地球物理方法在带状热储地热资源调查中的应用——以湖南省汝城县热水镇朱屋区为例

赵宝峰，汪启年，陈同刚

(安徽省勘查技术院，合肥 230041)

0 引言

带状热储地热资源是我国东南沿海地区重要的地热类型之一，其形成是自然降水在水力压差作用下，经断裂深循环后在负地形的地下水排泄区形成，属中低温对流型地热系统，热储构造为含水的断裂破碎带[1-2]。

朱屋调查区位于湖南省汝城县境内，是东南沿海地区郴州-宜章-汝城地热异常带的一部分[3]，著名的热水圩地热田位于调查区南部2 km处[4](图1)。调查区属热田外围，是四面环山的小洼地，地表无热异常，地形高差约300 m，是一理想的负地形区，也是地下水的有利排泄区(图1(d))。区内植被发育，地表被第四系覆盖，周边岩石风化严重，不利于地表露头观察和断裂位置推断。

调查的成功依赖于对区内断裂系统和热储构造的落实，因此制定了以地球物理方法为主导的调查方法。通过高精度重力扫面，可控源音频大地电磁测深(CSAMT)和浅层地震测量，划分了断裂系统，识别了地下水排泄区合适深度的含水断裂破碎带，在优选区内发现潜在热储构造，规模可观。热储顶部浅层钻孔揭示了26℃热异常，显示了物探推断的合理性，以及地球物理方法在带状热储地热资源调查中的有效性。

1 地质概况和物性特征

调查区位于花岗岩和变质岩接触附近，主要构造走向NNE。东部在燕山早期的区域伸展拉张作用下导致二长花岗沿该方向断裂大面积侵入，形成以岩基和岩株产出的诸广山岩体，岩性以中粗粒斑状黑云母花岗岩为主[5]。西部变质岩发育，元古界岭秀组(Ptlx)以板岩、砂岩互层为主，震旦系(Z)以石英砂岩、硅质岩和板岩为主，寒武系(∈)以石英砂岩和含碳质板岩为主(图1)，上覆有薄层(2 m～4 m)第四纪沉积。

图1 热水镇地质简图

表1 地层和花岗岩物性参数

图2 带状热储地热资源的调查思路

区内变质岩呈高密度和中高电阻率特征，密度2.75×103kg/m3至2.60×103kg/m3之间，电阻率1 800 Ω·m至6 300 Ω·m之间。花岗岩体密度小于变质岩，在2.56×103kg/m3至2.58×103kg/m3之间，电阻率在4 900 Ω·m至13 000 Ω·m之间。含裂隙的变质岩和花岗岩岩石样品电阻率值在20 Ω·m至180 Ω·m之间。第四系呈低密度和低电阻率特征(表1)。

2 研究方法

2.1 调查思路

花岗岩和变质岩均为致密的低渗透性岩石，储水能力差,有效的热储空间形成依赖于断裂的发育，对断裂及破碎带的落实是调查的关键。因此利用高精度重力横向数据连续的优势，确定断裂的平面展布[6]。结合可控源音频大地电磁测深(CSAMT)对低阻电性体的识别优势，刻画含水断裂破碎带的形态、规模及产状，识别热储构造[7]。最后结合浅层地震确定沟通深部热储的断裂在地表附近的出露点位置，为布置热异常验证钻孔提供借鉴。

以上方法优势互补，实现从平面→剖面→精确出露点的逐层推进，在不同方向和深度刻画断裂展布及破碎的样式，寻找到有利热储，是本次地热资源调查的基本思路(图2)。

2.2 技术参数

高精度重力测量比例尺1: 5 000，测量数据经过地形改正(近区：0 m～20 m；中区：20 m～2 km；远区：2 km～20 km；超远区：20 km～166.7 km)、中间层改正(中间层密度为2.67×103kg/m3)和网格化(间距为20 m×20 m)等处理，求取得布格重力异常。并利用水平一次导数和90°水平一次导数的合成数据求取频率域水平总梯度模，从而利用断裂两侧的密度差异，查明线性的断裂构造[8]。

可控源音频大地电磁测深(CSAMT)频率范围0.1 Hz ～10 kHz，场源接地偶极子长度AB为2 km，收发距R为8.0 km～13 km之间，接收偶极距50 m，中低频率段供电电流≥10 A，工作频率范围0.125 Hz～10 kHz。采用手工矫正、数值处理相结合的方法，依据高频和低频变化趋势，结合曲线类型和地表地质等情况，确定矫正值，消除了由浅层横向电性不均匀造成的曲线静态位移等影响，反演得到地质体电性差异剖面。

浅层地震炮间距4为 m，偏移距为48 m，点距为2 m，采样间隔为0.5 ms。确定了150 m深范围内，深度偏移剖面上断层引起的同向轴扭曲挫断。

3 热储识别

通过以上方法，构建了本区的断裂系统，识别了热储构造，确定了热异常的存在。

3.1 断裂系统构建

工区内有三组断裂，走向分别是NNE、NWW和NE向。

1)NNE向断裂是工区规模最大的一组断裂，主要有三条，分别是F1、F2和F4(图3)，组成了一组花状构造样式，具走滑断裂带的特征，垂向切割深度大(图4)。其中F1、F2断裂在布格重力异常平面图上显示为等值线的扭曲，在CSAMT二维反演剖面上显示为垂向高角度条带状电性低阻体，在地震剖面上显示为同向轴的扭曲错断(图4、图5)。F4断裂在布格重力异常平面图上显示为等值线梯级带，在布格重力水平总梯度平面图上显示为等值线的条带状高值，在电法剖面上为陡倾的电性低阻体。该组断裂是区域性滨太平洋构造运动的产物，控制了整个东南沿海地区的温泉的线性分布，以及热水圩地热田的形成[3,9-10]。

图3 朱屋区布格重力和水平总梯度异常图

图4 朱屋区CSAMT反演剖面与断裂解释

2)NWW向断裂垂直于NNE向断裂。其中F5断裂在布格重力异常平面图上显示为等值线的扭曲，在水平总梯度平面图上高值带的断续连结(图3)。该断裂切割了F1、F2和F4断裂，造成了NNE向控热断裂破碎带的充分发育，有效增加了地下热水的存储空间。NWW向断裂与NNE向断裂形成于同一时期，是后者发育过程中的调节断裂，具有走滑性质，也是区内的控水断裂，东南沿海地区多数地热田形成于NWW向NNE向断裂交汇区附近，热水圩地热田的温泉出露在该位置[3,6,10-11]。

3)NE向断裂形成时间晚，控制了现今河流走向。其中F3断裂在布格重力异常平面图上显示为等值线梯级带，在水平总梯度平面图上显示为条带状高值带，在CSAMT二维反演剖面上显示为垂向电性低阻体(图3、图4)。NE向断裂是区域性NNE向构造形成过程中局部地层结构变化应力分解的产物，其发育增加了岩石破碎的程度。

3.2 热储形态识别

岩石破碎充水时，电阻率呈指数式下降[12-14]。本次调查的热储构造，即含水的断裂破碎带，在电法剖面上显示为电性低阻体。

调查区内存在一“沙漏状”垂向电性低阻体，在CSAMT-01反演剖面由条带状低阻带和上下连接的两个似椭圆状低阻体组成(图4(a))。其中浅部低阻体向地表开阔未封闭，可能是浅层裂隙风化充水的反应，由于盖层缺失，很难成为热储构造。

深部低阻体中心埋深约500 m，宽约200 m，高约150 m，四周被高阻地质体包围，呈一个相对封闭的系统。该低阻体下部存在一垂向低阻细条带，是深部断裂F4破碎充水的反应。上部也与垂向低阻细条带，是F2/F3(F2和F3两条高角度断裂在此相交)断裂破碎充水的反应，与地表浅层沟通。低阻体核心是F2、F3和F4三条断裂深部交汇的位置。

三条断裂深部交汇位置的深部低阻体是岩石严重破碎的反应，其埋藏深度合适，规模可观，结构较为封闭，可通过深部断裂(F4)将深循环的地下热水的注入该破碎带内(图4(a))，推测为热储构造。该热储构造向南延伸并逐渐减小，在CSAMT-01剖面上显示为低阻范围的缩小(图4(b))。

热储构造在平面上位于热水河拐弯处，是多期构造运动叠加下产物，NNE、NWW和NE三个走向(F2、F3和F4)断裂再此交汇。其中断裂F2/F3沟通了深部热储和浅层地表，在浅层地震剖面显示了断裂出露位置(图5)。围绕F2/F3出露位置，设计施工了浅层钻孔，验证了热异常的存在。

3.3 热异常确定

设计布置了5口60 m的钻孔，位置如图1(c)所示。其中井1位于断裂出露点正上方，作为热异常存在与否的直接验证井。井2、井3、井4逐渐远离，作为温度变化分析井。井5位于外围，作为工区背景温度井(图6)。

钻探结果显示，60 m深度内存在两层热异常。上部为浅表层热异常，深度为5 m左右，温度从井1到井4逐渐降低，是热异常由断裂交汇点(井1附近)逐渐往周围泄露的反应。井5未受浅表层热异常影响，温度自地面向下逐渐降低，到10 m左右逐渐稳定，温度19℃，该温度延续到18 m处开始逐渐上升，显示了本区地温场背景值，即恒温层深度约18 m，温度19℃。

图5 朱屋区浅层地震反演剖面及断裂解释

第二层热异常在井1的30 m埋深处出现，温度接近26℃。该位置岩层破碎，向下则破碎程度减弱，温度也随之下降，继续向下则与井2、井3和井4温度相同。第二层热异常是深部热水沿着断裂破碎带向外泄露的结果，与表层热异常形成良好的呼应，说明了电法剖面显示的电性低阻体是含热水断裂破碎带即热储构造的反应。

图6 朱屋区钻井温度曲线对比

4 讨论

因此，有效的断裂划分和热储构造识别依赖于多种方法的相互结合与优势互补[16]。利用高精度重力确定主要断裂的位置，CSAMT确定断裂深部形态和破碎程度，浅层地震确定断裂出露点的的位置，最终在发现热储顶部施工浅层钻孔，确定热异常的存在。同时，断裂系统的划分，应建立在对本区的地层展布与构造演化了解的基础上，从而降低地球物理资料的多解性。

本次调查由于受调查成本限制，仅施工了浅层钻孔。同时由于受地质条件限制，即朱屋区距离岩浆岩体较远，变质岩断裂破碎带导水性低于岩浆岩，断裂规模相对较小等原因，取得的温度异常只有26℃，远低于南部热水圩地热田的91℃。但钻孔依然根据地球物理方法推测结果，钻遇了热异常。

以上结果说明了调查采用的思路和方法，能够用于带状热储地热资源的调查。在负向地形的地下水排泄区，通过不同地球物理方法，多层次的断裂系统构建，借助电法对含水破碎带识别的优势，寻找到潜在的地热资源。

5 结论

1)带状热储地热资源调查的核心是识别深部热储构造。成功的调查依赖于多种地球物理方法有效结合，从而在地下水排泄的负地形区(或第四系覆盖区)落实断裂展布样式和破碎带发育程度，圈定热储位置。

2)朱屋区主力热储位于NNE、NWW和NE三个走向的断裂交汇区附近，平面上位于布格重力异常图等值线梯级带上，电法剖面上显示为垂向带状电性地阻体，浅层地震显示为同相轴的错动。热储埋深约500 m，通过断裂与浅层地表相通，顶部浅钻显示26℃温度异常。

3)高精度重力测量易确定断裂的平面分布，电法测量有利于发现充水断裂破碎带的形态，浅层地震可确定热储顶部的出露位置，不同方法优势互补，合理识别热储构造不同层次和深度的特征，可有效降低勘探风险，寻找到潜在的地热资源。