隐伏对流型地热资源勘查方法研究——以花亭湖风景区为例

朱义坤，赵景怀，洪文二，蔡生来，马学静，张阳阳

(1.安徽省勘查技术院，安徽 合肥 230031;2.安徽省地质矿产勘查局326地质队，安徽 安庆 246003)

0 引言

随着地热资源开发利用日益受到重视，寻找隐伏地热资源已经成为地热资源勘查的重要方面，而隐伏地热资源也一直是地热勘查的难点，困难之处就在于如何“选区定位”[1]。前人曾总结过氡气测量、微动测量、可控源音频大地电磁测量等方法在隐伏地热资源勘查中的应用效果[2-4]，但是缺少对隐伏地热资源“选区定位”工作流程和工作方法的系统研究。

大别山区是安徽省对流型地热资源的主要分布区之一，区内目前已发现有8处对流型地热田，均为天然出露温泉经进一步勘查而来[5-6]。研究区位于安徽省大别山区腹地，是隆起山地对流型地热资源形成的有利区域。本文在充分总结研究区内及周边已知地热田的主要特征和成因机理的基础上，开展隐伏地热资源“选区定位”研究，系统总结了工作流程以及勘查方法的应用效果，为提升隐伏对流型地热资源“选区定位”精度提供参考。

1 研究区概况

研究区为安徽省太湖县花亭湖风景区，总面积335 km2。地貌主要为低山丘陵，地形切割强烈，海拔一般为100～700 m；地下水类型以基岩裂隙水为主；属亚热带季风气候区，四季分明，雨量充沛。研究区自中元古代以来长期处于隆起状态，地质构造复杂，具备形成对流型地热资源的有利条件。

研究区位于大别山高热流值区中的岳西—太湖地温异常区，大地热流值为118.2～131.1 mW/m2，属于>1.5个热流单位(HFU)的高值区[7-8]。该地温异常区内曾先后发现3处地热田，分别是太湖县汤水湾温泉、岳西县溪沸温泉和汤池畈温泉(图1)，均为受断裂构造控制的隆起山地对流型地热田。总结3个已知地热田的勘查资料和研究成果可以发现，断裂是地热形成的根本原因，低缓地貌是地热流体排泄的有利条件，水温、水化学特征则是重要指示标志。地热田导水构造为规模较大的张性断裂，往往沿走向有一定高差，储热构造一般为规模不大的张性或张扭性破碎带，含水性好，但不易识别[10-13]。区域地热田形成模式见图2。

1.华北地块；2.北淮阳构造带；3.大别构造带；4.扬子板块北缘构造带；5.扬子板块前陆褶冲带及盆地；6.震旦系—三叠系；7.花岗岩；8.火山岩；9.超镁铁质岩；10.研究区；11.温泉；12.主要地热田(①汤水湾温泉，②溪沸温泉，③汤池畈温泉);13.热流>1.5 HFU的区域。图1 花亭湖风景区区域构造位置及大地热流分布 [8-9]Fig.1 Geotectonic sketch and terrestrial heat flow map of Huating Lake scenic spot[8-9]

图2 花亭湖风景区地热资源形成模式[14]Fig.2 Formation model of geothermal resources in Huating Lake scenic spot[14]

2 研究方法

由于研究区范围较大，地形复杂，因此本次采用“面上调查缩小区块，重点调查确定靶区，点上验证综合分析”的原则，即先通过面上调查选定重点区，再在重点区再开展大比例尺调查选定地热靶区，最后进行钻探验证和综合分析。根据对已知地热田特征的总结，将地形地貌、断裂构造、水温和水化学特征作为选定重点区和地热靶区的主要依据。选择了遥感解译、地热地质调查、可控源音频大地电磁测量、水化学分析以及钻探等技术手段来研究以上要素特征，技术流程见图3。

图3 隐伏对流型地热资源勘查技术流程Fig.3 Exploration work flow of concealed convective geothermal resources

重点区主要依据1∶5万遥感解译和1∶5万地热地质调查结果进行划分。遥感解译采用分辨率为1.5 m的SPOT6、SPOT7卫星遥感影像原始数据、正射影像以及Aster、DEM数据。对遥感数据提取的热红外异常均进行实地验证，在1∶5万地热地质调查中对所有水井、泉点等都进行测温。在重点区内，采用1∶1万地热地质调查、可控源音频大地电磁测量(点距50 m和20 m)、水化学分析等技术手段来确定地热靶区，在优选靶区的基础上，通过补充调查及成热模式分析等确定验证钻孔位置。

3 方法应用及效果分析

3.1 重点区划分

区内断裂构造按照展布方向主要可归纳为NE、NW和NNE向3组，主干断裂为NE向，分布最为广泛，其次为NW向。地貌与地质构造关系非常密切，冲沟和河谷最为密集的地区往往也是断裂构造最为发育的地区。寺前镇、汤泉镇、牛镇镇、天华镇以及晋熙镇的镇中心一般都是几条冲沟(断裂)的交汇部位，地势低缓，有利于地下热水排泄，同时这些地区人口分布集中，商业繁华，地热资源开发利用区位条件较好。因此在区内划分了5个重点区，分别为牛镇、寺前、汤泉、天华和晋熙重点区(图4，图5)。1∶5万地热地质调查中对遥感数据提取的热红外异常进行了实地验证，发现多为植被或遗弃的建筑材料、铁架等引起，未发现地热线索，也未发现明显的水温异常点。

1.第四系；2.震旦纪港河岩组；3.新太古代大别岩群；4.燕山期花岗岩；5.变质变形侵入体；6.榴辉岩；7.实测正断层；8.实测逆断层；9.推测平移断层；10.推测性质不明断层；11.遥感解译断层；12.研究区范围；13.重点区范围；14.汤水湾温泉；15.城镇。图4 花亭湖风景区地质简图Fig.4 Geological sketch map of Huating Lake scenic spot

图5 花亭湖风景区遥感影像Fig.5 Remote sensing image map of Huating Lake scenic spot

3.2 靶区优选

以牛镇重点区为例介绍靶区优选方法及应用效果。

牛镇重点区位于牛镇北部和东部，地貌以低山丘陵为主，兼有宽缓河谷，面积约为21 km2。区内构造相对较为复杂，南部为大别岩群变质岩，北部为燕山期二长花岗岩侵入体，NE向和NW向多条断裂在区内交汇，NE向断裂主要有黄家大屋断裂(F102)、西冲断裂(F103)，NW向断裂主要有龙须沟—牛凸岭断裂(F122)(图6)。

1.新太古代大别岩群桥岭组；2.早白垩世桥埠滩单元二长花岗岩；3.下五河花岗质片麻岩；4.银河花岗质片麻岩；5.实测正断层；6.实测逆断层；7.物探推断断层；8.推测断层；9.可控源测量剖面及编号；10.水化学取样点及编号；11.验证钻孔；12.重点区范围；13.地热靶区范围。图6 牛镇重点区地质简图Fig.6 Geological sketch map of key investigation area in Niu town

3.2.1 地热地质调查

通过地热地质调查，了解牛镇重点区不同类型地下水的分布特征。

龙湾河河谷宽阔，沉积厚度较大，中粗砂，是第四系孔隙水的主要分布区；基岩风化裂隙水分布较为普遍，主要位于山脚的基岩风化带，动态变化较大；构造裂隙水主要分布在龙湾河以西，有4～5个构造裂隙水点，均为历史悠久的老井(泉)，位于牛镇北部NE向龙须沟—牛凸岭断裂(F102)和NW向黄家大屋断裂(F122)交汇部位附近，呈近SN向带状展布，水量大，动态稳定，水温16～18 ℃(气温约10 ℃)。

3.2.2 可控源音频大地电磁测量

根据1∶5万区调资料[9]，重点区内4条主要实测断裂中，F103、F104为压性逆断裂，F102、F122为张性正断裂。为了进一步厘定主要实测断裂的深部特征和水力性质、寻找隐伏断裂，在区内开展了可控源音频大地电磁法测量。可控源音频大地电磁法(Controlled Source Audio Magnetotelluric Method,CSAMT)采用人工源，相比较于大地电磁法(Magnetotelluric Method,MT)和音频大地电磁法(Audio Magnetotelluric Method,AMT)，具有信噪比高、施工效率高等优点，目前已经广泛应用于固体矿产勘查、能源勘查以及水文、工程、环境和灾害地质调查等方面[15]。

通过对牛镇重点区主要已知断裂的CSAMT测量发现，F102和F122在CSAMT剖面上总体表现为电阻率梯级带，局部等值线弯曲下凹，低阻异常特征不甚明显，部分剖面上浅部低阻特征明显，可能表明断层局部富水性较好。F103和F104断裂在CSAMT剖面上低阻异常特征明显，均向西南方向陡倾。另外，根据CSAMT剖面NZ18、NZ20线以及遥感影像共同识别了隐伏断裂F201，断裂主要沿龙湾河呈NW向展布，大致平行于F122断层，CSAMT剖面上表现为电阻率等值线梯级带(图7)。NZ20线CSAMT剖面中还可以发现-400 m以浅存在一条明显的低阻异常带与F201斜交，低阻带推断为储水构造的反映。

图7 牛镇NZ18线(左)、NZ20线(右)可控源音频大地电磁测量剖面Fig.7 CSAMT profiles of line NZ18 and NZ20 in Niu town

3.2.3 水化学分析

表1 牛镇重点区水点主要成分含量Tab.1 Main ingredients of water spots in key investigation area of Niu town

根据以上结果，认为牛镇北部黄家坳地区存在隐伏地热资源的潜力较大，该处是由4条断裂(F102、F122、F201、F35)构成的一个菱形洼地，面积约2.3 km2，地貌特征与汤水湾温泉类似，北、东、西三面为河流包围，南面环山。地质构造上处于花岗岩侵入体与大别岩群片麻岩的接触部位，周边发育多条NE向和NW向断裂。NZ20线CSAMT剖面上的低阻异常和JC47点水化学特征，指示该处非常可能有深循环的构造裂隙水存在，可作为地热靶区开展钻探验证工作。

3.3 钻孔定位及验证情况

靶区选定后，为进一步确定验证钻孔位置，在靶区内开展了构造补充调查。F201断裂在地貌上主要表现为深切河谷。调查发现河东岸的花岗质片麻岩(Ygn)在河西岸消失，可佐证断层存在。另外，河两岸多个调查点均存在一组(210°～240°)∠(50°～70°)方向的张性裂隙，与推断储水构造方向一致。根据调查结果分析，F122可能为导水断裂，从高处接受大气降水补给，经深循环后，在黄家坳一带沿与F201斜交的含水构造运移，形成储热构造，而NW向断裂F201更可能为阻水构造，3条断裂之间呈“H”形耦合关系。

为了验证推断的成热模式，在JC47取样点北东约50 m、NZ20线CSAMT剖面1 250点处施工了验证钻孔Y1，孔深300 m，发现水温为22 ℃，涌水量为780.4 m3/d(降深S=20.62 m)的地下水资源，含水段主要为孔深137～140 m的构造裂隙。

3.4 效果分析

本次验证虽未发现地下热水(水温≥25 ℃)，但钻孔地下水水化学类型为SO4·HCO3-Na·Ca型，其SO42-和Na+的含量接近汤水湾温泉的1/2，地热流体特征组分H2SiO3、F-、Sr、Li等微量元素含量均有明显异常，且与汤水湾温泉接近(表1)，表明钻孔中为深循环地下水。钻孔含水段位置与CSAMT剖面显示的低阻带深度一致，表明CSAMT剖面推断结果可靠。测井结果显示，含水段井温梯度和井液电阻率均有明显异常，全孔井温梯度平均约为2.25 ℃/100 m，而含水段的井温梯度可达20.79 ℃/100 m(底点井温-顶点井温/含水段厚度×100)。钻孔分析与测量结果与地球化学、地球物理推断结果相吻合，表明该处确实存在深循环的构造裂隙水，但水温偏低。

4 结论

(1)本次在花亭湖风景区开展隐伏地热资源勘查，发现了水温22 ℃，涌水量为780.4 m3/d(降深S=20.62 m)的地下水资源，水化学特征与地热流体非常接近，含水段与可控源音频大地电磁测量推断位置吻合，表明勘查方法有效，区内地热资源潜力很大。

(2)本次选区定位工作流程为：面上调查确定重点区，在重点区中以断裂构造和水化学特征来确定地热靶区，在靶区开展补充调查，提出成热模式，确定验证井位。对于断裂体系的分析和识别是隐伏对流型地热资源勘查的关键。

(3)就应用效果而言，可控源音频大地电磁测量结合遥感解译和地热地质调查可厘定断裂构造的位置和性质，有效识别含水构造或储热构造；由于地热流体水化学特征明显，在充分了解地下水类型基础上采用系统的水化学分析是寻找地热资源线索的有效方法。