許 力, 馬潤勇, 潘愛芳, 魏萌初, 張 璠
(1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院,西安 710054; 2.長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,西安 710054)
當(dāng)前,能源問題已經(jīng)成為影響經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素. 尤其是進入新世紀(jì)以來,可持續(xù)發(fā)展、綠色環(huán)保的理念日益深入人心. 作為一種清潔可再生的新興能源,地?zé)崮芫哂械吞?、可開發(fā)周期長、開采得當(dāng)可實現(xiàn)取之不盡用之不竭的突出優(yōu)點,越來越受到人們的重視. 地球是一個熱庫,其內(nèi)部蘊含巨量的熱能,在溫度差的作用下,深部熱能不斷向淺部輻射傳導(dǎo)[1]. 為維護國家能源安全,實現(xiàn)社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,研究地?zé)豳Y源形成機制及其賦存特征具有極其重要的理論意義和現(xiàn)實意義.
斷裂構(gòu)造是地?zé)豳Y源勘查中重要的指示性構(gòu)造,在地?zé)豳Y源的形成中主要起導(dǎo)熱通道和熱儲區(qū)的作用[2]. 因此,確定斷裂構(gòu)造的走向、延伸以及展布特征是進行地?zé)豳Y源勘查開發(fā)的前提條件. 石泉縣位于揚子板塊北緣與南秦嶺褶皺系交匯地帶,受揚子板塊向北的俯沖作用,致使揚子板塊北緣晚三疊至中侏羅的前陸盆地被推覆和改造[3~5],強烈的地殼運動使得研究區(qū)發(fā)育密集的斷裂帶,成為地下熱源向上傳導(dǎo)的通道,在研究區(qū)形成地表溫度異常區(qū)(圖1). 有研究表明,在研究區(qū)鄰區(qū)的旬陽北部發(fā)現(xiàn)大量的熱水相沉積物,表明該構(gòu)造單元曾經(jīng)發(fā)生過頻繁的火山活動[4],間接證明研究區(qū)存在生熱蘊熱的構(gòu)造前提.
圖1 研究區(qū)淺層土壤溫度圖Fig.1 Temperature map of shallow soil in the study area
熱環(huán)境對巖礦石的物性會造成明顯的改變,有研究結(jié)果表明,持續(xù)的熱作用會導(dǎo)致巖礦石電阻率降低[6];由于地下水的存在,會導(dǎo)致富水區(qū)形成相對低阻異常,因此低阻異常帶成為地?zé)峥辈橹械闹匾繕?biāo). 可控源音頻大地電磁測深法(Controlled source audio-frequency magnetotellurics,CSAMT)是一種通過測量正交的電、磁場分量來計算卡尼亞視電阻率進而推斷隱伏構(gòu)造的一種地球物理電法勘探方法,具有抗干擾能力強、橫向分辨率高、探測深度大等優(yōu)點,在深部隱伏礦產(chǎn)探測、地?zé)豳Y源勘查、水文-工程地質(zhì)勘查方面取得了較好的探測效果[7-10]. 激電測深法是一種以不同地層、含水區(qū)激電效應(yīng)差異為物質(zhì)基礎(chǔ),通過研究觀測到的激電場的分布規(guī)律,探查地下地質(zhì)情況的地球物理勘探方法,在油氣勘查、地下水位探測等方面發(fā)揮著重要的作用[10-13]. 為了查明石泉縣地?zé)峥辈閰^(qū)的斷裂構(gòu)造分布、產(chǎn)狀、延伸等特征以及裂隙水的分布情況,為進一步布設(shè)鉆孔孔位提供設(shè)計依據(jù),本文遵循由總體至局部、由淺部至深部的勘探依據(jù),在目標(biāo)區(qū)布設(shè)7條CASMT測線,接著在CSAMT資料解釋的基礎(chǔ)上再進行激電測深.
勘查區(qū)地層由老至新可分為青白口系耀嶺河組(Qny),震旦-寒武系陡山沱組、燈影組并層(Z2-∈2d-dn),寒武系魯家坪組、箭竹壩組并層(∈1-31-j)以及奧陶系-志留系斑鳩管組、梅子埡組并層(O2-S2b-m). 其中Qny主要分布于勘查區(qū)東南側(cè),該層主要出露細(xì)粒-微晶灰質(zhì)白云巖、絹云母泥質(zhì)片巖,控制厚度可達(dá)226 m(圖2). Z2-∈2d-dnz 主要分布在勘查區(qū)西南側(cè)的山巒之間,出露巖性有硅質(zhì)板巖、絹云母泥質(zhì)板巖和灰質(zhì)白云巖,該層控制厚度為401 m. ∈1-31-j 分布在勘查區(qū)正斷層的上盤位置,層巖性出露灰質(zhì)白云巖、云母片巖、白云巖、絹云母泥質(zhì)片巖、黑云母片巖,控制厚度可達(dá)1450 m. O2-S2b-m廣泛分布在饒峰河兩岸的廣大地區(qū),出露巖性為絹云母泥質(zhì)片巖、含礫中粒砂巖,含石榴子石云母片巖、絹云母粉砂質(zhì)板巖,巖層厚度可達(dá)2150 m. 這些地層中發(fā)育有密集的褶皺、節(jié)理等構(gòu)造,這些構(gòu)造特征為熱量的傳導(dǎo)和熱水的儲存提供了良好條件.
圖2 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)、勘查范圍以及測線布置圖Fig.2 Regional geology,survey scope and survey layout in the study area
受揚子板塊與華北地塊碰撞擠壓的作用,研究區(qū)在早震旦世發(fā)育大規(guī)模的巖漿活動,其中噴出巖以酸性、中基性為主,侵入巖以基性、超基性為主[14]. 新生代以來,受安康-月河斷裂控制,研究區(qū)形成了南斷、北起的箕狀斷陷盆地[15];隨著研究區(qū)北部的隆起,第三系沉積蓋層南移,形成了三個不整合亞層,地表沉積了褐紅色的黏土質(zhì)碎屑[5],不整合地覆蓋于斷陷盆地之上.
地層巖石物性特征表明,地表出露的片巖的電阻率相對較低,白云巖則表現(xiàn)出相對的高電阻率特性(表1);由于多期構(gòu)造的作用,埋深更大基巖發(fā)育有密集的斷裂、節(jié)理等構(gòu)造,這些裂隙的發(fā)育導(dǎo)致斷面電阻率變化較大,圍巖表現(xiàn)位相對的高阻,而裂隙由于充水、充泥會出現(xiàn)低阻異常. 巖層與儲層之間的電性差異使得綜合使用電法勘探進行深部構(gòu)造劃分提供了物性基礎(chǔ). 本次應(yīng)用CSAMT法來尋找勘查區(qū)隱伏的表現(xiàn)為相對低阻狀態(tài)異常特征的斷裂延伸帶,并在重點部位施加激電測深,探測地下深埋的隱伏的既有低阻特征的充水?dāng)嗔哑扑閹?
勘查區(qū)地球物理測量建立在地表土壤溫度測量之后(圖1),根據(jù)實際地質(zhì)調(diào)查情況,結(jié)合地表溫度異常分布狀況確定測線布置的位置. 通過地球物理測量進一步了解勘查區(qū)實測正斷層垂向拓展深度、產(chǎn)狀特征以及次級斷層的發(fā)育狀況,賦水區(qū)的形態(tài)、物性特征等參數(shù). 在已知地表溫度異常區(qū)布設(shè)7條CSAMT測線,設(shè)計點距為100 m,測線方位角67°. 選擇CSAMT電阻率繼面圖中異常明顯位置處設(shè)計激電測深測點23個,分別沿300、350、400線平行布設(shè),設(shè)計點距200 m,測線方位角63°(圖2).
CSAMT 法投入使用的儀器為美國Zonge 公司的GDP-32Π多功能電法站. 為確保數(shù)據(jù)測量質(zhì)量,在實測工作之前對磁探頭進行了定標(biāo),并對儀器進行了自動校準(zhǔn)和檢測,儀器各項指標(biāo)均符合要求. 針對勘查區(qū)的實際情況,CSAMT點距設(shè)置為100 m,為獲得更好的觀測效果,對頻率進行了 2 加密,實際頻率范圍為0.01~8192 Hz(表2). 為保證足夠的信噪比,在300線進行了收發(fā)距實驗,根據(jù)實際觀測結(jié)果,收發(fā)距選定為7 km.本次測量獲得可控元音頻大地電磁測深測點76點,檢查其中的7個點,占總觀測點數(shù)的11.84%,檢查點的總均方相對誤差低于9%. 考慮到測量過程中人工設(shè)施、車輛活動等造成的誤差,在數(shù)據(jù)反演之前需要完成畸變剔除、靜態(tài)校正用以消除場源效應(yīng)和靜態(tài)效應(yīng)[16-18]. 之后結(jié)合地質(zhì)資料,采用二維地形法獲取研究區(qū)地層巖性的電性特征已經(jīng)構(gòu)造的集合特征,根據(jù)反演成果,推斷目標(biāo)構(gòu)造的分布、產(chǎn)狀以及延伸等特征.借助于SCS2D電磁反演軟件,完成了本次數(shù)據(jù)處理.
表2 CSAMT工作頻率Tab.2 Working frequency list of CSAMT
激電測深法所使用的儀器為重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所研制的WDFZ-20T大功率發(fā)射機和WDJS-2A型激電接收機. 測量開始之前,分別在測區(qū)進行單臺儀器定標(biāo)和多臺儀器一致性測試. 在CSAMT資料初步解釋的成果基礎(chǔ)上,選取300、350、400線布近平行設(shè)測線. 測量采取對稱四極測深裝置,沿測線方向布極,方位角63°. AB/2最大為1000 m,設(shè)置供電時間為8 s,通斷比1∶1,斷電延時200 ms,采樣寬度40 ms. 在實際測量工作中,對所有測點采取復(fù)測,若相對誤差小于10%,則取平均值作為終測結(jié)果,若大于10%,則采取多次觀測,按1∶3取舍原則,剔除誤差較大者.
圖3是由勘查區(qū)所布設(shè)的7條CSAMT測線所反演的視電阻率斷面圖,其中橫軸為地面測點,對應(yīng)水平距離,剖面的方向為N67°E,縱軸所反映的是測深,圖中紅色實線為推測斷裂構(gòu)造.
根據(jù)100線可控元音頻大地電磁測深電阻率剖面圖(圖3)可以看出,斷面內(nèi)電阻率變化幅度比較大,推斷在此范圍內(nèi)地層分布比較復(fù)雜. 本斷面中電阻率總體呈現(xiàn)兩端高阻包圍中間低阻的特征,按照視電阻率的相對高低,可劃分為兩個高阻異常帶(GZ-1,GZ-2)和兩個低阻異常帶(ZG-1,DZ-2);其中,DZ-1聯(lián)通地表與深部,低阻帶寬約600 m,垂向伸展可達(dá)2000 m,推斷其為斷裂帶F1在垂向上的展布,在GZ-1低阻帶的末端,出現(xiàn)了低阻區(qū)范圍水平延伸的現(xiàn)象,其位置為水平點260到300之間,埋深在-1500~-2000 m之間,垂向上此低阻帶將上部高阻帶截斷,推斷其應(yīng)該為F1斷裂的水平向發(fā)育的次級裂縫. 兩側(cè)的高阻帶(GZ-1、GZ-2)推斷應(yīng)為片巖和砂巖.
圖3 可控源測線視電阻率斷面Fig.3 Section of apparent resistivity of CSAMT line
200線電阻率剖面表現(xiàn)兩端高阻(GZ-1、GZ-2)而中間低阻(DZ-1、DZ-2)的現(xiàn)象. DZ-1低阻帶出現(xiàn)在點175~240之間,異常寬度達(dá)到650 m左右,延伸產(chǎn)狀陡傾,貫穿地表和深部,推斷為斷裂帶F1的反映. 測點225~298點之間,埋深在-1500~-2100 m之間出現(xiàn)與DZ-1連接的DZ-2低阻帶,其大致處于DZ-1的北東側(cè),推斷斷裂帶的水平向延伸的次級裂縫,并在此處產(chǎn)生了地下水的富集. 兩端的高阻異常帶應(yīng)該為砂巖和片巖的反映.
300 線視電阻率斷面呈現(xiàn)兩端高阻(GZ-1、GZ-2)夾中間低阻(DZ-1)的現(xiàn)象,中部低阻帶DZ-1 出現(xiàn)的185~275點之間,異常寬度約為900 m,深度在-200~-1400 m之間,推斷其應(yīng)該為貫穿勘查區(qū)的斷裂帶F1的反映,在-400~600 m深度范圍內(nèi)出現(xiàn)了低阻區(qū)擴大的現(xiàn)象,推斷其為地下水在該位置匯聚所致. 兩側(cè)的高阻帶其視電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其余部位,應(yīng)該為砂巖和片巖.
340線剖面的CSAMT異常反演圖表現(xiàn)為兩端高阻(GZ-1、GZ-2)、中間低阻(DZ-1、DZ-2)的特征. 低阻帶DZ-1出現(xiàn)在水平位置200~280點之間,寬約800 m,貫穿深度在地表以下-200~-800 m之間,其應(yīng)該為斷裂帶F1在斷面的反映. 低阻帶DZ-2出現(xiàn)在-600~-1500 m深度范圍內(nèi),其異常區(qū)橫向?qū)挾却笥贒Z-1,并在橫向上向兩端延伸,推斷其為斷裂帶在橫向上的刺激斷裂. 兩側(cè)高阻應(yīng)該為砂巖和板巖的反映.
350線的斷面視電阻率反演圖與240線特征相同,低阻帶DZ-1出現(xiàn)水平位置為200~280點之間,異常寬度約為800 m,異常埋深出現(xiàn)在地表下-200~-1000 m之間,產(chǎn)狀陡傾,推斷其為斷裂帶F1在垂向上的延伸,低阻帶DZ-2出現(xiàn)在DZ-1北東側(cè),在-900 m位置與之聯(lián)通,推斷其為賦水區(qū). 高阻帶GZ-1根據(jù)其視電阻率特征,判斷為砂巖和板巖的反映.
360線的視電阻率斷面圖整體呈現(xiàn)兩端高阻(GZ-1、GZ-2)中間低阻(DZ-1、DZ-2)的特征. 低阻帶DZ-1出現(xiàn)在水平位置210~280點之間,異常寬度達(dá)800 m,異常出現(xiàn)在0~-800 m深度范圍內(nèi),產(chǎn)狀近直立,推斷其為斷裂帶F1的反映. 低阻帶DZ-2在-900 m處與DZ-1相貫通,在深部向兩端延伸,呈開放狀態(tài),推斷該處應(yīng)該為含水層. 高阻異常區(qū)應(yīng)該為片巖或者板巖的反映.
400線的視電阻率斷面圖總體呈兩端低阻夾中間高阻的特征,中部低阻帶自淺部與深部相貫通,平面范圍為235~305點之間,異常寬度約700 m,低阻帶淺部窄而深部寬,推斷為斷裂帶F1的反映. 低阻帶DZ-2平面范圍為305~345點,并在-1000~-2000 m之間向兩端水平向延伸,可能為斷裂帶的水平向次級裂縫,大面積的低阻區(qū)應(yīng)該為地下水富集所致. 兩端高阻帶為砂巖和片巖的反映.
為進一步確定低阻帶的異常區(qū)范圍以及所產(chǎn)生的原因,在CSAMT的300、350、400線同向布設(shè)激電測深剖面,點距設(shè)置為200 m,共計23點. 圖4為所反演的視極化率、視電阻率斷面圖,其中淺色表示低值異常,深色表示高值異常.
圖4 激電測深反演斷面圖Fig.4 Cross-sectional view of IP sounding
300線激電測深的視極化率等值線斷面可以看出在小號方向(南西向)存在一個高極化體,其視極化率做高可達(dá)12%,極化體形態(tài)完整,激電強度比較高,橫向?qū)挾燃s為600 m,縱向基本呈封閉狀態(tài)(AB/2最大為1000 m),經(jīng)過實際野外地質(zhì)調(diào)查及露頭電性測量,推斷其出現(xiàn)與含炭質(zhì)片巖有關(guān). 在視電阻率斷面圖中,可見兩側(cè)電阻率呈高阻異常,低阻帶(50 Ω·m)處于中間,在水平1500~1600 m之間. 視電阻率呈現(xiàn)陡直密集,說明該處物性處于急劇變化狀態(tài),推斷應(yīng)該為斷裂構(gòu)造,其位置與CSAMT視電阻率斷面低阻區(qū)位置高度重合,其應(yīng)該為斷裂帶F1的反映;在水平1900~2600 m之間,視極化率和視電阻率斷面圖均存在低值封閉圈,說明此處富水性良好.
350線的視極化率斷面等值線圖中可以看出,小號方向存在一個高極化體,極化率最大可達(dá)8%,極化體在縱向上延伸較好,深部基本封閉. 在視電阻率斷面圖中可見,水平位置1700~1900間電阻率等值線陡傾密集,反映了在該處巖石電性發(fā)生劇烈變化,綜合對比350線的CSAMT視電阻率擬斷面的位置可以推斷其為斷裂帶F1的反映. 視電阻率在1900~2700中間處呈現(xiàn)低阻異常,且同位置的視極化率亦呈現(xiàn)出低值封閉,推斷該位置富水性良好.
400線激電測深斷面圖異常形態(tài)相似于300、350線,在剖面小號區(qū)存在高極化體,視極化率可達(dá)10%,橫向上向小號方向延伸,縱向上向深部延伸,但并未形成封閉的極化體,說明此處極化體埋深較大. 視電阻率低阻帶出現(xiàn)在斷面大號方向,在2300位置處電阻率變化劇烈,等值線呈現(xiàn)陡傾,應(yīng)該是斷裂帶F1的反映.
勘查區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有北西向的石泉-饒峰正斷層,該斷裂是地下熱向上傳導(dǎo)的導(dǎo)熱通道,在斷裂帶附近形成了一系列成規(guī)模的熱異常區(qū)(圖1). 通過對CSAMT視電阻率擬斷面圖與激電測深斷面進行分析,勘查區(qū)低阻帶延伸至地表以下1500~2000 m;通過綜合對比實測斷裂與視電阻率擬斷面圖推斷的構(gòu)造位置相對關(guān)系,確定F1為石泉—饒峰正斷層在垂向上的延伸,并確定了該斷層的性質(zhì)和產(chǎn)狀(圖3),該斷裂整體上呈北西走向,傾角40°~65°,斷層向下深切,垂向破裂擴展深度可達(dá)2000 m左右,并在地下1000~1500 m之間形成一系列小次級斷裂,構(gòu)成富水導(dǎo)熱構(gòu)造. 上述特征說明,該區(qū)導(dǎo)熱、生熱、儲熱條件優(yōu)越,且淺層土壤熱異常明顯,是地?zé)豳Y源賦存條件優(yōu)秀的區(qū)域.
聯(lián)合圖3和圖4的視電阻率斷面圖可知,DZ-1異常區(qū)位置基本分布于各斷面中間位置,北東側(cè)與南西側(cè)高阻異常明顯. 其中200線的低阻異常區(qū)范圍最大,異常寬度在650 m左右,埋深-1600~-2100 m之間,為地下熱水最可能賦存區(qū)域,建議在200線的235(坐標(biāo):239 213,3 664 005)-255(坐標(biāo):239 394,3 664 087)點之間選擇合適位置布設(shè)鉆孔進行驗證,設(shè)計孔深2200 m.
1)通過CSAMT法和激電測深法綜合探測推斷得出石泉—饒峰斷裂向深部延伸達(dá)1500~2000 m,為深大斷裂,是勘查區(qū)主要的導(dǎo)水導(dǎo)熱構(gòu)造.
2)根據(jù)CSAMT視電阻率斷面圖可以劃分兩個低阻異常區(qū),其中DZ-1低阻帶范圍最大,延伸最深,為本區(qū)賦水有利區(qū),同樣也是地?zé)豳x存優(yōu)勢區(qū),建議在200線235~355點之間選擇合適位置布設(shè)鉆孔以驗證,設(shè)計孔深2200 m.
3)通過分析,認(rèn)為CSAMT和激電測深法具有很好的互補性;CSAMT法在實際探測中對深層信息的捕捉能力不夠,因此,在低阻區(qū)進行激電測深是有必要的,可以在很大程度上彌補探測深度有限帶來的解釋誤差.
4)本文通過實際探測,驗證了CSAMT法和激電測深法在石泉地?zé)峥辈橹袘?yīng)用的有效性,為斷陷盆地地?zé)豳Y源勘查工作提供一定的借鑒;多種物探方法綜合探測,可以顯著增強勘查效果,結(jié)合地質(zhì)調(diào)查,有減少商業(yè)開發(fā)地?zé)豳Y源的風(fēng)險.