CSAMT在淮安金湖森林公园景区地热勘查中的应用

汪名鹏，刘彦华，高鹤健

(1.江苏省水文地质海洋地质勘查院，江苏 淮安 223005；2.江苏省水文地质工程地质勘察院，江苏 淮安 223005)

1 引 言

地热资源具有显著的经济效益和社会效益。近年来随着勘查深度的不断加大，对深部地热资源的开发需求越来越多。目前应用于地热勘查的物探方法包括重磁、地震、电磁法等，其中以探测地下介质的电性差异为基础的频率域电磁法应用最为广泛。[1]

可控源音频大地电磁测深法(CSAMT)是采用可控制的人工场源的一种电磁勘探方法。近年来，利用CSAMT寻找地下热水是国内外普遍采用的方法且应用较多，CSAMT具有工作效率高、勘探深度大、垂向分辨率能力较好、水平分辨能力高、高阻层的屏蔽作用小等优点[2-4]。

本次地热勘查工作，采用CSAMT法克服了低阻屏蔽效应，准确探测到了800 m厚低阻覆盖层下的热储构造，成功获取了一眼优质地热井，为在巨厚的低阻覆盖层的苏北平原区寻找地热资源提供了成功案例。

2 区域地质背景

研究区位于苏北盆地金湖凹陷东部，苏北盆地是中新生代坳陷盆地，其南北两侧分别为通扬隆起和鲁东隆起，受建湖隆起分隔，以南与苏南隆起夹持部分为东台坳陷，以北与滨海凸起、鲁苏隆起夹持部分为盐阜坳陷，其内部受北东向与东西向构造共同制约的凸起与凹陷相间排列(图1)，晚近期断裂的继承活动，对晚新生代沉积和地震活动，以及地热异常的形成起到了重要的控制作用。

图1 苏北盆地构造区划(据江苏省地质志)Fig.1 Tectonic partition of Subei Basin

2.1 地热地质特征

2.1.1 热源条件

研究区有隆起区和凹陷区两大构造单元，凹陷区大地热流略高于隆起区，次一级构造单元大地热流差异明显，在凹陷区次级凸起高于凹陷，凹陷斜坡带高于深凹；在隆起区中，隆起高于凹陷，背斜高于向斜。从图1可以看出，研究区大地热流值介于62～66 mW/m2。

图2 勘查区1 500 m深地温分布曲线Fig.2 The geothermal temperature distribution curve of the exploration area with 1 500 m depth

陈沪生等[5]对下扬子地区及苏北地区油层温度测试表明，在建湖隆起区以南地区地温梯度由27 ℃/km增大至30 ℃/km以上，介于30～33 ℃/km之间，在同一埋藏深度南部地区地温高于北部地区。根据江苏油田部门对研究区周边系统测温井温度与深度关系的研究[6]表明，研究区在1 500 m深度地温在55 ℃左右(图2)。

2.1.2 热储层类型

金湖凹陷内热储主要分布在新近系盐城组中细砂、含砾砂层和古近系粉细砂岩地层中，分布面积较广，埋藏厚度较大，约500～2 000 m，在建湖隆起区边缘厚度较小(图3)。

图3 基岩地质图Fig.3 Geological map of bed rocks

由图3可知，勘查区位于金湖凹陷次级构造汜水次凹中唐港中部构造带，从石油部门所施工的钻孔496(唐1)井分析来看，勘查区主要热储层有两个，上部为新近纪盐城组下段，下部为三垛组上段，热储层在区内分布较广泛，但埋深变化较大，自南向北深度逐渐增大，勘查区附近顶界深度在800 m左右，底界深度在1 500 m左右。盐城组热储层为一套河流相为主的碎屑岩，以弱固结的砂、粉砂、砂砾层为主，其间夹多层泥岩，孔隙发育，赋存一定的地下水，为相对含水层。三垛组热储层岩性以浅红棕色粉砂质泥岩夹浅棕色粉细砂岩为主，厚度300～650 m，单层厚度可达40 m，是勘探深度的地热储层。同时盐城组下段在结构上为砂岩层与泥岩层交互叠置，其上又为第四系及盐城组上段所覆盖，形成了较好的储盖结构；其下断裂构造有利于热流向上运移，并向断裂上部的地层集中。

据区域地热地质特征分析，勘查区地温梯度在2.32～2.91 ℃/100 m，储层埋深预测上部盐城组热储层温度在38～42 ℃，下部三垛组热储层温度在42～58 ℃。

2.1.3 控热构造

区域凹陷、隆起、深大断裂以及新构造断裂活动是地热资源形成的有利条件，勘查区是地热聚集的有利地带。

勘查区位于金湖凹陷次级构造汜水次凹陷中，如图4。汜水次凹陷由二凹一隆组成，隆起为唐港中部构造带，落差达300～400 m，隆凹相间构造是中生代以来上地幔热动力作用的结果，是寻找地热资源的有利构造部位。

图4 金湖凹陷构造简图[9]Fig.4 Structural sketch of Jinhu depression

勘查区位于郯庐断裂带东侧，郯庐断裂带在形成和演化过程中经历了强烈的大型走滑、裂陷伸展活动。断裂活动导致岩层间的摩擦、错动产生热能，而且断层的存在为地下水的赋存空间及深部热液的上涌创造了条件。

邻近勘查区的F2石港断裂位于整个凹陷的中部，是凹陷内部的主要断层，走向NE，平面上，主断裂带走向总体为线性，与旁侧的张性分支断裂构成张剪性八字型断裂体系，分支断裂呈雁列式展布，剖面上，主断面上缓下陡[7,8]。

另外，新构造断裂是寻找地下热水的重要条件，北东向断裂自燕山运动以来可能有活动，可以加强与深部热源的沟通，同时也导致深部含水层富水性增强。

2.1.4 地热盖层

地热盖层为第四系和新近系黏土、粉土、含砾中粗砂和砾石层，裂隙不发育、富水性差、热导率低，保温性能好，盖层条件好。新近系下段泥岩热导率相对较低，明显低于砂岩、粉砂岩，覆盖于下部砂岩、粉砂岩地层之上，也有利于热储层蓄热增温[9]。

2.2 地球物理特征

2.2.1 重力场特征

根据勘查区密度特点，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、地质属性见表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、新生代盆地可形成明显的重力低异常，三叠纪及以老地层的隆起或凸起可形成明显的重力高异常，图5为1∶20万布格重力异常图。

表1 地层密度分层

图5 布格重力异常(单位：×10-5m/s2)Fig.5 Contour map showing the gravity abnormality

区域布格重力异常呈两高一低特征，勘查区位于重力低的中间部位，北侧为建湖隆起重力高，重力极大值为42×10-5m/s2，呈北东方向展布。南侧为通扬隆起重力高，重力极大值为26×10-5m/s2，呈北东和东西方向展布。中部为金湖凹陷、高邮凹陷重力低，呈北东方向展布，其间又有多个次级异常，重力极小值为-3×10-5m/s2，沉积中心位于三河次凹陷。

重力高异常主要反映印支—燕山面隆(凸)起，重力低异常主要反映中、新生代沉积盆地或断陷构造，尤其是从区内的剩余布格重力异常图上可见中部重力低负异常特征十分清楚，说明凹陷深度大，其内中、新生代地层发育。次级异常则显示了区内基底局部的隆起和凹陷构造。

2.2.2 磁场特征

磁场是地壳内的岩石或地质体与围岩间的磁性差异。勘查区位于航磁平静场区(图6为1∶20万航磁异常图)，磁场变化在0～-50 nT之间，反映了区内无大的火山岩岩体，仅在工区的东南和西南有二个航磁异常，推断由新近纪和古近纪的玄武岩引起。

图6 航磁异常(单位：nT)Fig.6 Contour map showing the aeromagnetics abnormality

2.2.3 电性特征

可控源音频大地电磁测深法(CSAMT)是以电磁场理论为基础，利用介质的介电常数、磁导率和电导率的差异来达到解决不同地质问题的目的。地下岩土层具有的电性差异就是本次采用CSAMT的地球物理前提。

表2 岩土介质物性参数

3 工作方法与技术

通过对勘查区所在的区域地热地质条件以及地球物理特征分析，认为勘查区热储与深部隐伏断裂及地层结构有关，其中寻找隐伏断裂是工作的关键，因此测线的布置以追索断裂构造为目的。先后共布置了6 条CSAMT测线，北西—南东方向2 条(L1、L2)，东西方向4 条(L3～L6)(图7)。

图7 勘查区测线布置示意Fig.7 Schematic layout of survey line in exploration area

本项目CSAMT法采用加拿大产V8电法工作站(多功能电法仪)，供电最高电压1 000 V(I=20 A)，最大电流40 A。可控源音频大地电磁测深(CSAMT)主要布设在有利勘查靶区，用于推断勘查区热储埋深和分布范围以及确定断裂构造位置和产状，确定地热验证井井位。剖面线布设一般垂直于区域构造线方向，测线线距控制在500 m以内，点距以50 m为主，个别地段因池塘影响，按实地情况布置。频率采用0.125～9 600 Hz，点距50 m，控制深度为2 000 m。

CSAMT野外数据共采集物理点205个，质量检查点7个，质检率为3.4 %，视电阻率总均方相对误差3.27 %；质量检查分时间、分地段地进行，大致均匀地分布在工区内，并对解释推断、检查验证有关键意义的地段进行了质量检查。质量检查采用同一坐标位置、同一仪器、不同操作人员进行重复采集的方法。

4 成果解释

6条测线地热异常特征基本相同，较好地反映了勘查区地层顶板埋深、厚度、隐伏断层的展布规律。

以L1、L2剖面为例。L1、L2剖面位于勘查区中部，北北西向展布，主要目的是控制查明勘查区中部地层和隐伏断裂构造的空间展布特征。

图8 L7剖面单点曲线类型Fig.8 Single-point curve type diagram of L7

由图8的频率测深曲线类型图可以看出，因单点整支曲线视电阻率值偏低，因此可以忽略掉大于1 000 Hz的频率测深数据，该段数据只反映了剖面上很浅的电性特征，其对整条剖面的视电阻率断面图的电性特征影响不大。1 000～0.1 Hz的频率测深曲线类型一般为“HK”型(图8)，即ρ1>ρ2<ρ3>ρ4，反映了四层地电断面的电性特征，由浅入深视电阻率值呈高-低-高-低的过渡变化特征。

由图9可知，L1、L2剖面视电阻率断面图显示的垂向电性特征和其他4条剖面的电性特征大致相同，电性层划分亦相同，均可划分为3个电性层。L1、L2剖面的第一电性层为高低阻相间的第四系沉积层，地表至-200 m深度范围内为高阻电性层，岩性主要为黏土、粉细砂层，孔隙不发育，岩性致密，含水性差，其下-200～-300 m深度范围内为低阻电性层，岩性主要为松散的黏土、砂质黏土；第二电性层为中阻电性特征的新近系盐城组地层，岩性主要为泥岩、粉砂质泥岩、含砾砂岩，沉积厚度800 m左右；第三电性层为低阻电性特征的古近系三垛组地层，岩性主要为粉砂质泥岩、粉细砂岩，顶板埋深在-1 100 m左右。根据区内地热地质条件，分析认为第一电性层和第二电性层上段地层岩性隔水性强、热导率相对低，两套地层共同构成了该区的保温盖层，保温性良好。第二电性层下段和第三电性层上段地层因岩性主要为弱固结的砂砾岩、含砾砂岩，孔隙发育，含水丰富，因此该两套地层共同构成了该区的热储层。

从L1、L2剖面视电阻率断面图横向电性特征分析，区内沉积地层整体沉积稳定，沉积厚度大致相同，但局部位置因断层存在，沉积厚度有所变化，横向沉积间断、不连续。结合6条剖面上断层的推断解释原则，综合分析认为L1剖面的1 450～1 650点之间和L2剖面的1 450～1 650点之间均存在隐伏断裂构造，两剖面上的断裂构造反映的电性异常大致相同，推断为同一条隐伏断层的反映，即断层F3，走向北东向80°左右，倾向南东，倾角75°左右；在L1剖面的2 450～2 650点之间存在一隐伏断裂构造，即断层F4，走向北西向285°左右，倾向南西，倾角75°左右，且该断裂与L5剖面上的F2断裂位置大致相同，推断F2与断裂F4在L5剖面1 625点附近交汇。因此，建议在L1剖面的1 600点施工地热验证井，穿过热储层和断层。

综合上述对诸条剖面的电性层和断裂构造的解译，并结合区内地热地质条件，分析认为第二电性层下段和第三电性层上段地层盐城组下部和三垛组上段发育有一套砂岩主要热储层；上部有800 m厚泥岩和粉砂岩地层，是理想的地热盖层；验证地热井位位于次级隆起带上，深部有断裂通过，有利于热流汇聚。

图9 L1、L2线二维反演电阻率剖面及推断成果Fig.9 2D inversion resistivity section and inference of L1&L2

5 验证结果

根据森林公园景区规划，结合CSAMT推断的深部地层结构、热储埋深及断裂位置以及场地地热地质条件，综合分析认为验证地热井DR位于汜水次凹的唐港中部构造带上。

经钻孔验证：300 m以浅为第四系，主要由土黄色、浅灰色黏土、砂质黏土及粉细砂、中粗砂构成；300～1 020 m为新近系盐城组地层，上段主要由浅黄色黏土、泥质粉细砂、含砾砂层等构成，尤其底部砾石成分明显增多，下段为浅棕、棕红色泥岩、粉砂质泥岩与浅灰色、灰白色砂岩、含砾砂岩、砂砾岩互层。1 020 m以下为古近系三垛组灰绿色、棕灰色砂质泥岩、砂岩、砾岩及互层，终孔深度1 500 m。在孔深300～1 500 m存在多处含水层，孔口水温43 ℃，涌水量约2 400 m3/d，证实了应用CSAMT寻找深部构造的可靠性和可行性。

经检测，该地热水含有对人体有益的矿物质和微量元素，可命名为富含偏硼酸、偏硅酸的优质理疗热矿水。

6 结 语

1)在分析金湖森林公园景区地热地址特征和地球物理条件的基础上，通过CSAMT勘查手段，圈定热储层，结果得到钻孔验证。

2)调查区上覆覆盖层深度达300 m，属高阻电性层；新近系盐城组属中阻电性层，厚度约800 m，古近系三垛组属低阻电性层，这两套地层为该区热储层。

3)调查区地热资源受北东向隐伏断层控制，深度超过1 000 m，热源主要来源为地温场增温，构造发育导致整体水温不高，为中低温地热田，储层为汜水次凹的唐港中部构造带。

综上所述，本次利用可控源音频大地电磁法进行地热勘查取得了预期效果。此外，物探方法存在多解性，辅助采用钻孔验证的方法可提高资料解释的精度。