地球物理方法在帶狀熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源調(diào)查中的應(yīng)用
——以湖南省汝城縣熱水鎮(zhèn)朱屋區(qū)為例

趙寶峰，汪啟年，陳同剛

(安徽省勘查技術(shù)院，合肥 230041)

0 引言

帶狀熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源是我國(guó)東南沿海地區(qū)重要的地?zé)犷?lèi)型之一，其形成是自然降水在水力壓差作用下，經(jīng)斷裂深循環(huán)后在負(fù)地形的地下水排泄區(qū)形成，屬中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)，熱儲(chǔ)構(gòu)造為含水的斷裂破碎帶[1-2]。

朱屋調(diào)查區(qū)位于湖南省汝城縣境內(nèi)，是東南沿海地區(qū)郴州-宜章-汝城地?zé)岙惓У囊徊糠諿3]，著名的熱水圩地?zé)崽镂挥谡{(diào)查區(qū)南部2 km處[4](圖1)。調(diào)查區(qū)屬熱田外圍，是四面環(huán)山的小洼地，地表無(wú)熱異常，地形高差約300 m，是一理想的負(fù)地形區(qū)，也是地下水的有利排泄區(qū)(圖1(d))。區(qū)內(nèi)植被發(fā)育，地表被第四系覆蓋，周邊巖石風(fēng)化嚴(yán)重，不利于地表露頭觀察和斷裂位置推斷。

調(diào)查的成功依賴于對(duì)區(qū)內(nèi)斷裂系統(tǒng)和熱儲(chǔ)構(gòu)造的落實(shí)，因此制定了以地球物理方法為主導(dǎo)的調(diào)查方法。通過(guò)高精度重力掃面，可控源音頻大地電磁測(cè)深(CSAMT)和淺層地震測(cè)量，劃分了斷裂系統(tǒng)，識(shí)別了地下水排泄區(qū)合適深度的含水?dāng)嗔哑扑閹?，在?yōu)選區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)潛在熱儲(chǔ)構(gòu)造，規(guī)?？捎^。熱儲(chǔ)頂部淺層鉆孔揭示了26℃熱異常，顯示了物探推斷的合理性，以及地球物理方法在帶狀熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源調(diào)查中的有效性。

1 地質(zhì)概況和物性特征

調(diào)查區(qū)位于花崗巖和變質(zhì)巖接觸附近，主要構(gòu)造走向NNE。東部在燕山早期的區(qū)域伸展拉張作用下導(dǎo)致二長(zhǎng)花崗沿該方向斷裂大面積侵入，形成以巖基和巖株產(chǎn)出的諸廣山巖體，巖性以中粗粒斑狀黑云母花崗巖為主[5]。西部變質(zhì)巖發(fā)育，元古界嶺秀組(Ptlx)以板巖、砂巖互層為主，震旦系(Z)以石英砂巖、硅質(zhì)巖和板巖為主，寒武系(∈)以石英砂巖和含碳質(zhì)板巖為主(圖1)，上覆有薄層(2 m～4 m)第四紀(jì)沉積。

圖1 熱水鎮(zhèn)地質(zhì)簡(jiǎn)圖

表1 地層和花崗巖物性參數(shù)

圖2 帶狀熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源的調(diào)查思路

區(qū)內(nèi)變質(zhì)巖呈高密度和中高電阻率特征，密度2.75×103kg/m3至2.60×103kg/m3之間，電阻率1 800 Ω·m至6 300 Ω·m之間?；◢弾r體密度小于變質(zhì)巖，在2.56×103kg/m3至2.58×103kg/m3之間，電阻率在4 900 Ω·m至13 000 Ω·m之間。含裂隙的變質(zhì)巖和花崗巖巖石樣品電阻率值在20 Ω·m至180 Ω·m之間。第四系呈低密度和低電阻率特征(表1)。

2 研究方法

2.1 調(diào)查思路

花崗巖和變質(zhì)巖均為致密的低滲透性巖石，儲(chǔ)水能力差,有效的熱儲(chǔ)空間形成依賴于斷裂的發(fā)育，對(duì)斷裂及破碎帶的落實(shí)是調(diào)查的關(guān)鍵。因此利用高精度重力橫向數(shù)據(jù)連續(xù)的優(yōu)勢(shì)，確定斷裂的平面展布[6]。結(jié)合可控源音頻大地電磁測(cè)深(CSAMT)對(duì)低阻電性體的識(shí)別優(yōu)勢(shì)，刻畫(huà)含水?dāng)嗔哑扑閹У男螒B(tài)、規(guī)模及產(chǎn)狀，識(shí)別熱儲(chǔ)構(gòu)造[7]。最后結(jié)合淺層地震確定溝通深部熱儲(chǔ)的斷裂在地表附近的出露點(diǎn)位置，為布置熱異常驗(yàn)證鉆孔提供借鑒。

以上方法優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)從平面→剖面→精確出露點(diǎn)的逐層推進(jìn)，在不同方向和深度刻畫(huà)斷裂展布及破碎的樣式，尋找到有利熱儲(chǔ)，是本次地?zé)豳Y源調(diào)查的基本思路(圖2)。

2.2 技術(shù)參數(shù)

高精度重力測(cè)量比例尺1: 5 000，測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)地形改正(近區(qū)：0 m～20 m；中區(qū)：20 m～2 km；遠(yuǎn)區(qū)：2 km～20 km；超遠(yuǎn)區(qū)：20 km～166.7 km)、中間層改正(中間層密度為2.67×103kg/m3)和網(wǎng)格化(間距為20 m×20 m)等處理，求取得布格重力異常。并利用水平一次導(dǎo)數(shù)和90°水平一次導(dǎo)數(shù)的合成數(shù)據(jù)求取頻率域水平總梯度模，從而利用斷裂兩側(cè)的密度差異，查明線性的斷裂構(gòu)造[8]。

可控源音頻大地電磁測(cè)深(CSAMT)頻率范圍0.1 Hz ～10 kHz，場(chǎng)源接地偶極子長(zhǎng)度AB為2 km，收發(fā)距R為8.0 km～13 km之間，接收偶極距50 m，中低頻率段供電電流≥10 A，工作頻率范圍0.125 Hz～10 kHz。采用手工矯正、數(shù)值處理相結(jié)合的方法，依據(jù)高頻和低頻變化趨勢(shì)，結(jié)合曲線類(lèi)型和地表地質(zhì)等情況，確定矯正值，消除了由淺層橫向電性不均勻造成的曲線靜態(tài)位移等影響，反演得到地質(zhì)體電性差異剖面。

淺層地震炮間距4為 m，偏移距為48 m，點(diǎn)距為2 m，采樣間隔為0.5 ms。確定了150 m深范圍內(nèi)，深度偏移剖面上斷層引起的同向軸扭曲挫斷。

3 熱儲(chǔ)識(shí)別

通過(guò)以上方法，構(gòu)建了本區(qū)的斷裂系統(tǒng)，識(shí)別了熱儲(chǔ)構(gòu)造，確定了熱異常的存在。

3.1 斷裂系統(tǒng)構(gòu)建

工區(qū)內(nèi)有三組斷裂，走向分別是NNE、NWW和NE向。

1)NNE向斷裂是工區(qū)規(guī)模最大的一組斷裂，主要有三條，分別是F1、F2和F4(圖3)，組成了一組花狀構(gòu)造樣式，具走滑斷裂帶的特征，垂向切割深度大(圖4)。其中F1、F2斷裂在布格重力異常平面圖上顯示為等值線的扭曲，在CSAMT二維反演剖面上顯示為垂向高角度條帶狀電性低阻體，在地震剖面上顯示為同向軸的扭曲錯(cuò)斷(圖4、圖5)。F4斷裂在布格重力異常平面圖上顯示為等值線梯級(jí)帶，在布格重力水平總梯度平面圖上顯示為等值線的條帶狀高值，在電法剖面上為陡傾的電性低阻體。該組斷裂是區(qū)域性濱太平洋構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物，控制了整個(gè)東南沿海地區(qū)的溫泉的線性分布，以及熱水圩地?zé)崽锏男纬蒣3,9-10]。

圖3 朱屋區(qū)布格重力和水平總梯度異常圖

圖4 朱屋區(qū)CSAMT反演剖面與斷裂解釋

2)NWW向斷裂垂直于NNE向斷裂。其中F5斷裂在布格重力異常平面圖上顯示為等值線的扭曲，在水平總梯度平面圖上高值帶的斷續(xù)連結(jié)(圖3)。該斷裂切割了F1、F2和F4斷裂，造成了NNE向控?zé)釘嗔哑扑閹У某浞职l(fā)育，有效增加了地下熱水的存儲(chǔ)空間。NWW向斷裂與NNE向斷裂形成于同一時(shí)期，是后者發(fā)育過(guò)程中的調(diào)節(jié)斷裂，具有走滑性質(zhì)，也是區(qū)內(nèi)的控水?dāng)嗔?，東南沿海地區(qū)多數(shù)地?zé)崽镄纬捎贜WW向NNE向斷裂交匯區(qū)附近，熱水圩地?zé)崽锏臏厝雎对谠撐恢肹3,6,10-11]。

3)NE向斷裂形成時(shí)間晚，控制了現(xiàn)今河流走向。其中F3斷裂在布格重力異常平面圖上顯示為等值線梯級(jí)帶，在水平總梯度平面圖上顯示為條帶狀高值帶，在CSAMT二維反演剖面上顯示為垂向電性低阻體(圖3、圖4)。NE向斷裂是區(qū)域性NNE向構(gòu)造形成過(guò)程中局部地層結(jié)構(gòu)變化應(yīng)力分解的產(chǎn)物，其發(fā)育增加了巖石破碎的程度。

3.2 熱儲(chǔ)形態(tài)識(shí)別

巖石破碎充水時(shí)，電阻率呈指數(shù)式下降[12-14]。本次調(diào)查的熱儲(chǔ)構(gòu)造，即含水的斷裂破碎帶，在電法剖面上顯示為電性低阻體。

調(diào)查區(qū)內(nèi)存在一“沙漏狀”垂向電性低阻體，在CSAMT-01反演剖面由條帶狀低阻帶和上下連接的兩個(gè)似橢圓狀低阻體組成(圖4(a))。其中淺部低阻體向地表開(kāi)闊未封閉，可能是淺層裂隙風(fēng)化充水的反應(yīng)，由于蓋層缺失，很難成為熱儲(chǔ)構(gòu)造。

深部低阻體中心埋深約500 m，寬約200 m，高約150 m，四周被高阻地質(zhì)體包圍，呈一個(gè)相對(duì)封閉的系統(tǒng)。該低阻體下部存在一垂向低阻細(xì)條帶，是深部斷裂F4破碎充水的反應(yīng)。上部也與垂向低阻細(xì)條帶，是F2/F3(F2和F3兩條高角度斷裂在此相交)斷裂破碎充水的反應(yīng)，與地表淺層溝通。低阻體核心是F2、F3和F4三條斷裂深部交匯的位置。

三條斷裂深部交匯位置的深部低阻體是巖石嚴(yán)重破碎的反應(yīng)，其埋藏深度合適，規(guī)?？捎^，結(jié)構(gòu)較為封閉，可通過(guò)深部斷裂(F4)將深循環(huán)的地下熱水的注入該破碎帶內(nèi)(圖4(a))，推測(cè)為熱儲(chǔ)構(gòu)造。該熱儲(chǔ)構(gòu)造向南延伸并逐漸減小，在CSAMT-01剖面上顯示為低阻范圍的縮小(圖4(b))。

熱儲(chǔ)構(gòu)造在平面上位于熱水河拐彎處，是多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加下產(chǎn)物，NNE、NWW和NE三個(gè)走向(F2、F3和F4)斷裂再此交匯。其中斷裂F2/F3溝通了深部熱儲(chǔ)和淺層地表，在淺層地震剖面顯示了斷裂出露位置(圖5)。圍繞F2/F3出露位置，設(shè)計(jì)施工了淺層鉆孔，驗(yàn)證了熱異常的存在。

3.3 熱異常確定

設(shè)計(jì)布置了5口60 m的鉆孔，位置如圖1(c)所示。其中井1位于斷裂出露點(diǎn)正上方，作為熱異常存在與否的直接驗(yàn)證井。井2、井3、井4逐漸遠(yuǎn)離，作為溫度變化分析井。井5位于外圍，作為工區(qū)背景溫度井(圖6)。

鉆探結(jié)果顯示，60 m深度內(nèi)存在兩層熱異常。上部為淺表層熱異常，深度為5 m左右，溫度從井1到井4逐漸降低，是熱異常由斷裂交匯點(diǎn)(井1附近)逐漸往周?chē)孤兜姆磻?yīng)。井5未受淺表層熱異常影響，溫度自地面向下逐漸降低，到10 m左右逐漸穩(wěn)定，溫度19℃，該溫度延續(xù)到18 m處開(kāi)始逐漸上升，顯示了本區(qū)地溫場(chǎng)背景值，即恒溫層深度約18 m，溫度19℃。

圖5 朱屋區(qū)淺層地震反演剖面及斷裂解釋

第二層熱異常在井1的30 m埋深處出現(xiàn)，溫度接近26℃。該位置巖層破碎，向下則破碎程度減弱，溫度也隨之下降，繼續(xù)向下則與井2、井3和井4溫度相同。第二層熱異常是深部熱水沿著斷裂破碎帶向外泄露的結(jié)果，與表層熱異常形成良好的呼應(yīng)，說(shuō)明了電法剖面顯示的電性低阻體是含熱水?dāng)嗔哑扑閹Ъ礋醿?chǔ)構(gòu)造的反應(yīng)。

圖6 朱屋區(qū)鉆井溫度曲線對(duì)比

4 討論

因此，有效的斷裂劃分和熱儲(chǔ)構(gòu)造識(shí)別依賴于多種方法的相互結(jié)合與優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)[16]。利用高精度重力確定主要斷裂的位置，CSAMT確定斷裂深部形態(tài)和破碎程度，淺層地震確定斷裂出露點(diǎn)的的位置，最終在發(fā)現(xiàn)熱儲(chǔ)頂部施工淺層鉆孔，確定熱異常的存在。同時(shí)，斷裂系統(tǒng)的劃分，應(yīng)建立在對(duì)本區(qū)的地層展布與構(gòu)造演化了解的基礎(chǔ)上，從而降低地球物理資料的多解性。

本次調(diào)查由于受調(diào)查成本限制，僅施工了淺層鉆孔。同時(shí)由于受地質(zhì)條件限制，即朱屋區(qū)距離巖漿巖體較遠(yuǎn)，變質(zhì)巖斷裂破碎帶導(dǎo)水性低于巖漿巖，斷裂規(guī)模相對(duì)較小等原因，取得的溫度異常只有26℃，遠(yuǎn)低于南部熱水圩地?zé)崽锏?1℃。但鉆孔依然根據(jù)地球物理方法推測(cè)結(jié)果，鉆遇了熱異常。

以上結(jié)果說(shuō)明了調(diào)查采用的思路和方法，能夠用于帶狀熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源的調(diào)查。在負(fù)向地形的地下水排泄區(qū)，通過(guò)不同地球物理方法，多層次的斷裂系統(tǒng)構(gòu)建，借助電法對(duì)含水破碎帶識(shí)別的優(yōu)勢(shì)，尋找到潛在的地?zé)豳Y源。

5 結(jié)論

1)帶狀熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源調(diào)查的核心是識(shí)別深部熱儲(chǔ)構(gòu)造。成功的調(diào)查依賴于多種地球物理方法有效結(jié)合，從而在地下水排泄的負(fù)地形區(qū)(或第四系覆蓋區(qū))落實(shí)斷裂展布樣式和破碎帶發(fā)育程度，圈定熱儲(chǔ)位置。

2)朱屋區(qū)主力熱儲(chǔ)位于NNE、NWW和NE三個(gè)走向的斷裂交匯區(qū)附近，平面上位于布格重力異常圖等值線梯級(jí)帶上，電法剖面上顯示為垂向帶狀電性地阻體，淺層地震顯示為同相軸的錯(cuò)動(dòng)。熱儲(chǔ)埋深約500 m，通過(guò)斷裂與淺層地表相通，頂部淺鉆顯示26℃溫度異常。

3)高精度重力測(cè)量易確定斷裂的平面分布，電法測(cè)量有利于發(fā)現(xiàn)充水?dāng)嗔哑扑閹У男螒B(tài)，淺層地震可確定熱儲(chǔ)頂部的出露位置，不同方法優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，合理識(shí)別熱儲(chǔ)構(gòu)造不同層次和深度的特征，可有效降低勘探風(fēng)險(xiǎn)，尋找到潛在的地?zé)豳Y源。