综合物探方法在隆起型地热田找矿中的应用

2021-06-30赵季初郭国强吴清华

中国地质调查 2021年3期

赵季初，郭国强，吴清华

(1.山东省地勘局第二水文地质工程地质大队，山东德州 253072；2.山东省地热清洁能源探测开发与回灌工程技术研究中心，山东德州 253072；3.山东省物化探勘查院，山东济南 250000)

0 引言

根据地热带与板块构造的空间关系，全球地热带可分为板缘地热带和板内地热带[1-3]，其中板缘地热带常具有强烈的火山或岩浆活动，是高温地热资源的主要分布区，常形成蒸汽型或水汽混合型地热资源。除特殊情况外，板内地热带无火山或岩浆热源，形成地热资源的热源主要为来自地球内部的大地传导热流，地下水的深循环通过传导或对流作用从地壳内部获得热量从而形成水热型地热资源。隆起型地热田是板内地热带的主要类型之一[4]。与热储分布较均匀的沉积盆地型地热田相比，隆起型地热田热储分布明显受断裂产状控制，断裂破碎带既是地热水的渗流通道，又是地热水的储集场所。热储分布不均匀，找矿风险大，物探找矿方法是该类地热田开发有效的技术手段。在基岩区，含水的断裂破碎带与围岩之间的电阻率差异明显，电法在该类地热田勘探中具有较好的应用效果。

大地电磁测深(Magneto Telluric sounding，MT)是地热资源勘探中能够有效地反映数千米内地层视电阻率变化特征的物探方法之一[5]，可控源音频电磁测深法(Controlled Source Audio-frequency Magneto Tellurics，CSAMT)具有抗干扰能力强、分辨率高等特点，被广泛应用在地热资源勘探中[6-8]。视电阻率联合剖面法对电性差异明显的断裂破碎带、岩层接触带等陡立地质体探测效果良好，地热水富集的断裂带电阻率远低于围岩，可形成明显的低阻正交异常[9-11]。视电阻率测深法可根据电阻率的垂向变化有效划分不同电性地层[12]。通过多种物探方法的相互验证，可以降低物探成果的地质多解性，提高地质解译准确度。本文以厦门香山湾地热田为例，综合应用CSAMT法、视电阻率联合剖面法及视电阻率测深法，旨在探明富水断裂带的产状，确定地热开发靶区，为隆起型地热田的找矿突破提供借鉴。

1 地质背景

福建省地处欧亚大陆板块东南缘，大地构造具有“东西分带、南北分块”的特征。NNE向的政和—大埔断裂带与NEE向的南平—宁化构造-岩浆岩带将福建省切割成闽东地体(燕山期火山断陷带)、闽西北地体(加里东隆起带)及闽西南地体(海西—印支坳陷带)3个地质单元[13-15](图1(a))。研究区位于福建省漳浦县佛昙湾东部半岛，大地构造位于闽东地体，该地体古生代—早中生代长期处于隆升剥蚀状态；侏罗纪闽东地体发生大规模拉张断陷构造运动，断陷带发生沉积-火山喷发作用；晚侏罗世，闽东地体发生了大规模酸(中酸)性岩浆喷发与侵入活动[16]；白垩纪闽东地体岩浆活动逐渐减弱以至消失，地体不断地断褶隆起；古近纪—新近纪闽东地体处于整体隆升剥蚀状态；第四纪以来，地壳运动重新活跃，形成了新的盆、岭。

区域第四系下伏地层发育泥盆纪浅变质岩，岩性为钾长浅粒岩、二长浅粒岩夹矽线黑云片岩。新近系火山碎屑岩岩性为玄武岩、砂砾岩夹褐煤和油页岩。岩浆岩主要为侏罗纪—白垩纪侵入岩(图1(b))，其中，侏罗纪侵入岩主要为肉红色似斑状中粗粒钾长花岗岩、少斑中粒钾长花岗岩，白垩纪侵入岩主要为肉红色少斑中细粒钾长花岗岩[17]。

(a) 大地构造位置 (b) 地质简图

研究区南部及北部丘陵地表出露新近系佛昙群玄武岩、砂砾岩夹泥岩；中间低平地主要为第四系全新统风积细砂、粉细砂。根据区域地质条件及钻孔实测资料，该区地层自上而下为第四系、新近系和侏罗系。

(1)第四系。主要为风积、冲海积松散碎屑岩，岩性为粉细砂、细砂及黏性土，厚度一般<20 m。北部地势高处赋存丰富的浅层淡水资源，中部低平地及沿海地带赋存微咸水、咸水。

(2)新近系。主要在南部与北部丘陵区地表出露，中部低平地隐伏于第四纪松散岩之下，发育佛昙群玄武岩、砂砾岩夹泥岩，厚约100 m。岩石致密坚硬，地下水主要赋存于成岩裂隙、构造裂隙、风化裂隙中，富水性极不均一。

(3)侏罗系。主要隐伏于新近系佛昙群之下，岩性为片麻状花岗岩、混合花岗岩。岩石致密坚硬，地下水主要赋存于成岩裂隙、构造裂隙及风化裂隙中，富水性极不均一。

2 勘探方法及结果

2.1 勘探方法

根据CSAMT、视电阻率联合剖面及视电阻率测深的特点，首先，开展CSAMT工作，解译推测研究区断裂的空间分布特征，分析并确定可能的地热水富集地段；其次，沿垂直断裂走向布设视电阻率联合剖面，对CSAMT推测的断裂进行验证，并进一步确定地热水富集地段断裂的产状，优选地热地质钻探靶区；最后，在优选的地热地质钻探靶区开展视电阻率测深工作，确定最佳的地热地质钻探靶点。

(1)CSAMT。测量装置采用赤道(旁测)装置，标量测量方式[18]。收发距R约为8 000 m，发射电源偶极AB取1 600 m，接收偶极MN取50 m，工作频率选择2～9 600 Hz。共布设16条测量剖面(图2)，其中SN向剖面7条，EW向剖面9条，点距50 m，测点418个。

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

(2)视电阻率联合剖面。根据研究区第四系埋深情况，选用AO为90 m和210 m两种极距开展视电阻率联合剖面勘探工作[19]，测量电极距MN取20 m。共布设3条勘探剖面线，点距20 m，测点106个。其中L1、L2勘探线垂直于CSAMT解译的F2断裂布设，方位角135°；L3勘探线垂直于CSAMT解译的F1断裂布设，方位角45°。

(3)视电阻率测深。采用等比对称四极装置[20]，AB∶MN=5∶1，受场地工作条件限制，AB/2最大取750 m。共布设勘探剖面2条，点距120 m，测点12个。D1勘探线与L1勘探线重叠，D2勘探线与L3勘探线重叠。

2.2 勘探结果

2.2.1 CSAMT勘探结果

对CSAMT野外原始数据进行处理，剔除各种干扰频点，利用WinGLink软件进行数据处理反演。根据野外电场强度与磁场强度数据，采用公式(1)换算电阻率与频率的对应关系，采用公式(2)换算探测深度与频率、电阻率的对应关系，绘制各探测剖面的电阻率断面等值线图(图3、图4)。

，

(1)

(2)

式中：f为频率，Hz ；ρω为电阻率，Ω·m；Ex为电场强度，mV/km；Hy为磁场强度，nT；D为探测深度，m；ρ为大地电阻率，Ω·m。

由图3、图4可知，各断面纵向整体呈上、下2种不同电性地层。上部为由第四系、新近系及侏罗系上部风化层组成的相对低阻地层，电性差异不明显，整体厚约500 m；下部为侵入岩高阻层。

(1)SN向勘探线(Q线)。由断面的横向电性特征(图3)可知，该组剖面在Q1线3 950点、Q2线3 600点、Q3线3 150点、Q4线2 850点、Q5线2 900点、Q6线2 400点附近均有一明显的电性界面。该界面南侧为高电阻，北侧为低电阻，等值线呈明显的低阻异常，为断层异常特征，推断为F2断层。通过分析各剖面点在地表投影点连线，推断F2断层走向NE(图2)，北西向陡倾，断层切割深度大。

该组剖面在Q3线1 550点、Q4线1 600点、Q5线1 900点均有一明显的电性界面，视电阻率南高北低，等值线呈明显的倾斜“V”型低阻异常，为典型的断层异常特征，推断该电性界面为F1断层。通过分析各剖面断层地表投影点的连线，推测F1断层走向NW(图2)，倾向北东。

该组剖面在Q3线2 850点、Q4线的2 650点分布向南倾斜的视电阻率等值线梯度带，推断为F3断层，倾向SE。在Q5线1 500点、Q7线1 200点分布向南倾斜的视电阻率等值线梯度带，推断为F4断层，走向NNE，倾向南东。

(2)EW向勘探线(A线)。由断面的横向电性特征(图4)分析可知，该组剖面在A9线1 900点、A8线1 350点、A7线900点、A6线700点、A5线300点附近有一明显的电性界面，西侧为低电阻，东侧为高电阻，等值线呈向西倾的梯度带，为典型的断层异常特征，该断层与SN向剖面线推断的F2断层展布形态一致，通过分析剖面各点在地表投影点的连线，推断F2断层走向NE(图2)，北西向陡倾，断层切割深度大。

(a) Q1线 (b) Q2线 (c) Q3线 (d) Q6线

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

该组剖面在A3线600点、A2线900点、A1线1 100点附近有一明显的电性界面，西侧为高电阻，东侧为低电阻，等值线呈向东倾的梯度带，为典型的断层异常特征，该断层与南北剖面线推断的F1断层对应，通过分析各剖面断层地表投影点的连线，推测F1断层走向NW，倾向北东。

该组剖面在A7线1 150点、A6线1 050点、A5线850点、A4线450点，A3线600点附近分布向东倾的视电阻率梯度带，该断层与南北剖面线推断的F3断层对应，通过分析各剖面断层地表投影点的连线，推断断层F3走向NE，倾向南东。

2.2.2 视电阻率联合剖面勘探结果

视电阻率联合剖面L1勘探线垂直布设在CSAMT解译的F2断裂带上，采用AMN∞NMB装置，在L1勘探线视电阻率联合剖面ρA、ρB曲线及解译图(图5)上，当AO=90 m时，570点附近出现了明显的低阻正交点，正交点两侧ρA、ρB曲线分离较好，表现出明显的断裂特征；当AO=210 m时，视电阻率联合剖面ρA、ρB曲线形态与AO=90 m时ρA、ρB曲线形态基本一致，540点附近出现明显低阻正交点，推测F2断裂倾向北西，倾角约75°。

(a) AO=90 m (b) AO=210 mρA.A电极视电阻率，Ω·m；ρB.B电极视电阻率，Ω·m图5 L1勘探线视电阻率联合剖面ρA、ρB曲线及解译Fig.5 ρA、ρB curves of line L1 joint resistivity profiling

视电阻率联合剖面L2勘探线垂直布设在CSAMT解译的F2断裂带，在L2勘探线视电阻率联合剖面ρA、ρB曲线及解译图(图6)上，当AO=90 m时，420点附近出现了明显的低阻正交点，正交点两侧ρA、ρB曲线分离较好，表现出明显的断裂特征；当AO=210 m时，420点附近同样出现明显低阻正交点，证实了F2断裂的存在，断裂呈倾角约90°的直立形态。

(a) AO=90 m (b) AO=210 mρA.A电极视电阻率，Ω·m；ρB.B电极视电阻率，Ω·m图6 L2勘探线视电阻率联合剖面ρA、ρB曲线及解译Fig.6 ρA、ρB curves of line L2 joint resistivity profiling

视电阻率联合剖面L3勘探线垂直于CSAMT解译的F1断裂带布设，在L3勘探线视电阻率联合剖面ρA、ρB曲线及解译图(图7)上，当AO=90 m时，690点附近出现了明显的低阻正交点，正交点两侧ρA、ρB曲线分离较好，表现出明显的断裂特征；当AO=210 m时，没有正交点出现，但在670～690点处ρA、ρB发生陡变，东北为高电阻，西南为低电阻，推测断裂倾向北东，呈倾角约90°的直立形态。

(a) AO=90 m (b) AO=210 mρA.A电极视电阻率，Ω·m；ρB.B电极视电阻率，Ω·m图7 L3勘探线视电阻率联合剖面ρA、ρB曲线及解译Fig.7 ρA、ρB curves of line L3 joint resistivity profiling

2.2.3 视电阻率测深勘探结果

由视电阻率测深勘探线视电阻率拟断面(图8、图9)可知，在探测深度AB/2=750 m范围内，研究区在垂向上可划分为浅部高阻层、中部低阻层和深部高阻层3个电性层。

图8 D1勘探线视电阻率拟断面Fig.8 Apparent resistivity pseudo section of D1 resistivity sounding line

图9 D2勘探线视电阻率拟断面Fig.9 Apparent resistivity pseudo section of D2 resistivity sounding line

D1勘探线视电阻率拟断面图(图8)在460点垂向分布一低阻体，该低阻体两侧呈明显的视电阻率等值线梯级带，解译为断裂带，进一步验证了F2断层的存在。

D2勘探线视电阻率拟断面图(图9)在340点垂向分布一低阻体，该低阻体两侧呈明显的视电阻率等值线梯级带；460点在AB/2=15～750 m区段视电阻率等值线呈“V”型低阻，解译为断裂带，进一步验证了F1断层的存在。

3 靶区确定与钻探验证

3.1 靶区确定

CSAMT、电阻率联合剖面及电阻率测深勘探结果相互验证了区内存在4条主要断裂。根据CSAMT1 000 m探测深度平面视电阻率等值线分布(图10)，圈定3个视电阻率低阻异常区，其中Z1、Z2低阻异常区受F2断裂控制，视电阻率低阻区位于F2断裂上盘。Z3视电阻率低阻异常区受F3、F1断裂联合控制，位于F3和F1断裂上盘交叉区。研究[21]表明：断层两盘为非可溶的脆性岩石时，其破碎带空隙较大，透水性和含水性较强；张性断层规模越大，富水性越强；压性断层两盘(尤其是上盘)岩石的裂隙可能较发育，形成旁侧裂隙含水带。区内断裂两侧地层为脆性片麻状花岗岩和混合花岗岩，断裂性质复杂，张性断裂与压性断裂在地质历史时期交替变换，断裂带两侧可能形成含水性较好的破碎带，推测Z1、Z2、Z3视电阻率低阻异常区为可能的地热水富集地段。相对Z1、Z2视电阻率低阻异常区而言，Z3视电阻率低阻异常区位于F3、F1断裂上盘交叉区，更有利于热储的形成[22]。由于F3、F1为陡倾断裂，地热地质钻探的靶区确定为Z3视电阻率低阻异常区靠近F3、F1断裂的南部。

图10 CSAMT 1 000 m探测深度平面视电阻率等值线分布Fig.10 Apparent resistivity contour map of CSAMT at 1 000 m detection depth

根据CSAMT视电阻率勘探数据绘制的探测深度100 m、500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m三维切片图(图11)，1 000～1 500 m深度内拟定的井位处低阻异常明显，为主要的富水层段，1 500～2 000 m深度内仍存在低阻异常，可能赋存地热水。埋藏越深，地层温度越高，建议适宜的地热地质钻探孔深度>2 000 m。

图11 CSAMT 视电阻率三维切片Fig.11 Three dimensional slice diagram of the apparent resistivity of CSAMT

3.2 钻探验证

根据钻探结束静置72 h后的井温测量结果，孔底温度为82.6 ℃。通过测温曲线与地温梯度曲线形态(图12)，推断垂向上发育2个含水破碎带：在1 200～1 325 m区段及1 425～1 575 m区段温度基本保持稳定，地温梯度为零，解译为第1个含水破碎带；2 050～2 175 m区段解译为第2个含水破碎带。该解译结果与物探推测的该处热储发育受F3、F1断裂控制相一致，证实了物探工作的准确性。