新疆塔什库尔干断裂带地热区地表热通量与深部流体脱气评估及其对非火山地热系统的启示

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：Assessment of Surface Heat Flux and Deep Fluid Degassing in Fracture-Dominated Geothermal Zones in Taxkorgan, Xinjiang, Western China

本文首次对中国新疆塔什库尔干地区三个代表性非火山地热区（Taheman, Liaoyangyuan, Dabudar）进行了地表热通量的综合评估，创新性地结合土壤温度梯度分析与新型干燥剂法测定CO2:H2O比率，揭示了断裂带控制下气相对流热释放的主导作用（占比51.8%–54.6%），为大陆碰撞造山带构造控制型地热系统的资源潜力评估和开发提供了关键实测数据与理论依据。

　　

1 引言

在全球碳减排需求驱动下，地热能作为一种稳定、可再生、低排放的清洁能源，正日益成为能源结构转型的关键支柱。地热系统通常分布在构造活动区，如板块边界、造山带和板内断裂带。由于其复杂的形成机制，系统评估地热资源潜力需要综合地球物理和地球化学方法。其中，地表热通量测量是揭示地下热源特征和评估地热潜力的关键手段，在地热田开发和环境影响评估中发挥着重要作用。

目前已开发出多种估算地表热通量的方法，包括土壤CO₂通量法、土壤量热法、氯化物质平衡法、涡动协方差CO₂通量法、土壤温度梯度法和热红外遥感法等。目前应用最广泛的是土壤温度梯度法和土壤CO₂通量法。前者基于傅里叶热传导定律，通过计算土壤垂直温度梯度和热导率来估算传导热通量，具有简单、成本低的优点，但可能受到昼夜温度波动和地表地形的影响。后者通过测量CO₂扩散或平流通量，结合水蒸气与CO₂的质量比来估算地热释放，特别适用于高温、蒸汽主导和断裂带控制的地热系统，其优势在于能够捕捉对流热传输。

获取通过土壤CO₂通量计算热损失的关键参数是CO₂与H₂O的质量比。在火山区，该比值可从喷气孔的水汽比率获得。然而，在许多地热区，没有明显的喷气孔可用于获取此比率，这为利用土壤CO₂通量估算地热潜力带来了巨大挑战。

新疆塔什库尔干县位于西昆仑山与喀喇昆仑山造山带过渡带，构造活动强烈，热异常显著，有利于地热资源的形成。然而，该地区系统的地表热通量测量尚属空白，对于高海拔非火山地热系统的研究明显不足。塔什库尔干的地热活动主要以温泉形式显现，其储层类型、热源特征和能量释放机制仍知之甚少，限制了地热资源的进一步开发利用。

本研究聚焦于新疆塔什库尔干县的三个代表性热异常区：塔合曼、燎原垣和达布达尔。我们应用了一种综合热通量测量方法，结合了土壤温度梯度法和土壤CO₂通量法。我们开发了一种使用化学干燥剂测定CO₂:H₂O比率的新方法，以增强土壤CO₂通量法的适用性，并严格评估了土壤CO₂通量法和地温梯度法的可靠性，从而确认了我们综合方法在地热通量研究中的稳健性和适用性。旨在阐明地热能释放过程中传导和对流传热的各自贡献，探索构造-流体耦合条件下的地热演化，并拓展土壤CO₂方法在更复杂地热区的应用。

2 塔什库尔干地热区地质背景

塔什库尔干县位于新疆西南部，帕米尔高原东缘，地处高原地貌山区，海拔多在3000米以上，地形起伏大。该区域位于印度板块与欧亚板块强烈碰撞带的前沿，地质构造异常复杂。区内广泛发育近东西向和北西向为主的深大断裂，如喀喇昆仑断裂带和塔什库尔干断裂带。这些构造对于控制深部热流运移和地热系统形成至关重要。

塔什库尔干地区主要由前寒武纪变质岩、古生代沉积序列和中新生代火山-沉积建造组成。受印度板块持续北向俯冲挤压作用，中新生代构造活动强烈，形成了众多断裂，为深部热液流体上涌提供了有利通道。

地热显示主要沿这些断裂带分布，通常以温泉形式出露。排放温度一般在40至70°C之间，部分温泉超过90°C。多个地点观察到强烈的蒸汽鼓泡、硅华和钙华沉积，表明地热活动强烈。

塔什库尔干的地热水普遍具有较高的总溶解固体，且离子演化较为成熟，反映了长期的水岩相互作用和流体循环过程中显著的热质交换。水化学类型以Cl-Na型为主，少数为HCO₃-Na型，指示了复杂的循环补给和储层结构。

3 数据与方法

3.1 土壤温度测量

塔什库尔干县的地热通量调查于2024年8月至9月期间进行，历时21天。野外监测覆盖了三个代表性热异常区：塔合曼、燎原垣和达布达尔。野外工作主要包括土壤温度、水汽通量和土壤CO₂通量的测量。

温度测量共计在THM区布设52个测点，DBD区69个，LYY区33个。在每个测点，按照既定方法记录温度-深度剖面。使用便携式汽油动力钻机预钻孔，插入配备K型热电偶的不锈钢温度探头。每个探头总长90厘米，包含11个温度节点，分别位于5、10、15、20、30、40、50、60、70、80和90厘米深度。探头的测量精度为±0.1°C，工厂校准确保实际测量误差在±0.5°C以内。为消除空气对流影响，探头插入后立即回填原状土。在表层坚硬无法完全插入探头的区域，仅进行浅层温度测量。所有热电偶连接至数据采集器，采样频率为每2秒一次读数。每次测量持续13-15分钟，以确保热平衡和温度读数稳定。

此外，在土壤温度测量之前，进行了昼夜温度变化监测以进行温度梯度校正。在每个代表性点位使用HOBO温度传感器在1厘米、5厘米、10厘米、20厘米和40厘米深度进行土壤温度时间序列监测，数据以10分钟间隔记录，以捕捉白天和夜间的热波动。为准确估算稳态热梯度及相关的传导热通量，对气温波动引起的季节性和昼夜扰动进行了校正。校正方法基于傅里叶级数模拟大气温度变化，以提高地热通量估算的可靠性。

时间序列的土壤温度数据用于校正影响热梯度的昼夜波动。应用傅里叶分析对温度变化进行参数化，将每个深度的温度信号分解为振幅、周期和相位，以表征热扰动。具体而言，使用1厘米深度的实测温度数据作为输入，基于热扩散模型估算5厘米深度的理论温度，假设热传导是主导过程。通过将理论曲线与5厘米深度的实际温度数据进行拟合，得出两层之间的最佳热扩散系数。相同程序应用于其他深度区间。热扩散系数的最终结果如图所示。基于这些扩散系数值，我们使用1厘米温度序列估算更深层的温度，并从实测数据中移除相应的热扰动。这使得我们能够校正近地表大气干扰对热梯度的影响。如图所示，校正后的温度剖面有效隔离并移除了昼夜分量，得到了更具代表性的稳态地下温度分布。THM的温度监测可以代表THM和LYY区域，因为它们的距离非常接近。

3.2 土壤热导率测量

土壤热导率使用从三个地热区采集的样品进行测定。采样基于圆柱形PVC管进行。采样时，将PVC管垂直轻压入土壤中提取完整岩心，然后小心挖掘并用保鲜膜包裹以保持水分防止改变。共采集了3个区域不同深度（5-40厘米）的15个土壤样品用于热导率测量。

热导率使用DRE-111多功能热导率分析仪测量。该设备采用线性热探针，提供恒定功率并记录电压随时间的变化来计算热导率。为提高精度，在长时间稳定间隔后进行重复测量，并保持独立读数间的变异在平均值的5%以内。每个样品在热稳定后进行三次测量，平均值作为代表性热导率。

3.3 土壤水汽通量测量

为测量土壤水汽通量，使用了覆盖不锈钢网的干燥剂容器。每个容器倒置，使网面与土壤直接接触，以吸附地表释放的水汽和气体。在每个观测区均匀分布四个测量点。实验期间，每30分钟使用精密电子天平称重一次，每个点位连续测量六次。为减少风和环境干扰，所有测量均在相对封闭的空间内进行。

与传统密封量热装置不同，本实验使用的容器填充了颗粒状干燥剂，允许适度渗透，从而促进稳定的水汽传输和扩散。测试了四种干燥剂：氧化钙（吸收水分和CO₂），以及变色硅胶、氯化钙和无水硫酸镁（仅吸收水分）。通过监测质量随时间的变化，实验评估了不同干燥剂在不同吸附机制下的吸湿性能和气体吸收能力。这些结果为分析土壤-大气界面水汽和气体交换过程提供了基础数据。

随后使用地热区的平均水汽通量值计算土壤的对流热损失。地热区水汽质量通量方程如下所示，其中q_adv为水汽通量质量，W·m^?2；L为蒸发潜热，kJ·kg^?1；A为水汽通过仪器的横截面积，m²；d_m/d_t为干燥剂吸收的水和气体质量随时间的变化率，g·s^?1。

3.4 土壤CO₂通量测量

本研究采用密闭气室法现场测量土壤CO₂通量。该方法通过监测密闭条件下CO₂浓度的时间累积来计算地表气体逸出通量。操作时，将红外CO₂分析仪与气体累积室连接，气室边缘略嵌入土壤并压实以防泄漏。气体从气室通过进气管被抽入分析仪，自动记录CO₂浓度随时间的变化。基于CO₂浓度随时间累积曲线，计算CO₂释放速率，得到土壤微渗漏CO₂通量。

为减少水汽干扰，进气系统配备了填充变色硅胶和棉花的干燥管。在每个温度探头孔旁挖一个约5厘米深的小坑，埋入气体采样装置并密封。每次测量持续420秒，期间记录13个CO₂浓度数据点。三个研究区共设立153个测量点，其中THM区52个，LYY区33个，DBD区68个。

所得CO₂通量数据采用图形统计分析法进行处理。这涉及将通量值绘制在对数概率图上以识别拐点，并将数据集划分为多个统计种群，每个种群代表不同的通量机制。

每个区域的总CO₂输出量使用Sichel t估计量进行估算，将每个识别出的统计种群的值乘以其相应的空间覆盖面积。每个种群CO₂释放的不确定性范围使用通量数据的95%中心置信区间进行评估。对于检测到的异常值，基于单个气室底面积计算CO₂通量贡献，并纳入总通量估算。

4 结果

4.1 传导热通量

温度梯度的估算基于每个测量点获得的温度-深度剖面。具体而言，从每个剖面中选择3到5组相邻深度数据点，应用线性回归计算斜率。选择回归系数最高的组代表当地地温梯度。基于剖面特征和底部温度条件，使用剖面中底部四个传感器计算地温梯度，底部温度低于40°C且具有稳态传导热传递特征。没有剖面显示底部温度达到当地沸点，如图所示。

总共在THM区获得63个地温梯度测量值，LYY区38个，DBD区52个。大多数温度-深度剖面呈线性趋势，仅少数显示异常，可能由钻孔内空气平流引起。然而，在这种高梯度地热背景下，此类扰动与昼夜循环引起的温度波动相比较小，因此可忽略不计。

用于热通量分布空间建模的序贯高斯模拟使用GSLIB软件中的sgsim模块进行。在模拟之前，根据变差函数特征对实测地温梯度数据进行空间离散化和插值，生成THM、LYY和DBD的传导热通量图。水汽对流通量未包含在此次模拟中。插值应用了1°C·m^?1的下限截断值。

为进行通量计算，假设每个研究区具有均质的热导率。根据地表沉积物特征赋值如下：THM区地表由含水粗砾石和砂质沉积物组成，热导率范围0.61至1.13 W·m^?1·K^?1，平均0.84 ± 0.16 W·m^?1·K^?1。LYY区覆盖细粒粉砂，植被稀疏，含水量低，热导率范围0.61至1.41 W·m^?1·K^?1，平均0.94 ± 0.24 W·m^?1·K^?1。DBD区主要由中粒砂和火山碎屑物质组成，热导率介于0.53至0.93 W·m^?1·K^?1之间，平均0.73 ± 0.1 W·m^?1·K^?1。

模拟结果表明，在THM区，高传导热通量值主要分布在调查区边缘。这种模式可能与更大的地形起伏和外围温泉发育有关，尽管此类热异常在空间范围上似乎受限。相比之下，DBD和LYY区域显示出较高的传导热通量中心簇，但总体通量水平略低于THM。

4.2 水汽热通量

四轮测量显示，各地热区的平均蒸汽通量约为50 g·m^?2·h^?1。较高的蒸汽通量通常与较高的地温梯度相关，而在低梯度条件下未观察到显著相关性。因此，为估算地热区的对流热通量，我们假设蒸汽通量均匀分布，且土壤中蒸汽迁移速度主要受地温梯度控制。

根据先前研究观察到的蒸汽通量与温度梯度之间的线性相关性，使用>20°C·m^?1的阈值梯度来定义研究区内的对流热通量区域。估算的对流热传递区域和相应的平均对流热通量如下：THM区为1.9 × 10⁴ m²，对流热通量为19.3 W·m^?2；LYY区为7.7 × 10³ m²，对流热通量为13.7 W·m^?2；DBD区为6.6 × 10⁴ m²，对流热通量为8.4 W·m^?2。

4.3 土壤CO₂通量

为确定平均土壤CO₂排放通量，对所有单点CO₂通量测量值进行了统计分析。土壤CO₂通量的累积概率分布显示出明显的多峰模式。按照方法，计算了每个种群的平均CO₂排放通量。

结果表明，平均土壤CO₂排放通量为：THM区545.4 g·m^?2·day^?1，对应年排放量3.8 × 10³吨；LYY区365.6 g·m^?2·day^?1，对应年排放量1.02 × 10³吨；DBD区134.8 g·m^?2·day^?1，对应年排放量3.3 × 10³吨。相比之下，藏南典型的非火山地热田，如羊八井地热田、羊易地热区和古露地热区，显示出更高的总CO₂排放量。然而，塔什库尔干观测到的排放强度仍表明存在相当大的温室气体释放，暗示强烈的水热活动常伴随着显著的土壤CO₂脱气。

使用SGS生成了THM、LYY和DBD地热田CO₂排放通量的空间分布图。这些图揭示了每个研究区内显著的空间异质性，一些位置显示出异常高的通量值。这种异质性表明土壤CO₂排放受多种地质和环境因素共同控制，特别是为深部气体迁移提供高效通道的断裂。因此，断裂带附近的CO₂通量显著升高。另一个原因可能与土壤渗透性限制有关。一些观测点显示出“低通量-高温”模式，表明即使深部热流体加热了地下，低地表渗透性也会限制CO₂的释放和扩散。此外，高CO₂通量区域在空间上与强烈的地表地热显示区（如温泉、喷气孔）重合，表明地热系统活动强度直接影响浅层CO₂排放。

5 讨论

5.1 塔什库尔干三个地热区总热通量特征

地表热通量是评估地热系统活动强度和资源潜力的关键参数。它反映了地下热源通过传导、对流和气体出溶等方式将能量传递到地表的综合结果。考虑温泉热释放后，三个研究区的总估算热输出约为3.01 MW，主要由THM和DBD区贡献。值得注意的是，三个区域表现出明显的空间变异：THM以高热通量为特征，热释放主要由CO₂脱气和蒸汽对流主导，表明断裂带具有高效的垂向连通性和高热导率。DBD显示出相对较低的热通量，可能受较厚地表覆盖层和受阻的上涌通道限制。LYY表现出高传导热通量，指示浅部热源和陡峭的地温梯度。

与国内其他典型地热系统相比，塔什库尔干部分区域显示出中高温地热田的特征。例如，西藏羊八井地热田平均地表热通量为69 ± 13 W·m^?2，热异常沿主要断裂带集中。藏东甘印属地热田总通量为58 ± 6.7 W·m^?2，以土壤CO₂释放和蒸汽对流为主。康定断裂带控制的玉林贡地热区典型值为45 ± 3.4 W·m^?2。相比之下，塔什库尔干的THM和LYY区热通量水平接近羊八井和甘印属的中等强度区域。考虑到该地区的非火山背景，这一点尤其值得注意，表明强烈的构造热控制和深部热源的显著贡献。这些区域的热释放机制与羊八井和甘印属等断裂驱动的汽-气耦合系统非常相似，凸显了其科学意义和开发潜力。

在全球尺度上，新疆典型非火山地热系统观测到的地表热通量与全球多个火山区报告的值相当。例如，意大利维苏威火山和武尔卡诺火山、亚速尔群岛的弗纳斯湖和特塞拉岛、新西兰的奥哈基地热场等都报道了相似量级的热通量。此外，新疆站点的热通量高于其他一些火山系统报告的值。尽管构造背景不同——火山弧与板内非火山环境——这些可比较的通量水平表明，中等热排放可能受类似的次地表过程控制，如沿断裂带的深部流体循环或隐蔽热源。这意味着塔什库尔干的地热系统具有与活动火山区知名地热田相当的开发潜力和研究意义。由板块碰撞构造诱导的塔什库尔干地区可以产生相当水平的热能输出，使该地区在地热研究中具有全球意义。

对温度梯度、热导率、CO₂排放强度和总热通量分布的综合分析表明，塔什库尔干的地热系统受主要区域断裂及其相关应力场的强烈控制。高热通量区通常与断裂延伸方向一致，表明断裂在促进深部热液上涌和集中近地表热异常方面具有双重作用。此外，CO₂通量的显著贡献凸显了挥发分出溶在增强热传输中的作用，这是大陆碰撞带地热系统的一个定义性特征。

5.2 热通量方法比较与热传递机制

准确确定地表热通量对于理解地热系统中的能量传递过程和评估其资源潜力至关重要。目前，两种主要方法被广泛用于估算地表热通量：基于土壤温度梯度的“传导+对流耦合方法”和基于CO₂气体排放的“土壤CO₂通量方法”。这两种方法反映了不同的热传递路径，代表了互补的热释放机制，各自具有独特的适用性和局限性，尤其是在构造复杂的非火山地热系统中。

土壤温度梯度法依赖于傅里叶定律估算传导热通量，同时部分考虑对流影响，如蒸汽蒸腾和气体引起的温度场扰动。该方法可被视为一种“传导主导、对流辅助”的方法。它对浅层温度梯度高度敏感，最适合传导占主导的相对未受干扰的地表环境。它提供了对深部热源、上覆地层性质和近地表热特征的洞察。本研究中，LYY区的传导热通量达到9.8 W·m^?2，显著高于DBD区的1.0 W·m^?2，表明LYY存在相对较浅的热源和有利的地表介质热导率。然而，该方法易受非稳态热条件、昼夜变化和土壤湿度波动的影响，并且在检测断裂主导或蒸汽驱动系统中的热通量方面效果较差。

相比之下，土壤CO₂通量法利用热液中CO₂与H₂O的质量比，通过测量土壤自然CO₂排放来估算蒸汽携带的潜热。该方法在识别“对流主导的热释放”区方面特别有效。它对断裂渗透性、幔源挥发分的输入和深部热液通道高度敏感，使其在检测高渗透性和气体活动区的异常热释放方面具有价值。本研究结果显示，THM区表现出最高的CO₂衍生热通量，为36.6 W·m^?2，远高于LYY区的29.9 W·m^?2和DBD区的10.5 W·m^?2。这与THM观测到的密集断裂、丰富温泉和土壤硅华沉积物很好地对应。该方法有效地捕捉了断裂渗透性、热液对流和挥发分脱气之间的耦合，使其成为表征断裂-流体-热相互作用系统的关键工具。

在热通量贡献方面，CO₂衍生通量占比分别为：THM区53.3%，DBD区54.6%，LYY区51.8%。这些值证明了CO₂通量法在高通量区的明显优势，它能可靠地捕捉由断裂引导的热传输和挥发分排放驱动的能量释放，这在THM强烈的深部热流汇聚中尤为明显。同时，土壤温度梯度法对浅部热源和局部热梯度更敏感，如其有效揭示LYY高梯度区所示。

从物理过程的角度看，两种方法是互补的：土壤温度法反映了局部稳态传导热传递，适用于识别浅部热异常和梯度集中区。CO₂通量法则捕捉非稳态、挥发分驱动的热释放，特别适用于检测沿断裂带的对流和平流传输。当结合使用时，这些方法能够同时识别地热系统中传导主导和对流主导的区域。这有助于开发多尺度热通量分布模型，并提高区域地热资源评估的准确性。

5.3 土壤CO₂通量法在非火山地热区的应用意义

在非火山地热系统中，缺乏喷气孔和高温蒸汽喷口通常使得依赖喷气孔气体化学确定CO₂:H₂O比率的传统方法不可行。这一限制显著制约了CO₂通量法在此类区域的应用和发展。本研究中，在塔什库尔干三个代表性非火山地热带的野外调查引入了一种创新方法，使用化学干燥剂量化CO₂:H₂O比率。结合土壤CO₂通量测量，成功估算了热通量，从而克服了在复杂地形和隐蔽地热系统中应用该方法的关键障碍。

研究表明，即使没有明显的蒸汽排放，深源挥发分仍能通过微渗漏迁移至地表，并表现为升高的土壤CO₂通量。这一发现表明，土壤CO₂排放并非仅限于火山地热田，也是非火山区域，特别是构造活动带和断裂系统发育区热释放的关键指标。此外，通过利用不同干燥剂对H₂O和CO₂的选择性吸附特性，该方法为估算水汽通量提供了可靠基础，从而提高了使用CO₂法进行气-热通量耦合分析的稳健性和完整性。

更重要的是，该方法可以在缺乏可见喷气孔或蒸汽喷口的地热异常区快速实施，为大规模地热调查提供了一种低成本、高适应性的解决方案。在诸如青藏高原或拉张盆地等深部热传输活跃但地表显示微弱的区域，本研究提出的干燥剂辅助策略支持的CO₂法可以有效部署，以识别地热系统的空间分布和活动强度。依赖化学干燥剂的该方法将极大扩展土壤CO₂热通量法的适用性。

土壤CO₂通量法向非火山领域的扩展不仅丰富了地热勘探的工具箱，而且推动了从传统的“高温-喷气孔-显著”地热田概念向“隐蔽-构造控制-微渗漏”系统的概念转变。这一创新在多种地质环境下的资源评估、能量通量评估和环境影响监测方面具有重要前景。

5.4 塔什库尔干地热开发潜力

塔什库尔干位于喜马拉雅