萇云，黃江華，張燕，王國群

(1.安徽省地勘局第一水文工程地質(zhì)勘查院，安徽 蚌埠 233000； 2.陜西地礦第二綜合物探大隊，陜西 西安 710016)

1 前 言

地熱水作為一種環(huán)保和可再生資源越來越受到重視并得以開發(fā)利用，但其埋深一般具有較大的深度和較厚的蓋層，單一地球物理方法往往受復(fù)雜地質(zhì)因素和多解性的影響效果欠佳，因而采用綜合地球物理勘探手段已成為共識[1]。我們在荷花崗地區(qū)實施了地熱勘探，布置6條剖面進行可控源音頻大地電磁測深、大功率激電法、瞬變電磁測深三種電法工作，其中CSAMT主要用于了解山前地段深部電性結(jié)構(gòu)特征，TEM法用于進一步確定電性異常的可靠性，TDIP法用于評價電性異常段的富水性[2，3，4]。充分考慮到三種方法各自的優(yōu)勢特點，最大程度的減少勘探中的多解性，最終獲得了工作區(qū)地層結(jié)構(gòu)、斷裂構(gòu)造展布及地熱異常的分布范圍和熱儲特征等信息。同時研究區(qū)的地質(zhì)條件基本符合我國典型的中低溫對流型地熱系統(tǒng)[5]的形成要素，也為獲得中低溫熱水提供了地質(zhì)前提，經(jīng)實鉆在這一地區(qū)獲得了地熱井，是較為成功的勘探案例。

2 地質(zhì)概況及地球物理特征

2.1 地質(zhì)概況

工作區(qū)處于下?lián)P子地臺皖南斷褶帶，被北東和北西斷裂圍限的白堊紀斷陷盆地內(nèi)，周邊地層發(fā)育齊全，巖漿活動較強[6]，分布燕山早期花崗巖和喜馬拉雅期基性巖脈(如圖1所示)。工作區(qū)及周邊主要斷裂有3條正斷層，其中近東西向斷層、北西向斷層是區(qū)域性江南深斷裂的次級斷裂，沿斷層有石英巖脈侵入，且被北東走向斷層錯斷，并形成了低山丘陵和河谷平原。工作區(qū)出露劉村巖體，主要巖性為似斑狀二長花崗巖，呈巖基和巖株分布，屬于燕山晚期白堊紀花崗巖侵入體[7]。斷裂的長期活動和巖漿侵入活動，為工作區(qū)地熱資源的形成和不同深度的地熱水層間對流循環(huán)提供了通道，也構(gòu)成了工作區(qū)內(nèi)的熱源、控熱和導(dǎo)熱條件。

圖1 工作區(qū)構(gòu)造簡要地質(zhì)圖[6]

區(qū)內(nèi)出露地層主要是白堊系赤山組和志留系地層霞鄉(xiāng)組、河瀝溪組和康山組，主要巖性為泥質(zhì)砂巖、粉砂巖、頁巖及砂巖和頁巖互層、厚層長石石英砂巖等。區(qū)域資料顯示工作區(qū)第四系為淺部含水巖組，直接受大氣降水和地表水補給，山前河谷平原的單井涌水量為 5 m3/d～20 m3/d[7]。志留系和白堊系地層中的砂巖是碎屑巖類孔隙水的含水層，主要分布在丘陵地區(qū)，特別是斷層發(fā)育地區(qū)，賦水性較好；燕山期侵入花崗巖是基巖裂隙水的賦存體，主要賦存于風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙中，水量小但水質(zhì)好。地下水的補給主要接受大氣降水，通過深大斷裂或者構(gòu)造裂隙等不斷的補給深部地下水。

上述地層巖性、構(gòu)造等地質(zhì)條件符合“基本出現(xiàn)在斷裂破碎帶或兩組不同方向斷裂的交匯部位，巖體滲透性差，主要靠裂隙及破碎帶導(dǎo)水，在地形高差影響下和相應(yīng)水力壓差作用下形成地下熱水環(huán)流系統(tǒng)”的中低溫對流型地熱系統(tǒng)的定義[5]，對找到中低溫的地熱水具有很好的地質(zhì)前提。

2.2 地球物理特征

資料顯示，碎屑巖地層和巖漿巖體存在一定的電性差異，成巖地層電阻率高于疏松層。工作區(qū)第四系黏土和含礫亞黏土的電阻率為低阻；向下巖性逐漸穩(wěn)定，直至志留系下統(tǒng)的細粒砂巖受含水影響后電阻率為中低阻，若是致密砂巖，則為中高阻。當發(fā)生斷裂破碎或裂隙充水后，巖層電阻率大大降低，在斷面圖中表現(xiàn)為明顯的垂向低阻圈閉區(qū)或低阻條帶。上述地層的電性特征表明工作區(qū)具備使用電磁勘探的物理前提，電阻率呈低值異常形態(tài)的構(gòu)造破碎帶或者裂隙帶是本次地熱勘探的目標區(qū)域。

3 工作布置

工作區(qū)地處盆地，村莊較多，野外施工時干擾較多，在綜合考慮地質(zhì)、人文等各方因素后采用可控源音頻大地電磁(CSAMT)、瞬變電磁法(TEM)和大功率激電剖面(TDIP)三種組合方法，測線方向以近南北向為主(垂直于近東西和北西向斷裂)。由于工作區(qū)地球物理資料粗略，為提高勘探經(jīng)濟效益，采取了先在工作區(qū)邊部、中部布置了1號、2號、3號測線進行控制，繼而在電性異常區(qū)加密測線進行勘探，進一步圈定有利異常區(qū)的方案。其中CSAMT剖面長 5.25 km，點距為 50 m，5條測線；TEM法針對異常區(qū)進行復(fù)核，剖面長度為 5.88 km，點距 20 m，6條測線；TDIP方法用于評價異常區(qū)的賦水情況，剖面長 4.14 km，點距 20 m，5條測線。

4 方法應(yīng)用成果

4.1 可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)

可控源音頻大地電磁法是一種利用人工場源激發(fā)地下巖石產(chǎn)生一次場后，接收不同巖石導(dǎo)電率差異導(dǎo)致的一次場電位和磁場強度變化的勘探方法[2，3，8，9]，應(yīng)用較廣。其特點是信號強度比天然電磁場大，抗干擾能力強，能有效探測 3 000 m以內(nèi)地質(zhì)體的電性差異，且能穿透高阻層。工作區(qū)地表以下地層主要是志留系粉砂巖、細砂巖等，電阻率較高，發(fā)生破碎、裂隙或斷裂充水后電阻率降低，利用CSAMT方法的曲線異常、斷面異常和平面異常的電性分布信息可以有效查明深部電性結(jié)構(gòu)和深部地熱存儲情況。

工作區(qū)位于地層結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的盆地，因而測深點的異常曲線類型基本一致，均為KHK型曲線。我們以4線325號測深點為例(如圖2所示)，根據(jù)頻點和反演深度的關(guān)系，自地表向深部電阻率呈中低阻-高阻-低阻-高阻-次高阻變化，呈現(xiàn)5個電性層。綜合前述地層巖性的電性特點和定量反演計算，在一定深度范圍內(nèi)劃分出了儲熱位置及其大致深度(如表1所示)。

圖2 4線325點CSAMT測深曲線分析

地層電性結(jié)構(gòu)劃分表 表1

4測線CSAMT視電阻率斷面圖清晰顯示了電阻率的橫向和縱向變化特點(如圖3(a)、(b)所示)。剖面自南向北存在多個明顯低阻帶，向下延伸較大，低阻帶寬度不一，很明顯它們是不同規(guī)模斷裂的反映。如剖面北段925點處延伸較深的低阻異常應(yīng)是較大斷裂而致，深部區(qū)域?qū)倏責岵课?，而剖面南?25點處高阻異常和低阻異常交替出現(xiàn)，范圍較大、低阻異常帶延展深度有限，是次級斷裂發(fā)育的特征，推測為非控熱區(qū)域，僅為斷層充水所致。據(jù)此認為工作區(qū)存在兩條斷裂F1、F2，分別穿過4線剖面，均為正斷層(如圖3(c)所示)。

圖3 4線CSAMT視電阻率等值線斷面圖

圖4 4線TEM視電阻率等值線斷面圖

4.2 瞬變電磁測深(TEM)

TEM測深是時間域電磁感應(yīng)方法，通過回線向地下發(fā)射電流脈沖方波后接收反射回來的二次磁場的變化來揭示地下地質(zhì)體電性分布情況的一種方法[2，4]。當?shù)叵虏淮嬖诹紝?dǎo)體時，二次磁場隨時間衰減的特性曲線會快速下降，當存在良導(dǎo)體時，在電源切斷的一瞬間導(dǎo)體內(nèi)部將產(chǎn)生渦流以維持一次場的切斷，觀測到的衰減過程會變慢，從而發(fā)現(xiàn)地下導(dǎo)體的存在。由于在時間上一次場和二次場是分開的，分辨率較高?？梢栽诮鼌^(qū)觀測，彌補了CSAMT法只在遠區(qū)觀測的缺陷。

為便于對比分析TEM和CSAMT兩種方法的結(jié)果，同樣以4線TEM視電阻率斷面圖為例說明。如圖4所示，剖面自南向北在橫向和縱向上存在明顯的電性差異，顯示工作區(qū)地層具有不同的分層及多條斷裂。特別是在600點和850點～1 000點附近電阻率發(fā)生突變，且深部出現(xiàn)明顯的較大范圍的低阻區(qū)域，顯然根據(jù)這兩處的電性變化可以判斷F1、F2兩條斷裂穿過4線剖面，延伸較深，控制著深部熱源的上升流動，是工作區(qū)的控熱和導(dǎo)熱斷層。

4.3 大功率激電剖面(TDIP)

TDIP很早就應(yīng)用于查找低阻和高極化地質(zhì)體，特點是可利用其斷面圖確定極化體的分布和產(chǎn)狀，特別是在極化效應(yīng)較弱下也有可能發(fā)現(xiàn)較小的地質(zhì)目標[3]。因此在各測線上實施了TDIP法，用于評價CSAMT和TEM結(jié)果中異常段的富水性。根據(jù)極化率等值線圖(如圖5所示)，各剖面的中部偏北段出現(xiàn)了較大范圍的高極化區(qū)域，與南北兩端的低極化率形成對比，進一步證實了F1和F2斷裂的存在。兩條斷層基本平行展布，呈北西走向，且延伸超過了 1 000 m，具備很好的控熱和控水能力，從而造成了兩條斷層之間高極化異?，F(xiàn)象。

(紅色：高極化率，藍色：低極化率，陰影圈閉：異常區(qū))圖5 大功率激電極化率等值線圖

綜合上述分析解譯，三種方法的探測結(jié)果明確顯示工作區(qū)存在F1和F2兩條正斷層，斷層之間出現(xiàn)多個低電阻率和高極化的地熱富水區(qū)域。依據(jù)測深曲線形態(tài)的分析，沿兩條斷裂及其附近的低阻異常區(qū)是最佳的勘探井位置，預(yù)設(shè)了3個鉆孔位置(如圖5所示)，設(shè)計井深 1 200 m?？紤]到工作區(qū)及周邊廣布的燕山期巖漿巖體和喜馬拉雅期巖脈，預(yù)計熱儲層溫度大于30℃。經(jīng)過鉆探，在設(shè)計孔1(4線600點附近)鉆成地熱井，井深 2 120 m，并進行了數(shù)字測井工作，結(jié)果顯示工作區(qū)的含水層是裂隙性含水層，破碎帶位于 1 000 m深度以下，取水段為兩個層段，分別在地下 1 400 m和 2 089 m。地下1 400 m的水溫達到了53℃，而井底水溫則高達71.3℃。

5 結(jié) 語

通過可控源音頻大地電磁測深、瞬變電磁測深和大功率激電剖面綜合勘探和分析解譯，明晰了工作區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、熱儲層分布范圍及埋藏深度，可沿斷層布置鉆孔。結(jié)合工作區(qū)的地形、所處斷裂構(gòu)造位置等地質(zhì)特征，荷花崗地區(qū)的熱水屬于典型的中低溫對流型地熱系統(tǒng)[5]，而巖漿巖的多期活動為中溫水提供了熱源。實鉆后顯示井底(2 100 m深)水溫達到71.3℃，驗證了前期的推斷解譯。

從廣德荷花崗地熱勘探結(jié)果來看，可控源音頻大地電磁測深可以有效查明斷陷盆地內(nèi) 1 000 m～2 000 m深的地層分層和斷裂分布等地質(zhì)結(jié)構(gòu)，圈定出深部電性異常區(qū)域；大功率激電法預(yù)測了地下水富水區(qū)域；瞬變電磁測深則進一步驗證了電性異常區(qū)的可靠性，有效減少了多解性和解譯結(jié)果的不確定性。因此多種電磁法的合理的綜合使用和先控制后加密勘探的工作方案較大地提高了地熱勘探的效果和經(jīng)濟效益。

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