吉安斷陷盆地東緣電性構(gòu)造及熱儲分析研究

王海紅，王永洋，陳江源，許第橋，陳志財

（核工業(yè)航測遙感中心地球物理勘查技術(shù)院，河北 石家莊 050002）

1 引言

“雙碳”目標(biāo)的提出，意味著我國的經(jīng)濟社會已經(jīng)進入高質(zhì)量發(fā)展階段，社會發(fā)展依賴的能源將逐漸由傳統(tǒng)的煤炭石油等不可再生能源轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵖稍偕牡吞夹履茉?，以降低對環(huán)境的影響。地?zé)崮芤蛸Y源量巨大、分布廣泛、清潔、可再生、利用率較高、用途廣泛等優(yōu)點，受到了國家政府與科研機構(gòu)的高度重視［1］。我國熱儲豐富，全國城市淺層地?zé)崮芸刹闪空酆蠘?biāo)準(zhǔn)煤為7億噸，全國地下熱水資源年可采量折合標(biāo)準(zhǔn)煤為19億噸［2］，擁有巨大的開發(fā)利用前景。

江西省地?zé)豳Y源豐富，已發(fā)現(xiàn)的地?zé)釁^(qū)有119處［3］，地?zé)豳Y源分布非常廣泛。根據(jù)已知的熱水出露點以及大地?zé)崃髦到y(tǒng)計分析［4］，吉安斷陷盆地（吉泰盆地北部次級盆地）內(nèi)存在有一定量的地?zé)豳Y源，具有開發(fā)地?zé)豳Y源的前景。但是有關(guān)吉安斷陷盆地區(qū)域的地?zé)嵫芯枯^少，公開發(fā)表的研究成果屈指可數(shù)，所以在吉安斷陷盆地內(nèi)開展地?zé)峥辈檠芯靠赏卣乖摰貐^(qū)的地?zé)嵫芯砍晒?，對今后的地?zé)衢_發(fā)利用有一定的參考意義。

根據(jù)地?zé)嵯到y(tǒng)劃分依據(jù)，吉安斷陷盆地屬于典型的低溫?zé)崴蛡鲗?dǎo)類地?zé)嵯到y(tǒng)［5］。該地?zé)嵯到y(tǒng)中，熱儲資源的生成與區(qū)域中的地層特性和地質(zhì)構(gòu)造緊密相關(guān)。所以為了對斷陷盆地邊緣區(qū)域的深部地?zé)豳Y源特征進行勘查，本次研究主要以地質(zhì)分層以及探查地質(zhì)構(gòu)造為主，以此推測熱儲層與水熱對流構(gòu)造。

可控源音頻大地電磁法（Controlled Source Audio Frequency Magnetotelluric Method，CSAMT）是勘查深部地?zé)岬囊环N有效手段，在地?zé)峥辈楣ぷ髦械玫搅藦V泛的應(yīng)用。吳璐蘋等［6］在CSAMT找水工作中，總結(jié)了視電阻率斷面的異常特征；劉瑞德等［7］利用CSAMT方法，分別在傳導(dǎo)型和對流型地?zé)崽锷线M行了勘查，驗證了該方法在不同類型地?zé)崽锟辈橹械倪m用性；柳建新等［8］利用CSAMT與微重力方法開展了深部地?zé)峥辈椋J為綜合地球物理測量方法在地?zé)峥辈橹芯哂幸欢▋?yōu)勢；還有許多學(xué)者在全國各地采用CSAMT方法進行地?zé)針?gòu)造探測，均取得了很好的效果［9－13］，都表明了CSAMT方法在地?zé)峥辈橹惺怯行У摹?/p>

因此為了詳細研究吉安斷陷盆地內(nèi)的電性分布情況，推斷斷陷盆地的地質(zhì)結(jié)構(gòu)與構(gòu)造特征，為吉安斷陷盆地地?zé)豳Y源勘查評價提供可靠的地球物理資料，本文對研究區(qū)內(nèi)的CSAMT數(shù)據(jù)進行了系統(tǒng)處理與分析，研究分析研究區(qū)內(nèi)的電性分布結(jié)構(gòu)，推斷地層分布與地質(zhì)構(gòu)造，為該區(qū)域的地?zé)衢_發(fā)工作提供了參考。

2 地質(zhì)概況及地?zé)岜尘?/h2>

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

吉安斷陷盆地處于華夏板塊北東部，羅霄褶皺帶北中部，該盆地位于兩斷裂帶交接復(fù)合部位，見圖1。盆地東側(cè)有NE向的遂川—德興深大斷裂經(jīng)過，盆地北東側(cè)有呈NW向的吉水大斷裂通過，該斷裂可能對盆地結(jié)構(gòu)造成破壞［14］。NE與NW向的兩組斷裂確定了研究區(qū)的主要構(gòu)造格架，基本控制了研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌以及地?zé)岱植嫉龋?5－17］。區(qū)域中的深大斷裂及其次級斷裂，不僅可以作為研究區(qū)內(nèi)的導(dǎo)熱通道，其在儲層內(nèi)產(chǎn)生的裂隙空間還可作為熱儲空間。

圖1 江西省中南部地區(qū)深大斷裂及熱水點示意圖［18］Fig.1 Schematic diagram of deep and large faults and hot water points in south－central Jiangxi province

2.2 地質(zhì)概況及物性特征

根據(jù)研究區(qū)及附近鉆孔揭露，研究區(qū)內(nèi)主要地層有：第四系黏土以及白堊系紅色砂礫巖，其主要分布于盆地內(nèi)部，研究區(qū)內(nèi)中西部地區(qū)；寒武系板巖與震旦系變質(zhì)巖，分布于研究區(qū)東部，盆地東緣位置；白堊系下伏二疊系碳酸鹽巖，分布于研究區(qū)中西部。其中白堊系紅色砂礫巖發(fā)育完整，分布范圍廣，厚度大，鈣質(zhì)膠結(jié)，具有低滲透率，低導(dǎo)熱率的特征，易與淺部的黏土層共同組成隔熱蓋層；寒武系與震旦系變質(zhì)巖產(chǎn)狀直立，隔水性好，位于盆緣邊界處，所以該地層對于盆地內(nèi)的地下水起到了較好的阻隔作用；二疊系碳酸鹽巖層中，巖溶裂隙較發(fā)育，為研究區(qū)內(nèi)的主要熱儲層。

研究區(qū)中各個地層巖性電阻率差異較明顯，具體巖石電阻率參數(shù)見表1。其中白堊系紅色砂礫巖為相對低阻，二疊系碳酸鹽巖呈相對中阻，寒武系及震旦系變質(zhì)巖呈現(xiàn)相對中高阻特征。

2.3 研究區(qū)地?zé)岜尘?/h3>

江西具有高地?zé)崽卣鞯陌l(fā)展歷史，根據(jù)實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，省內(nèi)地?zé)嶂翟跈M向上變化較為顯著，大地?zé)崃髦导暗販靥荻确植季哂斜蔽鞯?，南東高的特征，由西向東呈波浪式降低趨勢［4］。研究區(qū)位于江西省中部，據(jù)統(tǒng)計，該地區(qū)大地?zé)崃髦挡坏陀?5mW／m2，地溫梯度平均為30℃／km［3］。區(qū)域地?zé)岜尘罢f明了該區(qū)域具有較高的低溫地?zé)衢_發(fā)潛力。

吉安斷陷盆地屬于典型的低溫?zé)崴蛡鲗?dǎo)類地?zé)嵯到y(tǒng)，該系統(tǒng)多見于斷陷盆地與坳陷盆地中。該地?zé)嵯到y(tǒng)的形成模式是：①主要熱源以正常地?zé)嵩鰷貫橹?，結(jié)合局部構(gòu)造內(nèi)的水熱對流，部分大氣降水入滲地下做深循環(huán)，將地下熱量帶入儲層中；②系統(tǒng)中主要水源為古沉積水以及大氣降水；③深部地?zé)醿宇愋拓S富，多為層控?zé)醿?，除了孔隙度較大的砂巖層，擁有巖溶及基巖風(fēng)化殼的碳酸鹽巖亦是良好熱儲層；④蓋層多為碎屑沉積巖。該地?zé)嵯到y(tǒng)的形成模式，是此次在吉安斷陷盆地東緣區(qū)域?qū)ふ译[伏地?zé)豳Y源的地質(zhì)與地?zé)崂碚撘罁?jù)，所以在斷陷盆地邊緣區(qū)域探測深部地?zé)豳Y源，主要以地質(zhì)分層以及探查地質(zhì)構(gòu)造為主，以此推測熱儲層與水熱對流構(gòu)造。

3 方法原理

可控源音頻大地電磁法（CSAMT）是通過有限長接地導(dǎo)線電流源向地下發(fā)送不同頻率的交變電流，在地面一定范圍內(nèi)測量正交的電磁場分量，計算卡尼亞電阻率及阻抗相位，達到探測不同埋深地質(zhì)目標(biāo)體的一種頻率域電磁測深方法［19］。

其中，卡尼亞電阻率計算公式為：

阻抗相位計算公式為：

勘探深度計算公式：

其中，Ex為地面觀測電場強度的水平分量，單位為V／m；Hy是磁場強度垂直于Ex的水平分量，單位為A／m；ρs為視電阻率，單位為Ω·m；f為頻率，單位為Hz；φ為相位。由式（3）可以得出，CSAMT方法的勘探深度與發(fā)射頻率以及視電阻率緊密相關(guān)。隨著頻率的降低，勘探深度逐漸加深，以此來進行深部目標(biāo)體的勘探工作，達到地質(zhì)分層、劃分構(gòu)造以及推測電性異常區(qū)等目的［22］。

4 數(shù)據(jù)采集與解釋

4.1 數(shù)據(jù)采集

測線走向為正東西向，垂直于研究區(qū)主構(gòu)造的走向（圖2）。根據(jù)本次的研究目的，選擇點距為50m，線距分別為550m與950m不等。使用GDP－32II型多功能電法測量系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。CSAMT原始數(shù)據(jù)經(jīng)過遠區(qū)頻點選擇、靜態(tài)改正、反演參數(shù)選擇等處理后，最終反演得到研究區(qū)的電性層分布信息。

圖2 研究區(qū)地質(zhì)及推斷構(gòu)造Fig.2 Geological and inferred structural maps of the study area

4.2 電性構(gòu)造特征

圖3是L02線CSAMT反演電阻率斷面圖。在圖3中可以看出：測線西部及中部大部分區(qū)段，反演電阻率值自上而下主要表現(xiàn)為不均勻—低—高的電性特征。淺地表主要為薄層狀不均勻體，反演電阻率為10～1000Ω·m，根據(jù)地表出露情況，推斷為第四系及南雄組上部不均勻沉積的綜合反映；中部表現(xiàn)為低阻的電性特征，反演電阻率小于50Ω·m，推斷為上白堊統(tǒng)南雄組中下部紅色砂礫巖的綜合反映；深部表現(xiàn)為中高阻特征，反演電阻率值大于100Ω·m，推斷為二疊系碳酸鹽巖。研究區(qū)東部區(qū)域，在反演電阻率斷面圖上主要表現(xiàn)為大范圍的高阻特征，由深部延伸至地表，推斷為盆緣變質(zhì)巖的反映。

圖3 L02線CSAMT二維反演電阻率及地質(zhì)推斷解釋斷面Fig.3 CSAMT 2Dinversion of resistivity and geological interpretation chart of L02line

依據(jù)電阻率等值線扭曲錯斷的特征，結(jié)合盆地內(nèi)電性層厚度變化規(guī)律，在研究區(qū)推測2條斷裂。如圖2及圖4所示，F(xiàn)1斷裂位于研究區(qū)中部，走向NW，傾向NE，傾角約45°。該斷層?xùn)|側(cè)白堊系厚度突然增厚，是F1斷裂構(gòu)造的升降運動造成的。受構(gòu)造應(yīng)力的影響，致使F1西側(cè)（下盤）地層發(fā)生抬升，東側(cè)（上盤）地層發(fā)生沉降，從而出現(xiàn)了斷裂上下盤厚度的差異，推測該斷層為張性正斷層，認為F1斷裂是受吉水大斷裂的影響而產(chǎn)生，切穿了中深部白堊系沉積巖。F2斷裂位于研究區(qū)東部，主要體現(xiàn)為等值線梯度或相對低阻特征，推測該相對低阻特征是由斷裂帶內(nèi)的地下水導(dǎo)致。該斷裂走向NE，傾向NW，傾角近直立，規(guī)模較大。結(jié)合地質(zhì)圖分析，該斷裂與已知的遂川—德興深大斷裂位置方位基本吻合，推測為遂川—德興大斷裂或者其次級斷裂的體現(xiàn)。

圖4 CSAMT二維反演電阻率綜合解釋斷面Fig.4 CSAMT 2Dinversion resistivity comprehensive interpretation profiles

4.3 熱儲分析

結(jié)合低溫?zé)崴蛡鲗?dǎo)類地?zé)嵯到y(tǒng)的特征，對研究區(qū)內(nèi)各熱儲條件作以下分析：

1）研究區(qū)中的二疊系碳酸鹽巖為主要熱儲層，其間發(fā)育的巖溶裂隙是良好的儲水空間；同時研究區(qū)中的F1與F2斷裂深部切割二疊系地層，在其周圍發(fā)育的斷裂破碎帶及裂隙也提供了良好的儲水空間。

2）研究區(qū)內(nèi)熱源充足。該地區(qū)平均地溫梯度不低于30℃／km，熱儲層最大埋深大于1000m，根據(jù)地溫梯度，并結(jié)合地表溫度推斷，其深部水源溫度應(yīng)不低于45℃。同時，F(xiàn)2為深大斷裂，其切割地層深，延伸長，有效溝通儲層與深部熱源，可供水熱傳導(dǎo)，故推測該區(qū)域中熱源充足。

3）研究區(qū)內(nèi)儲熱蓋層為白堊系，地層較完整，厚度大，尤其在F1斷裂與F2斷裂中間夾持區(qū)域，地層厚度達1000m，能夠有效起到保溫隔熱的作用。結(jié)合熱儲層特征，認為在兩斷裂帶夾持區(qū)域內(nèi)有著較好的熱儲條件，是研究區(qū)內(nèi)的重點地?zé)釁^(qū)域。

綜上所述，研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造符合低溫?zé)崴蛡鲗?dǎo)類地?zé)嵯到y(tǒng)的特征，區(qū)內(nèi)有較為理想的熱儲條件，擁有較好的深部低溫地?zé)衢_發(fā)前景。

5 結(jié)論

本文采用可控源音頻大地電磁法（CSAMT）對吉安斷陷進行勘查，通過分析研究得出以下結(jié)論：

1）基于吉安斷陷盆地的CSAMT數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理及構(gòu)造解釋，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，總結(jié)了研究區(qū)內(nèi)的深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)與構(gòu)造特征，劃分了不同巖性的空間分布位置，推斷出2條斷裂構(gòu)造。

2）參考地?zé)嵯到y(tǒng)劃分特征，結(jié)合區(qū)域地?zé)豳Y料，揭示了研究區(qū)域內(nèi)的“熱、儲、通、源”所對應(yīng)的構(gòu)造特征，推測出1處重點地?zé)釁^(qū)域，證明CSAMT方法可運用于低溫?zé)崴蛡鲗?dǎo)類地?zé)嵯到y(tǒng)勘查。

3）分析了區(qū)域內(nèi)的熱儲發(fā)育條件，認為該區(qū)域具有深部低溫地?zé)豳Y源前景，豐富了該區(qū)域地?zé)峥辈檠芯砍晒?，為吉安斷陷盆地區(qū)域的地?zé)豳Y源勘查與開發(fā)工作提供了參考。