综合物探方法在汤山背斜北部地热勘查中的应用

谢红青, 宋 涛, 余云春, 吴建峰, 曾朝伟, 高云娇

(1.江苏华东基础地质勘查有限公司,江苏 南京 210007;2.江苏省地质局,江苏 南京 210001)

0 引言

地热资源是一种绿色低碳、可循环利用的可再生清洁能源,在当今环境污染问题和能源短缺问题趋于严重的情况下,科学合理的开发地热资源是有必要的[1-2]。地热资源分布广泛,具较好的规律性和地带性,但常因埋深较大需投入深部勘查工作。在地热勘查与开发实践中,综合物探方法被广泛用于控热构造探测、热储预测、地热开发监测等关键环节。杨永淞等[3]采用实测重力与区域重磁数据综合处理,分析地热异常区的隆坳格局和断裂构造,预测地热靶区;张大明等[4]基于重力和大地电磁勘探成果,预测古潜山碳酸盐岩溶蚀界面热储层;王军成等[5]采用可控源音频大地电磁法(CSAMT)、广域电磁法(WFEM)和微动探测等综合物探方法探测导水断裂和岩溶连通处的优质热储;韩元红等[6]采用二维地震、音频大地电磁(AMT)和静电α卡测氡综合物探方法解译推测含水断裂;高博涵等[7]选择CSAMT和瞬变电磁法(TEM)在火山岩地区探测含水断裂和裂隙,综合物探方法在大量的地热勘查实例中发挥一定的作用。本文以汤山背斜北部地区为研究对象,通过区域重磁结合广域电磁勘探,在分析区域隆坳格局、断裂构造特征以及岩浆岩分布规律等地质背景的基础上,开展地热地质分析,依据广域电磁勘探成果优选有利控热导热构造及岩溶热储构造,部署地热探井揭露验证,分析地热资源成因模式,以期为同类地区地热资源勘探提供参考。

1 研究区地热地质

1.1 地质背景

研究区位于南京市东部的汤山镇西侧,大地构造位置属下扬子地块宁镇褶皱束—汤仑复背斜—汤山短轴背斜北翼(图1a)。印支期以前宁镇地区以稳定的地台沉积、升降运动和弱岩浆活动为主要特征。印支期—燕山早期,受太平洋板块运动的影响,华北板块与扬子板块碰撞拼合产生陆内俯冲,强烈的造山作用使浅部大陆壳变形,南北向的挤压力造就著名的宁镇山脉“三背两向”复式褶皱构造样式:自北向南分别为龙潭—仓头复背斜、范家塘复向斜、宝华山—朝凤山复背斜、桦墅—亭子复向斜、汤山—仑山复背斜,汤山短轴背斜即位于汤山—仑山复背斜西段核部(图1b)。在燕山中晚期的扭动构造作用与喜马拉雅期的挤压构造作用下,产生一系列压扭—张扭断裂构造和逆冲推覆构造,基本形成目前宁镇地区的构造格局[8-11]。

研究区所在的宁镇地区地层属扬子地层区下扬子地层分区宁镇地层小区,寒武系以来的沉积地层基本出露齐全。前寒武系基底由中元古界变质岩系构成,原岩是中基性火山岩,形成于大陆边缘火山岛弧环境。寒武系—三叠系以整合和假整合关系接触,由3个大的沉积旋回组成,即下旋回寒武系—泥盆系上统(∈-D3)、中旋回石炭系—二叠系中统下段(C-P21)和上旋回二叠系中统上段—三叠系(P22-T),分别都是由海相碳酸盐岩开始,到陆相—海陆交互相碎屑岩结束。侏罗系以来以陆相碎屑岩沉积为特征,假整合、不整合于前侏罗系之上[12-13]。汤山背斜至孔山一带发育一系列NEE—EW弧形走向的南倾逆冲断层,另有多组横切汤山短轴背斜的NE向平移断层与横切孔山—狼山一带的NW向平移断层交汇于汤山背斜北部地区。宁镇地区岩浆活动频繁且强烈,岩浆岩广泛分布且以燕山期形成的为主。侵入岩具有多旋回、多期次、多样化的特点,形成一套由基性—中酸性—酸性的演化系列;火山岩为早白垩世上党旋回,主要为一套石英安山岩—石英粗安斑岩—石英粗面斑岩—英安流纹岩系列[14]。

图1 研究区构造位置(a)(据文献[13])及地质简图(b)

1.2 地热地质特征

1.2.1 热源

宁镇地区岩浆活动主要集中于距今1 Ga左右的燕山晚期,汤山周边的石英闪长斑岩岩体的热量已散失殆尽,难以成为附加热源[15]。因此汤山地区热源是来自地球内部的大地热流,大热流值在40～60 mW/m2,属中低热流区,但在稳定的扬子克拉通普遍较低的区域热背景下,属较好的热源条件,这源于宁镇山脉复杂的构造背景以及相对较强的中新生代构造—热活动[16-17]。

1.2.2 通道

宁镇地区浅部呈“三背两向”构造格局,低山丘陵地貌和山前岗地、冲沟内覆盖的松散堆积物,利于大气降水的汇水、补给。汤山背斜北部地区发育多组逆冲断层和深切的平移断层,逆冲断层的挤压造成大规模岩石破碎,平移断层及其伴生的一系列断层导通深部热源及地热流体。两类断层从深部发育至地表,连通深部上升的地热流体和浅部入渗的大气降水补给,断裂造成的岩石破碎带为流体对流提供良好的通道条件。

1.2.3 热储

汤山地区寒武系中上统观音台群—奥陶系上统汤头组发育厚层碳酸盐岩,经历印支期、燕山期以及喜马拉雅期构造运动的剧烈改造,又在热水和冷水的长期溶蚀和淋滤作用下,岩石中喀斯特现象包括溶洞、石钟乳都比较发育,是良好的地热储层。位于汤山背斜北坡的葫芦洞(南京人化石发现地)即为发育于奥陶系灰岩中的典型溶洞,该溶洞主要受印支期及燕山期构造控制,灰岩被沿破碎带循环的地下水溶蚀发育古溶洞,在喜马拉雅及后期运动抬升后露出地表。由于汤山北麓汇集大量地表水和地下水,产生几乎相同高度的一系列溶洞,这些溶洞大多是在古溶洞的基础上发育而成[18]。结合研究区断裂构造发育特征可知,汤山背斜北坡及以北地区的深部岩溶亦较发育,热储条件较好。

1.2.4 盖层

地热流体运移过程中温度保持的重要影响因素为地热盖层的隔热效果。火山岩热导率分布为1.09～2.07 W/(m·K),平均值为(1.50±0.27 )W/(m·K);碎屑岩包含石英砂岩、长石砂岩等热导率分布为1.52～5.23 W/(m·K),平均值为(2.77±0.83 )W/(m·K);碳酸盐岩主要包含白云岩、灰质白云岩、白云质灰岩和灰岩,热导率分布为2.34～6.55 W/(m·K),平均值为(4.21±1.28 )W/(m·K)[19]。显然,碎屑岩与火山岩具较低的热导率,可作为良好的盖层。汤山背斜以南的句容盆地广泛发育厚层白垩纪碎屑岩及火山岩,汤山背斜以北深部有厚层志留世碎屑岩,两者均可作为优质的盖层为汤山北深部地热资源提供良好的保温条件。

1.3 岩石物性特征

掌握地层岩石物性特征及其变化规律是地球物理勘探数据处理解译的基础。宁镇及周边地区岩石露头分布广泛,岩石标本物性数据丰富,对江苏省页岩气资源调查与评价物性调研工作中采集到宁镇及周边地区1 338块岩石标本的物性参数进行测量和统计(表1),标本的密度、磁化率以及电阻率参数统计结果显示宁镇地区岩石物性的变化规律。

(1)沉积岩与岩浆岩的磁化率差异较大,标本磁性强弱主要取决于其磁性矿物的含量。沉积岩呈无磁性-弱磁性,磁化率值离散度小:碳酸盐岩呈无磁性,磁化率平均值小于8×10-5SI,砂岩、泥岩、页岩呈弱磁性,磁化率平均值约为(15～23)×10-5SI。岩浆岩呈中强磁性,磁化率值变化大:侵入岩与喷出岩的磁化率平均值大于54 ×10-5SI,中性侵入岩磁化率远高于酸性侵入岩,常以岩床、岩墙浅成产出的闪长玢岩磁性强于喷出的安山岩。

表1 宁镇地区岩石标本物性参数统计

(2)不同岩性之间,岩石密度存在显著差异。碳酸盐岩和闪长玢岩呈明显高密度,平均密度大于等于2.70 ×103kg/m3;岩浆岩呈中密度,平均密度为(2.52～2.58)×103kg/m3;粉砂岩、泥页岩等一般呈低密度,平均密度小于2.5 ×103kg/m3。同类岩性之间,老地层岩石密度一般高于新地层岩石密度,如寒武系的碳酸盐岩密度高于石炭纪—二叠纪碳酸盐岩,志留纪砂岩、泥岩密度高于侏罗纪—白垩纪同类岩石。

(3)电阻率与岩性具有密切关系,碳酸盐岩呈显著的高电阻率(>104Ω·m),岩浆岩多呈中电阻率(103～104Ω·m),砂岩、泥岩、页岩等多呈低电阻率(<103Ω·m)。电阻率与密度具有一定相关性,如高密度的标本常具高电阻率特征。

2 勘查方法及地球物理特征

汤山背斜北翼地形陡峭、构造复杂,黄栗树—汤山镇一带居民密集、电磁干扰强烈,大比例尺规则网地面重磁勘探工作部署难度大且难以取得良好的数据。通过收集处理以往区域重力和区域航磁数据,分析构造特征和岩浆岩分布规律,部署抗干扰能力较强的大功率广域电磁测线,控制重点构造以了解深部热储构造的展布形态。依据区域重磁和广域电磁法综合勘探成果设计地热探井井位。

2.1 区域重磁异常分析

本次研究收集到覆盖全区的1∶5万区调重力及航磁数据:1987年宁镇地区1∶5万重力数据,面积2 769 km2,重力异常总精度 ±0.149×10-5m/s2;1975年江苏南部地区1∶5万航磁数据,面积12 128 km2,航空磁力异常总精度23 nT。布格重力异常总体呈东西分块、南北分带的分布特征(图2a),以陈家边—狼山—汤山镇西缘为界,布格重力西高东低。西部重力高值区内,极值带呈NEE—EW向似弧形展布,东部重力低值区在汤山镇以北呈NNW走向,汤山镇以南大致以NE走向弧形展布。航磁(ΔT)化极异常整体呈NNE—SN走向(图2b),大致以孟塘—狼山—团子尖为界,以东为低缓的正磁异常(>120 nT),以西为较平静的负磁异常(-20～-120 nT)。

基于物性分层及其变化规律,结合研究区地层发育特征分析区域重磁成果,获取区域构造格局和地层发育特征。西部重力高、磁力低反映一系列弧形分布的沉积地层褶皱构造,重力高极值带反映孔山背斜以及汤山短轴背斜核部大规模碳酸盐岩的分布,重力高值中心轴线基本代表碳酸盐岩背斜轴线。重力高值中心与地表露头背斜轴线位置差异较大(图2a),孔山背斜重力高值中心位于地表露头背斜轴南约1 km、汤山背斜轴位于地表露头北侧,且两者几乎相连,反映汤山背斜北部可能存在倾卧褶皱、叠瓦状逆冲的复杂地质构造,黄栗墅一带多处露头呈高角度倒转也证实汤山背斜北部的构造复杂性。东部及汤山背斜东南缘重力低、磁力高反映汤山镇以东深部存在大规模侵入岩体,安基山及其南部一带出露大规模石英闪长斑岩岩床、汤山短轴背斜有脉岩出露可能与其有关(图2b)。区域重磁显示,研究区发育大规模NEE—EW向控热导热逆冲断层、逆冲—推覆构造之下可能发育大规模碳酸盐岩,两者均为地热勘探的有利要素需进一步控制。

2.3 广域电磁勘探

2.3.1 测线部署与处理方法

广域电磁法(WFEM)是一种高效的深层地热资源地球物理勘探方法,获得的深部数据质量佳、可信度高、细节丰富[20]。为控制NEE—EW向控热导热断层、叠瓦状逆冲推覆构造的深部展布形态以及深部碳酸盐岩的发育特征,在研究区部署8条广域电磁测线,其中6条NNW向,2条NEE向(图3),测线总长18 km,测点368个,点距50 m。按照SY/T 6589―2016《陆上可控源电磁法勘探采集技术规程》规范采集。主要技术参数及质量评价如下:收发距9.9～12.6 km,覆盖角度10.7°～21.6°,发射场源AB长度为1 010.2～1 441.4 m;检查率4.07%,最大相对均方误差4.56%,最小相对均方误差0.96%,Ⅰ级品率为96.5%,合格率为100%。广域电磁勘探数据处理反演采用GMES_3DI 重磁电震三维反演成像解释一体化系统带源二维反演,通过调节正则化参数,控制反演结果的光滑程度和分辨率,反演算法采用的尖锐边界反演[21]。

2.3.2 广域电磁反演断面解译

广域电磁L1线北起雪浪安,经孔山东、黄栗墅东,南至团子尖,走向165°,测线长约4 km,是控制全区构造特征的最具代表性的测线。图4a为L1线二维反演解译剖面,电性规律具南北分块、上下分带、波动剧烈三大特征:大致以Fa、Fb为界呈3个电性分区(块)且由南向北各区深度逐次降低;Fa以北电性层分带较明显,自上至下呈“低—高—低—高”;各电性层界面起伏大,团状电性体异常分布广泛。表层数十米以浅因风化和潜水含水层影响导致电阻率较低。深部较完整的地层可结合岩石电阻率特征分析,(反演)电阻率大于1 000 Ω·m的电性层主要反映碳酸盐岩地层,电阻率小于1 000 Ω·m的电性层主要反映砂泥岩地层。

图3 汤山背斜北翼广域电磁测线部署图

基于研究区地质特征进行地球物理数据处理解译是复杂构造区地球物理勘探的关键。L1线反演断面清晰的反映汤山背斜北翼至孔山背斜北翼的深部地质结构:叠瓦状逆冲—推覆构造控制下的倾卧—倒转复式褶皱。F3向北逆冲挤压主要造成∈—O、S—D以及C—T地层的褶皱变形;F2和F1向北逆冲—推覆使汤山北—棒锤山之间深部形成一组由多个背向斜组成的巨大的倾卧复式向斜,该复式向斜核部主要由C—T组成,南翼被S—D、∈—O组成的汤山短轴背斜核沿两逆冲—推覆断层断失和掩盖,汤山北部志留系高家边组出露宽度达1.5 km且存在多处地层陡立、倒转,印证(叠瓦状)逆冲构造的存在。Fa、Fb为2条左行平移断层,形成于燕山中晚期压扭—张扭构造环境,将逆冲推覆岩片切割成不同深度的多个块体。

图4 广域电磁L1线二维反演解译剖面(a)及DR01井完井柱状图(b)

广域电磁勘探结合航磁异常分析推断汤山背斜之下可能有侵入岩体,汤山背斜北缘地表有浅成侵入岩出露;广域电磁反演断面刻画F1—F3逆冲—推覆断层缓而深、平移断层Fa和Fb陡而深的展布特征以及深部大规模碳酸盐岩的分布形态。F3、Fa以及碳酸盐岩顶面的交汇处,是良好的热储层(构造)。

3 钻探验证及地热资源成因分析

3.1 地热钻井验证

3.2 地热资源成因分析

汤山地区以往地热井的水位和水温模拟预测结果表明,南京汤山地区已有的14口地热水井可开采量相差较大,且随着各地热水井的开采,水位逐渐下降,各地热水井的水温均逐渐上升,大部分年内水温上升2.0 ～3.0 ℃,个别地热井水温上升达5.0 ～7.0 ℃[22]。针对已有地热井的水化学、同位素、补给来源等方面的研究结果表明,汤山温泉区地热系统在成因上属中低温对流型地热系统,地热水补给主要来自汤山山体大气降水和区域的侧向补给,如汤山周边宁镇山区及茅山山脉,深循环通道主要是汤山南部的汤山—东昌街断裂及汤山一带的平移断裂,热储温度约为90 ℃,循环深度2.6～2.9 km[23-24]。

地球物理勘探成果结合水文地球化学资料表明,汤山背斜北缘DR01井地热流体的补给来源主要为宁镇山脉的大气降水入渗补给,酸性岩体分布区是重要的补给区或径流区。地下水主要以逆冲断层的破碎带进行深循环,通过大地热流增温后沿逆冲—平移断层交汇处的破碎通道向上运移,同时可能与浅部入渗的冷水有一定混合。不同方向深切割断裂交汇的破碎带既是地热流体的循环通道,亦是容矿(含热水)构造。浅部的碎屑岩以及推覆岩片的封盖具有一定的保温作用(图6)。

4 结论

(1)汤山背斜位于由南向北的叠瓦状逆冲—推覆构造上盘,深部赋存丰富的地热资源。分析区域重磁资料,可以获取大规模控热导热构造的平面展布特征,判断逆冲断层下盘碳酸盐岩背斜分布规律,为控制热储的地热勘探部署提供正确方向。

图5 汤山地区水样点的Piper三线图(据文献[24])

(2)采用广域电磁勘探剖析深部有利断裂构造的纵向展布特征,控制碳酸盐岩溶蚀界面的埋藏深度,确定不同走向的断层交汇部位,锁定多组断层与岩溶界面夹持的破碎带这一关键有利热储构造,为地热钻井选址提供关键信息。

(3)经地热钻井揭露设计靶位,获得优质的地热流体,DR01井的勘探结果表明,采用综合物探在复杂构造区进行地热资源勘查可以获得可靠的热储靶位和良好的勘探效果。

图6 汤山北部地热资源成因示意模型

(4)汤山背斜北部DR01井地热流体的水文地球化学特征与汤山背斜南翼有明显差异,主要的补给区或径流区应为中酸性岩体发育区,宁镇山脉广泛发育的逆冲—推覆断层和平移断层是地热流体的主要深循环通道。汤山背斜北部地区具良好的地热资源勘探开发潜力,系统的勘查开发有利于保护汤山地区地热及地下水资源,对实现地热资源的可持续利用具有重要意义。