冀中坳陷典型地熱田前緣暈元素特征及其對地熱學意義

蘇 航，陳功新，邢林嘯，孫占學，岑 麗，陳詩峰

(1．東華理工大學 水資源與環境工程學院，南昌 330013；2．中國地質調查局 水文地質環境地質研究所，石家莊 050061)

隨著社會的發展，津京冀地區能源結構性矛盾日益凸顯[1]。地熱作為一種可再生的清潔能源，近年來已備受關注[2]。津京冀地區擁有豐富的地熱資源，不但賦存條件較好，而且分布廣泛、資源量大、易于開發[3-4]。合理開發利用地熱資源對該地區的優化能源結構、減少霧霾、保障能源供應安全、促進地區經濟社會發展等方面具有重要意義[5-6]。

土壤地球化學調查作為一種地球化學方法，在地熱田前景區勘察、熱異常區驗證性研究方面具有重要意義[7]。As、Sb、Bi、Be、Hg等元素與巖漿運動密切相關，是地熱水運動帶來的組分，類似于熱液金屬礦床原生暈分帶中的前緣暈組分，可以作為巖石、土壤、水系沉積物測量的重要指標，現普遍用于地熱田異常調查[8-9]。Li元素是巖漿作用后期殘留的產物，在地熱水中的含量明顯高于地表水，如新西蘭熱水中Li含量最高為22.3×10-6，北美熱泉Li含量最高達到了25×10-6，可作為地熱田遠景區勘探的指標[10-11]。Rb作為巖漿運動后期的產物，在熱泉中具有較高的含量，如西藏熱泉中高達11.04×10-6，而且極易被帶負電的膠體黏土礦物吸附，因此Rb的高襯度異常可以用于指示熱田及斷裂構造[10-11]。王衛星等[12]基于土壤元素As、Sb、Bi、Li、Be、Hg在天津地區6個地熱田異常分布特征，預測了地熱田地熱異常區。

由于前人在研究時采樣密度較低，深度較淺，得出的結論可能會遺漏重要信息。本次研究基于冀中坳陷北部深層土壤樣品(5 m)中微量元素As、Sb、Bi、Be、Li、Hg、Rb的分布規律，結合前人研究成果，定性分析與地質構造、地熱的關系，并結合相關研究成果，簡析土壤中元素異常形成機理，為該地區地熱勘探工作以及地熱鉆探靶區選取提供理論依據。

1 地質概況

本研究區主要位于京津冀地區中部的廊坊市固安縣以及保定市涿州市、北京市大興區的部分地區，大地構造位置為冀中坳陷北部區域(徐水—文安構造變換帶以北)。冀中坳陷是發育在華北克拉通之上的一個中、新生代斷陷-坳陷盆地，它北依燕山隆起，南抵邢衡隆起，西臨太行山隆起，東至滄縣隆起，呈NE—SW走向，面積約3.2×104km2[13]。冀中坳陷可劃分為饒陽、霸縣、廊固、束鹿、深縣、晉縣等12個凹陷及6個凸起，其中本研究區包括北京凹陷、大興凸起、廊固凹陷、牛駝鎮凸起和霸縣凹陷。區域深大斷裂主要有大興斷裂(F2)與牛東斷裂(F9)以及構造帶柳泉—曹家務構造帶(F4-F6)(圖1)。

圖1 研究區地質構造與采樣點分布圖Fig.1 The distribution of the geologic structure and sampling points in the study area

本研究區全區均被第四系(Q)覆蓋，厚度約為260～490 m，巖性以黏土、亞黏土、亞砂土、砂層為主，地層松散，孔隙較大，導熱性差，是很好的隔熱保溫層，其下部黏性土單層厚度較大，形成與下部地層的隔水層，總體呈西北向東南凹陷區逐漸變厚的趨勢[14]。其地層發育在太古界及下元古界變質巖結晶基底之上，沉積了元古宙、古生代、中生代和新生代地層[15-16]，其中薊縣—長城系(Jx-Ch)、奧陶—寒武系以及新近系明化鎮組(Nm)、館陶組(Ng)是研究區主要熱儲層。

在中朝準地臺結晶底形成后，形成穩定的蓋層發展階段，由于各大斷裂活動性的差異，使得本區經歷多次上升、下降的過程，并接受多次沉積，長城系、奧陶系、寒武系熱儲層深埋于地層之下，自古近系以來逐漸擺脫古淋濾水的影響，形成封閉—半封閉的水文地質環境[17]。本研究區熱結構模式以熱傳導為主，對流為輔，由于沉積層與基巖熱導率分布的差異，深部熱流更易向基巖埋深較淺的凸起區聚集，形成“熱折射”現象，使得冀中坳陷的地溫場表現為凹凸相間的帶狀分布，凸起區較高，凹陷區較低[16，18]。區內現今大地熱流值介于51～69 mW/m2[13]。

2 樣品采集與測試方法

3 測試結果統計與分析

3.1 參數統計

基于測試結果(表1)，分別統計了研究區內各樣本參數，包括均值、均方差、變異系數、最大值、最小值以及背景值與異常下限、克拉克值與濃度克拉克值(表2)。

3.1.1 背景值與異常下限

計算背景值時，需先對樣本數據進行正態性檢驗，判斷是否服從正態分布或對數正態分布[19]。若樣本服從正態分布或對數正態分布，可取樣本算數平均值作為平均背景值，平均值加減2倍標準離差代表背景值的變化范圍，平均值加2倍標準離差作為異常下限。若樣品既不服從正態分布又服從對數正態分布時，可通過檢驗逐步剔除平均值加減2倍標準離差后數據是否滿足正態分布或對數正態分布，剔除后數據的算數平均值作為樣本背景值，平均值加減2倍標準離差代表背景值的變化范圍，平均值加2倍標準離差作為異常下限[20]。若仍不滿足，則采用中位值和絕對中位值差的穩健統計方法來估算該元素的背景或基準值，并以XMe±2MAD表示背景值的變化范圍，XMe+2MAD作為其異常下限[21-22]。其中中位值和絕對中位值差的穩健統計方法可用以下公式計算：

XMe=x(n+1)/2，n為奇數……

(1)

XMe=(xn/2+x(n+1)/2)，n為偶數……

(2)

XMe=mediani(|xi+medianj(xj)|)……

上述時期在我院擇期行局麻斜視手術患者120例,年齡18~50歲;既往無手術史,無嚴重臟器功能異常。均采用1%利多卡因進行局麻神經阻滯下手術。將我院2016年上半行成人斜視矯正手術中隨機抽取60名患者做為對照組;在我院2016年下半年隨機抽取60名成人斜視患者做為實驗組,兩組患者在年齡,性別文化程度方面比較無顯著性差異。

(3)

其中xi、xj分別表示樣本數據第i、j個元素；x(n+1)/2、xn/2分別表示樣本數據經升序或降序排序后第(n+1)/2、n/2個元素；XMe表示樣本數據中位數；MAD表示絕對中位值差。

利用K-S正態分析對As、Sb、Bi、Li、Be、Rb、Hg等元素正態性檢驗，檢驗結果匯總于表1。為保持檢驗結果的準確性，需滿足接受檢驗的樣本容量n大于100。K-S正態檢驗時，若顯著性參數sig>0.05，則表示假設檢驗成立，接受原假設，該組數據服從正態分布，否則原假設不接受。據結果，As、Bi、Li、Rb符合正態分布或對數正態分布，背景值取元素的均值；Be、Sb、Hg不符合正態分布或對數正態分布，須對數據以均值加2倍均方差剔除后再次檢驗。二次檢驗結果顯示，只有Be符合，取剔除后的均值為背景值，剩余Sb、Hg則利用中位值和絕對中位值差的穩健統計方法計算背景值。

表1 K-S正態性檢驗結果統計表

異常下限的計算方法較多，有傳統迭代法、累計頻率法、多重分形法等[23]。本次采用傳統迭代法，以背景值加上n倍均方差作為異常下限，其中n一般取2～4，本次研究取2。背景值與異常下限計算結果匯總于表2。

表2 前緣暈元素參數統計表

3.1.2 濃度克拉克值

濃度克拉克值指某元素在某地質體中的平均含量與克拉克值的比值，以表示該元素在一定的礦床、巖體或礦物內富集程度。當濃度克拉克值大于1時，說明該元素在該地質體中比在地殼中相對集中；小于1時，則意味著較分散。本次研究前緣暈元素濃度克拉克值結果匯總于表2中，其中克拉克值取華北地臺地殼元素豐度。由表2可知，As、Bi、Be、Li、Rb、Sb、Hg濃度克拉克值均大于1，其中As、Sb最大，達到了7.59、6.94，說明這些元素在研究區內富集程度較好。

3.2 相關性分析

針對前緣暈元素含量的Pearson相關性分析，旨在研究各元素間的相關性關系，以進一步討論元素含量及其空間分布關系。表3展示了分析后各元素之間的 Pearson相關性系數。一般情況下，Pearson相關系數絕對值|r| ≥0.8時，可視為高度相關；0.5≤ |r| <0.8時，可視為中度相關；0.3≤ |r| <0.5時，可視為低度相關；|r| <0.3時，說明兩個變量之間線性相關性較弱，可視為非線性相關[25]。

如表3所示，Hg與其余6種元素的相關性較弱，呈非線性相關；剩余元素在0.01置信水平上均表現出較強的相關性。Li與As、Be、Bi、Rb，Rb與Be、Bi，Be與Bi均表現出高度相關，其中Li與Bi相關性系數高達0.967；其余元素間均表現出中度相關，其中最低的Rb與Sb相關系數也有0.576。

表3 Pearson相關性系數矩陣表

綜上所述，As、Sb、Bi、Li、Be、Rb作為巖漿運動的伴生元素，具有顯著的相關性，說明這些元素具有相似的來源；Hg與其余元素相關性較差，可能是由于Hg在土壤中具有極易揮發、易擴散性質，受大氣輻射、淺層地溫場以及人為活動等因素影響較大。

4 前緣暈元素分布特征

4.1 前緣暈元素長剖面特征

長剖面GA01距離長，跨度大，可涵蓋區域內所有地質構造，代表性較好。圖2展示了As、Sb、Bi、Li、Be、Rb、Hg元素長剖面與大興凸起—霸縣凹陷典型地質剖面解釋圖的對照結果。剖面圖按構造單元分為五個區域，分別為Ⅰ北京凹陷、Ⅱ大興凸起、Ⅲ廊固凹陷、Ⅳ牛駝鎮凸起、Ⅴ霸縣凹陷，并依據圖1中的構造對應位置標出推測斷層。大興凸起—霸縣凹陷典型地震剖面解釋圖可基本反映與長剖面GA01處地層以及構造情況，然而由于二者在位置上的差異，導致部分隱伏斷層與實際位置相比也略有偏差，本次研究以圖中標出的推測斷層為準。

如圖2所示，As、Sb、Bi、Li、Be、Rb、Hg這7種元素除Hg外在分布和趨勢上具有較高的一致性，與相關性分析結果較為一致，總體表現為在大興凸起和牛駝鎮凸起元素含量波動較凹陷區明顯，凹陷區元素含量變化較小，推測元素含量分布與蓋層厚度存在一定關系，蓋層厚的地段元素變化較小。元素含量峰值與斷裂的分布有較好的相似性。在Ⅰ北京凹陷與Ⅱ大興凸起交接的南苑—通縣斷裂(F1)處，除了As元素峰值較低，Hg元素略微偏移外，所有元素均出現異常值，且與斷層匹配較好；在Ⅱ大興凸起與Ⅲ廊固凹陷交接的大興斷裂(F2)處，除了As元素不明顯外，剩余元素均出現高值或異常值，均屬于雙峰異常；在Ⅲ廊固凹陷內部有柳泉—曹家務構造帶及舊州斷裂(F5—F7)，Hg元素對構造帶反應較差，未出現異常區域，而其余各元素對構造帶反應強烈，均出現不同程度的異常峰值；在Ⅲ廊固凹陷與Ⅳ牛駝鎮凸起交接的牛駝鎮北斷層(F8)處，所有元素均出現高值區域，而Hg元素在該處未出現異常區域，甚至處于下降的趨勢；在Ⅳ牛駝鎮凸起與Ⅴ霸縣凹陷交接的牛東斷裂(F10)處，所有元素與斷層分布一致，在Ⅴ霸縣凹陷處出現異常，推測是牛東斷層的伴生斷層(F11)引起的。

圖2 元素剖面與大興凸起—霸縣凹陷地震剖面解釋圖(地質剖面修改自龐玉茂[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 前緣暈元素平面分布特征

基于克里金插值法對元素進行全樣本插值，并繪制元素等值線圖。其中大于異常下限的區域用黑色表示，小于背景值范圍以白色表示，背景值至異常下限區域以樣本點值逐漸降低的原則用深灰—灰—淺灰的漸變色來表示。

圖3列舉了As、Sb、Bi、Li、Be、Rb、Hg等值線圖。由圖可知，Hg元素與其余6種元素分布差異較大，與構造位置匹配總體較差，其異常區域主要集中于北部的南苑—通縣斷裂(F1)附近，異常峰值較大，還與牛東斷層(F10)與推測構造F3存在一定相關性。As、Sb、Bi、Li、Be、Rb元素間相關性較好，其平面分布具有較高的一致性，在南苑—通縣斷層(F1)、斷層(F5-F8)以及牛駝鎮北斷層(F8、F12)、牛東斷層(F10)及其伴生斷層(F12)處均出現不同程度的異常或高值區域，基本位于斷層上方，其中以As、Bi、Li元素最為明顯，在大興斷層(F2)與推測斷層F3附近含量總體偏低，但其高值的分布與斷層的走向也具有較好的一致性。

圖3 前緣暈元素分布等值線圖Fig.3 Contour map of the front halo elements

為更直觀更系統地歸納其空間分布規律及異常區域分布特征，可將原數據按元素歸一化處理后再以采樣點求均值得到新元素疊加值。其中歸一化處理公式如下：

(4)

式中：x′—歸一化處理后的結果；xi—第i個數據點；xmax—數據最大值；xmin—數據最小值。

將處理后元素疊加點繪制的等值線圖(圖4)對照元素異常區域分布(圖5)可知：南部牛駝鎮凸起區元素平均含量明顯高于北部大興凸起區；在地理位置上，其異常位置(顏色較深)主要出現在碼頭鎮、馬莊鎮、禮讓店鄉與辛立莊鄉附近以及牛駝鎮四周，對比已知斷層或構造走向可知，元素的異常位置主要位于南苑—通縣斷層(F1)與牛東斷層(F10)等斷裂帶之上，此處可成為地熱勘探的重點勘察對象；元素等值線分布趨勢表明，等值線高值區大多位于斷層之上，除了圖中中部區，因沒設采樣外，固安與牛駝兩區，元素高值顯示的連線，與斷層走向高度一致，其中Bi、As和Li等元素特別明顯，與大興斷裂(F1)、牛東斷裂(F10)、牛駝鎮北斷裂(F8、F12)走向顯著相關；等值線較低值區主要集中在大型構造分布或位于斷層與斷層之間的地段，如禮讓店鄉等。

圖4 前緣暈元素歸一疊加處理后等值線圖Fig.4 Contour map of the front halo elements after normalized superposition treatment

圖5 前緣暈元素異常區域分布Fig.5 Distribution of anomaly area of the front halo elements

5 討論

5.1 元素異常富集機理

地熱田中元素異常富集現象形成比較復雜，主要來自于巖漿運動的組分以及因地熱水加劇的水—巖交換的產物。在深循環作用下，巖漿中某些組分會釋放至熱水中，使水中富含巖漿元素成分，而且某些活動能力較強的元素，在有利環境下，可遷移至地表形成異常，成為地熱田勘探的重要指標。基于研究區內已有的基巖熱水地球化學以及深大斷裂系統或控熱構造資料，簡述研究區近地表元素異常富集機理。

5.1.1 基巖熱水地球化學

地熱流體地球化學通常能反映熱水賦存狀態及與深部熱巖的聯系，從而反映出地熱田中部分信息。本研究區屬于研究區封閉—半封閉水文地質環境，可為基巖地熱水提供良好的賦存條件與遷移通道。以研究區南部牛駝鎮凸起區基巖地熱水為例，薊縣—長城系(Jx-Ch)基巖熱儲巖性以海相白云巖或灰巖為主，中部夾泥質白云巖，水化學類型為Na-Cl型，礦化度為1～3 g/L，其溶蝕孔、洞發育，儲層平均孔隙度約為6.44%，是賦存條件最好的熱儲層[14]。牛駝鎮地熱田基巖地下水基巖熱水是現代降水和古降水的混合水，年齡約為1.0～3.4萬a，且有自西向東和東南、自北向南逐漸變老的趨勢，主要受外側太行山側向補給，地下水運移速度較慢，屬于半封閉和封閉水[27-28]。據研究表明，3He/4He約為0.38～0.60 RA，明顯大于大陸地殼平均含量(0.01 RA)，其中3He主要來自地幔，4He主要來自U、Th的放射性衰變[29]，推測該處熱水存在深部熱循環，同時攜帶巖漿組分元素如As、Sb、Bi、Li等至熱水中，而且長城系地熱水中Li含量有2.82×10-6，明顯大于海水(0.17×10-6)[17]；薊縣系霧迷山組中As含量為2.81×10-6，高于當地淺部館陶組(Ng)含量(1.11×10-6)[30]。

5.1.2 斷裂帶與構造

由于高滲透性深大斷裂或控熱構造及其潛山帶與沉積蓋層不整合接觸面的存在，地殼深部熱量可以水為載體傳送至淺層地表，并攜帶伴生元素如As、Sb、Bi等遷移至淺層圈閉或儲層甚至近地表中，并穩定吸附在土壤及黏土質礦物中，形成異常分帶。因此斷層的活動性越強，斷面破碎帶滲透性越好，越有利于深部元素遷移至淺層。根據前文實測的土壤前緣暈元素分布特征，其異常高值基本分布在斷裂或深大斷裂系統正上方或附近，也印證了斷層構造與在深部熱交換中的作用，其中大興斷裂(F2)與牛東斷裂(F10)作為兩大深大斷裂系統，是研究區內較典型的控熱構造。

1)大興斷裂(F2)：大興斷裂是研究區北部主要控制性大斷裂，剖面上呈現上陡下緩的犁式產狀，控制著廊固凹陷的發育，具有明顯的分帶性，各段活動性具有明顯的差異[31]，本研究區位于大興斷裂南段。大興斷裂在孔店期與沙四期活動強烈，落差最大可達5 000 m，此后斷裂活動性逐漸減弱，且地層中不發育滾動背斜，缺乏扇礫巖，具有明顯后期改造現象，推測到新近紀該斷裂基本停止活動[32-33]。在實際勘探中，大興凸起表現為低地溫的特點，1 000 m深度的溫度小于30℃，可能是該處沉積蓋層較薄，部分地區與基巖裸露區相當，保溫能力較差，熱量易散失[17]。正如前緣暈元素分布所示(圖4、圖5)，北部大興凸起區深層土壤中元素含量明顯低于南部，且存在自西向東逐漸遞減的趨勢，可能是由于斷層活動性較弱、缺少高滲透性通道以及較低的地溫等原因，深部元素難以聯系淺部地層所致。

2)牛東斷裂(F10)：牛東斷裂是南部牛駝鎮凸起區東部的邊界斷裂，是研究區內重要的控熱構造，控制著霸縣凹陷的發育，亦具有明顯的分帶性，可分為北、中、南三段[33-34]，本研究區位于其北段。據淺層地震反射勘探顯示，盡管牛東斷裂自古近系以來活動逐漸減弱，但在第四系仍在活動[35]。該斷層附近分布有牛駝鎮地熱田，由于蓋層厚度與隆起幅度適當，保溫能力較好，其基底白云巖與灰巖具有較高的熱導率，聚熱條件較好，地溫梯度可達到5～6 ℃/100 m[16-17]。正是其較好的地熱賦存條件及活動性深大斷裂，為深部地熱水提供較好的遷移環境，As、Sb、Bi等伴生元素更易通過斷裂帶與其沉積層不整合接觸面釋放至淺層，因此元素與該斷裂及其伴生斷裂(F11)匹配性較好，存在明顯的異常高值區域，基本位于斷層正上方(圖4、圖5)。

南苑—通縣斷層(F1)為北京凹陷和大興凸起的分界，該處前緣暈元素均出現異常區域，且峰值較大，可能與北京凹陷內大興鳳和營地熱田分布有關，但目前該處相關資料較少，需進一步研究。

5.1.3 元素異常富集模式

研究區熱田元素異常富集模式可歸納為：地下水主要是太行山的大氣降水與古降水的混合水，運移速度緩慢，深部碳酸鹽地層經過長年累月的多期溶蝕，容易形成多孔溶蝕帶，其基巖巖性以白云巖與灰巖為主，熱導率較高，地下水易受深部地幔熱傳導作用持續加熱，深大斷裂系統如牛東斷裂作為構造應力釋放區會產生大量的裂縫帶，成為熱水上涌與深循環作用的通道[36](見圖6)。深部巖漿組分等可通過深循環作用遷移至熱儲，其中較為活潑的組分則會以水為載體通過斷層裂縫以及不整合接觸帶遷移至淺層甚至近地表，吸附在土壤以及黏土礦物中，形成異常富集現象，為地熱田勘探提供理論依據。

圖6 元素異常富集模式圖Fig.6 Anomalies enrichment pattern of elements

5.2 地熱田預測

地熱資源開發利用潛力與地熱田熱儲分布、規模以及發育程度有關。研究區內熱儲層明化鎮組(Nm)由于過度開采導致地面沉降問題嚴重，且對環境也造成一定影響，目前河北省已禁止該儲層地熱資源的開發利用，區內新近系館陶組缺失，在牛駝鎮凸起東南部才開始少量沉積。現今牛駝鎮地熱田主要開發利用深部碳酸鹽巖熱儲—薊縣系霧迷山組(Jxw)，該儲層分布較廣，開發潛力巨大。前緣暈元素As、Sb、Bi、Li、Be、Rb、Hg異常區域主要出現在碼頭鎮、馬莊鎮、禮讓店鄉與辛立莊鄉附近以及牛駝鎮四周，基本位于南苑—通縣斷裂、牛駝鎮北斷層以及牛東斷裂正上方或潛山帶，部分區域異常值較高，結合研究區元素異常富集機理以及“坳中找凸，凹中找潛山”的原則，可以考慮在這些區域附近尋找新的地熱異常區。

6 結論

基于研究區前緣暈元素典型地熱田前緣暈元素空間分布特征及其異常形成機理研究，得出以下結論：

1)前緣暈元素As、Bi、Be、Li、Rb、Sb之間具有較好相關性，在空間分布以及趨勢上具有高度一致性；在研究區內存在不同程度的富集，其分布表現為“南部地熱田高，北部凸起區、中部凹陷處低；斷層處高，構造單元內低”。

2)斷層作為重要的熱水及其伴生元素遷移通道，其活動性、裂縫帶等均能影響近地表元素異常富集特征。地熱地質條件越好，近地表元素背景含量越高，異常越明顯，因此實際地熱勘探時可重點考慮碼頭鎮、馬莊鎮、禮讓店鄉與辛立莊鄉附近以及牛駝鎮四周。

3)前緣暈元素勘探技術在預測地熱田熱異常區、確定熱田勘探方向方面具有重要的作用，但此技術在實際應用時易受大氣輻射、降水、覆蓋層厚度以及地下水埋深等因素的影響，需結合地球物理學方法綜合分析。