地球物理方法在帶狀熱儲地熱資源調查中的應用
——以湖南省汝城縣熱水鎮朱屋區為例

趙寶峰，汪啟年，陳同剛

(安徽省勘查技術院，合肥 230041)

0 引言

帶狀熱儲地熱資源是我國東南沿海地區重要的地熱類型之一，其形成是自然降水在水力壓差作用下，經斷裂深循環后在負地形的地下水排泄區形成，屬中低溫對流型地熱系統，熱儲構造為含水的斷裂破碎帶[1-2]。

朱屋調查區位于湖南省汝城縣境內，是東南沿海地區郴州-宜章-汝城地熱異常帶的一部分[3]，著名的熱水圩地熱田位于調查區南部2 km處[4](圖1)。調查區屬熱田外圍，是四面環山的小洼地，地表無熱異常，地形高差約300 m，是一理想的負地形區，也是地下水的有利排泄區(圖1(d))。區內植被發育，地表被第四系覆蓋，周邊巖石風化嚴重，不利于地表露頭觀察和斷裂位置推斷。

調查的成功依賴于對區內斷裂系統和熱儲構造的落實，因此制定了以地球物理方法為主導的調查方法。通過高精度重力掃面，可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)和淺層地震測量，劃分了斷裂系統，識別了地下水排泄區合適深度的含水斷裂破碎帶，在優選區內發現潛在熱儲構造，規模可觀。熱儲頂部淺層鉆孔揭示了26℃熱異常，顯示了物探推斷的合理性，以及地球物理方法在帶狀熱儲地熱資源調查中的有效性。

1 地質概況和物性特征

調查區位于花崗巖和變質巖接觸附近，主要構造走向NNE。東部在燕山早期的區域伸展拉張作用下導致二長花崗沿該方向斷裂大面積侵入，形成以巖基和巖株產出的諸廣山巖體，巖性以中粗粒斑狀黑云母花崗巖為主[5]。西部變質巖發育，元古界嶺秀組(Ptlx)以板巖、砂巖互層為主，震旦系(Z)以石英砂巖、硅質巖和板巖為主，寒武系(∈)以石英砂巖和含碳質板巖為主(圖1)，上覆有薄層(2 m～4 m)第四紀沉積。

圖1 熱水鎮地質簡圖

表1 地層和花崗巖物性參數

圖2 帶狀熱儲地熱資源的調查思路

區內變質巖呈高密度和中高電阻率特征，密度2.75×103kg/m3至2.60×103kg/m3之間，電阻率1 800 Ω·m至6 300 Ω·m之間。花崗巖體密度小于變質巖，在2.56×103kg/m3至2.58×103kg/m3之間，電阻率在4 900 Ω·m至13 000 Ω·m之間。含裂隙的變質巖和花崗巖巖石樣品電阻率值在20 Ω·m至180 Ω·m之間。第四系呈低密度和低電阻率特征(表1)。

2 研究方法

2.1 調查思路

花崗巖和變質巖均為致密的低滲透性巖石，儲水能力差,有效的熱儲空間形成依賴于斷裂的發育，對斷裂及破碎帶的落實是調查的關鍵。因此利用高精度重力橫向數據連續的優勢，確定斷裂的平面展布[6]。結合可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)對低阻電性體的識別優勢，刻畫含水斷裂破碎帶的形態、規模及產狀，識別熱儲構造[7]。最后結合淺層地震確定溝通深部熱儲的斷裂在地表附近的出露點位置，為布置熱異常驗證鉆孔提供借鑒。

以上方法優勢互補，實現從平面→剖面→精確出露點的逐層推進，在不同方向和深度刻畫斷裂展布及破碎的樣式，尋找到有利熱儲，是本次地熱資源調查的基本思路(圖2)。

2.2 技術參數

高精度重力測量比例尺1: 5 000，測量數據經過地形改正(近區：0 m～20 m；中區：20 m～2 km；遠區：2 km～20 km；超遠區：20 km～166.7 km)、中間層改正(中間層密度為2.67×103kg/m3)和網格化(間距為20 m×20 m)等處理，求取得布格重力異常。并利用水平一次導數和90°水平一次導數的合成數據求取頻率域水平總梯度模，從而利用斷裂兩側的密度差異，查明線性的斷裂構造[8]。

可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)頻率范圍0.1 Hz ～10 kHz，場源接地偶極子長度AB為2 km，收發距R為8.0 km～13 km之間，接收偶極距50 m，中低頻率段供電電流≥10 A，工作頻率范圍0.125 Hz～10 kHz。采用手工矯正、數值處理相結合的方法，依據高頻和低頻變化趨勢，結合曲線類型和地表地質等情況，確定矯正值，消除了由淺層橫向電性不均勻造成的曲線靜態位移等影響，反演得到地質體電性差異剖面。

淺層地震炮間距4為 m，偏移距為48 m，點距為2 m，采樣間隔為0.5 ms。確定了150 m深范圍內，深度偏移剖面上斷層引起的同向軸扭曲挫斷。

3 熱儲識別

通過以上方法，構建了本區的斷裂系統，識別了熱儲構造，確定了熱異常的存在。

3.1 斷裂系統構建

工區內有三組斷裂，走向分別是NNE、NWW和NE向。

1)NNE向斷裂是工區規模最大的一組斷裂，主要有三條，分別是F1、F2和F4(圖3)，組成了一組花狀構造樣式，具走滑斷裂帶的特征，垂向切割深度大(圖4)。其中F1、F2斷裂在布格重力異常平面圖上顯示為等值線的扭曲，在CSAMT二維反演剖面上顯示為垂向高角度條帶狀電性低阻體，在地震剖面上顯示為同向軸的扭曲錯斷(圖4、圖5)。F4斷裂在布格重力異常平面圖上顯示為等值線梯級帶，在布格重力水平總梯度平面圖上顯示為等值線的條帶狀高值，在電法剖面上為陡傾的電性低阻體。該組斷裂是區域性濱太平洋構造運動的產物，控制了整個東南沿海地區的溫泉的線性分布，以及熱水圩地熱田的形成[3,9-10]。

圖3 朱屋區布格重力和水平總梯度異常圖

圖4 朱屋區CSAMT反演剖面與斷裂解釋

2)NWW向斷裂垂直于NNE向斷裂。其中F5斷裂在布格重力異常平面圖上顯示為等值線的扭曲，在水平總梯度平面圖上高值帶的斷續連結(圖3)。該斷裂切割了F1、F2和F4斷裂，造成了NNE向控熱斷裂破碎帶的充分發育，有效增加了地下熱水的存儲空間。NWW向斷裂與NNE向斷裂形成于同一時期，是后者發育過程中的調節斷裂，具有走滑性質，也是區內的控水斷裂，東南沿海地區多數地熱田形成于NWW向NNE向斷裂交匯區附近，熱水圩地熱田的溫泉出露在該位置[3,6,10-11]。

3)NE向斷裂形成時間晚，控制了現今河流走向。其中F3斷裂在布格重力異常平面圖上顯示為等值線梯級帶，在水平總梯度平面圖上顯示為條帶狀高值帶，在CSAMT二維反演剖面上顯示為垂向電性低阻體(圖3、圖4)。NE向斷裂是區域性NNE向構造形成過程中局部地層結構變化應力分解的產物，其發育增加了巖石破碎的程度。

3.2 熱儲形態識別

巖石破碎充水時，電阻率呈指數式下降[12-14]。本次調查的熱儲構造，即含水的斷裂破碎帶，在電法剖面上顯示為電性低阻體。

調查區內存在一“沙漏狀”垂向電性低阻體，在CSAMT-01反演剖面由條帶狀低阻帶和上下連接的兩個似橢圓狀低阻體組成(圖4(a))。其中淺部低阻體向地表開闊未封閉，可能是淺層裂隙風化充水的反應，由于蓋層缺失，很難成為熱儲構造。

深部低阻體中心埋深約500 m，寬約200 m，高約150 m，四周被高阻地質體包圍，呈一個相對封閉的系統。該低阻體下部存在一垂向低阻細條帶，是深部斷裂F4破碎充水的反應。上部也與垂向低阻細條帶，是F2/F3(F2和F3兩條高角度斷裂在此相交)斷裂破碎充水的反應，與地表淺層溝通。低阻體核心是F2、F3和F4三條斷裂深部交匯的位置。

三條斷裂深部交匯位置的深部低阻體是巖石嚴重破碎的反應，其埋藏深度合適，規模可觀，結構較為封閉，可通過深部斷裂(F4)將深循環的地下熱水的注入該破碎帶內(圖4(a))，推測為熱儲構造。該熱儲構造向南延伸并逐漸減小，在CSAMT-01剖面上顯示為低阻范圍的縮小(圖4(b))。

熱儲構造在平面上位于熱水河拐彎處，是多期構造運動疊加下產物，NNE、NWW和NE三個走向(F2、F3和F4)斷裂再此交匯。其中斷裂F2/F3溝通了深部熱儲和淺層地表，在淺層地震剖面顯示了斷裂出露位置(圖5)。圍繞F2/F3出露位置，設計施工了淺層鉆孔，驗證了熱異常的存在。

3.3 熱異常確定

設計布置了5口60 m的鉆孔，位置如圖1(c)所示。其中井1位于斷裂出露點正上方，作為熱異常存在與否的直接驗證井。井2、井3、井4逐漸遠離，作為溫度變化分析井。井5位于外圍，作為工區背景溫度井(圖6)。

鉆探結果顯示，60 m深度內存在兩層熱異常。上部為淺表層熱異常，深度為5 m左右，溫度從井1到井4逐漸降低，是熱異常由斷裂交匯點(井1附近)逐漸往周圍泄露的反應。井5未受淺表層熱異常影響，溫度自地面向下逐漸降低，到10 m左右逐漸穩定，溫度19℃，該溫度延續到18 m處開始逐漸上升，顯示了本區地溫場背景值，即恒溫層深度約18 m，溫度19℃。

圖5 朱屋區淺層地震反演剖面及斷裂解釋

第二層熱異常在井1的30 m埋深處出現，溫度接近26℃。該位置巖層破碎，向下則破碎程度減弱，溫度也隨之下降，繼續向下則與井2、井3和井4溫度相同。第二層熱異常是深部熱水沿著斷裂破碎帶向外泄露的結果，與表層熱異常形成良好的呼應，說明了電法剖面顯示的電性低阻體是含熱水斷裂破碎帶即熱儲構造的反應。

圖6 朱屋區鉆井溫度曲線對比

4 討論

因此，有效的斷裂劃分和熱儲構造識別依賴于多種方法的相互結合與優勢互補[16]。利用高精度重力確定主要斷裂的位置，CSAMT確定斷裂深部形態和破碎程度，淺層地震確定斷裂出露點的的位置，最終在發現熱儲頂部施工淺層鉆孔，確定熱異常的存在。同時，斷裂系統的劃分，應建立在對本區的地層展布與構造演化了解的基礎上，從而降低地球物理資料的多解性。

本次調查由于受調查成本限制，僅施工了淺層鉆孔。同時由于受地質條件限制，即朱屋區距離巖漿巖體較遠，變質巖斷裂破碎帶導水性低于巖漿巖，斷裂規模相對較小等原因，取得的溫度異常只有26℃，遠低于南部熱水圩地熱田的91℃。但鉆孔依然根據地球物理方法推測結果，鉆遇了熱異常。

以上結果說明了調查采用的思路和方法，能夠用于帶狀熱儲地熱資源的調查。在負向地形的地下水排泄區，通過不同地球物理方法，多層次的斷裂系統構建，借助電法對含水破碎帶識別的優勢，尋找到潛在的地熱資源。

5 結論

1)帶狀熱儲地熱資源調查的核心是識別深部熱儲構造。成功的調查依賴于多種地球物理方法有效結合，從而在地下水排泄的負地形區(或第四系覆蓋區)落實斷裂展布樣式和破碎帶發育程度，圈定熱儲位置。

2)朱屋區主力熱儲位于NNE、NWW和NE三個走向的斷裂交匯區附近，平面上位于布格重力異常圖等值線梯級帶上，電法剖面上顯示為垂向帶狀電性地阻體，淺層地震顯示為同相軸的錯動。熱儲埋深約500 m，通過斷裂與淺層地表相通，頂部淺鉆顯示26℃溫度異常。

3)高精度重力測量易確定斷裂的平面分布，電法測量有利于發現充水斷裂破碎帶的形態，淺層地震可確定熱儲頂部的出露位置，不同方法優勢互補，合理識別熱儲構造不同層次和深度的特征，可有效降低勘探風險，尋找到潛在的地熱資源。