蘇北浦南構造特征與地熱資源靶區預測研究

吳姍姍 康濤 張洋洋 李琳 沈瑞 賈志杰 王丹

摘 要：地熱資源是重要的綠色能源礦產，變質巖地區的地熱賦存條件與斷裂構造關系及其密切.充分的構造研究工作可有效提高變質巖地區地熱資源靶區預測的可靠性.綜合分析地質—物探資料的基礎上，采用可控源音頻大地電磁測深法、地溫測量和氡氣測量等工作方法，通過地質—物探成果綜合解釋，查明了研究區的深部斷裂特征和具體展布位置.經綜合研究得到了本區構造發育，且熱源、通道、儲層和蓋層等地熱地質條件較為良好的結論，并在地質構造和地熱條件良好部位預測了地熱找礦靶區，為下一步的地熱勘查開發提供了較為可靠的地質和物探依據，具有重要指導意義.

關鍵詞：構造；地熱；可控源音頻大地電磁測深法；地溫測量；氡氣測量；靶區預測；浦南

中圖分類號：P612

文獻標志碼：A

0 引 言

地熱作為新型能源之一具有低成本、可持續利用和綠色環保等其他能源不可比擬的獨特優點^[1-2].浦南地區為蘇北變質巖地區，變質巖地區的地熱賦存條件主要取決于構造的發育情況.電阻率低阻異常是識別地熱異常的主要標志，地熱勘查方法主要有中直流電法、大地電磁（MT）法和可控源音頻大地電磁測深（CSAMT）法.CSAMT法具有比中直流電法和MT法工作效率高，勘探深度大，且比MT法分辨率更高的優勢，為了解浦南地區的地熱勘查潛力，本研究采用CSAMT法、地溫測量和氡氣測量等工作方法^[3-5]，結合地質資料對浦南地區可能的構造發育地段進行構造特征研究，總結該區的地熱地質條件，進而推斷該區地熱資源勘查靶區.在CSAMT法工作成果的基礎上，選擇在視電阻率異常部位針對性地進行地溫測量和氡氣測量工作，可達到對CSAMT法勘查成果進行進一步驗證的目的，該組合方法可以有效提高本次構造特征探測及地熱資源預測的可靠性.

1 區域地質背景及物性特征

1.1 區域地質背景

浦南地區位于蘇魯造山帶的超高壓變質構造單元東南部，該地區長期隆起并遭受剝蝕.大別—蘇魯超高壓變質帶被郯廬斷裂所切割，分成大別（西部）和蘇魯（東部）2部分，蘇魯超高壓—高壓變質帶呈NE-SW走向，寬180 km，長750 km，北界以五蓮—煙臺斷裂與中朝板塊為鄰，南界沿嘉山—響水斷裂東段，轉為SSW延至張八嶺一帶，與揚子板塊相連^[6].研究區位于蘇魯超高壓變質帶南部（見圖1）.

1.1.1 地層

研究區為第四系覆蓋，蓋覆厚度不超過40 m，基巖地層主要為東海雜巖（Ar₂-Pt₁D）和王氏組（K₂w），分布的花崗質變質侵入巖為朐山片麻巖（JGn）（見圖2）.東海雜巖是一套包括了不同地質年代的變質地層和不同期次變質變形侵入巖，且以變質侵入巖為主的構造混雜巖.本區東海雜巖中的變質表殼巖主要由大理巖類、石英巖類、片巖類及白云變粒巖等組成，在地表附近，變質表殼巖常常呈構造透鏡體形狀賦存于變質侵入巖（朐山片麻巖）中.變質巖作為儲層本身含水性并不良好，但變質構造發育處也可以成為地熱賦存的良好部位，巨厚的變質巖覆蓋在熱儲之上作為蓋層可以起到一定的隔熱保溫作用.

1.1.2 構造

研究區內斷裂構造比較發育，具有多期性，主要構造線呈平行、垂直或斜交，方向主要為北北東和北西方向，規模較大.斷層性質主要有北北東向逆斷層及在剪切應力作用下形成的北西向平移斷層.多期斷裂構造活動破壞褶皺的完整性，改造了錦屏組含磷地層的分布狀態.基巖出露區，斷裂不太明顯，規模較小，覆蓋區經鉆探與物探證實斷裂十分發育.現將研究區周邊主要構造描述如下：

1）錦屏山西麓—臨洪口斷裂（F₁）.位于研究區西部，錦屏山西麓劉頂—巴狗莊—尹巷—小東關—臨洪河口一線，長約30 km.大部分被第四系覆蓋，僅在錦屏山西麓地表見次一級斷裂.據地表及鉆探揭露，斷層走向10°～20°，傾向南東，傾角40°～50°左右.斷裂西側為東海巖群及王氏組，東側均為朐山組.在海州下山虎地表見次一級斷裂組合成雁式排列，從次一級雁式排列的斷層與主干斷層關系推測主斷層東盤北移；據劉頂附件鉆孔揭示，孔深53～56 m處見構造混雜巖及斷層泥，自上而下見朐山組和錦屏組直接接觸，推測為逆斷層.

2）大官莊—浦南平移斷層（F₂）.位于研究區西南部地區，分布于大官莊—浦南，斷層走向北西西向，根據鉆孔揭示，斷層南北兩側巖性明顯差異，且巖層不連續.與F1斷層相交北西側為王氏組構成的斷陷盆地，斷層控制王氏組南北邊界，推測為平移斷層.形成時間可能為燕山晚期至喜山期.

1.2 巖（礦）石物性特征

根據蘇北地區56份物探工作報告中提供的6 500塊標本（或地點）的物性測定成果進行歸納，獲得蘇北變質巖區各類巖礦石的密度、磁性和電性參數（見表1），其特征如下：

1）第四系和白堊系均呈低密度無磁或微磁特征，變質基底密度及電阻率較高，除大理巖外普遍具不均勻磁性.

2）第四系電阻率較低，尤其海相淤泥層和咸水層電阻率低至幾個歐姆米.

3）變粒、淺粒巖類、石英巖類密度和電阻率偏低，而磁性數值較高，尤其是剩磁遠大于感磁，與原巖含硅質成分較高和在變質過程中受磁性礦物混染或原巖為火山成因的巖漿巖相關.

4）變質片巖類和大理巖類密度值較高，磁性相對偏低，其中大理巖類不具磁性，與其原巖含鈣和鎂質成分較高相關.

5）花崗片麻巖和二長片麻巖類在變質巖中密度值最低，磁性相對偏高，大部分巖性以感磁為主，與原巖為中酸性侵入巖相關.

6）云母、斜長和角閃片麻巖密度值偏高，磁性亦偏高，尤其是黑云角閃片麻巖類，磁性較強，與原巖為中基性侵入巖相關.

7）元古代變質基性—超基性侵入巖具較高的密度和較強磁性，并且剩磁大于感磁.當基性—超基性巖蛇紋石化或蝕變為蛇紋巖后，密度和磁性均大大降低.

8）中生代巖漿巖的密度、磁性隨巖性由中性→中酸性→酸性過渡而逐次降低.總體上，其密度值低于變質巖，而磁性高于變質巖.

2 構造特征研究

2.1 地質—物探綜合解釋思路

本研究將CSAMT、氡氣測量和地溫測量工作成果結合區域地質、物探和鉆孔等資料進行地質—物探綜合解譯，分析研究區內約2 500 m深度內的地層巖性分布和斷裂展布特征^[7].解釋工作以CSAMT資料為主要地層和構造辨別依據，通過各電性層位與地質背景對比分析進行地層劃分.通過仔細辨別CSAMT視電阻率異常特征探測識別構造，輔以氡氣測量和地溫測量資料對CSAMT剖面解釋出來的構造進行佐證，可以使探測判斷的構造更為可靠^[8-9].

2.2 地層劃分

研究區處于東海雜巖分布區，因變質巖都有著較高的電阻率^[10]，故本次CSAMT法所反演斷面中，視電阻率值普遍較大，一般大于1 000 Ω·m，高程-1 500 m以深基本都在7 000 Ω·m以上.

研究區內地表主要以第四系覆蓋為主，研究區附近淺鉆揭示，本區第四系厚度約為30 m（見圖3）.從研究區基巖地質圖及相關地質資料可知，本地區的基巖主要為東海雜巖和白堊系王氏群，東海雜巖是一套包括了不同地質年代的變質地層和不同期次變質變形侵入巖，且以變質侵入巖為主的構造混雜巖，變質表殼巖主要由大理巖類、石英巖類、片巖類及白云變粒巖等組成，地表多以大小不等的構造透鏡體形式賦存于東海雜巖之變質侵入巖（朐山片麻巖）中.

縱觀5條測線的視電阻率等值線斷面圖（見圖3～圖7），5條測線在垂直方向上都明顯存在視電阻率值發生躍變的梯度帶，梯度帶的上方為中低阻區，梯度帶的下方為中高阻區，且中低阻區由南向北呈增厚的趨勢.根據區域重磁資料及電性參數，研究區變質基底密度及電阻率較高，推測5條CSAMT 反演視電阻率等值線斷面圖上部的東海雜巖組成主要為變質表殼巖與花崗變質侵入巖的混雜體，由于花崗變質侵入巖的侵入作用，使變質表殼巖變得較為破碎，會引起一定的低阻異常，測線淺部基本呈低阻特征，視電阻率值一般都在300? Ω·m以下，應為地表東海巖群變質表殼巖賦存于變質侵入巖中的反映， 深部視電阻率值較高，應為以朐山片麻巖為主的相對完整東海雜巖變質基底.僅CSAMT 3線的西側視電阻率一般都在300 Ω·m以下，結合已有地質資料推測為白堊系王氏群.由南向北中低阻區逐漸變厚表明，較完整的東海雜巖變質基底埋深由南向北逐漸加深.

2.3 構造解釋

從5條CSAMT反演視電阻率剖面圖看（見圖3～圖7），推斷測線上有3條斷裂經過，即DF1、DF2和DF3，DF1、DF2和DF3均為在研究區范圍內，走向總體為北北西向（見圖8）.

DF1斷裂縱跨研究區內4條CSAMT測線，自北向南分別經過2線點號1 850 m，3線點號3 000 m，4線點號2 000 m，5線點號2 100 m，斷裂展布北北西走向.電性特征顯示斷層規模大，斷點經過之處，均有明顯的低阻異常，視電阻率異常帶寬數百米且延深較好，從4條斷面中視電阻率異常形態來看，該斷層經過的漏斗狀視電阻率異常尖部總體朝向西，推測該斷層向南西傾斜，下切深度超過2 000 m.

DF2斷裂縱跨5條CSAMT測線，自北向南分別經過1線點號1 400 m，2線點號2 400 m，3線點號3 700 m，4線點號2 350 m，5線點號2 450 m，斷裂展布北北西走向.電性特征顯示斷層規模大，斷點經過之處，均有明顯的低阻異常，視電阻率異常帶寬數百米且延深較好，從5條斷面中視電阻率異常形態來看，該斷層經過的漏斗狀視電阻率異常尖部總體朝向東，推測該斷層向北東傾斜，下切深度超過2 000 m.

DF3斷裂縱跨該3條CSAMT測線，自北向南分別經過1線點號2 000 m，2線點號3 000 m，3線點號4 000 m，4線點號2 900 m，5線點號2 950 m，斷裂展布北北西走向.視電阻率異常帶寬數百米且延深較好，從5條斷面中視電阻率異常形態來看，該斷層經過的漏斗狀視電阻率異常尖部總體朝向東，推測該斷層向北東傾斜，下切深度超過2 000 m.結合CSAMT法的推斷成果，在CSAMT 4線的1 500～3 500 m上布置測氡和測溫工作，從圖6可以看出， DF3斷裂經過的斷點上方，地溫和氡氣都出現了明顯異常.本研究的斷裂推斷成果主要依據CSAMT反演斷面的異常特征，并利用氡氣測量和地溫測量成果作為驗證，通過3種技術方法對異常部位進行相互印證推斷，斷裂推斷成果的可靠性得到了極大地提高.

綜上所述，本次CSAMT反演電阻斷面結合氡氣測量和地溫測量剖面可推斷出3條北北西走向隱伏斷裂DF1、DF2和DF3，傾角較陡，斷層規模較大，結合區域地質資料，該3條斷裂分布位置與錦屏山西麓—臨洪口斷裂分布的位置大致可以對應，推測DF1、DF2和DF3斷裂可能為錦屏山西麓—臨洪口斷裂及其次級斷裂，即為區域上的海泗斷裂的一部分，推測該斷裂組主活動期應在中生代晚期.DF1、DF2和DF3，深構造可溝通深部熱源，為熱源流通提供良好的通道，并且地熱資源可在深部合適的變質巖構造發育部位得以儲存，覆蓋在熱儲之上的巨厚變質巖導水導熱性差，可作為天然的隔熱屏障.

3 地熱資源遠景預測

3.1 地熱地質條件分析

3.1.1 熱 源

研究區熱源來自地殼深部，地溫與熱儲埋深相關，熱儲埋藏越深，地溫越高，區域大地熱流值比全球平均值和華北平原的熱流值略高^[11].在溫度帶中分區中，浦南地區處于的暖溫帶地區，恒溫帶深度約20 m，恒溫帶指的是距地表最淺的年溫度變化小于 0.1℃的帶，該帶地溫不受太陽輻射影響，不同緯度地區的恒溫帶深度不同.根據暖溫帶地區恒溫帶溫度計算公式，T_g=0.96T_amb+1.68（T_g為恒溫帶溫度，T_amb為平均氣溫，本區取值14℃），浦南地區地層恒溫帶溫度T_g=15.12 °，區域地溫梯度值接近2.8 C°/100 m，湯廟地區的地溫梯度為2.4℃/100 m，東海大陸科學鉆100～1 980 m的平均地溫梯度約為2.39℃/100 m，李埝地熱經井從井深100～1 980 m井溫為19.25～50.4℃，平均地溫梯度為1.66℃/100 m.這些都說明研究區周邊井的地溫梯度低于區域的地溫梯度值.

3.1.2 通 道

本次CSAMT法成果初步推斷的3條斷裂DF1、DF2和DF3呈北北西走向，斷層規模較大，為研究區的控熱和導熱構造，從CSAMT剖面圖上看，斷裂下切深度較深，基本超過2 000 m，這些深斷裂可作為地下熱水上下運移的構造通道，更好地與深部熱源進行溝通.據推斷該斷裂組可能是錦屏山西麓—臨洪口斷裂及其次級斷裂，為區域上的海泗斷裂的一部分，形成于中生代，中生代晚期海泗斷裂控制了王氏群斷陷盆地的形成和發展，錦屏山西麓—臨洪口斷裂及其次級斷裂的活動改造了錦屏組的分布狀態，其與深部熱源具有良好的溝通條件，故本區具有良好的深循環條件.

3.1.3 儲 層

研究區的地熱資源主要儲存在東海雜巖的構造破碎帶中，東海雜巖巖性主要為石英巖、大理巖和片麻巖等變質巖，其中，大理巖儲水性相對較好.變質巖儲水性主要取決于構造裂隙的發育程度，巖性完整的變質巖儲水性總體較差，但構造裂隙發育良好部位也可能成為有利的地熱資源儲集空間，3組北北西向斷裂及其附近發育的裂隙（若深部存在花崗巖侵入體，裂隙將較為發育）為本區的斷裂型儲水構造，故本區具有一定的儲水空間.

3.1.4 蓋 層

研究區地熱資源的保溫蓋層主要為巨厚的變質巖，由于變質巖厚度很大，也可以起到一定的保溫及隔水作用.

經綜合分析，可認為研究區在熱源、通道、儲層和蓋層4個方面基本具備了形成地下熱水的地熱地質條件，研究區大地熱流相對較高，地下熱源條件較好，地質—物探推測的北北西向斷裂DF1、DF2和DF3及斷裂附近發育的構造裂隙可作為熱源通道和儲水構造，保溫蓋層主要為巨厚的變質巖，研究區地熱勘查類型為基巖裂隙型^[12].本區綜合推斷成果如圖8所示.

3.2 地熱靶區預測

根據本次研究工作解釋成果及研究區地熱地質條件，在工作綜合程度較高的4測線布置范圍建議了2個地熱井位DR01和DR02，分別位于4線點號1 600 m和3 000 m，設計井深均為2 000 m，其平面位置及推斷成果如圖8所示.

根據地質資料及CSAMT解譯成果，DR01和DR02井位分別于DF1和DF3斷層上，兩斷層切割深度大，且斷層位置分別與前人推斷的錦屏山西麓—臨洪口斷裂（F1）及其次一級斷裂位置大致對應（見圖8）.斷裂附近視電阻率明顯低于左右兩側，以V型向深部延伸，推測此處斷裂破碎帶發育，富水較好，熱儲有一定的埋藏深度.設計鉆井處熱源條件較好，斷裂溝通深部熱源，為地下熱流向上運移提供了良好的通道，中深部地層主要為東海雜巖地層，巖性為變質巖和變質侵入，巖厚度較大，在構造發育處也可作為良好的地熱儲層，根據CSAMT剖面成果資料，與DR02相比，DR01井位對應的視電阻率低阻異常更為明顯，構造條件更優越，為本次優選井位.

3.3 預測地熱鉆孔特征

3.3.1 預測鉆遇地層

DR01鉆遇地層分別為第四系（0～30 m）和元古界—新太古界東海雜巖（30～2 000 m）.目標熱儲層埋深1 000～2 000 m，巖性為元古界—新太古界東海雜巖，為該巖段斷裂經過處的破碎部位.

DR02鉆遇地層分別為第四系（0～30 m）和元古界—新太古界東海雜巖（30～2 000 m）.目標熱儲層埋深1 000～2 000 m，巖性為元古界—新太古界東海雜巖，為該巖段斷裂經過處的破碎部位.

3.3.2 預測地熱資源水溫

依據臨區的東海大陸科學鉆和李埝林場地熱-1井地溫都為37℃，深度2 000 m處，地溫分別為62和50℃，李埝林場地熱-1井出水溫度為43℃，屬于低溫熱水.由此推測，若區內熱儲為自然增溫型，由此推測，DR01和DR02地熱井深2 000 m處地溫約為40～50℃，地熱井出水溫度約40～45℃.DR01和DR02孔的目標儲層都是東海變質雜巖中的構造破碎帶，據本次調查資料及前人資料推測DR01的目標儲層埋深在1 000～2 000 m范圍內，DR02的目標儲層埋深在1 000～2 000 m范圍內，若為天然熱儲則鉆深可淺一些.鉆井過程中若遇合適熱儲，即該深度水溫水量滿足要求，也可停鉆成井.

3.3.3 預測地熱資源水量

由于地下熱水分布受構造控制，帶狀分布，富水性具明顯的不均勻性，給水量估算帶來較大困難，目前只能依據前人水文勘探資料及本次CSAMT資料推斷.從區域水文資料看，鄰區李埝林場地熱-1井在降深20 m時出水量為708 m³/d，本次設計的地熱井如果能鉆遇含水組破碎帶，出水量估計能達到200～300 m³/d.

3.3.4 預測地熱資源水質

根據本次調查及研究區附近水文井資料顯示，本次熱水化學類型估計為HCO₃、Cl-Ca、Na和HCO₃-Ca型水，可用于供生活熱水、溫泉洗浴、理療和農業溫室等方面.

4 結 論

通過對研究區展開地質構造研究，地熱地質條件分析和地熱資源遠景區預測等研究工作，得到主要結論如下：

1）對研究區斷裂進行了綜合物探工作探測，進一步探測了研究區斷裂的具體位置和展布特征，推斷出3條北北西走向隱伏斷裂DF1、DF2和DF3，這些斷裂與區域地質背景的斷裂分布位置大致可以對應.

2）研究區大地熱流相對較高，地下熱源條件較好，熱源通道和儲水構造為DF1、DF2和DF3 3條北北西向斷裂及其附近發育的構造裂隙，巨厚變質巖地為本區地熱資源的保溫蓋層，研究區地熱勘查類型為基巖裂隙型.本研究區基本具備了形成地熱的 熱源、通道、儲層和蓋層4個方面的地熱地質條件.

3）在工作綜合程度較高的4測線地熱地質條件較好部位建議了2個地熱井位DR01和DR02，設計井深均為2 000 m，對地熱井深部地層分布、水溫、水量和水質進行了預測，出水溫度預測約為40～45℃，出水量估計能達到200～300 m³/d，本次熱水化學類型估計為HCO₃、Cl-Ca、Na和HCO₃-Ca型水.

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（實習編輯：羅 媛）

Study on Structural Characteristics and Geothermal Resource Target Area Prediction in Punan of North Jiangsu

WU Shanshan，KANG Tao，ZHANG Yangyang，LI Lin，SHEN Rui，JIA Zhijie，WANG Dan

（Geological Exploration Technology Institute of Jiangsu Province，Nanjing 210049，China）

Abstract：Geothermal resources are important green energy minerals，and the geothermal occurrence conditions in metamorphic rock areas are closely related to the fault structure.Sufficient tectonic research work can effectively improve the reliability of geothermal resource target prediction in metamorphic rock areas.Based on the comprehensive analysis of the basic geological and geophysical data，the controlled source audio magnetotelluric method（CSAMT），ground temperature measurement，radon gas measurement and other working methods were used，and through the comprehensive interpretation of geological-geophysical exploration results，the deep fault characteristics and specific distribution location in the study area had been identified.After comprehensive research，it was concluded that the structure was developed in this area and the geothermal geological conditions such as heat source，channel，reservoir，caprock were relatively good，and the geothermal prospecting target area was predicted at the location with favorable geological structure and geothermal conditions.This research work can provide a relatively reliable geological and geophysical basis for the next geothermal exploration and development，and thus has important guiding significance.

Key words：structure;geothermal;controlled source audio magnetotelluric method（CSAMT）;ground temperature survey;radon gas survey;target prediction;Punan