南京羊山地区断裂构造解析与地热资源研究

吴姗姗,戴康明,王军成

(江苏省地质勘查技术院,江苏 南京 210049)

地热资源是指能够经济地被人类所利用的地球内部的地热能、地热流体及其有用组分,地热能是当今世界所倡导开发的环保型能源之一,以其利用范围广、经济价值高而越来越被人们所重视[1]。在这类项目中地热资源的开发利用实现了“高层次、低消耗、高产出”的社会经济效果,带来了地方经济的兴旺繁荣[2]。

因此,大力发展地热清洁能源勘查开发,促进地热资源科学、高效、综合开发利用,对优化我国能源结构、节能减排、环境保护和减少雾霾具有积极意义,也是促进生态文明建设的重要举措。南京地热资源类型繁多,成因复杂,但是地热资源与断裂构造关系特别密切,地热资源分布与断裂构造分布存在着一致性的特点,羊山地区断裂构造发育,断裂构造的研究对该区的地热资源勘查有着至关重要的作用。

1 区域地质背景与研究区构造解译

南京东郊地区基岩地质图如图1所示。该区中部主要分布新生界[3]的第四系[4]、中生界三叠系[5]和侏罗系,北侧和南侧地区主要分布古生界的泥盆系、石炭系、二叠系。

图1 南京市东郊地区基岩地质图

仙林地区在构造体系上隶属于淮阴山字型东翼宁镇反射弧前缘西翼。本区断裂主要有北东向、北北东向、北东东向和北西向断裂,其附近的褶皱主要为幕府山—栖霞山沿江残留复式背斜、沧波门—射乌山向斜和汤山—仑山复式背斜[6]。淮阴山字型构造示意图如图2所示,南京东郊地区构造示意图如图3所示。

图2 淮阴山字型构造示意图

图3 南京东郊地区构造示意图

(1) 褶皱。研究区主要位于沧波门—射乌山复式向斜核部,核部由三叠系—中侏罗系组成,该复式向斜由数个次一级的复背斜与向斜组成。

(2) 断裂。区域上的断裂有以下3种:① 压性断裂,为沿江压性断裂带(F1)、杨坊山—仙鹤观—羊山断裂带(F2);② 张扭性断裂,为山口村—高庄断裂带(F3)、坟头—栖霞镇断裂带(F6)以及与F3、F6平行的同性质断裂F4 、F5、F7、F8;③ 新华夏系压扭性断裂[7],为沧波门—栖霞镇断裂(F10)和断裂F9。

研究区内的主要断裂有4条:杨坊山—仙鹤观—羊山断裂带(F2)、坟头—栖霞镇断裂带(F6)、沧波门—栖霞镇断裂(F10)及断裂F9。

(1) 杨坊山—仙鹤观—羊山断裂带(F2)。F2位于仙鹤门—东阳向斜的北翼,呈舒缓波状北东东向延伸,该断裂在区域内长达20 km,贯穿整个测区。由于遭受F10的改造,断裂略显反“S”形,断裂走向扭转处为一山沟,断裂倾向南南东,倾角30°～50°,局部较陡,上盘为薛家村组角砾状灰岩,下盘以象山群砂岩为主,局部地段为黄马青组紫红色砂、页岩。上盘岩层受断裂牵引形成倒转背斜及与轴面平行的逆冲断层。次断裂的存在使仙鹤门—东阳向斜的北翼断掉,致使薛家村组逆掩在黄马青组和象山群之上,由南向北强烈挤压,造成南象山背斜南翼倒转和上盘的局部拖拽。仙鹤观—仙鹤门地质剖面示意图如图4所示。

图4 仙鹤观—仙鹤门地质剖面示意图

(2) 坟头—栖霞镇断裂带(F6)。F6位于该区中部,延伸较长,横穿仙鹤门—东羊水源地,其走向呈折线型,北北西(340°左右)向延伸。断裂带宽50 m左右,至少由2条大致平行的断裂和中间的断块组成地堑式断裂带。断面陡立,总的趋势向西倾,西盘向南东斜落,东盘向北西推扭。水平断距自南而北逐渐加大。羊山南麓地区地质剖面示意图如图5所示。

图5 羊山南麓地区地质剖面示意图

(3) 沧波门—栖霞镇断裂(F10)。该断裂为新华夏系北北东向压扭性断裂,走向25°～30°,断面南东倾,倾角较陡,东南盘向北东斜冲,西北盘向南西推扭,但时代较新,活动性强,在测区范围内的实地勘测发现,此断裂在羊山范围内沿北北东向山沟展布,以北北东方向切割羊山,同时在羊山上将杨坊山—仙鹤观—羊山断裂带(F2)错断。尽管断裂本身导水性差,但其旁侧北西向张性断裂裂隙发育,造成不同地段的一定水力联系,其切穿的灰岩段成为充水断裂和岩溶发育区;其南段隐伏于第四系之下,在麒麟门一带与张扭性断裂相交,并有麒麟门岩体侵入,在火成岩中还有北北东走向的灰岩捕掳体;在羊山有断层三角面。

本研究采用可控源音频大地电磁法(controlled source audio-frequency magnetotellurics，CSAMT),结合地质、钻孔资料进行地质物探综合解译,探测分析研究区约2 500 m深度内断裂位置及其展布特征[8]。CSAMT具有穿透力强的优点,通过加密频点的方法可提高分辨率;结合已有地质、钻孔资料分析划分层位,判读异常特征,区分真假异常以达到探测低阻覆盖层下断裂构造的目的[9]。

研究区断裂构造较发育,在CSAMT视电阻率剖面上出现横向突变、视电阻率等值线下凹或低阻异常,推测为断裂的反映[10]。

断裂F9分别经过0线、10线、15线、20线、40线,北北东走向,断面北西倾,倾角较陡;断裂F10分别经过0线、5线、10线、15线、20线、40线、50线,北北东走向,断面南东倾,倾角较陡; 断裂F6分别经过0线、10线、20线、40线,北北西走向,断面总体向西倾,倾角陡。断裂F9、F10、F6的切割深度均大于2 000 m,在CSAMT北东向剖面的展布形态如图6所示。

图6 CSAMT测深二维反演0线断面图

断裂F2分别经过60线、70线、80线,北东东走向,倾向南南东,切割深度大于2 000 m,该断裂在北西向剖面的展布形态如图7所示。

图7 CSAMT测深二维反演60线断面图

通过CSAMT探测,得到了上述4条断裂更具体的位置和形态,其平面展布特征如图8所示。北东东走向的断裂F2被北北东向的断裂F9、F10及北北西向的断裂F6切割,显示了断裂F2形成时间早于新华夏系压扭性断裂F9、F10及张扭性断裂F6,该探测结果与区域断裂资料断裂特征相一致,而且相对于区域小比例尺的工作资料,本次CSAMT探测更具体准确地推测出了断裂在平面和剖面上的位置及其展布特征。

图8 CSAMT测线示意及推断成果图

2 地热地质条件

地热水的形成、赋存、运移和出露受地质构造的控制,分布具有一定的规律,地热出露部位往往都是地质构造的交汇部位,断裂构造、特别是深大断裂对地热的成因有着重要的影响,一般地,断裂规模越大、切穿深度越大,近期活动性越强,越有利于地热的集中和传导,从而有利于地热异常的形成,区域性断裂与其次级断裂的交汇部位及张扭性分支断裂上,是热水炉头集中出露的地带,是地热水赋存的有利地段[11]。

2.1 地热成因与分类

研究资料表明,地热能一方面来源于地球深处高温熔融体,另一方面来源于放射性元素衰变所产生的热能。地热能按属性分为4类:① 热水型[12];② 地压地热能;③ 干热岩地热能;④ 岩浆地热能。上述4 类地热能中只有第1类热水型地热资源已步入规模化、产业化开发利用阶段,本次寻找的地热即为第1类热水型地热资源,即地球浅处(地下100～4 500 m)的热水或水蒸气[13]。

根据文献[14],地热资源按温度分高温(>150 ℃)、中温(≥90 ℃,<150 ℃)及低温(<90 ℃,≥25 ℃)。低温型一般为埋藏在基岩孔隙-裂缝介质中的地下热水[15],从区域地热地质分析,该区的地热勘查类型为低温型。

2.2 地热地质条件分析

据文献[16],郯庐断裂带以东岩石圈一般厚80～100 km,研究区岩石圈厚80～100 km;研究区居里面深度大于35 km，大地热流值58 W/m2左右，地温梯度约21 ℃/km[17]。地壳浅层区域地温场和地温梯度场分布与新生代构造活动相关。

根据该区地下水在介质中的赋存条件、水理性质、空间分布特征,将区内地下水分为松散岩类孔隙水、碎屑岩与火山碎屑岩层状裂隙水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水3种类型。其中深部的碎屑岩与火山碎屑岩层状裂隙水和碳酸盐岩类裂隙溶洞水是该区重点储热层。

碎屑岩与火山碎屑岩层状裂隙水主要赋存于中—古生界碎屑岩地层构造风化裂隙中,裂隙的发育受到如褶皱部位断裂构造性质、规模及岩性等多种因素的影响,这就决定了断裂构造的重要性。该区该类含水岩组为侏罗系的砂岩、火山岩,泥盆系、二叠系、三叠系中的砂岩,当岩性较完整时富水性不均一,单井涌水量均不大,一般小于100 m3/d;但在张性、张扭性断裂等局部有利构造部位,可达1 000 m3/d以上。

碳酸盐岩类裂隙溶洞水含水岩组主要为三叠系下统下青龙组(T1x)和上青龙组(T1s)、三叠系中统薛家村组(T2x)、二叠系下统栖霞组(P1q)、石炭系中上统黄龙组(C2h)灰岩和船山组(C3c)灰岩,单孔涌水量50～3 000 m3/d。含水岩组岩溶裂隙较发育,但因溶洞发育程度及地下水补给范围不同,水量差距悬殊(200～1 000 m3/d),若构造发育,溶岩发育溶蚀,连通性好,有利于地下水的赋存,则水量更大。

根据地热地质条件可知,地热区必须具备“热源、通道、热储、盖层”4个基本条件,即深部有热源及水源供给,下部有热水通道,中间有较好的储水条件,上部有较好的覆盖层。研究区地热地质条件分析如下：

(1) 热源、水源及水中化学成份的来源。江苏地下热水的“热”主要来源于地下深处按一定地温梯度逐步增加的累积温度，深度越大,温度越高。现有钻孔资料证实,江苏4 500 m深度地温可达115～150 ℃,研究区地温梯度在24 ℃/km,属正常场区。该区水源主要为大气降水,不同地区因地质环境的差异,其补给范围和时间也有很大区别,该区的自然环境决定了降水补给十分充裕。热水中各种化学成分是地下热水在深循环过程中不断吸取地壳中围岩成分所致。

(2) 流通条件。宁镇反射弧西翼弧形褶皱带是南京东郊主要构造形式,它严格控制了区内基岩地下水线的发育和水网的形成,后期的新华夏系以断裂形式复合于弧形构造之上,使对应方向的断裂得以加强,特别是北北西向的断裂组使其连通性好,张开程度加大,从而增强了导水性和储水性;此外,旁侧的裂隙密集带也成为赋水与导水的通道,是寻找地热资源的有利构造条件。

区域上的隆起与火山构造是中生代以来深部地幔热运动力作用的结果,该区F10和F2是深大断裂,前者还切割了南部的燕山期麒麟门岩体,是深部热源上导的主要通道。

(3) 储水条件。根据地面地质、水文地质调查,该区含水层(组)在构造不发育处以碳酸盐岩类岩溶裂隙水为主,在构造发育处以构造破碎带为主,断裂上盘,特别是张性断裂上盘通常是寻找地热有利部位。由于受北北东向、北东东向以及北西向构造断裂的交错切割,地层分布较为零乱、破碎,构造裂隙极为发育,促进了区内岩溶发育,形成了良好的地下水赋存空间和运移通道。

(4) 盖层条件。煤系地层为贫水层或隔水层,其热导率较低,且富水性差,又直接覆盖在热储之上,起保温隔热作用,是理想的地热盖层。

综上所述,研究区具备地热储积的“热源、通道、热储、盖层”等基本热储水文地质条件,具有良好的地热资源勘查前景。

3 结 论

通过对研究区的断裂构造进行地质物探综合解译研究,进一步探测了区内的4条断裂F2、F6、F9及F10的形态与展布特征,分析了构造与地热资源的关系,CSAMT测深工作提高了断裂推断的可靠性,研究成果对该区今后与构造相关的地质矿产工作,尤其是对地热资源研究、勘查、开采等工作具有一定的指导作用。羊山公园地区F6、F10、F2断裂构造交汇处是寻找地热资源有利部位,断裂上盘,特别是张性断裂F6上盘,通常是寻找地热有利部位。