应用壤中气方法圈定沉积盆地型地热田的地热最有利富集区
汤玉平1, 王国建1, 唐俊红2, 黄欣1, 朱怀平1, 李吉鹏1
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 214151
2.杭州电子科技大学 材料科学与环境工程学院,浙江 杭州 310018

作者简介: 汤玉平(1961-),男,教授级高级工程师,主要从事地球化学勘探基础理论及应用研究工作。Email:tangyuping.syky@sinopec.com

摘要

传统地热化探技术(以土壤微量元素为主)在隆起山地型地热田勘查中的应用较多,用以圈定地热异常区和勘查隐伏断裂构造,但在沉积盆地型地热田勘查中应用较少,主要原因在于沉积盆地型地热田热水埋藏较深,保存条件较好,抑制了地热水中无机元素等伴生物向地表扩散的强度,影响了化探技术对沉积盆地型地热田的预测效果。考虑到沉积盆地型地热田热水富含的伴生气体(甲烷、二氧化碳等),因其穿透力较强,易于在地表聚集而得以检测,因此采用壤中气方法在沉积盆地型地热田——冀中坳陷河北雄县地热田开展试验,进行近地表地球化学特征与地热响应关系解剖。结果表明,壤中气甲烷、氢气是圈定雄县地热田地热最有利富集区的有效指标,该结果为相似的沉积盆地型地热田勘探提供了地球化学依据。

关键词: 地热化探; 壤中气; 沉积盆地型地热田; 最有利富集区; 有效指标; 河北雄县
中图分类号:P632 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)01-0022-07
The application of soil gas method to delineation of the most favorable enrichment area of the sedimentary basin type geothermal system
TANG Yu-Ping1, WANG Guo-Jian1, TANG Jun-Hong2, HUANG Xin1, ZHU Huai-Ping1, LI Ji-Peng1
1. Wuxi Research Institute of Petroleum Geology, Research Institute of Petroleum Exploration and Production, SINOPEC, Wuxi 214151, China
2. College of Material Science and Environmental Engineering, Hangzhou Electronics University, Hangzhou 310018, China
Abstract

The traditional geochemical exploration technique, which uses mainly trace element methods for geothermal systems and can delineate geothermal anomaly areas and search for concealed fault structures, is applied much more to the prospecting in geothermal systems of uplifting mountain type than that in geothermal systems of sedimentary basin type. The conditions of geothermal systems of sedimentary basin type, such as depth of hot water and good preservation which restricts the diffusion of the inorganic elements in geothermal water towards surface, lead to poor prediction effectiveness of geochemical exploration technique. In view of the fact that hot water in geothermal systems of sedimentary basin type is rich in the associated gas such as methane and carbon dioxide, and hence these gases are easy to micro-seep to surface and can be detected because of their strong penetrating power, the authors applied the soil gas method to the field trial to study the responding relationship between surface geochemical characteristics and the geothermal water enrichment area in the geothermal system of sedimentary basin type in Xiongxian County, Hebei Province.The results show that methane and hydrogen in soil gas are effective indicators to delineate the most favorable enrichment area in the geothermal systems of Xiongxian County, thus providing geochemical basis for geothermal systems exploration of similar types.

Keyword: geochemical exploration for geothermal systems; soil gas; a geothermal system of sedimentary basin type; most favorable enrichment area; effective indicators; Xiongxian County
0 引言

从构造成因角度看, 地热田可以分为沉积盆地型地热田与隆起山地型地热田。沉积盆地型地热田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。隆起山地型地热田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火山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[1, 2, 3]。地球化学勘查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。传统的地热化探通过系统地测量和研究天然介质(土壤、岩石、水系沉积物、热水沉积物等)中与地热田有关的元素及其异常来寻找地热田, 圈定地热异常区及控热、导热构造。从已有文献来看[4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12], 化探技术在隆起山地型地热田勘查中的应用较多, 用以圈定地热异常区和勘查隐伏断裂构造, 但在沉积盆地型地热田勘查中应用较少, 主要原因在于沉积盆地型地热田热水埋藏较深, 保存条件较好, 抑制了地热水中无机元素等伴生物向地表扩散的强度, 影响了化探技术的探测效果。经过调研后发现, 对于沉积盆地型地热田, 甲烷、二氧化碳是地热水伴生的最主要气体组分[3, 13], 这些与热储有关的气体因其穿透力较强, 易于在地表得以检测, 因此本次利用与地热田密切相关的气体地球化学方法在冀中坳陷河北雄县地热田开展试验, 优选有效的地球化学指标, 圈定地热水的最有利富集部位, 以期为沉积盆地型地热田勘探提供地球化学依据。

1 试验区地质特征概况

选择中国石化集团新星公司地热示范基地, 沉积盆地型地热田— — 冀中坳陷河北雄县地热田作为本次研究的试验区(图1)。雄县的大地构造位置为中朝准地台(Ⅰ 级)华北盆地(Ⅱ 级)内的冀中凹陷(Ⅲ 级)北部。区域内新生界地层随凸起和凹陷的分布呈披盖式沉积, 第四系松散层和新近系砂岩、砾岩、泥岩近乎水平, 古近系砂岩、砾岩和泥岩倾角平缓。下伏地层为白垩系、侏罗系、二叠系、石炭系、奥陶系、寒武系、青白口系、蓟县系和长城系, 以及太古宇变质岩。雄县大部分范围属于牛驼镇凸起, 其北临廊坊固安凹陷, 西临容城凸起, 东南为霸县凹陷, 南侧和西南分别为饶阳凹陷和高阳低凸起。牛驼镇凸起的边界均为断裂构造, 与霸县凹陷之间为牛东断裂, 与廊坊固安凹陷之间为大兴断裂, 与容城凸起之间为容城断裂, 与饶阳凹陷和高阳低凸起之间为牛南断裂[14]

雄县地热田被认为是一个有共同热源的地质综合体, 地热热源、热储、导水通道、盖层信息如下[14]:①热源:结合区域性氦数据, 冀中坳陷地幔热流约占61%, 地壳热流占到39%, 证明该地区(含雄县地热田)热源以幔源为主。②热储:雄县地热田中包括古近— 新近系砂岩孔隙热储和古生界— 中上元古界基岩岩溶裂隙热储, 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, 是整个地热田中最重要的热储。在牛驼镇凸起部分仅存在蓟县系热储, 其埋藏深度在950~1 050 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的盖层。⑤热储温度:在雄县的牛驼镇凸起范围内, 古近— 新近系的底板(在大部分范围也是蓟县系的顶板)深度一般在 1 000 m左右, 因此, 1 000 m深度地温等值线相当于该地层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 ℃。牛驼镇凸起蓟县系雾迷山组的底板深度在2 000 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 雄县地热田基岩地质[14]及化探剖面、样点分布

2 试验方法
2.1 样品采集方法

以沉积盆地型地热田— — 冀中坳陷河北雄县地热田作为试验区, 沿两条已有的地质剖面, 部署两条穿过地热田的地表地球化学剖面(图1)。采样间距为250 m, 深度为1.2 m, 壤中气采集应用的是中石化无锡石油地质研究所自行研制的“ 地气采集螺旋钻” 专利装置[15], 将取气装置钻至所需的地下取气层位, 土壤中的游离气经过滤器扩散到集气管中, 以螺旋叶片作为隔绝空气的密封圈, 用直接排水真空取气法排去毛细管中的空气, 从而有效地抽取目的层位中的游离气, 密封在盐水瓶中。用麻花钻采集地表 1.2 m深度的浅色土壤样品, 用于元素汞测试。

表1 雄县地热田地表化探指标数据统计特征
2.2 样品分析测试方法

壤中气的分析依据国家标准GB/T 29173-2012第九部分方法[16], 使用PE-AutosystemXL(FID/TCD)气相色谱仪测定壤中气中的烃类气体。使用长50 m, 内径0.53 mm的Al2O3色谱柱; 标准气从大连特种气体公司购买; 样品的注入使用自动进样器, 样品进样量为100 μ L; 使用热导检测器检测CO2, 氢火焰离子化检测器检测甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷和不饱和烃。

测定氦、氢的色谱条件为:仪器为Agilent7890气相色谱仪及Agilent7890色谱工作站; 检测器为高灵敏度小池体积单丝热导检测器; 色谱柱为Porapak Q填充柱(2 m× 1/8'), 分子筛填充柱(6 m× 1/8')。

土壤元素汞的分析依据国家标准GB/T25282-2010[17], 用原子荧光光度法分析。

2.3 指标优选

对于地球化学异常与背景提取来说, 背景值(均值)和变异系数是两个重要的变量, 分别代表地球化学场的高低和变化幅度, 对于渗漏条件或渗漏条件导致的地表环境变化具有指示意义[18]。如果盆地(或凹陷)中具有丰富的、温度较高的地热资源, 热水中的气体、元素等一般会形成较高的地球化学场; 同时, 如果盖层条件较好的前提下, 气体、元素的渗漏和扩散受该条件限制, 通常形成较稳定的、变化幅度较小的地球化学场; 如果区域盖层较差, 或盖层条件好但气体、元素渗透力较强, 则形成起伏大、指标浓度变化显著的地球化学场。

首先将地表壤中气体地球化学指标含量与本次在当地实测的大气中的含量相比较(表1), 对于均值与大气相近、变异系数较小的指标, 如游离气氦气(Y_He), 则认为对地下地热不具有指示意义, 不考虑选用。

3 结果与讨论
3.1 壤中气指标异常特征

在Ⅰ — Ⅰ ’ 剖面(图2), 游离气CH4、H2在剖面上明显呈正向富集, 异常丰度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古近— 新近系不整合接触的范围, 是基岩岩溶裂隙热储的地表地球化学效应反映。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(相对于背景区), 而游离气CO2在剖面上的特征与游离气CH4、H2基本相反, 在牛驼镇顶部范围为低值, 远离凸起逐渐升高, 因此在相对还原环境, CO2可以与H2发生反应:CO2+4H2═2H2O+CH4, 使CO2消耗, CH4浓度升高。剖面上测量的氧化还原电位Eh反映的环境氧化还原情况与上述游离气CH4、H2、CO2特征相吻合, 在凸起上方为相对低值, 远离凸起为相对还原区, 且还原区范围大于牛驼镇凸起顶部范围, 认为这与还原性气体沿不整合面扩散有关。

在Ⅱ — Ⅱ ’ 剖面(图3), 游离气CH4、H2浓度异常主要集中在牛东断裂以西, 牛驼镇西次级断裂以东的牛驼镇凸起上方, 分为两个异常带:一个异常带位于牛驼镇凸起上方, 为正向浓度异常富集, 该异常带对应着游离气CO2低值区以及氧化还原电位低值区, 为相对还原环境, 与Ⅰ — Ⅰ ’ 剖面的结果相吻合; 另一个异常带对应着牛驼镇西次级断裂, 该断裂断从中新元古界热储到古近系地层, 热储中的气体可能沿此通道微渗漏到地表, 形成高丰度异常, 但该异常带的游离气CO2Eh特征与牛驼镇凸起上方明显不同, 并没有异常出现, 这一差别可能与下伏地温梯度有关, 牛驼镇凸起顶部的地温梯度最高, 达到12 ℃/100 m, 这样高的地温梯度和高浓度还原性气体条件下, 可能使地表产生了特殊的响应最有利地热富集部位的地球化学环境。

图2 雄县地热田Ⅰ — Ⅰ ’ 剖面游离CH2、H2、CO2Eh变化

图3 雄县地热田Ⅱ — Ⅱ ’ 剖面游离CH2、H2、CO2Eh变化

另外, 对雄县地热田胡台1井、东槐1井的地热水甲烷浓度进行测试, δ 13C1分别为-42.9‰ 、-42.4 ‰ , 为典型有机成因, 说明地表的甲烷主要为有机成因。同时, 雄县地热田5口地热井的地热水中, 甲烷浓度高出民用井、地表水2~3个数量级(图4), 说明地表的高丰度甲烷是有“ 源” 的, 异常相对可靠。

图4 雄县地热田地热水、居民井水、地表水顶空甲烷浓度对比

考虑到土壤中的甲烷、氢气可能由地下微渗漏的烷烃演化而来(烃类物质的降解反应、烷烃烯烃的转化反应), 凸起顶部(最有利的地热富集区)相对还原环境可能是甲烷(轻烃)和氢气的累积贡献。因此, 通过绘制柱状图与概率分布图定性地刻画了甲烷和氢气浓度分布, 采用浓度概率分布图确定了子数据集浓度边界值, 从而确定甲烷、氢气浓度数据集的背景值, 以此为依据对所测得的浓度数据进行了归一化处理。其中, 背景值通过逐次去除极端值, 并采用连续均值进行计算的方法得以实现, 归一化处理可以通过:

Xw= Ai-X̅σ(1)

实现 1920。式中, Xw为归一化浓度值; Ai为原始分析数据; X̅为平均值, 即可接受的背景值; σ 为背景总体的标准偏差。

选择每一种壤中气组分的归一化数据中超出背景值1σ 的数据进行进一步处理与解释, 然后计算累积异常, 即每一种组分(甲烷、氢气)相对浓度的代数总和:

P累积= XCH4+ XH2。 (2)

采用三点滤波法进行极端异常值去除, 累积异常值变化在剖面上的分布如图5图6

可以看到, 在Ⅰ — Ⅰ ’ 剖面上, 牛驼镇凸起上方出现连续的甲烷和氢气累积异常带, 尽管带宽大于凸起顶部与古近系不整合接触范围(可能与还原性气体沿不整合面横向扩散有关), 但较好地反映了地热水最有利的富集部位。Ⅱ — Ⅱ ’ 剖面上, 牛驼镇凸起上方、牛驼镇凸起西次级断裂上方分别出现连续的甲烷和氢气累积异常带, 分别反映了中新元古界雾迷山组基岩岩溶热储的存在, 以及牛驼镇西次级断裂的微渗漏通道作用。

图5 雄县地热田Ⅰ — Ⅰ ’ 剖面地质地表游离CH4、H2累积异常

图6 雄县地热田Ⅱ — Ⅱ ’ 剖面地质地表游离CH4、H2累积异常

3.2 土壤元素汞分布特征

试验区元素汞指标变异系数为1.0, 说明该区地球化学数据整体波动不大, 且汞含量均值低于中国土壤均值[21] (0.04× 10-6), 接近河北土壤均值(0.02× 10-6)(表1)。元素汞仅在廊坊— 固安凹陷中部出现个别异常(图7), 而与已知最有利的地热水富集区— — 牛驼镇凸起顶部符合程度较差。这主要是因为地层裂隙不发育, 松散沉积层尤其是黏土层太厚(雄县地热田第四系厚度为192~500 m[14] ), 阻止了深部地热流体的上涌并吸附了大量的微量元素, 使浅层土壤中的含量与背景值差异不大。据赵苏民等[12]研究, 汞异常在沉积盆地地热区反映不明显, 这是中低温沉积盆地地热田普遍存在的问题。在雄县地热田这样具有巨厚沉积层, 保存条件较好的沉积盆地型地热田, 用传统微量元素方法(含汞方法)圈定地热异常区难以取得令人满意的效果。

图7 雄县地热田Ⅰ — Ⅰ ’ 剖面汞含量

4 结论

1) 雄县地热田地球化学勘探试验表明, 壤中气甲烷、氢气是圈定雄县地热田地热最有利富集区的有效指标, 具有良好的应用效果, 是今后在沉积盆地型地热选区评价中值得推广的方法。

2) 雄县地热水和壤气中的高浓度甲烷主要是有机来源, 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。

3) 沉积盆地型地热田热储层上覆地层往往分布着巨厚的松散砂层和黏土层, 使地热流体的上涌程度受阻, 从而导致微量元素向浅表迁移受限, 使浅层土壤中的微量元素含量与背景值几乎没有差异。

4) 地热田伴生气体因为穿透力强, 易于运移到地表, 因此气体地球化学勘探技术是一种经济、快速、有效的地热勘查手段, 配合地质、地球物理勘探技术, 可以提高地热资源勘探开发的成功率。

The authors have declared that no competing interests exist.

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