基于钻孔岩芯构造分析的地热资源评估研究

邱向荣，袁仁茂

1.广东省地质技术工程咨询公司，广东 广州 510080;2.中国地震局地震与火山灾害重点实验室，中国地震局地质研究所，北京 100029

1 前言

构造分析方法是地质研究中的基础方法之一[1-6]，也是地热系统研究中的重要基础工作[7-9]，在研究地热系统所处的大地构造环境、地热流体赋存的裂隙系统和热储结构特征等方面具有重要的作用，可为地热的地球物理、水文地球化学研究和地热井定位提供指导性的帮助。

在地热的勘查和开发过程中，构造分析方法的应用可加深对研究区构造特征的认识，提高勘探成效。然而，构造分析需要比较典型的构造剖面或者露头等，这在北方的大部分地区可能比较容易找到，但在南方地区由于雨水充足，植被茂密且覆盖土层比较厚，要获得理想的地质露头来开展构造分析很不容易，特别是当调查研究区面积不太大时，就更加困难。因此，通过钻孔岩芯来揭示断层就成为了这些地区开展构造分析的重要方法之一。

论文作者在南方地区多年地热勘查研究的基础之上，总结了一套基于钻孔岩芯的构造分析方法，通过钻孔所揭露的构造岩特征，结合区域大地构造旋回等相关区域地质背景资料进行综合分析，并结合实例研究来展示构造分析方法在地热资源的潜力及其区位方面的指示意义。

2 地热资源钻孔岩芯构造分析法

东南沿海的构造格局在中生代奠定，新生代的构造运动则是在这种构造格局基础上的叠加，并没有改变格局的整体特征[10-11]，但是晚中生代以来的构造构造演化及动力学背景却与地热的形成具有密切的关系，因此，地热资源的构造分析主要是开展中生代—新生代以来的构造演化分析。特别是新构造运动期的构造活动对地热系统的形成具有决定意义。

2.1 地热资源构造分析法步骤

断裂是地热系统形成的必要条件[8-10]，因此地热资源研究往往是从寻找断裂带并确定其规模开始。前期的区域地质调查资料以及相关的地球物理勘探成果可以帮助确定断裂的大体位置、几何学特征及走向等，这为后续的地热资源分析研究提供了重要的基础依据。地热资源的构造分析方法是以揭露构造特征的钻孔岩芯为基础的，而钻孔则是地热调查和勘探过程中的常规手段之一，岩芯材料相对容易获取，一定程度上显示了钻孔岩芯构造分析法的可行性。以下为在实践基础上总结的岩芯构造分析法具体步骤：

(1)鉴定构造岩的岩性、对应的力学性质，并判断其形成条件、形成环境等，同时观察围岩特征。厘清构造岩特征是进行构造分析最基础也最重要的工作。

(2)确定断裂带的主要活动期次。一次断裂活动可以形成一次对应的构造岩，因此可以根据构造岩类别区分出主要活动期次。在厘定构造岩特征的时候通常首先区分构造岩是否固结，固结的构造岩可进一步划分是韧性剪变形岩石还是脆性变形，显然韧性变形岩石的形成最早，固结的脆性变形岩石次之，未固结的构造岩形成时期最晚。实践中往往会发现固结的构造岩是构成断裂带的主体部分，其划分先后形成的关系可以根据构造变形的复合、叠加的方式加以甄别。

(3)判断对应期次的构造运动学特征。在确定构造运动的期次之后，根据每一期次的构造运动对应的构造岩判断断层的运动学特征：压性还是张性特征；对于韧性变形岩石而言，由于是固态流变结果，“升降开合旋”等任何运动方式都可以形成，只能判断其剪切方向，具体运动学特征难以确定，但这对地热勘查影响不大，因为水热系统形成和赋存于脆性变形域中的裂隙系统中，韧性变形岩石代表的是断裂带早期深部的运动特征，于水热系统形成没有必然关系，关注的重点是后期叠加的脆性变形特征。

(4)分析构造应力场并与区域构造阶段配套，确定断层的动力学特征。地热资源研究中对断裂分析是为了查明水热系统赖以形成和赋存的导水裂隙系统，重点以地壳浅部的脆性变形岩岩体为主，构造应力场可以通过以下规律来判断：压性运动最大主压应力方向与断裂走向垂直或小角度相交，张性活动最大主压应力平行断裂走向或与之小角度相交。分析断层动力学特征要考虑区域构造旋回，因此掌握工作区所处的大地构造阶段十分重要，同时需要地层学或者区域性构造加以佐证。就广东地区而言，地层学证据以中—新生代盆地沉积物最佳，如论文后面实例中所展示的新生代龙归断陷盆地便是所研究断层动力学特征的一个有力证据。需要密切关注中生代晚期和新生代沉积层中的褶皱变形，区域性褶皱轴向往往代表垂直于褶皱形成的最大主压应力。根据构造应力场的转换并以区域性沉积层或区域性褶皱相互印证，可较好的确定研究区域大地构造运动的阶段，从而获得断裂带不同期次的活动时期和力源机制。

2.2 基于岩芯构造分析方法的地热资源潜力评估

地热资源研究过程中的岩芯构造特征分析用于判定地热资源的潜力及优势导水裂隙系统的走向。

地热系统和其他系统一样，都存在从形成、发展到最终消亡的过程，水热系统赖以形成和赋存的裂隙系统也同样存在形成、演化到最终被矿物沉淀固结而丧失导水储水能力的过程，因此能够形成地热系统的断裂带主要活动期不能太早，也不能太晚。如活动期过早的老断层后期没有复活，那么其形成裂隙系统导水能力将逐渐弱化并最终丧失地热系统的形成条件；如活动断层形成的裂隙系统开放性太好，无隔热保温的作用，往往只能形成常温渗流带或开发价值不大的低温地热资源。

研究表明：始新世(E2)到晚更新世(Q3)时期的新构造运动，对于地热系统的形成起着非常重要的作用。广东地热勘查实践显示：广东的温泉往往沿着北东向主干断裂分布，这些北东向主干断裂在新构造期(主要是喜马拉雅运动)以张—张扭运动为主，因此形成地热系统的概率比较高。据此，构造分析之后，如果发现所研究的断裂构造新构造期有着明显的活动，那么就可判断这条断裂运动时间上是合适的，初步认为具备地热形成的潜力。

断裂的规模、力学性质和构造岩的能干性分析同样是综合判断地热潜力的重要依据。断裂规模越大意味着裂隙系统规模越大，越有利于地下水的渗流和赋存；力学性质方面，张—张扭性优于压—压扭性，但不是绝对的。在构造岩和围岩存在明显的能干性差异的时候，能干性良好的岩石往往不至于强烈碎化，所形成的裂隙往往还具备导水能力，如广东的北西向主干断裂，虽然喜马拉雅期是压—压扭性改造，但仍有不少温泉出露于北西向断裂。由此可见，地热资源潜力分析的核心目标就是判断新构造期形成的裂隙系统是否具备导水能力。

确定优势导水裂隙系统的走向相对容易，新构造期以来的裂隙系统由于形成时代比较晚，通常还没有完全被充填固结，因此其导水能力比较强。在这些裂隙系统中，与新构造运动最大主压应力平行或小角度相交的裂隙就是优势裂隙系统的走向，即位于应变椭球体YZ平面上的T型节理就是导水性最优的裂隙。优势导水裂隙系统的走向确定后，可以进一步确定地热资源的大致区位，为进一步井位布置提供依据。

3 基于岩芯构造分析法的广州市高滩地热资源研究

3.1 地质条件概况

广州市增城区高滩温泉位于广州市50°方向约75 km处，行政区划属广州增城区派潭镇。该地热田地处自然生态环境优越、集多个国家级森林公园于一体的南昆山之南麓。目前温泉区已建成多个温泉度假村，是珠三角地区著名的休闲度假、文旅康养胜地。

1-温泉；2-钻孔；3-埋深100 m等温线；4-断层及编号；5-隐伏断层；6-地层界线；7-第四系；8-晚侏罗统上段；9-晚侏罗统中段；10-下石炭统测水组；11-上泥盆统帽子峰组；12-上泥盆统天子岭组图1 广州市高滩地热田地质图Fig. 1 Geological map of Geothermal field in Gaotan area of Guangzhou city

根据地热勘查资料①②③，高滩地热田处于一个小型的岩溶盆地中(图1)，盆地内地面较平缓，标高40～70 m；其北部为南昆山，属低山地貌，地形起伏较大，地热田附近最高点为石人岭，海拔632.1 m；南部为丘陵地貌，山顶高程一般200～300 m。地热田所在的岩溶盆地是一个轴向NW的复式向斜(图2)，向斜槽部为下石炭统石磴子组(C1sh)生物泥灰岩、白云质灰岩、炭质灰岩和测水组(C1c)砂页岩夹碳质页岩、粉砂岩构成。东北翼被断层切割缺失，下石炭统与晚侏罗统(J3)火山碎屑岩呈断层接触；西南翼由上泥盆统帽子峰组(D3m)页岩、粉砂岩、长石石英砂岩和天子岭组(D3t)灰岩、泥灰岩构成。

1-上泥盆统帽子峰组；2-下石炭统石磴子组；3-下石炭统测水组；4-晚侏罗统中段；5-泥质砂岩；6-安山质火山碎屑岩；7-灰岩；8-温泉图2 高滩地热田地质剖面图Fig.2 Geological Profile of Geothermal Field in Gaotan area

温泉区发育NW向、NE—NNE向和EW向三组断裂，并以NW向断裂最为发育，其走向和复式向斜轴向基本一致，地热异常区便是夹持在两条NW向断层(F1、F2)之间。根据断层之间的切割关系，可推断EW向断裂最先形成，NE—NNE向断裂次之，NW向断裂最后形成，其中NE—NNE向断裂为高滩地热田的主要的导水导热构造，沿NE—NNE断裂带原有多处热泉出露，也有多个钻孔揭露到地热水。有关地热田附近的主要断裂特征见表1。

表1 高滩地热田附近主要断裂构造特征Table 1 Structural characteristics of main faults near the geothermal field of Gaotan

高滩温泉地热水探明的可开采量约2 600 m3/d，加权平均水温约58℃，控制的可开采量4 200 m3/d，

加权平均水温53℃。热储为断裂带控热的裂隙溶洞型热储，地热流体赋存于石炭系下统石磴子组灰岩裂隙溶洞中。热储夹持在NW向F1、F2断裂之间，同时主要受NE—NNE向断裂控制。根据50℃高温线主要沿NE—NNE向构造呈带状展布，图形成长条透镜体状，长轴约450 m，短轴约100 m，面积0.036 km2；40℃和30℃线同时受近NE—NNE、EW向构造影响，温度线向东呈宽而短延伸，向西呈窄而长延伸，面积分别为0.167 km2和0.378 km2。

3.2 以岩芯为基础的构造特征分析

本次构造分析的主要资料为高滩地热田外围所施工的RJ2地热井(图1)，井深850 m，获得井口水温51.7℃，水量每天约800吨。钻探结果揭示：665 m以上为下石炭统石磴子组灰岩、炭质灰岩，岩溶不发育；665 m以下为燕山晚期(γ53(1))为花岗岩，其中785.6～806.2 m揭露到NW向F2断裂。该断裂总体属于隐伏断裂，出露范围小，地表所见构造岩以构造片岩为主，断层面舒缓波状，倾向NE，倾角约65°～72°。钻孔岩芯特征见图3所示：

a-围岩特征；b-构造岩特征；c-砂糖状石英晶体；d-裂隙充填碳酸岩脉图3 岩芯构造特征Fig.3 Structure characteristics of drilling cores

3.2.1断裂带围岩及构造岩特征

(1)围岩特征

根据钻孔岩芯揭露，断裂带围岩为花岗岩，岩体的完整性保持较好，没有出现由主变形带向外围逐渐减弱的分带性特征(图3a)，围岩与构造岩之间出现突变现象(图3b)。

(2)构造岩特征

如图3b所示，在深度785.6～786.8 m为蚀变碎斑岩，呈深灰色，碎斑组构，含大量暗色矿物，为花岗岩经过压性动力变质形成，其中原岩暗色矿物已经蚀变为绿泥石、透闪石等，岩质软，故钻探时取芯率很低。786.8～789 m为硅化构造角砾岩，呈灰白间青灰色，其中青灰色为蚀变碎斑岩角砾，呈次棱角状、大小不一，没有明显定向性。灰白色部分为硅质热液沉淀形成，呈基底式充填将蚀变碎斑岩的角砾重新胶结。789～799.3 m为硅化岩，灰白色，粒状结构，块状构造，为硅质热液沉淀形成，间夹有不规则分布的方解石细脉。该段钻进时全漏，为含水段。799.3～806.2 m为断层角砾，灰色，岩石强烈压碎，但具有一定的胶结强度，故岩芯可呈柱状，但稍受力则松散呈角砾状。

3.2.2断裂的运动学特征

从构造岩类型可以看出断层经历三期运动，根据构造叠加特征可以看出构造运动的先后顺序为：

压性(形成碎斑岩)→张性活动(形成硅化岩和硅化角砾岩)→压性(性断层角砾)，其中第一次压性运动为断层的形成期，张性运动为断层主活动期，最后一次压性运动属于新构造运动。

(1)断层形成期

岩芯所反映的最早构造活动对应的构造岩为碎斑岩，形成于花岗岩侵位后，力学性质为压性。因未见韧性变形岩石，且富含层状硅酸盐矿物，形成环境相当于绿片岩相，故构造环境为低温、低压且有水参与，变质行为属退变质作用。由此可见，该断层形成期埋深不大。

从断层主破碎带与围岩近乎突变的特征来看，这不具备多数区域性断裂具有分带性的特征，故推断断层形成期的规模不大，破碎带宽度小。

(2)断层主活动期

对应的构造岩为硅化岩、硅化角砾岩，力学性质为张性。认为该次活动为主活动期是因为这次活动将原本规模不大的压性断层改造为切割较深的正断层，并沟通来自中上地壳的硅质热液。本次构造活动形成的构造岩成分为石英，未见钠长石和烟灰色高温石英，石英呈乳白色，粒状，晶洞构造少见(图3c)，由此可以判定属于中温热液活动，且处于相对开放、动荡环境。

(3)挽近复活期

对应构造岩为断层角砾(图3b)，力学性质为压性。认为属于挽近期活动是因为岩芯弱胶结但尚未成岩，而广州地区上新世(N2)沉积层已经普遍成岩，故不大可能属于新近纪，而中、晚更新世和全新世的沉积物多不具胶结性，故比较可能属于Q1的产物。

在硅化岩中见到脉状充填(非浸染状)碳酸盐脉(图3d)，即硅化早于碳酸盐化。这种情况可能因为硅化热液晚期演化为低温碳酸岩化，也可能是断层最后一期压性性运动低温水热活动造成。根据对地热井的水文地球化学分析(图4)，地热水中的方解石、文石处于过饱和状态，加上碳酸岩化是呈裂隙式充填，因此认为碳酸盐化是断层最后一次压性运动形成，硅化岩中的裂隙低温热液沉淀充填所致。

图4 RJ2地热水中矿物饱和指数柱状图Fig.4 Histogram of mineral saturation index in geothermal water collected from RJ2 drilling

3.2.3构造应力场及动力学特征

(1)断层形成期

构造岩产出于燕山晚期花岗岩中形，即断层形成于K2中晚期。因南昆山除了西南侧出露晚侏罗纪火山碎屑岩之外，其他地区大面积出露燕山晚期花岗岩(图5)，即在岩浆侵位之后山体便持续强烈抬升，山之西南麓受压形成拗陷盆地，形成一个轴向北西的小型复向斜盆地，故F2断层可能是南昆山体挤压抬升期间，伴随复向斜形成过程中所出现的轴面逆断层。

K2-E2大地构造旋回在广东归属燕山期第四、第五幕[7]，也有学者称之为四川期，其力源机制来自于印度洋—澳大利亚板块强烈推挤欧亚板块，在我国东南沿海形成的应力场总体为NE-SW[8、9]。根据高滩温泉西南侧龙归盆地的沉积学特征(图5)，龙归盆地是分布于区域性北东向广州—从化断裂上盘的一个单断箕状红层盆地，构成盆地盖层为E1、E2，故可进一步判断F2断层与龙归盆地应该是同一区域构造应力场作用下形成，其形成时代为E1-E2。

(2)断层主活动期

龙归盆地在E2中晚期之后关闭抬升，接受剥蚀，即受到来自总体方向为NW-SE的区域构造应力场的控制。F2断层主活动期为张性改造，作为一条NW向断层，产生张性改造的构造应力场大体也应该NW-SE，由此可见引起该断层形变的构造应力场与区域构造应力场是一致的。

E3在广东大地构造旋回属喜马拉雅期第一幕，有学者称之为华北期，认为力源机制源于太平洋板块第一次向西俯冲，在中国东南沿海形成的应力场总体为NWW向，并形成一系列NNE向的开阔纵弯褶皱[8、9]。

(3)挽近活动期

断层进入新构造期之后构造机制再次产生改变，呈现压性特征，即主压应力方向总体上应该是NE—NW向。虽然此时龙归盆没有新的沉积层作为对照，但涉及构造机制的改变往往对应一个新的构造旋回或者某一构造幕。进入新构造运动阶段，在N1—Q1期间广东大地构造旋回归属喜马拉雅期第二、第三幕，力源机制为印度洋—澳洲板块与欧亚板块陆陆碰撞，在华南地区应力场总体近SN向。考虑到F2最后一期构造岩呈弱胶结特征，故该活动时期为Q1的可能性最大。

根据上述分析，可将F2断层与南昆山地区构造演化示意如下(图6)：

1-震旦系；2-下泥盆统；3-下石炭统；4-下侏罗统；5-古近系；6-第四系；7-燕山晚四期花岗岩；8-燕山三期花岗岩；9-广从断裂图5 高滩地热田区域地质略图Fig.5 Regional sketch geological map of Geothermal field in Gaotan area

K2(四川期)E1～E2(四川期)E3(华北期)Q1(喜马拉雅期)继燕山早期火山喷发之后,燕山晚期深部花岗质岩浆侵位在压缩环境下,南昆山体开始快速抬升,山南麓形成拗陷盆地和一系列轴面逆断层(F2断层形成)在拉张环境下,F2断层张性改造并出现热液活动,但这时期的张性环境对南昆山隆起地形改变不大(F2断层主活动期)构造环境再次转为挤压,南昆山加速抬升,F2压性复活,并在硅化岩中形成水热系统,伴随碳酸岩化(F2挽近活动期,对温泉形成起决定意义)

3.3 基于构造特征分析的地热资源潜力评估

(1)地热资源潜力分析。断层在新构造期(Q1)出现复活，这个活动时间是非常有利于地热系统的形成。根据工程实践，如果断层力学性质为压性，对于构造岩与围岩能干性差异不大的，或者塑性围岩，则压性构造多成为阻水构成，但当构造岩和围岩能干性差异比较大的，则不能过于强调力学性质。由于RJ2所揭露构造岩中主体部位为强能干性硅化岩，故可判

断该断层地热潜力属于中等(断层主活动期的硅化行为为地热系统形成奠定岩性基础)。

(2)对优性裂隙系统的提示。对地热系统形成有决定意义的构造运动为F2最后一次运动，活动时期为Q1，主压应力方向进SN向，这个方向就是该去最优的导水裂隙方向，这个结论与地热勘查的结果②完全一致，即高滩温泉区找水要优先选择主构造与NNE—NNW向派生构造复合部位。

4 结语

基于钻孔构造岩基础上的构造分析方法是地热勘查中构造演化分析方法之一，其特点是分析用的岩芯资料在地热勘查中相对容易获得，且方法简单，效果较好，尤其是在有工作基础的地区进行灵活应用，可以起到前瞻性判断的作用，并可有效指导布井范围，对于地热勘查起到方向性的指示意义。

当然，任何一种方法都有其局限性，首先是并不是每个揭露到构造岩的钻孔都有办法开展构造分析，另外对于古老变质岩区的构造分析，断裂初期活动的时代就很难明确，因此，地热勘查中的工作方法、工作手段不能单一，综合勘查、综合分析始终是提高工作成果的最合适途径。

注释：

① 黄录泰,等.广东省从化县鸡笼岗—增城县高滩地热带详细普查报告.广东省地质矿产局水文工程地质二大队,1983.

② 汤连生,等.广东省广州市增城高滩温泉地热资源地质勘查报告.中山大学,2002.

③ 黄平安,等.广省广州市增城区派潭镇高滩温泉地热资源可行性勘查报告.广东省地质技术工程咨询公司,2014.