綜合物探方法在湯山背斜北部地熱勘查中的應用

謝紅青, 宋 濤, 余云春, 吳建峰, 曾朝偉, 高云嬌

(1.江蘇華東基礎地質勘查有限公司,江蘇 南京 210007;2.江蘇省地質局,江蘇 南京 210001)

0 引言

地熱資源是一種綠色低碳、可循環利用的可再生清潔能源,在當今環境污染問題和能源短缺問題趨于嚴重的情況下,科學合理的開發地熱資源是有必要的[1-2]。地熱資源分布廣泛,具較好的規律性和地帶性,但常因埋深較大需投入深部勘查工作。在地熱勘查與開發實踐中,綜合物探方法被廣泛用于控熱構造探測、熱儲預測、地熱開發監測等關鍵環節。楊永淞等[3]采用實測重力與區域重磁數據綜合處理,分析地熱異常區的隆坳格局和斷裂構造,預測地熱靶區;張大明等[4]基于重力和大地電磁勘探成果,預測古潛山碳酸鹽巖溶蝕界面熱儲層;王軍成等[5]采用可控源音頻大地電磁法(CSAMT)、廣域電磁法(WFEM)和微動探測等綜合物探方法探測導水斷裂和巖溶連通處的優質熱儲;韓元紅等[6]采用二維地震、音頻大地電磁(AMT)和靜電α卡測氡綜合物探方法解譯推測含水斷裂;高博涵等[7]選擇CSAMT和瞬變電磁法(TEM)在火山巖地區探測含水斷裂和裂隙,綜合物探方法在大量的地熱勘查實例中發揮一定的作用。本文以湯山背斜北部地區為研究對象,通過區域重磁結合廣域電磁勘探,在分析區域隆坳格局、斷裂構造特征以及巖漿巖分布規律等地質背景的基礎上,開展地熱地質分析,依據廣域電磁勘探成果優選有利控熱導熱構造及巖溶熱儲構造,部署地熱探井揭露驗證,分析地熱資源成因模式,以期為同類地區地熱資源勘探提供參考。

1 研究區地熱地質

1.1 地質背景

研究區位于南京市東部的湯山鎮西側,大地構造位置屬下揚子地塊寧鎮褶皺束—湯侖復背斜—湯山短軸背斜北翼(圖1a)。印支期以前寧鎮地區以穩定的地臺沉積、升降運動和弱巖漿活動為主要特征。印支期—燕山早期,受太平洋板塊運動的影響,華北板塊與揚子板塊碰撞拼合產生陸內俯沖,強烈的造山作用使淺部大陸殼變形,南北向的擠壓力造就著名的寧鎮山脈“三背兩向”復式褶皺構造樣式:自北向南分別為龍潭—倉頭復背斜、范家塘復向斜、寶華山—朝鳳山復背斜、樺墅—亭子復向斜、湯山—侖山復背斜,湯山短軸背斜即位于湯山—侖山復背斜西段核部(圖1b)。在燕山中晚期的扭動構造作用與喜馬拉雅期的擠壓構造作用下,產生一系列壓扭—張扭斷裂構造和逆沖推覆構造,基本形成目前寧鎮地區的構造格局[8-11]。

研究區所在的寧鎮地區地層屬揚子地層區下揚子地層分區寧鎮地層小區,寒武系以來的沉積地層基本出露齊全。前寒武系基底由中元古界變質巖系構成,原巖是中基性火山巖,形成于大陸邊緣火山島弧環境。寒武系—三疊系以整合和假整合關系接觸,由3個大的沉積旋回組成,即下旋回寒武系—泥盆系上統(∈-D3)、中旋回石炭系—二疊系中統下段(C-P21)和上旋回二疊系中統上段—三疊系(P22-T),分別都是由海相碳酸鹽巖開始,到陸相—海陸交互相碎屑巖結束。侏羅系以來以陸相碎屑巖沉積為特征,假整合、不整合于前侏羅系之上[12-13]。湯山背斜至孔山一帶發育一系列NEE—EW弧形走向的南傾逆沖斷層,另有多組橫切湯山短軸背斜的NE向平移斷層與橫切孔山—狼山一帶的NW向平移斷層交匯于湯山背斜北部地區。寧鎮地區巖漿活動頻繁且強烈,巖漿巖廣泛分布且以燕山期形成的為主。侵入巖具有多旋回、多期次、多樣化的特點,形成一套由基性—中酸性—酸性的演化系列;火山巖為早白堊世上黨旋回,主要為一套石英安山巖—石英粗安斑巖—石英粗面斑巖—英安流紋巖系列[14]。

圖1 研究區構造位置(a)(據文獻[13])及地質簡圖(b)

1.2 地熱地質特征

1.2.1 熱源

寧鎮地區巖漿活動主要集中于距今1 Ga左右的燕山晚期,湯山周邊的石英閃長斑巖巖體的熱量已散失殆盡,難以成為附加熱源[15]。因此湯山地區熱源是來自地球內部的大地熱流,大熱流值在40～60 mW/m2,屬中低熱流區,但在穩定的揚子克拉通普遍較低的區域熱背景下,屬較好的熱源條件,這源于寧鎮山脈復雜的構造背景以及相對較強的中新生代構造—熱活動[16-17]。

1.2.2 通道

寧鎮地區淺部呈“三背兩向”構造格局,低山丘陵地貌和山前崗地、沖溝內覆蓋的松散堆積物,利于大氣降水的匯水、補給。湯山背斜北部地區發育多組逆沖斷層和深切的平移斷層,逆沖斷層的擠壓造成大規模巖石破碎,平移斷層及其伴生的一系列斷層導通深部熱源及地熱流體。兩類斷層從深部發育至地表,連通深部上升的地熱流體和淺部入滲的大氣降水補給,斷裂造成的巖石破碎帶為流體對流提供良好的通道條件。

1.2.3 熱儲

湯山地區寒武系中上統觀音臺群—奧陶系上統湯頭組發育厚層碳酸鹽巖,經歷印支期、燕山期以及喜馬拉雅期構造運動的劇烈改造,又在熱水和冷水的長期溶蝕和淋濾作用下,巖石中喀斯特現象包括溶洞、石鐘乳都比較發育,是良好的地熱儲層。位于湯山背斜北坡的葫蘆洞(南京人化石發現地)即為發育于奧陶系灰巖中的典型溶洞,該溶洞主要受印支期及燕山期構造控制,灰巖被沿破碎帶循環的地下水溶蝕發育古溶洞,在喜馬拉雅及后期運動抬升后露出地表。由于湯山北麓匯集大量地表水和地下水,產生幾乎相同高度的一系列溶洞,這些溶洞大多是在古溶洞的基礎上發育而成[18]。結合研究區斷裂構造發育特征可知,湯山背斜北坡及以北地區的深部巖溶亦較發育,熱儲條件較好。

1.2.4 蓋層

地熱流體運移過程中溫度保持的重要影響因素為地熱蓋層的隔熱效果?；鹕綆r熱導率分布為1.09～2.07 W/(m·K),平均值為(1.50±0.27 )W/(m·K);碎屑巖包含石英砂巖、長石砂巖等熱導率分布為1.52～5.23 W/(m·K),平均值為(2.77±0.83 )W/(m·K);碳酸鹽巖主要包含白云巖、灰質白云巖、白云質灰巖和灰巖,熱導率分布為2.34～6.55 W/(m·K),平均值為(4.21±1.28 )W/(m·K)[19]。顯然,碎屑巖與火山巖具較低的熱導率,可作為良好的蓋層。湯山背斜以南的句容盆地廣泛發育厚層白堊紀碎屑巖及火山巖,湯山背斜以北深部有厚層志留世碎屑巖,兩者均可作為優質的蓋層為湯山北深部地熱資源提供良好的保溫條件。

1.3 巖石物性特征

掌握地層巖石物性特征及其變化規律是地球物理勘探數據處理解譯的基礎。寧鎮及周邊地區巖石露頭分布廣泛,巖石標本物性數據豐富,對江蘇省頁巖氣資源調查與評價物性調研工作中采集到寧鎮及周邊地區1 338塊巖石標本的物性參數進行測量和統計(表1),標本的密度、磁化率以及電阻率參數統計結果顯示寧鎮地區巖石物性的變化規律。

(1)沉積巖與巖漿巖的磁化率差異較大,標本磁性強弱主要取決于其磁性礦物的含量。沉積巖呈無磁性-弱磁性,磁化率值離散度小:碳酸鹽巖呈無磁性,磁化率平均值小于8×10-5SI,砂巖、泥巖、頁巖呈弱磁性,磁化率平均值約為(15～23)×10-5SI。巖漿巖呈中強磁性,磁化率值變化大:侵入巖與噴出巖的磁化率平均值大于54 ×10-5SI,中性侵入巖磁化率遠高于酸性侵入巖,常以巖床、巖墻淺成產出的閃長玢巖磁性強于噴出的安山巖。

表1 寧鎮地區巖石標本物性參數統計

(2)不同巖性之間,巖石密度存在顯著差異。碳酸鹽巖和閃長玢巖呈明顯高密度,平均密度大于等于2.70 ×103kg/m3;巖漿巖呈中密度,平均密度為(2.52～2.58)×103kg/m3;粉砂巖、泥頁巖等一般呈低密度,平均密度小于2.5 ×103kg/m3。同類巖性之間,老地層巖石密度一般高于新地層巖石密度,如寒武系的碳酸鹽巖密度高于石炭紀—二疊紀碳酸鹽巖,志留紀砂巖、泥巖密度高于侏羅紀—白堊紀同類巖石。

(3)電阻率與巖性具有密切關系,碳酸鹽巖呈顯著的高電阻率(>104Ω·m),巖漿巖多呈中電阻率(103～104Ω·m),砂巖、泥巖、頁巖等多呈低電阻率(<103Ω·m)。電阻率與密度具有一定相關性,如高密度的標本常具高電阻率特征。

2 勘查方法及地球物理特征

湯山背斜北翼地形陡峭、構造復雜,黃栗樹—湯山鎮一帶居民密集、電磁干擾強烈,大比例尺規則網地面重磁勘探工作部署難度大且難以取得良好的數據。通過收集處理以往區域重力和區域航磁數據,分析構造特征和巖漿巖分布規律,部署抗干擾能力較強的大功率廣域電磁測線,控制重點構造以了解深部熱儲構造的展布形態。依據區域重磁和廣域電磁法綜合勘探成果設計地熱探井井位。

2.1 區域重磁異常分析

本次研究收集到覆蓋全區的1∶5萬區調重力及航磁數據:1987年寧鎮地區1∶5萬重力數據,面積2 769 km2,重力異?？偩?±0.149×10-5m/s2;1975年江蘇南部地區1∶5萬航磁數據,面積12 128 km2,航空磁力異?？偩?3 nT。布格重力異?？傮w呈東西分塊、南北分帶的分布特征(圖2a),以陳家邊—狼山—湯山鎮西緣為界,布格重力西高東低。西部重力高值區內,極值帶呈NEE—EW向似弧形展布,東部重力低值區在湯山鎮以北呈NNW走向,湯山鎮以南大致以NE走向弧形展布。航磁(ΔT)化極異常整體呈NNE—SN走向(圖2b),大致以孟塘—狼山—團子尖為界,以東為低緩的正磁異常(>120 nT),以西為較平靜的負磁異常(-20～-120 nT)。

基于物性分層及其變化規律,結合研究區地層發育特征分析區域重磁成果,獲取區域構造格局和地層發育特征。西部重力高、磁力低反映一系列弧形分布的沉積地層褶皺構造,重力高極值帶反映孔山背斜以及湯山短軸背斜核部大規模碳酸鹽巖的分布,重力高值中心軸線基本代表碳酸鹽巖背斜軸線。重力高值中心與地表露頭背斜軸線位置差異較大(圖2a),孔山背斜重力高值中心位于地表露頭背斜軸南約1 km、湯山背斜軸位于地表露頭北側,且兩者幾乎相連,反映湯山背斜北部可能存在傾臥褶皺、疊瓦狀逆沖的復雜地質構造,黃栗墅一帶多處露頭呈高角度倒轉也證實湯山背斜北部的構造復雜性。東部及湯山背斜東南緣重力低、磁力高反映湯山鎮以東深部存在大規模侵入巖體,安基山及其南部一帶出露大規模石英閃長斑巖巖床、湯山短軸背斜有脈巖出露可能與其有關(圖2b)。區域重磁顯示,研究區發育大規模NEE—EW向控熱導熱逆沖斷層、逆沖—推覆構造之下可能發育大規模碳酸鹽巖,兩者均為地熱勘探的有利要素需進一步控制。

2.3 廣域電磁勘探

2.3.1 測線部署與處理方法

廣域電磁法(WFEM)是一種高效的深層地熱資源地球物理勘探方法,獲得的深部數據質量佳、可信度高、細節豐富[20]。為控制NEE—EW向控熱導熱斷層、疊瓦狀逆沖推覆構造的深部展布形態以及深部碳酸鹽巖的發育特征,在研究區部署8條廣域電磁測線,其中6條NNW向,2條NEE向(圖3),測線總長18 km,測點368個,點距50 m。按照SY/T 6589―2016《陸上可控源電磁法勘探采集技術規程》規范采集。主要技術參數及質量評價如下:收發距9.9～12.6 km,覆蓋角度10.7°～21.6°,發射場源AB長度為1 010.2～1 441.4 m;檢查率4.07%,最大相對均方誤差4.56%,最小相對均方誤差0.96%,Ⅰ級品率為96.5%,合格率為100%。廣域電磁勘探數據處理反演采用GMES_3DI 重磁電震三維反演成像解釋一體化系統帶源二維反演,通過調節正則化參數,控制反演結果的光滑程度和分辨率,反演算法采用的尖銳邊界反演[21]。

2.3.2 廣域電磁反演斷面解譯

廣域電磁L1線北起雪浪安,經孔山東、黃栗墅東,南至團子尖,走向165°,測線長約4 km,是控制全區構造特征的最具代表性的測線。圖4a為L1線二維反演解譯剖面,電性規律具南北分塊、上下分帶、波動劇烈三大特征:大致以Fa、Fb為界呈3個電性分區(塊)且由南向北各區深度逐次降低;Fa以北電性層分帶較明顯,自上至下呈“低—高—低—高”;各電性層界面起伏大,團狀電性體異常分布廣泛。表層數十米以淺因風化和潛水含水層影響導致電阻率較低。深部較完整的地層可結合巖石電阻率特征分析,(反演)電阻率大于1 000 Ω·m的電性層主要反映碳酸鹽巖地層,電阻率小于1 000 Ω·m的電性層主要反映砂泥巖地層。

圖3 湯山背斜北翼廣域電磁測線部署圖

基于研究區地質特征進行地球物理數據處理解譯是復雜構造區地球物理勘探的關鍵。L1線反演斷面清晰的反映湯山背斜北翼至孔山背斜北翼的深部地質結構:疊瓦狀逆沖—推覆構造控制下的傾臥—倒轉復式褶皺。F3向北逆沖擠壓主要造成∈—O、S—D以及C—T地層的褶皺變形;F2和F1向北逆沖—推覆使湯山北—棒錘山之間深部形成一組由多個背向斜組成的巨大的傾臥復式向斜,該復式向斜核部主要由C—T組成,南翼被S—D、∈—O組成的湯山短軸背斜核沿兩逆沖—推覆斷層斷失和掩蓋,湯山北部志留系高家邊組出露寬度達1.5 km且存在多處地層陡立、倒轉,印證(疊瓦狀)逆沖構造的存在。Fa、Fb為2條左行平移斷層,形成于燕山中晚期壓扭—張扭構造環境,將逆沖推覆巖片切割成不同深度的多個塊體。

圖4 廣域電磁L1線二維反演解譯剖面(a)及DR01井完井柱狀圖(b)

廣域電磁勘探結合航磁異常分析推斷湯山背斜之下可能有侵入巖體,湯山背斜北緣地表有淺成侵入巖出露;廣域電磁反演斷面刻畫F1—F3逆沖—推覆斷層緩而深、平移斷層Fa和Fb陡而深的展布特征以及深部大規模碳酸鹽巖的分布形態。F3、Fa以及碳酸鹽巖頂面的交匯處,是良好的熱儲層(構造)。

3 鉆探驗證及地熱資源成因分析

3.1 地熱鉆井驗證

3.2 地熱資源成因分析

湯山地區以往地熱井的水位和水溫模擬預測結果表明,南京湯山地區已有的14口地熱水井可開采量相差較大,且隨著各地熱水井的開采,水位逐漸下降,各地熱水井的水溫均逐漸上升,大部分年內水溫上升2.0 ～3.0 ℃,個別地熱井水溫上升達5.0 ～7.0 ℃[22]。針對已有地熱井的水化學、同位素、補給來源等方面的研究結果表明,湯山溫泉區地熱系統在成因上屬中低溫對流型地熱系統,地熱水補給主要來自湯山山體大氣降水和區域的側向補給,如湯山周邊寧鎮山區及茅山山脈,深循環通道主要是湯山南部的湯山—東昌街斷裂及湯山一帶的平移斷裂,熱儲溫度約為90 ℃,循環深度2.6～2.9 km[23-24]。

地球物理勘探成果結合水文地球化學資料表明,湯山背斜北緣DR01井地熱流體的補給來源主要為寧鎮山脈的大氣降水入滲補給,酸性巖體分布區是重要的補給區或徑流區。地下水主要以逆沖斷層的破碎帶進行深循環,通過大地熱流增溫后沿逆沖—平移斷層交匯處的破碎通道向上運移,同時可能與淺部入滲的冷水有一定混合。不同方向深切割斷裂交匯的破碎帶既是地熱流體的循環通道,亦是容礦(含熱水)構造。淺部的碎屑巖以及推覆巖片的封蓋具有一定的保溫作用(圖6)。

4 結論

(1)湯山背斜位于由南向北的疊瓦狀逆沖—推覆構造上盤,深部賦存豐富的地熱資源。分析區域重磁資料,可以獲取大規?？責釋針嬙斓钠矫嬲共继卣?判斷逆沖斷層下盤碳酸鹽巖背斜分布規律,為控制熱儲的地熱勘探部署提供正確方向。

圖5 湯山地區水樣點的Piper三線圖(據文獻[24])

(2)采用廣域電磁勘探剖析深部有利斷裂構造的縱向展布特征,控制碳酸鹽巖溶蝕界面的埋藏深度,確定不同走向的斷層交匯部位,鎖定多組斷層與巖溶界面夾持的破碎帶這一關鍵有利熱儲構造,為地熱鉆井選址提供關鍵信息。

(3)經地熱鉆井揭露設計靶位,獲得優質的地熱流體,DR01井的勘探結果表明,采用綜合物探在復雜構造區進行地熱資源勘查可以獲得可靠的熱儲靶位和良好的勘探效果。

圖6 湯山北部地熱資源成因示意模型

(4)湯山背斜北部DR01井地熱流體的水文地球化學特征與湯山背斜南翼有明顯差異,主要的補給區或徑流區應為中酸性巖體發育區,寧鎮山脈廣泛發育的逆沖—推覆斷層和平移斷層是地熱流體的主要深循環通道。湯山背斜北部地區具良好的地熱資源勘探開發潛力,系統的勘查開發有利于保護湯山地區地熱及地下水資源,對實現地熱資源的可持續利用具有重要意義。