吳傳芝，湯玉平，王國(guó)建，黃 欣，朱懷平（中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院無(wú)錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無(wú)錫 214151）

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水熱型地?zé)豳Y源地球化學(xué)勘探技術(shù)研究進(jìn)展*

吳傳芝?，湯玉平，王國(guó)建，黃 欣，朱懷平
（中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院無(wú)錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無(wú)錫 214151）

摘 要：地球化學(xué)勘探技術(shù)在水熱型地?zé)豳Y源勘探中的應(yīng)用研究具有較長(zhǎng)的歷史，迄今已形成了一套基于氣體與元素指標(biāo)的勘探技術(shù)體系，涵蓋了眾多技術(shù)指標(biāo)，且已在世界各地諸多地?zé)崽锟碧窖芯恐蝎@得了廣泛應(yīng)用。結(jié)果揭示，在預(yù)測(cè)地?zé)崽锇l(fā)育有利部位、估算深部熱儲(chǔ)溫度以及推斷地?zé)崴畞?lái)源等方面，地球化學(xué)勘探技術(shù)都可發(fā)揮其特有的作用，是一種經(jīng)濟(jì)有效的地?zé)峥碧郊夹g(shù)，具有良好的應(yīng)用前景。但地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)勘探技術(shù)也面臨其自身的局限性，其應(yīng)用研究不僅受地?zé)崽镱愋偷南拗?，而且目前主要集中于已知地?zé)崽锷戏降尿?yàn)證性研究，技術(shù)本身的多解性也較強(qiáng)。因此，在地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)勘探技術(shù)完善與應(yīng)用研究方面，還有待進(jìn)一步深化。

關(guān)鍵詞：地?zé)豳Y源；地?zé)崽?；地球化學(xué)勘探；地?zé)峥碧?/p>

0 前 言

地球化學(xué)勘探技術(shù)在地?zé)豳Y源勘探尤其是水熱型地?zé)豳Y源勘探中具有較長(zhǎng)的研究與應(yīng)用歷史。水熱型地?zé)豳Y源的形成、熱流體與圍巖間的相互作用，以及深部熱流體循環(huán)作用特別是隆起山地型地?zé)崽餆崃黧w縱深向上的長(zhǎng)距離對(duì)流作用，不僅使地?zé)崽锼瘜W(xué)組成具有明顯的特點(diǎn)，而且也為地?zé)岚樯镔|(zhì)向地表運(yùn)移提供了便利條件，為地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)勘探提供了基本依據(jù)。數(shù)十年來(lái)，地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)勘探技術(shù)獲得了積極的研究與應(yīng)用，基本形成了一套以氣體與微量元素指標(biāo)為主的技術(shù)系列，在預(yù)測(cè)地?zé)崽镉欣x存區(qū)、估算深部熱儲(chǔ)溫度以及推斷地?zé)崴梢虻确矫娴难芯咳〉昧艘欢ㄟM(jìn)展。

本文總結(jié)了地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)勘探主要技術(shù)方法，結(jié)合實(shí)例分析了這些技術(shù)方法在地?zé)豳Y源勘探中的主要應(yīng)用方向，展現(xiàn)了地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)勘探技術(shù)研究的主要成果與最新進(jìn)展，同時(shí)討論了現(xiàn)階段地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)勘探的局限性，提出了進(jìn)一步研究建議。

1 地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)勘探技術(shù)體系

根據(jù)不同的分類原則，地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)勘探技術(shù)有多種分類方法，如根據(jù)分析介質(zhì)，可分為土壤地球化學(xué)勘探技術(shù)與水文地球化學(xué)勘探技術(shù)；根據(jù)分析指標(biāo)，可分為氣體地球化學(xué)勘探技術(shù)與元素地球化學(xué)勘探技術(shù)等。本文基于技術(shù)指標(biāo)分類原則，對(duì)現(xiàn)階段地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)勘探技術(shù)方法進(jìn)行了較全面的總結(jié)。

1.1 氣體地球化學(xué)勘探指標(biāo)

1.1.1 地?zé)崽餁怏w地球化學(xué)異常的形成

地?zé)峥碧降臍怏w地球化學(xué)指標(biāo)多屬地?zé)崽锏摹霸及樯笜?biāo)”類型。從地?zé)豳Y源形成的兩種主要熱源來(lái)看，不論是巖漿上涌活動(dòng)還是放射性元素衰變作用，都可在提供熱能的同時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)的氣體地球化學(xué)異常。

眾所周知，火山巖漿不僅富含K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Al3+等陽(yáng)離子和硅酸根絡(luò)陰離子，而且含有大量揮發(fā)分。巖漿揮發(fā)分以H2O為主，其次為 CO2，此外還含有 SO2、HCl、N2、O2、Ar、CH4、H2、CO、He以及Rn等［1-2］。此外，雖然Hg不是火山巖漿的主要成分，但由于Hg的易蒸發(fā)性，當(dāng)代火山氣體中也檢測(cè)到相當(dāng)數(shù)量的Hg。天然氣含Hg量研究也表明，全球高含Hg氣田均存在巖漿活動(dòng)，同樣揭示Hg與火山巖漿之間的關(guān)系［3］。除了上述火山巖漿伴生氣體之外，巖漿上涌所釋放熱量也會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生“烘烤”作用，促使圍巖中的碳酸鹽巖發(fā)生熱變質(zhì)分解，從而促進(jìn)變質(zhì)成因CO2的形成。這些與火山巖漿熱源直接或間接相關(guān)的氣體，特別是CO2、Hg、He、Rn、CH4、O2、SO2等氣體，成為應(yīng)用廣泛的地?zé)崽餁怏w地球化學(xué)勘探指標(biāo)［4-9］。

放射性元素衰變生熱方面的研究表明，自然界238U、235U、232Th和40K等放射性同位素具有較高的豐度與放射性熱效率［10］，可提供穩(wěn)態(tài)熱源，對(duì)地?zé)崽锏男纬删哂休^大貢獻(xiàn)。某些放射性元素如U與Th在衰變過程中，會(huì)產(chǎn)生包括222Rn和4He等在內(nèi)的一系列衰變子體［11］，從而為Rn、He等放射性氣體用于地?zé)崽锟碧教峁┝嘶疽罁?jù)。

1.1.2 地?zé)崽餁怏w地球化學(xué)勘探指標(biāo)

地?zé)崽餁怏w地球化學(xué)勘探指標(biāo)主要包括氣體濃度指標(biāo)與氣體同位素比值指標(biāo)，二者勘探意義有所區(qū)別。氣體濃度指標(biāo)多用于推斷地?zé)崽锏馁x存潛力及可能賦存范圍，而氣體同位素指標(biāo)常用于研究地下熱源與水源。

（1）常用氣體組分濃度指標(biāo)

地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)勘探常用氣體組分濃度指標(biāo)包括CO2、Hg蒸氣、氣態(tài)Rn、CH4等。氣體濃度地球化學(xué)指標(biāo)主要從兩個(gè)角度推斷地?zé)豳Y源賦存潛力與其有利發(fā)育范圍，一是推斷有利于地?zé)崽镄纬傻牡刭|(zhì)條件，二是推斷熱源存在的可能性。一方面，這些氣體指標(biāo)的高濃度異常可指示深部斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，反映存在有利于熱流體循環(huán)的斷裂條件。特別是對(duì)于隆起山地型地?zé)崽?，其熱能主要借助斷裂系統(tǒng)以對(duì)流方式進(jìn)行傳遞，斷裂構(gòu)造的發(fā)育是這類地?zé)豳Y源形成的必要因素。另一方面，這些氣體作為火山巖漿伴生氣，其高值異常也揭示深部可能存在以巖漿活動(dòng)為主的熱能供給。氣態(tài)Rn高濃度異常結(jié)合其他指標(biāo)，還可用于推斷放射性熱源存在可能性。

（2）主要?dú)怏w同位素比值指標(biāo)

地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)勘探常用氣體同位素比值指標(biāo)包括δD、δ18O、34S等，以及某些稀有氣體如He、Ar同位素指標(biāo)。此外，CO2/3He、CH4/3He等指標(biāo)也有所應(yīng)用。相關(guān)研究已認(rèn)識(shí)到不同熱源與水源上述比值具有不同的特征，因此這些指標(biāo)可用于輔助判斷地?zé)崽餆崃縼?lái)源與水的來(lái)源。

地下水是水熱型地?zé)豳Y源的基本載體。通常情況下，地?zé)崽锏乃纯砂◣r漿水、沉積水、大氣降水與海水，熱源則主要為幔源火山巖漿生熱與殼源放射性元素衰變生熱。對(duì)于特定地?zé)崽飦?lái)說(shuō)，某些氣體同位素比值指標(biāo)可從一個(gè)側(cè)面反映其熱源與水源。無(wú)機(jī)成因氣地球化學(xué)勘探研究表明，地表介質(zhì)中高3He/4He比值和低40Ar/36Ar比值組合是幔源氣的特征性標(biāo)志，低3He/4He比值與高40Ar/36Ar比值組合是殼源氣的特征性標(biāo)志，而低3He/4He比值和低40Ar/36Ar比值是大氣來(lái)源標(biāo)志［12］。此判別標(biāo)準(zhǔn)也已用于推斷地下水與熱量的來(lái)源。此外，鑒于不同來(lái)源的水具有不同的δD、δ18O比值特征，CRAIG早在1961年就建立了基于δD與δ18O比值的全球大氣降水判別方程（雨水線方程）［13］，成為公認(rèn)的地下水來(lái)源判識(shí)方法，在地?zé)崽锼囱芯恐型瑯邮艿綇V泛應(yīng)用［6，14-22］。

1.2 元素地球化學(xué)勘探指標(biāo)

1.2.1 地?zé)崽镌氐厍蚧瘜W(xué)異常的形成

地?zé)豳Y源的形成過程伴隨著一系列復(fù)雜的元素富集現(xiàn)象。地?zé)崽锏脑兀òx子、化合物）地球化學(xué)勘探指標(biāo)包括“原始伴生指標(biāo)”和“次生伴生指標(biāo)”兩種類型，主要為火山巖漿本身的元素組分，以及因地?zé)崴觿〉乃?巖交換作用產(chǎn)物。

火山巖漿熔融體的主要成分為K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Al3+等陽(yáng)離子和硅酸根絡(luò)陰離子，可占巖漿總重量的96.84%［12］。一方面，處于高溫高壓狀態(tài)的巖漿在上侵過程中，在釋放熱量的同時(shí)會(huì)釋放某些組分，從而使地?zé)崴缓承r漿元素成分。另一方面，與普通地層水相比，地?zé)崃黧w同樣具有溶濾、混合和離子交換作用，而且地?zé)崴纳鲜鲎饔檬窃谏畈垦h(huán)和高溫環(huán)境下進(jìn)行的，水-巖作用更為強(qiáng)烈。尤其是隆起山地型地?zé)崽?，地?zé)崴趶?qiáng)烈的對(duì)流過程中與周圍巖層發(fā)生離子交換，形成了地?zé)崴厥獾幕瘜W(xué)成分，成為地?zé)崽锏厍蚧瘜W(xué)勘探的重要標(biāo)志。不僅深部地?zé)醿?chǔ)及其地表出露區(qū)熱流體存在特定元素組分異常，某些活動(dòng)能力較強(qiáng)的元素在有利的遷移環(huán)境下，還可在地?zé)崽锷戏降乇硗寥乐行纬商囟ㄔ貪舛雀咧诞惓＃蓳?jù)此獲取深部地?zé)崽锏牟糠中畔?。此外，地?zé)崃黧w出露地表時(shí)，依水溫的差異，水-巖作用還會(huì)形成諸如高嶺石、綠泥石、濁沸石、懷臘開沸石等新礦物，成為地?zé)峥碧降拿黠@標(biāo)志。

1.2.2 地?zé)崽镌氐厍蚧瘜W(xué)勘探指標(biāo)

地?zé)崽镌氐厍蚧瘜W(xué)勘探指標(biāo)主要包括某些單一元素高濃度異常、特定的水型指標(biāo)以及地球化學(xué)溫標(biāo)，常用于分析地?zé)崽镔x存有利區(qū)、推斷深部地?zé)醿?chǔ)分布與熱源性質(zhì)、估算深部地?zé)醿?chǔ)中熱水溫度。

（1）元素組分與水型指標(biāo)

地?zé)崴畬?duì)元素的富集過程十分復(fù)雜，涉及元素眾多。朱炳球等（1992）對(duì)我國(guó)6個(gè)地?zé)崽镏車乇硗寥乐心承┪⒘吭仄骄档慕y(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，統(tǒng)計(jì)的近20種微量元素的平均值都比其克拉克值明顯偏高，其中Hg、As、Sb、Bi、W、Mn和Cs等元素濃度值偏高10倍以上，Hg濃度最高值甚至比其克拉克值高100倍以上［23］。徐世光等（2009）研究認(rèn)為，地?zé)崃黧w中與溫度變化密切相關(guān)的微量元素，如As、Sb、Bi、B、Li、Rb、Cs、Be、Sn、Pb、Zn、Mn等，可用作地?zé)峥碧降闹匾笜?biāo)［10］。不僅微量元素，地?zé)崽飳?duì)地殼常量元素也具有富集作用。Oyuntsetseg等（2014）對(duì)蒙古Khangai山區(qū)西部地?zé)釁^(qū)熱水化學(xué)成分研究表明，地表熱泉水中Na、K、Cl、SiO2濃度明顯高于冷水［22］。已知地?zé)崽锷戏教囟ㄔ馗咧诞惓檫@些元素用于預(yù)測(cè)地?zé)豳Y源有利區(qū)提供了依據(jù)。

水熱型地?zé)豳Y源形成過程中對(duì)元素組分的富集作用，使地?zé)崴偟V化度指標(biāo)明顯升高，偏硅酸、偏硼酸、鍶的含量也較常規(guī)地下水偏高，形成了Cl-Na、HCO3-Na、HCO3·SO4-Na、HCO3·Cl-Na等多種特殊水型。這些水型特征可反映地?zé)豳Y源的形成與發(fā)育環(huán)境。有研究認(rèn)為，高溫巖漿在形成地?zé)豳Y源過程中，巖漿中的氯化物進(jìn)入熱水，形成以Cl-Na型為主的水型。如研究揭示，以地殼局部熔融體為熱動(dòng)力條件形成的西藏谷露高溫地?zé)嵯到y(tǒng)，其水化學(xué)類型主要為Cl·HCO3-Na型和HCO3·Cl-Na型［24］。而在遠(yuǎn)離巖漿活動(dòng)的區(qū)域，特別是出露于花崗巖地區(qū)的溫泉，其水型一般多為HCO3-Na型、HCO3-SO4-Na型和SO4-Na型。產(chǎn)于碳酸鹽巖分布區(qū)的地?zé)豳Y源，主要表現(xiàn)為HCO3-Na、HCO3-Ca、HCO3-Na·Ca、HCO3·SO4-Na·Ca等諸多水化學(xué)類型。因此，水型信息可作為推斷熱儲(chǔ)分布與熱源的輔助指標(biāo)。

（2）地球化學(xué)溫標(biāo)

地?zé)崽锏厍蚧瘜W(xué)溫標(biāo)用于推測(cè)地下熱儲(chǔ)溫度的前提條件是這些物質(zhì)在地?zé)崴幸堰_(dá)化學(xué)平衡狀態(tài)，并且地?zé)崃黧w出露至溫度較低的地表時(shí)，這種平衡仍然存在。

地?zé)崽锏厍蚧瘜W(xué)溫標(biāo)類型較多，主要包括熱水中的元素（包括離子、化合物）組分溫標(biāo)、氣體溫標(biāo)與同位素溫標(biāo)，如SiO2、Ca2+、HCO3-和Mg的濃度，Cl的稀釋度，Na/K、Mg/Ca、Na/Ca、Cl-/（HCO3-+ CO32-）、Cl/F的比值等。各類溫標(biāo)在應(yīng)用中均借助一系列公式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的估算。SiO2是其中最常用的溫標(biāo)，可細(xì)分為石英二氧化硅溫標(biāo)、玉髓溫標(biāo)、非晶質(zhì)二氧化硅溫標(biāo)、α-方石英溫標(biāo)以及 β-方石英溫標(biāo)，各有相應(yīng)的溫度計(jì)算公式。SiO2之所以成為最主要的溫標(biāo)，是由其溶解度與溫度的關(guān)系決定的。試驗(yàn)表明，SiO2溶解度不僅與溫度呈函數(shù)關(guān)系，且其沉淀作用隨溫度下降而減慢，即使地?zé)崃黧w上升到地表后發(fā)生冷卻，SiO2濃度仍對(duì)地下溫度具有指示作用，因此廣泛用于預(yù)測(cè)深部熱儲(chǔ)溫度。

2 地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)勘探技術(shù)主要應(yīng)用領(lǐng)域

目前地球化學(xué)勘探技術(shù)廣泛地應(yīng)用于已知地?zé)崽飬^(qū)技術(shù)方法的驗(yàn)證性應(yīng)用研究，未知區(qū)預(yù)測(cè)研究較為少見。已有的研究表明，該技術(shù)目前主要用于水熱型地?zé)崽锟碧窖芯恐?，在預(yù)測(cè)地?zé)崽锇l(fā)育有利部位、估算已知地?zé)崽锷畈繜醿?chǔ)水溫以及推斷地?zé)崽餆嵩磁c水源等多個(gè)領(lǐng)域均可發(fā)揮重要作用。

2.1 預(yù)測(cè)地?zé)崽锇l(fā)育有利部位

地球化學(xué)勘探主要通過地?zé)崽镆鸬牡乇淼厍蚧瘜W(xué)指標(biāo)濃度異常，初步推斷地?zé)崽锏馁x存范圍或地?zé)豳Y源有利發(fā)育環(huán)境。

（1）預(yù)測(cè)地?zé)崽镔x存范圍

我國(guó)研究者（朱炳球等，1992）曾在小湯山地?zé)崽锛捌渫鈬?50 km2范圍內(nèi)開展了地表地球化學(xué)普查與詳查。采用土壤和水文地球化學(xué)測(cè)量方法，研究了多種微量元素與常量元素分布特征，測(cè)量指標(biāo)包括Hg、As、Sb、Bi、Li、B、Pb、Zn、Mn、Ni、Co等10多種土壤微量元素，以及K+、Na+、Ca+、Mg+等10多種水文地球化學(xué)指標(biāo)。土壤微量元素濃度分析揭示，地?zé)崽飬^(qū)Hg、As、Sb等元素的濃度平均值較大，平均襯度較高；Hg、As、Sb、Bi、Li等元素富集于主要熱儲(chǔ)正上方，而Pb、Zn、Mn、Ni、Co元素高值異常則主要分布于熱儲(chǔ)兩側(cè)［23］。水文地球化學(xué)研究結(jié)果表明，地?zé)崽飬^(qū)存在明顯的水文地球化學(xué)異常，K+、Na+、Mg2+、F-、HCO3-、SiO2、HBO2等指標(biāo)濃度較高。圖1是本次地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)勘探研究中土壤Hg濃度異常、水文地球化學(xué)濃度異常、熱水孔與地溫異常區(qū)分布疊合圖?？梢钥闯?，土壤Hg濃度異常與水文地球化學(xué)異常具有較好的吻合性，也與地溫異常區(qū)和熱水孔分布具有較好的一致性。同時(shí)，地球化學(xué)異常也與其后實(shí)施的電法勘探低阻異常分布基本一致，從另一個(gè)角度揭示地球化學(xué)勘探技術(shù)在推斷地?zé)崽锓植挤秶矫娴淖饔?。圖 2是加勒比板塊Azacualpa地?zé)崽飬^(qū)一條WNW-ESE向剖面的近地表土壤CO2測(cè)量結(jié)果［7］。在Zacapa斷層帶地?zé)釁^(qū)及其附近NNE-SSE向斷層區(qū)，以及鄰近Vega Vieja地?zé)犸@示區(qū)，CO2異常最為明顯，展現(xiàn)了近地表土壤CO2濃度對(duì)地下熱儲(chǔ)的指示能力。

圖1 北京小湯山地區(qū)地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)勘探異常分布［23］Fig. 1 Distribution of geochemical anomalies for geothermal exploration in Xiaotangshan area， Beijing［23］

圖2 加勒比板Azacualpa地?zé)崽飬^(qū)某測(cè)線土壤CO2濃度分布與地質(zhì)簡(jiǎn)圖［7］（注意Vega Vieja和La Cueva兩個(gè)地?zé)釒戏骄鶛z出了CO2高通量異常）Fig. 2 Geological cross-section profile of Azacualpa geothermal area （bottom） and CO2soil flux （top） along the same profile［7］

（2）尋找地?zé)崽锇l(fā)育的有利環(huán)境

近地表介質(zhì)中某些以深部幔源巖漿來(lái)源為主的氣體，其高值異常分布區(qū)往往指示區(qū)內(nèi)發(fā)育斷裂系統(tǒng)尤其是深大斷裂系統(tǒng)，是水熱型特別是隆起山地型地?zé)豳Y源勘探的重要指標(biāo)。

Rn、Hg蒸氣和 CO2是地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)勘探的常用技術(shù)指標(biāo)。常志勇等（2014）報(bào)道了土壤Rn測(cè)量在新疆塔什庫(kù)爾干縣地?zé)豳Y源勘探中的應(yīng)用研究成果，發(fā)現(xiàn)土壤Rn的高值異常能夠較好地反映隱伏斷裂和地?zé)豳Y源有利分布區(qū)［25］。近年在印度尼西亞爪哇島Ungaran地?zé)崽飬^(qū)，采用土壤Rn、Th、CO2、壤氣Hg與土壤Hg等火山伴生氣體指標(biāo)進(jìn)行研究，較好地驗(yàn)證了該地?zé)崽锱c斷裂發(fā)育區(qū)的相關(guān)性。Ungaran地?zé)崽锂a(chǎn)于印尼爪哇島中部第四紀(jì)火山帶之中，火山系統(tǒng)主要受控于Ungaran火山西部到西南部的Ungaran滑塌構(gòu)造。地?zé)釁^(qū)主要位于Ungaran火山南翼的 Gedongsongo地區(qū)，區(qū)內(nèi)噴氣溫度達(dá)90℃ ～ 110℃的噴氣孔多有分布。Gedongsongo地區(qū)地表土壤氣測(cè)量結(jié)果揭示，土壤Rn濃度在距噴氣孔200 m外的測(cè)區(qū)北部呈高值與異常高值分布特征（圖3a）。土壤Rn與Rn/Th高值異常較好地指示測(cè)區(qū)存在NNE-SSW向的主要斷裂帶以及WNW-ESE向的次要斷裂帶（圖3a，圖3b），其中Rn/Th比值指標(biāo)的高值異常不僅指示存在斷裂系統(tǒng)，而且指示這些斷裂系統(tǒng)從深部一直延伸到近地表。土壤CO2濃度具有與Rn相似的分布趨勢(shì)，在噴氣孔周圍及其以北250 ～ 300 m范圍內(nèi)，CO2濃度呈高值異常，而且CO2高值分布區(qū)也出現(xiàn)于推測(cè)的兩條斷層附近，揭示CO2對(duì)斷裂系統(tǒng)具有較好的指示作用（圖4）［6］。

圖3 印尼Ungaran地?zé)崽颎edongsongo測(cè)區(qū)近地氣土壤Rn濃度（a）與Rn /Th比值（b）分布［6］Fig. 3 Contour of radon concentration （a） and radon/thoron concentration ratio （b） in the near surface soil gas in the Gedongsongo survey area of Ungaran thermal field， Indonesia［6］

圖4 印尼 Ungaran地?zé)崽?Gedongsongo測(cè)區(qū)近地表土壤CO2濃度分布［6］Fig. 4 Contour of near surface CO2concentration in the Gedongsongo survey area of Ungaran thermal field， Indonesia［6］

2.2 估算地?zé)崽锷畈繜醿?chǔ)溫度

利用地球化學(xué)指標(biāo)估算深部水熱型地?zé)崽餆醿?chǔ)溫度是長(zhǎng)期以來(lái)地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)研究的重要內(nèi)容，這方面投入研究較多，現(xiàn)已建立了眾多溫標(biāo)。不同溫標(biāo)用于估算地下熱儲(chǔ)溫度所依據(jù)的原理各不相同，估算公式也不相同，加之相關(guān)干擾因素的影響，導(dǎo)致同一測(cè)點(diǎn)采用不同溫標(biāo)估算出的熱儲(chǔ)溫度往往差異較大。因此，特定研究區(qū)適用溫標(biāo)的選擇對(duì)熱儲(chǔ)溫度的準(zhǔn)確估算顯得十分重要。

下文以河南省中西部平頂山礦區(qū)水熱型地?zé)崽餅槔?，?lái)討論利用溫標(biāo)對(duì)深部熱儲(chǔ)溫度的估算結(jié)果。在該礦區(qū)地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)勘探研究中，首先分析了水化學(xué)成分，而后選用SiO2（石英與玉髓）、Na-K、K-Mg以及Na-K-Ca等溫標(biāo)估算了深部熱儲(chǔ)溫度。表1是不同溫標(biāo)的估算結(jié)果［26］?？梢钥闯?，不同溫標(biāo)對(duì)同一地?zé)嵯到y(tǒng)溫度的估算結(jié)果相差甚遠(yuǎn)。

表1 不同地?zé)釡貥?biāo)對(duì)平頂山八礦地下熱儲(chǔ)溫度的估算值（單位：℃）［26］Table 1 Temperature of geothermal reservoirs calculated by various geothermometers （Unit:oC）［26］

溫標(biāo)只有在深部熱儲(chǔ)溶液-礦物達(dá)到平衡的前提下使用，才能獲得準(zhǔn)確的溫度估算結(jié)果。因此利用溫標(biāo)估算熱儲(chǔ)溫度時(shí)，應(yīng)根據(jù)地?zé)崽飬^(qū)各溫標(biāo)涉及物質(zhì)的平衡情況，對(duì)區(qū)內(nèi)適用溫標(biāo)進(jìn)行優(yōu)選。在平頂山八礦地?zé)嵯到y(tǒng)深部熱儲(chǔ)溫度估算中，采用Na-K-Mg三角圖法和多礦物平衡分析法，優(yōu)選出本區(qū)適用溫標(biāo)為石英與玉髓，認(rèn)為玉髓是該礦區(qū)深部熱水溫度估算的最適宜溫標(biāo)，石英則適合該區(qū)深部熱儲(chǔ)最高溫度估算。據(jù)此估算的礦區(qū)內(nèi)深部熱儲(chǔ)溫度約為50℃，最高溫度可達(dá)70℃ ～ 80℃［26］。

2.3 推斷地?zé)崽餆嵩磁c水源

熱源與水源是形成水熱型地?zé)豳Y源的基本要素。幔源巖漿生熱與殼源放射性元素衰變生熱構(gòu)成了地?zé)崽餆崮艿闹饕獊?lái)源；水源則一般包括巖漿水、沉積水、大氣降水與海水等4種類型。地?zé)崽锏厍蚧瘜W(xué)勘探研究中，熱源的判識(shí)一般通過某些特征性氣體組分與同位素組成特征得以實(shí)現(xiàn)，地?zé)崴a(bǔ)給來(lái)源和增溫途徑的推斷則主要采用特定同位素比值指標(biāo)。

δD和 δ18O是地?zé)崽锼囱a(bǔ)給判識(shí)的主要指標(biāo)，據(jù)此建立的全球雨水線方程（CRAIG，1961）成為判識(shí)地下熱儲(chǔ)水源的公認(rèn)模板。湖北京山地區(qū)地?zé)崽锼囱芯恐?，以區(qū)內(nèi)JR5、JR6、JR7、JR8熱水井為對(duì)象，分析了水化學(xué)成分和δD、δ18O同位素比值。根據(jù)分析結(jié)果，繪制了δD-δ18O交會(huì)圖，并與CRAIG（1961）建立的雨水線方程進(jìn)行了對(duì)比（圖5）?？梢钥闯?，研究區(qū)地?zé)崃黧w同位素組成主要集中在全球降水線左上側(cè)，且靠近全球降水線，表明該區(qū)地?zé)崃黧w來(lái)源于大氣降水［15］。

圖5 湖北京山地區(qū)地?zé)崽餆崃黧w、雨水δD-δ18O關(guān)系［15］Fig. 5 δD-δ18O relationship of the geothermal fluid and the rainwater in the Jingshan area， Hubei Province［15］

在日本富山縣東部Unazuki熱泉區(qū)地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)勘探研究中，水樣δD、δ18O比值研究識(shí)別出了該區(qū)形成地?zé)崽锏膬深愃础Ｔ摕崛獏^(qū)深部熱儲(chǔ)分別含有高鹽度水與低鹽度水，二者具有不同的δD、δ18O比值特征。其中低鹽度水δD和δ18O同位素比值分別為-56.4‰ ～ -81.8‰和-10.4‰ ～ -12.3 ‰；高鹽度水δD和δ18O同位素比值分別為-27.6‰ ～ -38.1 ‰和-3.1‰ ～ -4.9‰。經(jīng)與當(dāng)?shù)睾铀?、海水樣品δD、δ18O比值分布進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)低鹽度熱水的δD、δ18O比值分布介于當(dāng)?shù)囟膬蓷l雨水線（δD =8δ18O + d，其中夏季時(shí)d值為10，冬季時(shí)d值為30）之間，并與當(dāng)?shù)睾铀腄、δ18O比值分布較為吻合，揭示低鹽度熱水來(lái)源于大氣降水。高鹽度熱水δD、δ18O比值較低鹽度熱水更高，其水源更多地受到了海水混合的影響（圖6）［19］。

圖6 日本富山縣東部Unazuki熱泉區(qū)δD和δ18O值分布［19］Fig. 6 δD and δ18O values of water samples from Unazuki hot springs in the eastern Toyama Prefecture， Japan［19］

3 地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)勘探研究局限性分析與建議

地?zé)豳Y源的形成伴隨著熱源相關(guān)物質(zhì)的富集效應(yīng)。因此，地球化學(xué)勘探技術(shù)毫無(wú)疑問可在地?zé)峥碧街邪l(fā)揮重要作用。但由于目前地?zé)豳Y源勘探研究相對(duì)薄弱，與其他各類地?zé)峥碧郊夹g(shù)一樣，地球化學(xué)勘探技術(shù)在應(yīng)用中也存在自身的局限性與有待解決的問題，需要結(jié)合地?zé)豳Y源的特征，加強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用研究，推動(dòng)地球化學(xué)勘探技術(shù)在地?zé)峥碧街邪l(fā)揮其應(yīng)有的作用。

3.1 受制于地?zé)崽镱愋?/p>

現(xiàn)階段，地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)勘探研究主要集中于水熱型地?zé)崽?，干熱巖型地?zé)豳Y源地球化學(xué)勘探研究相對(duì)較少。這一方面是由于目前干熱巖型地?zé)豳Y源本身的研究程度較低，另一方面這類地?zé)豳Y源埋藏深度較大，加大了熱源相關(guān)物質(zhì)向地表運(yùn)移的難度；而且其內(nèi)部不存在或僅存在少量流體，缺乏大范圍水-巖交換的物質(zhì)基礎(chǔ)，也不存在縱深向的熱水對(duì)流機(jī)制。因此，與水熱型地?zé)崽锵啾?，干熱巖型地?zé)豳Y源形成高濃度地表地球化學(xué)異常的難度更大。

水熱型地?zé)崽锏厍蚧瘜W(xué)勘探研究較多地集中于隆起山地型地?zé)豳Y源。隆起山地型地?zé)豳Y源通常分布于構(gòu)造活動(dòng)異?；钴S區(qū)，往往與深大斷裂帶相伴生。這類地?zé)崽餆醿?chǔ)多呈帶狀，地?zé)崃黧w隨縱深向的流體循環(huán)以對(duì)流方式實(shí)現(xiàn)熱量傳輸。借助于縱深向上的熱流體循環(huán)系統(tǒng)，地?zé)嵯嚓P(guān)物質(zhì)可相對(duì)容易地到達(dá)地表，形成一系列地表地球化學(xué)高濃度異常。這類地?zé)豳Y源往往存在地表出露，為地表地球化學(xué)勘探研究提供了更便利的條件，使其成為目前地球化學(xué)勘探研究最為集中的地?zé)崽镱愋汀?/p>

同為水熱型地?zé)豳Y源的沉積盆地型地?zé)崽锿ǔ０l(fā)育于比較穩(wěn)定的盆地中，構(gòu)造活動(dòng)一般較弱，主要為層狀熱儲(chǔ)，熱能傳遞以傳導(dǎo)方式為主，向上運(yùn)移的流體循環(huán)系統(tǒng)不及隆起山地型地?zé)崽锇l(fā)育。這類地?zé)崽锉容^穩(wěn)定，地?zé)嵩及樯M分以及長(zhǎng)期持續(xù)的水-巖交換作用，使得地?zé)崃黧w富含大量金屬元素以及氮、二氧化碳及甲烷等氣體。與隆起山地型地?zé)豳Y源相比，沉積盆地型地?zé)豳Y源伴生物質(zhì)向地表的運(yùn)移條件更差，地球化學(xué)勘探研究不及前者廣泛。

3.2 預(yù)測(cè)性研究程度較低

目前地?zé)豳Y源地球化學(xué)勘探主要集中于已知地?zé)崽飬^(qū)的驗(yàn)證性研究，特別是具有地表熱顯示的隆起山地型地?zé)崽飬^(qū)，溫泉等地?zé)岢雎秴^(qū)水文地球化學(xué)特征分析在地?zé)豳Y源地球化學(xué)勘探研究中占據(jù)了重要比重［15，20，24，27-29］。通過地表溫泉水文地球化學(xué)分析，獲得溫泉水中特定元素、氣體及同位素比值異常特征，并據(jù)此推斷已知地?zé)崽锏臒崃縼?lái)源、水源補(bǔ)給以及徑流路徑；利用溫標(biāo)參數(shù)還可估算深部熱儲(chǔ)溫度。通過已知地?zé)崽锏乇硗寥琅c水文地球化學(xué)研究，經(jīng)與地?zé)崽飬^(qū)之外的研究結(jié)果相對(duì)比，還可分析地?zé)崽镆鸬牡厍蚧瘜W(xué)異常特征，從一個(gè)側(cè)面驗(yàn)證地球化學(xué)勘探技術(shù)對(duì)地?zé)豳Y源的響應(yīng)能力。

相比之下，地球化學(xué)勘探在未知區(qū)地?zé)豳Y源預(yù)測(cè)方面的研究較為薄弱，這方面的研究主要通過某些元素與氣體指標(biāo)的地表異常，識(shí)別有利于這些元素與氣體運(yùn)移的構(gòu)造環(huán)境，推斷水熱型地?zé)豳Y源尤其是隆起山地型地?zé)豳Y源的有利發(fā)育區(qū)。

總體上看，現(xiàn)階段地?zé)豳Y源地球化學(xué)勘探研究還處于初步探索階段，不僅未知區(qū)預(yù)測(cè)研究工作較少，而且未知區(qū)預(yù)測(cè)研究結(jié)果甚至對(duì)已知地?zé)崽飬^(qū)深部流體補(bǔ)給、徑流與溫度的推斷結(jié)果，都少有后期勘探結(jié)果的驗(yàn)證。

3.3 技術(shù)方法多解性強(qiáng)

地?zé)豳Y源地球化學(xué)勘探面臨的另一個(gè)局限是現(xiàn)有地球化學(xué)勘探技術(shù)方法大都具有較強(qiáng)的多解性，地?zé)豳Y源可以引起某些指標(biāo)地球化學(xué)異常，但這些指標(biāo)異常并不是地?zé)豳Y源所特有的，因此對(duì)地?zé)豳Y源不具有唯一指示性。

首先從起源上看，不僅地?zé)豳Y源，其他一些復(fù)雜的地質(zhì)作用過程也可能形成與地?zé)豳Y源相類似的元素與氣體地球化學(xué)異常。其次，即使是地?zé)豳Y源本身伴生的元素與氣體地球化學(xué)組分，當(dāng)其運(yùn)移到地表介質(zhì)，也往往會(huì)受到地表介質(zhì)條件、溫度與濕度條件以及氣候與季節(jié)因素等多方面的影響。尤其是一些氣體指標(biāo)，其濃度受地表因素干擾明顯。地表因素的影響加劇了地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)勘探技術(shù)的多解性。

此外，地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)勘探研究中常通過某些指標(biāo)的高濃度異常推斷有利于隆起山地型地?zé)豳Y源發(fā)育的構(gòu)造環(huán)境。地表CO2、Hg、Rn、He、CH4等氣體指標(biāo)高濃度異常確實(shí)可指示深部存在有利于氣體運(yùn)移的斷裂構(gòu)造，這類構(gòu)造也確實(shí)是形成對(duì)流型地?zé)豳Y源的必要因素，但并不必然與地?zé)豳Y源存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.4 地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)勘探研究建議

針對(duì)地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)勘探研究存在的主要問題，提出如下今后研究工作建議。

（1）在不同類型地?zé)崽锏厍蚧瘜W(xué)勘探研究方面，建議在不斷深化對(duì)隆起山地型地?zé)崽锏厍蚧瘜W(xué)勘探研究的同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)沉積盆地型地?zé)豳Y源的勘探研究，并重視對(duì)干熱巖型地?zé)豳Y源地球化學(xué)勘探可行性探索與論證工作。對(duì)于水熱型地?zé)豳Y源的沉積盆地型地?zé)崽?，其地球化學(xué)異常的形成過程與隆起山地型地?zé)豳Y源相似，幔源巖漿伴生組分、殼源放射性元素衰變產(chǎn)物以及水-巖作用產(chǎn)物都可發(fā)揮很大作用。尤其是對(duì)于斷陷盆地型地?zé)崽?，其發(fā)育于板內(nèi)地殼沉降區(qū)具備厚層沉積物覆蓋的地塹、地壘式構(gòu)造盆地，盆地邊界有斷裂控制，基底階梯狀斷裂發(fā)育，具有一定的地?zé)岚樯镔|(zhì)向上運(yùn)移的條件。這類地?zé)崽锏厍蚧瘜W(xué)勘探理論依據(jù)充足，值得投入更多研究工作。干熱巖型地?zé)豳Y源研究程度較低，這類地?zé)崽锟赡芤鸬牡乇淼厍蚧瘜W(xué)異常效應(yīng)目前尚不甚清楚。干熱巖型地?zé)豳Y源的熱能蘊(yùn)藏量十分巨大，是一個(gè)值得重視的研究領(lǐng)域，因此建議在這方面開展探索性研究工作。

（2）在地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)勘探技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域方面，目前較多地集中于驗(yàn)證性研究，建議加強(qiáng)預(yù)測(cè)性研究工作。已知地?zé)崽锷戏降厍蚧瘜W(xué)驗(yàn)證性研究十分重要，可總結(jié)地?zé)豳Y源引起的地球化學(xué)異常模式，證明地球化學(xué)勘探技術(shù)對(duì)已知地?zé)豳Y源的響應(yīng)能力，從而為地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)勘探技術(shù)用于地?zé)豳Y源預(yù)測(cè)研究提供基本依據(jù)。但驗(yàn)證性研究只是基礎(chǔ)，地?zé)峥碧降淖罱K目標(biāo)是獲得準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果。預(yù)測(cè)性研究應(yīng)結(jié)合具體研究區(qū)的背景條件，不斷優(yōu)化不同地質(zhì)背景下地?zé)豳Y源有利區(qū)預(yù)測(cè)、溫度估算以及熱源與水源識(shí)別指標(biāo)系列，形成不同類型地?zé)崽铩⒉煌h(huán)境條件下地?zé)豳Y源勘探的地球化學(xué)技術(shù)指標(biāo)組合。

（3）在地?zé)豳Y源地球化學(xué)勘探技術(shù)應(yīng)用成效研究方面，鑒于現(xiàn)階段地?zé)豳Y源地球化學(xué)勘探技術(shù)應(yīng)用中存在的多解性，建議采用多學(xué)科綜合研究的方法，提高地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)勘探技術(shù)應(yīng)用效果。地球化學(xué)研究只是從地?zé)豳Y源伴生物質(zhì)的角度來(lái)分析地?zé)豳Y源的存在潛力，地?zé)豳Y源尤其是水熱型地?zé)豳Y源還會(huì)引起其他一些異?，F(xiàn)象，可通過不同學(xué)科的技術(shù)方法檢測(cè)出來(lái)。如遙感技術(shù)可較好地反映地?zé)崽飬^(qū)溫度異常、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造以及熱儲(chǔ)構(gòu)造等方面的信息，對(duì)研究區(qū)地?zé)豳Y源獲得宏觀的初步認(rèn)識(shí)；水熱型地?zé)豳Y源賦存區(qū)在地層電阻率、密度、地震波速等方面也會(huì)呈現(xiàn)異常，從而為電法、重力、電磁法以及地震等技術(shù)方法用于地?zé)峥碧教峁┝丝赡?。綜合應(yīng)用地球化學(xué)勘探技術(shù)與其他勘探技術(shù)，從不同角度獲取深部地?zé)豳Y源可能引起的各類相關(guān)信息，有利于地?zé)峥碧浇Y(jié)果的準(zhǔn)確解釋，提高地?zé)峥碧匠晒β省?/p>

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Research Advances of Geochemical Exploration Techniques for Geothermal Resources of Hydrothermal Type

WU Chuan-zhi， TANG Yu-ping， WANG Guo-jian， HUANG Xin， ZHU Huai-ping
（Wuxi Research Institute of Petroleum Geology， Petroleum Exploration and Production Research Institute of Sinopec，Wuxi 214151， Jiangsu， China）

Abstract：Geochemical exploration technique has a long application and research history in exploring for the geothermal resources of hydrothermal type. It has established a set of gas- and element- based exploration technique series， which covers numerous geochemical indicators. Such geochemical methods and indicators have been widely used in geothermal exploration worldwide. The results show that these techniques can play unique roles in predicting the favorable areas for geothermal resources to develop， estimating the temperature of the deep geothermal pools， and inferring the sources of the heat and waters， so they can act as cost-efficient geothermal exploration methods with bright application prospects. Even though， these techniques also have their own limits in the application research. The application research of the geothermal geochemical exploration techniques is not only limited to certain types of geothermal field types， but also mainly concentrate on the existing geothermal fields for verification of the effectiveness of the exploration techniques， and most geochemical anomalies also have strong ambiguities. Therefore， the further research development of geothermal geochemical exploration techniques and their applications should be conducted in the future.

Key words：geothermal resource； geothermal field； geochemical exploration； geothermal exploration

中圖分類號(hào)：TK521

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.2095-560X.2016.02.007

文章編號(hào)：2095-560X（2016）02-0118-09

* 收稿日期：2015-10-30

修訂日期：2015-12-13

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41072099）；中國(guó)石化科技部項(xiàng)目（P14044）

通信作者：?吳傳芝，E-mail：wucz.syky@sinopec.com

作者簡(jiǎn)介：

吳傳芝（1966-），女，高級(jí)工程師，主要從事油氣化探與天然氣水合物研究工作。