綜合電法在地熱田勘探中的應用
——以丹東金山地區(qū)為例

李洪嘉

(遼寧有色勘察研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110013)

1 引 言

丹東地區(qū)有著豐富的地熱資源，例如五龍背溫泉、椅圈子、北井子、炮手營子、湯池溫泉等，地熱資源的開發(fā)利用有著悠久的歷史。根據(jù)相關(guān)資料記載，五龍背溫泉早在唐朝時即被廣泛應用在洗浴和療養(yǎng)中，距今已經(jīng)有1 250余年。金山地區(qū)位于五龍背溫泉以南不足10 km處，距離丹東市市區(qū)7 km。在2000年和2006年，遼寧省第七地質(zhì)大隊先后在該區(qū)附近打出低溫溫泉水，證明了該區(qū)具備地熱資源成礦條件。宗裕地產(chǎn)在金山區(qū)開發(fā)房地產(chǎn)項目，需要打造一個別具風情的溫泉主題文化城，為丹東市增設(shè)一道亮麗的風景。正是在這種背景下，對該地區(qū)進行了地熱勘探。

本文通過對勘查區(qū)及周邊的以往的地質(zhì)、物探、測井等資料研究，將其與勘查區(qū)最近的五龍背地熱田發(fā)育模式進行比對，大致了解了該區(qū)的情況。該區(qū)的地層大部分被第四系覆蓋層所覆蓋，鮮有露頭，給勘查工作帶來了很大的困難。為了了解地層深部的信息，該區(qū)選擇主要的工作方法是物探電法，根據(jù)需求，要先了解淺部200 m以內(nèi)的情況，為此選擇了高密度電阻率法；再了解1 000 m以內(nèi)的情況，為此選擇了四極電測深法；最后了解2 000 m以上的情況，為此選擇了可控源音頻大地電磁法(CSAMT法)。其目的就是為了通過這些物探手段，更多地揭露地層信息。

目前，國內(nèi)地熱勘查的主要技術(shù)手段就是物探，比較流行的方法有二維地震、重磁法、電磁法、巖性測深等。通過物探手段，在遼寧省內(nèi)尋找了大量的溫泉，如沈北盆地、阜新東梁、大連老鐵山等。CSAMT法因其探測深度大、效率高、準確率高等特點，在遼寧省地區(qū)應用比較普遍，也取得了不錯的效果。本文就是以CSAMT法為主，結(jié)合其他物探電法手段，在丹東金沙地區(qū)成功地探測出1口地熱井。

2 地質(zhì)概況

勘查區(qū)在區(qū)域上，受到鴨綠江斷裂控制。鴨綠江斷裂是郯廬斷裂[1]帶東側(cè)的一個次級斷裂，是我國東部一條十分重要的斷裂帶，總體走向40°～50°，傾向多為北西向，傾角70°左右，主斷裂沿鴨綠江展布，主要形成于白堊世時期，具有多期活動特點[2]。鴨綠江斷裂也是一條控熱帶，著名的五龍背溫泉就是分布在其內(nèi)，金山地區(qū)地理位置位于五龍背以南不足10 km處、在鴨綠江斷裂帶西側(cè)，地理位置十分優(yōu)越，地溫梯度大于2 ℃/100 m，具備良好的地熱成礦條件。

3 地球物理特征

地球物理勘探的前提是目標物與圍巖具有明顯的物性差異，根據(jù)所選擇的物探方法，主要是電法，其物性參數(shù)為電阻率值。通過收集到的物性參數(shù)資料和巖石標本測試數(shù)據(jù)，得到成果如表1所示。

表1 金山地區(qū)主要地層的巖石電阻率值參數(shù)

本次地熱勘查的目標是尋找深大斷裂構(gòu)造及儲水和儲熱構(gòu)造[3]。一般而言，構(gòu)造斷裂帶在物理特性上表現(xiàn)為相對低電阻率，尤其是斷裂帶含溫泉水發(fā)育帶，電阻率會更低。這就意味著在尋找探測斷裂構(gòu)造帶時，目標物應該是低阻異常[4]。根據(jù)以上收集到的巖性電性物理值，認為目標物與圍巖物性差異明顯，滿足地球物理勘查的先決條件。

4 地熱場的特征

4.1 熱源的成因

地球內(nèi)部的熱量主要來源于行星本身的余熱(約20 %)和放射性元素通過衰變產(chǎn)生的熱量(約80 %)。遼東地區(qū)花崗巖侵入巖的出露約占其1/2面積，花崗巖侵入體的巖石放射性元素衰變所產(chǎn)生的熱為地熱田的形成提供了豐富的熱源。燕山期花崗巖巖體中大地熱流值較高[5]，介于55.7～90.4 mW/m2，是勘查區(qū)地熱源的主要來源。大地熱流值較高的地區(qū)主要分布在鳳城、本溪、岫巖這類燕山期花崗巖較為發(fā)育的地區(qū)[6]，一般介于65.1～76.3 mW/m2。這也就是大多數(shù)的地熱溫泉附近都發(fā)育大量的花崗巖體的原因。

4.2 地下熱水的成因

丹東地區(qū)雨量豐沛，年平均降水量達1 000～1 200 mm，七月和八月降水較為集中，地表水很發(fā)達，主要水系為鴨綠江水系，提供地下水補給充足的來源。地表徑流水、主要水系、大氣降水等，沿著深大斷裂帶滲入，由于斷裂之間的分支形成地下通道，形成了龐大的地下水系。地下水能夠沿斷裂帶向地下滲透的深度和可被加熱的溫度是決定地熱田是否發(fā)育的關(guān)鍵因素，而地殼脆性—韌性過渡帶是控制地下水滲透深度和溫度的決定因素[7]。在水源充足的情況下，地下水可以通過巖石脆性帶的裂隙帶向下運移，在脆性—韌性過渡帶不再滲入，并被加熱到250～350 ℃，然后再沿著斷層或裂隙系統(tǒng)向上運移，在斷層附近相對低洼的地區(qū)出露地表，即形成溫泉。溫泉也可以沿表層裂隙系統(tǒng)回流到主干斷裂，形成地下熱水的深循環(huán)系統(tǒng)[8]。

4.3 地熱發(fā)育模型

現(xiàn)今國內(nèi)學者將地熱的發(fā)育模式可分為兩大類，一是以斷裂控制為主的對流型[9]，二是以中生代斷陷盆地控制的熱傳導型[10,11]。無論是哪種類型，均與斷裂構(gòu)造有著密不可分的聯(lián)系[12]。

花狀構(gòu)造[7]是典型的走滑斷裂組合模式，分為正花狀和負花狀(圖2)兩種斷裂。①正花狀構(gòu)造是聚斂性走滑斷裂派生的，屬壓扭性，斷層陡立，向上分叉散開、以逆斷層組成的背沖構(gòu)造。該構(gòu)造若發(fā)育在低孔隙、低滲透的地質(zhì)體中，則不利于地下水向下運移，更不利于斷裂構(gòu)造型地熱系統(tǒng)的形成；②負花狀構(gòu)造是離散性走滑斷裂派生的，屬張性構(gòu)造，是一套由凹面向上的正斷層所構(gòu)成的似地塹構(gòu)造。斷裂帶呈離散狀，主干斷裂及派生斷裂發(fā)育富含孔隙空間，地下水可以沿著斷裂滲透至地下，是一種有利于地熱系統(tǒng)形成的構(gòu)造。

五龍背溫泉地熱發(fā)育模式就是典型的負花狀構(gòu)造地熱發(fā)育模式[7]，勘查區(qū)的地質(zhì)背景與之十分相似，應屬于同一種地熱發(fā)育模式：負花狀構(gòu)造地熱發(fā)育模式。

5 工作方法和剖面布置

本次物探工作采用三種物探方法進行綜合探測[13,14]，物性參數(shù)主要是電阻率，其中高密度電阻率法和四極電測深法使用電阻率，CSAMT法使用卡尼亞電阻率[15]。

5.1 高密度電阻率法測量

高密度電法儀器：重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所WGMD-9超級高密度電阻率法測量系統(tǒng)。工作參數(shù)：溫納裝置、點距10 m。測點數(shù)71點，共計完成1條剖面，剖面長度700 m。反演軟件：加拿大驕佳技術(shù)公司的Geogiga RImager軟件。

5.2 對稱四極電測深法測量

四極電測深儀器：重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所WDA-1直流激電儀。工作參數(shù)：供電電極距AB最大為2 000 m，測量電極距MN=20～80 m，測點點距50 m。共計完成剖面2條，剖面長度共計850 m。數(shù)據(jù)處理流程：電測深數(shù)據(jù)進行帶線性插值的三角剖分網(wǎng)格化處理，利用Surfer格式軟件繪制斷面圖件。

5.3 可控源音頻大地電磁法測量

CSAMT法儀器：美國Zonge公司GDP-32Ⅱ多功能電法工作站。工作參數(shù)：收發(fā)距r=7 800～8 700 m，供電電極距AB=1 850 m，測量電極點距MN=20 m，測量頻率范圍8～8 192 Hz，供電電流I=6.5 A。共計完成6條剖面，剖面長度共計8 200 m。反演軟件：Zonge公司SCS2D軟件。數(shù)據(jù)處理流程：首先用河北廊坊所研制的Procsamt預處理軟件對原始數(shù)據(jù)進行預處理，包括遠區(qū)數(shù)據(jù)選擇、靜態(tài)校正、地形校正、數(shù)據(jù)平滑等；然后進行一維模擬移動平均反演、二維平滑模擬反演；最后用Surfer格式軟件繪制斷面圖件，綜合已有地質(zhì)資料進行地質(zhì)推斷。

6 綜合推斷解釋

6.1 高密度電阻率測量結(jié)果

在鐵路的東側(cè)布設(shè)高密度電法剖面101剖面(詳見圖1)，剖面長度700 m，點距10 m，反演深度220 m。物探結(jié)果(圖3)顯示，電阻率等值線呈水平層狀分布，電阻率值由上至下依次遞增，說明地層巖性比較穩(wěn)定，淺部為第四系覆蓋層，推測深度10～20 m，深部巖性推測為黑云母花崗巖。剖面在41～51號之間，等值線出現(xiàn)明顯的橫向不均勻特征，出現(xiàn)凹槽，推測是由斷裂帶影響而成，斷裂帶編號為F1，傾向北西，傾角約80°，延伸長度大于高密度電法探測深度220 m。由于高密度電阻率法的探測深度有限，無法了解其斷裂的延伸情況，因此，在101剖面兩側(cè)布設(shè)了2條平行的電測深剖面201和202。

圖1 金山地區(qū)地質(zhì)概況及物探測線位置

圖2 花狀構(gòu)造控熱構(gòu)造模式[7]

圖3 高密度電阻率法101剖面

6.2 對稱四極電測深測量結(jié)果

在鐵路的東側(cè)布設(shè)2條南東向、平行的電測深剖面201和202。測點點距50 m，其中201剖面9點，長度400 m;202剖面10點，長度450 m。物探結(jié)果(圖4)顯示，電阻率等值線在剖面的淺部呈水平層狀分布，但是在深度200 m以下，出現(xiàn)明顯的橫向不均勻特征，等值線明顯的向下凹陷，電阻率值出現(xiàn)典型的“高-低-高”特征。從圖4可以看出，左側(cè)201剖面圖的5～9號測點，出現(xiàn)一條低阻帶，電阻率值多低于800 Ω·m，根據(jù)其異常特征推測由斷裂帶引起，推測為F1斷裂帶，傾向北西，傾角約80°；右側(cè)202剖面圖，也具有和201剖面同樣的電阻率值異常特征，低阻帶值多低于800 Ω·m，推測為F1斷裂帶，傾向北西，傾角約80°。對稱四極電測深的最大理論反演深度為AB/2，也就是1 000 m。根據(jù)其探測結(jié)果來看，低阻異常帶的延伸趨勢并未結(jié)束，說明其斷裂帶的延伸深度大于1 000 m。為了進一步探測其深大斷裂延伸情況，需要使用探測深度更大的物探方法——可控源音頻大地電磁法(簡稱CSAMT法)進行探測。為此，布設(shè)了6條CSAMT法剖面。

圖4 四極電測深法201、202剖面

6.3 可控源音頻大地電磁法測量結(jié)果

可控源音頻大地電磁法(CSAMT法)探測深度較大，本次所采用的探測頻率，其探測反演深度可達到2 000 m以上，是地熱勘探中比較常用的物探方法[15]。CSAMT法剖面布設(shè)方向與高密度電法和電測深法一致，主要分布在鐵路的東西兩側(cè)，301、302和303剖面在西側(cè)，304、305和306剖面在東側(cè)(詳見圖1)。由于篇幅限制，以下只展示出4條剖面圖(圖5～圖8)。

剖面301共計79個測點，點距20m，合計長度1 560 m。根據(jù)測量結(jié)果顯示(圖5)：在1 000 m深度范圍內(nèi)，卡尼亞電阻率等值線出現(xiàn)明顯的橫向不均勻特征，在23～27號、50～57號測點之間出現(xiàn)2條低阻帶，低阻帶內(nèi)卡尼亞電阻率值低于500 Ω·m，推測為F1′和F1斷裂帶，根據(jù)其異常形態(tài)推測，斷裂帶傾向北西，傾角約80°。在1 000 m深度以下，等值線基本呈水平層狀分布，說其巖性穩(wěn)定，推測為黑云母花崗巖。從圖5可以看出，左側(cè)F1′斷裂延伸至900 m結(jié)束，右側(cè)F1斷裂延伸至1 000 m結(jié)束，說明其斷裂的延展深度有限。

圖5 CSAMT法301剖面

剖面302共計39個測點，點距20 m，合計長度560 m。根據(jù)測量結(jié)果顯示(圖6)：在100 m深度范圍內(nèi)，卡尼亞電阻率等值線呈水平層狀分布，推測為第四系及風化、松散巖層。在900 m深度范圍內(nèi)，等值線出現(xiàn)明顯的橫向不均勻特征，在30～36號、45～50號測點之間出現(xiàn)2條低阻帶，低阻帶內(nèi)卡尼亞電阻率值多低于500 Ω·m，推測為F1′和F1斷裂帶，根據(jù)其異常形態(tài)推測，斷裂帶傾向北西，傾角約80°。在900 m深度以下，等值線呈水平層狀分布。F1′斷裂延伸至900 m結(jié)束，右側(cè)F1斷裂延伸至900 m結(jié)束，說明其斷裂的延展深度有限。

圖6 CSAMT法302剖面

剖面303共計79個測點，點距20 m，合計長度1 560 m。由卡尼亞電阻率等值線特征可見(圖7)，等值線分布形態(tài)基本上呈水平層狀分布，卡尼亞電阻率值由上至下依次遞增，說明其地層巖性比較穩(wěn)定，巖性統(tǒng)一，推測為黑云母花崗巖地層。但是其等值線橫向分布特征，出現(xiàn)明顯的橫向分布不均勻特征，在27～44號點之間，等值線出現(xiàn)明顯的向下凹陷狀態(tài)，出現(xiàn)典型的電阻率值“高-低-高”特征，推測為F1斷裂帶，低阻帶向下延伸至1 800 m封閉。根據(jù)其低阻帶形態(tài)，推測F1斷裂傾向為北西向，傾角約80°。

圖7 CSA5MT法303剖面斷面

剖面304共計66個測點，點距20 m，合計長度1 300 m。由卡尼亞電阻率等值線特征可見(圖8)，100 m深度范圍內(nèi)等值線分布形態(tài)基本上呈水平層狀，推測為第四系及風化、松散巖層。在30～60號點之間，等值線形態(tài)呈明顯的“高-低-高”特征，出現(xiàn)明顯的低阻異常帶，低阻異常帶電阻率值多低于800 Ω·m，推測為F1斷裂帶，傾向北西向，傾角約80°。F1斷裂延伸至2 000 m深度未封閉，說明其斷裂深度大于2 000 m。305和306剖面的卡尼亞電阻率等值線圖形態(tài)特征與304剖面類似，限于篇幅，不再贅述。

圖8 CSAMT法304剖面斷面

根據(jù)301～306 這6個剖面可以得出如下結(jié)論：物探推測出1條北東向F1斷裂，為勘查區(qū)內(nèi)主要深大斷裂，其走向為40°，傾向北西，傾角約80°，深部延展情況為鐵路東測大于2 000 m，往西逐漸減小至900～1 000 m，總體情況為東深西淺；F1′為F1斷裂的分支，延伸深度小于1 000 m，走向近東西向，傾向北向，傾角約80°。

6.4 地熱井鉆孔驗證

根據(jù)物探探測結(jié)果，地熱分布應受斷裂F1和F1′共同控制，地下熱源來自于燕山期花崗巖放射性生熱，地下水主要以鴨綠江水系為補給源，地熱發(fā)育模式為負花狀構(gòu)造、對流型地熱發(fā)育模式[9]。地熱鉆孔設(shè)計應該在F1斷層的上盤、最終地熱井應能穿透斷層為宜，根據(jù)這個原則，設(shè)計了地熱井[16]鉆孔ZK1、ZK10。最終，鉆孔ZK1在1 850 m處打出地熱水，出水層厚度大于30 m，終孔深度2 013 m(見圖9)，出水溫度52.8 ℃，可開采量大于1 500 t/d。

圖9 ZK1鉆孔柱狀圖及測溫曲線

由圖9可見，脈巖閃長巖的厚度為86.11 m，構(gòu)造破碎帶分布在不同的深度上，總厚度達到204.39 m，說明F1斷裂構(gòu)造較強烈，斷裂帶影響寬度較大。根據(jù)抽水試驗及水文地質(zhì)學方法計算，該區(qū)地下熱水資源較豐富，地熱井的開采量可達到1 500 t/d以上。根據(jù)測溫曲線分析，在0～1 350 m范圍內(nèi)，曲線深度-溫度呈線性關(guān)系，經(jīng)計算，地溫梯度達到4.68 ℃/100 m，屬于高值異常區(qū)。在1 350～2 013 m范圍內(nèi)，水溫呈緩慢上升趨勢，地溫梯度接近地區(qū)平均值。經(jīng)水質(zhì)分析，地下熱水水化學類型為碳酸、硫酸鈉型水，地熱水中的氟、偏硅酸、硫化氫含量達到醫(yī)療熱礦水的命名濃度，可命名為含硫化氫、氟、硅復合型醫(yī)療熱礦水，醫(yī)療價值較高，具有較大的經(jīng)濟價值。

限于篇幅限制，地熱井ZK10柱狀圖不做展示，該井終孔深度1 502 m，出水溫度40.5 ℃，可開采量大于1 500 t/d。

7 結(jié) 論

1)利用兩種及以上物探方法進行綜合物探，能夠起到相互印證、相互補充等作用，本文利用三種物探方法，由淺及深逐步揭露了地層關(guān)系、構(gòu)造情況，是值得推廣的方法；

2)主要控熱構(gòu)造為物探推測出的F1斷裂帶，F(xiàn)1斷裂走向40°，傾向約80°，延伸深度東側(cè)大于2 000 m，西側(cè)為900～1 000 m，總體情況為東深西淺；

3)根據(jù)物探探測及地熱井ZK1、ZK10施工結(jié)果，推測出金山地區(qū)地熱田發(fā)育范圍(見圖1紅色虛線框)；

4)金山地區(qū)的地溫梯度明顯高于其他地區(qū)，達到4.68 ℃/100 m，但是主要體現(xiàn)在1 350 m深度范圍內(nèi)，超過這個深度，地溫梯度異常不明顯；

5)金山地區(qū)ZK1地熱水出水溫度達到52.8 ℃，屬中低溫熱礦水，可開采量大于1 500 t/d。地熱水是含硫化氫、氟、硅復合型醫(yī)療熱礦水，醫(yī)療價值較高，具有較大的經(jīng)濟價值。