郭寧寧， 程懷蒙， 韓 杰， 張 勇， 郭 盼， 徐玳笠

(1.湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北 武漢 430034； 2.湖北省地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430034)

地?zé)崮茏鳛槭澜绲谌罂稍偕茉矗饕譃樗疅嵝秃透蔁釒r型兩種類型[1]。干熱巖(Hot Dry Rock，簡稱HDR)主要為不含水或含少量水的高溫巖體，主要是巖漿巖和變質(zhì)巖等，常見的有花崗巖、花崗閃長巖、片麻巖等[2]。干熱巖埋藏深度為3～10 km，溫度范圍為150～650℃。干熱巖貯存的熱能作為一種可循環(huán)利用的新型清潔能源，發(fā)展前景廣闊[3]。“缺煤、少油、乏氣”是湖北省能源的基本特點，能源供需壓力較大，研究干熱巖對于湖北省意義重大。

大地電磁測深法(Magnetotelluric，簡稱MT)是一種天然場源的頻率域電磁法，主要研究地球深部電性結(jié)構(gòu)特征。實踐成果表明，MT已成為尋找圈定干熱巖的有效方法之一[3-4]。該方法勘探深度大，不僅可以探測深部地層的電性特征，還可以探測與熱異常有關(guān)的斷裂構(gòu)造，同時對低阻體敏感，在干熱巖勘查中潛力巨大[5]。

本文采用MT方法對干熱巖模型進行二維模擬研究，對干熱巖靶區(qū)進行數(shù)據(jù)采集分析，實現(xiàn)深部探測，揭示深層干熱巖的電性特征，分析MT在地?zé)峥碧綉?yīng)用中的效果，對湖北省干熱巖探索研究具有重要意義。

1 湖北省干熱巖地?zé)豳Y源

湖北省地跨揚子板塊和華北板塊，巖漿活動強烈，斷裂構(gòu)造發(fā)育，尤其是在東部地區(qū)，中酸性巖體大面積出露，為地?zé)峄顒觿?chuàng)造了有利地質(zhì)條件。

湖北省地?zé)豳Y源較豐富，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)地?zé)豳Y源產(chǎn)地64處(圖1[6-9])。湖北省地?zé)嵯到y(tǒng)主要為隆起山地型和沉積盆地型兩種：①隆起山地型地溫場屬地溫和地溫梯度低值區(qū)，共有58處，主要分布于東部的英山、羅田等地。該類地?zé)豳Y源所處地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，斷裂裂隙和各種破裂結(jié)構(gòu)裸露條件較好。②沉積盆地型地?zé)嶂饕憩F(xiàn)為埋藏型碎屑巖孔隙裂隙中—低溫地?zé)豳Y源，共有6處，主要分布于江漢盆地。對于沉積盆地型地?zé)豳Y源，沉積覆蓋層由于電阻率較低，阻止了熱量的散失，導(dǎo)致熱量在淺部聚集，在淺埋地層中形成溫度較高地?zé)豳Y源[10]。

湖北省大地?zé)崃髦饕憩F(xiàn)為“南高北低，東高西低”，存在江漢盆地南部和鄂東黃石—大冶地區(qū)兩個高值異常帶。湖北省地表地?zé)犸@示以溫泉為主，共53處(圖1)。溫泉集中出露于鄂東英山—羅田、鄂東南嘉魚—咸寧、鄂中鐘祥—京山以及鄂西北房縣—?？邓膫€地區(qū)，熱流背景值高。

圖1 湖北省地?zé)豳Y源分布圖Fig.1 Distribution map of geothermal resources in Hubei

因此，本文根據(jù)湖北省區(qū)域地質(zhì)概況、地?zé)岬刭|(zhì)條件、地?zé)豳Y源分布、區(qū)域溫度場特征，在對干熱巖形成條件進行分析的基礎(chǔ)上，選擇羅田地區(qū)和嘉魚地區(qū)2個地?zé)岙惓^(qū)進行研究。

2 MT方法原理

大地電磁測深法(MT)是一種以天然電磁場為場源的頻率域電磁測深方法，主要研究地球深部電性結(jié)構(gòu)與構(gòu)造[11]。

該方法的理論基礎(chǔ)為麥克斯韋理論(Maxwell方程)。MT是在地表測量不同頻段的天然場源的電場和磁場的切向(水平)分量，通過計算阻抗來獲得地下不同深度電阻率的信息[11-12]。一般大地電磁探測利用的頻段范圍在104～10-4Hz 之間。視電阻率的公式為：

式中：E為電場分量；H⊥為磁場的正交分量；ω為角頻率；μ為磁導(dǎo)率。

式中：ρ為電阻率；f為頻率。

MT野外采集方便，探測深度可達幾十千米，分辨率高，對高阻體穿透力強，對低阻體靈敏。這些對研究深部地層及構(gòu)造具有重要意義[11]。MT不僅可以反映干熱巖蓋層的大小，同時也能反映大型導(dǎo)熱斷裂帶。所以MT用于干熱巖探測具有良好的效果和廣闊的前景[13]。

3 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征

3.1 羅田地區(qū)

羅田地區(qū)位于團麻斷裂以東、襄廣斷裂以北，地處桐柏—大別造山帶東大別剪切帶內(nèi)，為大別變質(zhì)雜巖的核心部位。羅田地區(qū)地質(zhì)簡圖見圖2。

區(qū)內(nèi)出露太古界—元古界的花崗質(zhì)片麻巖及大別山巖群變質(zhì)表殼巖、變質(zhì)基性巖等地層。其中大別山巖群分為片麻巖巖組和變粒巖巖組，前者主要為(角閃)黑云斜長片麻巖夾條帶狀斜長角閃巖，巖層厚度>696.50 m；后者由黑云斜長變粒巖、角閃斜長變粒巖、斜長角閃巖和大理巖組成，巖層厚度>84.48 m。該地區(qū)侵入巖出露極其廣泛，面積約占90%以上，其中太古代—元古代花崗質(zhì)片麻巖占約45%左右，其余大部分為中生代晚侏羅—早白堊世花崗巖。

圖2 羅田地區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.2 Geological map of Luotian work area

該區(qū)地殼在中生代時劇烈活化，大量花崗巖體侵入。NNE-NE向褶皺疊加于老的NNW-NW向褶皺之上。NNW-NW向斷裂帶多形成于元古代，早期以韌性變形為主，后期疊加脆性變形，長期活動。NNE向斷裂形成于中生代，早期為左行韌性剪切和逆沖，晚期為右行引張[14]。在晚中生代伸展背景下，形成大量燕山期花崗巖。

區(qū)內(nèi)地?zé)犸@示顯著，熱泉分布較廣，普遍具有流量大、溫度高、群居性等特點。已發(fā)現(xiàn)的地?zé)崽镏饕腥镱驳責(zé)崽铩⒃S家沖地?zé)崽镆约傲_田縣城關(guān)地?zé)崽?，其中以三里畈地?zé)崽镆?guī)模最大。

3.2 嘉魚地區(qū)

嘉魚地區(qū)位于江漢盆地東部、沔陽凹陷東南緣與武漢—咸寧隆起交匯處。嘉魚地區(qū)地質(zhì)簡圖見圖3。

圖3 嘉魚地區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.3 Geological map of Jiayu work area

區(qū)內(nèi)出露有奧陶紀(jì)—第四系地層，其中第四系分布廣泛，出露面積占整個地區(qū)的95%以上，而下伏基巖出露十分局限，奧陶紀(jì)—古近紀(jì)地層均為零星出露。地表未見巖漿巖出露。

該地區(qū)處于江漢平原與鄂東南部低山丘陵的接壤部位。由于第四系松散堆積層覆蓋，構(gòu)造被掩蓋。據(jù)區(qū)域地球物理資料，區(qū)內(nèi)主要存在NE向的洪湖—湘陰斷裂和近EW向小規(guī)模的次級隱伏斷裂，另外沿長江隱伏深大斷裂也經(jīng)過該區(qū)。洪湖—湘陰斷裂是一條規(guī)模較大的隱伏斷裂，形成于燕山期，至今仍有活動，是一條長期活動的大斷裂，具壓扭性特征。長江隱伏深大斷裂規(guī)模更大，可能深切巖石圈，并沿斷裂廣泛發(fā)育中酸性侵入巖。

區(qū)內(nèi)地?zé)岙惓ｏ@示相對豐富，其中>50℃的熱泉主要分布在烏林、蛇屋山以及嘉魚城區(qū)一帶，已發(fā)現(xiàn)地?zé)崽飪商?，以烏林地?zé)崽镆?guī)模最大。

4 研究區(qū)物性特征

4.1 干熱巖電性特征

MT圈定干熱巖靶區(qū)的依據(jù)是干熱巖巖體與圍巖電阻率之間的差異。干熱巖多為巖漿巖、變質(zhì)巖，表現(xiàn)為高阻異常。干熱巖地?zé)釁^(qū)的“源”、“儲”、“蓋”三者電阻率不同，蓋層電阻率相對“源”和“儲”較低。干熱巖地?zé)岬奶綔y離不開干熱巖物性的分析[15]。

隨著深度的增加，溫度和壓力發(fā)生變化，干熱巖巖體電阻率也會發(fā)生改變。電阻率的變化與溫度呈反比，隨著溫度的增加而減小；且溫度越大，電阻率增加的幅度減小，呈非線性變化。壓力對電阻率的影響與溫度一致[15]。

4.2 巖石電性特征

本文實測及收集了研究區(qū)部分巖石電阻率參數(shù)，具體見表1。由表1可以看出研究區(qū)變質(zhì)巖、侵入巖整體表現(xiàn)為高阻，破碎帶表現(xiàn)為低阻，兩者電阻率相差較大，可以明顯識別出。

表1 巖石電阻率參數(shù)統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of rock resistivity parameters

5 干熱巖儲層的MT二維正演模擬

干熱巖的“源”、“儲”、“蓋”具有明顯的電性差異。為了研究地?zé)崮Ｐ偷碾姶彭憫?yīng)特征，本文對干熱巖典型模型進行MT二維正演數(shù)值模擬。

本文設(shè)計了如下干熱巖地?zé)豳Y源概念模型(圖4)[5]。該模型特征如圖4：地下熱流沿斷裂向上傳播，遇到低阻蓋層②，阻絕了熱量向地表散失，從而形成了③號區(qū)域的熱儲層。由于熱儲層中含水飽和度比較低，其電阻率高于蓋層。

圖中紅色箭頭描述了熱流的傳播方向圖4 干熱巖地?zé)豳Y源概念模型(據(jù)參考文獻[5]修改)Fig.4 Conceptual model of geothermal resources in hot dry rock

本文采用意大利Geosystem公司開發(fā)的軟件WinGLink進行正演模擬(如圖5所示)，建立模型網(wǎng)格為30×30，網(wǎng)格大小為100 m×100 m。圍巖電阻率為1 000 Ω·m；在0.5～1 km的深度和0.5～2.6 km的橫向范圍內(nèi)存在一個蓋層，電阻率為100 Ω·m；蓋層之下為熱儲層，在1.1～2.5 km 的深度和1.0～2.1 km的橫向范圍內(nèi)，電阻率為500 Ω·m；在蓋層和熱儲層中設(shè)計一個斷裂，電阻率為50 Ω·m。頻率范圍為10-3～103Hz，頻點數(shù)為60。正演結(jié)果見圖6。

圖5 干熱巖正演模型圖Fig.5 Forward model diagram of hot dry rock

從圖6可以較清晰地反映干熱巖模型的各個巖層的電性分界面，斷裂也可以清晰顯示，位置也與模型一致。因此用大地電磁測深法進行干熱巖研究是可行的且效果良好。

6 MT數(shù)據(jù)采集

本次大地電磁測深工作采用德國GMS ADU-07E大地電磁測深儀，其配備MF-ADB中頻數(shù)據(jù)采集板，有效頻率為10-3～2×104Hz。根據(jù)場地情況采用十字型或L型布極方式。為保證野外數(shù)據(jù)質(zhì)量，數(shù)據(jù)采集工作嚴(yán)格按照大地電磁測深法規(guī)范進行，同時進行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查。

本次工作共完成兩條剖面：①羅田—英山剖面，長25 km，地形平緩，主要地層為大別群方家沖組，以花崗巖、花崗質(zhì)片麻巖及斜長角閃巖為主;②嘉魚—咸寧剖面，長24 km，位于江漢平原上，地形平坦，地表基本上看不到巖層露頭，以第四系覆蓋為主。

圖6 視電阻率擬斷面圖Fig.6 Pseudo section of apparent resistivity

7 資料解譯

本文在對TM和TE模式數(shù)據(jù)進行對比研究后，選擇TM數(shù)據(jù)進行反演解譯。

7.1 羅田—英山MT剖面

從MT剖面反演結(jié)果及地質(zhì)解譯圖7可以看出：

(1) 地層。圖中可見5個高阻異常ρ1-ρ5。ρ1埋深較淺，且延伸至地表淺部，與地表出露的龍井垴巖體相對應(yīng)；由于其下部存在低阻區(qū)，表明巖體下部延伸較淺。ρ2、ρ3和ρ4三個高阻區(qū)幅值相當(dāng)，推測為花崗巖或二長花崗質(zhì)片麻巖的綜合電性反映，它們規(guī)模較大，且埋深均在1.5～7 km范圍內(nèi)，其中以ρ2區(qū)規(guī)模最大、埋深最深；而ρ5區(qū)則可能為巖枝近水平方向侵入造成。全區(qū)約7 km以下為巨厚低阻層，可能是基底淺變質(zhì)巖系與中、上地殼淺層次低阻體的綜合電性反映。

(2) 構(gòu)造。圖中視電阻率等值線多處不連續(xù)，有明顯錯斷、梯度帶和垂向“V”形彎曲，結(jié)合地表斷裂構(gòu)造出露情況，共劃分出5處推測斷層F1-F5。其中F1斷裂傾向NW，構(gòu)造規(guī)模不大，較淺，應(yīng)屬巖性破碎性質(zhì)的擠壓破碎帶；F2斷裂產(chǎn)狀略緩，傾向NW，可能與F1平行；F3斷裂產(chǎn)狀陡傾，略傾向NW，構(gòu)造規(guī)模較大，切割較深，推測切入基底；F4斷裂傾向NW，規(guī)模較大；F5斷裂產(chǎn)狀陡傾，傾向難以判斷，構(gòu)造規(guī)模較大，斷裂頂部覆蓋高阻層ρ5，可能被后期巖枝侵入改造。整體來看，F(xiàn)1、F2屬于小規(guī)模淺部斷裂，F(xiàn)3-F5均為規(guī)模較大、切割較深的斷裂。此外，區(qū)內(nèi)三里畈地?zé)崽?、許家沖地?zé)崽镆约傲_田縣城關(guān)地?zé)崽锓謩e與F1、F4以及F5發(fā)育處相對應(yīng)，表明區(qū)內(nèi)水熱系統(tǒng)活動與地表斷裂構(gòu)造密切相關(guān)。

(3) 干熱巖賦存條件分析。根據(jù)干熱巖指標(biāo)分析，ρ2區(qū)為干熱巖賦存條件最佳最具潛力區(qū)。其埋深約2～7 km，隱伏規(guī)模最大，內(nèi)部及附近無明顯深斷裂構(gòu)造發(fā)育，具有較好的干熱巖體熱儲條件。其上具有厚度合適(0～2 km)的變質(zhì)表殼巖層，可為蓋層提供一定的封蓋條件。此外，該區(qū)地表淺層斷裂發(fā)育處有地?zé)犸@示活動最為強烈的三里畈地?zé)崽铩＆?和ρ4規(guī)模較大，但二者埋深較淺，其中ρ4與ρ5相連通并延伸至地表，蓋層條件較差，無法很好地封存來自深部傳導(dǎo)的熱量；兩者附近明顯發(fā)育斷裂構(gòu)造(F4、F5，相當(dāng)于“蓋層斷裂”)，利于中深層水熱活動，流體的對流易于造成干熱巖熱儲熱量的快速散失，因此不利于干熱巖資源的賦存，潛力相對次之。

圖7 羅田地區(qū)實測MT反演地質(zhì)解譯圖Fig.7 Geological interpretation map of MT inversion in Luotian area

7.2 嘉魚—咸寧MT剖面

從MT剖面反演結(jié)果及地質(zhì)解譯圖8可以看出：

(1) 地層。測區(qū)位于江漢盆地東緣，大部分為沉積地層，其視電阻率背景較低，幅值為幾十—幾百Ω·m。圖8中見2處高阻異常區(qū)ρ1+、ρ2+和1處極低阻異常區(qū)ρ1-。電性層在橫向上相對穩(wěn)定，縱向上變化較為平緩，呈現(xiàn)出往深部電阻率逐漸增加的形態(tài)。本次搜集到附近2個鉆孔資料，與測區(qū)臨近，同屬江漢盆地構(gòu)造區(qū)。鉆孔結(jié)果顯示，從上到下依次為黏土—亞黏土層、泥巖、粉砂巖。因此上部相對低阻層推測為第四系黏土、亞黏土等，厚度0～500 m不等；中部中阻層推測為侏羅系—第三系泥巖、頁巖以及粉砂巖等厚度范圍在300～1 500 m；而下部相對高阻層則推測為志留系—三疊紀(jì)地層中頁巖、粉砂巖以及碳酸鹽巖等，其頂部埋深變化于1 000～1 600 m。

(2) 構(gòu)造。圖8中視電阻率橫向變化平緩連續(xù)，未見明顯錯斷、梯度帶和垂向“V”形彎曲，顯示測區(qū)內(nèi)斷層等構(gòu)造活動較弱，可能存在小規(guī)模構(gòu)造由于精度原因無法識別。

(3) 干熱巖賦存條件分析。圖8中相對高阻異常區(qū)ρ2+呈透鏡狀獨立出現(xiàn)，應(yīng)該為火山巖團塊，與深埋于第四系的玄武巖透鏡體相對應(yīng)。極低阻異常區(qū)ρ1-呈層狀分布，埋深約500 m。根據(jù)收集資料，推測為鹽巖、膏巖、軟泥巖等含鹽巖石組成的地層。此外，較高的地溫也是形成鹽丘構(gòu)造的重要因素之一，從側(cè)面反映出該區(qū)較高的熱背景值。ρ1+高阻異常區(qū)顯示出橢圓形態(tài)、規(guī)模較大，東西向隱伏規(guī)模約10 km，其頂部埋深在2 km左右，并有明顯的上凸跡象和深部延伸趨勢，是隱伏侵入巖體的電性反映。

圖8 嘉魚地區(qū)實測MT反演地質(zhì)解譯圖Fig.8 Geological interpretation map of MT inversion in Jiayu area

依據(jù)前人早期區(qū)域航磁異常(圖9)，全區(qū)顯示出極為顯著的長軸狀正異常特征，異常中心位于老灣鄉(xiāng)—龍口鎮(zhèn)一帶，反映出深部存在大型隱伏侵入巖體，并可能存在較大規(guī)模的巖基式基底。該隱伏巖體與圖中異常相對應(yīng)，可能沿長江隱伏深大斷裂上侵。

綜合以上干熱巖賦存指標(biāo)的分析，嘉魚地區(qū)蓋層條件較好，埋深較淺的大型隱伏巖體可作為良好的干熱巖熱儲，烏林—嘉魚一帶地表熱異常顯示較強，溫泉出露豐富，且臨近長江深大斷裂(作為深部熱源物質(zhì)的上升或傳導(dǎo)通道)，具有較好的熱源供應(yīng)，這些與盆地型干熱巖資源的特點極為相似，因此該區(qū)可作為干熱巖潛力靶區(qū)。

8 結(jié)論

(1) 本文選取干熱巖模型進行MT二維正演模擬計算，結(jié)果表明干熱巖的“源”、“儲”、“蓋”等典型特征都能清晰地識別，為大地電磁測深法應(yīng)用于地?zé)峥辈樘峁┝酥匾囊罁?jù)。

圖9 嘉魚地區(qū)航磁△T化極異常圖Fig.9 Anomaly map of aeromagnetic △T polarization in Jiayu area

(2) 本文選擇東大別羅田地區(qū)和江漢盆地沔陽凹陷東南部嘉魚地區(qū)進行研究,通過對TM模式數(shù)據(jù)處理與解譯，基本查明羅田和嘉魚兩地?zé)岙惓^(qū)深部地層結(jié)構(gòu)、斷裂構(gòu)造、熱儲層的埋藏深度，初步評估其干熱巖的資源潛力。

(3) 在干熱巖勘查中，大地電磁探測反演電阻率對地下地?zé)崽锓从趁黠@，判斷準(zhǔn)確性高，展現(xiàn)了其良好的適用性，具有很高的實用性價值。