综合电法在地热田勘探中的应用<br/>——以丹东金山地区为例

综合电法在地热田勘探中的应用
——以丹东金山地区为例

2020-09-04李洪嘉

工程地球物理学报 2020年4期

李洪嘉

(辽宁有色勘察研究院有限责任公司，辽宁沈阳 110013)

1 引言

丹东地区有着丰富的地热资源，例如五龙背温泉、椅圈子、北井子、炮手营子、汤池温泉等，地热资源的开发利用有着悠久的历史。根据相关资料记载，五龙背温泉早在唐朝时即被广泛应用在洗浴和疗养中，距今已经有1 250余年。金山地区位于五龙背温泉以南不足10 km处，距离丹东市市区7 km。在2000年和2006年，辽宁省第七地质大队先后在该区附近打出低温温泉水，证明了该区具备地热资源成矿条件。宗裕地产在金山区开发房地产项目，需要打造一个别具风情的温泉主题文化城，为丹东市增设一道亮丽的风景。正是在这种背景下，对该地区进行了地热勘探。

本文通过对勘查区及周边的以往的地质、物探、测井等资料研究，将其与勘查区最近的五龙背地热田发育模式进行比对，大致了解了该区的情况。该区的地层大部分被第四系覆盖层所覆盖，鲜有露头，给勘查工作带来了很大的困难。为了了解地层深部的信息，该区选择主要的工作方法是物探电法，根据需求，要先了解浅部200 m以内的情况，为此选择了高密度电阻率法；再了解1 000 m以内的情况，为此选择了四极电测深法；最后了解2 000 m以上的情况，为此选择了可控源音频大地电磁法(CSAMT法)。其目的就是为了通过这些物探手段，更多地揭露地层信息。

目前，国内地热勘查的主要技术手段就是物探，比较流行的方法有二维地震、重磁法、电磁法、岩性测深等。通过物探手段，在辽宁省内寻找了大量的温泉，如沈北盆地、阜新东梁、大连老铁山等。CSAMT法因其探测深度大、效率高、准确率高等特点，在辽宁省地区应用比较普遍，也取得了不错的效果。本文就是以CSAMT法为主，结合其他物探电法手段，在丹东金沙地区成功地探测出1口地热井。

2 地质概况

勘查区在区域上，受到鸭绿江断裂控制。鸭绿江断裂是郯庐断裂[1]带东侧的一个次级断裂，是我国东部一条十分重要的断裂带，总体走向40°～50°，倾向多为北西向，倾角70°左右，主断裂沿鸭绿江展布，主要形成于白垩世时期，具有多期活动特点[2]。鸭绿江断裂也是一条控热带，著名的五龙背温泉就是分布在其内，金山地区地理位置位于五龙背以南不足10 km处、在鸭绿江断裂带西侧，地理位置十分优越，地温梯度大于2 ℃/100 m，具备良好的地热成矿条件。

3 地球物理特征

地球物理勘探的前提是目标物与围岩具有明显的物性差异，根据所选择的物探方法，主要是电法，其物性参数为电阻率值。通过收集到的物性参数资料和岩石标本测试数据，得到成果如表1所示。

表1 金山地区主要地层的岩石电阻率值参数

本次地热勘查的目标是寻找深大断裂构造及储水和储热构造[3]。一般而言，构造断裂带在物理特性上表现为相对低电阻率，尤其是断裂带含温泉水发育带，电阻率会更低。这就意味着在寻找探测断裂构造带时，目标物应该是低阻异常[4]。根据以上收集到的岩性电性物理值，认为目标物与围岩物性差异明显，满足地球物理勘查的先决条件。

4 地热场的特征

4.1 热源的成因

地球内部的热量主要来源于行星本身的余热(约20 %)和放射性元素通过衰变产生的热量(约80 %)。辽东地区花岗岩侵入岩的出露约占其1/2面积，花岗岩侵入体的岩石放射性元素衰变所产生的热为地热田的形成提供了丰富的热源。燕山期花岗岩岩体中大地热流值较高[5]，介于55.7～90.4 mW/m2，是勘查区地热源的主要来源。大地热流值较高的地区主要分布在凤城、本溪、岫岩这类燕山期花岗岩较为发育的地区[6]，一般介于65.1～76.3 mW/m2。这也就是大多数的地热温泉附近都发育大量的花岗岩体的原因。

4.2 地下热水的成因

丹东地区雨量丰沛，年平均降水量达1 000～1 200 mm，七月和八月降水较为集中，地表水很发达，主要水系为鸭绿江水系，提供地下水补给充足的来源。地表径流水、主要水系、大气降水等，沿着深大断裂带渗入，由于断裂之间的分支形成地下通道，形成了庞大的地下水系。地下水能够沿断裂带向地下渗透的深度和可被加热的温度是决定地热田是否发育的关键因素，而地壳脆性—韧性过渡带是控制地下水渗透深度和温度的决定因素[7]。在水源充足的情况下，地下水可以通过岩石脆性带的裂隙带向下运移，在脆性—韧性过渡带不再渗入，并被加热到250～350 ℃，然后再沿着断层或裂隙系统向上运移，在断层附近相对低洼的地区出露地表，即形成温泉。温泉也可以沿表层裂隙系统回流到主干断裂，形成地下热水的深循环系统[8]。

4.3 地热发育模型

现今国内学者将地热的发育模式可分为两大类，一是以断裂控制为主的对流型[9]，二是以中生代断陷盆地控制的热传导型[10,11]。无论是哪种类型，均与断裂构造有着密不可分的联系[12]。

花状构造[7]是典型的走滑断裂组合模式，分为正花状和负花状(图2)两种断裂。①正花状构造是聚敛性走滑断裂派生的，属压扭性，断层陡立，向上分叉散开、以逆断层组成的背冲构造。该构造若发育在低孔隙、低渗透的地质体中，则不利于地下水向下运移，更不利于断裂构造型地热系统的形成；②负花状构造是离散性走滑断裂派生的，属张性构造，是一套由凹面向上的正断层所构成的似地堑构造。断裂带呈离散状，主干断裂及派生断裂发育富含孔隙空间，地下水可以沿着断裂渗透至地下，是一种有利于地热系统形成的构造。

五龙背温泉地热发育模式就是典型的负花状构造地热发育模式[7]，勘查区的地质背景与之十分相似，应属于同一种地热发育模式：负花状构造地热发育模式。

5 工作方法和剖面布置

本次物探工作采用三种物探方法进行综合探测[13,14]，物性参数主要是电阻率，其中高密度电阻率法和四极电测深法使用电阻率，CSAMT法使用卡尼亚电阻率[15]。

5.1 高密度电阻率法测量

高密度电法仪器：重庆奔腾数控技术研究所WGMD-9超级高密度电阻率法测量系统。工作参数：温纳装置、点距10 m。测点数71点，共计完成1条剖面，剖面长度700 m。反演软件：加拿大骄佳技术公司的Geogiga RImager软件。

5.2 对称四极电测深法测量

四极电测深仪器：重庆奔腾数控技术研究所WDA-1直流激电仪。工作参数：供电电极距AB最大为2 000 m，测量电极距MN=20～80 m，测点点距50 m。共计完成剖面2条，剖面长度共计850 m。数据处理流程：电测深数据进行带线性插值的三角剖分网格化处理，利用Surfer格式软件绘制断面图件。

5.3 可控源音频大地电磁法测量

CSAMT法仪器：美国Zonge公司GDP-32Ⅱ多功能电法工作站。工作参数：收发距r=7 800～8 700 m，供电电极距AB=1 850 m，测量电极点距MN=20 m，测量频率范围8～8 192 Hz，供电电流I=6.5 A。共计完成6条剖面，剖面长度共计8 200 m。反演软件：Zonge公司SCS2D软件。数据处理流程：首先用河北廊坊所研制的Procsamt预处理软件对原始数据进行预处理，包括远区数据选择、静态校正、地形校正、数据平滑等；然后进行一维模拟移动平均反演、二维平滑模拟反演；最后用Surfer格式软件绘制断面图件，综合已有地质资料进行地质推断。

6 综合推断解释

6.1 高密度电阻率测量结果

在铁路的东侧布设高密度电法剖面101剖面(详见图1)，剖面长度700 m，点距10 m，反演深度220 m。物探结果(图3)显示，电阻率等值线呈水平层状分布，电阻率值由上至下依次递增，说明地层岩性比较稳定，浅部为第四系覆盖层，推测深度10～20 m，深部岩性推测为黑云母花岗岩。剖面在41～51号之间，等值线出现明显的横向不均匀特征，出现凹槽，推测是由断裂带影响而成，断裂带编号为F1，倾向北西，倾角约80°，延伸长度大于高密度电法探测深度220 m。由于高密度电阻率法的探测深度有限，无法了解其断裂的延伸情况，因此，在101剖面两侧布设了2条平行的电测深剖面201和202。

图1 金山地区地质概况及物探测线位置

图2 花状构造控热构造模式[7]

图3 高密度电阻率法101剖面

6.2 对称四极电测深测量结果

在铁路的东侧布设2条南东向、平行的电测深剖面201和202。测点点距50 m，其中201剖面9点，长度400 m;202剖面10点，长度450 m。物探结果(图4)显示，电阻率等值线在剖面的浅部呈水平层状分布，但是在深度200 m以下，出现明显的横向不均匀特征，等值线明显的向下凹陷，电阻率值出现典型的“高-低-高”特征。从图4可以看出，左侧201剖面图的5～9号测点，出现一条低阻带，电阻率值多低于800 Ω·m，根据其异常特征推测由断裂带引起，推测为F1断裂带，倾向北西，倾角约80°；右侧202剖面图，也具有和201剖面同样的电阻率值异常特征，低阻带值多低于800 Ω·m，推测为F1断裂带，倾向北西，倾角约80°。对称四极电测深的最大理论反演深度为AB/2，也就是1 000 m。根据其探测结果来看，低阻异常带的延伸趋势并未结束，说明其断裂带的延伸深度大于1 000 m。为了进一步探测其深大断裂延伸情况，需要使用探测深度更大的物探方法——可控源音频大地电磁法(简称CSAMT法)进行探测。为此，布设了6条CSAMT法剖面。

图4 四极电测深法201、202剖面

6.3 可控源音频大地电磁法测量结果

可控源音频大地电磁法(CSAMT法)探测深度较大，本次所采用的探测频率，其探测反演深度可达到2 000 m以上，是地热勘探中比较常用的物探方法[15]。CSAMT法剖面布设方向与高密度电法和电测深法一致，主要分布在铁路的东西两侧，301、302和303剖面在西侧，304、305和306剖面在东侧(详见图1)。由于篇幅限制，以下只展示出4条剖面图(图5～图8)。

剖面301共计79个测点，点距20m，合计长度1 560 m。根据测量结果显示(图5)：在1 000 m深度范围内，卡尼亚电阻率等值线出现明显的横向不均匀特征，在23～27号、50～57号测点之间出现2条低阻带，低阻带内卡尼亚电阻率值低于500 Ω·m，推测为F1′和F1断裂带，根据其异常形态推测，断裂带倾向北西，倾角约80°。在1 000 m深度以下，等值线基本呈水平层状分布，说其岩性稳定，推测为黑云母花岗岩。从图5可以看出，左侧F1′断裂延伸至900 m结束，右侧F1断裂延伸至1 000 m结束，说明其断裂的延展深度有限。

图5 CSAMT法301剖面

剖面302共计39个测点，点距20 m，合计长度560 m。根据测量结果显示(图6)：在100 m深度范围内，卡尼亚电阻率等值线呈水平层状分布，推测为第四系及风化、松散岩层。在900 m深度范围内，等值线出现明显的横向不均匀特征，在30～36号、45～50号测点之间出现2条低阻带，低阻带内卡尼亚电阻率值多低于500 Ω·m，推测为F1′和F1断裂带，根据其异常形态推测，断裂带倾向北西，倾角约80°。在900 m深度以下，等值线呈水平层状分布。F1′断裂延伸至900 m结束，右侧F1断裂延伸至900 m结束，说明其断裂的延展深度有限。

图6 CSAMT法302剖面

剖面303共计79个测点，点距20 m，合计长度1 560 m。由卡尼亚电阻率等值线特征可见(图7)，等值线分布形态基本上呈水平层状分布，卡尼亚电阻率值由上至下依次递增，说明其地层岩性比较稳定，岩性统一，推测为黑云母花岗岩地层。但是其等值线横向分布特征，出现明显的横向分布不均匀特征，在27～44号点之间，等值线出现明显的向下凹陷状态，出现典型的电阻率值“高-低-高”特征，推测为F1断裂带，低阻带向下延伸至1 800 m封闭。根据其低阻带形态，推测F1断裂倾向为北西向，倾角约80°。

图7 CSA5MT法303剖面断面

剖面304共计66个测点，点距20 m，合计长度1 300 m。由卡尼亚电阻率等值线特征可见(图8)，100 m深度范围内等值线分布形态基本上呈水平层状，推测为第四系及风化、松散岩层。在30～60号点之间，等值线形态呈明显的“高-低-高”特征，出现明显的低阻异常带，低阻异常带电阻率值多低于800 Ω·m，推测为F1断裂带，倾向北西向，倾角约80°。F1断裂延伸至2 000 m深度未封闭，说明其断裂深度大于2 000 m。305和306剖面的卡尼亚电阻率等值线图形态特征与304剖面类似，限于篇幅，不再赘述。

图8 CSAMT法304剖面断面

根据301～306 这6个剖面可以得出如下结论：物探推测出1条北东向F1断裂，为勘查区内主要深大断裂，其走向为40°，倾向北西，倾角约80°，深部延展情况为铁路东测大于2 000 m，往西逐渐减小至900～1 000 m，总体情况为东深西浅；F1′为F1断裂的分支，延伸深度小于1 000 m，走向近东西向，倾向北向，倾角约80°。

6.4 地热井钻孔验证

根据物探探测结果，地热分布应受断裂F1和F1′共同控制，地下热源来自于燕山期花岗岩放射性生热，地下水主要以鸭绿江水系为补给源，地热发育模式为负花状构造、对流型地热发育模式[9]。地热钻孔设计应该在F1断层的上盘、最终地热井应能穿透断层为宜，根据这个原则，设计了地热井[16]钻孔ZK1、ZK10。最终，钻孔ZK1在1 850 m处打出地热水，出水层厚度大于30 m，终孔深度2 013 m(见图9)，出水温度52.8 ℃，可开采量大于1 500 t/d。

图9 ZK1钻孔柱状图及测温曲线

由图9可见，脉岩闪长岩的厚度为86.11 m，构造破碎带分布在不同的深度上，总厚度达到204.39 m，说明F1断裂构造较强烈，断裂带影响宽度较大。根据抽水试验及水文地质学方法计算，该区地下热水资源较丰富，地热井的开采量可达到1 500 t/d以上。根据测温曲线分析，在0～1 350 m范围内，曲线深度-温度呈线性关系，经计算，地温梯度达到4.68 ℃/100 m，属于高值异常区。在1 350～2 013 m范围内，水温呈缓慢上升趋势，地温梯度接近地区平均值。经水质分析，地下热水水化学类型为碳酸、硫酸钠型水，地热水中的氟、偏硅酸、硫化氢含量达到医疗热矿水的命名浓度，可命名为含硫化氢、氟、硅复合型医疗热矿水，医疗价值较高，具有较大的经济价值。

限于篇幅限制，地热井ZK10柱状图不做展示，该井终孔深度1 502 m，出水温度40.5 ℃，可开采量大于1 500 t/d。