王佳龍，邸兵葉，張寶松，趙東東

(中國地質(zhì)調(diào)查局 南京地質(zhì)調(diào)查中心，江蘇 南京 210016)

0 引言

地?zé)崾侵竵碜缘厍騼?nèi)部的熱能量，一般以熱水或水汽形式埋藏于地下或出露地表，被廣泛用于電力、醫(yī)用治療和采暖供熱等多個領(lǐng)域，是繼煤、石油、天然氣等之后又一開發(fā)前景極為廣闊的天然環(huán)保清潔能源，在未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)相互協(xié)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中占有重要的地位[1]。地?zé)峥辈榉椒ㄓ泻芏喾N，如測溫法、化探方法、重磁聯(lián)合法及電阻率法等，一般都是尋找熱儲構(gòu)造、運(yùn)移通道和蓋層等有利構(gòu)造，進(jìn)而間接判斷熱儲層的位置、大小等空間特征。其中，電阻率法是進(jìn)行地?zé)崽锟辈榈膫鹘y(tǒng)方法之一，常用的電阻率方法有電測深法、音頻大地電磁法(AMT)及可控源音頻大地電磁法(CSAMT)等[2-6]。由于地?zé)釡囟容^高，地下水密度和粘滯性減小，溶解能力增強(qiáng)，隨之水礦化度增高，離子活性增加，電阻率降低，因此會與周邊地層形成顯著的電性差異，具備了物探前提。音頻大地電磁法具有勘探深度大、受高阻層屏蔽影響小、受地形影響小、對低阻層識別度高、分辨率高、成本低、工作效率高等諸多優(yōu)點，是地?zé)峥辈橹饕椒ㄖ籟7-10]。

福建省寧化縣黃泥橋地區(qū)有天然溫泉點出露，自流出水量約為203 m3/d,平均水溫 40.3 ℃。該區(qū)進(jìn)行過地質(zhì)、水文地質(zhì)填圖、區(qū)域重力調(diào)查、測溫法、簡易地球化學(xué)調(diào)查等工作，基本圈定了地?zé)岙惓^(qū)的范圍、熱儲規(guī)模和熱儲溫度[11-12]，但對該區(qū)整體斷裂構(gòu)造分布和熱儲區(qū)的關(guān)系、熱儲層的空間分布特征等研究較少。本次在綜合利用前人研究成果的基礎(chǔ)上，綜合考慮地質(zhì)背景、目標(biāo)層埋深、施工條件、勘探方法技術(shù)選取等因素，優(yōu)選AMT方法進(jìn)行地?zé)峥辈椋谘芯繀^(qū)部署了13條AMT測線，共計272個測點，旨在進(jìn)一步深化對黃泥橋地區(qū)地?zé)嵝纬捎欣麡?gòu)造的認(rèn)識，查明區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造分布和熱儲層空間位置關(guān)系，為該地區(qū)地?zé)豳Y源的進(jìn)一步開發(fā)利用提供指導(dǎo)。

1 地質(zhì)與地球物理特征

研究區(qū)位于福建省三明市寧化縣黃泥橋地區(qū)，寧化盆地邊緣。區(qū)內(nèi)出露地層較簡單，主要為加里東期花崗巖(ηγ3)和少量第四系(Q)(圖1)。大面積出露的肉紅色似斑狀粗粒黑云母二長花崗巖為加里東期產(chǎn)物[11]。第四系地層主要為坡積粉質(zhì)黏土、角礫、碎石和沖洪積粉質(zhì)黏土、砂、卵礫石等，分布于溝谷低洼處及山坡地帶，坡積層厚度一般小于3 m。區(qū)內(nèi)的深大斷裂帶有NNE向光澤—武平斷裂帶和NW向?qū)幓掀綐?gòu)造巖漿巖帶，這些網(wǎng)格狀構(gòu)造控制著區(qū)內(nèi)溫泉分布構(gòu)架，出露泉點多沿NE向斷裂展布[12]。

圖1 黃泥橋地區(qū)地質(zhì)概況及AMT測線分布[11]Fig.1 Geological map and AMT survey line distribution of the Huangniqiao area[11]

按照水熱傳輸方式分類，地?zé)嶂饕譃閷α餍秃蛡鲗?dǎo)型兩類[13-16]。對流型地?zé)崾侵傅叵律畈康臒崛蹘r漿沿斷裂侵入到地殼淺部，斷裂帶內(nèi)的地下水被熱熔巖漿加熱上升到地殼淺部并和地表冷水混合形成對流；傳導(dǎo)型地?zé)崽锸侵干畈繜崮芡ㄟ^巖石的熱傳導(dǎo)作用將熱量傳遞到地層淺部并將地下水加熱形成地?zé)帷Ｑ芯繀^(qū)熱儲層受構(gòu)造斷裂控制，水源主要是賦存于花崗巖構(gòu)造破碎帶中的裂隙承壓水，熱源可能為深部巖漿加熱圍巖或放射性物質(zhì)衰變產(chǎn)生熱能，熱能以高壓熱蒸汽的形式通過深部構(gòu)造裂隙向上運(yùn)移，蓋層中滲入補(bǔ)給的冷水遇到由深部熱源產(chǎn)生的熱能或熱流體被加熱形成熱水，沿構(gòu)造運(yùn)移并賦存于構(gòu)造破碎帶及裂隙密集帶中，故黃泥橋地區(qū)推斷為對流型地?zé)豳Y源[12]。

為查明區(qū)內(nèi)地層電性特征，收集了區(qū)內(nèi)標(biāo)本進(jìn)行電阻率測定，結(jié)果見表1。區(qū)內(nèi)地層結(jié)構(gòu)簡單，表層的第四系黏土層表現(xiàn)為水平層狀低阻或低阻帶，黏土層以下為寧化巖體，巖性為肉紅色似斑狀粗粒黑云母二長花崗巖，電性表現(xiàn)為高阻；區(qū)內(nèi)斷裂較發(fā)育且充水，其電性特征表現(xiàn)為低阻，成團(tuán)狀或條帶狀，與圍巖電阻率存在明顯的電性差異，這些高阻中的條帶狀或團(tuán)狀低阻帶是本次研究的重點。

2 數(shù)據(jù)采集與處理

本次工作中利用V8多功能電法儀采集音頻大地電磁測深數(shù)據(jù)，點距50 m，線距100 m，采用張量觀測方式，單點觀測1 h以上，有效觀測頻率范圍在0.35～10 400 Hz，有效探測深度>1 km。

音頻大地電磁測量原始數(shù)據(jù)使用SSMT2000軟件和MTeditor軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、編輯，生成反演格式點文件(edi)。利用MTPioneer軟件[17]進(jìn)行AMT數(shù)據(jù)二維反演成像，反演方法為非線性共軛梯度法(NLCG)[18-19]。NLCG既有較快的反演速度，又有較好的穩(wěn)定性和可靠性，對地下層位有較好的響應(yīng)，分辨率高，反演效果較好。從圖2中可以看出：各條電阻率剖面地表30～50 m以下均表現(xiàn)為高阻，且多條剖面出現(xiàn)明顯的低阻閉合圈，與研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)特征相吻合，反映了地下構(gòu)造信息。

表1 黃泥橋地區(qū)巖石電性參數(shù)統(tǒng)計Table 1 Statistical table of electrical parameters of rocks in Huangniqiao area

3 鉆探驗證與綜合地質(zhì)解釋

根據(jù)研究區(qū)AMT二維反演成果，并結(jié)合已有地質(zhì)資料，劃定了地?zé)醿?yōu)選靶區(qū)——控溫斷裂(F1)和導(dǎo)水?dāng)嗔?F2)交匯帶，從兼顧商業(yè)價值和生態(tài)效益角度提出了擬開發(fā)的井位方案，部署了地?zé)峥辈榫瓺R01井(見圖1)。DR01井的編錄結(jié)果見表2?？梢钥闯觯涸撎幍谒南岛穸葹?.75m，主要為黏土層，往下為花崗巖巖體，并存在多處破碎帶含水層。

3.1 鉆探驗證

DR01井位于L106測線214點上，井深501.05 m，井底 498.00 m 處溫度為43.74 ℃，距離井口3 m處溫度為 40.72 ℃。DR01井地下深入至5.75 m遇花崗巖巖體，在巖體中共遇9層破碎帶(圖3)，其中有3層(246.90～248.70 m、256.92～259.55 m和474.50～475.98 m)破碎帶長源距伽馬曲線幅度變大，聲波曲線幅值變大，中子孔隙度變大，側(cè)向電阻率分別為124.47～292.56 Ω·m、204.94～350.51 Ω·m和219.77～430.49 Ω·m，相對圍巖表現(xiàn)為低阻；同時井壁破碎擴(kuò)徑現(xiàn)象明顯，因此，推斷此3層破碎帶為出水層段。鉆井中段260.10～376.38 m巖心連續(xù)性較好，未有破碎帶發(fā)現(xiàn)，為密實花崗巖和輝綠巖互層[20]。

根據(jù)音頻大地電磁測深(AMT)L106線二維反演結(jié)果綜合分析，在214測點地表以下150～250 m與周圍存在明顯電性差異，反演電阻率為10～300 Ω·m，表現(xiàn)為低電阻異常，地表以下350～500 m與周圍存在明顯電性差異，反演電阻率為10～300 Ω·m，表現(xiàn)為低電阻異常，推斷此2層為含水層，兩低阻層之間呈現(xiàn)相對高阻層，反演電阻率為300～600 Ω·m，與DR01井資料吻合較好。

圖2 研究區(qū)AMT測線二維非線性共軛梯度反演三維剖面Fig.2 Three-dimensional profile of AMT line in study area by two-dimensional nonlinear conjugate gradient inversion

表2 DR01井側(cè)向電阻率結(jié)果[20]Table 2 The apparent resistivity logging results of Well DR01[20]

圖3 L106線鉆探驗證對比Fig.3 Comparison diagram of drilling verification of line 106

驗證結(jié)果表明AMT方法可以成功地識別花崗巖巖體破碎帶富水低阻層，能有效反映區(qū)內(nèi)熱儲層分布和埋深情況，為下一步進(jìn)行全區(qū)斷裂系統(tǒng)的構(gòu)建、地?zé)醿?yōu)選區(qū)圈定和綜合地質(zhì)解釋奠定基礎(chǔ)。

3.2 綜合地質(zhì)解釋

本文以研究區(qū)地質(zhì)和鉆井資料為基礎(chǔ)，以音頻大地電磁測深(AMT)資料反演結(jié)果為主要依據(jù)，對研究區(qū)進(jìn)行綜合地質(zhì)推斷解釋。從圖2可以看出區(qū)內(nèi)同一方向各條測線的反演電阻率剖面具有地電剖面形態(tài)相似性和反映地質(zhì)構(gòu)造類似性特征，故研究區(qū)NW向以104線為例，NNE向以214線為例開展綜合地質(zhì)剖面推斷解釋(圖4)。

根據(jù)AMT反演結(jié)果，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)資料及鉆井電性特征分析電性異常與地層的對應(yīng)關(guān)系。推斷剖面最上部顯示的層狀低阻體為第四系及強(qiáng)、中風(fēng)化層的綜合反應(yīng)，主要巖性為粉質(zhì)黏土、角礫、碎石和沖洪積粉質(zhì)黏土，厚度為0～50 m，電阻率為n×10 Ω·m；下部似層狀高阻體為志留紀(jì)巖體，巖性主要為花崗巖，電阻率為n×103Ω·m。

根據(jù)AMT反演剖面的電阻率值相對大小、不連續(xù)、低阻異常帶等特征，并結(jié)合研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)資料，初步推斷了3條斷裂F1、F2和F3，發(fā)現(xiàn)了1條已知斷裂F5。

F1在區(qū)內(nèi)位于NW向測線西側(cè)(圖4b)，正斷層，傾向SE，傾角約70°，為寧化盆地邊緣斷裂。該斷裂在所經(jīng)過的10條NW向測線上均有低阻異常帶和電阻率值不連續(xù)特征反應(yīng)，在地質(zhì)上表現(xiàn)為控制區(qū)域內(nèi)溫泉分布構(gòu)架的主斷裂。

F2在區(qū)內(nèi)位于NNE向測線中部(圖4c)，正斷層，傾向NE，傾角約80°，在區(qū)內(nèi)沿溝谷NW向展布。該斷裂在所經(jīng)過的3條NNE向測線上均有電阻率值不連續(xù)特征反應(yīng)，推斷為導(dǎo)水型構(gòu)造斷裂。

F3在區(qū)內(nèi)位于NW向測線東側(cè)(圖4b)，正斷層，傾向SE，傾角約70°。該斷裂在所經(jīng)過的2條長的NW向測線上均有低阻異常帶和電阻率值不連續(xù)特征反應(yīng)，推斷為導(dǎo)水型構(gòu)造斷裂。

研究區(qū)地?zé)嵝纬墒芸販財嗔押蛯?dǎo)水?dāng)嗔训目刂?，大氣降水通過導(dǎo)水?dāng)嗔袴2、F3補(bǔ)給深部地下水，深部地下水被深部巖漿加熱圍巖或放射性物質(zhì)衰變產(chǎn)生熱能加熱，通過控溫斷裂F1、F5向上傳遞，在斷裂交匯帶形成地?zé)岣患瘏^(qū)，而這些控溫斷裂和導(dǎo)水?dāng)嗔褬?gòu)建了全區(qū)斷裂系統(tǒng)。斷裂系統(tǒng)對熱儲的圈定具有重要指導(dǎo)意義。區(qū)內(nèi)熱儲構(gòu)造主要賦存于構(gòu)造破碎帶，沿NNE向控溫斷裂展布，位于構(gòu)造F1與F2、F3與F5交匯帶附近，呈條帶狀分布，結(jié)合AMT二維反演結(jié)果(圖2)顯示的低阻異常，共圈定了5處斷裂型熱儲區(qū)，其中1處為已驗證的花崗巖、輝綠巖互層斷裂破碎帶熱儲區(qū)，另外4處為推斷潛在斷裂型熱儲區(qū)(圖4a)。

圖4 黃泥橋地區(qū)綜合地質(zhì)推斷解釋成果Fig.4 Comprehensive geological inference and interpretation results in Huangniqiao area

4 結(jié)論

1) 根據(jù)研究區(qū)AMT法二維反演成果，并結(jié)合已有地質(zhì)資料和鉆井資料，構(gòu)建了研究區(qū)斷裂構(gòu)造系統(tǒng)，推斷NNE向F1斷裂、F5斷裂為控制區(qū)內(nèi)熱源斷裂，近EW向F2斷裂和NW向F3斷裂為導(dǎo)水?dāng)嗔选^(qū)內(nèi)共圈定了5處斷裂型熱儲區(qū)，其中1處為已驗證的花崗巖、輝綠巖互層斷裂破碎帶熱儲區(qū)，位于F1斷裂與F2斷裂交匯帶；另外4處為推斷潛在斷裂型熱儲區(qū)，3處位于F1斷裂與F2斷裂交匯帶附近，1處位于F5斷裂與F3斷裂交匯帶。

2) 黃泥橋地區(qū)地?zé)峥辈檠芯抗ぷ鞅砻鳎篈MT方法反演成果與鉆探資料吻合較好，可以有效識別花崗巖體斷裂破碎帶富水表現(xiàn)的低阻異常信息，在查明熱儲埋深和斷裂構(gòu)造分布中取得了較好的效果，進(jìn)一步說明AMT方法在斷裂型地?zé)峥辈榉矫娴目尚行院陀行裕矠榻窈笤谄渌愃频貐^(qū)開展地?zé)峥辈楣ぷ魈峁┙梃b。