謝紅青, 宋 濤, 余云春, 吳建峰, 曾朝偉, 高云嬌
(1.江蘇華東基礎(chǔ)地質(zhì)勘查有限公司,江蘇 南京 210007;2.江蘇省地質(zhì)局,江蘇 南京 210001)
地?zé)豳Y源是一種綠色低碳、可循環(huán)利用的可再生清潔能源,在當(dāng)今環(huán)境污染問題和能源短缺問題趨于嚴(yán)重的情況下,科學(xué)合理的開發(fā)地?zé)豳Y源是有必要的[1-2]。地?zé)豳Y源分布廣泛,具較好的規(guī)律性和地帶性,但常因埋深較大需投入深部勘查工作。在地?zé)峥辈榕c開發(fā)實(shí)踐中,綜合物探方法被廣泛用于控?zé)針?gòu)造探測、熱儲(chǔ)預(yù)測、地?zé)衢_發(fā)監(jiān)測等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。楊永淞等[3]采用實(shí)測重力與區(qū)域重磁數(shù)據(jù)綜合處理,分析地?zé)岙惓^(qū)的隆坳格局和斷裂構(gòu)造,預(yù)測地?zé)岚袇^(qū);張大明等[4]基于重力和大地電磁勘探成果,預(yù)測古潛山碳酸鹽巖溶蝕界面熱儲(chǔ)層;王軍成等[5]采用可控源音頻大地電磁法(CSAMT)、廣域電磁法(WFEM)和微動(dòng)探測等綜合物探方法探測導(dǎo)水?dāng)嗔押蛶r溶連通處的優(yōu)質(zhì)熱儲(chǔ);韓元紅等[6]采用二維地震、音頻大地電磁(AMT)和靜電α卡測氡綜合物探方法解譯推測含水?dāng)嗔?高博涵等[7]選擇CSAMT和瞬變電磁法(TEM)在火山巖地區(qū)探測含水?dāng)嗔押土严?綜合物探方法在大量的地?zé)峥辈閷?shí)例中發(fā)揮一定的作用。本文以湯山背斜北部地區(qū)為研究對(duì)象,通過區(qū)域重磁結(jié)合廣域電磁勘探,在分析區(qū)域隆坳格局、斷裂構(gòu)造特征以及巖漿巖分布規(guī)律等地質(zhì)背景的基礎(chǔ)上,開展地?zé)岬刭|(zhì)分析,依據(jù)廣域電磁勘探成果優(yōu)選有利控?zé)釋?dǎo)熱構(gòu)造及巖溶熱儲(chǔ)構(gòu)造,部署地?zé)崽骄衣厄?yàn)證,分析地?zé)豳Y源成因模式,以期為同類地區(qū)地?zé)豳Y源勘探提供參考。
研究區(qū)位于南京市東部的湯山鎮(zhèn)西側(cè),大地構(gòu)造位置屬下?lián)P子地塊寧鎮(zhèn)褶皺束—湯侖復(fù)背斜—湯山短軸背斜北翼(圖1a)。印支期以前寧鎮(zhèn)地區(qū)以穩(wěn)定的地臺(tái)沉積、升降運(yùn)動(dòng)和弱巖漿活動(dòng)為主要特征。印支期—燕山早期,受太平洋板塊運(yùn)動(dòng)的影響,華北板塊與揚(yáng)子板塊碰撞拼合產(chǎn)生陸內(nèi)俯沖,強(qiáng)烈的造山作用使淺部大陸殼變形,南北向的擠壓力造就著名的寧鎮(zhèn)山脈“三背兩向”復(fù)式褶皺構(gòu)造樣式:自北向南分別為龍?zhí)丁獋}頭復(fù)背斜、范家塘復(fù)向斜、寶華山—朝鳳山復(fù)背斜、樺墅—亭子復(fù)向斜、湯山—侖山復(fù)背斜,湯山短軸背斜即位于湯山—侖山復(fù)背斜西段核部(圖1b)。在燕山中晚期的扭動(dòng)構(gòu)造作用與喜馬拉雅期的擠壓構(gòu)造作用下,產(chǎn)生一系列壓扭—張扭斷裂構(gòu)造和逆沖推覆構(gòu)造,基本形成目前寧鎮(zhèn)地區(qū)的構(gòu)造格局[8-11]。
研究區(qū)所在的寧鎮(zhèn)地區(qū)地層屬揚(yáng)子地層區(qū)下?lián)P子地層分區(qū)寧鎮(zhèn)地層小區(qū),寒武系以來的沉積地層基本出露齊全。前寒武系基底由中元古界變質(zhì)巖系構(gòu)成,原巖是中基性火山巖,形成于大陸邊緣火山島弧環(huán)境。寒武系—三疊系以整合和假整合關(guān)系接觸,由3個(gè)大的沉積旋回組成,即下旋回寒武系—泥盆系上統(tǒng)(∈-D3)、中旋回石炭系—二疊系中統(tǒng)下段(C-P21)和上旋回二疊系中統(tǒng)上段—三疊系(P22-T),分別都是由海相碳酸鹽巖開始,到陸相—海陸交互相碎屑巖結(jié)束。侏羅系以來以陸相碎屑巖沉積為特征,假整合、不整合于前侏羅系之上[12-13]。湯山背斜至孔山一帶發(fā)育一系列NEE—EW弧形走向的南傾逆沖斷層,另有多組橫切湯山短軸背斜的NE向平移斷層與橫切孔山—狼山一帶的NW向平移斷層交匯于湯山背斜北部地區(qū)。寧鎮(zhèn)地區(qū)巖漿活動(dòng)頻繁且強(qiáng)烈,巖漿巖廣泛分布且以燕山期形成的為主。侵入巖具有多旋回、多期次、多樣化的特點(diǎn),形成一套由基性—中酸性—酸性的演化系列;火山巖為早白堊世上黨旋回,主要為一套石英安山巖—石英粗安斑巖—石英粗面斑巖—英安流紋巖系列[14]。
圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置(a)(據(jù)文獻(xiàn)[13])及地質(zhì)簡圖(b)
1.2.1 熱源
寧鎮(zhèn)地區(qū)巖漿活動(dòng)主要集中于距今1 Ga左右的燕山晚期,湯山周邊的石英閃長斑巖巖體的熱量已散失殆盡,難以成為附加熱源[15]。因此湯山地區(qū)熱源是來自地球內(nèi)部的大地?zé)崃?大熱流值在40~60 mW/m2,屬中低熱流區(qū),但在穩(wěn)定的揚(yáng)子克拉通普遍較低的區(qū)域熱背景下,屬較好的熱源條件,這源于寧鎮(zhèn)山脈復(fù)雜的構(gòu)造背景以及相對(duì)較強(qiáng)的中新生代構(gòu)造—熱活動(dòng)[16-17]。
1.2.2 通道
寧鎮(zhèn)地區(qū)淺部呈“三背兩向”構(gòu)造格局,低山丘陵地貌和山前崗地、沖溝內(nèi)覆蓋的松散堆積物,利于大氣降水的匯水、補(bǔ)給。湯山背斜北部地區(qū)發(fā)育多組逆沖斷層和深切的平移斷層,逆沖斷層的擠壓造成大規(guī)模巖石破碎,平移斷層及其伴生的一系列斷層導(dǎo)通深部熱源及地?zé)崃黧w。兩類斷層從深部發(fā)育至地表,連通深部上升的地?zé)崃黧w和淺部入滲的大氣降水補(bǔ)給,斷裂造成的巖石破碎帶為流體對(duì)流提供良好的通道條件。
1.2.3 熱儲(chǔ)
湯山地區(qū)寒武系中上統(tǒng)觀音臺(tái)群—奧陶系上統(tǒng)湯頭組發(fā)育厚層碳酸鹽巖,經(jīng)歷印支期、燕山期以及喜馬拉雅期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的劇烈改造,又在熱水和冷水的長期溶蝕和淋濾作用下,巖石中喀斯特現(xiàn)象包括溶洞、石鐘乳都比較發(fā)育,是良好的地?zé)醿?chǔ)層。位于湯山背斜北坡的葫蘆洞(南京人化石發(fā)現(xiàn)地)即為發(fā)育于奧陶系灰?guī)r中的典型溶洞,該溶洞主要受印支期及燕山期構(gòu)造控制,灰?guī)r被沿破碎帶循環(huán)的地下水溶蝕發(fā)育古溶洞,在喜馬拉雅及后期運(yùn)動(dòng)抬升后露出地表。由于湯山北麓匯集大量地表水和地下水,產(chǎn)生幾乎相同高度的一系列溶洞,這些溶洞大多是在古溶洞的基礎(chǔ)上發(fā)育而成[18]。結(jié)合研究區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育特征可知,湯山背斜北坡及以北地區(qū)的深部巖溶亦較發(fā)育,熱儲(chǔ)條件較好。
1.2.4 蓋層
地?zé)崃黧w運(yùn)移過程中溫度保持的重要影響因素為地?zé)嵘w層的隔熱效果?;鹕綆r熱導(dǎo)率分布為1.09~2.07 W/(m·K),平均值為(1.50±0.27 )W/(m·K);碎屑巖包含石英砂巖、長石砂巖等熱導(dǎo)率分布為1.52~5.23 W/(m·K),平均值為(2.77±0.83 )W/(m·K);碳酸鹽巖主要包含白云巖、灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r和灰?guī)r,熱導(dǎo)率分布為2.34~6.55 W/(m·K),平均值為(4.21±1.28 )W/(m·K)[19]。顯然,碎屑巖與火山巖具較低的熱導(dǎo)率,可作為良好的蓋層。湯山背斜以南的句容盆地廣泛發(fā)育厚層白堊紀(jì)碎屑巖及火山巖,湯山背斜以北深部有厚層志留世碎屑巖,兩者均可作為優(yōu)質(zhì)的蓋層為湯山北深部地?zé)豳Y源提供良好的保溫條件。
掌握地層巖石物性特征及其變化規(guī)律是地球物理勘探數(shù)據(jù)處理解譯的基礎(chǔ)。寧鎮(zhèn)及周邊地區(qū)巖石露頭分布廣泛,巖石標(biāo)本物性數(shù)據(jù)豐富,對(duì)江蘇省頁巖氣資源調(diào)查與評(píng)價(jià)物性調(diào)研工作中采集到寧鎮(zhèn)及周邊地區(qū)1 338塊巖石標(biāo)本的物性參數(shù)進(jìn)行測量和統(tǒng)計(jì)(表1),標(biāo)本的密度、磁化率以及電阻率參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示寧鎮(zhèn)地區(qū)巖石物性的變化規(guī)律。
(1)沉積巖與巖漿巖的磁化率差異較大,標(biāo)本磁性強(qiáng)弱主要取決于其磁性礦物的含量。沉積巖呈無磁性-弱磁性,磁化率值離散度小:碳酸鹽巖呈無磁性,磁化率平均值小于8×10-5SI,砂巖、泥巖、頁巖呈弱磁性,磁化率平均值約為(15~23)×10-5SI。巖漿巖呈中強(qiáng)磁性,磁化率值變化大:侵入巖與噴出巖的磁化率平均值大于54 ×10-5SI,中性侵入巖磁化率遠(yuǎn)高于酸性侵入巖,常以巖床、巖墻淺成產(chǎn)出的閃長玢巖磁性強(qiáng)于噴出的安山巖。
表1 寧鎮(zhèn)地區(qū)巖石標(biāo)本物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)
(2)不同巖性之間,巖石密度存在顯著差異。碳酸鹽巖和閃長玢巖呈明顯高密度,平均密度大于等于2.70 ×103kg/m3;巖漿巖呈中密度,平均密度為(2.52~2.58)×103kg/m3;粉砂巖、泥頁巖等一般呈低密度,平均密度小于2.5 ×103kg/m3。同類巖性之間,老地層巖石密度一般高于新地層巖石密度,如寒武系的碳酸鹽巖密度高于石炭紀(jì)—二疊紀(jì)碳酸鹽巖,志留紀(jì)砂巖、泥巖密度高于侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)同類巖石。
(3)電阻率與巖性具有密切關(guān)系,碳酸鹽巖呈顯著的高電阻率(>104Ω·m),巖漿巖多呈中電阻率(103~104Ω·m),砂巖、泥巖、頁巖等多呈低電阻率(<103Ω·m)。電阻率與密度具有一定相關(guān)性,如高密度的標(biāo)本常具高電阻率特征。
湯山背斜北翼地形陡峭、構(gòu)造復(fù)雜,黃栗樹—湯山鎮(zhèn)一帶居民密集、電磁干擾強(qiáng)烈,大比例尺規(guī)則網(wǎng)地面重磁勘探工作部署難度大且難以取得良好的數(shù)據(jù)。通過收集處理以往區(qū)域重力和區(qū)域航磁數(shù)據(jù),分析構(gòu)造特征和巖漿巖分布規(guī)律,部署抗干擾能力較強(qiáng)的大功率廣域電磁測線,控制重點(diǎn)構(gòu)造以了解深部熱儲(chǔ)構(gòu)造的展布形態(tài)。依據(jù)區(qū)域重磁和廣域電磁法綜合勘探成果設(shè)計(jì)地?zé)崽骄弧?/p>
本次研究收集到覆蓋全區(qū)的1∶5萬區(qū)調(diào)重力及航磁數(shù)據(jù):1987年寧鎮(zhèn)地區(qū)1∶5萬重力數(shù)據(jù),面積2 769 km2,重力異??偩?±0.149×10-5m/s2;1975年江蘇南部地區(qū)1∶5萬航磁數(shù)據(jù),面積12 128 km2,航空磁力異常總精度23 nT。布格重力異常總體呈東西分塊、南北分帶的分布特征(圖2a),以陳家邊—狼山—湯山鎮(zhèn)西緣為界,布格重力西高東低。西部重力高值區(qū)內(nèi),極值帶呈NEE—EW向似弧形展布,東部重力低值區(qū)在湯山鎮(zhèn)以北呈NNW走向,湯山鎮(zhèn)以南大致以NE走向弧形展布。航磁(ΔT)化極異常整體呈NNE—SN走向(圖2b),大致以孟塘—狼山—團(tuán)子尖為界,以東為低緩的正磁異常(>120 nT),以西為較平靜的負(fù)磁異常(-20~-120 nT)。
基于物性分層及其變化規(guī)律,結(jié)合研究區(qū)地層發(fā)育特征分析區(qū)域重磁成果,獲取區(qū)域構(gòu)造格局和地層發(fā)育特征。西部重力高、磁力低反映一系列弧形分布的沉積地層褶皺構(gòu)造,重力高極值帶反映孔山背斜以及湯山短軸背斜核部大規(guī)模碳酸鹽巖的分布,重力高值中心軸線基本代表碳酸鹽巖背斜軸線。重力高值中心與地表露頭背斜軸線位置差異較大(圖2a),孔山背斜重力高值中心位于地表露頭背斜軸南約1 km、湯山背斜軸位于地表露頭北側(cè),且兩者幾乎相連,反映湯山背斜北部可能存在傾臥褶皺、疊瓦狀逆沖的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造,黃栗墅一帶多處露頭呈高角度倒轉(zhuǎn)也證實(shí)湯山背斜北部的構(gòu)造復(fù)雜性。東部及湯山背斜東南緣重力低、磁力高反映湯山鎮(zhèn)以東深部存在大規(guī)模侵入巖體,安基山及其南部一帶出露大規(guī)模石英閃長斑巖巖床、湯山短軸背斜有脈巖出露可能與其有關(guān)(圖2b)。區(qū)域重磁顯示,研究區(qū)發(fā)育大規(guī)模NEE—EW向控?zé)釋?dǎo)熱逆沖斷層、逆沖—推覆構(gòu)造之下可能發(fā)育大規(guī)模碳酸鹽巖,兩者均為地?zé)峥碧降挠欣匦柽M(jìn)一步控制。
2.3.1 測線部署與處理方法
廣域電磁法(WFEM)是一種高效的深層地?zé)豳Y源地球物理勘探方法,獲得的深部數(shù)據(jù)質(zhì)量佳、可信度高、細(xì)節(jié)豐富[20]。為控制NEE—EW向控?zé)釋?dǎo)熱斷層、疊瓦狀逆沖推覆構(gòu)造的深部展布形態(tài)以及深部碳酸鹽巖的發(fā)育特征,在研究區(qū)部署8條廣域電磁測線,其中6條NNW向,2條NEE向(圖3),測線總長18 km,測點(diǎn)368個(gè),點(diǎn)距50 m。按照SY/T 6589―2016《陸上可控源電磁法勘探采集技術(shù)規(guī)程》規(guī)范采集。主要技術(shù)參數(shù)及質(zhì)量評(píng)價(jià)如下:收發(fā)距9.9~12.6 km,覆蓋角度10.7°~21.6°,發(fā)射場源AB長度為1 010.2~1 441.4 m;檢查率4.07%,最大相對(duì)均方誤差4.56%,最小相對(duì)均方誤差0.96%,Ⅰ級(jí)品率為96.5%,合格率為100%。廣域電磁勘探數(shù)據(jù)處理反演采用GMES_3DI 重磁電震三維反演成像解釋一體化系統(tǒng)帶源二維反演,通過調(diào)節(jié)正則化參數(shù),控制反演結(jié)果的光滑程度和分辨率,反演算法采用的尖銳邊界反演[21]。
2.3.2 廣域電磁反演斷面解譯
廣域電磁L1線北起雪浪安,經(jīng)孔山東、黃栗墅東,南至團(tuán)子尖,走向165°,測線長約4 km,是控制全區(qū)構(gòu)造特征的最具代表性的測線。圖4a為L1線二維反演解譯剖面,電性規(guī)律具南北分塊、上下分帶、波動(dòng)劇烈三大特征:大致以Fa、Fb為界呈3個(gè)電性分區(qū)(塊)且由南向北各區(qū)深度逐次降低;Fa以北電性層分帶較明顯,自上至下呈“低—高—低—高”;各電性層界面起伏大,團(tuán)狀電性體異常分布廣泛。表層數(shù)十米以淺因風(fēng)化和潛水含水層影響導(dǎo)致電阻率較低。深部較完整的地層可結(jié)合巖石電阻率特征分析,(反演)電阻率大于1 000 Ω·m的電性層主要反映碳酸鹽巖地層,電阻率小于1 000 Ω·m的電性層主要反映砂泥巖地層。
圖3 湯山背斜北翼廣域電磁測線部署圖
基于研究區(qū)地質(zhì)特征進(jìn)行地球物理數(shù)據(jù)處理解譯是復(fù)雜構(gòu)造區(qū)地球物理勘探的關(guān)鍵。L1線反演斷面清晰的反映湯山背斜北翼至孔山背斜北翼的深部地質(zhì)結(jié)構(gòu):疊瓦狀逆沖—推覆構(gòu)造控制下的傾臥—倒轉(zhuǎn)復(fù)式褶皺。F3向北逆沖擠壓主要造成∈—O、S—D以及C—T地層的褶皺變形;F2和F1向北逆沖—推覆使湯山北—棒錘山之間深部形成一組由多個(gè)背向斜組成的巨大的傾臥復(fù)式向斜,該復(fù)式向斜核部主要由C—T組成,南翼被S—D、∈—O組成的湯山短軸背斜核沿兩逆沖—推覆斷層斷失和掩蓋,湯山北部志留系高家邊組出露寬度達(dá)1.5 km且存在多處地層陡立、倒轉(zhuǎn),印證(疊瓦狀)逆沖構(gòu)造的存在。Fa、Fb為2條左行平移斷層,形成于燕山中晚期壓扭—張扭構(gòu)造環(huán)境,將逆沖推覆巖片切割成不同深度的多個(gè)塊體。
圖4 廣域電磁L1線二維反演解譯剖面(a)及DR01井完井柱狀圖(b)
廣域電磁勘探結(jié)合航磁異常分析推斷湯山背斜之下可能有侵入巖體,湯山背斜北緣地表有淺成侵入巖出露;廣域電磁反演斷面刻畫F1—F3逆沖—推覆斷層緩而深、平移斷層Fa和Fb陡而深的展布特征以及深部大規(guī)模碳酸鹽巖的分布形態(tài)。F3、Fa以及碳酸鹽巖頂面的交匯處,是良好的熱儲(chǔ)層(構(gòu)造)。
湯山地區(qū)以往地?zé)峋乃缓退疁啬M預(yù)測結(jié)果表明,南京湯山地區(qū)已有的14口地?zé)崴砷_采量相差較大,且隨著各地?zé)崴拈_采,水位逐漸下降,各地?zé)崴乃疁鼐饾u上升,大部分年內(nèi)水溫上升2.0 ~3.0 ℃,個(gè)別地?zé)峋疁厣仙_(dá)5.0 ~7.0 ℃[22]。針對(duì)已有地?zé)峋乃瘜W(xué)、同位素、補(bǔ)給來源等方面的研究結(jié)果表明,湯山溫泉區(qū)地?zé)嵯到y(tǒng)在成因上屬中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng),地?zé)崴a(bǔ)給主要來自湯山山體大氣降水和區(qū)域的側(cè)向補(bǔ)給,如湯山周邊寧鎮(zhèn)山區(qū)及茅山山脈,深循環(huán)通道主要是湯山南部的湯山—東昌街?jǐn)嗔鸭皽揭粠У钠揭茢嗔?熱儲(chǔ)溫度約為90 ℃,循環(huán)深度2.6~2.9 km[23-24]。
地球物理勘探成果結(jié)合水文地球化學(xué)資料表明,湯山背斜北緣DR01井地?zé)崃黧w的補(bǔ)給來源主要為寧鎮(zhèn)山脈的大氣降水入滲補(bǔ)給,酸性巖體分布區(qū)是重要的補(bǔ)給區(qū)或徑流區(qū)。地下水主要以逆沖斷層的破碎帶進(jìn)行深循環(huán),通過大地?zé)崃髟鰷睾笱啬鏇_—平移斷層交匯處的破碎通道向上運(yùn)移,同時(shí)可能與淺部入滲的冷水有一定混合。不同方向深切割斷裂交匯的破碎帶既是地?zé)崃黧w的循環(huán)通道,亦是容礦(含熱水)構(gòu)造。淺部的碎屑巖以及推覆巖片的封蓋具有一定的保溫作用(圖6)。
(1)湯山背斜位于由南向北的疊瓦狀逆沖—推覆構(gòu)造上盤,深部賦存豐富的地?zé)豳Y源。分析區(qū)域重磁資料,可以獲取大規(guī)模控?zé)釋?dǎo)熱構(gòu)造的平面展布特征,判斷逆沖斷層下盤碳酸鹽巖背斜分布規(guī)律,為控制熱儲(chǔ)的地?zé)峥碧讲渴鹛峁┱_方向。
圖5 湯山地區(qū)水樣點(diǎn)的Piper三線圖(據(jù)文獻(xiàn)[24])
(2)采用廣域電磁勘探剖析深部有利斷裂構(gòu)造的縱向展布特征,控制碳酸鹽巖溶蝕界面的埋藏深度,確定不同走向的斷層交匯部位,鎖定多組斷層與巖溶界面夾持的破碎帶這一關(guān)鍵有利熱儲(chǔ)構(gòu)造,為地?zé)徙@井選址提供關(guān)鍵信息。
(3)經(jīng)地?zé)徙@井揭露設(shè)計(jì)靶位,獲得優(yōu)質(zhì)的地?zé)崃黧w,DR01井的勘探結(jié)果表明,采用綜合物探在復(fù)雜構(gòu)造區(qū)進(jìn)行地?zé)豳Y源勘查可以獲得可靠的熱儲(chǔ)靶位和良好的勘探效果。
圖6 湯山北部地?zé)豳Y源成因示意模型
(4)湯山背斜北部DR01井地?zé)崃黧w的水文地球化學(xué)特征與湯山背斜南翼有明顯差異,主要的補(bǔ)給區(qū)或徑流區(qū)應(yīng)為中酸性巖體發(fā)育區(qū),寧鎮(zhèn)山脈廣泛發(fā)育的逆沖—推覆斷層和平移斷層是地?zé)崃黧w的主要深循環(huán)通道。湯山背斜北部地區(qū)具良好的地?zé)豳Y源勘探開發(fā)潛力,系統(tǒng)的勘查開發(fā)有利于保護(hù)湯山地區(qū)地?zé)峒暗叵滤Y源,對(duì)實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源的可持續(xù)利用具有重要意義。