CSAMT在甘肅省天水市麥積區(qū)干熱巖勘查中的應用

韓埃洋，柴培琪，張文斌

(甘肅省地礦局第一地質礦產勘查院，甘肅天水 741020)

0 引言

天水市地熱資源受斷裂構造控制，具有形成帶狀中低溫地熱田的基礎地質條件。由斷裂兩側水溫差異可知，武山溫泉—天水甘泉深大斷裂既是區(qū)內地熱的導水通道，又是隔水邊界。熱源為隱伏的燕山期或海西期花崗質侵入巖，熱儲為斷裂帶內的碎裂巖，蓋層為裂隙不發(fā)育的中元古界葫蘆河群變質巖、下古生界牛頭河群硅化大理巖、泥盆系大草灘群變質巖和新近系泥巖。

通過對勘查區(qū)以往工作成果和區(qū)域斷裂構造的分析研究，麥積區(qū)穎川河異常區(qū)屬于受構造斷裂控制的裂隙型地熱資源，以帶狀為主，兼有層狀熱儲特點。異常區(qū)內地層溫度較高，大地熱流值為75.66 mW/m2，比我國大陸大地熱流平均值(61.53 mW/m2)高23%。區(qū)內基底隆起，周邊燕山期中酸性侵入巖體呈出露或半隱伏狀態(tài)，花崗巖化程度較高，侵入時代較新，經測試地下水中SiO2、F-含量較高，地溫異常明顯。大柳樹南2 km的林業(yè)學校(原地震臺)院內，有一眼地震觀測孔，為承壓自流井，井深380 m，井底溫度32℃，地溫梯度4.93℃/100 m，大地熱流71.24 mW/m2，顯示了較高的地熱背景。據相關物探資料表明，勘查區(qū)地層電性可分為三層，上表層為次高阻覆蓋層；中間層為低阻地層，電阻率2～15 Ω·m，厚度200～400 m，以新近系黏土巖、泥巖、砂質泥巖為主，其間夾雜不連續(xù)次高阻的砂礫石透鏡體；基底層為高阻地層，電阻率50～1500 Ω·m，以牛頭河群中深變質巖為主。區(qū)內潁川河谷東側接近山頂處分布有阮家山—李家山斷裂，呈NEE走向，電阻率剖面以陡傾低阻帶切割水平地層為特征，推測該處存在斷裂破碎帶。

地下熱水主要接收大氣降水入滲補給，沿斷裂破碎帶徑流，并經深循環(huán)加熱轉化而成。斷裂構造是熱流上升的通道，大氣降水滲入地下一定深度，受地殼正常地溫梯度和巖石生熱加熱，熱水沿斷裂通道深循環(huán)上升。因此，本次地熱勘查工作的重點是勘查地層巖性、斷裂構造和基底特征。

1 地質及地球物理背景

1.1 地層

(1)中新元古界葫蘆河群(Pt2-3hlb)。主要分兩組巖性，a組為黑云母石英片巖、二云母石英片巖夾少量榴云片巖，b組為黑云母石英片巖/千枚巖、絹云母石英千枚巖夾千枚狀粉砂巖、石英細砂巖。

(3)古近系(E)。區(qū)內各溝谷中均有出露，巖性為棕紅色砂礫巖、砂巖夾泥巖及含礫泥巖，總厚度大于900 m，不整合于下伏地層，傾角為8°～40°，傾向為205°～335°。

(4)新近系(N)。區(qū)內各溝谷中均有出露，超覆不整合于古近系巖層之上，巖性為棕紅色泥巖夾砂礫巖及灰白—灰綠色黏土巖，總厚度大于1000 m，傾角6°～12°，傾向為340°～5°。

1.2 花崗巖

區(qū)內主要為燕山期和海西期花崗巖。

燕山期花崗巖在勘查區(qū)東部石溝至放馬灘一帶小范圍出露，呈淺紅色，中粗粒結構，風化程度較輕，巖石面較新鮮，但節(jié)理裂隙較為發(fā)育。區(qū)內花崗巖多沿走向侵入中泥盆系地層。據區(qū)域地質報告，該侵入巖為酸性巖漿巖，化學成分以SiO2為主，含量高達75%，與同期構造有關的內生礦產有多金屬、稀有金屬等，并富含堿性成分和放射性元素。該期花崗巖呈巖基狀產出，所以可能構成區(qū)內深部基底。

海西期花崗巖在區(qū)內出露面積較小，在街子南側及黃家峽北側一帶有零星出露，呈灰白色中粒白云母花崗巖，侵入中泥盆系地層中。因受多期構造運動影響，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，并具片麻狀構造，該花崗巖也受到燕山期花崗巖的侵入。

1.3 地質構造

天水市位于青藏高原東北緣，地處中央造山系中段和祁連—西秦嶺接合部位造山帶，同時橫跨在中國中部南北向構造帶上，是古亞洲構造域、特提斯構造域和太平洋構造域復合疊加的構造部位。奧陶紀以來，勘查區(qū)的構造體制轉變?yōu)槭湛s體制，華北大陸與揚子大陸相向運動，至志留紀板塊強烈碰撞，使震旦—奧陶紀裂陷海槽最終封閉，褶皺造山，地殼收縮變厚。區(qū)域上形成了祁連—北秦嶺加里東造山帶，奠定了本區(qū)近東西向的構造格局。

綜合分析前人地質資料，主要有5條斷裂構造對區(qū)內地下熱水形成具有控制意義。

(1)武山溫泉—天水甘泉深大斷裂。西起武山溫泉，向南東經水河峪、上寨、山場村、皂郊鎮(zhèn)、田家河、甘泉，并繼續(xù)向南東延伸，走向290°～310°，斷裂結構面傾向南西，沿走向有舒緩彎曲和波狀擺動，傾角70°，為高角度逆沖斷層。斷裂可能發(fā)生在早古生代，完成于中生代燕山期，在與東西褶皺帶復合過程中切割了東西向構造，并對新近系地層有掀斜和壓扭作用，屬活動性斷裂，至新生代仍有活動。該斷裂帶上武山和街子兩處有溫泉出露。

(2)四房灣—興隆鎮(zhèn)斷裂。為上泥盆統(tǒng)大草灘群斷裂，走向300°，傾向北東，傾角80°，沿走向有舒緩波狀彎曲，可見長度14 km，是一條與主干斷裂平行但傾向相反的逆沖斷層。

(3)街子斷層。位于勘查區(qū)西南部，斷裂規(guī)模較小，向西南方向延伸出勘查區(qū)，走向50°，傾角75°。該斷裂切割地層為海西期花崗巖與古近系砂礫巖，應屬張性斷裂。

(4)賈家河—溫家莊斷層。位于勘查區(qū)南部，向西南延伸，為區(qū)內主要斷裂。切割地層為中泥盆統(tǒng)黑云母片麻巖和古近系砂質泥巖地層，斷裂破碎帶寬度約50 m，破碎帶中為糜棱巖和角礫巖。角礫巖的成分為黑云母片麻巖，受斷裂擠壓錯動影響，片麻巖類地層中的小錯動、裂隙及節(jié)理極為發(fā)育，裂隙節(jié)理面上綠泥石化強烈，填充于裂隙中。斷層走向45°～50°，傾向NW，傾角80°～85°，屬壓扭性斷裂。

(5)康家崖斷裂。位于勘查區(qū)東南部，因植被覆蓋斷裂露頭極少，僅在康家崖附近有出露。切割地層為中泥盆統(tǒng)的黑云母片麻巖和古近系砂礫巖，斷裂帶內見有受擠壓影響而破碎強烈的角礫巖、糜棱巖等。角礫巖成分為黑云母片麻巖，受斷裂擠壓影響，附近的片麻巖類地層極為破碎。該斷裂走向NE30°～35°，傾向NW，傾角75°～80°，屬壓扭性斷裂。

以上斷裂總體特征為：一是均為古近系紅色地層與新生界以前地層接觸，表明這些斷裂具晚近期構造的特征；二是從區(qū)內斷裂規(guī)模分析，應屬于渭河深大斷裂所派生或誘導出的低序次斷裂，屬于壓性或壓扭性斷裂，為燕山期構造運動的產物。

1.4 水文地質概況

根據地質地貌、構造因素、含水層巖性及地下水賦存特征，勘查區(qū)內地下水可分為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水(斷裂脈狀水)和碎屑巖類孔隙裂隙水三大類。其中松散巖類孔隙水又可分為河(溝)谷松散巖類孔隙潛水和黃土孔隙裂隙潛水。

1.4.1 河(溝)谷松散巖類孔隙潛水

河(溝)谷孔隙水呈帶狀、面狀集中分布于潁川河、東柯河谷地，具有埋藏淺、水量豐富、水交替作用強和水質較好的特點。主要以河漫灘、低階地和平坦高階地接收的降水、農田灌溉水的滲入補給。

河漫灘與低階地含水層巖性為沖積、沖洪積相卵石、圓礫和砂層，含水層厚度一般上游較薄，向下游逐漸增厚，含水層厚度在垂直河谷方向也有變化，一般向河床有增厚趨勢，其富水性與含水層巖性、厚度等有關，大部分Ⅱ級階地單井涌水量500～1000 m3/d，Ⅰ級階地及漫灘單井涌水量1000～5000 m3/d。含水層埋深隨地形變化而變化，一般河漫灘、Ⅰ級階地較淺，向兩側漸深。

1.4.2 黃土孔隙裂隙潛水

勘查區(qū)內黃土大面積分布，黃土孔隙裂隙水是指分布于黃土丘陵、梁峁中的地下水。大氣降水沿黃土中的垂直節(jié)理和大孔隙下降，在與基巖接觸面附近匯集。

1.4.3 基巖裂隙水(斷裂帶脈狀水)

基巖裂隙水主要出分布于基巖出露的河流峽谷地帶，可分為風化帶水和構造帶脈狀水，多受斷裂構造控制。

富水性取決于巖石裂隙的發(fā)育程度，一般在相同構造作用條件下，脆性巖石較柔性巖石富水性強，單井涌水量1000～2000 m3/d，局部地段可形成承壓水。該類水多沿斷裂帶徑流排泄，時有泉水出露，水質差異較大。

1.4.4 碎屑巖類孔隙裂隙水

碎屑巖類孔隙裂隙水是指賦存于新近系碎屑巖孔隙裂隙中的地下水，該套地層所夾砂巖、砂礫巖為含水層，具承壓性，河谷地段成井自流。

富水性分布不均，最高的單井涌水量100 m3/d左右，較低的僅幾立方米每天。地下水補給源為“紅層”盆地周邊基巖裂隙水、巖溶裂隙水的徑流補給，水質很差，不宜作為人飲和農灌水源。

1.5 地球物理特征

區(qū)內地層巖性的電性差異特征是開展可控源音頻電磁測深勘查的基礎和依據，據區(qū)內地球物理資料統(tǒng)計，地層電性參數(shù)結果如表1所示。

表1 不同地層電性參數(shù)統(tǒng)計表Table 1 Statistics of electrical parameters

由表1可見，第四系表層風成黃土、砂礫石和礫卵石層的電性變化較大，且電阻率較高(75～500 Ω·m)，當黃土狀亞砂土、亞黏土、含泥礫石含水時，電阻率會降低。新近系巖性較單一，以泥巖、砂質泥巖為主，電阻率較低，是很好的熱儲蓋層。古近系黏土巖、細砂巖、礫巖為中低阻層細砂巖，電阻率為8～100 Ω·m。白堊系為低阻地層，由紫紅色含礫粗砂巖、粉砂質泥巖組成，電阻率為5～60 Ω·m；元古界變質巖為區(qū)內高阻基底層，電阻率為大于500 Ω·m。

綜上所述可見，測區(qū)地層電性差異明顯，可控源音頻大地電磁測深可作為該區(qū)域有效勘探方法之一。

2 CSAMT工作原理及測線布設

CSAMT是以有限長接地電偶極子為場源，在距偶極中心一定距離處同時觀測電磁場參數(shù)的一種人工源勘探方法。

本次野外工作采用赤道偶極裝置進行標量測量，同時觀測與場源平行的電場分量Ex和與場源正交的磁場分量Hy，并計算出卡尼亞電阻率。野外施工區(qū)共布設2條測線，如圖1所示，每條測線的具體參數(shù)見表2。

圖1 CSAMT工作部署圖Fig.1 CSAMT work deployment diagram

表2 測線參數(shù)表Table 2 The parameters of each survey line

3 成果分析與解譯

本次CSAMT主要目的是推斷重點勘查區(qū)地層巖性、基底起伏及隱伏斷裂構造的空間分布特征，初步圈定干熱巖異常范圍和熱儲體空間分布位置，為區(qū)內地熱資源的開采利用提供依據。

通過對數(shù)據預處理和正反演解釋處理，在2500 m探測深度范圍內，地電剖面圖具有垂向分層、橫向分塊的特點。

3.1 測線1反演解釋(圖2)

(1)K1線與地表之間為中低阻電性層，電阻率差異較小，電阻率10～300 Ω·m，深度5～30 m，為第一電性層。結合地質資料及物性資料推斷主要是第四系(Q)高階地黃土、砂礫石層。

圖2 測線1的反演電阻率斷面圖Fig.2 Cross-section of resistivity inversion of Line 1

(2)K1、K2之間電阻率整體表現(xiàn)為低阻特征，電阻率5～60 Ω·m，深度30～500 m，為第二電性層。結合地質及物性資料推斷主要是白堊系紫紅色含礫粗砂巖、粉砂質泥巖，其間夾雜不連續(xù)次高阻的砂礫石透鏡體。

(3)K2、K3線之間電阻率整體表現(xiàn)為次高阻特征，電阻率60～1250 Ω·m，為第三電性層。結合地質及物性資料推斷為牛頭河群(Pt1nt)中深變質巖基底，巖性主要為黑云母石英片巖、片麻巖。

(4)K3線以下電阻率特征表現(xiàn)為侵入凸出狀，電阻率1250～4000 Ω·m，為基底層。結合地質及物性資料推測主要為侵入巖，巖性為二長花崗巖，為本次探測目標體。

(5)根據電性特征，推測128號測點處有一隱伏西傾的正斷裂帶F1。

3.2 測線2反演解釋(圖3)

圖3 測線2的反演電阻率斷面圖Fig.3 Cross-section of resistivity inversion of Line 2

(1)K1線以上為中低阻電性層，電阻率差異較小，電阻率10～100 Ω·m，深度20～40 m，為第一電性層。結合地質資料及物性資料推斷主要是第四系(Q)高階地黃土、砂礫石層、河床、河漫灘、低階地沖積、洪積砂礫石及粉質黏土層。

(2)K1、K2之間電阻率整體表現(xiàn)為低阻特征，電阻率5～100 Ω·m，深度40～800 m，為第二電性層。結合地質資推斷主要是白堊系紫紅色含礫粗砂巖、粉砂質泥巖，其間夾雜不連續(xù)次高阻的砂礫石透鏡體。其中223號測點處存在一柱狀高阻體，推測可能是侵入花崗巖體。

(3)K2、K3線之間電阻率整體表現(xiàn)為次高阻特征，電阻率100～400 Ω·m，為第三電性層。結合地質及物性資料推斷為牛頭河群(Pt1nt)中深變質巖基底，巖性主要為黑云母石英片巖、片麻巖。

(4)K3線以下電阻率特征表現(xiàn)為侵入凸出狀，電阻率400～1600 Ω·m，為基底層。結合地質及物性資料，推測主要為侵入巖，巖性為二長花崗巖，為本次探測目標體。

(5)根據電性特征，推測210號測點出存在一隱伏南傾的斷裂帶F2。

4 結語

通過本次CSAMT野外工作，結合有關資料，基本查明了區(qū)內熱源(巖體)以及斷裂構造的空間分布特征，初步圈定了侵入巖體范圍和熱儲體的空間位置。