土壤氡氣測量技術在西藏谷露地熱田資源勘查中的應用

吳儒杰，孫國強，萬漢平，謝迎春，趙丹，王宗滿，李玲，李斌

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029；2.中核集團地熱勘查技術研究中心，北京 100029；3.中核坤華能源發(fā)展有限公司，浙江 杭州 311101）

長期以來土壤氡氣測量技術在鈾礦勘查、隱伏斷層探測及地熱資源勘查中得到了廣泛應用并取得了良好的效果［1-3］。前人研究表明，地殼中廣泛存在的氡氣主要是由巖石（地層）中的鈾、釷元素衰變產(chǎn)生的，由于斷裂構造對巖層的破壞，一方面使巖石（地層）的射氣性增強，局部地段由原來所處的封閉狀態(tài)變成非封閉狀態(tài)；另一方面斷裂帶內(nèi)地層破碎、滲透性強的特性能夠使其成為氡氣聚集和運移的良好通道，氡經(jīng)過擴散、對流、抽吸、氣體壓力、泵吸、接力傳遞和地熱溫差等作用遷移到地表，在相應斷裂帶上方常表現(xiàn)為土壤氡濃度正異常；土壤氡異常位置能大致反映出隱伏斷裂帶在地表的出露位置，土壤氡氣異常與背景值之間的差值反映了斷裂活動強度，異常值高于背景值越多，斷裂活動性越強［4-6］。

谷露地熱田位于谷露盆地中部，盆地內(nèi)地熱資源豐富，分布有董翁、谷露和敏曲果3個地熱田。自1985 年以來，西藏地質(zhì)礦產(chǎn)局地熱地質(zhì)大隊等先后多次對谷露地熱田進行了地熱資源調(diào)查，初步查明了地球物理特征和水熱蝕變特征，圈定了熱儲范圍。調(diào)查結果表明，谷露地熱田主要受斷裂構造控制，淺部屬第四系熱儲，深部為基巖裂隙型熱儲［7］。由于斷裂構造在研究區(qū)內(nèi)隱伏于第四系地層之下，本文通過對研究區(qū)土壤氡異常特征的分析來判定隱伏斷裂的位置和走向，評價其活動性，為谷露地熱田的開發(fā)利用提供基礎資料。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

谷露盆地呈NE10°走向，寬6～8 km，長50～60 km，是近SN 或NNE 向九子拉—桑雄斷裂構造在上新世至早更新世強烈活動形成的地塹型裂谷盆地［8］，研究區(qū)位于谷露盆地中部，處于近SN 或NNE 向九子拉—桑雄斷裂構造帶內(nèi)（圖1）。主要出露地層有中侏羅統(tǒng)馬里組（J2m）和第四系（Q）。馬里組（J2m）以砂巖、灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖與灰?guī)r互層產(chǎn)出于研究區(qū)西南部；第四系（Q）出露范圍較廣，以砂礫石堆積為主，依據(jù)其成因特征可分為沖洪積物、冰水堆積物、殘坡積物、沼澤堆積物和泉華。巖漿巖主要分布在研究區(qū)西側，主要為花崗斑巖和花崗閃長巖，其中花崗閃長巖沿NW、NE 向侵入中侏羅統(tǒng)馬里組地層；花崗斑巖呈脈狀或巖株狀沿SN、EW 向侵入花崗閃長巖之中［9］。

圖1 谷露盆地地質(zhì)構造簡圖Fig.1 Geological structure sketch of Gulu basin

研究區(qū)斷裂構造發(fā)育，谷露地熱田構造格架主要由近SN向、NE向、EW向和NW向斷裂組成。其中近SN 向的盆地西緣斷裂屬九子拉—桑雄斷裂帶的主要組成部分，由多條平行斷裂組成，自谷露盆地西南端年波開始向北經(jīng)甲赤崗、嘎果窮果、過龍孔瑪，向北一直延伸至帕里馬西側，全長約50 km，是典型的右旋走滑斷裂和正斷層組合而成的復合型張扭性斷裂帶，其形成時間早，規(guī)模大、切割深，具有多期活動的特性，伴隨了整個谷露盆地的形成與演化，直接控制了谷露地熱田的形成和熱泉出露［10-13］。EW 向和NE 向斷裂野外地質(zhì)特征不明顯，是根據(jù)地貌特征及前人物探綜合資料分析推測的隱伏斷裂。NW 向斷裂僅出露于西南部花崗閃長巖中。

2 土壤氡氣測量方法

測量儀器使用核工業(yè)北京地質(zhì)研究院生產(chǎn)的FD-216 環(huán)境氡測量儀，該儀器是一種瞬時測氡儀器，具有探測精度高、穩(wěn)定性好、輕便快捷、可現(xiàn)場獲得測量結果等優(yōu)點。野外測量具體操作是在距離測量點±10%點距范圍內(nèi)的適宜位置使用鋼釬打一個深度70 cm 的抽氣孔，將鋼釬快速拔出后迅速將土壤取氣探桿插入孔中，并及時將取氣探桿上部錐體周圍土壤踏實，防止空氣竄入稀釋土壤氡濃度，連接好測氡儀后進行測量；測量時確保儀器密封系統(tǒng)良好，抽、排氣通道暢通。

測線基本垂直，推測主斷裂構造沿東西方向布設，采用100 m×50 m 測網(wǎng)共布設29 條測線，自南向北依次為L1～L29，測線長度均為3.4 km（圖2），共采集1 980 組數(shù)據(jù)；為避免隨機誤差影響測量結果，實際測量過程中對于突變高值異常點依據(jù)“三不同”原則均進行了重復測量，確保了原始數(shù)據(jù)的可靠性。

圖2 研究區(qū)地質(zhì)及測線部署圖Fig.2 Geological sketch and measurement line layout in the study area

3 數(shù)據(jù)處理

土壤氡濃度不僅受巖性、斷裂構造和地層結構的影響，同時還與表層堆積物的物質(zhì)來源和覆蓋層的滲透性有密切關系，是上述因素的綜合反映［14］。土壤氡氣測量數(shù)據(jù)處理是基于實測土壤氡濃度數(shù)據(jù)的一種數(shù)理統(tǒng)計方法，當研究區(qū)不同巖性地層土壤氡背景值差異較大時，整體分析評價易造成部分異常信息的減弱甚至掩蓋尖滅，因此劃分不同地質(zhì)子區(qū)分別提取異常信息后綜合分析是十分必要的。

采用“迭代剔除法”進行異常點剔除，剔除限設定為“平均值±3×均方差”，經(jīng)迭代剔除后剩余土壤氡濃度數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布；各子區(qū)剩余測量值的平均值作為該子區(qū)土壤氡背景值，氡異常下限為背景值與均方差二者之和。由表1 可見，各子區(qū)具有不同的土壤氡背景值，與全區(qū)土壤氡背景值也存在較大差異。全區(qū)土壤氡背景值為27 735.6 Bq·m-3，沖洪積物區(qū)土壤氡背景值最大為55 033.7 Bq·m-3，是全區(qū)土壤氡背景值的1.98 倍；沼澤堆積物區(qū)土壤氡背景值最小為13 331.2 Bq·m-3，不足全區(qū)土壤氡背景值的1/2。各子區(qū)土壤氡背景值的最大值是最小值的4.13 倍。因此，在綜合分析研究區(qū)取氣條件差異的基礎上，將研究區(qū)劃分為沼澤堆積物區(qū)、殘坡積物區(qū)、沖洪積物區(qū)和巖體地層出露區(qū)共4 個地質(zhì)子區(qū)。

表1 研究區(qū)不同子區(qū)土壤氡濃度測量結果統(tǒng)計Table 1 Statistics of soil radon concentration measurement results in different sub-areas of the study area

剖面異常信息提取是以原始數(shù)據(jù)為樣本，測點對應地質(zhì)子區(qū)的異常下限為氡異常點劃分標準，高于異常下限的點可視為異常點，忽略突變單點異常，截取連續(xù)高值異常點，進行趨勢分析和異常區(qū)段劃分；如果一條剖面跨越不同子區(qū)，則以跨越不同子區(qū)分界位置分段設定異常下限。為避免提取到高背景值引起的假異常，而忽略低背景中的真異常，采用襯度異常法進行數(shù)據(jù)處理，即測點的測量值與對應子區(qū)背景值的比值作為該測點的氡襯度值，以氡襯度值為基準，對研究區(qū)進行異常分析。

4 土壤氡異常特征分析

4.1 典型成果剖面分析

為直觀地反映剖面上不同測點之間土壤氡濃度的變化特征及氡異常強度，選取具有代表性的L9、L13、L18 和L22 線進行分析（圖3）。把連續(xù)3 個異常點以上（包含3 個）的區(qū)段劃分為異常區(qū)段，利用異常寬度、峰背比、平均異常襯度進行異常強度評價進而判別斷裂構造的活動性，即峰背比和異常寬度越大，平均異常襯度越高，斷裂活動性越強。計算異常寬度時，異常點與非異常點之間的距離按1/2 點距外推，平均異常襯度為異常區(qū)段內(nèi)土壤氡襯度值的加權平均值。

圖3 研究區(qū)4 條測線土壤氡濃度剖面圖Fig.3 Four profiles showing soil radon concentration in the study area

在測線L9 上，距離550～700 m（區(qū)段Ⅰ）有4個氡異常點，異常寬度約200 m，峰背比2.1，平均異常襯度1.21；距離1 250～1 550 m（區(qū)段Ⅱ）有連續(xù)6個氡異常點，異常寬度約300 m，峰背比3.43，平均異常襯度1.72；距離1 800～2 200 m（區(qū)段Ⅲ）有連續(xù)6 個氡異常點，異常寬度約300 m，峰背比3.91，平均異常襯度1.56。

在測線L13上，距離200～350 m（區(qū)段Ⅰ）有連續(xù)4 個氡異常點，異常寬度約200 m，峰背比2.29，平均異常襯度1.23；距離1 750～1 850 m（區(qū)段Ⅱ）有連續(xù)3 個氡異常點，異常寬度約150 m，峰背比9.18，平均異常襯度2.50；距離2 150～2 250 m（區(qū)段Ⅲ）有連續(xù)3 個氡異常點，異常寬度約150 m，峰背比6.99，平均異常襯度達2.72。

在測線L18上，距離500～800 m（區(qū)段Ⅰ）有連續(xù)7 個氡異常點，異常寬度約350 m，峰背比4.84，平均異常襯度2.47；距離1 400～1 650 m（區(qū)段Ⅱ）有連續(xù)6 個氡異常點，異常寬度約300 m，峰背比6.01，平均異常襯度1.95；距離2 200～2 350 m（區(qū)段Ⅲ）有連續(xù)4 個氡異常點，異常寬度約200 m，峰背比5.07，平均異常襯度1.88；距離2 700～2 850 m（區(qū)段Ⅳ）有連續(xù)4 個氡異常點，異常寬度約200 m，峰背比2.73，平均異常襯度1.61；距離2 950～3 350 m（區(qū)段Ⅴ）有連續(xù)9 個氡異常點，異常寬度約450 m，峰背比2.67，平均異常襯度1.27。

在測線L22 上，距離250～500 m（區(qū)段Ⅰ）有連續(xù)6 個氡異常點，異常寬度約300 m，峰背比2.75，平均異常襯度1.35；距離1 000～1 200 m（區(qū)段Ⅱ）有連續(xù)5 個氡異常點，異常寬度約250 m，峰背比4.55，平均異常襯度1.58；距離1 800～2 050 m（區(qū)段Ⅲ）有連續(xù)6 個氡異常點，異常寬度約300 m，峰背比7.58，平均異常襯度2.82；距離2 300～2 450 m（區(qū)段Ⅳ）有連續(xù)4 個氡異常點，異常寬度約200 m，峰背比達7.74，平均異常襯度達2.73。

依照上述識別及統(tǒng)計方法，對研究區(qū)29 條測線進行了異常提取，共識別異常區(qū)段68 處，土壤氡異常點348 個，單區(qū)段異常寬度150～450 m，峰背比1.78～10.26，平均異常襯度1.11～2.88。統(tǒng)計結果表明，距離1 500～2 550 m 存在兩條近SN 向氡異常帶，異常寬度200～450m，峰 背 比 3.49～10.26，平 均 異 常 襯 度 為1.36～2.88。

4.2 土壤氡異常與斷裂構造展布關系

對研究區(qū)土壤氡濃度數(shù)據(jù)采用襯度異常法進行處理，繪制了土壤氡濃度襯度等值圖（圖4）。可以看出，氡異常主要集中在研究區(qū)中、西部，具有明顯的條帶狀、串珠狀展布特征，圍繞現(xiàn)代地熱顯示區(qū)泉華邊緣氡異常呈環(huán)狀分布且具有顯著的濃集中心。

圖4 研究區(qū)土壤氡襯度等值圖及解譯斷裂Fig.4 Soil radon contrast contour map and interpreted faults in the study area

實測NW 向正斷層F1和F2活動性較弱，氡異常呈條帶狀展布，氡異常寬度150～200 m，峰背比1.92～3.51，平均異常襯度1.11～1.84；實測SN 向正斷層F4南段構造行跡明顯，活動性強，氡異常呈條帶狀，異常寬度200～450 m，峰背比3.49～9.03，平均異常襯度1.36～2.85。由此可見，條帶狀、串珠狀氡異常主要受斷裂構造控制，氡異常寬度、峰背比和平均異常襯度能很好地反映斷裂構造的活動性。由于地下熱水中含有大量的氡氣，泉華內(nèi)裂隙構造發(fā)育且覆蓋層薄，泉華周圍覆蓋層發(fā)育，具有良好的儲氣條件，在裂隙構造和地熱溫差作用下，熱顯示中心處的氡氣向邊緣發(fā)生遷移擴散，導致中心處土壤氡濃度較低，泉華邊緣土壤氡濃度較高，從而在泉華邊緣形成具有顯著濃集中心的環(huán)狀土壤氡異常。

根據(jù)土壤氡濃度襯度平面展布特征及區(qū)域斷裂構造發(fā)育特征，推測研究區(qū)內(nèi)可能發(fā)育8 條 隱伏 斷裂（F3～F10）。其中近SN 向斷裂F4和F5位于剖面距離1 500～2 400 m，走向約2°～15°，氡異常呈條帶狀、串珠狀展布，沿斷裂走向出露多處熱泉、沸泉，最高出水溫度達88.2℃，氡異常寬度200～400 m，峰背比3.49～10.26，平均異常襯度1.36～2.88，斷裂活動性強；通過鉆孔驗證于433～437 m 揭露F4斷裂破碎帶，孔內(nèi)最高溫度達185.8℃，綜合分析認為F4為近SN 向主斷裂構造，是谷露地熱田的主控熱構造。NW 向斷裂F6走向約305°，土壤氡異常呈條帶狀分布，氡異常寬度約200～300 m，峰背比2.73～9.75，平均異常襯度1.39～2.55，其斷裂活動性中等。NE 向斷 裂F7～F9走 向 大 致 為50°～70°，土 壤 氡 異常呈條帶狀展布，異常寬度約150～200 m，峰背比1.78～4.48，平均異常襯度1.11～2.03，斷裂活動性較弱。近EW 向斷裂F3和F10走向約90°和100°，土壤氡異常呈條帶狀、串珠狀展布，土壤氡異常寬度約150～250 m，峰背比2.67～3.51，平均異常襯度1.27～1.55，斷裂活動性較弱。

5 結論

1）在綜合分析研究區(qū)內(nèi)影響土壤氡濃度的取氣條件差異的基礎上，劃分不同地質(zhì)子區(qū)提取土壤氡背景值和異常下限，剖面異常信息提取以原始數(shù)據(jù)為樣本，各子區(qū)異常下限為氡異常點劃分標準；整體分析采用襯度異常法消除背景值差異的影響，以氡襯度值為基準；利用該方法對研究區(qū)進行土壤氡異常判定，取得了良好的應用效果。

2）氡異常主要集中在研究區(qū)中、西部。條帶狀、串珠狀氡異常主要受斷裂構造控制，氡異常寬度、峰背比和平均異常襯度能很好地反映斷裂構造的活動性；現(xiàn)代地熱顯示區(qū)泉華邊緣環(huán)狀氡異常是熱顯示中心處的氡氣向邊緣發(fā)生遷移擴散的結果。

3）通過對土壤氡異常寬度、峰背比和平均異常襯度的分析，結合谷露地熱田構造格架特征；推測F4為近SN 向主斷裂構造，屬強活動性斷裂，是谷露地熱田的主控熱構造。