活性炭测氡法在地热勘探中的应用——以张掖—民乐盆地为例

梁雨东，任康辉，姜鑫，丁保艳，童品贤，胡沛青

(1.甘肃省地质矿产勘查开发局 第三地质矿产勘查院，甘肃 兰州 730050；2.兰州大学 地质科学与矿产资源学院，甘肃 兰州 730000)

0 引言

随着经济发展对绿色环保型能源需求的增加，地热作为一种可供人们开发利用的能源，具有巨大的发展前景[1]。地热水的形成和演化与地质构造密切相关，地质构造影响着地热水的赋存、运移、出露特征以及断裂和裂隙的发育[2]。一方面，断裂可作为热能传递的通道，将深部热源通过对流的方式带到地表；另一方面，由于断裂自身的张扭性特征，可允许热水在其中流动或者直接成为地热储层[3]。目前进行断层构造探查常用的方法有电法、磁法、重力、遥感和地震等[4]，但是这些探测方法使用成本高，探测结果容易受到地面建筑和基础设施的干扰[5]，且盆地内巨厚的第四纪沉积层、复杂的地质构造进一步增加了传统物探方法对隐伏断裂的勘探难度。土壤氡(Rn)射气测量是探测隐伏断裂的存在，判定断裂的位置、走向、倾向的一种有效手段[6]，同时土壤测氡受地表人文干扰影响较小，能更精准地定位深部断裂构造异常位置，验证断裂及圈定区内地热开发有利靶区[7]，具有经济、简便、灵活、易于重复观测的特点。

张掖—民乐盆地位于甘肃省河西走廊中部，断裂、褶皱发育，具有丰富的地热水资源，属盆地传导型中低温地热田[8]。该区域已经完成大量的电测深、重力、电法、地震等勘探工作，基本查明了张掖—民乐盆地的地质结构及地层分布[9-10]。截至2021年，地勘单位已在该区成功实施了多眼深层地热水探采井。甘肃省地矿局第三地质矿产勘查院在实施“甘肃省民乐县民乐生态工业园地热资源普查”项目中探明地热水井口水温77 ℃，最大出水量2 592.72 m3/d。根据已有的地质资料分析，在研究区内部可能还存在隐伏的断裂构造未被查明，这些隐伏断层是区内重要的控热构造。勘查区属层状热储[11]，基底埋深和热储层厚度受断层控制变化较大，为了进一步探明该区成热地质条件，在该区应用活性炭测氡法进行隐伏构造的精细研究，该成果将为进一步的地热水勘探提供依据。

1 研究区概况

张掖—民乐盆地位于河西走廊中部，南邻祁连山，北靠龙首山，东部为永固—大黄山隆起，西部以榆木山隆起为界。区内周边山地及基底地质构造复杂，是一个以前震旦纪及古生代褶皱为基底的中新生代张扭性断陷拉分盆地[12]，盆地内发育情况良好的裂隙为地下热水提供了优质的储存场所和运移通道，区内大厚度盖层、高热导系数花岗岩、热储层良好的渗透性和厚度不一的地层构成了张掖—民乐盆地地热资源形成的重要因素[13]。新近系中新统白杨河组在盆地内发育连续、稳定，厚300～400 m，以砂岩、砂砾岩为主，是主要热水储层，盖层为新近系上新统疏勒河组泥岩、泥质砂岩层[14]。热源为深部地壳或上地幔的热传导。张掖—民乐盆地经历了加里东期地槽、海西—印支期地台、燕山—喜山期盆地等3个演化阶段，盆地内断裂众多，主要为白垩纪形成的SN向断裂、燕山末期形成的NWW向断裂及侏罗纪末形成的近EW向断裂，断裂埋藏深，地表难以发现[15]。根据研究区的地震勘探资料，研究区中存在一条NW—SE走向的六坝大断裂(图1a),研究区位于盆地内六坝断裂中间部位。

1—中下更新统；2—上更新统；3—全新统；4—新近系；5—古近系；6—二叠系；7—石炭系；8—震旦系；9—花岗岩；10—实测断层；11—隐伏断层；12—钻孔ZK1

2 原理和方法

2.1 活性炭测氡法基本原理

氡气是一种放射性的惰性气体，由镭蜕变产生，有3个同位素：222Rn、220Rn、219Rn，由于220Rn、219Rn半衰期较短，因此在断层上测量的氡气为222Rn。222Rn广泛分布于岩石、土壤、空气和水中，既易溶于水又可吸附于固体表面[16]。活性炭具有吸附作用，其比表面积高达700～1 600 m2/g。由于同为极性，活性炭对氡具有较强的吸附能力。当氡被吸附时，由于浓度差作用，氡源源不断汇集过来，直至活性炭达到吸附极限。自然界中，氡及其子体有很强的向上运移能力，而它们在不同地质体中的分布具有差异和规律，因此可以勘测地质情况[17]。

断层对氡气的运移与富集具有一定的控制作用。氡射气元素在运移过程中，在断层等裂隙、应力发育部位运移、集聚，在地表形成一个与断层等构造状态相应的氡异常区[18]。由此，可以通过测量地表氡元素的浓度(实际是测量氡及其子体衰变所释放的γ射线的强度)圈定断层位置，判别断层产状。

2.2 测量仪器和测线布置

本次测氡法采用TYHC-1活性炭测氡仪。探测器为NaI(Tl)晶体(Φ75 mm×50 mm)，测量氡浓度范围为100～300 000 Bq/m3，能量分辨率7%，工作温度：-10～+50 ℃。活性炭吸附器包括吸附剂、干燥剂和活性炭容器，其中活性炭作为吸附剂，变色硅胶作为干燥剂，圆形塑料瓶为吸附容器。

根据物探测线布置应与构造走向垂直或近似垂直的基本原则，布置NW—SE向9条测线，线距500 m，点距20 m(图2)。测量条件为：吸附剂埋深40 cm，埋藏5 d；数据处理时针对农田和河滩两种地表介质进行分区统计[19]。

为确定氡值异常阈值下限，近垂直穿过NE—SW向六坝断裂布置了试验线(图2)。

1—地热井ZK1；2—测线；3—试验线；4—六坝正断层

根据以下公式求取氡背景值：

，

(1)

(2)

计算结果显示，试验线氡背景值为586.42 cpm，标准差S为72.56。综合试验线氡值剖面图将本次测量异常阈值按照均值加1～2倍方差作为异常下限。

3 探测结果及分析

活性炭吸附氡的多少受温度、湿度、活性炭装量、测氡仪器、埋置深度和埋置时间等因素影响，故采集到的数据需采用专用测氡软件处理。数据处理包括预处理阶段和成图阶段，数据的预处理包括标准化处理、仪器校正、实测γ强度的修正(时间校正)、浅部因素校正和均滑处理等。氡值异常划分依据两个原则：一是根据氡浓度值的大小，由试验线确定该区氡阈值下限为658 cpm；二是根据氡浓度在剖面上相对起伏变化，确定相对异常区。

测量结果显示S1～S9各剖面线氡值幅度起伏变化不同(图3)，其中S1、S2、S3测线除个别测点氡值有大波动外，测线基本平稳，表明S1、S2、S3测线覆盖范围的岩层裂隙系统不发育。S4测线整个剖面有相对独立的2个氡异常区，其中52～64点范围较宽，108～110点为单点异常。S5、S6、S7测线氡值整体较高，且变化波动性较大，表明这些测线覆盖范围具备良好的氡气运移通道和存储空间，揭示此范围内岩层裂隙较发育。S8、S9测线覆盖范围内存在氡的异常值，但整条剖面线的变化幅度相对较平稳，反映出裂隙通气性变差。

图3 活性炭吸附测氡法氡值剖面

4 地质解释

在破碎带或裂隙附近土壤中，气体氡浓度往往形成高值异常，随着远离破碎带，浓度值降低，并逐步趋于正常值；非活动断层上，覆盖层中氡浓度不易出现异常值。本区氡异常平均值与背景值的比值最大不超过1.5，主要是由于本区第四系砂砾石层厚度较大，约230 m；砂砾卵石层内部胶结程度差异大，裂隙较发育，但方向凌乱不均一，使得氡气运移的通道方向性差；同时，氡在第四系中扩散效应增强，异常峰值与背景差异被弱化。

将所有活性炭测氡数据经均滑处理后做平面等值线处理，以消除部分数值的畸变影响，得到整个测区氡浓度变化趋势(图4)。从图中可以看出，研究区北部及南部氡值普遍较低，中部为高氡值异常区，异常形态呈现倒“V”字型。氡的异常分布具有明显的条带变化趋势，显示出两条断裂的存在。氡值由异常区向南北两侧等值线由密变疏，变化梯度较大，说明该断裂的倾角较小，具正断层的特征。

1—地热井ZK1；2—六坝正断层；3—推测断层；4—氡值等值线；5—测线；6—推测地热源钻孔

勘查区位于盆地内六坝断裂中间部位，南部位于六坝正断层的上盘，北部位于六坝正断层断裂带内。根据收集到的本区地震勘探资料显示，六坝正断层延伸长度32 km，断距2.5 km，走向NWW，倾向SW，倾角80°，断面形状为铲型。断层断裂带附近裂隙发育，岩石破裂后增大了射气系数，同时破裂带提供了氡气富集场所和逸出通道；上覆地层原生裂隙系统产生区域氡值背景。因此，断裂带附近及沿断层面一侧氡值缓慢上升，出现单峰异常或者多个次级峰异常；断层下盘、沿断层反倾向方向，氡值明显下降，随测点远离断层带，氡值逐渐恢复到正常地层氡值(图4)。通过勘查区内构造对比，F1即为隐伏于工区内的六坝正断层正中间部位一个局部，断层F2位于六坝正断层断裂带内，应为多期构造运动产生的次级断层。

本次地面氡气测量解释的断层F1和F2是六坝断裂的次级断裂，显示本区受到多种构造力的作用。六坝断裂为张扭性断裂，两断层交汇处裂隙充分发育，形成有利于地下水循环—存储的局部构造，是开发地下水的有利位置。

5 结论

利用活性炭吸附土壤氡气测量的方法，对张掖—民乐盆地隐伏构造分布情况及特征进行了深入研究，得出以下主要结论：

1)活性炭测氡数据结果显示氡在断裂分布区域具有明显的异常特征，且异常分布具有明显的变化趋势，应用该方法在该区探测隐伏断层是可行有效的。

2)根据氡异常分布特征在研究区内推测出两条裂隙较发育的隐伏断层：NWW向F1断层和近EW向的F2断层。F1、F2两条隐伏断裂相交部位应力集中，岩体破碎，是地下水储集的有利部位，可作为该区地热水勘察的有利靶区。

3)目前，张掖盆地地热勘探程度偏低，活性炭测氡法具有工作方便、易于重复观测、对环境适应性强等优势。建议在区域上与其他物探方法相结合，进一步加大盆地地下热水的勘探力度，查清地热地质条件，为盆地内地热资源的开发利用提供地质依据。