趙季初，郭國強，吳清華

(1.山東省地勘局第二水文地質工程地質大隊，山東 德州 253072；2.山東省地熱清潔能源探測開發(fā)與回灌工程技術研究中心，山東 德州 253072；3.山東省物化探勘查院，山東 濟南 250000)

0 引言

根據(jù)地熱帶與板塊構造的空間關系，全球地熱帶可分為板緣地熱帶和板內地熱帶[1-3]，其中板緣地熱帶常具有強烈的火山或巖漿活動，是高溫地熱資源的主要分布區(qū)，常形成蒸汽型或水汽混合型地熱資源。除特殊情況外，板內地熱帶無火山或巖漿熱源，形成地熱資源的熱源主要為來自地球內部的大地傳導熱流，地下水的深循環(huán)通過傳導或對流作用從地殼內部獲得熱量從而形成水熱型地熱資源。隆起型地熱田是板內地熱帶的主要類型之一[4]。與熱儲分布較均勻的沉積盆地型地熱田相比，隆起型地熱田熱儲分布明顯受斷裂產狀控制，斷裂破碎帶既是地熱水的滲流通道，又是地熱水的儲集場所。熱儲分布不均勻，找礦風險大，物探找礦方法是該類地熱田開發(fā)有效的技術手段。在基巖區(qū)，含水的斷裂破碎帶與圍巖之間的電阻率差異明顯，電法在該類地熱田勘探中具有較好的應用效果。

大地電磁測深(Magneto Telluric sounding，MT)是地熱資源勘探中能夠有效地反映數(shù)千米內地層視電阻率變化特征的物探方法之一[5]，可控源音頻電磁測深法(Controlled Source Audio-frequency Magneto Tellurics，CSAMT)具有抗干擾能力強、分辨率高等特點，被廣泛應用在地熱資源勘探中[6-8]。視電阻率聯(lián)合剖面法對電性差異明顯的斷裂破碎帶、巖層接觸帶等陡立地質體探測效果良好，地熱水富集的斷裂帶電阻率遠低于圍巖，可形成明顯的低阻正交異常[9-11]。視電阻率測深法可根據(jù)電阻率的垂向變化有效劃分不同電性地層[12]。通過多種物探方法的相互驗證，可以降低物探成果的地質多解性，提高地質解譯準確度。本文以廈門香山灣地熱田為例，綜合應用CSAMT法、視電阻率聯(lián)合剖面法及視電阻率測深法，旨在探明富水斷裂帶的產狀，確定地熱開發(fā)靶區(qū)，為隆起型地熱田的找礦突破提供借鑒。

1 地質背景

福建省地處歐亞大陸板塊東南緣，大地構造具有“東西分帶、南北分塊”的特征。NNE向的政和—大埔斷裂帶與NEE向的南平—寧化構造-巖漿巖帶將福建省切割成閩東地體(燕山期火山斷陷帶)、閩西北地體(加里東隆起帶)及閩西南地體(海西—印支坳陷帶)3個地質單元[13-15](圖1(a))。研究區(qū)位于福建省漳浦縣佛曇灣東部半島，大地構造位于閩東地體，該地體古生代—早中生代長期處于隆升剝蝕狀態(tài)；侏羅紀閩東地體發(fā)生大規(guī)模拉張斷陷構造運動，斷陷帶發(fā)生沉積-火山噴發(fā)作用；晚侏羅世，閩東地體發(fā)生了大規(guī)模酸(中酸)性巖漿噴發(fā)與侵入活動[16]；白堊紀閩東地體巖漿活動逐漸減弱以至消失，地體不斷地斷褶隆起；古近紀—新近紀閩東地體處于整體隆升剝蝕狀態(tài)；第四紀以來，地殼運動重新活躍，形成了新的盆、嶺。

區(qū)域第四系下伏地層發(fā)育泥盆紀淺變質巖，巖性為鉀長淺粒巖、二長淺粒巖夾矽線黑云片巖。新近系火山碎屑巖巖性為玄武巖、砂礫巖夾褐煤和油頁巖。巖漿巖主要為侏羅紀—白堊紀侵入巖(圖1(b))，其中，侏羅紀侵入巖主要為肉紅色似斑狀中粗粒鉀長花崗巖、少斑中粒鉀長花崗巖，白堊紀侵入巖主要為肉紅色少斑中細粒鉀長花崗巖[17]。

(a) 大地構造位置 (b) 地質簡圖

研究區(qū)南部及北部丘陵地表出露新近系佛曇群玄武巖、砂礫巖夾泥巖；中間低平地主要為第四系全新統(tǒng)風積細砂、粉細砂。根據(jù)區(qū)域地質條件及鉆孔實測資料，該區(qū)地層自上而下為第四系、新近系和侏羅系。

(1)第四系。主要為風積、沖海積松散碎屑巖，巖性為粉細砂、細砂及黏性土，厚度一般<20 m。北部地勢高處賦存豐富的淺層淡水資源，中部低平地及沿海地帶賦存微咸水、咸水。

(2)新近系。主要在南部與北部丘陵區(qū)地表出露，中部低平地隱伏于第四紀松散巖之下，發(fā)育佛曇群玄武巖、砂礫巖夾泥巖，厚約100 m。巖石致密堅硬，地下水主要賦存于成巖裂隙、構造裂隙、風化裂隙中，富水性極不均一。

(3)侏羅系。主要隱伏于新近系佛曇群之下，巖性為片麻狀花崗巖、混合花崗巖。巖石致密堅硬，地下水主要賦存于成巖裂隙、構造裂隙及風化裂隙中，富水性極不均一。

2 勘探方法及結果

2.1 勘探方法

根據(jù)CSAMT、視電阻率聯(lián)合剖面及視電阻率測深的特點，首先，開展CSAMT工作，解譯推測研究區(qū)斷裂的空間分布特征，分析并確定可能的地熱水富集地段；其次，沿垂直斷裂走向布設視電阻率聯(lián)合剖面，對CSAMT推測的斷裂進行驗證，并進一步確定地熱水富集地段斷裂的產狀，優(yōu)選地熱地質鉆探靶區(qū)；最后，在優(yōu)選的地熱地質鉆探靶區(qū)開展視電阻率測深工作，確定最佳的地熱地質鉆探靶點。

(1)CSAMT。測量裝置采用赤道(旁測)裝置，標量測量方式[18]。收發(fā)距R約為8 000 m，發(fā)射電源偶極AB取1 600 m，接收偶極MN取50 m，工作頻率選擇2～9 600 Hz。共布設16條測量剖面(圖2)，其中SN向剖面7條，EW向剖面9條，點距50 m，測點418個。

圖2 物探工程布置Fig.2 Layout of geophysical prospecting work

(2)視電阻率聯(lián)合剖面。根據(jù)研究區(qū)第四系埋深情況，選用AO為90 m和210 m兩種極距開展視電阻率聯(lián)合剖面勘探工作[19]，測量電極距MN取20 m。共布設3條勘探剖面線，點距20 m，測點106個。其中L1、L2勘探線垂直于CSAMT解譯的F2斷裂布設，方位角135°；L3勘探線垂直于CSAMT解譯的F1斷裂布設，方位角45°。

(3)視電阻率測深。采用等比對稱四極裝置[20]，AB∶MN=5∶1，受場地工作條件限制，AB/2最大取750 m。共布設勘探剖面2條，點距120 m，測點12個。D1勘探線與L1勘探線重疊，D2勘探線與L3勘探線重疊。

2.2 勘探結果

2.2.1 CSAMT勘探結果

對CSAMT野外原始數(shù)據(jù)進行處理，剔除各種干擾頻點，利用WinGLink軟件進行數(shù)據(jù)處理反演。根據(jù)野外電場強度與磁場強度數(shù)據(jù)，采用公式(1)換算電阻率與頻率的對應關系，采用公式(2)換算探測深度與頻率、電阻率的對應關系，繪制各探測剖面的電阻率斷面等值線圖(圖3、圖4)。

，

(1)

(2)

式中：f為頻率，Hz ；ρω為電阻率，Ω·m；Ex為電場強度，mV/km；Hy為磁場強度，nT；D為探測深度，m；ρ為大地電阻率，Ω·m。

由圖3、圖4可知，各斷面縱向整體呈上、下2種不同電性地層。上部為由第四系、新近系及侏羅系上部風化層組成的相對低阻地層，電性差異不明顯，整體厚約500 m；下部為侵入巖高阻層。

(1)SN向勘探線(Q線)。由斷面的橫向電性特征(圖3)可知，該組剖面在Q1線3 950點、Q2線3 600點、Q3線3 150點、Q4線2 850點、Q5線2 900點、Q6線2 400點附近均有一明顯的電性界面。該界面南側為高電阻，北側為低電阻，等值線呈明顯的低阻異常，為斷層異常特征，推斷為F2斷層。通過分析各剖面點在地表投影點連線，推斷F2斷層走向NE(圖2)，北西向陡傾，斷層切割深度大。

該組剖面在Q3線1 550點、Q4線1 600點、Q5線1 900點均有一明顯的電性界面，視電阻率南高北低，等值線呈明顯的傾斜“V”型低阻異常，為典型的斷層異常特征，推斷該電性界面為F1斷層。通過分析各剖面斷層地表投影點的連線，推測F1斷層走向NW(圖2)，傾向北東。

該組剖面在Q3線2 850點、Q4線的2 650點分布向南傾斜的視電阻率等值線梯度帶，推斷為F3斷層，傾向SE。在Q5線1 500點、Q7線1 200點分布向南傾斜的視電阻率等值線梯度帶，推斷為F4斷層，走向NNE，傾向南東。

(2)EW向勘探線(A線)。由斷面的橫向電性特征(圖4)分析可知，該組剖面在A9線1 900點、A8線1 350點、A7線900點、A6線700點、A5線300點附近有一明顯的電性界面，西側為低電阻，東側為高電阻，等值線呈向西傾的梯度帶，為典型的斷層異常特征，該斷層與SN向剖面線推斷的F2斷層展布形態(tài)一致，通過分析剖面各點在地表投影點的連線，推斷F2斷層走向NE(圖2)，北西向陡傾，斷層切割深度大。

(a) Q1線 (b) Q2線 (c) Q3線 (d) Q6線

(a) A1線 (b) A2線 (c) A3線 (d) A4線 (e) A5線

該組剖面在A3線600點、A2線900點、A1線1 100點附近有一明顯的電性界面，西側為高電阻，東側為低電阻，等值線呈向東傾的梯度帶，為典型的斷層異常特征，該斷層與南北剖面線推斷的F1斷層對應，通過分析各剖面斷層地表投影點的連線，推測F1斷層走向NW，傾向北東。

該組剖面在A7線1 150點、A6線1 050點、A5線850點、A4線450點，A3線600點附近分布向東傾的視電阻率梯度帶，該斷層與南北剖面線推斷的F3斷層對應，通過分析各剖面斷層地表投影點的連線，推斷斷層F3走向NE，傾向南東。

2.2.2 視電阻率聯(lián)合剖面勘探結果

視電阻率聯(lián)合剖面L1勘探線垂直布設在CSAMT解譯的F2斷裂帶上，采用AMN∞NMB裝置，在L1勘探線視電阻率聯(lián)合剖面ρA、ρB曲線及解譯圖(圖5)上，當AO=90 m時，570點附近出現(xiàn)了明顯的低阻正交點，正交點兩側ρA、ρB曲線分離較好，表現(xiàn)出明顯的斷裂特征；當AO=210 m時，視電阻率聯(lián)合剖面ρA、ρB曲線形態(tài)與AO=90 m時ρA、ρB曲線形態(tài)基本一致，540點附近出現(xiàn)明顯低阻正交點，推測F2斷裂傾向北西，傾角約75°。

(a) AO=90 m (b) AO=210 mρA.A電極視電阻率，Ω·m；ρB.B電極視電阻率，Ω·m圖5 L1勘探線視電阻率聯(lián)合剖面ρA、ρB曲線及解譯Fig.5 ρA、ρB curves of line L1 joint resistivity profiling

視電阻率聯(lián)合剖面L2勘探線垂直布設在CSAMT解譯的F2斷裂帶，在L2勘探線視電阻率聯(lián)合剖面ρA、ρB曲線及解譯圖(圖6)上，當AO=90 m時，420點附近出現(xiàn)了明顯的低阻正交點，正交點兩側ρA、ρB曲線分離較好，表現(xiàn)出明顯的斷裂特征；當AO=210 m時，420點附近同樣出現(xiàn)明顯低阻正交點，證實了F2斷裂的存在，斷裂呈傾角約90°的直立形態(tài)。

(a) AO=90 m (b) AO=210 mρA.A電極視電阻率，Ω·m；ρB.B電極視電阻率，Ω·m圖6 L2勘探線視電阻率聯(lián)合剖面ρA、ρB曲線及解譯Fig.6 ρA、ρB curves of line L2 joint resistivity profiling

視電阻率聯(lián)合剖面L3勘探線垂直于CSAMT解譯的F1斷裂帶布設，在L3勘探線視電阻率聯(lián)合剖面ρA、ρB曲線及解譯圖(圖7)上，當AO=90 m時，690點附近出現(xiàn)了明顯的低阻正交點，正交點兩側ρA、ρB曲線分離較好，表現(xiàn)出明顯的斷裂特征；當AO=210 m時，沒有正交點出現(xiàn)，但在670～690點處ρA、ρB發(fā)生陡變，東北為高電阻，西南為低電阻，推測斷裂傾向北東，呈傾角約90°的直立形態(tài)。

(a) AO=90 m (b) AO=210 mρA.A電極視電阻率，Ω·m；ρB.B電極視電阻率，Ω·m圖7 L3勘探線視電阻率聯(lián)合剖面ρA、ρB曲線及解譯Fig.7 ρA、ρB curves of line L3 joint resistivity profiling

2.2.3 視電阻率測深勘探結果

由視電阻率測深勘探線視電阻率擬斷面(圖8、圖9)可知，在探測深度AB/2=750 m范圍內，研究區(qū)在垂向上可劃分為淺部高阻層、中部低阻層和深部高阻層3個電性層。

圖8 D1勘探線視電阻率擬斷面Fig.8 Apparent resistivity pseudo section of D1 resistivity sounding line

圖9 D2勘探線視電阻率擬斷面Fig.9 Apparent resistivity pseudo section of D2 resistivity sounding line

D1勘探線視電阻率擬斷面圖(圖8)在460點垂向分布一低阻體，該低阻體兩側呈明顯的視電阻率等值線梯級帶，解譯為斷裂帶，進一步驗證了F2斷層的存在。

D2勘探線視電阻率擬斷面圖(圖9)在340點垂向分布一低阻體，該低阻體兩側呈明顯的視電阻率等值線梯級帶；460點在AB/2=15～750 m區(qū)段視電阻率等值線呈“V”型低阻，解譯為斷裂帶，進一步驗證了F1斷層的存在。

3 靶區(qū)確定與鉆探驗證

3.1 靶區(qū)確定

CSAMT、電阻率聯(lián)合剖面及電阻率測深勘探結果相互驗證了區(qū)內存在4條主要斷裂。根據(jù)CSAMT1 000 m探測深度平面視電阻率等值線分布(圖10)，圈定3個視電阻率低阻異常區(qū)，其中Z1、Z2低阻異常區(qū)受F2斷裂控制，視電阻率低阻區(qū)位于F2斷裂上盤。Z3視電阻率低阻異常區(qū)受F3、F1斷裂聯(lián)合控制，位于F3和F1斷裂上盤交叉區(qū)。研究[21]表明：斷層兩盤為非可溶的脆性巖石時，其破碎帶空隙較大，透水性和含水性較強；張性斷層規(guī)模越大，富水性越強；壓性斷層兩盤(尤其是上盤)巖石的裂隙可能較發(fā)育，形成旁側裂隙含水帶。區(qū)內斷裂兩側地層為脆性片麻狀花崗巖和混合花崗巖，斷裂性質復雜，張性斷裂與壓性斷裂在地質歷史時期交替變換，斷裂帶兩側可能形成含水性較好的破碎帶，推測Z1、Z2、Z3視電阻率低阻異常區(qū)為可能的地熱水富集地段。相對Z1、Z2視電阻率低阻異常區(qū)而言，Z3視電阻率低阻異常區(qū)位于F3、F1斷裂上盤交叉區(qū)，更有利于熱儲的形成[22]。由于F3、F1為陡傾斷裂，地熱地質鉆探的靶區(qū)確定為Z3視電阻率低阻異常區(qū)靠近F3、F1斷裂的南部。

圖10 CSAMT 1 000 m探測深度平面視電阻率等值線分布Fig.10 Apparent resistivity contour map of CSAMT at 1 000 m detection depth

根據(jù)CSAMT視電阻率勘探數(shù)據(jù)繪制的探測深度100 m、500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m三維切片圖(圖11)，1 000～1 500 m深度內擬定的井位處低阻異常明顯，為主要的富水層段，1 500～2 000 m深度內仍存在低阻異常，可能賦存地熱水。埋藏越深，地層溫度越高，建議適宜的地熱地質鉆探孔深度>2 000 m。

圖11 CSAMT 視電阻率三維切片F(xiàn)ig.11 Three dimensional slice diagram of the apparent resistivity of CSAMT

3.2 鉆探驗證

根據(jù)鉆探結束靜置72 h后的井溫測量結果，孔底溫度為82.6 ℃。通過測溫曲線與地溫梯度曲線形態(tài)(圖12)，推斷垂向上發(fā)育2個含水破碎帶：在1 200～1 325 m區(qū)段及1 425～1 575 m區(qū)段溫度基本保持穩(wěn)定，地溫梯度為零，解譯為第1個含水破碎帶；2 050～2 175 m區(qū)段解譯為第2個含水破碎帶。該解譯結果與物探推測的該處熱儲發(fā)育受F3、F1斷裂控制相一致，證實了物探工作的準確性。

圖12 勘探孔測溫曲線與地溫梯度曲線Fig.12 Temperature logging and geothermal gradient curves of the exploration hole

4 結論

(1)綜合運用CSAMT、視電阻率聯(lián)合剖面及視電阻率測深電法物探方法在隆起型地熱田斷控型熱儲中勘探效果較好，多種方法相互驗證，可以有效排除物探解譯結果的多解性。

(2)斷控型熱儲的最佳鉆探靶區(qū)為多組斷裂上盤的交匯地區(qū)。

(3)廈門香山灣地熱田單井涌水量41.76 m3/h，水溫52 ℃，地熱流體可溶性總固體含量為6 183.19 mg/L，水化學類型為Cl-Na型。