組合物探方法在地熱資源勘查中的應用

茍萬燈， 劉海飛， 柳建新， 李昶萱

(1.中南大學 地球科學與信息物理學院，長沙 410083；2.有色資源與地質(zhì)災害探查湖南省重點實驗室，長沙 410083)

0 引言

地熱資源作為一種綠色清潔的可再生能源，可廣泛應用于理療養(yǎng)生、溫泉洗浴、發(fā)電以及深部礦泉水加工制造等多個領(lǐng)域，具有重要的經(jīng)濟開發(fā)價值和社會意義[1-3]。常德市熱市鎮(zhèn)地區(qū)地熱資源豐富，熱泉溫度最高超過49℃，具有資源的多級、循環(huán)利用特征。因此，開發(fā)熱市鎮(zhèn)地熱資源符合國家提倡新能源應用及資源可持續(xù)發(fā)展的要求，為桃源縣推動生態(tài)文化旅游業(yè)全面升級和創(chuàng)建國內(nèi)、外知名生態(tài)文化公園和旅游目的地提供了保障，成為當?shù)貙崿F(xiàn)精準脫貧和改善民生的重要途徑。

地熱資源勘查的核心問題是深部靶區(qū)的準確圈定，由于溫泉形成往往與深部構(gòu)造密切相關(guān)[4]，地面地質(zhì)調(diào)查方法難以查明深部構(gòu)造的發(fā)育情況及其產(chǎn)狀信息等，因而圈定異常靶區(qū)主要依靠地球物理探測手段。近年來，大地電磁法、激測深法和聯(lián)合剖面法在地熱勘查中取得了較好地應用[5-13]，為本次地熱勘查的物探方法選擇提供借鑒。

大地電磁測深法采用單點矢量測量方式，具有不受高阻層屏蔽、對高導層分辨能力強、勘探深度大等優(yōu)點[14]，但該方法采集的是天然場源的電磁場信號，在人文干擾較大的地區(qū)會存在高頻部分數(shù)據(jù)信噪比低的問題。而激電測深法和聯(lián)合剖面法由于采用人工發(fā)射源，具有抗干擾能力強及淺部分辨率高等特點。因此，將三種方法組合起來，可以達到優(yōu)勢互補的目的。本次案例首先采用聯(lián)合剖面法查明研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造的平面位置分布；其次采用大地電磁測深法查明主要斷裂帶或破碎帶的構(gòu)造規(guī)模、深部產(chǎn)狀及含水性；最后在主要異常區(qū)開展激電測深工作，查明斷裂構(gòu)造的賦水情況，為確定鉆孔位置和深度提供依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)與地球物理特征

1.1 地質(zhì)環(huán)境條件

熱市鎮(zhèn)位于湖南省桃源縣北部，距縣城64 km，毗鄰慈利縣、石門縣。在地熱構(gòu)造上位于湖南省花垣～張家界～慈利區(qū)域性深大控熱斷裂的北東端南東延伸帶上，處于低溫地熱資源(溫水—溫熱水)區(qū)。區(qū)域構(gòu)造(圖1)屬于武陵山隆起帶的東端，主體構(gòu)造為熱市背斜、七姑山壓性斷裂(F1)、周家溶扭性斷裂(F2)、熱市張性斷裂(F3)、仙娘廟張扭性斷裂(F5)。此外，在熱市河谷溫泉出露地帶發(fā)育一張扭性平移斷裂(F4)斷裂。

圖1 熱市地區(qū)構(gòu)造圖Fig.1 Structural map of Reshi

區(qū)內(nèi)主要出露地層巖性為寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群(∈2-3ls)灰、灰白色中厚層白云巖。奧陶系下統(tǒng)南津關(guān)組(O1n)、分鄉(xiāng)組(O1f)、紅花園組(O1h)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等；奧陶系下統(tǒng)大灣組(O1d)灰?guī)r、泥灰?guī)r及硅化灰?guī)r；奧陶系中統(tǒng)(O2)灰?guī)r、泥灰?guī)r；奧陶系上統(tǒng)(O3)泥灰?guī)r、硅質(zhì)巖；志留系(S)頁巖、砂質(zhì)頁巖等；泥盆系中統(tǒng)云臺觀組(D2yn)石英砂巖,偶夾灰黃色砂質(zhì)頁巖；白堊系(K)泥質(zhì)、鈣質(zhì)粉砂巖、細砂巖、砂質(zhì)泥巖夾砂巖；第三系(K)鈣質(zhì)砂巖、粉砂巖等；第四系(Q)黏土、砂、砂礫巖等。

1.2 溫泉形成機制

根據(jù)前人研究成果可知[15]，溫泉的形成主要與以下幾個因素密切相關(guān)：

1)熱源。受區(qū)域深大斷裂構(gòu)造的影響，研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育、規(guī)模較大，北東向、北東東向及北西向斷裂在地熱異常區(qū)及附近交匯，表明該處為一地應力集中區(qū)；且研究區(qū)域及臨近區(qū)域內(nèi)沒有巖漿巖出露。據(jù)此推測區(qū)內(nèi)主要熱源為地球深部的熱流，其次是放射性物質(zhì)衰變熱。

2)輸熱通道。區(qū)內(nèi)熱市斷裂(F3)及次級張扭性平移斷裂(F4)破壞了地下巖石的完整性，在斷裂帶及其附近產(chǎn)生了大量的裂隙，為深部熱源的釋放和流通提供了有利的通道。

3)熱儲層。區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育的巖溶管道、溶蝕裂隙以及斷裂構(gòu)造為地下水和熱能的儲存提供了有利的空間。南東側(cè)奧陶系下統(tǒng)大灣組(O1d)灰?guī)r、泥灰?guī)r、硅化灰?guī)r，奧陶系中統(tǒng)(O2)灰?guī)r、泥灰?guī)r，奧陶系中統(tǒng)(O3)泥灰?guī)r、硅質(zhì)巖等巖溶裂隙發(fā)育較弱，含水性差，為地熱田的熱儲蓋層。

4)地下水活動。區(qū)內(nèi)地下熱水主要靠大氣降水進行補給，大氣降水沿斷裂及裂隙滲入地下。通過區(qū)域性深大斷裂和縱橫交錯的裂隙系統(tǒng)，地下水資源可以有效地流通、富集和循環(huán)，從而保障了地下熱水有穩(wěn)定的水量補給來源。

1.3 地球物理特征

根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查資料，區(qū)內(nèi)地層主要為寒武系白云巖，奧陶系灰?guī)r，白堊系鈣質(zhì)、泥質(zhì)粉砂巖以及第四系覆蓋層。第四系覆蓋層電阻率相對較低(50 Ω·m ～ 100 Ω·m)，完整灰?guī)r電阻率相對較高(200 Ω·m ～ 4 000 Ω·m)，地下水電阻率一般小于100 Ω·m，對于含水或泥的構(gòu)造破碎帶電阻率通常較低，僅幾十歐姆，與圍巖之間存在明顯的電性差異，為本工區(qū)開展大地電磁測法、聯(lián)合剖面法和激電測深工作提供了良好的地球物理前提。

表1 測區(qū)常見巖石電阻率表

2 方法技術(shù)

研究區(qū)內(nèi)地熱資源勘查采用大地電磁測深、激電測深和聯(lián)合剖面三種方法，共布設6條測線。測線及測點按照西小東大、南小北大的原則標記為L1、L2、…、L6線(圖2)。其中大地電磁測深法布設測線3條(L2、L3、L4線)，激電測深法布設測線3條(L1、L5、L6線)，聯(lián)合剖面法布設測線1條(L4線200 m～900 m段)。

圖2 測線布置示意圖Fig.2 Layout of survey lines

聯(lián)合剖面法[16]具有分辨能力強，低阻異常明顯等優(yōu)點，是尋找和追索良導電陡立體的最有效方法。首先采用聯(lián)合剖面法查明研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造的平面分布位置，測量儀器采用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所研制的WDJD-4型多功能數(shù)字直流激電儀。供電電極距AO=BO分別為70 m和150 m,對應測量電極距MN分別為20 m，點距為10 m；共用無窮遠電極C布設與測線中垂線上，與測線的距離大于AO距離的五倍。

大地電磁測深法[16]是區(qū)內(nèi)選擇的最主要工作方法，該方法具有勘探深度大、不受高阻層屏蔽以及對高導層分辨能力強等特點，能夠有效探測與地熱成因有關(guān)的斷裂構(gòu)造位置和基底構(gòu)造形態(tài)，為鉆探布孔提供依據(jù)。測量儀器采用加拿大鳳凰地球物理公司的V8電法工作站，測點點距40 m。在野外測點上記錄電場水平分量Ex、Ey(電極距40 m)和磁場水平分量Hx、Hy(磁傳感器距離20 m)四個分量，且單點測量時間不少于60 min。

在大地電磁測深的測量結(jié)果上(P3)采用激電測深法進一步確定研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造的賦水情況以及產(chǎn)狀和位置，輔助確定地熱勘探孔的選點位置。測量儀器采用WDJD-4型多功能數(shù)字直流激電儀，輔助設備為日本澤騰5 Kw發(fā)電機，供電電壓為660 V，最大供電電流為3 200 mA；供電時間為8 s，斷電延時為200 ms。數(shù)據(jù)采集采用三極測深裝置,測量電極距MN=40 m,最大供電極距AB/2=1 620 m，具體極距排列為40 m、80 m、120 m、160 m、200 m、240 m、280 m、320 m、360 m、400 m、460 m、520 m、580 m、640 m、700 m、760 m、840 m、920 m、1 000 m、1 080 m、1 180 m、1 280 m、1 380 m、1 500 m、1 620 m,點距40 m。數(shù)據(jù)處理采用中南大學IPInv直流激電反演解釋系統(tǒng)[17-19]。

3 物探成果解釋

3.1 大地電磁測深法異常特征

大地電磁測深法的異常解釋基礎(chǔ)是識別反演斷面中電阻率等值線的高、低阻異常特征。在完整基巖段，等值線呈疏密均勻、連續(xù)分布；在巖溶裂隙發(fā)育帶，等值線呈低阻異?；蚋摺⒌妥杼荻茸兓卣?。筆者以L3、L4線為例進行解釋分析，圖3和圖4分別為L3、L4線的大地電磁測深結(jié)果圖。

圖3 L3線大地電磁測深成果圖Fig.3 MT results of line L3(a)反演斷面圖;(b)地質(zhì)推斷圖

圖4 L4線大地電磁測深成果圖Fig.4 MT results of line L4(a)反演斷面圖;(b)地質(zhì)推斷圖

圖3(a)中在測線400 m附近，電阻率等值線在淺層橫向梯度上變化較大、在深層呈“漏斗”狀低阻，并在該點兩側(cè)出現(xiàn)了不連續(xù)現(xiàn)象，結(jié)合地質(zhì)資料推斷為熱市斷裂(F3)的反映。根據(jù)斷面等值線形態(tài)特征，斷層傾角在淺部較大，隨著深度的增加有變緩的趨勢；在斷層帶及其附近電阻率差異明顯，推斷巖石較為破碎、賦含水條件較為有利。在測線120 m ～ 300 m段、深度為250 m～ 700 m內(nèi)，電阻率等值線呈現(xiàn)“漏斗”狀低阻異常特征，推斷該區(qū)域巖溶裂隙較為發(fā)育。

L4線反演斷面特征L3線基本一致，吻合度較高。在測線460 m附近，電阻率等值線在橫向梯度上變化大，為F3斷層的反映。在測線150 m～ 300 m段、深度為250 m ～ 750 m內(nèi)，電阻率等值線呈“漏斗”狀低阻異常，該異常與L3線對應段異常相近，推斷為同一異常。

根據(jù)L3、L4線反演斷面可知，測線電性不均勻性較為明顯，電阻率值隨深度的增加而增大，總體上可分為三個電性層：第一電性層為斷層上盤深度由地表至深度800 m左右，電阻率為25 Ω·m ～ 250 Ω·m，推斷為白堊系(K)，巖性以鈣質(zhì)、泥質(zhì)粉砂巖、細砂巖、砂質(zhì)泥巖為主；第二電性層為斷層下盤深度由地表至深度為800 m左右、上盤深度為800 m～ 2 000 m，電阻率為100 Ω·m ～ 400 Ω·m，推斷為奧陶系(O)，巖性以灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主；第三電性層為斷層下盤深度為800 m以下，電阻率大于400 Ω·m，推斷為寒武系(∈)，巖性以白云巖為主。

3.2 聯(lián)合剖面法異常特征

聯(lián)合剖面法的異常特征在視電阻率曲線主要表現(xiàn)為正交點、“同步低”和階梯狀異常三種類型[20]。依據(jù)兩條曲線的低阻正交點(或同步下降)異?？赏茢鄶嗔褬?gòu)造帶或巖溶發(fā)育帶，同時根據(jù)不同極距的低阻異常的位移情況，可確定斷層的傾向和傾角。

從L4線200 m～ 900 m段聯(lián)合剖面視電阻率曲線(圖5)可以看出，兩個極距的曲線形態(tài)基本相似，均存在一個低阻正交點，淺部(AO=70 m)正交點位于490號點附近，深部(AO=100 m)正交點位于520號測點附近，正交點兩側(cè)視電阻率值相差較大，存在一個較明顯的電性界面。與L4線大地電磁測深所確定的斷裂相對應，為F3斷層的反映，傾向為南東向，傾角約為76°。

圖5 L4線聯(lián)合剖面電阻率曲線圖Fig.5 Composite profile resistivity curve of line L4

3.3 激電測深法異常特征

由于地下水與圍巖及其他低阻體間的電化學和導電性差異，當存在巖溶發(fā)育帶和斷裂破碎帶時，激電測深異常呈現(xiàn)出低阻高極化特征。本次測得二次場最小電位值為146 mV、最小電流值為153 mA，筆者以L6線的反演結(jié)果為例進行解釋分析，圖6(a)和圖6(b)分別為L6線的視電阻率和視極化率反演斷面圖。

圖6 L6線激電測深成果圖Fig.6 IP results of line L6(a)電阻率反演斷面圖;(b)極化率反演斷面圖;(c)地質(zhì)推斷圖

由圖6(a)和圖6(b)可以看出，斷面電阻率值普遍偏小(小于500 Ω·m)，推斷地層以奧陶系灰?guī)r和白堊系粉砂巖為主。在測線400 m附近，電阻率等值線在近地表區(qū)呈現(xiàn)出明顯的高、低阻梯度變化異常，并且在深度范圍-100 m～ -600 m內(nèi)呈現(xiàn)出低阻異常特征，推斷為F3斷層的反映；并且在斷層帶及其附近呈高極化特征，推斷巖石較為破碎，賦水性較好。在斷面小號方向、深度范圍-200 m～ -500 m內(nèi)，呈現(xiàn)出相對低阻高極化異常，推斷為巖溶裂隙發(fā)育帶的反映。

4 鉆孔布置與結(jié)果驗證

根據(jù)物探勘查結(jié)果，結(jié)合水文地質(zhì)資料，地熱資源鉆孔TK1布置在L3線220 m處(圖2.1)；TK2布置在L4線480 m附近(北東向30 m處)。鉆探過程記錄見表2。

表2 鉆探過程記錄

TK1孔鉆探結(jié)果顯示：孔內(nèi)存在的主要含水段在439 m～ 440.50 m，向下補給，出水段溫度為42.5℃，含水巖性為方解石夾灰?guī)r，另外395.6 m～ 407 m段也存在少量裂隙水；與大地電磁測深L3線所推斷的巖溶裂隙發(fā)育帶吻合。TK2孔鉆探結(jié)果顯示：孔內(nèi)存在的主要含水段在286.3 m～ 288.3 m，向上補給，出水段溫度為45.3℃，含水巖性為灰?guī)r，另外143.5 m～ 147.1m段含少量裂隙水；與L6線激電測深和L4線大地電磁測深所推斷的斷裂破碎帶相符合。

5 結(jié)論

筆者結(jié)合大地電磁測深法、聯(lián)合剖面法和激電測深法，互補各自技術(shù)的優(yōu)缺點，在熱市地熱資源勘查中準確圈定了中、淺層靶區(qū)，為鉆孔位置的成功布設提供了準確的指導，形成以下結(jié)論：

1)熱市地區(qū)地下熱水的成因、賦存和流通條件受到特定地質(zhì)條件的制約，尤其是與深大斷裂關(guān)系密切，而斷層破碎帶和巖溶裂隙的發(fā)育程度則決定了熱儲層的賦、含水條件。構(gòu)造交匯部位，特別是張性斷裂帶，通常是地下熱水的富集通道，為以后地熱資源勘查的首選方向。

2)聯(lián)合剖面法分辨率高、異常反映明顯，可以查明研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造的平面位置和產(chǎn)狀特征。大地電磁測深法工作效率高、探測深度大、縱向分辨能力強，可以有效劃分地層的電性特征，適用于探測區(qū)域性深大控熱斷裂和圈定地熱靶區(qū)，但其抗干擾能力較弱，對外界環(huán)境要求較高。激電測深法抗干擾能力強、對含礦物質(zhì)的地熱水反映明顯，但其探測深度有限，可作為大地電磁測深法的淺層信息補充。

3)筆者所述組合物探方法有效發(fā)揮了物探方法探測深度大、效率高等優(yōu)點，多方法、多參數(shù)的探測成果可彌補地球物理反演中存在的多解性的問題，使深部勘探的結(jié)果更準確可靠。