素鈾、鐳衰變鏈中的產(chǎn)物,在溫差及壓驅(qū)動下,隨地下水沿孔隙或破碎帶運移至地表。 一些易揮發(fā)元素(如親銅元素)在地熱水和構(gòu)造的作用下,造成元素在空間分布上的變化,通常在地熱系統(tǒng)的上方及周圍形成分散暈或異常(童運福等,1992;湯玉平等,2017)。 通過實測獲得的大量地球化學數(shù)據(jù)對兩種類型地熱系統(tǒng)的地表地球化學異常模式差異性進行分析。
選擇中國石化集團新星公司地熱示范基地,沉積盆地型地熱系統(tǒng)——冀中坳陷河北雄縣地熱系統(tǒng)作為本次研究的試驗區(qū),化探剖面如圖1 所示。 雄縣地熱系統(tǒng)被認為是一個有共同熱源的地質(zhì)綜合體,關于其熱源、熱儲、導水通道、蓋層信息等如下(韓征,2009):① 熱源:結(jié)合區(qū)域性氦數(shù)據(jù),冀中凹陷地幔熱流約占61%,地殼熱流約占到39%,證明該地區(qū)(含雄縣地熱系統(tǒng))熱源以幔源為主。 ② 熱儲:雄縣地熱系統(tǒng)中包括新近—古近系砂巖孔隙熱儲和基巖巖溶裂隙熱儲,特別是薊縣系霧迷山組熱儲分布范圍廣、厚度大、巖溶裂隙發(fā)育、滲透性良好,是整個地熱系統(tǒng)中最重要的熱儲。 在牛駝鎮(zhèn)凸起部分僅存在薊縣系熱儲,其埋藏深度在950 ~1050 m之間,是雄縣地熱系統(tǒng)開發(fā)利用的主要熱儲層。 ③ 導水通道:雄縣地熱系統(tǒng)基巖中的斷裂和次生斷裂構(gòu)成了地熱水的主要導水通道。 ④ 熱儲蓋層:雄縣范圍內(nèi)第四系地層構(gòu)成了地熱系統(tǒng)的良好蓋層。 ⑤ 熱儲溫度:在雄縣的牛駝鎮(zhèn)凸起范圍,新近—古近系的底板(大部分范圍也是薊縣系的頂板)深度一般在1000 m 左右。 因此,1000 m 深度地溫等值線相當于新近—古近系熱儲底板溫度和薊縣系熱儲頂板溫度等值線,其最高值為92 ℃(韓征,2009)。 在牛駝鎮(zhèn)凸起,薊縣系霧迷山組的底板深度在2000 m 左右,其溫度在凸起的軸部為90~118 ℃,兩側(cè)溫度逐漸變低,最低約為60 ℃。
圖1 雄縣地熱系統(tǒng)基巖地質(zhì)圖及化探剖面位置(據(jù)韓征,2009 修改)Fig. 1 The location of bedrock geology and geochemical profile of Xiongxian geothermal system (modified after Han Zheng, 2009&)
通過對雄縣地熱系統(tǒng)地表地球化學特征分析表明,能反映地熱系統(tǒng)富熱區(qū)的主要有效地球化學勘探指標有:游離氣甲烷(Y-CH4)、氫氣(Y-H2),微量元素Sr,氧化還原電位Eh,其中Eh 為環(huán)境指標。 為了消除單點異常的隨機性,對剖面上的地球化學數(shù)據(jù)進行了滑動平均處理,初步建立雄縣地熱系統(tǒng)地質(zhì)—地球化學異常模式(圖2、圖3):游離還原性氣體指標(CH4、H2)在雄縣地熱系統(tǒng)最有利地熱富集區(qū)(牛駝鎮(zhèn)凸起頂部)為正異常(或頂端塊狀異常)模式;元素Sr、環(huán)境指標Eh 在雄縣地熱系統(tǒng)最有利地熱富集區(qū)(牛駝鎮(zhèn)凸起頂部)為負異常(或環(huán)狀異常)模式。
雄縣地熱水和壤氣中的高濃度甲烷主要是有機來源(湯玉平等,2017),牛駝鎮(zhèn)凸起緊鄰霸縣凹陷、廊坊固安凹陷,凹陷中的烴源巖生成的氣體可能沿牛東斷裂、角度不整合面等側(cè)向微運移,以游離態(tài)和溶解態(tài)聚集在凸起頂部,形成具有指示地熱富集部位的甲烷濃度異常。 因此從地表探測游離氣(CH4、H2)的異常峰值主要分布在牛駝鎮(zhèn)凸起頂部及其附近區(qū)域,較好地響應了凸起上部薊縣系儲層與新近—古近系不整合接觸的范圍,這是基巖巖溶裂隙熱儲的地表地球化學效應反映。 由于游離氣CH4、H2屬于還原性氣體,在地表的高豐度存在將導致土壤環(huán)境相對還原,因而Eh 相對于背景區(qū)明顯降低,出現(xiàn)負異常。 氧化還原電位變化,從而引起富熱區(qū)地表Sr、Ni 等元素活化遷移,在最有利富熱部位出現(xiàn)虧損或負異常。 牛駝鎮(zhèn)凸起頂部的地溫梯度最高可達12 ℃/100 m(韓征,2009),在這樣高的地溫梯度以及高濃度還原性氣體下,使地表產(chǎn)生了響應最有利地熱富集部位的地球化學異常模式和環(huán)境。
從圖2、圖3 還可以看到,牛駝鎮(zhèn)凸起北西翼(即鄰近凸起頂部的北西方向)也有較強的還原性氣體濃度異常,可能與地熱系統(tǒng)的最有利熱儲——薊縣系霧迷山組(Jxw)巖溶熱儲主要沿北西翼展布有關;另外在剖面Ⅱ—Ⅱ’上,牛駝鎮(zhèn)凸起北西翼還存在一個較大的次級斷裂,該斷裂斷至中上元古界熱儲和古近系地層,熱儲中的氣體可能沿此通道微滲漏擴散到地表,形成高豐度異常。
巢湖半湯地熱系統(tǒng)位于安徽省巢湖市湯山背斜南西傾伏端,背斜核部由震旦系、寒武系、奧陶系碳酸鹽巖類地層組成,南、東、西(背斜兩翼)三面則分布著志留系砂質(zhì)頁巖、泥巖等極弱含水層,自然形成一個封閉式儲水構(gòu)造。 半湯地熱系統(tǒng)的熱源是滁河深斷裂溝通深部熱流,滁河斷裂帶內(nèi)次級斷層構(gòu)造、裂隙和巖溶發(fā)育,大氣降水沿溶孔、溶洞、裂隙向地下深部滲透徑流,由于裂隙、巖溶在地下不同標高段發(fā)育,具不均勻性。 地下水在不同標高深度段的巖溶、裂隙通道內(nèi)徑流、循環(huán)、在徑流過程中受地熱增溫率影響,獲取熱能,溫度升高的地下熱水,溶解度增大,溶解了大量的稀有元素、微量元素和金屬元素。 深部熱流體沿F2、F3 斷層由北東向南西徑流、運移。 當受到深部F1 斷層和志留系地層阻隔后,在補給、排泄區(qū)水頭差和熱對流作用影響下,沿F5 斷層裂隙、巖溶通道迅速向上運移,在受到第四系松散蓋層影響后,呈帶狀分散涌出地表(圖4)。 由于地下熱流體在不同深度的巖溶、裂隙發(fā)育帶徑流、循環(huán),因而,各溫泉涌出地表的水溫也各不相同(劉飛等,2008)。 本次化探剖面如圖4 所示。
圖4 安徽巢湖半湯地熱系統(tǒng)地質(zhì)圖(據(jù)劉飛,2008 修改)及化探剖面示意圖Fig. 4 Geological map ( modified from Liu Fei, 2008&) and geochemical profile of Bantang geothermal system, Chaohu
通過對半湯地熱系統(tǒng)地表地球化學特征分析表明,隆起山地型地熱系統(tǒng)地表地球化學指標主要受導水斷層控制,以破碎帶處地球化學異常顯著。 主要有效地球化學指標是:酸解烴甲烷,碳酸鹽含量,頂空氣甲烷,熱釋汞,壤氣汞,壤氣氡,元素Hg、S。因此,隆起山地型地熱系統(tǒng)地表地球化學異常模式為:以斷層、破碎帶控制的多種地球化學指標濃度顯著正異常,在剖面上的形態(tài)表現(xiàn)為尖峰狀(圖5)。
圖5 巢湖半湯地熱系統(tǒng)地質(zhì)—地球化學異常模式Fig. 5 Geological—geochemical anomaly pattern of Bantang geothermal system,Chaohu
半湯地熱系統(tǒng)的地球化學異常模式與局部斷裂有關。 半湯溫泉F3 斷層分布在地熱田西部, 走向北北東20°~40°,傾向南東,傾角較陡,性質(zhì)為壓扭性逆斷層,斷層南東盤為震旦系燈影組和寒武系中上統(tǒng)山凹丁群,北西盤零星出露,為奧陶系下統(tǒng)。 該斷層在地熱田北部空軍療養(yǎng)院山坡,見寬約15.0 m 的角礫巖帶,角礫呈棱角狀,礫徑小者3.0 ~5.0 mm,大者2.0 cm 以上,膠結(jié)物為細屑白云巖、方解石和鐵質(zhì)氧化物組成。 該斷層為富水斷層,冷泉王泉分布在斷層帶上。 在半湯地表可以見到F3 斷層受到在擠壓構(gòu)造應力場中扭性作用力下地層破碎較為嚴重,破碎帶角礫巖膠結(jié)物證明了這一點,同時也證明了F3 斷層是地下與地上的溝通通道。 本次半湯地區(qū)化探測量的酸解烴甲烷,碳酸鹽含量,頂空氣甲烷,熱釋汞,微量元素Hg、S 等指標在F3 斷層上顯示了明顯的地球化學異常,化探指標的共同分布特征,反映F3 斷層是地下物質(zhì)垂向運移至地表的有效通道;而F3 斷層破碎帶膠結(jié)物為方解石和鐵質(zhì)氧化物的組成,證明了早期高礦化水溶液存在通過斷裂系統(tǒng)持續(xù)的上滲運移。 F3 斷層起到了對半湯溫泉地表化探異常輸送物質(zhì)和控制化探異??臻g分布的決定作用。
上述兩種類型地熱系統(tǒng)的地球化學勘探試驗結(jié)果表明,沉積盆地型地熱系統(tǒng)——雄縣地熱系統(tǒng)與隆起山地型地熱系統(tǒng)——半湯地熱系統(tǒng)的最有利富熱部位無論是在有效地球化學判識指標上,還是在地球化學異常模式上均存在很大差異。 表1 將二者的地質(zhì)特征、地球化學判識指標、地球化學異常模式做了對比。 從地熱系統(tǒng)的地質(zhì)因素(熱源、熱水、熱儲、通道、蓋層)出發(fā),對兩類地熱系統(tǒng)地球化學異常模式差異性的原因進行探討。
表1 不同類型地熱系統(tǒng)地質(zhì)特征與地球化學有效指標、異常模式對比表Table 1 Comparison of geological characteristics, effective geochemical indicators and anomaly patterns of different types of geothermal systems
熱源及導熱方式差異:隆起山地型地熱系統(tǒng)與沉積盆地型地熱系統(tǒng)地質(zhì)構(gòu)造背景存在差異,在熱成因上有著明顯的不同。 隆起山地型地熱系統(tǒng)受板內(nèi)活動深大斷裂控制,地下水深循環(huán)對流傳熱,以深部熱流為主,存在上地幔、地殼深部物質(zhì)加入(如CO2、CH4、H2S、Hg、Rn 等);沉積盆地型地熱系統(tǒng)受盆地沉降活動控制,為地溫梯度增溫模式,以地幔上隆烘烤巖石層向上部地層傳熱,缺乏地殼及以下深部物質(zhì)的加入。
熱水伴生物差異:隆起山地型地熱系統(tǒng)以深大斷裂發(fā)育為特征,斷裂溝通地殼帶來深部物質(zhì),如甲烷、二氧化碳、氡、汞氣,元素Hg、S 等地殼深部物質(zhì)進入熱儲,這一特征是隆起山地型地熱系統(tǒng)地球化學特征;沉積盆地型地熱系統(tǒng),因為熱儲層附近沉積有一定的生烴潛力有機質(zhì),成熟烴類可以游離態(tài)、溶解態(tài)進入地熱水中,因此地熱水游離氣甲烷、氫氣豐富。 沉積盆地地熱系統(tǒng)是深部幔源熱流對上覆地層傳導增熱,受地層封蓋性阻隔,因而熱水缺少地殼及以下深部物質(zhì)指標,此為沉積盆地型地熱系統(tǒng)地球化學特征與隆起山地型地熱系統(tǒng)地球化學指標組合上的差異。
熱儲差異:隆起山地型地熱系統(tǒng)一般為帶狀熱儲,是以對流傳熱為主、平面上呈條帶狀延伸、具有有效空隙和滲透性的斷裂帶構(gòu)成的熱儲。 盡管斷裂帶深部也可能存在沉積層狀熱儲,但由于斷裂帶熱儲溝通地下層狀熱儲,就地熱開發(fā)而言,深層層狀熱儲不是最有利的富熱部位,也不是被考慮的鉆探對象。 從地熱系統(tǒng)熱儲中的氣體、元素微滲漏擴散來說,因為有斷裂帶熱儲的這種優(yōu)勢通道的存在,主要體現(xiàn)的是斷裂帶熱儲形成的地球化學異常,深部層狀熱儲的地表地球化學效應相對很微弱。 沉積盆地型地熱系統(tǒng)為層狀熱儲,以傳導熱為主、分布面積大并具有有效空隙和滲透性的地層構(gòu)成的熱儲。 因此二者的地表化探異常模式明顯不同,隆起山地型地熱系統(tǒng)的異常模式為斷裂或破碎帶處正異常,在剖面上呈現(xiàn)為峰狀異常,在平面上呈現(xiàn)條帶狀異常;沉積盆地型地熱系統(tǒng)的地球化學指標異常模式為層狀熱儲高部位的正異常(或頂端塊狀異常)或圍繞熱儲構(gòu)造高部位的環(huán)狀異常。
通道差異:隆起山地型地熱系統(tǒng)一般是深斷裂切割所有地層,地表地球化學異常通常沿導水斷裂分布;沉積盆地型地熱系統(tǒng)斷裂一般切割部分地層,保存條件好,熱水伴生氣體或元素主要沿地層中的微裂隙網(wǎng)絡近垂向微滲漏擴散到地表。
熱儲體系封閉性差異:隆起山地型地熱系統(tǒng)為半封閉體系:地熱系統(tǒng)因多與深大斷裂有關,并且斷裂基本延至地表,因此,地熱水中富含氡、二氧化碳、以及元素Hg、S 等。 由于斷裂溝通地殼與地表,熱儲中所有化學物質(zhì)均可釋放至地表并發(fā)生物理化學沉積和產(chǎn)生化學反應。 地熱水伴生CO2在地表易形成碳酸,碳酸根離子與地表堿土金屬陽離子以及非堿金屬陽離子結(jié)合生成碳酸鹽,導致溫泉附近土壤碳酸鹽含量升高。 碳酸鹽含量的升高增加了土壤對地熱水伴生甲烷的化學吸附量,因此,溫泉附近土壤酸解烴含量升高。 同時,潮濕的土壤密封性較好,容易使烴類以物理吸附態(tài)、溶解態(tài)賦存,因此溫泉附近的土壤頂空氣甲烷也為高值異常。 沉積盆地型地熱系統(tǒng)為封閉體系,大多數(shù)熱儲中元素、化合物等難以直接遷移到地表,熱儲中僅氣體類游離氣甲烷、氫氣、二氧化碳,可通過微裂隙系統(tǒng)近垂向遷移到地表,由于游離氣甲烷、氫氣遷移至地表,在地表產(chǎn)生次生地球化學效應,如氧化還原電位變化,從而引起富熱區(qū)地表Sr、Ni 等元素活化遷移,在最有利富熱部位出現(xiàn)虧損或負異常;氡氣和汞氣在沉積盆地型地熱系統(tǒng)上方只反映深大斷裂,并不反映最有利的熱儲部位。 熱儲體系封閉性差異導致地熱系統(tǒng)地球化學指標在空間分布上的差異。
(1)無論是沉積盆地型地熱系統(tǒng)和還是隆起山地型地熱系統(tǒng),從根本上來說,它們的熱源基本上一致,均來自巖漿熔融和放射性物質(zhì)的衰變。 隆起山地型地熱系統(tǒng)通過深大斷裂溝通地殼帶來深部物質(zhì)進入熱儲,而沉積盆地地熱系統(tǒng)是深部幔源熱流對上覆地層傳導增熱,受地層封蓋性阻隔,因而熱水缺少深部物質(zhì)指標,其地球化學指標主要與熱儲、圍巖的水巖相互作用或鄰近沉積有機質(zhì)生烴有關,由于兩種類型的地熱系統(tǒng)的熱儲中存在的地球化學物質(zhì)(如元素、氣體等)不同,近垂向微滲漏擴散到地表后形成的地球化學效應和有效地球化學指標組合上存在差異。
(2)隆起山地型地熱系統(tǒng)一般為帶狀熱儲,以對流傳熱為主、平面上呈條帶狀延伸、具有有效空隙和滲透性的斷裂帶構(gòu)成的熱儲。 沉積盆地型地熱系統(tǒng)為層狀熱儲,以傳導熱為主、分布面積大并具有有效空隙和滲透性的地層構(gòu)成的熱儲。 由于兩種類型地熱系統(tǒng)的熱儲空間形態(tài)不同,因而熱儲中的地球化學物質(zhì)近垂向微滲漏擴散到地表形成的異常形態(tài)不同。 隆起山地型地熱系統(tǒng)的地球化學異常形態(tài)在剖面上呈現(xiàn)為峰狀異常,在平面上呈現(xiàn)條帶狀異常;沉積盆地型地熱系統(tǒng)的地球化學異常形態(tài)為層狀熱儲高部位的頂端塊狀異?;驀@熱儲構(gòu)造高部位的環(huán)狀異常。
(3)沉積盆地型地熱系統(tǒng)與隆起山地型地熱系統(tǒng)的最有利富熱部位有效地球化學判識指標,以及地球化學異常模式上均存在很大差異,與地熱系統(tǒng)的源、儲、通、蓋等地質(zhì)因素息息相關。 本研究提出的兩種類型地熱系統(tǒng)的地球?qū)W判識指標和地球化學異常模式,對于相應的地熱系統(tǒng)勘探具有指導意義。
致謝:感謝中國石化新星公司河北綠源地熱能開發(fā)有限公司李小軍經(jīng)理和安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局327 地質(zhì)隊劉飛高級工程師對本項工作的支持。 作者同時也感謝章雨旭教授和匿名審稿人對文章所提出的修改建議。