梁雨東，任康輝，姜鑫，丁保艷，童品賢，胡沛青

(1.甘肅省地質礦產勘查開發(fā)局 第三地質礦產勘查院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州大學 地質科學與礦產資源學院，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

隨著經濟發(fā)展對綠色環(huán)保型能源需求的增加，地熱作為一種可供人們開發(fā)利用的能源，具有巨大的發(fā)展前景[1]。地熱水的形成和演化與地質構造密切相關，地質構造影響著地熱水的賦存、運移、出露特征以及斷裂和裂隙的發(fā)育[2]。一方面，斷裂可作為熱能傳遞的通道，將深部熱源通過對流的方式帶到地表；另一方面，由于斷裂自身的張扭性特征，可允許熱水在其中流動或者直接成為地熱儲層[3]。目前進行斷層構造探查常用的方法有電法、磁法、重力、遙感和地震等[4]，但是這些探測方法使用成本高，探測結果容易受到地面建筑和基礎設施的干擾[5]，且盆地內巨厚的第四紀沉積層、復雜的地質構造進一步增加了傳統(tǒng)物探方法對隱伏斷裂的勘探難度。土壤氡(Rn)射氣測量是探測隱伏斷裂的存在，判定斷裂的位置、走向、傾向的一種有效手段[6]，同時土壤測氡受地表人文干擾影響較小，能更精準地定位深部斷裂構造異常位置，驗證斷裂及圈定區(qū)內地熱開發(fā)有利靶區(qū)[7]，具有經濟、簡便、靈活、易于重復觀測的特點。

張掖—民樂盆地位于甘肅省河西走廊中部，斷裂、褶皺發(fā)育，具有豐富的地熱水資源，屬盆地傳導型中低溫地熱田[8]。該區(qū)域已經完成大量的電測深、重力、電法、地震等勘探工作，基本查明了張掖—民樂盆地的地質結構及地層分布[9-10]。截至2021年，地勘單位已在該區(qū)成功實施了多眼深層地熱水探采井。甘肅省地礦局第三地質礦產勘查院在實施“甘肅省民樂縣民樂生態(tài)工業(yè)園地熱資源普查”項目中探明地熱水井口水溫77 ℃，最大出水量2 592.72 m3/d。根據(jù)已有的地質資料分析，在研究區(qū)內部可能還存在隱伏的斷裂構造未被查明，這些隱伏斷層是區(qū)內重要的控熱構造?？辈閰^(qū)屬層狀熱儲[11]，基底埋深和熱儲層厚度受斷層控制變化較大，為了進一步探明該區(qū)成熱地質條件，在該區(qū)應用活性炭測氡法進行隱伏構造的精細研究，該成果將為進一步的地熱水勘探提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

張掖—民樂盆地位于河西走廊中部，南鄰祁連山，北靠龍首山，東部為永固—大黃山隆起，西部以榆木山隆起為界。區(qū)內周邊山地及基底地質構造復雜，是一個以前震旦紀及古生代褶皺為基底的中新生代張扭性斷陷拉分盆地[12]，盆地內發(fā)育情況良好的裂隙為地下熱水提供了優(yōu)質的儲存場所和運移通道，區(qū)內大厚度蓋層、高熱導系數(shù)花崗巖、熱儲層良好的滲透性和厚度不一的地層構成了張掖—民樂盆地地熱資源形成的重要因素[13]。新近系中新統(tǒng)白楊河組在盆地內發(fā)育連續(xù)、穩(wěn)定，厚300～400 m，以砂巖、砂礫巖為主，是主要熱水儲層，蓋層為新近系上新統(tǒng)疏勒河組泥巖、泥質砂巖層[14]。熱源為深部地殼或上地幔的熱傳導。張掖—民樂盆地經歷了加里東期地槽、海西—印支期地臺、燕山—喜山期盆地等3個演化階段，盆地內斷裂眾多，主要為白堊紀形成的SN向斷裂、燕山末期形成的NWW向斷裂及侏羅紀末形成的近EW向斷裂，斷裂埋藏深，地表難以發(fā)現(xiàn)[15]。根據(jù)研究區(qū)的地震勘探資料，研究區(qū)中存在一條NW—SE走向的六壩大斷裂(圖1a),研究區(qū)位于盆地內六壩斷裂中間部位。

1—中下更新統(tǒng)；2—上更新統(tǒng)；3—全新統(tǒng)；4—新近系；5—古近系；6—二疊系；7—石炭系；8—震旦系；9—花崗巖；10—實測斷層；11—隱伏斷層；12—鉆孔ZK1

2 原理和方法

2.1 活性炭測氡法基本原理

氡氣是一種放射性的惰性氣體，由鐳蛻變產生，有3個同位素：222Rn、220Rn、219Rn，由于220Rn、219Rn半衰期較短，因此在斷層上測量的氡氣為222Rn。222Rn廣泛分布于巖石、土壤、空氣和水中，既易溶于水又可吸附于固體表面[16]?；钚蕴烤哂形阶饔?，其比表面積高達700～1 600 m2/g。由于同為極性，活性炭對氡具有較強的吸附能力。當氡被吸附時，由于濃度差作用，氡源源不斷匯集過來，直至活性炭達到吸附極限。自然界中，氡及其子體有很強的向上運移能力，而它們在不同地質體中的分布具有差異和規(guī)律，因此可以勘測地質情況[17]。

斷層對氡氣的運移與富集具有一定的控制作用。氡射氣元素在運移過程中，在斷層等裂隙、應力發(fā)育部位運移、集聚，在地表形成一個與斷層等構造狀態(tài)相應的氡異常區(qū)[18]。由此，可以通過測量地表氡元素的濃度(實際是測量氡及其子體衰變所釋放的γ射線的強度)圈定斷層位置，判別斷層產狀。

2.2 測量儀器和測線布置

本次測氡法采用TYHC-1活性炭測氡儀。探測器為NaI(Tl)晶體(Φ75 mm×50 mm)，測量氡濃度范圍為100～300 000 Bq/m3，能量分辨率7%，工作溫度：-10～+50 ℃?；钚蕴课狡靼ㄎ絼⒏稍飫┖突钚蕴咳萜?，其中活性炭作為吸附劑，變色硅膠作為干燥劑，圓形塑料瓶為吸附容器。

根據(jù)物探測線布置應與構造走向垂直或近似垂直的基本原則，布置NW—SE向9條測線，線距500 m，點距20 m(圖2)。測量條件為：吸附劑埋深40 cm，埋藏5 d；數(shù)據(jù)處理時針對農田和河灘兩種地表介質進行分區(qū)統(tǒng)計[19]。

為確定氡值異常閾值下限，近垂直穿過NE—SW向六壩斷裂布置了試驗線(圖2)。

1—地熱井ZK1；2—測線；3—試驗線；4—六壩正斷層

根據(jù)以下公式求取氡背景值：

，

(1)

(2)

計算結果顯示，試驗線氡背景值為586.42 cpm，標準差S為72.56。綜合試驗線氡值剖面圖將本次測量異常閾值按照均值加1～2倍方差作為異常下限。

3 探測結果及分析

活性炭吸附氡的多少受溫度、濕度、活性炭裝量、測氡儀器、埋置深度和埋置時間等因素影響，故采集到的數(shù)據(jù)需采用專用測氡軟件處理。數(shù)據(jù)處理包括預處理階段和成圖階段，數(shù)據(jù)的預處理包括標準化處理、儀器校正、實測γ強度的修正(時間校正)、淺部因素校正和均滑處理等。氡值異常劃分依據(jù)兩個原則：一是根據(jù)氡濃度值的大小，由試驗線確定該區(qū)氡閾值下限為658 cpm；二是根據(jù)氡濃度在剖面上相對起伏變化，確定相對異常區(qū)。

測量結果顯示S1～S9各剖面線氡值幅度起伏變化不同(圖3)，其中S1、S2、S3測線除個別測點氡值有大波動外，測線基本平穩(wěn)，表明S1、S2、S3測線覆蓋范圍的巖層裂隙系統(tǒng)不發(fā)育。S4測線整個剖面有相對獨立的2個氡異常區(qū)，其中52～64點范圍較寬，108～110點為單點異常。S5、S6、S7測線氡值整體較高，且變化波動性較大，表明這些測線覆蓋范圍具備良好的氡氣運移通道和存儲空間，揭示此范圍內巖層裂隙較發(fā)育。S8、S9測線覆蓋范圍內存在氡的異常值，但整條剖面線的變化幅度相對較平穩(wěn)，反映出裂隙通氣性變差。

圖3 活性炭吸附測氡法氡值剖面

4 地質解釋

在破碎帶或裂隙附近土壤中，氣體氡濃度往往形成高值異常，隨著遠離破碎帶，濃度值降低，并逐步趨于正常值；非活動斷層上，覆蓋層中氡濃度不易出現(xiàn)異常值。本區(qū)氡異常平均值與背景值的比值最大不超過1.5，主要是由于本區(qū)第四系砂礫石層厚度較大，約230 m；砂礫卵石層內部膠結程度差異大，裂隙較發(fā)育，但方向凌亂不均一，使得氡氣運移的通道方向性差；同時，氡在第四系中擴散效應增強，異常峰值與背景差異被弱化。

將所有活性炭測氡數(shù)據(jù)經均滑處理后做平面等值線處理，以消除部分數(shù)值的畸變影響，得到整個測區(qū)氡濃度變化趨勢(圖4)。從圖中可以看出，研究區(qū)北部及南部氡值普遍較低，中部為高氡值異常區(qū)，異常形態(tài)呈現(xiàn)倒“V”字型。氡的異常分布具有明顯的條帶變化趨勢，顯示出兩條斷裂的存在。氡值由異常區(qū)向南北兩側等值線由密變疏，變化梯度較大，說明該斷裂的傾角較小，具正斷層的特征。

1—地熱井ZK1；2—六壩正斷層；3—推測斷層；4—氡值等值線；5—測線；6—推測地熱源鉆孔

勘查區(qū)位于盆地內六壩斷裂中間部位，南部位于六壩正斷層的上盤，北部位于六壩正斷層斷裂帶內。根據(jù)收集到的本區(qū)地震勘探資料顯示，六壩正斷層延伸長度32 km，斷距2.5 km，走向NWW，傾向SW，傾角80°，斷面形狀為鏟型。斷層斷裂帶附近裂隙發(fā)育，巖石破裂后增大了射氣系數(shù)，同時破裂帶提供了氡氣富集場所和逸出通道；上覆地層原生裂隙系統(tǒng)產生區(qū)域氡值背景。因此，斷裂帶附近及沿斷層面一側氡值緩慢上升，出現(xiàn)單峰異?；蛘叨鄠€次級峰異常；斷層下盤、沿斷層反傾向方向，氡值明顯下降，隨測點遠離斷層帶，氡值逐漸恢復到正常地層氡值(圖4)。通過勘查區(qū)內構造對比，F(xiàn)1即為隱伏于工區(qū)內的六壩正斷層正中間部位一個局部，斷層F2位于六壩正斷層斷裂帶內，應為多期構造運動產生的次級斷層。

本次地面氡氣測量解釋的斷層F1和F2是六壩斷裂的次級斷裂，顯示本區(qū)受到多種構造力的作用。六壩斷裂為張扭性斷裂，兩斷層交匯處裂隙充分發(fā)育，形成有利于地下水循環(huán)—存儲的局部構造，是開發(fā)地下水的有利位置。

5 結論

利用活性炭吸附土壤氡氣測量的方法，對張掖—民樂盆地隱伏構造分布情況及特征進行了深入研究，得出以下主要結論：

1)活性炭測氡數(shù)據(jù)結果顯示氡在斷裂分布區(qū)域具有明顯的異常特征，且異常分布具有明顯的變化趨勢，應用該方法在該區(qū)探測隱伏斷層是可行有效的。

2)根據(jù)氡異常分布特征在研究區(qū)內推測出兩條裂隙較發(fā)育的隱伏斷層：NWW向F1斷層和近EW向的F2斷層。F1、F2兩條隱伏斷裂相交部位應力集中，巖體破碎，是地下水儲集的有利部位，可作為該區(qū)地熱水勘察的有利靶區(qū)。

3)目前，張掖盆地地熱勘探程度偏低，活性炭測氡法具有工作方便、易于重復觀測、對環(huán)境適應性強等優(yōu)勢。建議在區(qū)域上與其他物探方法相結合，進一步加大盆地地下熱水的勘探力度，查清地熱地質條件，為盆地內地熱資源的開發(fā)利用提供地質依據(jù)。