组合物探方法在地热资源勘查中的应用

苟万灯， 刘海飞， 柳建新， 李昶萱

(1.中南大学 地球科学与信息物理学院，长沙 410083；2.有色资源与地质灾害探查湖南省重点实验室，长沙 410083)

0 引言

地热资源作为一种绿色清洁的可再生能源，可广泛应用于理疗养生、温泉洗浴、发电以及深部矿泉水加工制造等多个领域，具有重要的经济开发价值和社会意义[1-3]。常德市热市镇地区地热资源丰富，热泉温度最高超过49℃，具有资源的多级、循环利用特征。因此，开发热市镇地热资源符合国家提倡新能源应用及资源可持续发展的要求，为桃源县推动生态文化旅游业全面升级和创建国内、外知名生态文化公园和旅游目的地提供了保障，成为当地实现精准脱贫和改善民生的重要途径。

地热资源勘查的核心问题是深部靶区的准确圈定，由于温泉形成往往与深部构造密切相关[4]，地面地质调查方法难以查明深部构造的发育情况及其产状信息等，因而圈定异常靶区主要依靠地球物理探测手段。近年来，大地电磁法、激测深法和联合剖面法在地热勘查中取得了较好地应用[5-13]，为本次地热勘查的物探方法选择提供借鉴。

大地电磁测深法采用单点矢量测量方式，具有不受高阻层屏蔽、对高导层分辨能力强、勘探深度大等优点[14]，但该方法采集的是天然场源的电磁场信号，在人文干扰较大的地区会存在高频部分数据信噪比低的问题。而激电测深法和联合剖面法由于采用人工发射源，具有抗干扰能力强及浅部分辨率高等特点。因此，将三种方法组合起来，可以达到优势互补的目的。本次案例首先采用联合剖面法查明研究区内断裂构造的平面位置分布；其次采用大地电磁测深法查明主要断裂带或破碎带的构造规模、深部产状及含水性；最后在主要异常区开展激电测深工作，查明断裂构造的赋水情况，为确定钻孔位置和深度提供依据。

1 研究区地质与地球物理特征

1.1 地质环境条件

热市镇位于湖南省桃源县北部，距县城64 km，毗邻慈利县、石门县。在地热构造上位于湖南省花垣～张家界～慈利区域性深大控热断裂的北东端南东延伸带上，处于低温地热资源(温水—温热水)区。区域构造(图1)属于武陵山隆起带的东端，主体构造为热市背斜、七姑山压性断裂(F1)、周家溶扭性断裂(F2)、热市张性断裂(F3)、仙娘庙张扭性断裂(F5)。此外，在热市河谷温泉出露地带发育一张扭性平移断裂(F4)断裂。

图1 热市地区构造图Fig.1 Structural map of Reshi

区内主要出露地层岩性为寒武系中上统娄山关群(∈2-3ls)灰、灰白色中厚层白云岩。奥陶系下统南津关组(O1n)、分乡组(O1f)、红花园组(O1h)灰岩、白云质灰岩等；奥陶系下统大湾组(O1d)灰岩、泥灰岩及硅化灰岩；奥陶系中统(O2)灰岩、泥灰岩；奥陶系上统(O3)泥灰岩、硅质岩；志留系(S)页岩、砂质页岩等；泥盆系中统云台观组(D2yn)石英砂岩,偶夹灰黄色砂质页岩；白垩系(K)泥质、钙质粉砂岩、细砂岩、砂质泥岩夹砂岩；第三系(K)钙质砂岩、粉砂岩等；第四系(Q)黏土、砂、砂砾岩等。

1.2 温泉形成机制

根据前人研究成果可知[15]，温泉的形成主要与以下几个因素密切相关：

1)热源。受区域深大断裂构造的影响，研究区内断裂构造发育、规模较大，北东向、北东东向及北西向断裂在地热异常区及附近交汇，表明该处为一地应力集中区；且研究区域及临近区域内没有岩浆岩出露。据此推测区内主要热源为地球深部的热流，其次是放射性物质衰变热。

2)输热通道。区内热市断裂(F3)及次级张扭性平移断裂(F4)破坏了地下岩石的完整性，在断裂带及其附近产生了大量的裂隙，为深部热源的释放和流通提供了有利的通道。

3)热储层。区内广泛发育的岩溶管道、溶蚀裂隙以及断裂构造为地下水和热能的储存提供了有利的空间。南东侧奥陶系下统大湾组(O1d)灰岩、泥灰岩、硅化灰岩，奥陶系中统(O2)灰岩、泥灰岩，奥陶系中统(O3)泥灰岩、硅质岩等岩溶裂隙发育较弱，含水性差，为地热田的热储盖层。

4)地下水活动。区内地下热水主要靠大气降水进行补给，大气降水沿断裂及裂隙渗入地下。通过区域性深大断裂和纵横交错的裂隙系统，地下水资源可以有效地流通、富集和循环，从而保障了地下热水有稳定的水量补给来源。

1.3 地球物理特征

根据水文地质调查资料，区内地层主要为寒武系白云岩，奥陶系灰岩，白垩系钙质、泥质粉砂岩以及第四系覆盖层。第四系覆盖层电阻率相对较低(50 Ω·m ～ 100 Ω·m)，完整灰岩电阻率相对较高(200 Ω·m ～ 4 000 Ω·m)，地下水电阻率一般小于100 Ω·m，对于含水或泥的构造破碎带电阻率通常较低，仅几十欧姆，与围岩之间存在明显的电性差异，为本工区开展大地电磁测法、联合剖面法和激电测深工作提供了良好的地球物理前提。

表1 测区常见岩石电阻率表

2 方法技术

研究区内地热资源勘查采用大地电磁测深、激电测深和联合剖面三种方法，共布设6条测线。测线及测点按照西小东大、南小北大的原则标记为L1、L2、…、L6线(图2)。其中大地电磁测深法布设测线3条(L2、L3、L4线)，激电测深法布设测线3条(L1、L5、L6线)，联合剖面法布设测线1条(L4线200 m～900 m段)。

图2 测线布置示意图Fig.2 Layout of survey lines

联合剖面法[16]具有分辨能力强，低阻异常明显等优点，是寻找和追索良导电陡立体的最有效方法。首先采用联合剖面法查明研究区内断裂构造的平面分布位置，测量仪器采用重庆奔腾数控技术研究所研制的WDJD-4型多功能数字直流激电仪。供电电极距AO=BO分别为70 m和150 m,对应测量电极距MN分别为20 m，点距为10 m；共用无穷远电极C布设与测线中垂线上，与测线的距离大于AO距离的五倍。

大地电磁测深法[16]是区内选择的最主要工作方法，该方法具有勘探深度大、不受高阻层屏蔽以及对高导层分辨能力强等特点，能够有效探测与地热成因有关的断裂构造位置和基底构造形态，为钻探布孔提供依据。测量仪器采用加拿大凤凰地球物理公司的V8电法工作站，测点点距40 m。在野外测点上记录电场水平分量Ex、Ey(电极距40 m)和磁场水平分量Hx、Hy(磁传感器距离20 m)四个分量，且单点测量时间不少于60 min。

在大地电磁测深的测量结果上(P3)采用激电测深法进一步确定研究区内断裂构造的赋水情况以及产状和位置，辅助确定地热勘探孔的选点位置。测量仪器采用WDJD-4型多功能数字直流激电仪，辅助设备为日本泽腾5 Kw发电机，供电电压为660 V，最大供电电流为3 200 mA；供电时间为8 s，断电延时为200 ms。数据采集采用三极测深装置,测量电极距MN=40 m,最大供电极距AB/2=1 620 m，具体极距排列为40 m、80 m、120 m、160 m、200 m、240 m、280 m、320 m、360 m、400 m、460 m、520 m、580 m、640 m、700 m、760 m、840 m、920 m、1 000 m、1 080 m、1 180 m、1 280 m、1 380 m、1 500 m、1 620 m,点距40 m。数据处理采用中南大学IPInv直流激电反演解释系统[17-19]。

3 物探成果解释

3.1 大地电磁测深法异常特征

大地电磁测深法的异常解释基础是识别反演断面中电阻率等值线的高、低阻异常特征。在完整基岩段，等值线呈疏密均匀、连续分布；在岩溶裂隙发育带，等值线呈低阻异常或高、低阻梯度变化特征。笔者以L3、L4线为例进行解释分析，图3和图4分别为L3、L4线的大地电磁测深结果图。

图3 L3线大地电磁测深成果图Fig.3 MT results of line L3(a)反演断面图;(b)地质推断图

图4 L4线大地电磁测深成果图Fig.4 MT results of line L4(a)反演断面图;(b)地质推断图

图3(a)中在测线400 m附近，电阻率等值线在浅层横向梯度上变化较大、在深层呈“漏斗”状低阻，并在该点两侧出现了不连续现象，结合地质资料推断为热市断裂(F3)的反映。根据断面等值线形态特征，断层倾角在浅部较大，随着深度的增加有变缓的趋势；在断层带及其附近电阻率差异明显，推断岩石较为破碎、赋含水条件较为有利。在测线120 m ～ 300 m段、深度为250 m～ 700 m内，电阻率等值线呈现“漏斗”状低阻异常特征，推断该区域岩溶裂隙较为发育。

L4线反演断面特征L3线基本一致，吻合度较高。在测线460 m附近，电阻率等值线在横向梯度上变化大，为F3断层的反映。在测线150 m～ 300 m段、深度为250 m ～ 750 m内，电阻率等值线呈“漏斗”状低阻异常，该异常与L3线对应段异常相近，推断为同一异常。

根据L3、L4线反演断面可知，测线电性不均匀性较为明显，电阻率值随深度的增加而增大，总体上可分为三个电性层：第一电性层为断层上盘深度由地表至深度800 m左右，电阻率为25 Ω·m ～ 250 Ω·m，推断为白垩系(K)，岩性以钙质、泥质粉砂岩、细砂岩、砂质泥岩为主；第二电性层为断层下盘深度由地表至深度为800 m左右、上盘深度为800 m～ 2 000 m，电阻率为100 Ω·m ～ 400 Ω·m，推断为奥陶系(O)，岩性以灰岩、白云质灰岩、泥质灰岩为主；第三电性层为断层下盘深度为800 m以下，电阻率大于400 Ω·m，推断为寒武系(∈)，岩性以白云岩为主。

3.2 联合剖面法异常特征

联合剖面法的异常特征在视电阻率曲线主要表现为正交点、“同步低”和阶梯状异常三种类型[20]。依据两条曲线的低阻正交点(或同步下降)异常可推断断裂构造带或岩溶发育带，同时根据不同极距的低阻异常的位移情况，可确定断层的倾向和倾角。

从L4线200 m～ 900 m段联合剖面视电阻率曲线(图5)可以看出，两个极距的曲线形态基本相似，均存在一个低阻正交点，浅部(AO=70 m)正交点位于490号点附近，深部(AO=100 m)正交点位于520号测点附近，正交点两侧视电阻率值相差较大，存在一个较明显的电性界面。与L4线大地电磁测深所确定的断裂相对应，为F3断层的反映，倾向为南东向，倾角约为76°。

图5 L4线联合剖面电阻率曲线图Fig.5 Composite profile resistivity curve of line L4

3.3 激电测深法异常特征

由于地下水与围岩及其他低阻体间的电化学和导电性差异，当存在岩溶发育带和断裂破碎带时，激电测深异常呈现出低阻高极化特征。本次测得二次场最小电位值为146 mV、最小电流值为153 mA，笔者以L6线的反演结果为例进行解释分析，图6(a)和图6(b)分别为L6线的视电阻率和视极化率反演断面图。

图6 L6线激电测深成果图Fig.6 IP results of line L6(a)电阻率反演断面图;(b)极化率反演断面图;(c)地质推断图

由图6(a)和图6(b)可以看出，断面电阻率值普遍偏小(小于500 Ω·m)，推断地层以奥陶系灰岩和白垩系粉砂岩为主。在测线400 m附近，电阻率等值线在近地表区呈现出明显的高、低阻梯度变化异常，并且在深度范围-100 m～ -600 m内呈现出低阻异常特征，推断为F3断层的反映；并且在断层带及其附近呈高极化特征，推断岩石较为破碎，赋水性较好。在断面小号方向、深度范围-200 m～ -500 m内，呈现出相对低阻高极化异常，推断为岩溶裂隙发育带的反映。

4 钻孔布置与结果验证

根据物探勘查结果，结合水文地质资料，地热资源钻孔TK1布置在L3线220 m处(图2.1)；TK2布置在L4线480 m附近(北东向30 m处)。钻探过程记录见表2。

表2 钻探过程记录

TK1孔钻探结果显示：孔内存在的主要含水段在439 m～ 440.50 m，向下补给，出水段温度为42.5℃，含水岩性为方解石夹灰岩，另外395.6 m～ 407 m段也存在少量裂隙水；与大地电磁测深L3线所推断的岩溶裂隙发育带吻合。TK2孔钻探结果显示：孔内存在的主要含水段在286.3 m～ 288.3 m，向上补给，出水段温度为45.3℃，含水岩性为灰岩，另外143.5 m～ 147.1m段含少量裂隙水；与L6线激电测深和L4线大地电磁测深所推断的断裂破碎带相符合。

5 结论

笔者结合大地电磁测深法、联合剖面法和激电测深法，互补各自技术的优缺点，在热市地热资源勘查中准确圈定了中、浅层靶区，为钻孔位置的成功布设提供了准确的指导，形成以下结论：

1)热市地区地下热水的成因、赋存和流通条件受到特定地质条件的制约，尤其是与深大断裂关系密切，而断层破碎带和岩溶裂隙的发育程度则决定了热储层的赋、含水条件。构造交汇部位，特别是张性断裂带，通常是地下热水的富集通道，为以后地热资源勘查的首选方向。

2)联合剖面法分辨率高、异常反映明显，可以查明研究区内断裂构造的平面位置和产状特征。大地电磁测深法工作效率高、探测深度大、纵向分辨能力强，可以有效划分地层的电性特征，适用于探测区域性深大控热断裂和圈定地热靶区，但其抗干扰能力较弱，对外界环境要求较高。激电测深法抗干扰能力强、对含矿物质的地热水反映明显，但其探测深度有限，可作为大地电磁测深法的浅层信息补充。

3)笔者所述组合物探方法有效发挥了物探方法探测深度大、效率高等优点，多方法、多参数的探测成果可弥补地球物理反演中存在的多解性的问题，使深部勘探的结果更准确可靠。