北京市和周边的天津市及河北省基岩区分布范围约12万km²,区域地热地质条件十分有利,由于勘查程度相对滞后,使其潜在资源的开发利用规模受到严重制约。因此,利用有效方法对地热资源有利区进行区划,对指导其有序的勘查规划和扩大开发利用规模有着重要的意义。

地球化学方法是一种经济、快速和有效的地热普查和评价手段,可为研究热储成因有关问题提供重要信息。笔者根据1:20万水系沉积物地球化学资料,对京津冀地热产区地球化学特征进行研究,讨论区域地球化学勘查资料在地热异常区圈定中的应用价值。

1982年以来,地质矿产部物化探所通过对全国20多个地区不同类型地热田的实验研究,发现Hg、As、Sb、Bi地球化学异常可以作为地热勘查的地球化学指标^[1-2]。1988年,郑亚新、章铭陶等报道了云南高温热海热田土壤中的Li、Rb可用于圈定热田范围^[3]。1990年,朱立新、朱炳球研究了西藏羊八井高温地热田及毗邻区90 km²范围内1:1万土壤测量样品中碱金属地球化学分布特征,结果表明,Li、Rb、Cs可以作为新的地球化学指标用于热田勘查,圈定热田范围,其作用与Hg、As、Sb和Bi浅海相指标类似^[4]。2011年,江西省地质调查院通过鄱阳湖及周边经济区1:25万多目标地球化学调查资料,综合分析与地热有关的特征指示元素异常或高背景的区域分布规律,结合区内地形、地貌、岩相古地理条件及断裂带、地震带、温泉带的展布规律,认为区内具有一定的寻找地热资源的潜力,根据地热场相关指示元素C、S、N、P、As、Sb、Hg、F、Cl、Br、Ba、Pb、Zn等的空间分布,以及生储热地层构造的空间展布特征,以区域深层土壤测量成果为依据,共圈定出14处与地热有关的异常,初步分析与研究发现:① 区内指示地热异常的元素主要为As、Sb、Hg、Ba、Br、S、Cl,其次为F、I、B、Mn等;② 地热地球化学异常大多数元素呈面型低缓异常或高背景,浓度分带一般不明显;③ 地热异常的分布与断裂构造吻合较高;④ 煤系地层、火山岩分布区是明显的产热优势区^[5]。2011年,陕西省地质调查院根据西安地区多目标地球化学调查资料,发现在长安东大地第四纪地热分布区,深层土壤B、Be、As、Sb含量高于表层土壤,其异常与已知地热田空间对应关系较好,反映了地热田分布的规律性。在西安、咸阳、临潼、蓝田汤峪新近纪地热田分布区,深层土壤B含量高于表层土壤,深层土壤B异常与已知地热田空间关系较好,揭示了地热田的分布特征,据此对未知地热田进行了预测^[6]。

研究资料表明,地热地球化学异常元素随热流体以气体搬运的方式穿透覆盖在其上的沉积岩或火山岩层,上升至地表的后期运积物或风化物盖层中,形成异常现象。其形成机理是地下深部存在上升的气体流,当气体流通过地热田时会将部分与地热有关的元素和伴生元素的活动态部分(离子、胶体、超微细亚纳米和纳米颗粒)带到地表,其中一部分与地热地球化学异常有关的元素保留在土壤孔隙气体中,另一部分在地表被各种次生可溶盐类、黏土、氧化物、有机物或胶体物质所捕获。由于元素和气体一起迁移,且有沿微型通道垂直迁移的特点,从而形成顶部地热地球化学异常。

地热田异常分布模式与元素存在形式:热田勘查实践表明,地热田存在着多元素地球化学异常,异常元素在空间分布上具有明显规律。总体上存在两组元素:一组与热流体密切相关,如Hg、As、Sb、Bi、Li、Rb、Cs、Au、Be、B等,分布在热田上方,是热田勘查的直接指标;另一组分布在热田两侧或外围,如Cu、Pb、Zn、Mn、Ni、Co等。通常热田的温度越高,这种分带模式越明显。地热田类似于低温热液矿床,其异常元素相关关系明显,内带元素相关性较好。

除分布模式外,指示元素的存在形式对地热田资源调查野外工作方法设计和异常解释也有重要意义。通过对西藏、云南、北京等热田土壤样品热释汞的研究发现,汞有3种存在形式:吸附态(80~100 ℃)、氯化汞(100~260 ℃)和硫化汞(270~330 ℃)。大多数地热田上,土壤汞以吸附形式存在^[7]。

地球内部蕴藏着巨大的热能,深部热能一般通过2种方式向地表传播,一种是通过不同岩层以热传导形式向地表传播,另一种是通过深大断裂及与之沟通的次级断裂,以水为载体形成深循环对流形式将深部热量传递到浅表。前者与热源深度和地质体的热导率有关,而后者密切相关于断裂构造体系的规模,其热流体深循环更易于将指示元素搬运至地表而形成异常。

京津冀地区是以地下热水为主的水热型地热异常分布区,分布于山区的50多个带状或脉状热水异常区以温泉或热泉出露于地表,主要为25 ℃至80~90 ℃的中低温地热异常。燕山—太行山山区所发现的温泉与热泉的热储层多为岩浆岩、片麻岩、断裂破碎带及裂隙发育带,呈脉状或带状分布,局部为沉积岩的层状裂隙,一般为弱透水盖层,在地下热水通过深部断裂循环而上涌出地表时,形成开放型热储。

燕山山地中低温地热区地下热水露头主要分布在燕山期岩浆岩接触带和次一级NE向活动断裂附近。赤城—滦平—平泉一线以北属于EW向隆起带,地下热水活动与NW向、NE向、NNE向和近EW向4组断裂构造有关,其交汇复合部位呈现出地下热水温度从西往东逐渐增高的趋势。该线以南为EW向沉降带,地下热水温度均低于60 ℃。太行山山地受燕山运动影响,发育了NW向和NNE向两组断裂,后期又经伟晶岩脉的穿插,沟通了深循环的地下热水,热水多出露在太古宙变质岩和中—新元古界白云质灰岩、燕山期岩浆岩接触带^[8,9]。

地热田代表一定温度条件下的化学系统,其化学特征是该系统的液体相(水、汽)与周围固体相(围岩)之间最终到达平衡状态的反映,可以利用地球化学资料中的某些指标圈定地热田的范围、指示地下热流体的温度、分析热流体中化学元素的来源、确定水化学类型、预测深部热储构造的物理化学环境等^[10]。地热田可以划分出火山岩区、侵入岩区、变质岩区和沉积岩区4类地质背景,其热水温度以火山岩区最高(55.9 ℃),其次为侵入岩区(53.9 ℃),再次为变质岩区(51.4 ℃),最低为沉积岩区(33.9 ℃)。

根据京津冀地热区1:20万水系沉积物地球化学测量成果及35处地热田的分析,已知地热田所在区域多有不同元素的较明显的地球化学异常存在(表1)。从表2,表3中可知,不同地质背景地热产地的地球化学特征不同,As、Sb、Bi、Hg、F、Li、Sn、U、Th等的低缓异常对不同地质背景的地热区可能具有相应指示作用,指示元素分别为:火山岩区Li-F-As-U,侵入岩区Sn-Bi-Li-Th-As,变质岩区F-Th,沉积岩区Hg-Li-As-U。

从区内典型地热泉地球化学异常剖析图(图1)可见,As、Be、Bi、B、F、Mo、Hg、U、Th等对地热泉点有一定指示作用,它们多分布于地热泉一侧面,分带明显,套合较好,可能指示地热源区内的空间位置。

根据相关分析,在地热水温度T(℃)与水系沉积物元素含量之间可建立回归方程:

T(℃)=485148x+46.9, x=(C_Mo×C_Ag× CNa2O×C_La×C_Bi)/(C_Co×C_P×C_B×C_MgO×C_CaO), γ=0.4832,n=38,其中γ为相关系数,n为样本数。

根据元素地球化学性质,碱性岩浆热液活动和钼、银成矿作用伴生产物为产热、导热岩层,而变质岩、沉积岩为隔热层。

根据指示元素地球化学异常组合分布,本区基岩区共圈定地热(含干热岩)远景区50处,这些远景区呈现NE、NW和EW向展布,与深大断裂、燕山期中基性岩浆岩分布关系密切,同时与平原区地热异常区分布规律协调一致(图2)。区内主要远景区划的地球化学异常组合及地质特征如下。

16~25号远景区主要分布于沉积岩分布区,为As-Sb-Bi-Hg-F-Li-Sn-U-Th异常组合,规模在375~2 600 km²之间。远景区多处在NE向、NW向、近SN向、近EW向断裂构造发育地带,其中17号远景区处在八步沟门单元, 双栅子单元和陈家庄单元的侵入岩分布区,规模为2 600 km²,NE、NW向断裂构造发育,有已知丰1(76 ℃)、丰2(60 ℃)、洪汤寺(60 ℃)、塘子营(68.5 ℃)4处温泉;22号远景区处于南大山单元、蛇盘兔单元、白家店单元、程子沟单元、汤家窝铺单元、三座店单元的沉积岩、侵入岩分布区,规模为2 400 km²,NW、NE向断裂发育,有已知青1(28 ℃)、八道河(63 ℃)、汤杖子(39 ℃)共3处温泉;23号远景区处于双栅子单元、后梆子沟单元分布区,NE向断裂发育,有已知黑山窑(38 ℃)、大泥河(48.5 ℃)共2处温泉;24号远景区处于髫髻山组大黄峪单元、高尔沟单元、榆树林单元、三道沟单元的火山岩和侵入岩分布区,规模为768 km²,NE向断裂发育,有已知涿1(44.5 ℃)温泉1处;25号远景区为大黄峪单元、榆树林单元分布区,NW向、NE向断裂发育,有已知涞1(31 ℃)、阜1(60 ℃)、阜6(30 ℃)、阜5(56 ℃)等6处温泉出露。

26~36号远景区均为As-Sb-Bi-Hg-F-Li-U异常组合,规模在250~1 800 km²之间,其中,29、36号远景区为新太古代角闪斜长片麻岩变质岩区,27、34号远景区为侵入岩区,32号远景区为长城系沉积岩分布区,有EW向喜峰口深大断裂通过。远景区内NW向、NE向、近SN向断裂构造发育。31号远景区规模为1 000 km²,为大北沟组火山岩、粗安岩分布区,NE向断裂发育,有已知马营滦2(27 ℃)、古北口滦2(27 ℃)2处温泉分布;33号远景区为张家口组、大北沟组、义县组火山岩分布区,NW、NE向断裂发育,规模为1 800 km²,有已知围2(29 ℃)、隆(78 ℃)、汤池子(90 ℃)温泉3处;36号远景区为新太古代变质花岗岩、长城系、寒武—奥陶系沉积岩分布区,NE向断裂发育,规模为495 km²,有已知沙1(51 ℃)温泉出露。

3~8号远景区均为As-Bi-Hg-F异常组合,规模在240~480 km²之间。4、5、8号远景区为侵入岩区,7号远景区为变质岩区,3、6号远景区为火山岩分布区。NEE、近SN、NW、近EW向断裂构造发育。其中,6号远景区为火山岩分布,NW向断裂发育,规模在260 km²,其内有已知热水汤(70.4 ℃)温泉1处。

37~40号远景区均为As-Sb-Bi-Hg-F-U-Th异常组合,除38号远景区内有侵入岩分布外,其余均处在火山岩分布区,规模在550~1 250 km²之间。其中37号远景区内为火山岩大北沟组、义县组分布区,NW向断裂及燕山期火山机构发育,有已知隆3(36 ℃)温泉1处;39号远景区为程子沟单元侵入岩分布区和义县组火山岩 分布区,EW向深大断裂发育,有已知隆8(64 ℃)、七家(90 ℃)、前庙(42 ℃)等3处温泉。

41~43号远景区均为As-Sb-Bi-Hg-Li-Sn-U-Th异常组合,均为火山岩分布区,NE向断裂构造及燕山期火山机构发育,规模在450~1 100 km²。

2号远景区:有As异常,远景区规模460 km²,为髫髻山组火山岩、侏罗系中统侵入岩和松散堆积物分布区,NE向断裂发育,有已知莲花池(20 ℃)、卜南堡(38 ℃)、暖泉(19.5 ℃)共3处温泉及热异常出露。11号远景区:有As-Li-Hg-Sn组合异常,远景区规模420 km²,为沉积岩高于庄组、雾迷山组分布区,NE向断裂发育,已知易1(28.0 ℃)、满1(29.0 ℃)2处温泉出露。12远景区:有As-Sb-Bi-F-U-Th组合异常,远景区规模650 km²,为沙厂单元、石盘口单元侵入岩分布区,赵杖子单元火山岩分布区和次火山岩潜石英正长斑岩分布区,ES向深大断裂发育,有已知68 ℃温泉1处。47远景区:有As-Sn-U-Th组合异常,远景区规模500 km²,为沉积岩和侵入岩分布区,NE向断裂发育,内有已知阳原城关(20 ℃)热异常和澡洗塘(42 ℃)温泉各1处。

综上,根据区域地球化学异常相关指示元素划分的50处基岩区地热资源远景区,有15处远景区内含有至少1处已知热泉,所规划远景区均具有相同或相近的地球化学异常特征及地质特征,具有有利地热地质条件。区划成果显示,远景区的分布与深大断裂、构造岩浆岩带等地质要素大致吻合,成群、成带、规模较大的特征明显,说明京津冀基岩区存在可观的地热资源潜力前景。

划定的50个远景区尚未进行过系统的综合勘查工作,但其中的6个远景区局部勘查成果均可说明区划远景区具有形成地热资源的有利条件和资源潜力。

1) 15号远景区天津蓟县盘山一带:北小屯地热异常区,由井温调查圈定热异常面积约5 km²,验证井深812.7 m,出水量73.66 t/h,井口温度41 ℃;蓟县城关地热异常区,井温调查圈定热异常面积约15 km²,验证孔深2 086 m,水温40 ℃,单井涌水量1 776 m³/d。

2) 19号远景区张北县城—小二台一带:常温层温度小于6 ℃,在100 km²调查区圈定热异常8处,总面积为29.4 km²。其中,三普加气站50 m深度水温为36.3 ℃,李元村24 m深度水温为17.5 ℃。在县城西部的海子洼通过物探勘查定井,钻探深度1 800 m,出水温度44 ℃,出水量20 t/h。

3) 29号、40号远景区尚义县:在大营盘西平庄村井温调查中民用水井发现25 ℃热异常(约20 m深)。

4) 16号远景区沽原县西部九连城一带:井温测量50 km²,常温层小于6 ℃(20 m深度),圈定峰值大于10 ℃的明显地热异常2处,面积分别为1.5 km²和2.5 km²,指示了深部热储的存在。

5) 38号远景区沽原县莲花滩乡茂盛沟,发现水温为16 ℃的明显异常(常温层为5.5 ℃左右)。经CSAMT测量,热异常对应深部较大规模断裂构造,显示了构造裂隙型热储的特征。

上述热异常区均位于地球化学指示元素异常圈定的基岩区地热资源远景区内,说明地球化学指示元素异常对基岩区热储的勘查规划具有指导意义。

通过本次京津冀地区地热资源调查研究,笔者总结出了几点地热资源的勘查要点。基岩区的地热资源勘查应首先对选区的地质及物化探等基础资料进行综合分析,对构造裂隙型或山间盆地型的地热地质条件做出判断,制定有针对性的勘查技术方案,对潜在资源进行有序勘查。调查阶段应以专项地热地质调查、综合物化探勘查等手段,查明热异常分布及深部地质结构、断裂构造、隐伏岩体等地热地质条件,按源、通、盖、储四要素推测深部热储富集区(带),划定重点勘查区;重点勘查区勘查主要以确定潜在热储构造(构造裂隙型)或热储层(山间盆地型)的分布范围和埋藏深度为目标。选择综合方法的同时,侧重运用电磁法等较大勘探深度的物探方法,对深部控热和储热地质构造(层)做出判断;根据勘查成果,通过有利位置的钻探勘查验证,为热储资源潜力初步评价和进一步的勘查规划提供依据。