地热是优良清洁能源和旅游矿产,赋存在特定深部构造中,在供暖、养殖、旅游等方面广泛应用,随着“双碳”目标与“绿水青山”政策的推动,近年来受到越来越多的重视^[1-2]。根据聚热方式的不同,水热型地热资源可分为传导型与对流型两种,其中后者主要分布在山区,是我国分布最广泛的资源类型,常伴有地表温泉出露,是宝贵的旅游资源,是地表水经过深部循环后的产物,深部地质构造决定了热储条件和赋存潜力^[2⇓⇓-5]。

汝城盆地是湘东南山区内面积最大的碳酸盐岩盆地之一,位于巨型花岗闪长岩体——诸广山岩体北麓,具有形成对流型地热的良好条件,地表多处温泉出露。由于受岩体的侵入破坏,盆地发生了强烈的构造挤压变形,东西结构差异,前人从地表地质角度对盆地结构进行了研究,总体研究程度浅,深部导热、导水通道不清,热储发育条件不明,制约了对盆地赋热潜力的认识^[6⇓⇓-9]。

地球物理手段是探测深部地质结构的有效途径,重力和AMT通过测量重力场与电场结构,识别隐覆岩体、分析岩石破碎带展布,从而评价控热构造,具有探测深度大、覆盖范围广,整体评价赋热潜力的优势,是地热勘探的重要手段^{[10⇓⇓⇓-14]}。

本次工作根据地质情况与勘查目标,利用重力与AMT对汝城盆地进行了探测,获得盆地密度与电场结构,结合地表地质信息,推测了深部地下结构,分析了断裂、隐覆岩体,研究了地表温泉和深部地质构造的关系,发现盆地具有形成对流地热的地质基础,勘查前景良好。

汝城盆地位于湘南隆起带中,呈NNE走向长条状展布,为山间凹地结构,内部地势平坦,第四系与河流分布,平均海拔500 m,盆地周边山体高峻,海拔1 000 m左右。

盆地三面被诸广山巨型二长花岗岩体包围,基底由前寒武系变质岩构成。盆地内地层由泥盆系—石炭系—二叠系—侏罗系构成,岩性以碳酸盐岩为主。其中泥盆系、石炭系和二叠系岩性为灰岩、白云岩、夹泥灰岩、粉砂岩、薄层泥灰岩、粉砂岩,盆地中部发育长条状侏罗系,岩性以碎屑岩为主。

盆地经历了多期构造,多个构造层在空间上叠加,古老的变质岩基底褶皱走向NWW,上覆叠加了NNE向的碳酸盐岩盆地。燕山期以来,诸广山巨型岩体三面环绕侵位挤压,导致盆地内部地层强烈变形,断层与褶皱发育,东西结构差异明显。

汝城盆地位于湖南省有利地热带上,地热类型为对流型。地下水主要富集在断裂破碎带中,赋水程度由岩石破碎带发育程度决定,具有极大的不均一性,岩石破碎带控制了地下水的补给、径流和排泄通道。

盆地内部有多个温泉出露,主要在盆地内低洼的地区,如铜坑、罗泉、汤口、曹家,温度28~47 ℃(图1),地热的形成依赖断裂、岩性、构造等因素,是自然降水经过深循环后加热形成,具有地热资源形成的基础地质条件良好。

盆地内不同地质体有明显的密度和电阻率差异,岩石物性测试结果显示,破碎岩石呈低电阻率特征,二长花岗岩呈中密度—高电阻特征,密度为2.56~2.58 g/cm³,电阻率为4 900~13 000 Ω·m;变质岩呈高密度—高电阻特征,寒武系—新元古界($\epsilon$ -Pt₃)密度为2.71~2.88 g/cm³,电阻率为2 800~12 000 Ω·m;碳酸盐岩呈中—高密度、中—高电阻率,中泥盆统—上泥盆统(D₂- D₃s)、中石炭统—下二叠统(C₂- P₁)密度为2.72~2.82 g/cm³,电阻率为900~15 000 Ω·m,下石炭统—上泥盆统(C₁-D₃s)密度为2.71~2.76 g/cm³,电阻率为400~9 600 Ω·m(表1)。

重力测量采用CG-5型重力仪,测网500 m×250 m,工作比例尺1∶5万,GPS定位采用Trimble R8 双频差分定位仪,布格重力异常实际达到总精度±0.091×10^-5 m/s²。经过重力场改正,其中地形改正半径166.7 km,中间层密度2.67×10³kg/m³,计算得到布格重力异常,汝城盆地地质体在空间垂向上叠加具有分异性,数据处理采用了匹配滤波法,该方法对不同埋深和规模的地质体垂向叠加场源分离效果好,并能有效地识别隐覆岩体^[15]。

数据位场分离计算,提取了3层不同波段及视深度数据,分别为匹配滤波高频视深度参数0~2 000 m,中频视深度参数2 000~4 000 m及低频视深度参数>4 000 m。匹配滤波法进行位场分离选择不同波段的主要依据3个方面:一是与多方法求取的异常结果一致;二是根据对数功率谱曲线特征选择分段参数;三是高频特征能很好地反应地表地质特征;四是中频结果与AMT测量的电性结构一致。计算采用中国地质大学(北京)GDPS软件,其中高频异常对盆地内高密度碳酸盐岩地层褶皱与断裂反应较好,中频异常对整个碳酸盐岩复向斜构造与隐覆岩体反映较好,低频异常对盆地深部基底与区域岩体关系反映较好(图2)。

AMT测量采用MTU-5A大地电磁测深仪,点距250 m,测线位置如图1所示。采用4分量观测(H_x、H_y、E_x、E_y),电极距布设为30~60 m,有效观测记录频带为全频点0.35~10 400 Hz。数据采集使用加拿大凤凰公司SSMT2000和MTeditor软件。在数据采集中,对于建筑物等人文干扰地区,测量采用多次观测,避开人文活动时间,个别干扰点在保持测线圆滑情况下进行允许范围内偏移,确保采集信号稳定与真实,对采集结果进行时间序列与互功率谱文件的转换,剔除受干扰的和信噪比低的子功率谱文件,获得视电阻率与相位数据。

采用中南大学Emgs软件对电阻率与相位数据进行编辑,对阻抗电性主轴方向与地质构造走向进行对比,结合地表地质及邻近测点相似性原则判别TE、TM极化模式,根据电性平面、剖面(高频、低频)变化趋势及曲线类型等情况进行静位移校正,计算二维反演电阻率剖面,得到盆地深部电性结构(图3),结合重力异常与地表地质规律,综合判断并推断了断裂带、地层展布及隐伏岩体等深部构造。

盆地构造东西差异明显,以中部条带状侏罗系单斜构造为界,西部是相对完整的碳酸盐岩单向斜构造,东部为碳酸盐岩复向斜构造,盆地整体走向NNE。盆地西北部对应布格重力场宽阔的高异常区,东部基底受区域性低密度岩体的侵入,在汝城线到铜坑呈NE向的布格重力低异常区。

西部单向斜构造枢纽呈NNE向条带状展布,匹配滤波视深度0~2 000 m异常较好地反映了褶皱深部枢纽及右翼形态,右翼为泥盆系—石炭系(D-C)碳酸盐岩高密度陡倾地层,呈重力高异常条带。

东部复向斜呈“耳朵”状, 核心区在土桥镇、山口洞和铜坑一带形成一个收缩的盆状褶皱,地表出露二叠系呈马蹄状展布,周围泥盆系与石炭系碳酸盐岩地层倒转,高角度倾斜,产状60°~73°,地层挤压加厚在匹配滤波视深度0~2 000 m异常(图2b)显示为高值条带。过复向斜构造核心的AMT-L140剖面显示,该核心区为椭圆状电性低阻体,垂向深度约2 km,在匹配滤波视深度2 000~4 000 m异常(图2c)上呈椭圆状低密度异常,推测深部地层挤压破碎含水性高,是东部规模最大的岩石破碎体。

盆地地层厚度不均,呈西薄东厚的特征,根据AMT反演剖面推测,西部单斜地层总厚度约1.5 km,东部复向斜地层总厚度约2.8 km,中部侏罗系单斜最大厚度约1.5 km。碳酸盐岩地层最大厚度出现在两个地方:一是东部向斜核心区,即盆状褶皱核心;另一个是侏罗系单斜构造下方隐伏的深部碳酸盐岩褶皱顺扭区,该褶皱在土桥—汝城县一带,呈长条状产出,深度2.5~2.8 km,在匹配滤波视深度0~2 000 m异常上显示为NNE向低值条带,褶皱枢纽区岩石破碎含水,在电阻率剖面显示为椭圆状低阻体(图3)。

盆地构造以侏罗系为中心呈两侧碳酸盐岩褶皱对冲的格局,断裂构造控制着褶皱形态,2条逆冲断裂F₃与F₅位于侏罗系两侧,平面上走向NNE向,水平延伸远,在匹配滤波视深度异常上为异常梯级带,AMT-L120剖面上为电阻率等值线扭曲错断(图2b、图3b),断裂东西差异明显,西部断走向平直水平延伸远,东部断裂走向折弯控制了复向斜构造,由于诸广山岩体在侏罗纪晚期三面侵入,导致盆地东部向斜双向挤压发生顺时针扭动形成“菱形”构造(图2d),边界由走滑断裂控制,菱形构造北部走滑断裂F₁₂和F₁₁,南部走滑断裂F₇~F₁₀在AMT电法剖面上显示为高角度垂向电性低阻体,切割深度大于4 km,宽度300~600 m(图3),在匹配滤波视深度0~2 000 m等值线上表现为条带状低密度体,在2 000~4 000 m等值线上显示为高异常与低异常过度的梯级带,在4 000~6 000 m为异常梯级带,走滑断裂控制了东部复向斜构造的边界(图2)。

东部断裂体系在剖面上呈“花”状构造,F₆~F₉是一组断裂在地表的不同分支,深部源于同一个断裂带(图3c),其中F₇是主走滑断裂,水平地层错断规模最大,在宽亮一带泥盆系沿着F₇右旋走滑与石炭系地层接触(图1)。

整体来看盆地西部断裂切割深度浅,东部断裂垂向切割深度大,断裂带岩石地层破碎严重,呈水平条带状低密度体和垂向电性低阻体。

盆地内发育多个隐覆岩体,呈椭圆状电阻率与密度异常,这些隐覆岩体沿着基底背斜轴部NWW方向侵位分布,穿过盆地核心区,直径3~4 km,埋深0.5~1.5 km(图2、图3)。

隐伏岩体Ⅰ位于罗泉、汤口,圆形,低密度、高电阻率,直径约3 km,埋深1.3 km,推测为岩性二长花岗岩。隐伏岩体Ⅱ位于铜坑东侧,低密度、高电阻率,圆形,直径约3.2 km,埋深0.4 km,推测岩性为二长花岗岩。隐伏岩体Ⅲ规模较大,其上部为盆地中部发育的一套晚侏罗世安山玄武岩(J₃-αβb),呈条状展布,是盆地内重力异常幅值最高的地区,在匹配滤波2 000~4 000 m图与匹配滤波4 000~6 000 m图上显示为椭圆状高异常,电法剖面显示其为中高电阻,埋深1.5 km,直径3.5 km,推测为二长辉长岩(图2b、2c)。

东南部存在2个隐伏岩体,呈NNE向分布:其中隐伏岩体Ⅳ位于府城东,椭圆形,长轴直径4.4 km,短轴3.2 km,埋深0.5 km;隐伏岩体Ⅴ位于宽亮,扁椭圆形,长轴直径4.8 km,短轴1.9 km。2个岩体均为低密度、高电阻率,外围出露的二长花岗岩,推测是同期岩浆岩侵入产物,岩性为二长花岗岩。

隐覆岩体是诸广山巨型花岗闪长岩同期产物,均发育在盆地构造薄弱区,其中基底背斜轴部本身为应力集中区,东南部的2个隐覆岩体是导致地层抬升挤压、附城到宽亮一带F₇等走滑断裂发育的深部构造应力来源。

研究区是对流型地热资源的有利区,地热是自然降水在断裂等的疏导下经深循环形成,盆地是主要的地下水排泄区,隐覆岩体是重要的热源,不同控热要素空间匹配形成深循环结构,共同决定了盆地的地热赋存条件。

从探测结果看,深部构造与地表热泉分布存在紧密关系,温泉出露在盆地NWW方向基底背斜轴部隐覆岩体的边界上,该边界区断裂发育。其中东部铜坑温泉位于隐覆岩体Ⅱ(花岗闪长岩体)边界,走滑断裂带F₁₁经过温泉下方,是热水上涌的通道,温泉温度28 ℃,水源主要来自东部山地(图3a)。西部罗泉温泉位于隐覆岩体Ⅰ(花岗闪长岩体)边界,断裂带F₃经过温泉下方,温泉温度47 ℃,水源来自中部侏罗系山区或西部山区(图4)。东西两侧温泉出露情况不一,其中西部出露温泉较多,从罗泉到曹家依次有3处,地势低洼,河流侵蚀深切。盆地东部地形宽阔平坦,第四系覆盖广,仅有铜坑温泉出露,在附城一带第四系覆盖区,水井温度异常21 ℃,存在多处水温高异常,是地下热流泄漏的反映(图5)。

自然降水是主要的水源,盆地是地表及地下水汇集区,周边山区是主要的补给区,降水通过断裂等疏导构造进入深循环,最终沿断裂破碎带内出露成温泉(图4),其中铜坑一带的水源主要来自东部变质岩山区,罗泉—曹家一带水源可能来自2个方向:其一是西部变质岩山区;其二是侏罗系—碎屑岩—单斜构造,其中后者可能是西部热泉的主要水源(图3b)。

自然水循环的主要通道是岩石破碎带,西部断裂带F₁、F₂和F₃构成一个“Y”形循环通道,将来自山区的水导入低海拔位置出露,形成热泉。东部断裂带F₁₀、F₁₁和 F₁₂组成一个花状构造,将来自盆地东部的水导入盆地低洼处排泄。东北部规模最大的通道可能是F₉、F₁₀断裂。

盆地内热源来自两个方面:一是地温梯度,是对流型地热资源的主要热源;其二是花岗闪长岩体。从目前的探测结果看,温泉和岩体关系密切(图5),区域矿产勘查结果显示,诸广山巨型花岗闪长岩体含高放射性元素,内部有多个钨矿及铀矿^[16],因此二长花岗岩体的放射性元素蜕变热可能是盆地内重要的热源。

现有温泉出露在泥盆系与石炭系碳酸盐岩地层内的岩石破碎带中,岩石破碎带是盆地内最具有潜力的热储构造。盆地内部位于地下水排泄区的热储构造,包括碳酸盐岩褶皱枢纽区破碎体和断裂破碎带。

探测结果显示,靠近诸广山岩体的东北部复向斜构造内岩石破碎带最发育,包括菱形向斜核部及侏罗系单斜构造下的隐伏碳酸盐岩褶皱枢纽区,均显示为低密度、低电阻特征,是有利的深部热储构造(图3、图5)。其次是工区内的大型走滑断裂破碎带F₇、F₉和F₁₁,其中F₁₁地表出露铜坑温泉,F₇和F₉切割深度超过4 km,地表伴随米温与水井温度异常,是深部热流外溢的反应,断裂带是有利热储构造。

西部热储规模较小,河谷深切地势低洼,地表温泉数量较多, F₃断裂紧邻隐伏岩体Ⅰ的位置,是西部最具潜力的热储构造。

盆地内地层褶皱、断裂与隐伏岩体决定了热源、通道及热储等控热要素,共同构成了汝城盆地的聚热条件(图6)。

盆地内以中部侏罗系为界,分为两个循环体系:西部循环体系补给区以侏罗系山区和西部变质岩山区为主,热流在单斜构造内排泄,形成多个温泉,包括罗泉温泉;东部复向斜规模大,地表地势平坦,第四系覆盖,补给区主要来自东部变质岩山区,后经走滑断裂向上导热,出露地表形成温泉或米温与水井异常。

隐伏岩体是汝城盆地重要的热源,自然降水经过高海拔区补给沿着盆地断裂破碎带下潜,渗流过高放射性岩体加热,深循环后在盆山内岩石破碎带聚集,构成汝城盆地独特的地下聚热样式。

断裂展布、地层褶皱、隐覆岩体等地质条件相互影响汝城盆地控热要素在空间上有机匹配,形成一个完整的循环体系,盆地被变质岩组成的山地包围,地形高差为对流循环提供了动力,非渗透性易碎的碳酸盐岩、变质岩与花岗闪长岩为地下的循环提供了岩性基础,岩石破碎带是主要的通道,盆地内排泄区深部岩石破碎带是最有潜力的热储构造,自然降水在非渗透性岩石中受迫对流吸收围岩热量循环上涌储存在岩石破碎带中,最终形成了东西双向补给、中间排泄聚热的特点,有利勘探区位于深循环排泄区的岩石破碎体中。

盆地内西部由于地势低洼地表温泉较发育,但深部岩石破碎带规模较小,东部地表第四系发育,主要为米温异常与井水温度异常,但深大断裂破碎带及褶皱枢纽岩石破碎带发育,勘探前景更为广阔。西部罗泉潜力区⑤位于罗泉温泉深部F₃断裂与花岗闪长岩体Ⅰ交界带,岩石破碎电性低阻体发育,补给通道、热源与热储空间匹配良好,地表温泉出露(图5)。

东部铜坑走滑断裂破碎带潜力区②和复向斜构造核心潜力区④主要热源为花岗闪长岩体Ⅱ,勘探潜力较大;土桥—汝城县隐伏碳酸盐岩向斜枢纽潜力区③受F₅断裂导热控制,有一定勘探潜力;最后是附城潜力区①,发育盆地东部规模最大的走滑断裂破碎带,断裂破碎带宽度300~600 m,垂向深度超过4 km,在F₇与F₈断裂带之间,地表水井和米温异常22 ℃,高于外围的18 ℃基础温度,是明显的热泄流显示,导水通道过隐伏岩体Ⅲ与隐伏岩体Ⅳ边界,控热要素空间匹配良好,勘探潜力大。

本次工作利用重力与AMT对汝城盆地深部结构进行了的探测,对盆地赋热条件和潜力取得了新认识。

首先盆地深部发育有大型走滑断裂破碎带,且呈高角度、深切特征,垂向电性低阻体及重力条带异常梯级带宽度达到600 m,深度>4 km,走滑断裂破碎带发育是该盆地的典型特征之一,且以盆地基底背斜轴部为核心,断裂走向发生折弯,在平面上组成菱形构造,菱形构造的中心即盆地的压缩中心呈现为低密度、低电阻块状构造,显示出压缩中心深部岩石挤压破碎的特征,与地表地层的高角度倾斜与倒转形成深浅构造的呼应,深切高角度大规模断裂破碎带是重要的对流型地热水循环通道及热储构造。

其次是隐伏岩体的发现及其与温泉的关系,3个隐伏岩体,均位于NWW向基底背斜轴部,东西2个隐伏岩体规模相当,根据低密度特征推测岩性为二长花岗岩,中心高密度异常,结合地表岩性,推测为二长灰岩。现有的温泉产出在过2个岩体边界的走滑断裂破碎带中,其中西部的罗泉温泉(47 ℃)紧邻隐伏岩体Ⅰ,东北的铜坑温泉(28 ℃)紧邻岩体Ⅱ,岩体与碳酸盐岩接触带为有利于热储区,岩体本身可能为重要的热源。

最后是基底背斜轴部对整个盆地结构和地热赋存条件具有控制作用,走滑断裂带走向折弯,压缩中心、隐伏岩体、温泉产出等地质条件在空间上相互匹配,形成统一控热要素空间组合关系。其中基底背斜的薄弱,造成隐伏岩体的沿基底背斜侵入,岩体侵入冷却及后期盆地外围挤压应力在背斜轴部集中,造成走滑断裂在轴部发生走向折弯,形成菱形断裂展布,挤压缩中心岩石破碎,温泉出露在基地背斜轴部隐伏岩体与碳酸盐岩交界的断裂破碎带中产出,形成东西双向补给、中间排泄聚热的特征,构成汝城盆地深部结构特点及地热资源赋存条件。

探测结果揭示了盆地深部结构及控热要素空间组合关系,显示本区良好的地热勘查前景。

通过对汝城盆地开展深部探测,取得了以下认识。

1)汝城盆地为双向对冲的结构,东部地层厚度明显大于西部且褶皱紧闭,深部枢纽区岩石破碎,东部地层在双向挤压应力下发生顺时针旋转形成菱形复向斜,边界受走滑断裂控制,走滑断裂规模大,垂向深度超过4 km,宽度300~600 m,倾角80°~90°,岩石破碎,是有利的导水、导热通道。

2)盆地中部平行基底构造方向发育多个隐覆岩体,呈NWW向排列,垂向位于盆地中部地层下方,基底背斜核部,直径3~4 km,埋深0.5~1.5 km,温泉产出在过隐伏岩体边界的断裂破碎带中,岩体可能是重要的热源构造。

3)盆地内具有形成对流型地热资源的条件,向斜褶皱、走滑断裂带和隐覆岩体等地质要素相互匹配,形成统一的控热要素空间组合关系,补给、通道、热储等条件良好,构成东西双向补给、中间排泄的聚热特征,有利勘探区位于盆地内深循环排泄区的岩石破碎体中。