沿海滩涂围垦区带状热储勘查中CSAMT的应用

2020-10-26杨林，梅荣

上海国土资源 2020年3期

杨林，梅荣

（江苏省地质调查研究院，江苏·南京 210046）

沿海大开发战略启动以来，沿海地区迎来了新一轮的发展。国家区域发展总体战略以及相关政策措施的深入实施，推进了沿海临港产业园等的发展，产业园以现代化、国际化、规模化、高效化、低碳化、生态化的目标开发建设。地热资源的可持续性及清洁性，被广泛应用于发电、采暖、工艺流程、医疗、洗浴、农业灌溉、养殖、土壤加温等许多领域，具有低碳环保的优点，可以节约能源、保护环境。

江苏沿海地区处于中国东部沿海高热流地热异常带，地热资源类型主要为中浅成传导型构造裂隙和对流型地热资源，传导型构造裂隙地热资源严格受“源、通、储、盖”条件控制，热源主要为自然增温，构造是该类型地热发育的先决条件。对流型地热是地表水通过断裂深循环至地下深处，加热后返回浅部一定深度，主要取决于地下水循环的动力条件及断裂带导通状况[1-4]。江苏沿海地区无论是传导型构造裂隙还是对流型地热资源，热储都与断裂构造密切相关，呈带状分布。

沿海地区寻找带状热储的重点和难点是断裂构造的准确判断，因地表至200余米深度覆盖厚层矿化度达20 g/l的咸水，形成超低阻屏蔽层，导致构造异常不明显，热储信息弱。同时，启东市南部长江南侧（崇明岛）有中生代酸性侵入岩体，是不良地热储层，正确地划分侵入岩体也是工作重点。

在低阻覆盖地区，常规找水的直流电法勘探深度有限[5-6]。天然场源的大地电磁测深勘探深度大、施工便利[7-8]，但滨海地带往往有大型风力发电设备和工业用电，人为干扰严重，天然场源的探测方法抗干扰能力差[9]，不易得到高质量数据，热储信息容易被干扰所掩盖。

可控源音频大地电磁法（简称CSAMT）探测深度大[10]，能穿透低阻屏蔽层具有较高的纵向和横向分辨率，对低阻体位置、宽度定位较准，特别适合具有良导特性的断层破碎带的探测，广泛应用于地热资源勘查钻探孔位布置[11-13]。

1 地质背景

1.1 地形地貌

项目区位于江苏省启东市东北部蒿枝港—塘芦港之间海堤附近草滩带（图1），地处长江三角洲冲积平原的近前缘地带，成陆时间短，主要是由长江河口沙洲淤高并陆域而成，属粉砂淤泥质海岸。表部杂草丛生，上有人工养殖场。区内地势平坦，地面标高一般3m左右，向海域倾斜，坡度很缓。

1.2 区域构造

中国东部大地构造格局受周边板块运移、挤压影响，表现为一系列东西向、北东向、北西向左（或右）行扭性构造带。江苏省大地构造分为三个区，Ⅰ华北板块、Ⅱ苏鲁造山带、Ⅲ扬子板块[14-15]。启东市位于扬子板块下扬子地块东段，大地构造位置属于扬子准地台苏州～南通隆起区。

工作区有两组断裂构造（图2）。第一组为北东向构造，是测区构造格架的主导控制因素，在隆、坳、凸、凹构造发展演化过程中起着控制作用，据构造格局分析，推断为右行压扭性；第二组为北西向断裂构造，属较新断裂，切割前期断裂，据构造格局分析，推断以张扭性为主，表现为北西向左行张扭性断裂[16]。其中规模较大、延伸较远有两条：

图1 江苏省区域断裂分布及工作区位置图Fig.1 Tectonic sketch of Jiangsu and surveying location

湖苏断裂：该断裂带在地球物理场上特征明显。航磁上是异常分区界线；大地电磁测深剖面上，为纵深低阻带，判断为岩石圈断裂；地震解译属于前新生代断层，性质为正断层；全地壳反射地震剖面反映为超壳断裂，东倾、下地壳断开的特征。该断裂长期以来对两侧地层发育有明显的控制作用，是燕山晚期岩浆活动产物。

苏北—滨海断裂：该断裂自废黄河口外向东南方向穿经双洋沙、东沙至毛竹沙西南，全长170 km以上。是由数条断裂组成的断裂带，断裂切割了第四纪地层上部层位，是一条全新世活动断裂带。

图2 工作区基岩地质图及CSAMT测线位置Fig.2 Geological map of bed rocks of the study area include the location of CSAMT profile

1.3 地层

工作区在晚新生代沉积了厚度500 m左右的松散沉积物，其中，第四纪沉积物厚度300-320 m，上新世沉积物厚度200 m左右，中更新世—全新世海侵导致200 m以浅均为矿化度20 g/l的咸水。

基岩地层位于扬子地层区，地表无基岩出露，主要分布白垩系上统（K2）碎屑岩、侏罗系上统（J3）火山岩与火山碎屑岩，以及晚古生界（C-P）碳酸盐岩、碎屑岩。

白垩系上统（K2）岩性棕红色，少量灰白色，砂、砾岩为主，局部含薄层或网脉状石膏。侏罗系上统（J3）为一套火山岩沉积，岩性为安山质火山角砾岩、凝灰质砾岩、角砾安山玄武岩、安山岩，夹辉石粗安岩；三迭系下统（T1)为灰色石灰岩，夹泥质灰岩和薄层状灰岩，具方解石脉少许。晚古生界（C-P）岩性主要为碳酸盐岩（灰岩、泥质灰岩、白云质灰岩）、碎屑岩（砂岩、泥岩等）。

1.4 岩浆岩

南通—启东地区位于环太平洋中新生代岩浆活动带上，是长江中下游沿江岩浆活动带的东延部分。启东市南部长江南侧（崇明岛）有中生代酸性侵入岩体，属于中生代燕山晚期侵入花岗岩（γ53）。该岩体侵入于古生代地层中，以花岗岩为主，局部含黑云母石英闪长岩析离体，晚期有花岗斑岩、霏细斑岩，辉绿玢岩等岩脉穿插。

2 地球物理场

布格重力等值线图显示（见图3），异常形态以北西方向三角形重力高为主，主要为古生界地层隆起引起。从重力布格等值线图推测，在调查区范围内，布格重力等值线图弯曲，可能主要为北东向和北西向断裂引起，从地热勘查构造角度分析，构造条件较好。布格重力等值线图从西至东，其数值越来越低，反映古生界地层埋深越来越深，同时也反映研究区内存在侵入岩的可能。

图3 工作区布格重力异常图Fig.3 The bouguer gravity anomaly of the study area

航磁化极等值线图显示（见图4），异常呈一条正磁宽大异常带，磁场梯度较大，强度100-300nT左右，分布有较多的具明显走向的局部异常。工作区位于磁异常等值线较为稀疏区域，区域西南侧具有较高的磁异常显示，该高磁异常与布格重力高异常较为对应，推测认为测区西南区域深部可能存在侵入岩体。

区内不同地层、岩石间存在明显的电阻率差异。总体上，成岩地层电阻率高于松散层，岩浆岩侵入相电阻率高于喷出相。新生界的电性特征主要取决于含水砂层即古河道的发育程度及地下水的矿化度，含淡水砂层呈相对高阻特征，含咸水砂层为低阻特征。中生代陆相碎屑岩电阻率变化范围n×102Ωm。中、古生界沉积岩除煤系、泥质成分较多的地层为相对低阻外均呈高阻特征[17]。

图4 工作区航磁化极异常图Fig.4 The aero-magnetization pole anomaly of the study area

3 方法技术

通过区域地质条件的分析，认为本区带状热储与深部隐伏断裂构造相关，寻找隐伏断裂是与推断灰岩地层，排除侵入岩是本次工作的关键。工作方法与寻找断裂构造、划分侵入岩与灰岩为主要目的。

为控制北东向湖州-苏州断裂带的次级断裂，首先布置一条覆盖整个工作区的长剖面，其目的是寻找区内隐伏断裂构造异常，在初步结果的基础上布置加密剖面，进一步确认和追踪长剖面解释的断裂构造，有效地减小静态效应和反演技术引起的多解性，提高地热勘查成功率，降低钻探风险。先后共布置北西走向测线5条（图2），40线为覆盖整个工作区的长剖面（长度4.5 km），20和30线为加密剖面（长度2.8 km），25和35线为进一步确认断裂构造的加密剖面（长度1 km）。

本次工作使用的仪器设备主要有美国Zonge研制的GDP-32Ⅱ电法工作站，发射信号的频率范围通过试验确定，全区最终采用0.125～8192 Hz，相邻频率的比为2，占空度100%。发射电流在高频段3A以上，中、低频段达20A左右。

工作布置采用赤道偶极装置标量测量方式，测量偶极距50m，每5-7电场共用1个磁场值。发射位于工区西侧，发射偶极距1.8 km，收发距8 km。

数据处理分为预处理和解释处理，预处理为相邻测点曲线对比编辑、手动圆滑，剔除干扰严重的、连续频点畸变的测点，解释处理为一维全区反演[18]。

4 成果解释

反演电阻率剖面在对应段异常特征基本相同，反演电阻率平面在深部具有分区的特征，反映了区内地层和构造的分布。

4.1 地层解译

以其中的3条剖面40线、30线和20线为例（图5—图7），反演电阻率剖面自上至下可分为四个主要电性层，表现为极低—低—次高—高的电性特征。

第一电性层为极低阻，电阻率均小于10 Ω·m，为第四系（Q）松散层，受到海水入侵的影响发生咸化，并形成低阻屏蔽层，底界标高-250 m左右，起伏较小，仅局部区域达到标高-300 m；第二电性为低阻，电阻率10-20 Ω·m，为未咸化的第四系和新近系松散层（Q+N），底界标高-500 m左右；第三电性层为次高阻，电阻率20-30 Ω·m，结合基岩地质图，推测为侏罗纪地层（J），北部可能上覆白垩系地层（K），底界标高-1000 m左右；第四电性层为高阻，电阻率一般大于30 Ω·m，整体表现为高阻特征，但南北又有差异，南部电阻率较高，推测为侵入岩，北部相对较低，依次推测为二叠系（P）和石炭系地层（C）。

图5 40线反演电阻率剖面及解释成果图Fig.5 Contour map showing CSAMT inversion resistivity and its interpretation along the Line 40

图6 30线反演电阻率剖面及解释成果图Fig.6 Contour map showing CSAMT inversion resistivity and its interpretation along the Line 30

4.2 构造解译

据反演电阻率剖面和-1500 m反演电阻率平面图（图8），推断出一条构造F1。剖面图上表现为南部电阻率高、北部电阻率低的陡立接触面，该异常在每条CSAMT反演

图7 20线反演电阻率剖面及解释成果图Fig.7 Contour map showing CSAMT inversion resistivity and its interpretation along the Line 20

图8 CSAMT反演电阻率1500 m深度平面等值线及解译成果图Fig.8 Contour map showing CSAMT inversion resistivity at a depth of 1500 m and its interpretation

4.3 地热地质条件

热源条件：据近年地热研究，苏北盆地新生界盖层地温梯度变化为2.7-5.0 ℃/100m之间，大地热流值为60-70 mW/ m2[19]。工作区约为2.4 ℃/100m左右，为地温正常区（偏高），属于自然增温型地热类型。

构造条件：区域性深大断裂或次级断裂交叉处，是最好的深部导热和导水构造，是连接深部地热源和水源的主要通道[20]。工作区位于区域性深大断裂—北东向湖苏断裂和北西向苏北滨海断裂的交汇处。推测的北东东走向断裂F1为湖苏断裂的次级断裂，具走滑质，断裂规模大、切割深，有可能成为沟通深部热源的通道，同时也增强了地热储层的富水性，是主要的控热、储热构造。是寻找地热资源的有利构造条件。

地热储层：根据本次物探及区域地质资料推断，二叠系（T）及石炭系（C）灰岩地层埋深在2000 m以下，厚度可大于300 m。该套地层由于时代较老，往往是构造裂隙水发育的有利层位，断裂构造致使岩层破碎，增强了导水性和储水性，同时旁侧的裂隙密集带常常也成为赋水与导水的通道。

地热盖层：本区地热盖层为第四系、新近系松散层（Q+N），以粉质黏土、粉土、粉砂、细砂等为主，厚度约500 m，以及侏罗系（J）火山岩，其热导率较低，保温性能良好，覆盖于灰岩地层之上，有利于热储层蓄热增温，是较好的地热盖层。

井位分析：根据CSAMT所显示的断裂F1、低阻异常区及勘查区地热地质条件，同时考虑尽量偏离深部不良热储侵入岩，结合钻井施工条件，地热钻井预选井位选取30线4300号测点，钻井设计深度为2500 m，推测为二叠系—石炭系（C-P）灰岩的构造裂隙水和岩溶裂隙水。该位置经3条剖面对比印证，又经东西两侧的2条加密剖面进一步查证，异常可靠性高。