苏北浦南构造特征与地热资源靶区预测研究

吴姗姗 康涛 张洋洋 李琳 沈瑞 贾志杰 王丹

摘 要：地热资源是重要的绿色能源矿产，变质岩地区的地热赋存条件与断裂构造关系及其密切.充分的构造研究工作可有效提高变质岩地区地热資源靶区预测的可靠性.综合分析地质—物探资料的基础上，采用可控源音频大地电磁测深法、地温测量和氡气测量等工作方法，通过地质—物探成果综合解释，查明了研究区的深部断裂特征和具体展布位置.经综合研究得到了本区构造发育，且热源、通道、储层和盖层等地热地质条件较为良好的结论，并在地质构造和地热条件良好部位预测了地热找矿靶区，为下一步的地热勘查开发提供了较为可靠的地质和物探依据，具有重要指导意义.

关键词：构造；地热；可控源音频大地电磁测深法；地温测量；氡气测量；靶区预测；浦南

中图分类号：P612

文献标志码：A

0 引 言

地热作为新型能源之一具有低成本、可持续利用和绿色环保等其他能源不可比拟的独特优点^[1-2].浦南地区为苏北变质岩地区，变质岩地区的地热赋存条件主要取决于构造的发育情况.电阻率低阻异常是识别地热异常的主要标志，地热勘查方法主要有中直流电法、大地电磁（MT）法和可控源音频大地电磁测深（CSAMT）法.CSAMT法具有比中直流电法和MT法工作效率高，勘探深度大，且比MT法分辨率更高的优势，为了解浦南地区的地热勘查潜力，本研究采用CSAMT法、地温测量和氡气测量等工作方法^[3-5]，结合地质资料对浦南地区可能的构造发育地段进行构造特征研究，总结该区的地热地质条件，进而推断该区地热资源勘查靶区.在CSAMT法工作成果的基础上，选择在视电阻率异常部位针对性地进行地温测量和氡气测量工作，可达到对CSAMT法勘查成果进行进一步验证的目的，该组合方法可以有效提高本次构造特征探测及地热资源预测的可靠性.

1 区域地质背景及物性特征

1.1 区域地质背景

浦南地区位于苏鲁造山带的超高压变质构造单元东南部，该地区长期隆起并遭受剥蚀.大别—苏鲁超高压变质带被郯庐断裂所切割，分成大别（西部）和苏鲁（东部）2部分，苏鲁超高压—高压变质带呈NE-SW走向，宽180 km，长750 km，北界以五莲—烟台断裂与中朝板块为邻，南界沿嘉山—响水断裂东段，转为SSW延至张八岭一带，与扬子板块相连^[6].研究区位于苏鲁超高压变质带南部（见图1）.

1.1.1 地层

研究区为第四系覆盖，盖覆厚度不超过40 m，基岩地层主要为东海杂岩（Ar₂-Pt₁D）和王氏组（K₂w），分布的花岗质变质侵入岩为朐山片麻岩（JGn）（见图2）.东海杂岩是一套包括了不同地质年代的变质地层和不同期次变质变形侵入岩，且以变质侵入岩为主的构造混杂岩.本区东海杂岩中的变质表壳岩主要由大理岩类、石英岩类、片岩类及白云变粒岩等组成，在地表附近，变质表壳岩常常呈构造透镜体形状赋存于变质侵入岩（朐山片麻岩）中.变质岩作为储层本身含水性并不良好，但变质构造发育处也可以成为地热赋存的良好部位，巨厚的变质岩覆盖在热储之上作为盖层可以起到一定的隔热保温作用.

1.1.2 构造

研究区内断裂构造比较发育，具有多期性，主要构造线呈平行、垂直或斜交，方向主要为北北东和北西方向，规模较大.断层性质主要有北北东向逆断层及在剪切应力作用下形成的北西向平移断层.多期断裂构造活动破坏褶皱的完整性，改造了锦屏组含磷地层的分布状态.基岩出露区，断裂不太明显，规模较小，覆盖区经钻探与物探证实断裂十分发育.现将研究区周边主要构造描述如下：

1）锦屏山西麓—临洪口断裂（F₁）.位于研究区西部，锦屏山西麓刘顶—巴狗庄—尹巷—小东关—临洪河口一线，长约30 km.大部分被第四系覆盖，仅在锦屏山西麓地表见次一级断裂.据地表及钻探揭露，断层走向10°～20°，倾向南东，倾角40°～50°左右.断裂西侧为东海岩群及王氏组，东侧均为朐山组.在海州下山虎地表见次一级断裂组合成雁式排列，从次一级雁式排列的断层与主干断层关系推测主断层东盘北移；据刘顶附件钻孔揭示，孔深53～56 m处见构造混杂岩及断层泥，自上而下见朐山组和锦屏组直接接触，推测为逆断层.

2）大官庄—浦南平移断层（F₂）.位于研究区西南部地区，分布于大官庄—浦南，断层走向北西西向，根据钻孔揭示，断层南北两侧岩性明显差异，且岩层不连续.与F1断层相交北西侧为王氏组构成的断陷盆地，断层控制王氏组南北边界，推测为平移断层.形成时间可能为燕山晚期至喜山期.

1.2 岩（矿）石物性特征

根据苏北地区56份物探工作报告中提供的6 500块标本（或地点）的物性测定成果进行归纳，获得苏北变质岩区各类岩矿石的密度、磁性和电性参数（见表1），其特征如下：

1）第四系和白垩系均呈低密度无磁或微磁特征，变质基底密度及电阻率较高，除大理岩外普遍具不均匀磁性.

2）第四系电阻率较低，尤其海相淤泥层和咸水层电阻率低至几个欧姆米.

3）变粒、浅粒岩类、石英岩类密度和电阻率偏低，而磁性数值较高，尤其是剩磁远大于感磁，与原岩含硅质成分较高和在变质过程中受磁性矿物混染或原岩为火山成因的岩浆岩相关.

4）变质片岩类和大理岩类密度值较高，磁性相对偏低，其中大理岩类不具磁性，与其原岩含钙和镁质成分较高相关.

5）花岗片麻岩和二长片麻岩类在变质岩中密度值最低，磁性相对偏高，大部分岩性以感磁为主，与原岩为中酸性侵入岩相关.

6）云母、斜长和角闪片麻岩密度值偏高，磁性亦偏高，尤其是黑云角闪片麻岩类，磁性较强，与原岩为中基性侵入岩相关.

7）元古代变质基性—超基性侵入岩具较高的密度和较强磁性，并且剩磁大于感磁.当基性—超基性岩蛇纹石化或蚀变为蛇纹岩后，密度和磁性均大大降低.

8）中生代岩浆岩的密度、磁性随岩性由中性→中酸性→酸性过渡而逐次降低.总体上，其密度值低于变质岩，而磁性高于变质岩.

2 构造特征研究

2.1 地質—物探综合解释思路

本研究将CSAMT、氡气测量和地温测量工作成果结合区域地质、物探和钻孔等资料进行地质—物探综合解译，分析研究区内约2 500 m深度内的地层岩性分布和断裂展布特征^[7].解释工作以CSAMT资料为主要地层和构造辨别依据，通过各电性层位与地质背景对比分析进行地层划分.通过仔细辨别CSAMT视电阻率异常特征探测识别构造，辅以氡气测量和地温测量资料对CSAMT剖面解释出来的构造进行佐证，可以使探测判断的构造更为可靠^[8-9].

2.2 地层划分

研究区处于东海杂岩分布区，因变质岩都有着较高的电阻率^[10]，故本次CSAMT法所反演断面中，视电阻率值普遍较大，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.

研究区内地表主要以第四系覆盖为主，研究区附近浅钻揭示，本区第四系厚度约为30 m（见图3）.从研究区基岩地质图及相关地质资料可知，本地区的基岩主要为东海杂岩和白垩系王氏群，东海杂岩是一套包括了不同地质年代的变质地层和不同期次变质变形侵入岩，且以变质侵入岩为主的构造混杂岩，变质表壳岩主要由大理岩类、石英岩类、片岩类及白云变粒岩等组成，地表多以大小不等的构造透镜体形式赋存于东海杂岩之变质侵入岩（朐山片麻岩）中.

纵观5条测线的视电阻率等值线断面图（见图3～图7），5条测线在垂直方向上都明显存在视电阻率值发生跃变的梯度带，梯度带的上方为中低阻区，梯度带的下方为中高阻区，且中低阻区由南向北呈增厚的趋势.根据区域重磁资料及电性参数，研究区变质基底密度及电阻率较高，推测5条CSAMT 反演视电阻率等值线断面图上部的东海杂岩组成主要为变质表壳岩与花岗变质侵入岩的混杂体，由于花岗变质侵入岩的侵入作用，使变质表壳岩变得较为破碎，会引起一定的低阻异常，测线浅部基本呈低阻特征，视电阻率值一般都在300  Ω·m以下，应为地表东海岩群变质表壳岩赋存于变质侵入岩中的反映， 深部视电阻率值较高，应为以朐山片麻岩为主的相对完整东海杂岩变质基底.仅CSAMT 3线的西侧视电阻率一般都在300 Ω·m以下，结合已有地质资料推测为白垩系王氏群.由南向北中低阻区逐渐变厚表明，较完整的东海杂岩变质基底埋深由南向北逐渐加深.

2.3 构造解释

从5条CSAMT反演视电阻率剖面图看（见图3～图7），推断测线上有3条断裂经过，即DF1、DF2和DF3，DF1、DF2和DF3均为在研究区范围内，走向总体为北北西向（见图8）.

DF1断裂纵跨研究区内4条CSAMT测线，自北向南分别经过2线点号1 850 m，3线点号3 000 m，4线点号2 000 m，5线点号2 100 m，断裂展布北北西走向.电性特征显示断层规模大，断点经过之处，均有明显的低阻异常，视电阻率异常带宽数百米且延深较好，从4条断面中视电阻率异常形态来看，该断层经过的漏斗状视电阻率异常尖部总体朝向西，推测该断层向南西倾斜，下切深度超过2 000 m.

DF2断裂纵跨5条CSAMT测线，自北向南分别经过1线点号1 400 m，2线点号2 400 m，3线点号3 700 m，4线点号2 350 m，5线点号2 450 m，断裂展布北北西走向.电性特征显示断层规模大，断点经过之处，均有明显的低阻异常，视电阻率异常带宽数百米且延深较好，从5条断面中视电阻率异常形态来看，该断层经过的漏斗状视电阻率异常尖部总体朝向东，推测该断层向北东倾斜，下切深度超过2 000 m.

DF3断裂纵跨该3条CSAMT测线，自北向南分别经过1线点号2 000 m，2线点号3 000 m，3线点号4 000 m，4线点号2 900 m，5线点号2 950 m，断裂展布北北西走向.视电阻率异常带宽数百米且延深较好，从5条断面中视电阻率异常形态来看，该断层经过的漏斗状视电阻率异常尖部总体朝向东，推测该断层向北东倾斜，下切深度超过2 000 m.结合CSAMT法的推断成果，在CSAMT 4线的1 500～3 500 m上布置测氡和测温工作，从图6可以看出， DF3断裂经过的断点上方，地温和氡气都出现了明显异常.本研究的断裂推断成果主要依据CSAMT反演断面的异常特征，并利用氡气测量和地温测量成果作为验证，通过3种技术方法对异常部位进行相互印证推断，断裂推断成果的可靠性得到了极大地提高.

综上所述，本次CSAMT反演电阻断面结合氡气测量和地温测量剖面可推断出3条北北西走向隐伏断裂DF1、DF2和DF3，倾角较陡，断层规模较大，结合区域地质资料，该3条断裂分布位置与锦屏山西麓—临洪口断裂分布的位置大致可以对应，推测DF1、DF2和DF3断裂可能为锦屏山西麓—临洪口断裂及其次级断裂，即为区域上的海泗断裂的一部分，推测该断裂组主活动期应在中生代晚期.DF1、DF2和DF3，深构造可沟通深部热源，为热源流通提供良好的通道，并且地热资源可在深部合适的变质岩构造发育部位得以储存，覆盖在热储之上的巨厚变质岩导水导热性差，可作为天然的隔热屏障.

3 地热资源远景预测

3.1 地热地质条件分析

3.1.1 热 源

研究区热源来自地壳深部，地温与热储埋深相关，热储埋藏越深，地温越高，区域大地热流值比全球平均值和华北平原的热流值略高^[11].在温度带中分区中，浦南地区处于的暖温带地区，恒温带深度约20 m，恒温带指的是距地表最浅的年温度变化小于 0.1℃的带，该带地温不受太阳辐射影响，不同纬度地区的恒温带深度不同.根据暖温带地区恒温带温度计算公式，T_g=0.96T_amb+1.68（T_g为恒温带温度，T_amb为平均气温，本区取值14℃），浦南地区地层恒温带温度T_g=15.12 °，区域地温梯度值接近2.8 C°/100 m，汤庙地区的地温梯度为2.4℃/100 m，东海大陆科学钻100～1 980 m的平均地温梯度约为2.39℃/100 m，李埝地热经井从井深100～1 980 m井温为19.25～50.4℃，平均地温梯度为1.66℃/100 m.这些都说明研究区周边井的地温梯度低于区域的地温梯度值.

3.1.2 通 道

本次CSAMT法成果初步推断的3条断裂DF1、DF2和DF3呈北北西走向，断层规模较大，为研究区的控热和导热构造，从CSAMT剖面图上看，断裂下切深度较深，基本超过2 000 m，这些深断裂可作为地下热水上下运移的构造通道，更好地与深部热源进行沟通.据推断该断裂组可能是锦屏山西麓—临洪口断裂及其次级断裂，为区域上的海泗断裂的一部分，形成于中生代，中生代晚期海泗断裂控制了王氏群断陷盆地的形成和发展，锦屏山西麓—临洪口断裂及其次级断裂的活动改造了锦屏组的分布状态，其与深部热源具有良好的沟通条件，故本区具有良好的深循环条件.

3.1.3 储 层

研究区的地热资源主要储存在东海杂岩的构造破碎带中，东海杂岩岩性主要为石英岩、大理岩和片麻岩等变质岩，其中，大理岩储水性相对较好.变质岩储水性主要取决于构造裂隙的发育程度，岩性完整的变质岩储水性总体较差，但构造裂隙发育良好部位也可能成为有利的地热资源储集空间，3组北北西向断裂及其附近发育的裂隙（若深部存在花岗岩侵入体，裂隙将较为发育）为本区的断裂型储水构造，故本区具有一定的储水空间.

3.1.4 盖 层

研究区地热资源的保温盖层主要为巨厚的变质岩，由于变质岩厚度很大，也可以起到一定的保温及隔水作用.

经综合分析，可认为研究区在热源、通道、储层和盖层4个方面基本具备了形成地下热水的地热地质条件，研究区大地热流相对较高，地下热源条件较好，地质—物探推测的北北西向断裂DF1、DF2和DF3及断裂附近发育的构造裂隙可作为热源通道和储水构造，保温盖层主要为巨厚的变质岩，研究区地热勘查类型为基岩裂隙型^[12].本区综合推断成果如图8所示.

3.2 地热靶区预测

根据本次研究工作解释成果及研究区地热地质条件，在工作综合程度较高的4测线布置范围建议了2个地热井位DR01和DR02，分别位于4线点号1 600 m和3 000 m，设计井深均为2 000 m，其平面位置及推断成果如图8所示.

根据地质资料及CSAMT解译成果，DR01和DR02井位分别于DF1和DF3断层上，两断层切割深度大，且断层位置分别与前人推断的锦屏山西麓—临洪口断裂（F1）及其次一级断裂位置大致对应（见图8）.断裂附近视电阻率明显低于左右兩侧，以V型向深部延伸，推测此处断裂破碎带发育，富水较好，热储有一定的埋藏深度.设计钻井处热源条件较好，断裂沟通深部热源，为地下热流向上运移提供了良好的通道，中深部地层主要为东海杂岩地层，岩性为变质岩和变质侵入，岩厚度较大，在构造发育处也可作为良好的地热储层，根据CSAMT剖面成果资料，与DR02相比，DR01井位对应的视电阻率低阻异常更为明显，构造条件更优越，为本次优选井位.

3.3 预测地热钻孔特征

3.3.1 预测钻遇地层

DR01钻遇地层分别为第四系（0～30 m）和元古界—新太古界东海杂岩（30～2 000 m）.目标热储层埋深1 000～2 000 m，岩性为元古界—新太古界东海杂岩，为该岩段断裂经过处的破碎部位.

DR02钻遇地层分别为第四系（0～30 m）和元古界—新太古界东海杂岩（30～2 000 m）.目标热储层埋深1 000～2 000 m，岩性为元古界—新太古界东海杂岩，为该岩段断裂经过处的破碎部位.

3.3.2 预测地热资源水温

依据临区的东海大陆科学钻和李埝林场地热-1井地温都为37℃，深度2 000 m处，地温分别为62和50℃，李埝林场地热-1井出水温度为43℃，属于低温热水.由此推测，若区内热储为自然增温型，由此推测，DR01和DR02地热井深2 000 m处地温约为40～50℃，地热井出水温度约40～45℃.DR01和DR02孔的目标储层都是东海变质杂岩中的构造破碎带，据本次调查资料及前人资料推测DR01的目标储层埋深在1 000～2 000 m范围内，DR02的目标储层埋深在1 000～2 000 m范围内，若为天然热储则钻深可浅一些.钻井过程中若遇合适热储，即该深度水温水量满足要求，也可停钻成井.

3.3.3 预测地热资源水量

由于地下热水分布受构造控制，带状分布，富水性具明显的不均匀性，给水量估算带来较大困难，目前只能依据前人水文勘探资料及本次CSAMT资料推断.从区域水文资料看，邻区李埝林场地热-1井在降深20 m时出水量为708 m³/d，本次设计的地热井如果能钻遇含水组破碎带，出水量估计能达到200～300 m³/d.

3.3.4 预测地热资源水质

根据本次调查及研究区附近水文井资料显示，本次热水化学类型估计为HCO₃、Cl-Ca、Na和HCO₃-Ca型水，可用于供生活热水、温泉洗浴、理疗和农业温室等方面.

4 结 论

通过对研究区展开地质构造研究，地热地质条件分析和地热资源远景区预测等研究工作，得到主要结论如下：

1）对研究区断裂进行了综合物探工作探测，进一步探测了研究区断裂的具体位置和展布特征，推断出3条北北西走向隐伏断裂DF1、DF2和DF3，这些断裂与区域地质背景的断裂分布位置大致可以对应.

2）研究区大地热流相对较高，地下热源条件较好，热源通道和储水构造为DF1、DF2和DF3 3条北北西向断裂及其附近发育的构造裂隙，巨厚变质岩地为本区地热资源的保温盖层，研究区地热勘查类型为基岩裂隙型.本研究区基本具备了形成地热的 热源、通道、储层和盖层4个方面的地热地质条件.

3）在工作综合程度较高的4测线地热地质条件较好部位建议了2个地热井位DR01和DR02，设计井深均为2 000 m，对地热井深部地层分布、水温、水量和水质进行了预测，出水温度预测约为40～45℃，出水量估计能达到200～300 m³/d，本次热水化学类型估计为HCO₃、Cl-Ca、Na和HCO₃-Ca型水.

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（实习编辑：罗 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