综合物探方法在南通小洋口地区地热勘查中的应用

左丽琼,王彩会,荆 慧,邱 杨

(1.江苏省地质调查研究院，江苏 南京 20018；2.江苏华东基础地质勘查有限公司，江苏 南京 210007)



综合物探方法在南通小洋口地区地热勘查中的应用

左丽琼1,王彩会1,荆 慧1,邱 杨2

(1.江苏省地质调查研究院，江苏 南京 20018；2.江苏华东基础地质勘查有限公司，江苏 南京 210007)

物探是地热资源勘查方法的重要组成部分，为了避免单一物探方法解译的多解性，采用多种物探方法综合解译可以明显提高地热资源勘探精度，降低勘查风险。本文以南通小洋口为例，通过地质条件、地温异常、重磁异常、弹性波速、电阻率等方面的分析，采用40 m深孔地温测量、高精度重力剖面测量、微动测深、可控源音频大地电磁测深等综合物探方法进行地热资源勘查，其结果表明，本区地热资源地球物理组合响应表现为高地温、横向低波速、局部有电阻和重力梯度带等异常组合特征。运用本次物探解译结果，基本查明该区的热储层、盖层及导热构造空间分布，成功勘查小洋口2号地热井。该成果可为其他地区同类型地热资源勘查提供有意义借鉴。

综合物探方；南通小洋口；地热勘查

1 引 言

在地热资源勘查中，物探技术是其重要手段之一，常规物探方法很多，但是，单一的物探方法仅限于通过引起某种地球物理异常响应来获取地下深部矿体的信息[1-3]，具有多解性，如高温地热流体视电阻率低，但视电阻率低的地方不一定都有高温热流体[4]。因此，在地热资源勘查中，结合地质及已知物性资料，采用综合物探方法可减少或避免异常解译的多解性，有效地提高解译精度[5]，比如可以更准确地了解地下深部的地质构造、热储盖层条件及空间位置等资料[6]。然而，不同地区的地质条件及地热成因模式等均不尽相同，对于物探方法的组合不可能千篇一律。因此，结合实际地热地质-地球物理特征选择两种或两种以上物探方法的优化组合已成为寻找地热资源中研究的重要技术课题。

本次综合采用了40 m深孔地温测量、重力剖面测量、微动测深、可控源音频大地电磁测深等主要手段进行小洋口地区的地热资源勘查，查明了该区的地层、断裂构造空间分布，确定了热储层、盖层及导热构造[7]，运用本次综合物探解译结果，成功勘查了小洋口2号地热井，水温为91 ℃，出水量为2 480 m3/d，取得了良好的效果。因此，本次综合物探方法的有效组合方式为其他地区同类型地热资源勘查提供了有意义的借鉴[8]。

2 地热地质及其地球物理特征

2.1 地热地质特征

南通小洋口地区位于扬子陆块下扬子地块东段，北东东向区域性深大断裂(F1即金坛—如皋断裂)途经本区，该断裂分为苏北坳陷区和南通隆起区的分界断裂，海安凹陷与丁堰凸起是相邻的两个次一级构造单元，洋口镇位于海安凹陷与丁堰凸起接合部。此外，北北西向断裂(F2)与区域性深大断裂在区内交会，提供了地热水循环与运移的通道，详见图1。

通过区域地质资料分析，区内分布的地层主要为晚古生代和中生代地层，浅部被第四系覆盖。三叠纪、二叠纪、石炭纪碳酸盐岩是岩溶裂隙水的主要赋存层位，白垩纪碎屑岩、龙潭组煤系地层为主要隔水层和盖层。目前，南通小洋口地区有金蛤岛、小洋口1号地热深井，为该区深部地热地质条件的研究提供了详实的地热钻孔资料。

2.2 地球物理前提条件

2.2.1 地温差异

大地热流值定义为单位时间内通过地球单位表面单位面积的热流值，能确切地反映某个地区地温场的特点；百米地温增温率即地温梯度，通常用每深100 m或1 000 m的地层温度增加值来表示。根据洋口镇地区已有地热勘查及钻井资料，本区大地热流值在70 mw/m2，每百米地温增温率为2.4 ℃左右。浅部存在明显的地温异常，多处每百米地温增温率大于5 ℃。深部受断裂构造控制的对流型地热资源，不仅水量大，温度也高，深部存在的地热资源必然对应于浅部地温异常，也就是说，浅部地温异常其深部必然存在对流型相对高温地热资源，为开展地温测量提供了必要的物质基础。

2.2.2 弹性波速差异

弹性波速的物理意义体现为弹性介质体积的相对变化(膨胀或压缩)，反映介质的弹性特征。本区第四系、新近系、古近系新生界地层以黏土、砂岩为主，与中生界地层界面存在明显的弹性波速差异。中生界地层中，侏罗系地层以火山岩、火山碎屑岩、火山角砾岩为主，与三叠系、二叠系灰岩地层界面存在弹性波速差异。因此，不同时代地层分界面等地质界面间弹性波速性差异大，为良好的速度分界面[9-12]，从而为开展微动测深提供了必要的地球物理前提条件。

2.2.3 密度差异

岩石的体积密度定义为每立方厘米体积岩石的质量，单位是g/cm3。根据本区密度特点，垂向上，划分出四个密度层、三个密度界面，密度层的平均密度属性见表1。三个密度界面分别与古近系顶、底界和石炭系底界相对应，第二、三密度界面是区内产生重力异常的主要地质因素，中、新生代盆地形成明显的重力低异常，三叠纪及以老地层的隆起或凸起形成明显的重力高异常。故为利用重力测量探明地热构造提供了必要的地球物理前提条件。

图1 南通小洋口地区地质分布Fig.1 Geology distribution map of Xiaoyangkou in Nantong city

表1 地层密度分层

2.2.4 电阻率差异

电阻率是反映地下岩矿石导电性的重要指标。电阻率的高低与岩性变化有关，总体规律是成岩地层高于疏松层、碳酸盐岩类高于碎屑岩类，石英砂岩电阻率最高。随着泥质成分的增加，地层电阻率逐渐降低，随着含水性的增加电阻率也随之降低，此外，含盐地层电阻率也较低。第四系电阻率较低，一般小于5 Ω·m。新近系电阻率亦较低，但变化较大，一般为5～50 Ω·m。古近系由于已固结成岩，电阻率明升高，大小为30～60 Ω·m左右。浦口组总体电阻率与古近系相近，电阻率介于60～100 Ω·m。三叠系及前三叠系位于印支面之下，电阻率较高，一般大于100 Ω·m。此外，对同一介质其导电性与地温成正比关系，这些都为利用电法进行地热调查提供了必要的地球物理前提条件。

通过分析本区地层地温、弹性波速、密度、电阻率等物性参数差异发现，选择任一种物探方法均不能准确掌握深部地质资料，需要通过多种物探方法综合使用来提高解译的精度。因此，在地热勘探中，选择综合物探方法是达到最理想勘探效果的必经之路。

3 综合物探方法的应用

3.1 综合物探方法的选择

小洋口地区的地热资源成因模式复杂,在已有金蛤岛、小洋口2眼地热井的深部地质资料基础上，为进一步掌握该区地热资源的分布与赋存，结合上述分析的物性参数差异，本次采用40 m深孔测温、高精度重力剖面测量、微动测深、可控源音频大地电磁测深综合方法。选择这些方法的原因有以下三点：

1)首先考虑该区热源条件，即本区存在地温异常，深孔测温是对覆盖区寻找地热异常的一种行之有效的测温方法。用钻机钻取40m深钻孔，进行多点测量，通过孔内地温可了解整个区内地温场异常的分布走向与状态。

2)需要了解印支面在区内的起伏特征，由于该区地层较平坦，分布面积较大，且不同岩性间存在着明显的弹性波速差异，相对较适合采用微动测深，该方法探测深度达3 000 m，有较高的反演计算精度和分辨率，可通过对比构造带两侧地层的横向变化确定界面深度，并直观显示构造带的位置和形态，可为研究地热的隔水层和盖层分布特征提供依据。且无需人工源，不受场地限制，野外作业简便, 勘探周期短，成本低。由于有多点反演结果的综合分析，可避免仅用单点结果可能带来的片面性和盲目性，能更好地规避、降低钻井风险。

3)为查清该区的储热及导热构造，布设两条北西向重力剖面，为深入研究北东向F1断裂特征。该方法可以提高纵向解译精度，且体积小，操作简便，费用较低，效果较好，在地热勘查中得到较多的使用。另外，地热异常呈北西向展布，为进一步了解北西向断裂特征，沿北东向布置4条可控源音频大地电磁测深剖线进行测量。在地热勘查中，可控源音频大地电磁测深是最常用的物探方法之一[10]，该方法轻便快速，工作效率高，质量高且不受地形影响[11]。但该方法横向分辨率较高。纵向分辨率稍差，对地层分层能力一般，但与之前已做过的微动测深实现对地层的划分相互验证，与重力测量实现构造解释也相互验证。

总之，综合物探方法组合方案实现了投入成本低，探测精度高，工作效率高优化，最重要的是基本可以实现对该区地热资源的热、储、通、盖条件的全面了解。

3.2 40 m深孔地温测量

为了查明该地区地温异常分布范围、规模及其平面展布规律，在工作区进行了40 m深度的系统测温，围绕推测断裂，部署北西向测温剖面，并在局部地温异常段进行加密测量。

本次地温测点56个(图2)，平均值19 ℃。最高温度为22.2 ℃，位于洋通开发投资有限公司地块西南角，该处有一420 m深的地热井，出水温度36 ℃。最低温度17.1 ℃，位于拼茶镇北东约3 km处。大于或等于20 ℃的测点有10处，其中4处位于金蛤岛一带，其余6个位于洋通开发投资有限公司地块西南角，并以420 m深的地热井为中心。大于或等于平均地温19 ℃的测点有26处，占总测温点的50%，主要位于古海岸线以东，其展布与古海岸线十分吻合。低于18 ℃的测点有4处，主要位于工作区西部，并沿图7所示的北东向断裂构造带呈线状展布。

图2 测温点及其温度分布Fig.2 The temperature measuring points and temperature distribution

从测温等值线展布看，大体以古海岸线为界，该线以东测温等值线呈北西向展布，且以地温高异常为主，而该线以西等值线以北北东向展布为主，以地温低异常为主。存在南北两个高地温异常中心，一个位于金蛤岛一带，小洋口地热1号井位于该异常区东部边缘。另一个位于洋通发展有限公司地块420 m浅井一带，该异常强度高，但其分布范围小于北侧异常区。

3.3 高精度重力剖面测量

为了研究F1断裂在洋口港地区的发育特征，布设了2条北西向重力剖面，并途经小洋口1号地热井及金蛤岛地热井。

地面某点用重力仪获得的重力观测值与该点的正常重力值常常存在偏差，这种偏差称为重力异常。图3为高精度重力测量剖面图，从图上两条布格重力异常曲线可以看出，异常由南往北均呈现出阶梯状递减。1号线的布格异常值从31×10-5m/s2到23×10-5m/s2，并在剖面的3 200 m到7 000 m之间存在一个平台。2号线的布格重力值从30.5×10-5m/s2到25.5×10-5m/s2，同样从南向北成递减趋势，也在3 200 m到7 000 m之间出现一个平台，之后逐渐减小。从拟合反演断面结果可推断出四条断层的存在，从而可进一步揭示本次地热的空间分布规律。

图3 重力布格异常剖面反演成果Fig.3 Results chart of Bouguer gravity anomaly inversion

结合已有的重力、可控源成果及钻井资料，推断出断裂平面展布图(图7)，可以看出：工作区自南向北重力值由高到低，并呈波状起伏，该起伏可能反映了印支面起伏，重力线大至存在三个梯级，可能对应三条断裂，推断为F1-1，F1-2，F1-3，可能为金坛—如皋断裂带的次级断裂。

3.4 微动测深

为了进一步揭示该断裂构造发育及印支面在区内的起伏特征，沿北西方向布置7个微动测深点，各测点沿重力剖面1线展布。

经过对各测点数据成果的正反演计算，获取了各地层S波的速度结构特征。探测结果认为：印支面发育深度在2 000 m左右。自上而下可大致分为三大层，第一层(Q)，岩性相对均匀，底界面深度251～322 m，局部略有起伏。第二层(R)，岩性横向稳定，底界面(基岩面)深度805～1 022 m，在Rd5以北(剖面右侧)抬升。第三层基岩，岩性横向变化明显。基岩面之下岩性横向变化大，可能发育断层，但因测点间点距大，断层平面位置误差较大(图4、图5)。

3.5 可控源音频大地电磁测深

为了揭示北西向断裂构造的具体位置，围绕南侧高地温异常，布置了北东向CSAMT勘查线4条，总长度6.85 km。

第一电性层深度自地表至-800 m左右，电阻率值相对较低，大小为5～30 Ω·m，其等值线小平展布，横向变化不大。第二电性层深度自-800m至-1 800 m左右，为中阻层，电阻率值在40～80 Ω·m左右，电阻率在横向上变化较大，等值线呈波状起伏，且较密集。第三电性层深度在-1 800 m以下，电阻率明显高于第二电性层，电阻率值总体大于80 Ω·m，其横向变化较大，连续性较差，每条测线皆存在2、3个“V”字型等值线，该等值线特征可能反映的是印支面上岩溶发育特征。

图4 各测点频散曲线(a)与S波速度结构(b)Fig.4 Dispersion curve (a) and S wave velocity structure (b) of every measuring points

图5 视S波速度剖面Fig.5 Velocity profile of apparent S wave

解译的4条剖面上皆存在两个“V”字型低阻带，该“V”字型低阻带主要出现在-1 800 m之下的高阻区，可能是印支面上断裂构造带发育位置，而印支面之上的白垩系和古近系主要表现为水平方向上的电阻率等值线的不连续。根据各剖面上低阻异常带分布，大致呈两条线状分布，分布为F2-1和F2-2断裂带，断裂皆呈北西向展布，向北东陡倾(图6)。

图6 CSAMT勘查20线反演电阻率及地质解译断面Fig.6 Inversion resistivity and geology interpretation section map of 20th line by CSAMT

4 异常综合解释与钻探验证

4.1 异常综合解释

集区域重磁场、浅部地温测量、高精度重力剖面测量、微动测深、可控源音频大地电磁测深及区内地热井勘查成果(图7)，在综合分析的基础上，其综合解释如下。

本区地热异常呈北西走向，热储层埋藏深度多位于地下1 800～3 000 m，本区重要的断裂分别为F1断裂、F2断裂，其中F1断裂是根据区域重力场资料推断的北东东向区域性深大断裂带(图1)，断裂北侧属于中新生代海安凹陷，南侧为新生代丁堰隆起。F1-1、F1-2、F1-3、F1-4是根据高精度重力剖面推断的北东东向4条断裂，该4条断裂可能是F1断裂的具体表现，同属于F1断裂构造带，也表明F1断裂是规模较大的断裂构造带。

F2断裂是根据浅部地温测量推断出来的北北西向断裂构造，该断裂构造的特点是浅部地温异常呈北西向展布，该带又是重力异常梯级带，从重力异常特征判断，其产状向北东东方向倾斜。根据北东向可控源音频大地电磁测深剖面测量结果推断了两条北北西向断裂构造，分别为F2-1和F2-2断裂，向北东东方向倾斜，因此，F2-1和F2-2断裂应属于F2断裂带。另外，地温异常带的展布与自然海岸线展布较为吻口，是断裂或是活动断裂存在的依据。

图7 综合物探解译成果Fig.7 The result map of comprehensive geophysical prospecting

4.2 钻探验证

通过上述物探成果综合分析，选定南通小洋口地区2号地热井位置位于金坛—如皋断裂带与北西向断裂的交会带附近，经钻井验证，该井井深2 803.68 m；井口水温达91 ℃；降深49.2 m时；出水量达2 480.70 m3/d。出水层位于1 890～2 800 m段的灰岩和石英砂岩段，即为可控源音频大地电磁测深解译的“V”字型低阻带，物探解译成果与实际钻探结果基本一致，从而表明上述综合物探方法用于本次地热勘查之中是完全正确而十分有效的。

5 结 论

1)综合物探方法的勘查成果表明，小洋口地区存在2个高地温异常带，主要沿着北西向断裂带分布。地热流体多赋存于北西向与北东向断裂及各分支交汇处，埋藏深度多位于地下1 600～3 000 m。

2)深孔地温测量用于圈定热异常区，判定导水断裂，是浅覆盖区勘查对流型地热资源较有效的手段。高精度剖面测量适用于提取勘查区基底、断裂构造、岩浆岩分布等信息，对勘查区进行定位。微动测深用于地层划分精度较高，可作为一种辅助方法结合使用。可控源音频大地电磁测深(CSAMT)推断断裂破碎带精度高，是确定地热井位最有效的技术方法。

3)本次实践表明，在地质条件复杂区进行深部地热勘探，采用深孔测温测量、高精度重力剖面、微动测深、CSAMT法组成的综合物探方法，可有效发挥物探方法成本低、效率高、探测深度大等优势，准确查明深部地热的分布特征。

4)本区地热异常体的地球物理组合响应特征为高地温、横向低波速、局部电阻和重力梯度带等异常组合特征，已成为本区识别致热异常的标志。该成果可推广应用于同类地热调查之中。

5)地热资源勘查中只有针对不同地质特征、不同地热系统、不同勘查阶段，采用不同的技术方法进行有效的选择和组合，才能达到合理投入、降低风险、提高精度的目的。

致 谢 邹鹏飞、刘志平等参加了该项研究工作。成文过程得到了石家庄经济学院刘国辉教授的指教，在此表示感谢！

[1]刘国辉,孙士辉,徐晶,等.综合物探在内蒙东部某多金属矿勘查中的应用[J].工程地球物理学报,2011,8(1):55-60.

[2]郭继颂,刘志远,李达,等.综合物探方法在承德某多金属矿勘探中的应用[J].工程地球物理学报,2012,9(3):356-361.

[3]曹积飞,李红阳.综合物探方法在内蒙灰山铜镍矿找矿中的应用研究[J].西北地质,2011,44(1):77-84.

[4]汤振清,孙文洁,强孟东.综合物探方法在地热勘查中的应用[J].山东国土资源,2007,23(6-7):67-70.

[5]黄宁,刘国辉,董茂干.综合物探方法在南京横溪—小丹阳示范区找矿中的研究与应用[J].工程地球物理学报,2013,10(5):403-407.

[6]宋希利,方庆海.综合物探方法在济南市章丘地区地热资源勘查中的应用[J].山东国土资源,2010,26(3):26-30.

[7]杨庆镰.综合物探技术在永定县箭滩矿区地热勘查中的作用[J].山东国土资源,2010,26(12):18-22.

[8]杨玉新,刘九龙,张文静.综合物探方法在天津地区地热勘查中的应用[J].世界地质,2009,28(3):351-360.

[9]徐佩芬,李世豪,杜建国,等.微动探测：地层分层和隐伏断裂构造探测的新方法[J].岩石学报,2013,29(5):1 841-1 845.

[10]王文昌,李建新.可控源音频大地电磁测深在新疆温泉县地热勘查中的应用[J].工程地球物理学报,2014,11(3):338-341.

[11]柳建新,麻昌英,孙丽影,等.可控源音频大地电磁测深法在地热勘探中的应用[J].工程地球物理学报,2014,11(3):319-325.

[12]刘磊,罗士新,陈松.综合物探方法在乌林镇地热勘查中的应用[J].工程地球物理学报,2015,12(4):495-500.

The Application of Comprehensive Geophysical Prospecting Method to Geothermal Prospecting in Xiaoyangkou of Nantong City in Jiangsu

Zuo Liqiong1，Wang Caihui1，Jing Hui1，Qiu Yang2

(1.GeologicalSurveyofJiangsuProvince,NanjingJiangsu20018,China； 2.JiangsuEastChinaBasicGeologicalExplorationCo.Ltd.,NanjingJiangsu210007,China)

Geophysical prospecting is an important part of geothermal prospecting. To avoid the multiplicity of single geophysical interpretation, comprehensive interpretation by multiple geophysical methods can improve accuracy of geophysical prospecting and reduce the danger of geothermal prospecting. This paper takes Xiaoyangkou in Nantong city in Jiangsu as an example. By analyzing geology, geothermal anomalous, gravity magnetic anomaly, elasic wave velocity, resistivity and so on, comprehensive geophysical prospecting methods are applied including 40m geothermal measurement, high precision gravity, microtremor survey and CSAMT in geothermal prospecting in Xiaoyangkou area of Nantong city in Jiangsu province. The result is that integrated geophysical anomaly in Xiaoyangkou area shows high temperature, low elastic wave velocity, local resistivity anomaly, gravity gradient zone anomaly. Based on the result, the distribution of geothermal reservoir, geothermal cover layer and structure can be basically found out in the area. At the same time, a geothermal well in Xiaoyangkou area is successfully prospected. So the result can provide some meaningful experiences in the same type geothermal prospecting of other areas.

comprehensive geophysical prospecting method; Xiaoyangkou area of Nantong city in Jiangsu; geothermal prospecting

1672—7940(2016)01—0122—08

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.01.021

中国地质调查局地质调查项目(编号：1212011220005)；江苏省国土资源厅科技计划项目(编号：201422)

左丽琼(1983-)，女，工程师，主要从事地热资源勘查研究。E-mail:zuoliqiong@126.com

P631

A

2015-05-28