带状热储地热田的地球物理场特征——以湖南省热水圩地热田为例

图1 热水圩地热田地质图及物探工作范围

a—中国东南部区域断裂分布^[4,5];b—诸广山岩体及断裂^[6,7];c—研究区地质及测线位置

Fig.1 The geological map of Reshui-Town geothermal field and geophysical work scope

a—regional fault distribution in southeastern China;b—Zhuguangshan rock mass and its faults;c—geology and location of surveying lines in the study area

1.2 物性参数

工区岩石地球物理参数显示,变质岩(岭秀组、震旦系和寒武系)值密度最高,在(2.54~2.61)×10³ kg/m³之间,花岗岩密度略小于变质岩,在(2.56~2.58)×10³ kg/m³之间。磁性参数显示,变质岩磁化率在(6~52)×4π×10^-6SI之间,花岗岩磁化率小于变质岩,在(1~21)×4π×10^-6SI之间。电性参数显示,变质岩电阻率在1 800~6 300 Ω·m之间,而花岗岩电阻率明显大于变质岩,在4 900~13 000 Ω·m之间。第四系为低密度、弱磁或无磁、低电阻率特征(表1)。

表1 工区岩石物性参数

Table 1 The physical parameter of strata and granite

地层或岩体	岩性	密度值 (10³ kg·m^-3)	磁化率 (4π×10^-6SI)	电阻率 (Ω·m)
第四系(Q)	冲积物泥、砂、砾	1.80~1.92	2~21	—
寒武系(∈)	砂岩、碳板岩、板岩	2.57~2.61	6~52	1900~6000
震旦系(Z)	砂岩、硅质岩、板岩	2.54~2.59	11~23	1800~5600
岭秀组(Ptlx)	砂岩、板岩	2.57~2.60	10~22	2100~6300
岩体( $γ_{5}^{2}$ )	二长花岗岩	2.56~2.58	1~21	4900~13000
其他	含裂隙岩石	—	—	20~180

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2 断裂系统的地球物理场识别

重磁电勘探技术对断裂具有很好的识别作用,是热储地热资源勘探常用的方法之一^[10,11,12]。为此布置了1:2.5万高精度重力测量、1:2.5万磁法测量以及可控源音频大地电磁CSAMT测量工作,根据地球物理场特征识别出了两组4个方向的断裂。

2.1 NNE向和NWW向断裂

NNE向断裂包括F₁、F₂和F₃,其中F₂为主断裂。该组断裂地质界线最明显,断裂走向与花岗岩和变质岩接触界线走向平行。在布格重力异常图上显示为最明显的等值线梯级带(图2a),在剩余重力异常图上显示为高异常边界(图2b)。在化极磁异常水平总梯度平面图上显示为高值区(图3b),在可控源音频大地电磁测量(CSAMT)反演剖面上显示为低阻电性体及低阻等值线垂向下凹(图4中的F₂断裂)。

图2

图2 断裂的重力场特征

a—布格重力异常;b—布格重力剩余异常;c—布格重力异常水平总梯度;d—断裂与地热井分布

Fig.2 The gravity field characteristics of fault system

a—bouguer gravity anomaly;b—bouguer gravity residual anomaly;c—horizontal total gradient of bouguer gravity anomaly;d—faults and distribution of geothermal wells

图3

图3 化极磁异常ΔT、断裂展布与地热井分布

a—化极磁异常ΔT;b—化极磁异常水平总梯度

Fig.3 The magnetic abnormal reaction of faults and rock mass

a—magnetization pole anomaly ΔT;b—Total horizontal gradient of magnetization pole anomaly

图4

图4 可控源音频大地电磁测量剖面与地质解释

Fig.4 The inversion section and geological interpretation of controlled source audio magnetotelluric measurement

NWW向断裂包括F₄、F₅和F₆,其中F₄为主断裂。该方向断裂垂直于NNE向断裂,在布格重力异常图上显示为等值线的扭曲(图2a),在水平总梯度图上显示为高值条带(图2c中的F₄断裂)。

NNE向和NWW向断裂是印支晚期的产物,是区域性断裂在工区的反应,并形成了热田内印支晚期花岗岩体沿NNE向的侵入,奠定了工区内的基本构造格架。

2.2 近NS和NEE向断裂

近NS向断裂包括F₇、F₈和F₉,其中F₇为主断裂。该断裂走向平行热水河的流向,在布格重力剩余异常上平行异常高值带长轴(图2-②中的F₇断裂),在化极磁(ΔT)异常图上,平行于高磁异常体的长轴走向(图3a)。在化极磁异常水平总梯度平面图上显示为高值区(图3b)。在可控源音频大地电磁测量(CSAMT)反演剖面上,断裂显示为低阻等值线垂向下凹(图4中的F₇断裂)。

NEE向断裂包括F₁₀、F₁₁、F₁₂和F₁₃,是近NS向断裂的一组共轭断裂,两组断裂走向夹角约75°,控制着地热田东部的第四系分布,其中F₁₀为主断裂。在布格重力局部异常图上,该方向断裂走向平行低值异常带长轴(图2b),在水平总梯度图上显示为高值条带(图2c中的F₁₀),电法剖面上显示为高角度电性低阻体(图4)。

近NS和NEE向断裂是燕山期以来产物。这一时期,整个中国东南部逐渐受滨太平洋构造体系域控制,来自东南方向的板块俯冲,不仅在区域上形成大规模的NNE向走滑断裂,还使得地热田的局部应力场中产生了一组近NS和NEE向共轭剪切断裂,并一直持续至今,在地表控制着现今河流走向与第四系的分布。

3 热储区地球物理场特征

3.1 断裂和花岗岩体对温度的影响

根据钻孔内的最高温度,将热田内钻井分为高温井(温度>70℃)、中温井(40℃<温度<70℃)和低温井(温度<40℃)。高温井包括ZK1、ZK4、ZK16、ZK14、ZK15、ZK21和ZK19(图1、表2),受F₂、F₄、F₇、F₁₁、F₁₂和F₁₃的影响,或位于NNE向和NWW向主断裂交汇部位附近(F₂和F₄),或是近NS向断裂(F₇)和NEE向断裂(F₁₁、F₁₂和F₁₃)。就钻遇岩性而言,ZK1、ZK4和ZK16钻遇全为变质岩,ZK14同时钻遇变质岩和花岗岩,ZK15、ZK21和ZK19全部钻遇花岗岩。

表2 热水圩地热田钻井温度、水量及受控断裂

Table 2 The comprehensive drilling information of Reshui-Town geothermal field

井名	深度/m	水温/℃	水量/(L·s^-1)	断裂	裂隙层厚/m	岩性	备注
ZK1	268	92	26	F₄/F₇	112.6	变质岩	高温/高水量
ZK4	212	91.2	20.1	F₇	84.8	变质岩	高温/高水量
ZK16	343	87	1	F₂	34.3	变质岩	高温/中水量
ZK14	295	70	—	F₄/F₁₁	50.2	变质岩/花岗岩	高温
ZK15	350	82	1.9	F₁₂	52.5	花岗岩	高温/中水量
ZK21	287	84	0.25	F₁₂	43.1	花岗岩	高温/低水量
ZK19	379	88	0.5	F₁₃	45.5	花岗岩	高温/低水量
ZK3	399	68	15.8	F₄/F₂	63.8	变质岩	中温/高水量
ZK8	189	47	6.5	F₇	32.1	变质岩	中温/高水量
ZK5	190	41	1.67	F₇	20.9	变质岩	中温/中水量
ZK2	298	63	0.2	F₁₀	128.1	变质岩	中温/低水量
ZK11	300	58	—	F₁₀	63.0	变质岩/花岗岩	中温
ZK20	305	61	—	—	9.2	花岗岩/变质岩	中温
ZK6	160	46	—	F₃	8.0	花岗岩/变质岩	中温
ZK10	293	41	—	F₁	52.7	变质岩	中温
ZK7	197	37	1.2	F₁	9.9	变质岩	低温/中水量
ZK17	120	38	—	—	3.0	变质岩	低温
ZK12	214	38	—	—	6.4	变质岩	低温
ZK9	150	36	—	F₅	15.0	变质岩	低温
ZK18	201	34	—	F₂/F₅	50.3	变质岩	低温

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花岗岩与变质岩的分界,也是温度分布的分界线。花岗岩一侧且断裂规模较大时(钻遇裂隙岩芯层厚43.1~52.5 m),均为高温井(表2,图4)。花岗岩和变质岩接触带上,断裂不慎发育的井,为中温井。变质岩一侧则井温变化很大,钻遇大断裂(钻遇裂隙岩芯层厚84.8~112.6 m)时温度可达到90℃左右(如ZK1和ZK4),而钻遇不到大断裂的井,则为低温井(表2)。这一边界在钻井和地球物理场内有明显显示,对应布格重力异常的等值线梯级带(图2a),以及化极磁异常水平总梯度高值带(图3b),以及CSAMT的垂向低值带(图4)。

可见断裂和花岗岩都影响着温度场的分布。其中花岗岩为热源岩体^[13],钻井温度普遍偏高,变质岩温度变化剧烈,受断裂影响明显。因此岩性是决定温度的基础,但断裂最钟决定了温度的分布。

3.2 断裂对水量的影响

对钻井的水量进行统计,以抽水试验中水位下降8 m时涌水量为标准,将井分为高水量井(Q>2 L/s)、中水量井(2 L/s>Q>1 L/s)和低水量井(Q<1 L/s)。高水量井包括ZK1、ZK4、ZK3和ZK8。其中井ZK1、ZK4和ZK8均受NS向断裂F₇影响, ZK3受F₄和F₂断裂影响。同样,在中水量的井中,ZK5受F₇影响,ZK2、ZK15受NEE向断裂影响,ZK16受NWW向断裂F₂的影响。

因此,水量分布完全受断裂影响,其中高水量主要受NS向的主断裂F₇断裂影响,中水量主要受其他3个方向断裂中的主断裂影响。

3.3 优良热储区地球物理场特征

高温井分布区和高水量井分布区在地球物理场内有各自的反应。高温井分布区在剩余重力异常图上显示为近NEE向的椭圆形低值异常区及边界(图2),在化极磁(ΔT)异常图上显示为低磁异常及边界(图3)。推测剩余重力低异常和化极磁(ΔT)低异常,是花岗岩体破碎充水,高温流体长期水热蚀变,导致的整体密度降低,磁性减弱的结果。

水量最高的4口井ZK1、ZK4、ZK3和ZK8处在布格重力异常等值线扭曲,剩余重力异常高值区和低值区的边界上,以及化极磁(ΔT)高异常和低异常的边界处。这些位置均是大断裂引起的密度和磁性差异的位置。

优良热储区是指既有高温,又有高水量的甜点区。在综合来看,即热田中ZK1、ZK4、ZK3三口井所在位置。这三口井以西,以南和以北,温度迅速下降。以东方向,温度虽然很高,但是水量下降。从过工区的CSAMT剖面和相应的钻井情况可以看出,ZK3井68℃,水量15.8 L/s,而西边的ZK8井47℃,水量6.5 L/s,东边的ZK2井63℃,水量0.2 L/s,其他井水量明显降低(表2、图4)。

因此,优良热储区位于NWW向的F₄断裂和近NS向的F₇断裂交汇带附近,即剩余重力场低值区与高值区的边界,磁性低异常与高异常的边界,电法剖面上显示为垂向的电性低阻带。

4 讨论

地球物理技术是覆盖区地热勘探的重要方法之一,重力、磁法和大地电磁测深是3种最成熟稳定,代价低廉,且效果良好的技术,在很多地区均有成功的应用^[10-12,14]。但一个地区取得的勘探认识,能否复制到其他地区,除了方法有效性及地质情况的典型性外,还需理解方法的局限性和地质情况的特殊性。

就带状地热资源的勘探而言,重、磁、电方法识别出的差异,仅代表由断裂引起的地球物理场的不均一性,到底哪一个异常是勘探目标,需要勘探者认知判定。因此,将已有多个钻井地热田的地球物理勘探场特征及认知推广到其他探区,需要理解带状地热田的特殊性。

带状地热田的形成,受多期断裂叠加控制。科学合理的构建断裂系统,可分清楚断裂的级别、形成顺序、对地层岩体的控制样式,在此基础上进行的地球物理场解读则反映了确切的地热地质意义。就热水圩地热田而言,NEE向断裂奠定了本区花岗岩和变质岩接触的整体格局。NWW向断裂同时切割到花岗岩体和变质岩体的断裂,可以沟通热源的断裂。而控制现今构造展布的近NS和NWW向最新断裂,往往是张性的富水断裂,也是现今地热流体的最终约束和控制断裂。因此在NWW向和近NS向两条主断裂交汇处形成热田的甜点区。

地球物理场对整个地热田背景和细节均有反应。布格重力场从整体上显示了地热田位于区域变质岩和花岗岩接触带边界上。剩余重力场低异常和磁性低异常重叠区反映了断裂破碎和热水侵蚀的花岗岩体引起的密度和磁性差异。水平总梯度显示了不同方向断裂的细节。电法剖面垂向电性低阻体,是断裂带岩石破碎充水的反应^[15,16,17]。地热田的优质热储区出现在几组主断裂交汇点附近,处于重力场、磁场和电性场三者共同的边界区。

5 结论

通过对热水圩地热田开展高精度重力、磁法和CSAMT测量工作,构建了断裂体系,分析对比现有钻井水量、温度和断裂及地球物理场之间的关系,取得了以下认识。

1) 地热田内发育两组4个方向断裂,第一组为相互垂直的NNE和NWW向断裂,形成于印支晚期,是印支晚期岩浆岩发育同期的产物;第二组为夹角约60°的近NS和NEE向断裂,是在燕山期以来滨太平洋构造域大型左旋走滑应力场背景下,局部形变的结果。

2) 断裂和花岗岩分布同时影响着地热田内温度的分布,水量分布则完全受断裂影响。高温井分布区在剩余重力异常图上显示为椭圆形低值异常区和化极磁(ΔT)低异常区及边界。高水量井分布在剩余重力高异常和低异常的边界,以及化极磁(ΔT)高异常和低异常的边界处。

3) 优良热储区位于NWW向的F4断裂和近NS向的F₇断裂交汇带附近,即剩余重力场低值区与高值区的边界,磁性低异常与高异常的边界,电法剖面上显示为垂向的电性低阻带。

(本文编辑:王萌)

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