綜合物探方法在皖東地區(qū)勘查地熱資源

沈林群 ,張國鴻

(1安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊， 安徽六安 237010;2安徽省地球物理地球化學勘查技術院, 安徽合肥 230022)

0 引言

按地熱能量的傳遞方式，安徽省地熱資源主要有隆起山地對流型和沉積盆地傳導型兩大類[1]。安徽省地熱資源露頭、多年來勘查揭露都是水型地熱源，所以有人把地熱資源勘查工作認為是尋找深層地下水體[2]，筆者認為符合實際。本次查區(qū)位于郯廬斷裂帶內(nèi)，基巖為古近系定遠組泥質(zhì)粉砂巖，它作為蓋層，其下深部具有白堊系張橋組含水中細粒砂巖地層，區(qū)域上具有對流型和傳導型的地熱地質(zhì)條件。

勘查區(qū)位于安徽省定遠縣練鋪鄉(xiāng)與三和集之間，距定遠縣城北東約20km處,勘查范圍為一北東向矩形，長約800m，寬約500m。定遠縣三和集鎮(zhèn)鎮(zhèn)政府受鳳陽縣梅市鄉(xiāng)地表出露溫泉的啟發(fā)，設想在區(qū)內(nèi)烏云山地段招商引資開發(fā)地熱資源。通過實地踏勘和地質(zhì)資料的收集，發(fā)現(xiàn)查區(qū)位于我國著名的呈北北東走向的巨型郯廬斷裂帶西側(cè)的斷裂帶內(nèi)。因此，勘查工作的目的主要是通過地面綜合物探勘查手段，尋找與地下熱源有關的呈北北東走向的隱伏深大斷裂構(gòu)造，圈定出地熱異常區(qū)，為確定地熱井的最佳位置提供地球物理依據(jù)。通過勘查工作，在查區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)并圈定了北北東向斷裂帶三條，北東（東）向斷裂帶兩條，查明了斷裂帶的產(chǎn)狀、下延深度及其性質(zhì)；了解了查區(qū)內(nèi)地溫場的分布狀況，為下一步地熱資源預可行性勘查工作（深鉆揭露）提供了靶區(qū)。

1 勘查地熱的依據(jù)

1.1 地熱地質(zhì)條件

（1）基巖地層：測區(qū)北側(cè)為元古界（Pt）老地層。下部為灰黃、灰紫色砂巖，中粒砂巖夾砂礫巖；中部為粉紅色泥灰?guī)r夾灰紫、灰黃色泥巖；上部為紫紅色砂巖夾砂巖透鏡體。東部是白堊系響導鋪組（K2x）紅色粉砂巖、細砂巖；古近系照明山群上段（E2zh2）紅色礫巖夾含礫砂質(zhì)泥巖。南部和西部主要為古近系照明山群下段（E2zh1）深灰、灰紫色氣孔或杏仁狀玄武巖和橄欖玄武巖夾紅色鈣質(zhì)礫巖和粉砂質(zhì)泥巖。見圖1。

古近系照明山群下段的粉砂質(zhì)泥巖是很好的熱儲蓋層，根據(jù)區(qū)域地層分布規(guī)律，其下應該是白堊系張橋組（E2z）磚紅色中細粒砂巖。張橋組定名于安徽省定遠縣張橋鎮(zhèn)，正層型為定遠縣張橋103鉆孔柱狀剖面[3]，它是合肥盆地中主要含水層位，當存在地熱異常或地熱條件時，是一個重要的層狀熱儲層。

圖1 區(qū)域基巖地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of regional bedrock

（2）區(qū)域斷層：區(qū)域深大主干斷層主要有北北東向和近東西向兩組。見圖2。北北東向主干斷裂有四條，明光市斷裂（24）以西屬于著名的郯—廬深大斷裂的西界線，在該斷裂以西發(fā)育三條北北東向主干斷裂，其中一條為實測斷裂（15），經(jīng)梅市鄉(xiāng)詹家槽坊。四條北北東向主干斷裂均為高角度（70°～80°）的壓扭性斷層，（15）、（16）、（24）號三條斷層向西傾斜，（13）號斷層向東傾斜。近東西向主干斷裂有二條，均為推測的，屬正斷層，向北傾斜。（1）號斷層為北西西向，自西向東延伸至北北東向的（13）號斷層；（10）號斷層為北東東向，自西向東延伸至北北東向的（15）號斷層，且被北北東向的（13）號斷層錯斷，說明北北東向斷層生成期晚于近東西向斷層。

由圖2見到，除區(qū)域斷層分布外，并有北東或北西向次級斷層分布。十分縱橫交錯的斷層，特別是深大斷層的存在形成了有利的地熱地質(zhì)條件，為熱儲層提供了熱源通道，并可能形成地熱點（田）。

1.2 地熱顯示

本區(qū)地熱開發(fā)利用現(xiàn)狀表明，區(qū)內(nèi)專門的地熱地質(zhì)研究工作程度較低，尚處于起步階段。盡管位于查區(qū)北部的鳳陽縣梅市鄉(xiāng)有溫泉出露（圖2），但沒有做過專門的地熱地質(zhì)研究工作，僅在2001年和2004年，安徽省滁州地環(huán)站和鳳陽縣梅市鄉(xiāng)政府對梅市鄉(xiāng)詹家槽坊泉眼水做過水質(zhì)檢驗分析工作；2003年12月安徽省地球物理地球化學勘查技術院對泉眼地段進行過水溫簡易測量，水溫達26.5℃。在定遠縣北東約10km的泉塢山處有一地熱勘探水井（圖2），井底深約300m，經(jīng)過簡易測溫，水溫30℃左右。

圖2 區(qū)域斷層構(gòu)造圖Fig.2 Map of regional fault structures

圖2顯示，在北北東向深大斷裂與北東向、北西向或近東西向次級斷裂的交匯部位有地熱顯示。本次查區(qū)位于梅市鄉(xiāng)詹家槽坊與定遠縣泉塢山之間，特別是處于北北東向深大斷裂帶上（15），北西方向有烏云山體，若存在次級斷裂與深大斷裂帶相交，在深埋的白堊系張橋組中細粒砂巖含水巖體中定會出現(xiàn)地熱異常，并會有地下熱水埋藏。

1.3 區(qū)域重力場特征

區(qū)域重力場是揭示大地構(gòu)造（深大斷裂、深部隆起、凹陷、背斜、向斜等）最重要、最基礎的地球物理資料。圖3是區(qū)域重力場總體展布特征，反應了地殼基底構(gòu)造為北北東向和地表淺部古老地層的走向。在池河鎮(zhèn)東側(cè)為一重力梯度帶，反應了郯—廬深大斷裂帶的西側(cè)界線；定遠北部的東西向的重力高是蚌埠東部的老地層分布；定遠—練鋪—梅市—明光一線為一系列的局部重力低，這些局部重力低反應的是古近系或白堊系斷陷盆地的存在；在定遠縣南東的倉鎮(zhèn)、練鋪的北東地段顯示為局部重力高異常，表明這些地段古生代地層發(fā)生了隆起情況。

圖3 區(qū)域布格重力異常示意圖Fig.3 Sketch of the regional Bouguer gravity anomaly

圖3顯示出勘查區(qū)處于次級的重力異常梯級帶上，因此有可能存在次級的斷裂構(gòu)造，練鋪凹陷中存在含水的張橋組中細粒砂巖，所以地下深部存在地熱異常和地下熱水的可能性極大。

2 工作布置

在收集、分析、研究地質(zhì)資料的基礎上，將勘查工作剖面布置成北西向，用來尋找圈定北北東向及北東東向兩組斷裂帶位置，其具體剖面布置見圖4。

圖4 勘查工作布置圖Fig.4 Arrangement of survey work

勘查工作投入了視電阻率聯(lián)合剖面法、激發(fā)極化測深法、大地電磁（MT）法、常規(guī)測氡（α射線）法和、淺層（10～15m）測溫法。視電阻率聯(lián)合剖面法和常規(guī)測氡（α射線）法的測點距=20m；激發(fā)極化測深法測點距=50m；大地電磁（MT）法測點距=50～100m；淺層（10～15m）測溫法點距=100～200m。

3 勘查結(jié)果

通過綜合地面物探方法的勘查，發(fā)現(xiàn)并圈定了測區(qū)內(nèi)北北東向和北東向斷裂帶位置、走向以及性質(zhì)。由淺層（10～15m）測溫結(jié)果圈定了地熱異常區(qū)范圍，根據(jù)梅市鄉(xiāng)詹家槽坊泉眼水的化學性質(zhì)，估算了熱儲層的溫度，設計了深孔位置。

3.1 直流視電阻率聯(lián)合剖面

視電阻率聯(lián)合剖面裝置適用于探測圈定陡立狀的斷裂或斷層低阻異常體，在陡立的薄板低阻體上方會形成曲線的“正交點”，依據(jù)“正交點”的位置很容易確定地層中斷裂破碎帶的位置，通過不同測線的異常特征的相似性，可以確定斷裂帶的走向。

圖5是勘查區(qū)25線視電阻率聯(lián)合剖面測量結(jié)果，供電極距AO=BO=100m，測量極距MN=40m。在剖面的33和55號測點處出現(xiàn)了“正交點”，且異常岐離帶明顯，反應了地層中斷裂破碎帶的存在，由于交點的低阻性不明顯，在55號點約13Ω.m,在33號點約11Ω.m，這可能是激電效應產(chǎn)生的，說明兩處的斷裂帶可能是含地下水的。

3.2 直流視電阻率測深

圖5 查區(qū)25號測線視電阻率聯(lián)合剖面曲線Fig.5 Line 25 apparent resistivity composite profile across the survey area

視電阻率測深是查明斷裂破碎帶的垂向分布和變化的詳細情況，根據(jù)異常特征可大致獲得斷裂帶的寬度、傾向和下延深度等信息。圖6是查區(qū)31號測線視電阻率垂向測深等值線斷面圖。淺部（AB/2≤100m）在42～62號測點約200m范圍內(nèi)為一水平低阻層，深部（AB/2≥200m）呈一漏斗狀的低阻異常；在66～80號測點間，淺部呈相對高阻，深部是一個高阻隆起，大約在66號測點附近為一電性梯級帶。據(jù)此異常展布特征和相鄰測線的異常特點，推測在66號測點處存在斷層。斷層產(chǎn)狀陡立，略向小號點傾，為一正斷層。

大地電磁測深（magnetotelluric，MT）是以天然場為場源來探索地球內(nèi)部電性結(jié)構(gòu)的一種重要的地球物理勘查手段。在地表觀測大地電磁場，它的頻率響應反映著地下巖土層電性的垂向分布情況[4]。

圖6 查區(qū)31號測線視電阻率測深斷面圖Fig.6 Line 31 apparent resistivity sounding cross-section in the survey area

圖7 是查區(qū)30號測線上觀測的大地電磁場通過付氏變換獲得卡尼亞電阻率，再經(jīng)過二維反演后得到的電阻率等值線斷面圖。剖面100m以上為低阻異常，主要反映了古近系泥質(zhì)巖類，100m以下出現(xiàn)高阻異常區(qū)，主要給出了白堊系張橋組中細粒砂巖的分布。在張橋組砂巖中有兩處下凹的低阻異常，異常中心一處位于36號測點，另一處位于72號測點，兩處下凹的低阻異常帶反映了張橋組地層中斷層破碎帶的存在，并在深部（大于500m）可能相交，500m以下電阻率有所降低，為我們?nèi)Χú閰^(qū)斷裂帶的分布和主要熱儲層位提供了重要線索和依據(jù)。

圖7 查區(qū)30號測線大地電磁測深二維反演電阻率等值線斷面圖Fig.7 Line 30 magnetotelluric sounding two-dimensional inversion resistivity isoline cross-section in the survey area

3.4 淺層（10m）測溫

淺層10m鉆孔測溫結(jié)果表明，10～15m深度范圍內(nèi)各孔的垂向地溫梯度變化很?。ㄐ∮?.2°），地溫場的平面分布情況見圖8。由圖8可見，地溫異常（粉紅色區(qū)域）呈北北東向，與區(qū)域北北東向的斷裂帶及查區(qū)主要斷裂分布一致（圖9），說明北北東向的斷裂帶是導熱構(gòu)造，這一結(jié)果與我國和我省大多地熱田的溫泉分布也是一致的。

3.5 推斷的斷層構(gòu)造與熱儲層溫度估算

（1）斷層構(gòu)造：通過綜合物探的勘查工作，勘查區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造有兩組，一組為北北東向，另一組為北東向。北北東向分布的斷裂帶有三條（1、2、3），向西傾斜，經(jīng)過房家村,它是地下深部的導熱構(gòu)造；北東向分布的斷裂帶有兩條（4、5），4號斷層切割北北東向分布的斷裂帶，使北北東向的斷裂帶發(fā)生了平移，5號斷層位于查區(qū)北西部的烏云山南東，其傾向不清。斷層構(gòu)造的分布見圖9。

經(jīng)視電阻率聯(lián)合剖面和激電測深測量，上述斷層破碎帶寬約20～60m,大地電磁（MT）測量結(jié)果顯示1、2、3、4號斷層向下延伸約達到1km。

（2）熱儲層溫度：熱儲是指埋藏于地下、具有有效空間和滲透性的地層、巖體或構(gòu)造帶，其中儲存的地熱流體可供開發(fā)利用。

圖8 查區(qū)淺層10m測溫等溫線平面圖Fig.8 Shallow 10m range temperature measurement isotherm plane in the survey area

圖9 勘查區(qū)推斷的斷層構(gòu)造分布圖Fig.9 Distribution of inferred fault structures in the survey area

區(qū)域和查區(qū)北北東向斷裂構(gòu)造在平面上呈條帶狀延伸（圖2、圖9），梅市鄉(xiāng)詹家槽坊出露的溫泉位于北北東向斷裂帶上，地表水溫在冬季測量為26.5°，為明顯的地溫異常區(qū)。區(qū)域重力在定遠縣練鋪地段為一重力低，表明是一局部中生代盆地構(gòu)造，盆地內(nèi)基巖地層為古近系定遠組泥質(zhì)粉砂巖，下伏巖層是白堊系張橋組砂巖，因此具備層狀熱儲條件。由此可見，查區(qū)具有帶狀熱儲和層狀熱儲的雙重條件[5]。層狀熱儲是以傳導熱為主；帶狀熱儲是以對流熱為主。

地球化學溫標法是推算地下熱儲溫度的一種比較經(jīng)濟的方法，也是現(xiàn)行《地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范》中推薦的一種方法，它需要對溫泉或地熱井中的水取樣進行化學分析，根據(jù)不同元素的離子濃度進行計算，以達到估算熱儲溫度。我們借助于梅市鄉(xiāng)詹家槽坊的溫泉水的化學分析結(jié)果進行計算，以作為查區(qū)熱儲溫度估算的參考。

根據(jù)中華人民共和國國家標準《地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T 11615-2010）附錄A中A.4式—鉀鎂地熱溫標計算式：

式中：

C2—水中鉀的濃度，單位為（mg/L）；

C3—水中鎂的濃度，單位為（mg/L）。

2001年梅市鄉(xiāng)詹家槽坊的溫泉水分析結(jié)果為：K=7.39（mg/L）、Mg=29.84（mg/L）；2004年梅市鄉(xiāng)詹家槽坊的溫泉水分析結(jié)果為：K=6.23（mg/L）、Mg=33.54（mg/L）。取兩次分析結(jié)果的平均值代入上式計算得熱儲溫度t=46.78℃。

根據(jù)斷裂帶和地熱異常的分布確定了深鉆（1000m）位置，見圖9。

4 結(jié)論

（1）由于勘查區(qū)基巖地層（古近系定遠組泥質(zhì)粉砂巖）電阻率低，電性異常幅值小，因此勘查工作需用綜合物探方法進行，以彌補物探方法存在干擾和多解性的影響。

（2）通過視電阻率聯(lián)合剖面、激電測深、大地電磁法（MT）、淺層（10m）測溫等綜合物探方法的勘查資料，發(fā)現(xiàn)并圈定了斷裂帶位置、走向等基本性質(zhì)，為地熱異常區(qū)的圈定提供了基本地熱地質(zhì)依據(jù)。

（3）根據(jù)淺層（10m）測溫資料，圈示了勘查區(qū)淺層地溫場的分布特征。由斷裂帶和地溫場的分布特征，指出勘查區(qū)北北東向斷裂是導熱構(gòu)造，確定了深鉆位置。

（4）綜合物探方法勘查確實能夠提供比較多的信息，在對于勘查的目標體（如：斷裂）時，應該注意不同方法的異常特點進行綜合分析、研究和判斷。