汪名鵬，劉彥華，高鶴健

(1.江蘇省水文地質(zhì)海洋地質(zhì)勘查院，江蘇 淮安 223005；2.江蘇省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，江蘇 淮安 223005)

1 引 言

地?zé)豳Y源具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。近年來(lái)隨著勘查深度的不斷加大，對(duì)深部地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)需求越來(lái)越多。目前應(yīng)用于地?zé)峥辈榈奈锾椒椒òㄖ卮?、地震、電磁法等，其中以探測(cè)地下介質(zhì)的電性差異為基礎(chǔ)的頻率域電磁法應(yīng)用最為廣泛。[1]

可控源音頻大地電磁測(cè)深法(CSAMT)是采用可控制的人工場(chǎng)源的一種電磁勘探方法。近年來(lái)，利用CSAMT尋找地下熱水是國(guó)內(nèi)外普遍采用的方法且應(yīng)用較多，CSAMT具有工作效率高、勘探深度大、垂向分辨率能力較好、水平分辨能力高、高阻層的屏蔽作用小等優(yōu)點(diǎn)[2-4]。

本次地?zé)峥辈楣ぷ鳎捎肅SAMT法克服了低阻屏蔽效應(yīng)，準(zhǔn)確探測(cè)到了800 m厚低阻覆蓋層下的熱儲(chǔ)構(gòu)造，成功獲取了一眼優(yōu)質(zhì)地?zé)峋?，為在巨厚的低阻覆蓋層的蘇北平原區(qū)尋找地?zé)豳Y源提供了成功案例。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于蘇北盆地金湖凹陷東部，蘇北盆地是中新生代坳陷盆地，其南北兩側(cè)分別為通揚(yáng)隆起和魯東隆起，受建湖隆起分隔，以南與蘇南隆起夾持部分為東臺(tái)坳陷，以北與濱海凸起、魯蘇隆起夾持部分為鹽阜坳陷，其內(nèi)部受北東向與東西向構(gòu)造共同制約的凸起與凹陷相間排列(圖1)，晚近期斷裂的繼承活動(dòng)，對(duì)晚新生代沉積和地震活動(dòng)，以及地?zé)岙惓５男纬善鸬搅酥匾目刂谱饔谩?/p>

圖1 蘇北盆地構(gòu)造區(qū)劃(據(jù)江蘇省地質(zhì)志)Fig.1 Tectonic partition of Subei Basin

2.1 地?zé)岬刭|(zhì)特征

2.1.1 熱源條件

研究區(qū)有隆起區(qū)和凹陷區(qū)兩大構(gòu)造單元，凹陷區(qū)大地?zé)崃髀愿哂诼∑饏^(qū)，次一級(jí)構(gòu)造單元大地?zé)崃鞑町惷黠@，在凹陷區(qū)次級(jí)凸起高于凹陷，凹陷斜坡帶高于深凹；在隆起區(qū)中，隆起高于凹陷，背斜高于向斜。從圖1可以看出，研究區(qū)大地?zé)崃髦到橛?2～66 mW/m2。

圖2 勘查區(qū)1 500 m深地溫分布曲線Fig.2 The geothermal temperature distribution curve of the exploration area with 1 500 m depth

陳滬生等[5]對(duì)下?lián)P子地區(qū)及蘇北地區(qū)油層溫度測(cè)試表明，在建湖隆起區(qū)以南地區(qū)地溫梯度由27 ℃/km增大至30 ℃/km以上，介于30～33 ℃/km之間，在同一埋藏深度南部地區(qū)地溫高于北部地區(qū)。根據(jù)江蘇油田部門(mén)對(duì)研究區(qū)周邊系統(tǒng)測(cè)溫井溫度與深度關(guān)系的研究[6]表明，研究區(qū)在1 500 m深度地溫在55 ℃左右(圖2)。

2.1.2 熱儲(chǔ)層類(lèi)型

金湖凹陷內(nèi)熱儲(chǔ)主要分布在新近系鹽城組中細(xì)砂、含礫砂層和古近系粉細(xì)砂巖地層中，分布面積較廣，埋藏厚度較大，約500～2 000 m，在建湖隆起區(qū)邊緣厚度較小(圖3)。

圖3 基巖地質(zhì)圖Fig.3 Geological map of bed rocks

由圖3可知，勘查區(qū)位于金湖凹陷次級(jí)構(gòu)造汜水次凹中唐港中部構(gòu)造帶，從石油部門(mén)所施工的鉆孔496(唐1)井分析來(lái)看，勘查區(qū)主要熱儲(chǔ)層有兩個(gè)，上部為新近紀(jì)鹽城組下段，下部為三垛組上段，熱儲(chǔ)層在區(qū)內(nèi)分布較廣泛，但埋深變化較大，自南向北深度逐漸增大，勘查區(qū)附近頂界深度在800 m左右，底界深度在1 500 m左右。鹽城組熱儲(chǔ)層為一套河流相為主的碎屑巖，以弱固結(jié)的砂、粉砂、砂礫層為主，其間夾多層泥巖，孔隙發(fā)育，賦存一定的地下水，為相對(duì)含水層。三垛組熱儲(chǔ)層巖性以淺紅棕色粉砂質(zhì)泥巖夾淺棕色粉細(xì)砂巖為主，厚度300～650 m，單層厚度可達(dá)40 m，是勘探深度的地?zé)醿?chǔ)層。同時(shí)鹽城組下段在結(jié)構(gòu)上為砂巖層與泥巖層交互疊置，其上又為第四系及鹽城組上段所覆蓋，形成了較好的儲(chǔ)蓋結(jié)構(gòu)；其下斷裂構(gòu)造有利于熱流向上運(yùn)移，并向斷裂上部的地層集中。

據(jù)區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)特征分析，勘查區(qū)地溫梯度在2.32～2.91 ℃/100 m，儲(chǔ)層埋深預(yù)測(cè)上部鹽城組熱儲(chǔ)層溫度在38～42 ℃，下部三垛組熱儲(chǔ)層溫度在42～58 ℃。

2.1.3 控?zé)針?gòu)造

區(qū)域凹陷、隆起、深大斷裂以及新構(gòu)造斷裂活動(dòng)是地?zé)豳Y源形成的有利條件，勘查區(qū)是地?zé)峋奂挠欣貛А?/p>

勘查區(qū)位于金湖凹陷次級(jí)構(gòu)造汜水次凹陷中，如圖4。汜水次凹陷由二凹一隆組成，隆起為唐港中部構(gòu)造帶，落差達(dá)300～400 m，隆凹相間構(gòu)造是中生代以來(lái)上地幔熱動(dòng)力作用的結(jié)果，是尋找地?zé)豳Y源的有利構(gòu)造部位。

圖4 金湖凹陷構(gòu)造簡(jiǎn)圖[9]Fig.4 Structural sketch of Jinhu depression

勘查區(qū)位于郯廬斷裂帶東側(cè)，郯廬斷裂帶在形成和演化過(guò)程中經(jīng)歷了強(qiáng)烈的大型走滑、裂陷伸展活動(dòng)。斷裂活動(dòng)導(dǎo)致巖層間的摩擦、錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生熱能，而且斷層的存在為地下水的賦存空間及深部熱液的上涌創(chuàng)造了條件。

鄰近勘查區(qū)的F2石港斷裂位于整個(gè)凹陷的中部，是凹陷內(nèi)部的主要斷層，走向NE，平面上，主斷裂帶走向總體為線性，與旁側(cè)的張性分支斷裂構(gòu)成張剪性八字型斷裂體系，分支斷裂呈雁列式展布，剖面上，主斷面上緩下陡[7,8]。

另外，新構(gòu)造斷裂是尋找地下熱水的重要條件，北東向斷裂自燕山運(yùn)動(dòng)以來(lái)可能有活動(dòng)，可以加強(qiáng)與深部熱源的溝通，同時(shí)也導(dǎo)致深部含水層富水性增強(qiáng)。

2.1.4 地?zé)嵘w層

地?zé)嵘w層為第四系和新近系黏土、粉土、含礫中粗砂和礫石層，裂隙不發(fā)育、富水性差、熱導(dǎo)率低，保溫性能好，蓋層條件好。新近系下段泥巖熱導(dǎo)率相對(duì)較低，明顯低于砂巖、粉砂巖，覆蓋于下部砂巖、粉砂巖地層之上，也有利于熱儲(chǔ)層蓄熱增溫[9]。

2.2 地球物理特征

2.2.1 重力場(chǎng)特征

根據(jù)勘查區(qū)密度特點(diǎn)，垂向上劃分出四個(gè)密度層、三個(gè)密度界面，密度層的平均密度、地質(zhì)屬性見(jiàn)表1。三個(gè)密度界面分別與古近系頂、底界和石炭系底界相對(duì)應(yīng)，第二、三密度界面是區(qū)內(nèi)產(chǎn)生重力異常的主要地質(zhì)因素，中、新生代盆地可形成明顯的重力低異常，三疊紀(jì)及以老地層的隆起或凸起可形成明顯的重力高異常，圖5為1∶20萬(wàn)布格重力異常圖。

表1 地層密度分層

圖5 布格重力異常(單位：×10-5m/s2)Fig.5 Contour map showing the gravity abnormality

區(qū)域布格重力異常呈兩高一低特征，勘查區(qū)位于重力低的中間部位，北側(cè)為建湖隆起重力高，重力極大值為42×10-5m/s2，呈北東方向展布。南側(cè)為通揚(yáng)隆起重力高，重力極大值為26×10-5m/s2，呈北東和東西方向展布。中部為金湖凹陷、高郵凹陷重力低，呈北東方向展布，其間又有多個(gè)次級(jí)異常，重力極小值為-3×10-5m/s2，沉積中心位于三河次凹陷。

重力高異常主要反映印支—燕山面隆(凸)起，重力低異常主要反映中、新生代沉積盆地或斷陷構(gòu)造，尤其是從區(qū)內(nèi)的剩余布格重力異常圖上可見(jiàn)中部重力低負(fù)異常特征十分清楚，說(shuō)明凹陷深度大，其內(nèi)中、新生代地層發(fā)育。次級(jí)異常則顯示了區(qū)內(nèi)基底局部的隆起和凹陷構(gòu)造。

2.2.2 磁場(chǎng)特征

磁場(chǎng)是地殼內(nèi)的巖石或地質(zhì)體與圍巖間的磁性差異?？辈閰^(qū)位于航磁平靜場(chǎng)區(qū)(圖6為1∶20萬(wàn)航磁異常圖)，磁場(chǎng)變化在0～-50 nT之間，反映了區(qū)內(nèi)無(wú)大的火山巖巖體，僅在工區(qū)的東南和西南有二個(gè)航磁異常，推斷由新近紀(jì)和古近紀(jì)的玄武巖引起。

圖6 航磁異常(單位：nT)Fig.6 Contour map showing the aeromagnetics abnormality

2.2.3 電性特征

可控源音頻大地電磁測(cè)深法(CSAMT)是以電磁場(chǎng)理論為基礎(chǔ)，利用介質(zhì)的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率的差異來(lái)達(dá)到解決不同地質(zhì)問(wèn)題的目的。地下巖土層具有的電性差異就是本次采用CSAMT的地球物理前提。

表2 巖土介質(zhì)物性參數(shù)

3 工作方法與技術(shù)

通過(guò)對(duì)勘查區(qū)所在的區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)條件以及地球物理特征分析，認(rèn)為勘查區(qū)熱儲(chǔ)與深部隱伏斷裂及地層結(jié)構(gòu)有關(guān)，其中尋找隱伏斷裂是工作的關(guān)鍵，因此測(cè)線的布置以追索斷裂構(gòu)造為目的。先后共布置了6 條CSAMT測(cè)線，北西—南東方向2 條(L1、L2)，東西方向4 條(L3～L6)(圖7)。

圖7 勘查區(qū)測(cè)線布置示意Fig.7 Schematic layout of survey line in exploration area

本項(xiàng)目CSAMT法采用加拿大產(chǎn)V8電法工作站(多功能電法儀)，供電最高電壓1 000 V(I=20 A)，最大電流40 A。可控源音頻大地電磁測(cè)深(CSAMT)主要布設(shè)在有利勘查靶區(qū)，用于推斷勘查區(qū)熱儲(chǔ)埋深和分布范圍以及確定斷裂構(gòu)造位置和產(chǎn)狀，確定地?zé)狎?yàn)證井井位。剖面線布設(shè)一般垂直于區(qū)域構(gòu)造線方向，測(cè)線線距控制在500 m以?xún)?nèi)，點(diǎn)距以50 m為主，個(gè)別地段因池塘影響，按實(shí)地情況布置。頻率采用0.125～9 600 Hz，點(diǎn)距50 m，控制深度為2 000 m。

CSAMT野外數(shù)據(jù)共采集物理點(diǎn)205個(gè)，質(zhì)量檢查點(diǎn)7個(gè)，質(zhì)檢率為3.4 %，視電阻率總均方相對(duì)誤差3.27 %；質(zhì)量檢查分時(shí)間、分地段地進(jìn)行，大致均勻地分布在工區(qū)內(nèi)，并對(duì)解釋推斷、檢查驗(yàn)證有關(guān)鍵意義的地段進(jìn)行了質(zhì)量檢查。質(zhì)量檢查采用同一坐標(biāo)位置、同一儀器、不同操作人員進(jìn)行重復(fù)采集的方法。

4 成果解釋

6條測(cè)線地?zé)岙惓Ｌ卣骰鞠嗤?，較好地反映了勘查區(qū)地層頂板埋深、厚度、隱伏斷層的展布規(guī)律。

以L1、L2剖面為例。L1、L2剖面位于勘查區(qū)中部，北北西向展布，主要目的是控制查明勘查區(qū)中部地層和隱伏斷裂構(gòu)造的空間展布特征。

圖8 L7剖面單點(diǎn)曲線類(lèi)型Fig.8 Single-point curve type diagram of L7

由圖8的頻率測(cè)深曲線類(lèi)型圖可以看出，因單點(diǎn)整支曲線視電阻率值偏低，因此可以忽略掉大于1 000 Hz的頻率測(cè)深數(shù)據(jù)，該段數(shù)據(jù)只反映了剖面上很淺的電性特征，其對(duì)整條剖面的視電阻率斷面圖的電性特征影響不大。1 000～0.1 Hz的頻率測(cè)深曲線類(lèi)型一般為“HK”型(圖8)，即ρ1>ρ2<ρ3>ρ4，反映了四層地電斷面的電性特征，由淺入深視電阻率值呈高-低-高-低的過(guò)渡變化特征。

由圖9可知，L1、L2剖面視電阻率斷面圖顯示的垂向電性特征和其他4條剖面的電性特征大致相同，電性層劃分亦相同，均可劃分為3個(gè)電性層。L1、L2剖面的第一電性層為高低阻相間的第四系沉積層，地表至-200 m深度范圍內(nèi)為高阻電性層，巖性主要為黏土、粉細(xì)砂層，孔隙不發(fā)育，巖性致密，含水性差，其下-200～-300 m深度范圍內(nèi)為低阻電性層，巖性主要為松散的黏土、砂質(zhì)黏土；第二電性層為中阻電性特征的新近系鹽城組地層，巖性主要為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、含礫砂巖，沉積厚度800 m左右；第三電性層為低阻電性特征的古近系三垛組地層，巖性主要為粉砂質(zhì)泥巖、粉細(xì)砂巖，頂板埋深在-1 100 m左右。根據(jù)區(qū)內(nèi)地?zé)岬刭|(zhì)條件，分析認(rèn)為第一電性層和第二電性層上段地層巖性隔水性強(qiáng)、熱導(dǎo)率相對(duì)低，兩套地層共同構(gòu)成了該區(qū)的保溫蓋層，保溫性良好。第二電性層下段和第三電性層上段地層因巖性主要為弱固結(jié)的砂礫巖、含礫砂巖，孔隙發(fā)育，含水豐富，因此該兩套地層共同構(gòu)成了該區(qū)的熱儲(chǔ)層。

從L1、L2剖面視電阻率斷面圖橫向電性特征分析，區(qū)內(nèi)沉積地層整體沉積穩(wěn)定，沉積厚度大致相同，但局部位置因斷層存在，沉積厚度有所變化，橫向沉積間斷、不連續(xù)。結(jié)合6條剖面上斷層的推斷解釋原則，綜合分析認(rèn)為L(zhǎng)1剖面的1 450～1 650點(diǎn)之間和L2剖面的1 450～1 650點(diǎn)之間均存在隱伏斷裂構(gòu)造，兩剖面上的斷裂構(gòu)造反映的電性異常大致相同，推斷為同一條隱伏斷層的反映，即斷層F3，走向北東向80°左右，傾向南東，傾角75°左右；在L1剖面的2 450～2 650點(diǎn)之間存在一隱伏斷裂構(gòu)造，即斷層F4，走向北西向285°左右，傾向南西，傾角75°左右，且該斷裂與L5剖面上的F2斷裂位置大致相同，推斷F2與斷裂F4在L5剖面1 625點(diǎn)附近交匯。因此，建議在L1剖面的1 600點(diǎn)施工地?zé)狎?yàn)證井，穿過(guò)熱儲(chǔ)層和斷層。

綜合上述對(duì)諸條剖面的電性層和斷裂構(gòu)造的解譯，并結(jié)合區(qū)內(nèi)地?zé)岬刭|(zhì)條件，分析認(rèn)為第二電性層下段和第三電性層上段地層鹽城組下部和三垛組上段發(fā)育有一套砂巖主要熱儲(chǔ)層；上部有800 m厚泥巖和粉砂巖地層，是理想的地?zé)嵘w層；驗(yàn)證地?zé)峋晃挥诖渭?jí)隆起帶上，深部有斷裂通過(guò)，有利于熱流匯聚。

圖9 L1、L2線二維反演電阻率剖面及推斷成果Fig.9 2D inversion resistivity section and inference of L1&L2

5 驗(yàn)證結(jié)果

根據(jù)森林公園景區(qū)規(guī)劃，結(jié)合CSAMT推斷的深部地層結(jié)構(gòu)、熱儲(chǔ)埋深及斷裂位置以及場(chǎng)地地?zé)岬刭|(zhì)條件，綜合分析認(rèn)為驗(yàn)證地?zé)峋瓺R位于汜水次凹的唐港中部構(gòu)造帶上。

經(jīng)鉆孔驗(yàn)證：300 m以淺為第四系，主要由土黃色、淺灰色黏土、砂質(zhì)黏土及粉細(xì)砂、中粗砂構(gòu)成；300～1 020 m為新近系鹽城組地層，上段主要由淺黃色黏土、泥質(zhì)粉細(xì)砂、含礫砂層等構(gòu)成，尤其底部礫石成分明顯增多，下段為淺棕、棕紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖與淺灰色、灰白色砂巖、含礫砂巖、砂礫巖互層。1 020 m以下為古近系三垛組灰綠色、棕灰色砂質(zhì)泥巖、砂巖、礫巖及互層，終孔深度1 500 m。在孔深300～1 500 m存在多處含水層，孔口水溫43 ℃，涌水量約2 400 m3/d，證實(shí)了應(yīng)用CSAMT尋找深部構(gòu)造的可靠性和可行性。

經(jīng)檢測(cè)，該地?zé)崴袑?duì)人體有益的礦物質(zhì)和微量元素，可命名為富含偏硼酸、偏硅酸的優(yōu)質(zhì)理療熱礦水。

6 結(jié) 語(yǔ)

1)在分析金湖森林公園景區(qū)地?zé)岬刂诽卣骱偷厍蛭锢項(xiàng)l件的基礎(chǔ)上，通過(guò)CSAMT勘查手段，圈定熱儲(chǔ)層，結(jié)果得到鉆孔驗(yàn)證。

2)調(diào)查區(qū)上覆覆蓋層深度達(dá)300 m，屬高阻電性層；新近系鹽城組屬中阻電性層，厚度約800 m，古近系三垛組屬低阻電性層，這兩套地層為該區(qū)熱儲(chǔ)層。

3)調(diào)查區(qū)地?zé)豳Y源受北東向隱伏斷層控制，深度超過(guò)1 000 m，熱源主要來(lái)源為地溫場(chǎng)增溫，構(gòu)造發(fā)育導(dǎo)致整體水溫不高，為中低溫地?zé)崽铮瑑?chǔ)層為汜水次凹的唐港中部構(gòu)造帶。

綜上所述，本次利用可控源音頻大地電磁法進(jìn)行地?zé)峥辈槿〉昧祟A(yù)期效果。此外，物探方法存在多解性，輔助采用鉆孔驗(yàn)證的方法可提高資料解釋的精度。