川東褶皺帶地?zé)嵯到y(tǒng)的空間載體
——相互連通的斷裂系統(tǒng):以四川廣安牟家鎮(zhèn)地?zé)峋疄槔?/h1>
2022-12-27 09:41:42夏時(shí)斌
沉積與特提斯地質(zhì) 2022年4期
郭 鏡, 夏時(shí)斌
(1. 成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院, 四川 成都 610059; 2. 中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心, 四川 成都 610081)
0 引言
隨著碳達(dá)峰、碳中和“雙碳目標(biāo)”的提出,能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和發(fā)展低碳能源勢(shì)在必行。 地?zé)崮苁且环N穩(wěn)定可靠的清潔能源。 川東褶皺帶發(fā)育眾多天然溫泉,有著豐富的地?zé)豳Y源(羅云菊等,2006)。目前,溫泉旅游開發(fā)是川東褶皺帶地?zé)豳Y源的主要形式,而川東褶皺帶地?zé)豳Y源利用以重慶市為代表。 截至2012 年,重慶市共查明106 處溫泉,其中包括天然溫泉26 處,坑道溫泉16 處,鉆井溫泉64處(曾敏,2013)。 水溫在20℃ ~40℃之間有45 處,40℃ ~60℃之間有60 處,60℃ ~80℃之間有1 處,屬中低溫水熱型地?zé)豳Y源,溫泉流量多數(shù)<50 L/s。水化學(xué)類型主要為SO4—Ca 型,可能與深部的石膏層有關(guān)(三疊系嘉陵江組、寒武系龍王廟組)。
地?zé)崴臍溲跬凰爻尸F(xiàn)大氣降水特征,說明大氣降水可能是地?zé)崴闹匾a(bǔ)給(李東升和劉東升,2011;周訓(xùn)等,2015)。 根據(jù)熱模擬,巖漿巖的冷凝時(shí)間<1Ma(毛小平等,2018)。 而研究區(qū)缺少新近紀(jì)以來的巖漿活動(dòng),因此大氣降水深循環(huán)加熱可能是本區(qū)地?zé)崴鰷氐闹饕问?陳榮華,1988)。通過對(duì)溫泉勘探過程中得到的地溫場(chǎng)、水動(dòng)力、水化學(xué)等方面進(jìn)行詳細(xì)研究,論證了三疊系嘉陵江組碳酸鹽為良好熱儲(chǔ)層,大氣降水為地?zé)崴闹饕a(bǔ)給(李鴻舉,1987)。 后來者,用更詳盡的地球化學(xué)手段,為這一結(jié)論提供了支撐,如統(tǒng)景溫泉水離子濃度明顯高于巖溶地下水和地表水,認(rèn)為溫泉水流經(jīng)碳酸鹽巖熱儲(chǔ)層并發(fā)生強(qiáng)烈的水巖作用(余琴等,2017);鍶同位素比值(約在0.708 左右)與S 同位素(約在32.5‰)與三疊系嘉陵江組二段硬石膏的同位素組成相似,說明地下熱儲(chǔ)的水巖作用主要在三疊系嘉陵江組二段(肖瓊,2012);通過水化學(xué)類型推測(cè)地?zé)崴笾碌难h(huán)深度,對(duì)地?zé)犷愋瓦M(jìn)行分類(Ta et al.,2020);通過水化學(xué)溫度計(jì)計(jì)算深部碳酸鹽熱儲(chǔ)溫度(Yang et al.,2019;Ta et al.,2019);利用這一碳酸鹽巖熱儲(chǔ)層結(jié)論,通過數(shù)值模擬為合理的溫泉開發(fā)提供建議(羅云菊等,2007)。 因此,川東褶皺帶的碳酸鹽巖熱儲(chǔ)模式越來越深入人心:三疊系嘉陵江組灰?guī)r地層是有利的熱儲(chǔ)層;其上覆地層須家河組碎屑巖為蓋層,下覆地層飛仙關(guān)組碎屑巖為良好的隔水層;大氣降水沿背斜巖溶槽谷等向熱儲(chǔ)層補(bǔ)給,深循環(huán)加熱后成為地?zé)崴Y源。
然而,以嘉陵江組為地?zé)峥辈槟繕?biāo)體,往往存在一些疑惑。 在勘查方面,某些鉆孔的出水地層并不是嘉陵江組,且即便打穿嘉陵江組也未見該地層出水,導(dǎo)致以嘉陵江組為目標(biāo)體的勘查模式,地?zé)峥辈槌晒β什桓摺?在成因方面,川東褶皺帶內(nèi)的地?zé)崴瓾-O 同位素顯示了大氣降水的特征(李東升和劉東升,2011),而四川盆地嘉陵江組地層水明顯發(fā)生了O 漂移(林耀庭和熊淑君,1999),暗示大氣降水不太可能沿嘉陵江組補(bǔ)給,否則這在地球化學(xué)上是矛盾的;若大氣降水是沿?cái)嗔蜒a(bǔ)給,那么斷裂必然切穿須家河組,這又與須家河組是良好蓋層的認(rèn)識(shí)不一致。 因此,川東褶皺帶的地?zé)岢梢驒C(jī)制還需深入研究。 Engelen and Jones(1986)開創(chuàng)性地提出了不同于“含水層”的地下水系統(tǒng)概念。 本文以地下水系統(tǒng)概念為基礎(chǔ),研究川東褶皺帶的地?zé)岢梢蚰Ｊ?并提出“川東褶皺帶地?zé)嵯到y(tǒng)”,進(jìn)而指導(dǎo)實(shí)際勘查。
1 地?zé)岬刭|(zhì)背景
1.1 地質(zhì)背景
川東褶皺帶位于上揚(yáng)子陸塊——四川前陸盆地(羅改等,2021),其西界為北東走向的華鎣山斷裂帶,東界為齊岳山斷裂帶(圖1)。 從前寒武系至中三疊系,該區(qū)域經(jīng)歷了穩(wěn)定的揚(yáng)子克拉通沉積階段,沉積了一套巨厚的海相碳酸鹽巖和碎屑巖,中三疊系至白堊系則主要沉積一套陸源碎屑巖(唐曉珊等,1997;劉春平等,2006;Liu et al.,2005)。 川東褶皺帶可能經(jīng)歷了三期構(gòu)造作用,晚志留—中泥盆世、石炭紀(jì)末以及中、晚三疊世之交,以整體抬升作用為主,不發(fā)育任何褶皺構(gòu)造(胡召齊等,2009;付宜興等,2007);晚侏羅—早白堊世受古太平洋板塊向北西俯沖作用,在華南內(nèi)部形成寬闊的弧背前陸變形帶(Li et al.,2018),構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向?yàn)楸蔽鳌蠔|向,前侏羅紀(jì)地層發(fā)生了強(qiáng)烈的褶皺-沖斷變形,形成了大量北東—南西向的褶皺和逆沖斷層,該期斷層大多具有左行走滑的特征(王宗秀等,2019);新生代晚期,印度大陸與歐亞大陸的匯聚作用造成川滇地體的南東向擠出,四川盆地發(fā)生大規(guī)模逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),盆地周緣斷裂帶發(fā)生大規(guī)模右行走滑(Wang et al.,2014;王二七等,2009),早期構(gòu)造被強(qiáng)烈改造(王宗秀等,2019)。 形成了兩套差異明顯的褶皺帶,華鎣山斷裂與齊岳山斷裂之間的隔擋式褶皺,高陡背斜核部多出露三疊紀(jì)地層,寬緩向斜核部多為侏羅紀(jì)地層(張小瓊等,2013);齊岳山與張家界斷裂之間的隔槽式褶皺,寬緩背斜核部以出露南華系—奧陶系為主,向斜核部多為三疊系(王宗秀等,2019)。 隔擋式褶皺帶可能是為了協(xié)調(diào)深部主滑脫層而變形的滑脫褶皺(張小瓊等,2013;劉重慶等,2013;He et al.,2018),地球物理剖面可以清晰地觀測(cè)到變質(zhì)基底并未卷入構(gòu)造變形(Dong et al.,2015)。 隔槽式褶皺除了受滑脫構(gòu)造影響,還與差異隆升剝蝕造成的不同構(gòu)造層次褶皺出露有關(guān),且變質(zhì)基底卷入了褶皺變形(王宗秀等,2019)。
圖1 川東褶皺帶構(gòu)造背景地形渲染圖Fig.1 Rendering map of the tectonic background topography of the eastern Sichuan fold belt
1.2 地?zé)岜尘?/h3>
地?zé)岙惓Ｅc現(xiàn)存的區(qū)域構(gòu)造-熱事件、最后一次熱事件發(fā)生的時(shí)間、巖石圈拉張程度、地殼厚度等因素有關(guān)(袁玉松等,2006)。 但最重要的是現(xiàn)存的構(gòu)造-熱事件,如金衢盆地,19 km 深處存在厚度為8 km 左右的低速高導(dǎo)層,該低速層亦是地殼內(nèi)部的主滑脫面(吳奇之等,1997)。 還有西藏地殼深部普遍存在的部分熔融層(Nelson et al.,1996;Brown et al.,1996;Wei et al.,2001),且深大斷裂延伸至部分熔融層(圖2c;張樂天等,2012;Guo et al.,2019),成為有利的導(dǎo)熱、導(dǎo)水構(gòu)造,而四川盆地缺少這種現(xiàn)存的有利構(gòu)造-熱組合(圖2c)。 其次是最后一次熱事件發(fā)生的時(shí)間。 全球大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)顯示,大陸地區(qū)熱流值隨地質(zhì)體經(jīng)歷的最后一次熱事件的年齡增加而呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)(Polack et al.,1993),而揚(yáng)子克拉通中部地區(qū)最新的巖漿活動(dòng)為180 ~ 130 Ma,呈現(xiàn)低的大地?zé)崃髦?袁玉松等,2006)。
四川盆地夾持于西太平洋匯聚板緣型地?zé)嵊蚝吞靥崴箙R聚板緣型地?zé)嵊?圖2a,何治亮等,2017),缺乏較新的巖漿活動(dòng),也沒有現(xiàn)存的部分熔融等熱事件,大地?zé)崃髦档陀谌蚱骄鶡崃髦?徐明等,2011)。 除了峨眉山玄武巖形成的殘留熱異常,整個(gè)四川盆地表現(xiàn)負(fù)的地?zé)岙惓?呈現(xiàn)“冷殼冷?！钡膸r石圈地?zé)峤Y(jié)構(gòu)特征(徐明等,2011)。 而川東褶皺帶更是位于四川盆地的低地溫梯度區(qū)(圖2b)。
2 方法
2.1 設(shè)備及完成工作
根據(jù)研究區(qū)溫度梯度約在18 ~20℃/km(圖2d),熱水深度需在1000 ~3000m,才能達(dá)到>40℃,實(shí)現(xiàn)溫泉旅游開發(fā)。 因此,選用音頻大地電磁測(cè)深法探測(cè)深部熱水,所用儀器為加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V5-2000 大地電磁采集系統(tǒng)。 本次地?zé)峥辈楣膊荚O(shè)8 條音頻大地電磁測(cè)深剖面,基準(zhǔn)點(diǎn)距200m,采集393 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),剖面位置見圖3。
圖2 全球板塊構(gòu)造與板緣地?zé)嵊蚍植紙D(a;據(jù)何治亮等,2017),四川盆地地溫梯度等值線圖(b;據(jù)徐明等,2011)以及青藏高原與揚(yáng)子克拉通深部電性結(jié)構(gòu)差異圖(c;據(jù)張樂天等,2012)Fig.2 Distribution map of global plate tectonics and marginal geothermal domain (a; according to He et al.,2017), the contour map of the geothermal gradient in the Sichuan Basin (b; according to Xu et al., 2011) and the difference map of the electrical structure between the Qinghai-Tibet Plateau and the deep part of the Yangtze Craton (c; according to Zhang et al.,2012)
圖3 音頻大地電磁測(cè)深剖面位置圖Fig.3 Location map of audio magnetotelluric sounding profiles
2.2 電性特征
根據(jù)研究區(qū)的區(qū)域地質(zhì)情況,將巖性分為灰?guī)r、砂巖和泥巖,進(jìn)行巖石電性特征測(cè)試。 其中砂巖又分為中細(xì)粒砂巖、紫紅色砂巖和巖屑砂巖三類。 由圖4 可知,區(qū)內(nèi)巖石電性存在一定差異,灰?guī)r電阻率最大,砂巖次之,泥巖最小。 不同類型的砂巖之間電性差異較小。
圖4 巖石電性測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖Fig.4 Statistical results of rock resistivity test
2.3 解譯標(biāo)志
大地電磁測(cè)深剖面對(duì)灰?guī)r與砂泥巖之間的電性差異有一定響應(yīng),比如背斜碳酸鹽出露區(qū)相較于向斜砂泥巖出露區(qū),電阻率較高(圖5 中 L1、L2)。但同在背斜或向斜構(gòu)造區(qū)域,相較于巖性變化造成的電阻率差異,斷裂構(gòu)造引起的地層含水率增加,電阻率降低,是音頻大地電磁測(cè)深更易識(shí)別的電性特征(圖5 中 L1、L2)。 對(duì)于斷裂的解譯,電阻率等值線呈現(xiàn)低阻特征且產(chǎn)狀與地層不一致,解譯為斷裂帶; 若電阻率等值線呈現(xiàn)低阻特征且與砂泥巖地層產(chǎn)狀吻合,暫不解譯為斷裂帶。
3 結(jié)果
3.1 牟家鎮(zhèn)地?zé)峋畈靠臻g結(jié)構(gòu)
在牟家鎮(zhèn)地?zé)峥辈閰^(qū),布置“三橫兩縱”的音頻大地電磁測(cè)深剖面(L1—L5),來探測(cè)其深部空間結(jié)構(gòu),為鉆孔布設(shè)提供依據(jù)。 測(cè)線位置見圖3。 L1剖面自華鎣山西翼至銅鑼山東翼垂直主構(gòu)造方向自北西至南東布設(shè),長約20 km,共采集103 個(gè)點(diǎn),解譯斷裂 4 條,F0、F1、F2、F3(圖 5)。 L2剖面自華鎣山東翼至銅鑼山中西部垂直主構(gòu)造方向自北西至南東布設(shè),長約10km,共采集49 個(gè)點(diǎn),解譯斷裂3 條,F1、F2、F3。 L3剖面自向斜部位至銅鑼山東翼垂直主構(gòu)造方向自北西至南東布設(shè),長約10 km,共采集52個(gè)點(diǎn),解譯斷裂 2 條,F2、F3。 L4剖面沿銅鑼山西翼平行主構(gòu)造方向自南西至北東布設(shè),長約4.5km,共采集 23 點(diǎn),解譯斷裂 3 條,F2、F4、F5,其中 F2為 L4-L6剖面中 F2的等深度響應(yīng)。 通過圖 6-3 可知,F1、F2、F3為區(qū)域性的斷裂,且沿主構(gòu)造方向延伸較大;F4、F5斷裂為北西南東向次級(jí)斷裂,起到了連通F1、F2、F3主干斷裂的作用。 F0、F1、F2、F3、F4、F5組成了相互連通的斷裂網(wǎng)絡(luò)。 那么,如此廣泛分布的斷裂系統(tǒng)可能存在可開采的巨量地?zé)崴?/p>
L1剖面23 點(diǎn)至28 點(diǎn)處有一低阻異常區(qū)C0(圖5),在C0上方垂直L1剖面布設(shè)L5剖面,發(fā)現(xiàn)C0在主構(gòu)造方向上存在穩(wěn)定延伸,推測(cè)其為一規(guī)模較大的地下暗河(圖5)。 該暗河與 F0連接,那么,可能存在 C0→F0→F4和/或 F5→F2的補(bǔ)給通道。 說明該相互連通的斷裂系統(tǒng)可以作為大氣降水從補(bǔ)給→深循環(huán)加熱→出露地表的通道。
3.2 鉆孔驗(yàn)證
以F2斷裂為目標(biāo)體布設(shè)地?zé)徙@孔(圖5 中L2剖面),發(fā)現(xiàn)出水位置在550 ~1050m,與L2解譯的含水?dāng)嗔袴2位置吻合。 出水地層為須家河組、雷口坡組和嘉陵江組上段。 日涌水量>12000m3、水溫42℃,滿足溫泉旅游開發(fā)的要求。 據(jù)此,我們推測(cè)相互連通的斷裂系統(tǒng)可能是川東褶皺帶地?zé)峥辈榈氖滓繕?biāo)體,而不是傳統(tǒng)認(rèn)為的嘉陵江組:(1)出水位置與解譯的 F2斷裂位置吻合,F0、F1、F2、F3、F4、F5組成了相互連通的斷裂系統(tǒng),由上圖可知該斷裂系統(tǒng)面上廣泛展布,那么其具有“通道”與“儲(chǔ)層”的雙重屬性,可作為地?zé)峥辈槟繕?biāo)體;(2)出水位置并不全位于嘉陵江組,且后續(xù)800m 的嘉陵江組并未出水,這與川東褶皺帶內(nèi)“鉆遇嘉陵江組未出地?zé)崴拔淬@遇嘉陵江組出現(xiàn)地?zé)崴钡目辈槭聦?shí)相符。因此,嘉陵江組可能并不是該區(qū)地?zé)崴闹骺匾蛩亍?/p>
圖5 牟家鎮(zhèn)地?zé)嶂攸c(diǎn)勘查區(qū)L1-L5音頻大地電磁測(cè)深反演剖面(a)和音頻大地電磁測(cè)深解譯剖面(b)Fig.5 Inversion and interpretation of L1-L5 audio magnetotelluric sounding inversion profile (a) and Audio magnetotelluric sounding interpretation profile (b) in the key geothermal exploration area of Mujia Town
3.3 斷裂控水在川東褶皺帶具有普適性
為了查明斷裂控水在川東褶皺帶是否具有普適性,在華鎣山背斜與銅鑼山背斜的兩個(gè)出水點(diǎn)及1 個(gè)干孔分別布設(shè) 3 條剖面 L6、L7、L8(圖 3),查明其深部空間結(jié)構(gòu)。 L6線,查明銅鑼山背斜中已知天然出水點(diǎn)和人工出水鉆孔的地下電性結(jié)構(gòu)。 剖面長約9.7km,自南東至北西(約295°)共采集73 個(gè)點(diǎn)。 結(jié)合地質(zhì)概況對(duì)剖面圖進(jìn)行解譯(圖6):(1)1—22 點(diǎn)、61—73 點(diǎn)范圍內(nèi),1000m 以淺的低阻區(qū)域可能是沙溪廟組砂泥巖的電性響應(yīng);(2)28—60 點(diǎn)的高阻區(qū)域?yàn)榧瘟杲M灰?guī)r的電性響應(yīng),28—51 點(diǎn)的次高電阻率區(qū),可能是背斜形成過程中,產(chǎn)生的裂隙充填水作用造成;(3)20 點(diǎn)與67 點(diǎn)處存在兩條斷裂帶F1、F2,且出水鉆孔已深至斷裂帶。 通過該剖面可知:(1)鉆孔深部存在大型斷裂;(2)鉆孔深部出水地層為嘉陵江組;(3)天然出水點(diǎn)可能通過背斜翼部的裂隙帶與含水?dāng)嗔堰B通。
L7線,查明華鎣山背斜東翼人工出水鉆孔的地下電性結(jié)構(gòu)。 剖面長約 7.7km,自南東至北西(300°)共采集40 個(gè)點(diǎn)。 結(jié)合地質(zhì)概況對(duì)剖面圖進(jìn)行解譯(圖6):(1)0—27 點(diǎn)為砂泥巖,電阻率大約在102Ω·m,28—40 點(diǎn)為灰?guī)r,電阻率約在103Ω·m;(2)解譯出5 條斷裂帶,出水鉆孔位于斷裂帶中,出水地層為須家河組砂巖。 通過該剖面可知:(1)鉆孔深部存在大型斷裂;(2)鉆孔深部出水地層為須家河組砂巖。
圖6 L6線音頻大地電磁測(cè)深反演剖面(a)和音頻大地電磁測(cè)深解譯剖面(b)Fig.6 Inversion and interpretation of L6 audio magnetotelluric sounding inversion profile (a) and audio magnetotelluric sounding interpretation profile (b) in the key geothermal exploration area of Mujia Town
L8線,查明華鎣山西翼無水鉆孔的地下電性結(jié)構(gòu)。 剖面長約2.6km,自北西至南東(115°)共采集14 個(gè)點(diǎn)。 結(jié)合地質(zhì)概況解譯出3 條斷裂(圖8)。通過該剖面可知:(1)鉆孔深部不存在大型斷裂;(2)嘉陵江組未出水。
圖8 L8線音頻大地電磁測(cè)深反演剖面(b)和音頻大地電磁測(cè)深解譯剖面(b)Fig.8 Inversion and interpretation of L8 audio magnetotelluric sounding inversion profile ( a) and audio magnetotelluric sounding interpretation profile (b) in the key geothermal exploration area of Mujia Town
通過三條剖面可知:(1)出水鉆孔必在斷裂帶上;(2)嘉陵江組不一定出水;(3)其他地層也可能出水。 綜上,斷裂控水在川東褶皺帶具有普適性。
4 討論
4.1 嘉陵江組與相互連通的斷裂系統(tǒng)兩種勘查目標(biāo)體的空間矛盾
上述音頻大地電磁測(cè)深解譯斷裂與嘉陵江組呈斜交關(guān)系,如圖9。 根據(jù)區(qū)域地溫梯度及勘查經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)1500 ~2500m 左右的地?zé)峥辈榫?以嘉陵江組為目的層的勘查模式,認(rèn)為隨嘉陵江組的埋深地溫增加,以相互連通的斷裂系統(tǒng)為目標(biāo)的勘查模式,認(rèn)為隨斷裂的埋深地溫增加(圖9),兩者有著較大的空間矛盾。 這種空間矛盾會(huì)產(chǎn)生三種勘查失誤(圖9)。 一是,偏離斷裂,即使鉆至嘉陵江組也無水,造成勘探失誤;1 號(hào)鉆孔應(yīng)往左邊布設(shè)(圖9)。二是,誤打誤撞鉆遇斷裂,以為深部嘉陵江組有溫度更高的熱水,加大勘探深度,造成經(jīng)費(fèi)增加;2 號(hào)鉆孔應(yīng)往右邊布設(shè),或鉆遇斷裂即可停止鉆進(jìn)(圖9)。 三是,斷裂埋深大于嘉陵江組,打到嘉陵江組,未打到斷裂,造成勘探失誤;3 號(hào)鉆孔應(yīng)往右邊布設(shè),或增加鉆進(jìn)深度(圖9)。 據(jù)此,解釋了“鉆遇嘉陵江組未出地?zé)崴拔淬@遇嘉陵江組出現(xiàn)地?zé)崴钡目辈槭聦?shí)。
圖9 新、老勘查模式空間矛盾示意圖Fig.9 Schematic diagram of spatial contradiction between new and old exploration modes
4.2 相互連通的斷裂系統(tǒng)是可持續(xù)開發(fā)的地?zé)崴臻g載體
圖7 L7線音頻大地電磁測(cè)深反演剖面(a)和音頻大地電磁測(cè)深解譯剖面(b)Fig.7 Inversion and interpretation of L7 audio magnetotelluric sounding inversion profile (a) and audio magnetotelluric sounding interpretation profile (b) in the key geothermal exploration area of Mujia Town
相互連通的斷裂系統(tǒng)在空間上的廣大展布,使其具有通道與儲(chǔ)層的雙重屬性,我們提出其是地?zé)崴翱臻g載體”的概念。 嘉陵江組含有大量的地?zé)崴?毫無疑問是正確的。 但這些地?zé)崴軌蛟谌祟惪砷_采的時(shí)間內(nèi)運(yùn)移嗎(而不是地質(zhì)時(shí)間)? 根據(jù)平面徑向流壓力波及半徑計(jì)算公式(公式1,巴斯寧耶夫等,1992),進(jìn)行半定量分析。
式中,R(t)—壓力波及半徑;k—滲透率;p—邊界壓力;μ—地下水黏度;φ—地層孔隙度;t—波及時(shí)間。
設(shè)川東褶皺帶嘉陵江組滲透率約為0.062mD(根據(jù)氣田開發(fā)內(nèi)部資料,石炭系碳酸鹽地層滲透率統(tǒng)計(jì)資料為0.062mD,依此設(shè)定嘉陵江組碳酸鹽地層滲透率),邊界壓力為2000m 水柱,40℃的地?zé)崴扯葹?.656 ×10-3Pa·S,地層孔隙度2%。 據(jù)公式1,嘉陵江組2 天時(shí)間壓力波及半徑約為8m,1000 天的地層壓力波及半徑約為179m,10000 天的地層壓力波及半徑約為566m。 也就是說嘉陵江組地層極低的滲透性,無法建立匯水端與溫泉終端的水力聯(lián)系,只能通過抽水維持開采量,隨著抽水的進(jìn)行,壓降漏斗劇烈增大,最終導(dǎo)致無水可抽。 而相互連通的斷裂系統(tǒng)則具有極高滲透性,可以建立匯水端與溫泉終端的水力聯(lián)系(圖10),合理的開發(fā)形成穩(wěn)定滲流場(chǎng),保證溫泉可持續(xù)開發(fā)利用。 因此,碳酸鹽巖地層為地?zé)崴_發(fā)目標(biāo)體,其內(nèi)的流體是靜態(tài)的(相對(duì)于開發(fā)時(shí)間),不可持續(xù)開發(fā)的;而以相互連通的斷裂系統(tǒng)為空間載體的川東褶皺帶地?zé)嵯到y(tǒng),其內(nèi)的流體是動(dòng)態(tài)的,可持續(xù)開發(fā)的。
圖10 川東褶皺帶相互連通斷裂系統(tǒng)三維地質(zhì)建模圖Fig. 10 3D geological modeling of the interconnected fault system in the eastern Sichuan fold belt
4.3 川東褶皺帶地?zé)嵯到y(tǒng)
“儲(chǔ)層”似乎是地?zé)岱矫娴闹攸c(diǎn)研究對(duì)象。 “儲(chǔ)層”概念來源于油氣勘探,演化到其他行業(yè),如礦床中的“源-運(yùn)-儲(chǔ)” 系統(tǒng),包括地?zé)嵝袠I(yè)中的“源-運(yùn)-儲(chǔ)-蓋”四要素。 但我們會(huì)發(fā)現(xiàn),無論是油氣、還是礦床中“儲(chǔ)”的概念,是流體運(yùn)移過來后進(jìn)行儲(chǔ)集。 那么,我們對(duì)儲(chǔ)層開發(fā)后,總有開發(fā)殆盡的時(shí)候。 顯然,川東褶皺帶的地?zé)崴跓o窮無盡的流淌。 若用“儲(chǔ)層”的概念,那么地?zé)崴遣豢沙掷m(xù)開發(fā)的。 因此,我們需要堅(jiān)定地運(yùn)用地?zé)嵯到y(tǒng)的概念,把川東褶皺帶看作整體進(jìn)行研究。
晚侏羅—早白堊世古太平洋板塊向北西俯沖(Li et al.,2018),疊加喜山期印度大陸與歐亞大陸的碰撞作用,形成了如今的川東褶皺帶(王宗秀等,2019)。 在擠壓過程中,側(cè)向應(yīng)力不均一,容易形成北東向構(gòu)造為主,北西向構(gòu)造為輔,網(wǎng)狀相互連通的斷裂系統(tǒng)。 川東褶皺帶缺乏新近紀(jì)以來的巖漿巖,深部也不存在部分熔融體,說明川東褶皺帶地?zé)嵯到y(tǒng)的增溫主要為地?zé)崽荻燃訜帷?根據(jù)地?zé)崴瓾-O 同位素位于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€上,推斷大氣降水為地?zé)崴闹饕a(bǔ)給。 根據(jù)圖5,地下暗河與深部斷裂相連通 (或者說地下暗河是斷裂系統(tǒng)在徑流區(qū)的表現(xiàn)形式),說明大氣降水通過地下暗河等淺表溶蝕空間將大氣降水補(bǔ)給入深部斷裂系統(tǒng),經(jīng)深循環(huán)加熱成為地?zé)豳Y源。 根據(jù)地?zé)崴畯谋蓖现饾u變老的14C 年齡(羅祥康等,2000),說明北北東向主構(gòu)造為地?zé)崴\(yùn)移及補(bǔ)給的主要方向。 而北西向淺部暗河與斷裂的存在及華鎣山較高的海拔,地?zé)崴嬖诒蔽飨蜓a(bǔ)給的可能。 因此,相互連通的斷裂系統(tǒng)為川東褶皺帶地?zé)嵯到y(tǒng)的空間載體,是地?zé)峥辈榈闹饕繕?biāo)體;大氣降水是川東褶皺帶地?zé)崴闹饕a(bǔ)給,沿?cái)嗔严到y(tǒng)經(jīng)深循環(huán)增溫后成為地?zé)豳Y源。
此外,四川盆地三疊系嘉陵江組碳酸鹽巖,含有膏巖層等易溶解層位(譚志遠(yuǎn)等,2021),當(dāng)?shù)責(zé)崴鹘?jīng)被斷裂系統(tǒng)切穿的碳酸鹽巖時(shí),溶蝕了該巖層中的成分,使得地?zé)崴刑妓猁}巖地層成分。但這不能說明碳酸鹽巖就是儲(chǔ)層,而只能說明其是地?zé)崴h(huán)系統(tǒng)的組成部分。
4.4 幾點(diǎn)思考與說明
(1)依靠大氣降水補(bǔ)給的地下熱水系統(tǒng),水頭有限,可能并不像油氣田那般需要太嚴(yán)密的蓋層,風(fēng)化后的土壤即可起到對(duì)斷裂的封堵作用。 (2)在進(jìn)行地?zé)峥辈闀r(shí)為何需要描述完整的、相互連通的斷裂系統(tǒng)? 相互連通的斷裂系統(tǒng)有著來自補(bǔ)給端的水頭,是可持續(xù)開發(fā)的目標(biāo)體,只通過1—2 條剖面確定的低阻異常可能是孤立的、靜態(tài)的、不可流動(dòng)的水體。 (3)我們針對(duì)音頻大地電磁測(cè)深解譯的斷裂F2進(jìn)行過地質(zhì)調(diào)查,然而地表并未發(fā)現(xiàn)斷層跡象。 存在兩種可能:一是斷裂未到達(dá)地表;二是川東褶皺帶中大部分?jǐn)嗔训臄嗑噍^小,被塑性的砂泥巖地層吸收。 這跟實(shí)際地質(zhì)情況相符,即油氣探測(cè)中發(fā)現(xiàn)川東褶皺帶深部構(gòu)造發(fā)育,而地表填圖中卻很少發(fā)現(xiàn)斷裂跡象。 滲流通道只需要破裂面的存在,而并不需要層位的錯(cuò)動(dòng)。 因此,我們稱之為斷裂系統(tǒng),而不是斷層系統(tǒng)。
5 結(jié)論
三疊系嘉陵江組碳酸鹽巖是川東褶皺帶地?zé)嵯到y(tǒng)的組成部分,而不是熱儲(chǔ)層;相互連通的斷裂系統(tǒng)具有“通道”與“儲(chǔ)層”的雙重屬性,是該地?zé)嵯到y(tǒng)的空間載體;完整解釋了“鉆遇嘉陵江組未出地?zé)崴拔淬@遇嘉陵江組出現(xiàn)地?zé)崴钡脑?以相互連通的斷裂系統(tǒng)為勘查目標(biāo)體,并依據(jù)本文的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行地?zé)峥辈?將會(huì)大大提高川東褶皺帶地?zé)峥辈槌晒β?斷裂系統(tǒng)極高的滲透率,利于建立匯水端與溫泉終端的水力聯(lián)系,合理開發(fā)形成穩(wěn)定滲流場(chǎng),可實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源持續(xù)開發(fā)利用;精細(xì)刻畫該斷裂系統(tǒng)的深部空間結(jié)構(gòu),是川東褶皺帶地?zé)嵯到y(tǒng)成因、勘查、可持續(xù)開發(fā)研究的基礎(chǔ)。
致謝:衷心感謝審稿專家及編輯部老師對(duì)本文提出的寶貴意見! 在中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心成立60 周年之際,祝愿單位健康發(fā)展,為解決國家資源勘查及地球系統(tǒng)科學(xué)研究中的重大問題貢獻(xiàn)力量!
猜你喜歡
嘉陵江東滿福壩青年歌聲(2019年9期)2019-09-17 09:02:58 動(dòng)漫人物衣服褶皺的畫法（1）學(xué)生導(dǎo)報(bào)·中職周刊(2019年7期)2019-06-11 11:06:10 一點(diǎn)褶皺Coco薇(2017年6期)2017-06-24 23:08:56 川東土家族薅草鑼鼓四川黨的建設(shè)(2017年10期)2017-06-19 03:02:28 在嘉陵江邊中國三峽(2017年4期)2017-06-06 10:44:22 布瓦雄碉與川東碉樓重慶建筑(2017年4期)2017-04-24 02:36:11 我的嘉陵江(組詩)劍南文學(xué)(2016年13期)2016-08-23 12:10:56 復(fù)雜褶皺構(gòu)造分析與找煤江西煤炭科技(2015年2期)2015-11-07 03:10:25 夢(mèng)幻褶皺Coco薇(2015年7期)2015-08-13 22:33:38 川東含硫氣田氣井井下管柱腐蝕特征分析天然氣勘探與開發(fā)(2014年3期)2014-02-28 17:00:10
郭 鏡, 夏時(shí)斌
(1. 成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院, 四川 成都 610059; 2. 中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心, 四川 成都 610081)
0 引言
隨著碳達(dá)峰、碳中和“雙碳目標(biāo)”的提出,能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和發(fā)展低碳能源勢(shì)在必行。 地?zé)崮苁且环N穩(wěn)定可靠的清潔能源。 川東褶皺帶發(fā)育眾多天然溫泉,有著豐富的地?zé)豳Y源(羅云菊等,2006)。目前,溫泉旅游開發(fā)是川東褶皺帶地?zé)豳Y源的主要形式,而川東褶皺帶地?zé)豳Y源利用以重慶市為代表。 截至2012 年,重慶市共查明106 處溫泉,其中包括天然溫泉26 處,坑道溫泉16 處,鉆井溫泉64處(曾敏,2013)。 水溫在20℃ ~40℃之間有45 處,40℃ ~60℃之間有60 處,60℃ ~80℃之間有1 處,屬中低溫水熱型地?zé)豳Y源,溫泉流量多數(shù)<50 L/s。水化學(xué)類型主要為SO4—Ca 型,可能與深部的石膏層有關(guān)(三疊系嘉陵江組、寒武系龍王廟組)。
地?zé)崴臍溲跬凰爻尸F(xiàn)大氣降水特征,說明大氣降水可能是地?zé)崴闹匾a(bǔ)給(李東升和劉東升,2011;周訓(xùn)等,2015)。 根據(jù)熱模擬,巖漿巖的冷凝時(shí)間<1Ma(毛小平等,2018)。 而研究區(qū)缺少新近紀(jì)以來的巖漿活動(dòng),因此大氣降水深循環(huán)加熱可能是本區(qū)地?zé)崴鰷氐闹饕问?陳榮華,1988)。通過對(duì)溫泉勘探過程中得到的地溫場(chǎng)、水動(dòng)力、水化學(xué)等方面進(jìn)行詳細(xì)研究,論證了三疊系嘉陵江組碳酸鹽為良好熱儲(chǔ)層,大氣降水為地?zé)崴闹饕a(bǔ)給(李鴻舉,1987)。 后來者,用更詳盡的地球化學(xué)手段,為這一結(jié)論提供了支撐,如統(tǒng)景溫泉水離子濃度明顯高于巖溶地下水和地表水,認(rèn)為溫泉水流經(jīng)碳酸鹽巖熱儲(chǔ)層并發(fā)生強(qiáng)烈的水巖作用(余琴等,2017);鍶同位素比值(約在0.708 左右)與S 同位素(約在32.5‰)與三疊系嘉陵江組二段硬石膏的同位素組成相似,說明地下熱儲(chǔ)的水巖作用主要在三疊系嘉陵江組二段(肖瓊,2012);通過水化學(xué)類型推測(cè)地?zé)崴笾碌难h(huán)深度,對(duì)地?zé)犷愋瓦M(jìn)行分類(Ta et al.,2020);通過水化學(xué)溫度計(jì)計(jì)算深部碳酸鹽熱儲(chǔ)溫度(Yang et al.,2019;Ta et al.,2019);利用這一碳酸鹽巖熱儲(chǔ)層結(jié)論,通過數(shù)值模擬為合理的溫泉開發(fā)提供建議(羅云菊等,2007)。 因此,川東褶皺帶的碳酸鹽巖熱儲(chǔ)模式越來越深入人心:三疊系嘉陵江組灰?guī)r地層是有利的熱儲(chǔ)層;其上覆地層須家河組碎屑巖為蓋層,下覆地層飛仙關(guān)組碎屑巖為良好的隔水層;大氣降水沿背斜巖溶槽谷等向熱儲(chǔ)層補(bǔ)給,深循環(huán)加熱后成為地?zé)崴Y源。
然而,以嘉陵江組為地?zé)峥辈槟繕?biāo)體,往往存在一些疑惑。 在勘查方面,某些鉆孔的出水地層并不是嘉陵江組,且即便打穿嘉陵江組也未見該地層出水,導(dǎo)致以嘉陵江組為目標(biāo)體的勘查模式,地?zé)峥辈槌晒β什桓摺?在成因方面,川東褶皺帶內(nèi)的地?zé)崴瓾-O 同位素顯示了大氣降水的特征(李東升和劉東升,2011),而四川盆地嘉陵江組地層水明顯發(fā)生了O 漂移(林耀庭和熊淑君,1999),暗示大氣降水不太可能沿嘉陵江組補(bǔ)給,否則這在地球化學(xué)上是矛盾的;若大氣降水是沿?cái)嗔蜒a(bǔ)給,那么斷裂必然切穿須家河組,這又與須家河組是良好蓋層的認(rèn)識(shí)不一致。 因此,川東褶皺帶的地?zé)岢梢驒C(jī)制還需深入研究。 Engelen and Jones(1986)開創(chuàng)性地提出了不同于“含水層”的地下水系統(tǒng)概念。 本文以地下水系統(tǒng)概念為基礎(chǔ),研究川東褶皺帶的地?zé)岢梢蚰Ｊ?并提出“川東褶皺帶地?zé)嵯到y(tǒng)”,進(jìn)而指導(dǎo)實(shí)際勘查。
1 地?zé)岬刭|(zhì)背景
1.1 地質(zhì)背景
川東褶皺帶位于上揚(yáng)子陸塊——四川前陸盆地(羅改等,2021),其西界為北東走向的華鎣山斷裂帶,東界為齊岳山斷裂帶(圖1)。 從前寒武系至中三疊系,該區(qū)域經(jīng)歷了穩(wěn)定的揚(yáng)子克拉通沉積階段,沉積了一套巨厚的海相碳酸鹽巖和碎屑巖,中三疊系至白堊系則主要沉積一套陸源碎屑巖(唐曉珊等,1997;劉春平等,2006;Liu et al.,2005)。 川東褶皺帶可能經(jīng)歷了三期構(gòu)造作用,晚志留—中泥盆世、石炭紀(jì)末以及中、晚三疊世之交,以整體抬升作用為主,不發(fā)育任何褶皺構(gòu)造(胡召齊等,2009;付宜興等,2007);晚侏羅—早白堊世受古太平洋板塊向北西俯沖作用,在華南內(nèi)部形成寬闊的弧背前陸變形帶(Li et al.,2018),構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向?yàn)楸蔽鳌蠔|向,前侏羅紀(jì)地層發(fā)生了強(qiáng)烈的褶皺-沖斷變形,形成了大量北東—南西向的褶皺和逆沖斷層,該期斷層大多具有左行走滑的特征(王宗秀等,2019);新生代晚期,印度大陸與歐亞大陸的匯聚作用造成川滇地體的南東向擠出,四川盆地發(fā)生大規(guī)模逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),盆地周緣斷裂帶發(fā)生大規(guī)模右行走滑(Wang et al.,2014;王二七等,2009),早期構(gòu)造被強(qiáng)烈改造(王宗秀等,2019)。 形成了兩套差異明顯的褶皺帶,華鎣山斷裂與齊岳山斷裂之間的隔擋式褶皺,高陡背斜核部多出露三疊紀(jì)地層,寬緩向斜核部多為侏羅紀(jì)地層(張小瓊等,2013);齊岳山與張家界斷裂之間的隔槽式褶皺,寬緩背斜核部以出露南華系—奧陶系為主,向斜核部多為三疊系(王宗秀等,2019)。 隔擋式褶皺帶可能是為了協(xié)調(diào)深部主滑脫層而變形的滑脫褶皺(張小瓊等,2013;劉重慶等,2013;He et al.,2018),地球物理剖面可以清晰地觀測(cè)到變質(zhì)基底并未卷入構(gòu)造變形(Dong et al.,2015)。 隔槽式褶皺除了受滑脫構(gòu)造影響,還與差異隆升剝蝕造成的不同構(gòu)造層次褶皺出露有關(guān),且變質(zhì)基底卷入了褶皺變形(王宗秀等,2019)。
圖1 川東褶皺帶構(gòu)造背景地形渲染圖Fig.1 Rendering map of the tectonic background topography of the eastern Sichuan fold belt
1.2 地?zé)岜尘?/h3>
地?zé)岙惓Ｅc現(xiàn)存的區(qū)域構(gòu)造-熱事件、最后一次熱事件發(fā)生的時(shí)間、巖石圈拉張程度、地殼厚度等因素有關(guān)(袁玉松等,2006)。 但最重要的是現(xiàn)存的構(gòu)造-熱事件,如金衢盆地,19 km 深處存在厚度為8 km 左右的低速高導(dǎo)層,該低速層亦是地殼內(nèi)部的主滑脫面(吳奇之等,1997)。 還有西藏地殼深部普遍存在的部分熔融層(Nelson et al.,1996;Brown et al.,1996;Wei et al.,2001),且深大斷裂延伸至部分熔融層(圖2c;張樂天等,2012;Guo et al.,2019),成為有利的導(dǎo)熱、導(dǎo)水構(gòu)造,而四川盆地缺少這種現(xiàn)存的有利構(gòu)造-熱組合(圖2c)。 其次是最后一次熱事件發(fā)生的時(shí)間。 全球大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)顯示,大陸地區(qū)熱流值隨地質(zhì)體經(jīng)歷的最后一次熱事件的年齡增加而呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)(Polack et al.,1993),而揚(yáng)子克拉通中部地區(qū)最新的巖漿活動(dòng)為180 ~ 130 Ma,呈現(xiàn)低的大地?zé)崃髦?袁玉松等,2006)。
四川盆地夾持于西太平洋匯聚板緣型地?zé)嵊蚝吞靥崴箙R聚板緣型地?zé)嵊?圖2a,何治亮等,2017),缺乏較新的巖漿活動(dòng),也沒有現(xiàn)存的部分熔融等熱事件,大地?zé)崃髦档陀谌蚱骄鶡崃髦?徐明等,2011)。 除了峨眉山玄武巖形成的殘留熱異常,整個(gè)四川盆地表現(xiàn)負(fù)的地?zé)岙惓?呈現(xiàn)“冷殼冷?！钡膸r石圈地?zé)峤Y(jié)構(gòu)特征(徐明等,2011)。 而川東褶皺帶更是位于四川盆地的低地溫梯度區(qū)(圖2b)。
2 方法
2.1 設(shè)備及完成工作
根據(jù)研究區(qū)溫度梯度約在18 ~20℃/km(圖2d),熱水深度需在1000 ~3000m,才能達(dá)到>40℃,實(shí)現(xiàn)溫泉旅游開發(fā)。 因此,選用音頻大地電磁測(cè)深法探測(cè)深部熱水,所用儀器為加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V5-2000 大地電磁采集系統(tǒng)。 本次地?zé)峥辈楣膊荚O(shè)8 條音頻大地電磁測(cè)深剖面,基準(zhǔn)點(diǎn)距200m,采集393 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),剖面位置見圖3。
圖2 全球板塊構(gòu)造與板緣地?zé)嵊蚍植紙D(a;據(jù)何治亮等,2017),四川盆地地溫梯度等值線圖(b;據(jù)徐明等,2011)以及青藏高原與揚(yáng)子克拉通深部電性結(jié)構(gòu)差異圖(c;據(jù)張樂天等,2012)Fig.2 Distribution map of global plate tectonics and marginal geothermal domain (a; according to He et al.,2017), the contour map of the geothermal gradient in the Sichuan Basin (b; according to Xu et al., 2011) and the difference map of the electrical structure between the Qinghai-Tibet Plateau and the deep part of the Yangtze Craton (c; according to Zhang et al.,2012)
圖3 音頻大地電磁測(cè)深剖面位置圖Fig.3 Location map of audio magnetotelluric sounding profiles
2.2 電性特征
根據(jù)研究區(qū)的區(qū)域地質(zhì)情況,將巖性分為灰?guī)r、砂巖和泥巖,進(jìn)行巖石電性特征測(cè)試。 其中砂巖又分為中細(xì)粒砂巖、紫紅色砂巖和巖屑砂巖三類。 由圖4 可知,區(qū)內(nèi)巖石電性存在一定差異,灰?guī)r電阻率最大,砂巖次之,泥巖最小。 不同類型的砂巖之間電性差異較小。
圖4 巖石電性測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖Fig.4 Statistical results of rock resistivity test
2.3 解譯標(biāo)志
大地電磁測(cè)深剖面對(duì)灰?guī)r與砂泥巖之間的電性差異有一定響應(yīng),比如背斜碳酸鹽出露區(qū)相較于向斜砂泥巖出露區(qū),電阻率較高(圖5 中 L1、L2)。但同在背斜或向斜構(gòu)造區(qū)域,相較于巖性變化造成的電阻率差異,斷裂構(gòu)造引起的地層含水率增加,電阻率降低,是音頻大地電磁測(cè)深更易識(shí)別的電性特征(圖5 中 L1、L2)。 對(duì)于斷裂的解譯,電阻率等值線呈現(xiàn)低阻特征且產(chǎn)狀與地層不一致,解譯為斷裂帶; 若電阻率等值線呈現(xiàn)低阻特征且與砂泥巖地層產(chǎn)狀吻合,暫不解譯為斷裂帶。
3 結(jié)果
3.1 牟家鎮(zhèn)地?zé)峋畈靠臻g結(jié)構(gòu)
在牟家鎮(zhèn)地?zé)峥辈閰^(qū),布置“三橫兩縱”的音頻大地電磁測(cè)深剖面(L1—L5),來探測(cè)其深部空間結(jié)構(gòu),為鉆孔布設(shè)提供依據(jù)。 測(cè)線位置見圖3。 L1剖面自華鎣山西翼至銅鑼山東翼垂直主構(gòu)造方向自北西至南東布設(shè),長約20 km,共采集103 個(gè)點(diǎn),解譯斷裂 4 條,F0、F1、F2、F3(圖 5)。 L2剖面自華鎣山東翼至銅鑼山中西部垂直主構(gòu)造方向自北西至南東布設(shè),長約10km,共采集49 個(gè)點(diǎn),解譯斷裂3 條,F1、F2、F3。 L3剖面自向斜部位至銅鑼山東翼垂直主構(gòu)造方向自北西至南東布設(shè),長約10 km,共采集52個(gè)點(diǎn),解譯斷裂 2 條,F2、F3。 L4剖面沿銅鑼山西翼平行主構(gòu)造方向自南西至北東布設(shè),長約4.5km,共采集 23 點(diǎn),解譯斷裂 3 條,F2、F4、F5,其中 F2為 L4-L6剖面中 F2的等深度響應(yīng)。 通過圖 6-3 可知,F1、F2、F3為區(qū)域性的斷裂,且沿主構(gòu)造方向延伸較大;F4、F5斷裂為北西南東向次級(jí)斷裂,起到了連通F1、F2、F3主干斷裂的作用。 F0、F1、F2、F3、F4、F5組成了相互連通的斷裂網(wǎng)絡(luò)。 那么,如此廣泛分布的斷裂系統(tǒng)可能存在可開采的巨量地?zé)崴?/p>
L1剖面23 點(diǎn)至28 點(diǎn)處有一低阻異常區(qū)C0(圖5),在C0上方垂直L1剖面布設(shè)L5剖面,發(fā)現(xiàn)C0在主構(gòu)造方向上存在穩(wěn)定延伸,推測(cè)其為一規(guī)模較大的地下暗河(圖5)。 該暗河與 F0連接,那么,可能存在 C0→F0→F4和/或 F5→F2的補(bǔ)給通道。 說明該相互連通的斷裂系統(tǒng)可以作為大氣降水從補(bǔ)給→深循環(huán)加熱→出露地表的通道。
3.2 鉆孔驗(yàn)證
以F2斷裂為目標(biāo)體布設(shè)地?zé)徙@孔(圖5 中L2剖面),發(fā)現(xiàn)出水位置在550 ~1050m,與L2解譯的含水?dāng)嗔袴2位置吻合。 出水地層為須家河組、雷口坡組和嘉陵江組上段。 日涌水量>12000m3、水溫42℃,滿足溫泉旅游開發(fā)的要求。 據(jù)此,我們推測(cè)相互連通的斷裂系統(tǒng)可能是川東褶皺帶地?zé)峥辈榈氖滓繕?biāo)體,而不是傳統(tǒng)認(rèn)為的嘉陵江組:(1)出水位置與解譯的 F2斷裂位置吻合,F0、F1、F2、F3、F4、F5組成了相互連通的斷裂系統(tǒng),由上圖可知該斷裂系統(tǒng)面上廣泛展布,那么其具有“通道”與“儲(chǔ)層”的雙重屬性,可作為地?zé)峥辈槟繕?biāo)體;(2)出水位置并不全位于嘉陵江組,且后續(xù)800m 的嘉陵江組并未出水,這與川東褶皺帶內(nèi)“鉆遇嘉陵江組未出地?zé)崴拔淬@遇嘉陵江組出現(xiàn)地?zé)崴钡目辈槭聦?shí)相符。因此,嘉陵江組可能并不是該區(qū)地?zé)崴闹骺匾蛩亍?/p>
圖5 牟家鎮(zhèn)地?zé)嶂攸c(diǎn)勘查區(qū)L1-L5音頻大地電磁測(cè)深反演剖面(a)和音頻大地電磁測(cè)深解譯剖面(b)Fig.5 Inversion and interpretation of L1-L5 audio magnetotelluric sounding inversion profile (a) and Audio magnetotelluric sounding interpretation profile (b) in the key geothermal exploration area of Mujia Town
3.3 斷裂控水在川東褶皺帶具有普適性
為了查明斷裂控水在川東褶皺帶是否具有普適性,在華鎣山背斜與銅鑼山背斜的兩個(gè)出水點(diǎn)及1 個(gè)干孔分別布設(shè) 3 條剖面 L6、L7、L8(圖 3),查明其深部空間結(jié)構(gòu)。 L6線,查明銅鑼山背斜中已知天然出水點(diǎn)和人工出水鉆孔的地下電性結(jié)構(gòu)。 剖面長約9.7km,自南東至北西(約295°)共采集73 個(gè)點(diǎn)。 結(jié)合地質(zhì)概況對(duì)剖面圖進(jìn)行解譯(圖6):(1)1—22 點(diǎn)、61—73 點(diǎn)范圍內(nèi),1000m 以淺的低阻區(qū)域可能是沙溪廟組砂泥巖的電性響應(yīng);(2)28—60 點(diǎn)的高阻區(qū)域?yàn)榧瘟杲M灰?guī)r的電性響應(yīng),28—51 點(diǎn)的次高電阻率區(qū),可能是背斜形成過程中,產(chǎn)生的裂隙充填水作用造成;(3)20 點(diǎn)與67 點(diǎn)處存在兩條斷裂帶F1、F2,且出水鉆孔已深至斷裂帶。 通過該剖面可知:(1)鉆孔深部存在大型斷裂;(2)鉆孔深部出水地層為嘉陵江組;(3)天然出水點(diǎn)可能通過背斜翼部的裂隙帶與含水?dāng)嗔堰B通。
L7線,查明華鎣山背斜東翼人工出水鉆孔的地下電性結(jié)構(gòu)。 剖面長約 7.7km,自南東至北西(300°)共采集40 個(gè)點(diǎn)。 結(jié)合地質(zhì)概況對(duì)剖面圖進(jìn)行解譯(圖6):(1)0—27 點(diǎn)為砂泥巖,電阻率大約在102Ω·m,28—40 點(diǎn)為灰?guī)r,電阻率約在103Ω·m;(2)解譯出5 條斷裂帶,出水鉆孔位于斷裂帶中,出水地層為須家河組砂巖。 通過該剖面可知:(1)鉆孔深部存在大型斷裂;(2)鉆孔深部出水地層為須家河組砂巖。
圖6 L6線音頻大地電磁測(cè)深反演剖面(a)和音頻大地電磁測(cè)深解譯剖面(b)Fig.6 Inversion and interpretation of L6 audio magnetotelluric sounding inversion profile (a) and audio magnetotelluric sounding interpretation profile (b) in the key geothermal exploration area of Mujia Town
L8線,查明華鎣山西翼無水鉆孔的地下電性結(jié)構(gòu)。 剖面長約2.6km,自北西至南東(115°)共采集14 個(gè)點(diǎn)。 結(jié)合地質(zhì)概況解譯出3 條斷裂(圖8)。通過該剖面可知:(1)鉆孔深部不存在大型斷裂;(2)嘉陵江組未出水。
圖8 L8線音頻大地電磁測(cè)深反演剖面(b)和音頻大地電磁測(cè)深解譯剖面(b)Fig.8 Inversion and interpretation of L8 audio magnetotelluric sounding inversion profile ( a) and audio magnetotelluric sounding interpretation profile (b) in the key geothermal exploration area of Mujia Town
通過三條剖面可知:(1)出水鉆孔必在斷裂帶上;(2)嘉陵江組不一定出水;(3)其他地層也可能出水。 綜上,斷裂控水在川東褶皺帶具有普適性。
4 討論
4.1 嘉陵江組與相互連通的斷裂系統(tǒng)兩種勘查目標(biāo)體的空間矛盾
上述音頻大地電磁測(cè)深解譯斷裂與嘉陵江組呈斜交關(guān)系,如圖9。 根據(jù)區(qū)域地溫梯度及勘查經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)1500 ~2500m 左右的地?zé)峥辈榫?以嘉陵江組為目的層的勘查模式,認(rèn)為隨嘉陵江組的埋深地溫增加,以相互連通的斷裂系統(tǒng)為目標(biāo)的勘查模式,認(rèn)為隨斷裂的埋深地溫增加(圖9),兩者有著較大的空間矛盾。 這種空間矛盾會(huì)產(chǎn)生三種勘查失誤(圖9)。 一是,偏離斷裂,即使鉆至嘉陵江組也無水,造成勘探失誤;1 號(hào)鉆孔應(yīng)往左邊布設(shè)(圖9)。二是,誤打誤撞鉆遇斷裂,以為深部嘉陵江組有溫度更高的熱水,加大勘探深度,造成經(jīng)費(fèi)增加;2 號(hào)鉆孔應(yīng)往右邊布設(shè),或鉆遇斷裂即可停止鉆進(jìn)(圖9)。 三是,斷裂埋深大于嘉陵江組,打到嘉陵江組,未打到斷裂,造成勘探失誤;3 號(hào)鉆孔應(yīng)往右邊布設(shè),或增加鉆進(jìn)深度(圖9)。 據(jù)此,解釋了“鉆遇嘉陵江組未出地?zé)崴拔淬@遇嘉陵江組出現(xiàn)地?zé)崴钡目辈槭聦?shí)。
圖9 新、老勘查模式空間矛盾示意圖Fig.9 Schematic diagram of spatial contradiction between new and old exploration modes
4.2 相互連通的斷裂系統(tǒng)是可持續(xù)開發(fā)的地?zé)崴臻g載體
圖7 L7線音頻大地電磁測(cè)深反演剖面(a)和音頻大地電磁測(cè)深解譯剖面(b)Fig.7 Inversion and interpretation of L7 audio magnetotelluric sounding inversion profile (a) and audio magnetotelluric sounding interpretation profile (b) in the key geothermal exploration area of Mujia Town
相互連通的斷裂系統(tǒng)在空間上的廣大展布,使其具有通道與儲(chǔ)層的雙重屬性,我們提出其是地?zé)崴翱臻g載體”的概念。 嘉陵江組含有大量的地?zé)崴?毫無疑問是正確的。 但這些地?zé)崴軌蛟谌祟惪砷_采的時(shí)間內(nèi)運(yùn)移嗎(而不是地質(zhì)時(shí)間)? 根據(jù)平面徑向流壓力波及半徑計(jì)算公式(公式1,巴斯寧耶夫等,1992),進(jìn)行半定量分析。
式中,R(t)—壓力波及半徑;k—滲透率;p—邊界壓力;μ—地下水黏度;φ—地層孔隙度;t—波及時(shí)間。
設(shè)川東褶皺帶嘉陵江組滲透率約為0.062mD(根據(jù)氣田開發(fā)內(nèi)部資料,石炭系碳酸鹽地層滲透率統(tǒng)計(jì)資料為0.062mD,依此設(shè)定嘉陵江組碳酸鹽地層滲透率),邊界壓力為2000m 水柱,40℃的地?zé)崴扯葹?.656 ×10-3Pa·S,地層孔隙度2%。 據(jù)公式1,嘉陵江組2 天時(shí)間壓力波及半徑約為8m,1000 天的地層壓力波及半徑約為179m,10000 天的地層壓力波及半徑約為566m。 也就是說嘉陵江組地層極低的滲透性,無法建立匯水端與溫泉終端的水力聯(lián)系,只能通過抽水維持開采量,隨著抽水的進(jìn)行,壓降漏斗劇烈增大,最終導(dǎo)致無水可抽。 而相互連通的斷裂系統(tǒng)則具有極高滲透性,可以建立匯水端與溫泉終端的水力聯(lián)系(圖10),合理的開發(fā)形成穩(wěn)定滲流場(chǎng),保證溫泉可持續(xù)開發(fā)利用。 因此,碳酸鹽巖地層為地?zé)崴_發(fā)目標(biāo)體,其內(nèi)的流體是靜態(tài)的(相對(duì)于開發(fā)時(shí)間),不可持續(xù)開發(fā)的;而以相互連通的斷裂系統(tǒng)為空間載體的川東褶皺帶地?zé)嵯到y(tǒng),其內(nèi)的流體是動(dòng)態(tài)的,可持續(xù)開發(fā)的。
圖10 川東褶皺帶相互連通斷裂系統(tǒng)三維地質(zhì)建模圖Fig. 10 3D geological modeling of the interconnected fault system in the eastern Sichuan fold belt
4.3 川東褶皺帶地?zé)嵯到y(tǒng)
“儲(chǔ)層”似乎是地?zé)岱矫娴闹攸c(diǎn)研究對(duì)象。 “儲(chǔ)層”概念來源于油氣勘探,演化到其他行業(yè),如礦床中的“源-運(yùn)-儲(chǔ)” 系統(tǒng),包括地?zé)嵝袠I(yè)中的“源-運(yùn)-儲(chǔ)-蓋”四要素。 但我們會(huì)發(fā)現(xiàn),無論是油氣、還是礦床中“儲(chǔ)”的概念,是流體運(yùn)移過來后進(jìn)行儲(chǔ)集。 那么,我們對(duì)儲(chǔ)層開發(fā)后,總有開發(fā)殆盡的時(shí)候。 顯然,川東褶皺帶的地?zé)崴跓o窮無盡的流淌。 若用“儲(chǔ)層”的概念,那么地?zé)崴遣豢沙掷m(xù)開發(fā)的。 因此,我們需要堅(jiān)定地運(yùn)用地?zé)嵯到y(tǒng)的概念,把川東褶皺帶看作整體進(jìn)行研究。
晚侏羅—早白堊世古太平洋板塊向北西俯沖(Li et al.,2018),疊加喜山期印度大陸與歐亞大陸的碰撞作用,形成了如今的川東褶皺帶(王宗秀等,2019)。 在擠壓過程中,側(cè)向應(yīng)力不均一,容易形成北東向構(gòu)造為主,北西向構(gòu)造為輔,網(wǎng)狀相互連通的斷裂系統(tǒng)。 川東褶皺帶缺乏新近紀(jì)以來的巖漿巖,深部也不存在部分熔融體,說明川東褶皺帶地?zé)嵯到y(tǒng)的增溫主要為地?zé)崽荻燃訜帷?根據(jù)地?zé)崴瓾-O 同位素位于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€上,推斷大氣降水為地?zé)崴闹饕a(bǔ)給。 根據(jù)圖5,地下暗河與深部斷裂相連通 (或者說地下暗河是斷裂系統(tǒng)在徑流區(qū)的表現(xiàn)形式),說明大氣降水通過地下暗河等淺表溶蝕空間將大氣降水補(bǔ)給入深部斷裂系統(tǒng),經(jīng)深循環(huán)加熱成為地?zé)豳Y源。 根據(jù)地?zé)崴畯谋蓖现饾u變老的14C 年齡(羅祥康等,2000),說明北北東向主構(gòu)造為地?zé)崴\(yùn)移及補(bǔ)給的主要方向。 而北西向淺部暗河與斷裂的存在及華鎣山較高的海拔,地?zé)崴嬖诒蔽飨蜓a(bǔ)給的可能。 因此,相互連通的斷裂系統(tǒng)為川東褶皺帶地?zé)嵯到y(tǒng)的空間載體,是地?zé)峥辈榈闹饕繕?biāo)體;大氣降水是川東褶皺帶地?zé)崴闹饕a(bǔ)給,沿?cái)嗔严到y(tǒng)經(jīng)深循環(huán)增溫后成為地?zé)豳Y源。
此外,四川盆地三疊系嘉陵江組碳酸鹽巖,含有膏巖層等易溶解層位(譚志遠(yuǎn)等,2021),當(dāng)?shù)責(zé)崴鹘?jīng)被斷裂系統(tǒng)切穿的碳酸鹽巖時(shí),溶蝕了該巖層中的成分,使得地?zé)崴刑妓猁}巖地層成分。但這不能說明碳酸鹽巖就是儲(chǔ)層,而只能說明其是地?zé)崴h(huán)系統(tǒng)的組成部分。
4.4 幾點(diǎn)思考與說明
(1)依靠大氣降水補(bǔ)給的地下熱水系統(tǒng),水頭有限,可能并不像油氣田那般需要太嚴(yán)密的蓋層,風(fēng)化后的土壤即可起到對(duì)斷裂的封堵作用。 (2)在進(jìn)行地?zé)峥辈闀r(shí)為何需要描述完整的、相互連通的斷裂系統(tǒng)? 相互連通的斷裂系統(tǒng)有著來自補(bǔ)給端的水頭,是可持續(xù)開發(fā)的目標(biāo)體,只通過1—2 條剖面確定的低阻異常可能是孤立的、靜態(tài)的、不可流動(dòng)的水體。 (3)我們針對(duì)音頻大地電磁測(cè)深解譯的斷裂F2進(jìn)行過地質(zhì)調(diào)查,然而地表并未發(fā)現(xiàn)斷層跡象。 存在兩種可能:一是斷裂未到達(dá)地表;二是川東褶皺帶中大部分?jǐn)嗔训臄嗑噍^小,被塑性的砂泥巖地層吸收。 這跟實(shí)際地質(zhì)情況相符,即油氣探測(cè)中發(fā)現(xiàn)川東褶皺帶深部構(gòu)造發(fā)育,而地表填圖中卻很少發(fā)現(xiàn)斷裂跡象。 滲流通道只需要破裂面的存在,而并不需要層位的錯(cuò)動(dòng)。 因此,我們稱之為斷裂系統(tǒng),而不是斷層系統(tǒng)。
5 結(jié)論
三疊系嘉陵江組碳酸鹽巖是川東褶皺帶地?zé)嵯到y(tǒng)的組成部分,而不是熱儲(chǔ)層;相互連通的斷裂系統(tǒng)具有“通道”與“儲(chǔ)層”的雙重屬性,是該地?zé)嵯到y(tǒng)的空間載體;完整解釋了“鉆遇嘉陵江組未出地?zé)崴拔淬@遇嘉陵江組出現(xiàn)地?zé)崴钡脑?以相互連通的斷裂系統(tǒng)為勘查目標(biāo)體,并依據(jù)本文的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行地?zé)峥辈?將會(huì)大大提高川東褶皺帶地?zé)峥辈槌晒β?斷裂系統(tǒng)極高的滲透率,利于建立匯水端與溫泉終端的水力聯(lián)系,合理開發(fā)形成穩(wěn)定滲流場(chǎng),可實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源持續(xù)開發(fā)利用;精細(xì)刻畫該斷裂系統(tǒng)的深部空間結(jié)構(gòu),是川東褶皺帶地?zé)嵯到y(tǒng)成因、勘查、可持續(xù)開發(fā)研究的基礎(chǔ)。
致謝:衷心感謝審稿專家及編輯部老師對(duì)本文提出的寶貴意見! 在中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心成立60 周年之際,祝愿單位健康發(fā)展,為解決國家資源勘查及地球系統(tǒng)科學(xué)研究中的重大問題貢獻(xiàn)力量!
猜你喜歡
青年歌聲(2019年9期)2019-09-17 09:02:58
學(xué)生導(dǎo)報(bào)·中職周刊(2019年7期)2019-06-11 11:06:10
Coco薇(2017年6期)2017-06-24 23:08:56
四川黨的建設(shè)(2017年10期)2017-06-19 03:02:28
中國三峽(2017年4期)2017-06-06 10:44:22
重慶建筑(2017年4期)2017-04-24 02:36:11
劍南文學(xué)(2016年13期)2016-08-23 12:10:56
江西煤炭科技(2015年2期)2015-11-07 03:10:25
Coco薇(2015年7期)2015-08-13 22:33:38
天然氣勘探與開發(fā)(2014年3期)2014-02-28 17:00:10
