冀中坳陷典型地热田前缘晕元素特征及其对地热学意义

2021-05-27陈功新邢林啸孙占学陈诗峰

有色金属（矿山部分） 2021年3期

苏航，陈功新，邢林啸，孙占学，岑丽，陈诗峰

(1．东华理工大学水资源与环境工程学院，南昌 330013；2．中国地质调查局水文地质环境地质研究所，石家庄 050061)

随着社会的发展，津京冀地区能源结构性矛盾日益凸显[1]。地热作为一种可再生的清洁能源，近年来已备受关注[2]。津京冀地区拥有丰富的地热资源，不但赋存条件较好，而且分布广泛、资源量大、易于开发[3-4]。合理开发利用地热资源对该地区的优化能源结构、减少雾霾、保障能源供应安全、促进地区经济社会发展等方面具有重要意义[5-6]。

土壤地球化学调查作为一种地球化学方法，在地热田前景区勘察、热异常区验证性研究方面具有重要意义[7]。As、Sb、Bi、Be、Hg等元素与岩浆运动密切相关，是地热水运动带来的组分，类似于热液金属矿床原生晕分带中的前缘晕组分，可以作为岩石、土壤、水系沉积物测量的重要指标，现普遍用于地热田异常调查[8-9]。Li元素是岩浆作用后期残留的产物，在地热水中的含量明显高于地表水，如新西兰热水中Li含量最高为22.3×10-6，北美热泉Li含量最高达到了25×10-6，可作为地热田远景区勘探的指标[10-11]。Rb作为岩浆运动后期的产物，在热泉中具有较高的含量，如西藏热泉中高达11.04×10-6，而且极易被带负电的胶体黏土矿物吸附，因此Rb的高衬度异常可以用于指示热田及断裂构造[10-11]。王卫星等[12]基于土壤元素As、Sb、Bi、Li、Be、Hg在天津地区6个地热田异常分布特征，预测了地热田地热异常区。

由于前人在研究时采样密度较低，深度较浅，得出的结论可能会遗漏重要信息。本次研究基于冀中坳陷北部深层土壤样品(5 m)中微量元素As、Sb、Bi、Be、Li、Hg、Rb的分布规律，结合前人研究成果，定性分析与地质构造、地热的关系，并结合相关研究成果，简析土壤中元素异常形成机理，为该地区地热勘探工作以及地热钻探靶区选取提供理论依据。

1 地质概况

本研究区主要位于京津冀地区中部的廊坊市固安县以及保定市涿州市、北京市大兴区的部分地区，大地构造位置为冀中坳陷北部区域(徐水—文安构造变换带以北)。冀中坳陷是发育在华北克拉通之上的一个中、新生代断陷-坳陷盆地，它北依燕山隆起，南抵邢衡隆起，西临太行山隆起，东至沧县隆起，呈NE—SW走向，面积约3.2×104km2[13]。冀中坳陷可划分为饶阳、霸县、廊固、束鹿、深县、晋县等12个凹陷及6个凸起，其中本研究区包括北京凹陷、大兴凸起、廊固凹陷、牛驼镇凸起和霸县凹陷。区域深大断裂主要有大兴断裂(F2)与牛东断裂(F9)以及构造带柳泉—曹家务构造带(F4-F6)(图1)。

图1 研究区地质构造与采样点分布图Fig.1 The distribution of the geologic structure and sampling points in the study area

本研究区全区均被第四系(Q)覆盖，厚度约为260～490 m，岩性以黏土、亚黏土、亚砂土、砂层为主，地层松散，孔隙较大，导热性差，是很好的隔热保温层，其下部黏性土单层厚度较大，形成与下部地层的隔水层，总体呈西北向东南凹陷区逐渐变厚的趋势[14]。其地层发育在太古界及下元古界变质岩结晶基底之上，沉积了元古宙、古生代、中生代和新生代地层[15-16]，其中蓟县—长城系(Jx-Ch)、奥陶—寒武系以及新近系明化镇组(Nm)、馆陶组(Ng)是研究区主要热储层。

在中朝准地台结晶底形成后，形成稳定的盖层发展阶段，由于各大断裂活动性的差异，使得本区经历多次上升、下降的过程，并接受多次沉积，长城系、奥陶系、寒武系热储层深埋于地层之下，自古近系以来逐渐摆脱古淋滤水的影响，形成封闭—半封闭的水文地质环境[17]。本研究区热结构模式以热传导为主，对流为辅，由于沉积层与基岩热导率分布的差异，深部热流更易向基岩埋深较浅的凸起区聚集，形成“热折射”现象，使得冀中坳陷的地温场表现为凹凸相间的带状分布，凸起区较高，凹陷区较低[16，18]。区内现今大地热流值介于51～69 mW/m2[13]。

2 样品采集与测试方法

3 测试结果统计与分析

3.1 参数统计

基于测试结果(表1)，分别统计了研究区内各样本参数，包括均值、均方差、变异系数、最大值、最小值以及背景值与异常下限、克拉克值与浓度克拉克值(表2)。

3.1.1 背景值与异常下限

计算背景值时，需先对样本数据进行正态性检验，判断是否服从正态分布或对数正态分布[19]。若样本服从正态分布或对数正态分布，可取样本算数平均值作为平均背景值，平均值加减2倍标准离差代表背景值的变化范围，平均值加2倍标准离差作为异常下限。若样品既不服从正态分布又服从对数正态分布时，可通过检验逐步剔除平均值加减2倍标准离差后数据是否满足正态分布或对数正态分布，剔除后数据的算数平均值作为样本背景值，平均值加减2倍标准离差代表背景值的变化范围，平均值加2倍标准离差作为异常下限[20]。若仍不满足，则采用中位值和绝对中位值差的稳健统计方法来估算该元素的背景或基准值，并以XMe±2MAD表示背景值的变化范围，XMe+2MAD作为其异常下限[21-22]。其中中位值和绝对中位值差的稳健统计方法可用以下公式计算：

XMe=x(n+1)/2，n为奇数……

(1)

XMe=(xn/2+x(n+1)/2)，n为偶数……

(2)

XMe=mediani(|xi+medianj(xj)|)……

上述时期在我院择期行局麻斜视手术患者120例,年龄18~50岁;既往无手术史,无严重脏器功能异常。均采用1%利多卡因进行局麻神经阻滞下手术。将我院2016年上半行成人斜视矫正手术中随机抽取60名患者做为对照组;在我院2016年下半年随机抽取60名成人斜视患者做为实验组,两组患者在年龄,性别文化程度方面比较无显著性差异。

(3)

其中xi、xj分别表示样本数据第i、j个元素；x(n+1)/2、xn/2分别表示样本数据经升序或降序排序后第(n+1)/2、n/2个元素；XMe表示样本数据中位数；MAD表示绝对中位值差。

利用K-S正态分析对As、Sb、Bi、Li、Be、Rb、Hg等元素正态性检验，检验结果汇总于表1。为保持检验结果的准确性，需满足接受检验的样本容量n大于100。K-S正态检验时，若显著性参数sig>0.05，则表示假设检验成立，接受原假设，该组数据服从正态分布，否则原假设不接受。据结果，As、Bi、Li、Rb符合正态分布或对数正态分布，背景值取元素的均值；Be、Sb、Hg不符合正态分布或对数正态分布，须对数据以均值加2倍均方差剔除后再次检验。二次检验结果显示，只有Be符合，取剔除后的均值为背景值，剩余Sb、Hg则利用中位值和绝对中位值差的稳健统计方法计算背景值。

表1 K-S正态性检验结果统计表

异常下限的计算方法较多，有传统迭代法、累计频率法、多重分形法等[23]。本次采用传统迭代法，以背景值加上n倍均方差作为异常下限，其中n一般取2～4，本次研究取2。背景值与异常下限计算结果汇总于表2。

表2 前缘晕元素参数统计表

3.1.2 浓度克拉克值

浓度克拉克值指某元素在某地质体中的平均含量与克拉克值的比值，以表示该元素在一定的矿床、岩体或矿物内富集程度。当浓度克拉克值大于1时，说明该元素在该地质体中比在地壳中相对集中；小于1时，则意味着较分散。本次研究前缘晕元素浓度克拉克值结果汇总于表2中，其中克拉克值取华北地台地壳元素丰度。由表2可知，As、Bi、Be、Li、Rb、Sb、Hg浓度克拉克值均大于1，其中As、Sb最大，达到了7.59、6.94，说明这些元素在研究区内富集程度较好。

3.2 相关性分析

针对前缘晕元素含量的Pearson相关性分析，旨在研究各元素间的相关性关系，以进一步讨论元素含量及其空间分布关系。表3展示了分析后各元素之间的 Pearson相关性系数。一般情况下，Pearson相关系数绝对值|r| ≥0.8时，可视为高度相关；0.5≤ |r| <0.8时，可视为中度相关；0.3≤ |r| <0.5时，可视为低度相关；|r| <0.3时，说明两个变量之间线性相关性较弱，可视为非线性相关[25]。

如表3所示，Hg与其余6种元素的相关性较弱，呈非线性相关；剩余元素在0.01置信水平上均表现出较强的相关性。Li与As、Be、Bi、Rb，Rb与Be、Bi，Be与Bi均表现出高度相关，其中Li与Bi相关性系数高达0.967；其余元素间均表现出中度相关，其中最低的Rb与Sb相关系数也有0.576。

表3 Pearson相关性系数矩阵表

综上所述，As、Sb、Bi、Li、Be、Rb作为岩浆运动的伴生元素，具有显著的相关性，说明这些元素具有相似的来源；Hg与其余元素相关性较差，可能是由于Hg在土壤中具有极易挥发、易扩散性质，受大气辐射、浅层地温场以及人为活动等因素影响较大。

4 前缘晕元素分布特征

4.1 前缘晕元素长剖面特征

长剖面GA01距离长，跨度大，可涵盖区域内所有地质构造，代表性较好。图2展示了As、Sb、Bi、Li、Be、Rb、Hg元素长剖面与大兴凸起—霸县凹陷典型地质剖面解释图的对照结果。剖面图按构造单元分为五个区域，分别为Ⅰ北京凹陷、Ⅱ大兴凸起、Ⅲ廊固凹陷、Ⅳ牛驼镇凸起、Ⅴ霸县凹陷，并依据图1中的构造对应位置标出推测断层。大兴凸起—霸县凹陷典型地震剖面解释图可基本反映与长剖面GA01处地层以及构造情况，然而由于二者在位置上的差异，导致部分隐伏断层与实际位置相比也略有偏差，本次研究以图中标出的推测断层为准。

如图2所示，As、Sb、Bi、Li、Be、Rb、Hg这7种元素除Hg外在分布和趋势上具有较高的一致性，与相关性分析结果较为一致，总体表现为在大兴凸起和牛驼镇凸起元素含量波动较凹陷区明显，凹陷区元素含量变化较小，推测元素含量分布与盖层厚度存在一定关系，盖层厚的地段元素变化较小。元素含量峰值与断裂的分布有较好的相似性。在Ⅰ北京凹陷与Ⅱ大兴凸起交接的南苑—通县断裂(F1)处，除了As元素峰值较低，Hg元素略微偏移外，所有元素均出现异常值，且与断层匹配较好；在Ⅱ大兴凸起与Ⅲ廊固凹陷交接的大兴断裂(F2)处，除了As元素不明显外，剩余元素均出现高值或异常值，均属于双峰异常；在Ⅲ廊固凹陷内部有柳泉—曹家务构造带及旧州断裂(F5—F7)，Hg元素对构造带反应较差，未出现异常区域，而其余各元素对构造带反应强烈，均出现不同程度的异常峰值；在Ⅲ廊固凹陷与Ⅳ牛驼镇凸起交接的牛驼镇北断层(F8)处，所有元素均出现高值区域，而Hg元素在该处未出现异常区域，甚至处于下降的趋势；在Ⅳ牛驼镇凸起与Ⅴ霸县凹陷交接的牛东断裂(F10)处，所有元素与断层分布一致，在Ⅴ霸县凹陷处出现异常，推测是牛东断层的伴生断层(F11)引起的。

图2 元素剖面与大兴凸起—霸县凹陷地震剖面解释图(地质剖面修改自庞玉茂[26])Fig.2 Element profile and interpretation diagram of seismic profile towards Daxing Uplift-Baxian Sag(Geological profile modified from PANG Yumao[26])

4.2 前缘晕元素平面分布特征

基于克里金插值法对元素进行全样本插值，并绘制元素等值线图。其中大于异常下限的区域用黑色表示，小于背景值范围以白色表示，背景值至异常下限区域以样本点值逐渐降低的原则用深灰—灰—浅灰的渐变色来表示。

图3列举了As、Sb、Bi、Li、Be、Rb、Hg等值线图。由图可知，Hg元素与其余6种元素分布差异较大，与构造位置匹配总体较差，其异常区域主要集中于北部的南苑—通县断裂(F1)附近，异常峰值较大，还与牛东断层(F10)与推测构造F3存在一定相关性。As、Sb、Bi、Li、Be、Rb元素间相关性较好，其平面分布具有较高的一致性，在南苑—通县断层(F1)、断层(F5-F8)以及牛驼镇北断层(F8、F12)、牛东断层(F10)及其伴生断层(F12)处均出现不同程度的异常或高值区域，基本位于断层上方，其中以As、Bi、Li元素最为明显，在大兴断层(F2)与推测断层F3附近含量总体偏低，但其高值的分布与断层的走向也具有较好的一致性。

图3 前缘晕元素分布等值线图Fig.3 Contour map of the front halo elements

为更直观更系统地归纳其空间分布规律及异常区域分布特征，可将原数据按元素归一化处理后再以采样点求均值得到新元素叠加值。其中归一化处理公式如下：

(4)

式中：x′—归一化处理后的结果；xi—第i个数据点；xmax—数据最大值；xmin—数据最小值。

将处理后元素叠加点绘制的等值线图(图4)对照元素异常区域分布(图5)可知：南部牛驼镇凸起区元素平均含量明显高于北部大兴凸起区；在地理位置上，其异常位置(颜色较深)主要出现在码头镇、马庄镇、礼让店乡与辛立庄乡附近以及牛驼镇四周，对比已知断层或构造走向可知，元素的异常位置主要位于南苑—通县断层(F1)与牛东断层(F10)等断裂带之上，此处可成为地热勘探的重点勘察对象；元素等值线分布趋势表明，等值线高值区大多位于断层之上，除了图中中部区，因没设采样外，固安与牛驼两区，元素高值显示的连线，与断层走向高度一致，其中Bi、As和Li等元素特别明显，与大兴断裂(F1)、牛东断裂(F10)、牛驼镇北断裂(F8、F12)走向显著相关；等值线较低值区主要集中在大型构造分布或位于断层与断层之间的地段，如礼让店乡等。

图4 前缘晕元素归一叠加处理后等值线图Fig.4 Contour map of the front halo elements after normalized superposition treatment

图5 前缘晕元素异常区域分布Fig.5 Distribution of anomaly area of the front halo elements

5 讨论

5.1 元素异常富集机理

地热田中元素异常富集现象形成比较复杂，主要来自于岩浆运动的组分以及因地热水加剧的水—岩交换的产物。在深循环作用下，岩浆中某些组分会释放至热水中，使水中富含岩浆元素成分，而且某些活动能力较强的元素，在有利环境下，可迁移至地表形成异常，成为地热田勘探的重要指标。基于研究区内已有的基岩热水地球化学以及深大断裂系统或控热构造资料，简述研究区近地表元素异常富集机理。

5.1.1 基岩热水地球化学

地热流体地球化学通常能反映热水赋存状态及与深部热岩的联系，从而反映出地热田中部分信息。本研究区属于研究区封闭—半封闭水文地质环境，可为基岩地热水提供良好的赋存条件与迁移通道。以研究区南部牛驼镇凸起区基岩地热水为例，蓟县—长城系(Jx-Ch)基岩热储岩性以海相白云岩或灰岩为主，中部夹泥质白云岩，水化学类型为Na-Cl型，矿化度为1～3 g/L，其溶蚀孔、洞发育，储层平均孔隙度约为6.44%，是赋存条件最好的热储层[14]。牛驼镇地热田基岩地下水基岩热水是现代降水和古降水的混合水，年龄约为1.0～3.4万a，且有自西向东和东南、自北向南逐渐变老的趋势，主要受外侧太行山侧向补给，地下水运移速度较慢，属于半封闭和封闭水[27-28]。据研究表明，3He/4He约为0.38～0.60 RA，明显大于大陆地壳平均含量(0.01 RA)，其中3He主要来自地幔，4He主要来自U、Th的放射性衰变[29]，推测该处热水存在深部热循环，同时携带岩浆组分元素如As、Sb、Bi、Li等至热水中，而且长城系地热水中Li含量有2.82×10-6，明显大于海水(0.17×10-6)[17]；蓟县系雾迷山组中As含量为2.81×10-6，高于当地浅部馆陶组(Ng)含量(1.11×10-6)[30]。

5.1.2 断裂带与构造

由于高渗透性深大断裂或控热构造及其潜山带与沉积盖层不整合接触面的存在，地壳深部热量可以水为载体传送至浅层地表，并携带伴生元素如As、Sb、Bi等迁移至浅层圈闭或储层甚至近地表中，并稳定吸附在土壤及黏土质矿物中，形成异常分带。因此断层的活动性越强，断面破碎带渗透性越好，越有利于深部元素迁移至浅层。根据前文实测的土壤前缘晕元素分布特征，其异常高值基本分布在断裂或深大断裂系统正上方或附近，也印证了断层构造与在深部热交换中的作用，其中大兴断裂(F2)与牛东断裂(F10)作为两大深大断裂系统，是研究区内较典型的控热构造。

1)大兴断裂(F2)：大兴断裂是研究区北部主要控制性大断裂，剖面上呈现上陡下缓的犁式产状，控制着廊固凹陷的发育，具有明显的分带性，各段活动性具有明显的差异[31]，本研究区位于大兴断裂南段。大兴断裂在孔店期与沙四期活动强烈，落差最大可达5 000 m，此后断裂活动性逐渐减弱，且地层中不发育滚动背斜，缺乏扇砾岩，具有明显后期改造现象，推测到新近纪该断裂基本停止活动[32-33]。在实际勘探中，大兴凸起表现为低地温的特点，1 000 m深度的温度小于30℃，可能是该处沉积盖层较薄，部分地区与基岩裸露区相当，保温能力较差，热量易散失[17]。正如前缘晕元素分布所示(图4、图5)，北部大兴凸起区深层土壤中元素含量明显低于南部，且存在自西向东逐渐递减的趋势，可能是由于断层活动性较弱、缺少高渗透性通道以及较低的地温等原因，深部元素难以联系浅部地层所致。

2)牛东断裂(F10)：牛东断裂是南部牛驼镇凸起区东部的边界断裂，是研究区内重要的控热构造，控制着霸县凹陷的发育，亦具有明显的分带性，可分为北、中、南三段[33-34]，本研究区位于其北段。据浅层地震反射勘探显示，尽管牛东断裂自古近系以来活动逐渐减弱，但在第四系仍在活动[35]。该断层附近分布有牛驼镇地热田，由于盖层厚度与隆起幅度适当，保温能力较好，其基底白云岩与灰岩具有较高的热导率，聚热条件较好，地温梯度可达到5～6 ℃/100 m[16-17]。正是其较好的地热赋存条件及活动性深大断裂，为深部地热水提供较好的迁移环境，As、Sb、Bi等伴生元素更易通过断裂带与其沉积层不整合接触面释放至浅层，因此元素与该断裂及其伴生断裂(F11)匹配性较好，存在明显的异常高值区域，基本位于断层正上方(图4、图5)。

南苑—通县断层(F1)为北京凹陷和大兴凸起的分界，该处前缘晕元素均出现异常区域，且峰值较大，可能与北京凹陷内大兴凤和营地热田分布有关，但目前该处相关资料较少，需进一步研究。

5.1.3 元素异常富集模式

研究区热田元素异常富集模式可归纳为：地下水主要是太行山的大气降水与古降水的混合水，运移速度缓慢，深部碳酸盐地层经过长年累月的多期溶蚀，容易形成多孔溶蚀带，其基岩岩性以白云岩与灰岩为主，热导率较高，地下水易受深部地幔热传导作用持续加热，深大断裂系统如牛东断裂作为构造应力释放区会产生大量的裂缝带，成为热水上涌与深循环作用的通道[36](见图6)。深部岩浆组分等可通过深循环作用迁移至热储，其中较为活泼的组分则会以水为载体通过断层裂缝以及不整合接触带迁移至浅层甚至近地表，吸附在土壤以及黏土矿物中，形成异常富集现象，为地热田勘探提供理论依据。

图6 元素异常富集模式图Fig.6 Anomalies enrichment pattern of elements

5.2 地热田预测

地热资源开发利用潜力与地热田热储分布、规模以及发育程度有关。研究区内热储层明化镇组(Nm)由于过度开采导致地面沉降问题严重，且对环境也造成一定影响，目前河北省已禁止该储层地热资源的开发利用，区内新近系馆陶组缺失，在牛驼镇凸起东南部才开始少量沉积。现今牛驼镇地热田主要开发利用深部碳酸盐岩热储—蓟县系雾迷山组(Jxw)，该储层分布较广，开发潜力巨大。前缘晕元素As、Sb、Bi、Li、Be、Rb、Hg异常区域主要出现在码头镇、马庄镇、礼让店乡与辛立庄乡附近以及牛驼镇四周，基本位于南苑—通县断裂、牛驼镇北断层以及牛东断裂正上方或潜山带，部分区域异常值较高，结合研究区元素异常富集机理以及“坳中找凸，凹中找潜山”的原则，可以考虑在这些区域附近寻找新的地热异常区。