王佳龍，邸兵葉，張寶松，趙東東

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 南京地質(zhì)調(diào)查中心，江蘇 南京 210016)

0 引言

地?zé)崾侵竵?lái)自地球內(nèi)部的熱能量，一般以熱水或水汽形式埋藏于地下或出露地表，被廣泛用于電力、醫(yī)用治療和采暖供熱等多個(gè)領(lǐng)域，是繼煤、石油、天然氣等之后又一開(kāi)發(fā)前景極為廣闊的天然環(huán)保清潔能源，在未來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)相互協(xié)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中占有重要的地位[1]。地?zé)峥辈榉椒ㄓ泻芏喾N，如測(cè)溫法、化探方法、重磁聯(lián)合法及電阻率法等，一般都是尋找熱儲(chǔ)構(gòu)造、運(yùn)移通道和蓋層等有利構(gòu)造，進(jìn)而間接判斷熱儲(chǔ)層的位置、大小等空間特征。其中，電阻率法是進(jìn)行地?zé)崽锟辈榈膫鹘y(tǒng)方法之一，常用的電阻率方法有電測(cè)深法、音頻大地電磁法(AMT)及可控源音頻大地電磁法(CSAMT)等[2-6]。由于地?zé)釡囟容^高，地下水密度和粘滯性減小，溶解能力增強(qiáng)，隨之水礦化度增高，離子活性增加，電阻率降低，因此會(huì)與周邊地層形成顯著的電性差異，具備了物探前提。音頻大地電磁法具有勘探深度大、受高阻層屏蔽影響小、受地形影響小、對(duì)低阻層識(shí)別度高、分辨率高、成本低、工作效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，是地?zé)峥辈橹饕椒ㄖ籟7-10]。

福建省寧化縣黃泥橋地區(qū)有天然溫泉點(diǎn)出露，自流出水量約為203 m3/d,平均水溫 40.3 ℃。該區(qū)進(jìn)行過(guò)地質(zhì)、水文地質(zhì)填圖、區(qū)域重力調(diào)查、測(cè)溫法、簡(jiǎn)易地球化學(xué)調(diào)查等工作，基本圈定了地?zé)岙惓^(qū)的范圍、熱儲(chǔ)規(guī)模和熱儲(chǔ)溫度[11-12]，但對(duì)該區(qū)整體斷裂構(gòu)造分布和熱儲(chǔ)區(qū)的關(guān)系、熱儲(chǔ)層的空間分布特征等研究較少。本次在綜合利用前人研究成果的基礎(chǔ)上，綜合考慮地質(zhì)背景、目標(biāo)層埋深、施工條件、勘探方法技術(shù)選取等因素，優(yōu)選AMT方法進(jìn)行地?zé)峥辈?，在研究區(qū)部署了13條AMT測(cè)線，共計(jì)272個(gè)測(cè)點(diǎn)，旨在進(jìn)一步深化對(duì)黃泥橋地區(qū)地?zé)嵝纬捎欣麡?gòu)造的認(rèn)識(shí)，查明區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造分布和熱儲(chǔ)層空間位置關(guān)系，為該地區(qū)地?zé)豳Y源的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用提供指導(dǎo)。

1 地質(zhì)與地球物理特征

研究區(qū)位于福建省三明市寧化縣黃泥橋地區(qū)，寧化盆地邊緣。區(qū)內(nèi)出露地層較簡(jiǎn)單，主要為加里東期花崗巖(ηγ3)和少量第四系(Q)(圖1)。大面積出露的肉紅色似斑狀粗粒黑云母二長(zhǎng)花崗巖為加里東期產(chǎn)物[11]。第四系地層主要為坡積粉質(zhì)黏土、角礫、碎石和沖洪積粉質(zhì)黏土、砂、卵礫石等，分布于溝谷低洼處及山坡地帶，坡積層厚度一般小于3 m。區(qū)內(nèi)的深大斷裂帶有NNE向光澤—武平斷裂帶和NW向?qū)幓掀綐?gòu)造巖漿巖帶，這些網(wǎng)格狀構(gòu)造控制著區(qū)內(nèi)溫泉分布構(gòu)架，出露泉點(diǎn)多沿NE向斷裂展布[12]。

圖1 黃泥橋地區(qū)地質(zhì)概況及AMT測(cè)線分布[11]Fig.1 Geological map and AMT survey line distribution of the Huangniqiao area[11]

按照水熱傳輸方式分類(lèi)，地?zé)嶂饕譃閷?duì)流型和傳導(dǎo)型兩類(lèi)[13-16]。對(duì)流型地?zé)崾侵傅叵律畈康臒崛蹘r漿沿?cái)嗔亚秩氲降貧\部，斷裂帶內(nèi)的地下水被熱熔巖漿加熱上升到地殼淺部并和地表冷水混合形成對(duì)流；傳導(dǎo)型地?zé)崽锸侵干畈繜崮芡ㄟ^(guò)巖石的熱傳導(dǎo)作用將熱量傳遞到地層淺部并將地下水加熱形成地?zé)帷Ｑ芯繀^(qū)熱儲(chǔ)層受構(gòu)造斷裂控制，水源主要是賦存于花崗巖構(gòu)造破碎帶中的裂隙承壓水，熱源可能為深部巖漿加熱圍巖或放射性物質(zhì)衰變產(chǎn)生熱能，熱能以高壓熱蒸汽的形式通過(guò)深部構(gòu)造裂隙向上運(yùn)移，蓋層中滲入補(bǔ)給的冷水遇到由深部熱源產(chǎn)生的熱能或熱流體被加熱形成熱水，沿構(gòu)造運(yùn)移并賦存于構(gòu)造破碎帶及裂隙密集帶中，故黃泥橋地區(qū)推斷為對(duì)流型地?zé)豳Y源[12]。

為查明區(qū)內(nèi)地層電性特征，收集了區(qū)內(nèi)標(biāo)本進(jìn)行電阻率測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表1。區(qū)內(nèi)地層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，表層的第四系黏土層表現(xiàn)為水平層狀低阻或低阻帶，黏土層以下為寧化巖體，巖性為肉紅色似斑狀粗粒黑云母二長(zhǎng)花崗巖，電性表現(xiàn)為高阻；區(qū)內(nèi)斷裂較發(fā)育且充水，其電性特征表現(xiàn)為低阻，成團(tuán)狀或條帶狀，與圍巖電阻率存在明顯的電性差異，這些高阻中的條帶狀或團(tuán)狀低阻帶是本次研究的重點(diǎn)。

2 數(shù)據(jù)采集與處理

本次工作中利用V8多功能電法儀采集音頻大地電磁測(cè)深數(shù)據(jù)，點(diǎn)距50 m，線距100 m，采用張量觀測(cè)方式，單點(diǎn)觀測(cè)1 h以上，有效觀測(cè)頻率范圍在0.35～10 400 Hz，有效探測(cè)深度>1 km。

音頻大地電磁測(cè)量原始數(shù)據(jù)使用SSMT2000軟件和MTeditor軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、編輯，生成反演格式點(diǎn)文件(edi)。利用MTPioneer軟件[17]進(jìn)行AMT數(shù)據(jù)二維反演成像，反演方法為非線性共軛梯度法(NLCG)[18-19]。NLCG既有較快的反演速度，又有較好的穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)地下層位有較好的響應(yīng)，分辨率高，反演效果較好。從圖2中可以看出：各條電阻率剖面地表30～50 m以下均表現(xiàn)為高阻，且多條剖面出現(xiàn)明顯的低阻閉合圈，與研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)特征相吻合，反映了地下構(gòu)造信息。

表1 黃泥橋地區(qū)巖石電性參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical table of electrical parameters of rocks in Huangniqiao area

3 鉆探驗(yàn)證與綜合地質(zhì)解釋

根據(jù)研究區(qū)AMT二維反演成果，并結(jié)合已有地質(zhì)資料，劃定了地?zé)醿?yōu)選靶區(qū)——控溫?cái)嗔?F1)和導(dǎo)水?dāng)嗔?F2)交匯帶，從兼顧商業(yè)價(jià)值和生態(tài)效益角度提出了擬開(kāi)發(fā)的井位方案，部署了地?zé)峥辈榫瓺R01井(見(jiàn)圖1)。DR01井的編錄結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯觯涸撎幍谒南岛穸葹?.75m，主要為黏土層，往下為花崗巖巖體，并存在多處破碎帶含水層。

3.1 鉆探驗(yàn)證

DR01井位于L106測(cè)線214點(diǎn)上，井深501.05 m，井底 498.00 m 處溫度為43.74 ℃，距離井口3 m處溫度為 40.72 ℃。DR01井地下深入至5.75 m遇花崗巖巖體，在巖體中共遇9層破碎帶(圖3)，其中有3層(246.90～248.70 m、256.92～259.55 m和474.50～475.98 m)破碎帶長(zhǎng)源距伽馬曲線幅度變大，聲波曲線幅值變大，中子孔隙度變大，側(cè)向電阻率分別為124.47～292.56 Ω·m、204.94～350.51 Ω·m和219.77～430.49 Ω·m，相對(duì)圍巖表現(xiàn)為低阻；同時(shí)井壁破碎擴(kuò)徑現(xiàn)象明顯，因此，推斷此3層破碎帶為出水層段。鉆井中段260.10～376.38 m巖心連續(xù)性較好，未有破碎帶發(fā)現(xiàn)，為密實(shí)花崗巖和輝綠巖互層[20]。

根據(jù)音頻大地電磁測(cè)深(AMT)L106線二維反演結(jié)果綜合分析，在214測(cè)點(diǎn)地表以下150～250 m與周?chē)嬖诿黠@電性差異，反演電阻率為10～300 Ω·m，表現(xiàn)為低電阻異常，地表以下350～500 m與周?chē)嬖诿黠@電性差異，反演電阻率為10～300 Ω·m，表現(xiàn)為低電阻異常，推斷此2層為含水層，兩低阻層之間呈現(xiàn)相對(duì)高阻層，反演電阻率為300～600 Ω·m，與DR01井資料吻合較好。

圖2 研究區(qū)AMT測(cè)線二維非線性共軛梯度反演三維剖面Fig.2 Three-dimensional profile of AMT line in study area by two-dimensional nonlinear conjugate gradient inversion

表2 DR01井側(cè)向電阻率結(jié)果[20]Table 2 The apparent resistivity logging results of Well DR01[20]

圖3 L106線鉆探驗(yàn)證對(duì)比Fig.3 Comparison diagram of drilling verification of line 106

驗(yàn)證結(jié)果表明AMT方法可以成功地識(shí)別花崗巖巖體破碎帶富水低阻層，能有效反映區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)層分布和埋深情況，為下一步進(jìn)行全區(qū)斷裂系統(tǒng)的構(gòu)建、地?zé)醿?yōu)選區(qū)圈定和綜合地質(zhì)解釋奠定基礎(chǔ)。

3.2 綜合地質(zhì)解釋

本文以研究區(qū)地質(zhì)和鉆井資料為基礎(chǔ)，以音頻大地電磁測(cè)深(AMT)資料反演結(jié)果為主要依據(jù)，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行綜合地質(zhì)推斷解釋。從圖2可以看出區(qū)內(nèi)同一方向各條測(cè)線的反演電阻率剖面具有地電剖面形態(tài)相似性和反映地質(zhì)構(gòu)造類(lèi)似性特征，故研究區(qū)NW向以104線為例，NNE向以214線為例開(kāi)展綜合地質(zhì)剖面推斷解釋(圖4)。

根據(jù)AMT反演結(jié)果，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)資料及鉆井電性特征分析電性異常與地層的對(duì)應(yīng)關(guān)系。推斷剖面最上部顯示的層狀低阻體為第四系及強(qiáng)、中風(fēng)化層的綜合反應(yīng)，主要巖性為粉質(zhì)黏土、角礫、碎石和沖洪積粉質(zhì)黏土，厚度為0～50 m，電阻率為n×10 Ω·m；下部似層狀高阻體為志留紀(jì)巖體，巖性主要為花崗巖，電阻率為n×103Ω·m。

根據(jù)AMT反演剖面的電阻率值相對(duì)大小、不連續(xù)、低阻異常帶等特征，并結(jié)合研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)資料，初步推斷了3條斷裂F1、F2和F3，發(fā)現(xiàn)了1條已知斷裂F5。

F1在區(qū)內(nèi)位于NW向測(cè)線西側(cè)(圖4b)，正斷層，傾向SE，傾角約70°，為寧化盆地邊緣斷裂。該斷裂在所經(jīng)過(guò)的10條NW向測(cè)線上均有低阻異常帶和電阻率值不連續(xù)特征反應(yīng)，在地質(zhì)上表現(xiàn)為控制區(qū)域內(nèi)溫泉分布構(gòu)架的主斷裂。

F2在區(qū)內(nèi)位于NNE向測(cè)線中部(圖4c)，正斷層，傾向NE，傾角約80°，在區(qū)內(nèi)沿溝谷NW向展布。該斷裂在所經(jīng)過(guò)的3條NNE向測(cè)線上均有電阻率值不連續(xù)特征反應(yīng)，推斷為導(dǎo)水型構(gòu)造斷裂。

F3在區(qū)內(nèi)位于NW向測(cè)線東側(cè)(圖4b)，正斷層，傾向SE，傾角約70°。該斷裂在所經(jīng)過(guò)的2條長(zhǎng)的NW向測(cè)線上均有低阻異常帶和電阻率值不連續(xù)特征反應(yīng)，推斷為導(dǎo)水型構(gòu)造斷裂。

研究區(qū)地?zé)嵝纬墒芸販財(cái)嗔押蛯?dǎo)水?dāng)嗔训目刂疲髿饨邓ㄟ^(guò)導(dǎo)水?dāng)嗔袴2、F3補(bǔ)給深部地下水，深部地下水被深部巖漿加熱圍巖或放射性物質(zhì)衰變產(chǎn)生熱能加熱，通過(guò)控溫?cái)嗔袴1、F5向上傳遞，在斷裂交匯帶形成地?zé)岣患瘏^(qū)，而這些控溫?cái)嗔押蛯?dǎo)水?dāng)嗔褬?gòu)建了全區(qū)斷裂系統(tǒng)。斷裂系統(tǒng)對(duì)熱儲(chǔ)的圈定具有重要指導(dǎo)意義。區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)構(gòu)造主要賦存于構(gòu)造破碎帶，沿NNE向控溫?cái)嗔颜共?，位于?gòu)造F1與F2、F3與F5交匯帶附近，呈條帶狀分布，結(jié)合AMT二維反演結(jié)果(圖2)顯示的低阻異常，共圈定了5處斷裂型熱儲(chǔ)區(qū)，其中1處為已驗(yàn)證的花崗巖、輝綠巖互層斷裂破碎帶熱儲(chǔ)區(qū)，另外4處為推斷潛在斷裂型熱儲(chǔ)區(qū)(圖4a)。

圖4 黃泥橋地區(qū)綜合地質(zhì)推斷解釋成果Fig.4 Comprehensive geological inference and interpretation results in Huangniqiao area

4 結(jié)論

1) 根據(jù)研究區(qū)AMT法二維反演成果，并結(jié)合已有地質(zhì)資料和鉆井資料，構(gòu)建了研究區(qū)斷裂構(gòu)造系統(tǒng)，推斷NNE向F1斷裂、F5斷裂為控制區(qū)內(nèi)熱源斷裂，近EW向F2斷裂和NW向F3斷裂為導(dǎo)水?dāng)嗔选^(qū)內(nèi)共圈定了5處斷裂型熱儲(chǔ)區(qū)，其中1處為已驗(yàn)證的花崗巖、輝綠巖互層斷裂破碎帶熱儲(chǔ)區(qū)，位于F1斷裂與F2斷裂交匯帶；另外4處為推斷潛在斷裂型熱儲(chǔ)區(qū)，3處位于F1斷裂與F2斷裂交匯帶附近，1處位于F5斷裂與F3斷裂交匯帶。

2) 黃泥橋地區(qū)地?zé)峥辈檠芯抗ぷ鞅砻鳎篈MT方法反演成果與鉆探資料吻合較好，可以有效識(shí)別花崗巖體斷裂破碎帶富水表現(xiàn)的低阻異常信息，在查明熱儲(chǔ)埋深和斷裂構(gòu)造分布中取得了較好的效果，進(jìn)一步說(shuō)明AMT方法在斷裂型地?zé)峥辈榉矫娴目尚行院陀行裕矠榻窈笤谄渌?lèi)似地區(qū)開(kāi)展地?zé)峥辈楣ぷ魈峁┙梃b。