苏北赣榆—和安湖地区地球物理特征和地热条件分析

2022-08-02吴姗姗姚维军李琳康涛朱鹏

地质论评 2022年4期

吴姗姗，姚维军, 李琳,康涛,朱鹏

江苏省地质勘查技术院，南京, 210049

内容提要: 为了探索苏北盆地赣榆—和安湖地区地热地质条件，笔者等在了解该区地质、物探条件的基础上，采用地热地质调查、可控源音频大地电磁法(CSAMT)、氡气测量、地温测量方法进行探测，对研究区2500 m左右深度内断裂位置和展布特征进行地质物探综合解析研究。研究成果表明：调查区地热资源的分布与断裂构造关系密切，并具备形成地热的“热源、流体源、通道、热储、盖层”等基本热储水文地质条件，具有良好的勘查前景，区内北北西向断裂为地热资源勘查有利部位。本研究为苏北地区地热成因与地质结构增添了新的地质及地球物理依据，对合理开发利用地热资源具有重要指导意义。

地热资源是节能减排的绿色能源，苏北地区长期大量利用传统能源, 造成过量排放二氧化碳，不仅影响气候变化而且会破坏生态良性循环,因此,在碳中和及碳达峰的背景下,绿色节能减排的地热资源的开发利用是今后苏北地区能源发展的必然趋势(陈墨香等，1994；陈墨香，2019a；王转转等，2019)。地热资源勘查是项高投入高风险的任务,相对浅层地温能勘查,在苏北变质岩地区,深部地热资源的勘查更为困难，变质岩地区的地热资源赋存条件与构造关系极为密切，断裂发育地段往往是地热勘查的有利部位,因此地热井选址勘查阶段尤为重要,地热资源勘查需查明深部地层和断裂分布情况，这样才能大大降低投入风险。现阶段,在赣榆地区的深部地层和构造的资料缺乏,在勘查过程中面临着巨大挑战，需进一步探究(陈墨香等，1994b)。在变质岩中有断裂构造发育时，电阻率明显降低1～2个级次，因此，用控源音频大地电磁测深法(CSAMT)划分地层界线及断裂构造具备一定的电性前提(Mitsuhata et al., 2002)，通过系统的地质、物探工作深入解译研究深部构造特征(刘志龙等，2020；陆晨明等，2021)，综合研究赣榆区地热“热源、流体源、通道、热储、盖层”等地质条件，可以有效提高本区地热勘查工作的可靠性(赵剑畏，2004；李泓泉，2020)，对寻找变质岩地区相关类型地热资源具有重要指导作用。

1 区域地质背景

研究区位于江苏省连云港市赣榆区(图1),大地构造位置位于郯庐断裂以东的苏鲁造山带内，苏鲁造山带为大别—苏鲁超高压变质带东延部分，是一个长期隆起、遭受剥蚀地区。

区内为第四系覆盖，基岩埋藏深度不超过50m，埋藏地层如下(图2)：

图2 赣榆—和安湖地区区域地质构造及工作布置图Fig. 2 Regional geological structure in Ganyu—He’an Lake area and work arrangement

表1 赣榆和安湖地区断裂构造一览表Table 1 A list of faults in the Ganyu—He’an Lake Area

新太古代—古元古代演马场岩组(Ar3—Pt1Dy)岩性主要为蛇纹石化大理岩、透辉石(或透闪石)大理岩+斜长角闪岩+变粒岩(+榴辉岩)等，以不连续的构造透镜体形式夹于变质侵入岩中。

东海杂岩(Ar3—Pt1D)大部为片麻状无序花岗质侵入岩体构成，由大理岩、斜长角闪岩、白云石英片岩等组成的变质表壳，地表出露多以不连续的构造透镜体形式夹于变质侵入岩中。由于侵入作用，变质岩侵入和表壳岩接触部位的岩石完整性有所减弱，电阻率值一般小于280 Ω·m，在电阻率剖面上会显示出比完整的已变质侵入岩为主的东海杂岩电阻率相对更低。

断裂构造是中生代晚期(白垩纪)以来区内最重要的构造形迹。北东向断裂为青口—海头断裂(F1)和青口断裂(F2)区域性大断裂，形成时间早，规模大，为本区的主干断裂，且持续活动，北西向水泥厂—三清阁—城头断裂(F3)为张性断裂，北西向断裂与当地主要构造轴线垂直或斜交，这些断裂，多数为扭性、张扭性(表1、图2)。

青口—海头断裂(F1)：该断裂地表未见出露，以布格重力异常梯级带为主要表现特征，布格重力异常自西向东急剧递增，同时沿断裂带还发育数个局部磁异常。区域上，沿断裂有晚白垩世断陷盆地形成、新近纪基性玄武质火山岩喷溢，1973年发生3.6级地震，是一活动性断裂。

青口断裂(F2)：位于调查区东南角，为隐伏断裂，航磁异常零等值线呈北东向展布，布格重力异常图上，以梯级带为特征。倾向北西，属正断层。区域性大断裂，长大于220 km，曾被称为“海州断裂”、连(云港)黄(梅)断裂、赣榆—盱眙断裂，前小河口—小东关钻探剖面揭示存在宽约100 m的破碎带，晚白垩世王氏群(K2W)底部也见有断层分布，具挤压性质。在谷丰庙跨断层所作的人工地震剖面上，发现由4条断层构成断层带，倾向南西，倾角大于60°，断层气测量显示，断层胶结较好。另外，在△T化极上延1 km，该断层是存在的，而在△T化极上延3 km，该断层消失，在内蒙古满都拉—响水口地学大断面上，该断裂没有反映，应属浅表断裂，该断裂属长期活动断裂，它控制红盆沉积，也切割红盆，最后活动时间为上新世，该构造在本次的1线和2线的CSAMT剖面中有所反应，表现为“V”型电阻率值低阻异常。

表2 研究区测线布设情况一览表Table 2 Summary of survey line layout in the study area

水泥厂—三清阁—城头断裂(F3)：经过本次调查区。断裂位于水泥厂—三清阁南—城头，赣榆地区该断裂走向约115°，倾角产状直立，向南倾，走向延伸长度10 km以上(断裂)由数米至数十米宽的碎裂岩带构成，沿断裂局部有煌斑岩脉侵入，性质为张性正断层，该构造在本次的2线、3线、4线、5线、6线和7线的CSAMT剖面中有所反映，表现为“V”型电阻率值低阻异常。

第四系密度值较低，平均值为2.11×103kg/m3。变质岩密度值普遍较高，平均值2.67×103kg/m3左右，其中表壳岩类略高于片麻岩类。区内第四系含水，电阻率值较低，在3～30 Ω·m之间，而变质岩及岩体电阻率普遍高于300 Ω·m，即盖层与基底及岩体之间电阻率差异大。

2 赣榆—和安湖地区地热地质条件分析

热源条件: 本区地温梯度、大地热流均为高值区，在地表观测到的大地热流,主要由地壳中放射性元素衰变产生热能(地壳热流)和地幔深部热能(地幔热流)两部分组成(Jaupart et al., 2007; Czechowski et al., 2012),本区大地热流值接近66 mW/m2。地温梯度值接近2.8C°/100 m，其热源来自于地球内部热量。

图3 赣榆—和安湖地区1线CSAMT反演电阻率等值线地质解译断面图Fig. 3 The geological interpretation section for CSAMT inversion of apparent resistivity isoline on the line-1 in Ganyu—He’an Lake area

调查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，地壳最表层温度受地面温度周期性变化的影响是随着深度的增加而减弱的(王贵玲等，2015)，至一定深度这种影响近于消失，地温基本保持不变，这个地温常年保持恒定的层、带称为恒温带。恒温带的温度和深度是沉积盖层地温梯度和深度计算的起点，赣榆地区属于中国温度带中的暖温带，年平均气温13.5℃，地层恒温带深度约20 m以下，恒温带以下为地热增温带，根据暖温带地区恒温带温度计算公式：

tg=0.96tamb+1.68

tg为恒温带温度，tamb为平均气温(王婉丽等，2016)；赣榆地区地层恒温带温度tg=14.64℃。

流体源条件:本研究区地热勘查类型为基岩裂隙水，由风化裂隙和构造裂隙构成地下导水裂隙网。大气降水首先沿低洼沟谷汇集成流，然后沿导水裂隙部分渗入补给，部分形成径流，由西北流向南东，泄流于平原中，部分以顶托越流的方式补给第四系孔隙水或以泉的形式溢出地表，在径流途中部分消耗于蒸发或人工开采。因此研究区地热的流体源主要为大气降水。

图4 赣榆—和安湖地区2线CSAMT反演电阻率等值线地质解译断面图Fig. 4 The geological interpretation section for CSAMT inversion of apparent resistivity isoline on the line-2 in Ganyu—He’an Lake area

图5 赣榆—和安湖地区3线CSAMT反演电阻率等值线地质解译断面图Fig. 5 The geological interpretation section for CSAMT inversion of apparent resistivity isoline on the line-3 in Ganyu—He’an Lake area

通道条件：本次物探成果推测区研究区内存在2条断裂DF1和DF2，从CSAMT剖面图上看断裂下切深度都超过2000 m，DF1为北西走向，断裂破碎带处物探异常宽度达500 m，为区域性张性断裂断裂。DF2为北西走向，断裂破碎带处物探异常宽度达500 m，为区域性张性断裂断裂。上述断裂构造加强了与深部热源沟通，是地下热水上涌或地表水下渗的构造通道，为本区控热导热构造(陈锋等，2016)。

储层条件：本区的储层主要为东海杂岩，岩性主要为由大理岩类、石英岩类、片岩类及白云变粒岩等变质岩表壳岩和花岗质变质侵入岩组成，除了变质岩中大理岩储水性较好之外，大部分变质岩本身储水条件并不是很好，本区大理岩总体分布较少,储层含水性主要跟构造裂隙的发育程度有关，构造发育部位可以作为有利的储水空间。区内推测的DF1和DF2两组断裂及其附近发育的裂隙为本区的断裂型储水构造，特别是北北西向的DF2断裂为张性断裂,出水条件更为优越,故本区具有较好的储水空间(段启杉等，2015)。

盖层条件：第四系松散堆积层是本区天然的地热“盖层”，厚度30～50 m，盖层条件尚可，区内遍布巨厚的变质岩覆盖在热储之上也可以起到一定的隔水保温作用。

经过综合分析认为，本调查区在“热源、流体源、通道、热储、盖层”5个方面基本具备形成地下热水的地热地质条件(罗璐等，2019；钟振楠等，2021)，勘查类型为基岩裂隙型，热储类型为裂隙型带状热储。

图6 赣榆—和安湖地区4线线综合物探异常地质解译推断成果剖面图: (a) 氡气计数图；(b) 温度计数图；(c) 4线综合物探异常地质解译推断成果剖面图 Fig. 6 The geological interpretation inferred results profile for the geophysical anomalies on the line-4 in Ganyu—He’an Lake area: (a) radon count graph; (b) temperature count graph；(c) geological interpretation section for the CSAMT inversion of apparent resistivity isoline on the line-4

图7 赣榆—和安湖地区5线综合物探异常地质解译推断成果剖面图: (a) 氡气计数图；(b) 温度计数图；(c) 5线综合物探异常地质解译推断成果剖面图 Fig. 7 The geological interpretation inferred results profile for the geophysical anomalies on the line-5 in Ganyu—He’an Lake area: (a) radon count graph; (b) temperature count graph；(c) geological interpretation section for the CSAMT inversion of apparent resistivity isoline on the the line-5

3 地层划分和构造特征研究

3.1 主要研究方法

可控源音频大地电磁法简称CSAMT，是20世纪80年代末兴起的一种物探新技术，其勘探深度大和分辨率高,使得它在油气、金属矿产、地热勘查以及工程地质研究中应用颇广。氡气测量一直是国内外众多学者的研究的重要领域，特别是20世纪80年代以来，放射性氡气测量方法技术和仪器设备经历的数次发展，广泛应用于矿产勘查，还可应用于寻找地下水源，地震预报及环境保护。地温测量可以推测地下热源的大致分布(何继善，1990；Bromley et al.,1993；王家映，2002；毛一铮等，2015；王军成等，2017)。本次研究工作主要开展了CSAMT、氡气和地温的测量方法来推断地层和断裂的分布。

图8 赣榆—和安湖地区6线综合物探异常地质解译推断成果剖面图: (a) 氡气计数图；(b) 温度计数图；(c) 6线综合物探异常地质解译推断成果剖面图Fig. 8 The geological interpretation inferred results profile for the geophysical anomalies on the line-6 in Ganyu—He’an Lake area: (a) radon count graph; (b) temperature count graph；(c) geological interpretation section for the CSAMT inversion of apparent resistivity isoline on the line-6

方法原理分述如下:

(1)可控源音频大地电磁测深: 针对大地电磁测深(MT)的场源随机性、信号微弱和观测困难的弱点，改用人工控制场源获得了更好的效果。该方法以有限长接地电偶极子为场源，在距偶极中心一定距离处同时观测电、磁场参数，采用赤道偶极装置进行标量测量，同时观测与场源平行的电场水平分量Ex和场源正交的磁场水平分量Hy,计算卡尼亚视电阻率。高频时，探测深度浅，低频时，探测深度深，可见通过改变发射频率可改变勘探深度，从而达到变频测深的目的。本研究工作采用加拿大产V8电法系统，勘探深度为2500 m，采集频率选择为9600～0.125 Hz，发射偶极AB距为1.7 km，发射最大电流达到18 A，本次工作收发距为7～10 km。

(2)氡气测量: 当氡射气经干燥剂被抽入桶内后，随即开始衰变，并产生新的子体——RaA(218Po)，它在初始形成瞬间是为带正电的离子，利用其带电特性，采用加电场的方式对它进行收集，使RaA离子在电场作用下被浓集在带负高压的金属收集片上，在经一段时间加电收集后，取出金属片，放入到操作台探测器内测量RaA的α放射性，其强度将与氡气浓度成正比,据此确定氡气的浓度。地下热水资源的形成与地下构造断裂密切相关,构造既是地下热水形成的储存空间,又是热水的循环通道。而断裂构造的存在造成放射性元素氡随地下水沿断裂迁移和富集,形成地表可探测到的放射性氡异常,这就是氡气测量探测地下热水资源的地质基础。本次测氡工作采用国产FD-3017型RaA测氡仪，采集氡气时，沿测线逐点采集，点距25 m,具体方法是在待测量点用麻花钻或钢钎打深度约60 cm的一孔，提钻或取出钢钎后应立即将“气体收集器”插入孔中，并用铁锤等器件将“气体收集器”周边土壤敲紧，之后对仪器主机中的金属收集片加高压(加压时间120 s)，加完高压后即可读数。

(3)地温测量: 通常近地表温度一般有三部分组成，即T=Tn+Tp+Ta，其中，Tn为区域背景地温场值，它是由测区所处大地构造单元决定的。当测温区范围较小时，可看成一个常数。Tp为近地表温度干扰值，它主要由地表气温周期性变化、岩性不均匀、地表状况不同及地下水活动等因素引起。对于浅层测温来说，地表气温周期变化引起的温度干扰最大，地温测量工作应选择在早晚温差变化不大的秋末冬初的季节开展。Ta为地下热源所引起的异常地温值，它是浅层测温法所希望得到的数值。根据Ta的平面分布可以推测地下热源的大致分布。地温测量工作在可控源音频大地电磁测深完成后进行，测温地段为重点异常区，点距25 m。采用米测温法，即采集地下1 m深处的温度，仪器拟采用国产YJD-1T型测温仪，灵敏度为0.1℃。工作中统一记录探头入地10 min后的温度值，并绘制剖面曲线图。

本次研究根据区内地层和构造情况布设了近南北向、北西西向、近东西和南南东向可控源音频大地电磁测深测线7条，总长20.15 km，布设了氡气测量和地温测量测线3条，总长4.5 km。测线布设情况见表2、图2。

本次物探成果地质解释思路为：以CSAMT反演电阻率剖面图为主，氡气测量和地温测量剖面图为辅，结合地质、钻孔资料综合分析研究调查区2500 m左右深度内地层岩性结构、热储埋深、断裂位置等地热地质和水文地质条件。CSAMT资料地质解释尤为重要，以CSAMT反演电阻率异常分布特征为依据，结合地质背景分析划分层位，确定电性层位的地质含义(甘伏平等，2011)；仔细判读异常特征，通过实地排除部分人文干扰异常，辨别真假异常，以达到探测判断构造和地热储层的目的(张作宏等，2014；陈进宝等，2014)

CSAMT测线电阻率及氡气测量、地温测量综合推断地质剖面图见图2和图5，图中可以看出各测线的异常特征反映了区内地层及断裂构造的分布情况。

图9 赣榆—和安湖地区7线CSAMT反演电阻率等值线地质解译断面图Fig. 9 The geological interpretation section for CSAMT inversion of apparent resistivity isoline on the line-7 in Ganyu—He’an Lake area

3.2 地层标定

图10 赣榆—和安湖地区2线点号2000 m位置预测地层柱状图Fig. 10 The predicted stratigraphic histogram at the point 2000m on the line-2 in Ganyu—He’an Lake area

7条测线的地层分布情况大致相似,结合区内第四系电阻率值较低，而变质岩及岩体电阻率普遍较高的物性特征，从电阻率等值线断面图(图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9)中可以看出，高程-40 m以浅为低阻区，结合地质和物探资料推测为第四系，第四系以下推测为东海杂岩。各测线在垂直方向上，1线、2线、3线和7线高程约-1200 m处、4线高程约-900 m处、5线高程约-700 m处、6线高程约-1100 m处都明显存在一电阻率递增梯度带，其上为中低阻区，其下为中高阻区。结合区域重磁资料及电性参数可知变质基底密度及电阻率较高，上部的东海杂岩组成主要为变质表壳岩以大小不等的构造透镜体形式赋存于花岗变质侵入岩中，表壳岩与花岗侵入岩接触带处可能较为破碎，结合物性质量变质岩中有断裂构造发育时，电阻率明显降低1～2个级次，即使裂隙较为发育会引起一定的中低阻异常，测线上部中低阻特征可能为表壳岩与花岗质侵入岩混杂的基岩，基岩完整程度相对较差的反映，深部电阻率较高，推测为相对完整的，以花岗质侵入岩为主的东海杂岩变质基底。

3.3 构造解释

断裂经过之处，CSAMT反演电阻率断面均显示低阻异常，表现为电阻率等值线迅速下跌(多呈漏斗状)，漏斗状越尖部越陡，断裂特征越明显。在测线上反应出断裂特征的电阻率异常点位置称为断点。电阻率异常的宽度和深度主要是以电阻率等值线的弯曲形态和异常强弱程度来综合判断。本次CSAMT反演电阻断面可推断出2条断裂 DF1和DF2。

DF1断裂纵跨调查区内两条CSAMT测线，自北向南分别经过1线和2线。剖面经过断点之处，均有漏斗状低阻异常，异常宽度较大，约1000 m，深度约2300 m，尖部较为宽缓，断裂呈北东走向，倾向北西。

DF2断裂纵跨该六条CSAMT测线，自西向东分别经过4线，5线，6线的，7线，同时也与2线和3线斜交。剖面经过断点之处，均有漏斗状低阻异常，异常宽度在不同测线上略有差别，2线断点处异常宽度约500 m，尖部较缓；3线断点处异常较为宽缓，宽约1000 m，4线断点处异常宽度约400 m，5线和6线断点处异常宽度较大约1000 m，尖部较陡，异常特征明显；7线断点处异常宽度约500 m，尖部延伸较浅约2000 m，断裂呈北西走向，倾向南西。DF2断裂在三条氡气测量和地温测量测线上的3个断点上方及断点附近，在氡气测量平面等值线图、地温测量平面等值线图、氡离子计数图和温度计数图上均出现了不同程度的高值异常(图6、图7、图8)，位置与CSAMT推测成果基本吻合。以CSAMT反演结果推断为主，辅以测氡和测温成果，三者在异常部位相互映证，极大地提高了异常的可信度和推断成果的可靠程度。DF1断裂的位置和倾向与区域上的青口断裂(F2)基本一致,同时DF2断裂的位置和展布特征与水泥厂—三清阁—城头断裂(F3)基本一致,由此判断本次工作推测的DF1断裂即为区域上的青口断裂(F2)，本次工作推测的DF2断裂应该是区域上的水泥厂—三清阁—城头断裂(F3)，通过综合物探地质综合解译，本次推测出的断裂DF1和DF2比收集到的区域断裂F2和F3的位置和特征更为准确和可靠。

将1线、2线和3线联合分析，1线和2线剖面显示了DF1断裂断点的低阻异常特征,2线和3线剖面显示了DF1断裂断点的低阻异常特征,中低阻区和中高阻区大致分界深度接近。在南北方向上，断裂展布形态较为一致，基岩完整程度大致分界线深度接近。

将4线、5线、6线和7线联合分析，四条剖面都显示了DF2断裂断点的低阻异常特征,中低阻区和中高阻区大致分界在4线和5线处深度相对较浅，往6线和7线方向逐渐加深。在东西方向上，断裂展布形态较为一致，基岩完整程度大致分界线由西向东逐渐加深。

4 结论和讨论

(1) 本次调查CSAMT工作为主，CSAMT对识别断裂构造异常的分辨率较好，以氡气测量、地温测量工作为辅，三者在异常部位相互映证，并结合现有地质物探资等资料进行地质物探综合研究，查清了断裂构造的可靠位置及其展布特征。

(2) 通过地热地质条件分析，认为研究区在“源、通、储、盖”4个方面基本具备形成地下热水的地热地质条件，热源来自地壳深部，推测的北北西向断裂及其附近发育的裂隙为本区的热源通道和储水构造，保温盖层为区内遍布的变质岩地层，勘查类型为基岩裂隙型，热储类型为裂隙型带状热储(图10)，地热解译热储模型(史猛等，2019；闫晓雪等，2019)如图11所示。