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物探与化探, 2023, 47(5): 1169-1178 doi: 10.11720/wtyht.2023.0010

地质调查·资源勘查

基于土壤氡气测量和可控源音频大地电磁的陕西眉县汤峪地热预测

薛东旭,1, 刘诚,1, 郭发1, 王俊2, 徐多勋1, 杨生飞1, 张沛1

1.中国地质调查局 西安矿产资源调查中心,陕西 西安 710100

2.中国地质大学(北京) 地球物理与信息技术学院,北京 100083

Predicting the geothermal resources of the Tangyu geothermal field in Meixian County, Shaanxi Province, based on soil radon measurement and the controlled source audio magnetotelluric method

XUE Dong-Xu,1, LIU Cheng,1, GUO Fa1, WANG Jun2, XU Duo-Xun1, YANG Sheng-Fei1, ZHANG Pei1

1. Xi’an Center of Mineral Resources Survey, China Geological Survey, Xi’an 710100, China

2. School of Geophysics and Information Technology, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China

通讯作者: 刘诚(1990-),男,工程师,主要从事矿产资源勘察及深部地球物理探测工作。Email:liuchenghj@163.com

责任编辑: 蒋实

收稿日期: 2023-01-3   修回日期: 2023-04-11  

基金资助: 中国地质调查局国土空间生态地质调查及修复项目“西安城市群周边健康地质调查试点”(DD20211574)

Received: 2023-01-3   Revised: 2023-04-11  

作者简介 About authors

薛东旭(1996-),男,工程师,硕士,2021年毕业于中国地质大学(北京)地球探测与信息技术专业,主要从事地球物理方法研究及应用工作。Email:18645810303@163.com

摘要

陕西眉县汤峪地热田储量丰富,但经过长期开采,现有地热井水温度和出水量逐年下降,因此亟需寻找新的潜在地热资源。区内已知地热井受断裂控制明显,故研究此处深部断裂展布对于潜在地热资源的探究具有重要现实意义。受方法本身限制和地形影响,研究区难以进行传统地质路线调查或大规模工程以探究控热断裂,因此本文优选基于穿透性的土壤氡气测量与可控源音频大地电磁的新技术方法组合探测隐伏断裂,进而圈定研究区潜在地热资源。基于实测的地表土壤氡浓度异常数据和CSAMT反演提供的地下电性结构模型,在验证已知断裂的基础上,新推断隐伏断裂6条,预测潜在地热区2处,并建立了汤峪地热田概念模型。结果表明,隐伏断裂处的土壤氡浓度远高于区域背景值,CSAMT反演视电阻率结果显示其位于低阻破碎带,圈定的潜在地热区分别位于剖面450~750 m和850~1150 m范围内,深度约250~300 m。本次研究认为,地热田整体位于低阻且土壤氡异常值大于区域背景值3倍的区域,研究结果可为该地区后续潜在地热资源的可持续开发利用提供借鉴。

关键词： 土壤氡气测量; CSAMT; 隐伏断裂; 地热资源; 汤峪

Abstract

Despite abundant geothermal reserves of the Tangyu geothermal field in Meixian County, Shaanxi Province, long-term exploitation has decreased the water temperatures and yields of its existing geothermal wells year by year. Hence, there is an urgent need to explore new potential geothermal resources in the geothermal field. Since the known geothermal wells in the geothermal field are significantly controlled by faults, investigating the deep fault propagation holds critical significance for exploring the geothermal field’s potential geothermal resources. Due to the method limitations and the topographic influence, identifying thermal control faults through conventional geological route investigation or large-scale engineering is not applicable to the geothermal field. Therefore, a new technical method combining the penetrating soil radon measurement and the controlled source audio magnetotelluric (CSAMT) method was employed in this study to find concealed faults and delineate potential geothermal areas. Based on the measured surface soil radon concentration anomaly data and the subsurface electrical structure model derived from the CSAMT data inversion, this study inferred six new concealed faults on the basis of corroborating the known faults, predicted two potential geothermal areas, and built a conceptual model for the Tangyu geothermal field. As revealed by the results, the soil radon concentrations at concealed faults are much higher than the regional background value, and the concealed faults are located in the low-resistivity fracture zones as indicated by the apparent resistivity results based on CSAMT data inversion. Besides, the two potential geothermal areas spread from 450~750 m and 850~1 150 m on the profile, respectively, at depths of approximately 250~300 m. This study concludes that the geothermal field resides in a low-resistivity region with soil radon anomalies three times the regional background value. The results of this study provide a reference for the subsequent sustainable production and utilization of potential geothermal resources in the region.

Keywords： soil radon measurement; CSAMT; concealed fault; geothermal resource; Tangyu

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薛东旭, 刘诚, 郭发, 王俊, 徐多勋, 杨生飞, 张沛. 基于土壤氡气测量和可控源音频大地电磁的陕西眉县汤峪地热预测[J]. 物探与化探, 2023, 47(5): 1169-1178 doi:10.11720/wtyht.2023.0010

XUE Dong-Xu, LIU Cheng, GUO Fa, WANG Jun, XU Duo-Xun, YANG Sheng-Fei, ZHANG Pei. Predicting the geothermal resources of the Tangyu geothermal field in Meixian County, Shaanxi Province, based on soil radon measurement and the controlled source audio magnetotelluric method[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2023, 47(5): 1169-1178 doi:10.11720/wtyht.2023.0010

0 引言

随着城市建设水平和经济的发展,资源的需求也在不断增大。在能源短缺问题日益受到重视的今天,地热资源由于其清洁可再生的优点成为新能源的热门选择之一[1⇓⇓-4]。陕西眉县汤峪地热田大地位置位于我国高地表热流值的汾渭地堑[5],该地热田也是汾渭地堑地热条件最好的地区之一,长期以来为供暖、洗浴及旅游创造了巨大的经济价值,区内地热资源的可持续开发利用具有重要实际意义[6-7]。自20世纪80年代以来,随着眉县汤峪地热田的逐渐开发利用,已有的地热井水温度和出水量逐渐下降,已无法满足当前发展需求,因此寻找新的潜在地热资源是下一步工作的重点。前人针对地热田内已知地热井所在的基岩区域已经开展了部分地质、水地球化学方面的研究工作,对地热田的形成模式和控热构造取得了一定的认识[3],而对于第四系沉积盆地下方地热资源探测的工作尚未开展。

根据区域地质资料,眉县汤峪地热田属于秦岭山前深大断裂带地热田,地热田沿山前深大断裂近EW向分布,属于基岩孔隙裂隙水,地热田分布受断裂构造控制明显[8-9]。同时研究区位于秦岭造山带山前的新生代沉积盆地,地表第四系覆盖严重[10],且属于城市建成区,故难以通过传统地质路线调查或者大规模工程寻找控热断裂。因此,穿透性的物化探技术是区内隐伏断裂探测、潜在地热资源寻找的有效手段。当前主流的隐伏断裂探测方法有:高密度电法、CSAMT、探地雷达、高精度地面磁测、重力测量以及土壤氡气测量等[11⇓⇓-14],其中土壤氡气测量可准确给出隐伏断裂的空间位置,CSAMT能够进一步确定断裂的深部延伸情况。因此,基于研究区实际的地质背景和工作环境,本次研究选取土壤氡气测量和CSAMT的新技术方法组合探测研究区隐伏断裂,进而圈定潜在地热区域。

本次研究对汤峪地区进行了土壤氡面积性测量,依据实测区域土壤氡浓度分布特征,划分出重点土壤氡浓度高值区,在垂直高氡浓度异常条带方向上选取一条剖面进行加密测量,同时利用实测CSAMT反演刻画深部控热结构相互验证,结合区域地质资料,推断隐伏断裂,并圈定了可能存在的潜在地热区。本文研究成果对后续秦岭山前盆地地热资源持续开发利用和覆盖区隐伏地热资源探测具有重要借鉴意义。

1 研究区概况

1.1 地热田地质背景

眉县汤峪地热田位于陕西省宝鸡市眉县汤峪镇,地处华北克拉通南部秦岭造山带与华北克拉通交界汾渭地堑的渭河断凹处(图1a)[15-16],南部为秦岭太白山,北部为渭河盆地,汤峪河南北向贯穿地热田中部。地热田内出露地层主要为第四系全新统、第四系上更新统、秦岭群片麻岩类、宽坪群花岗岩类以及太白山片麻状花岗岩类(图1b)[17⇓-19]。区内断裂构造发育,主要以秦岭北麓断裂带及其次生断裂为主,还存在一些近SN向、NW向次级断裂,这些断裂两侧及断裂交汇处控制了研究区地热田的分布。其中秦岭北麓断裂属于区域性深大断裂,演化历史久远,构造运动复杂,对汤峪地热田的分布起着重要的控制作用[20-21]。以F101断裂为界,北部为第四系沉积物(Q3和Q4),南部为基岩区(Ⅰ~Ⅴ)。第四系上更新统(Q3)主要分布在研究区西部西滑峪、东滑峪以及东部七星原一带,第四系全新统(Q4)主要分布在北部汤峪镇城区。

图1

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图1   研究区大地构造位置(a)和地质(b)(据文献[3,20]修改)

1—第四系全新统;2—第四系上更新统;3—斜长角闪片麻岩;4—混合岩化片麻岩;5—糜棱岩化花岗岩;6—片麻状花岗岩;7—地层界线;8—断裂构造;9—地热井;10—河流水系;11—公路;12—研究区范围

Fig.1   Geotectonic location map of the study area (a) and geological sketch (b) (modified from literature [3,20] )

1—the Quaternary Holocene; 2—the upper Pleistocene of the Quaternary system; 3—plagioclase amphibolite gneiss; 4—mixed lithic gneiss; 5—ylonitic granite; 6—gneiss granite; 7—stratigraphic boundary; 8—fracture structure; 9—geothermal wells; 10—river system; 11—road; 12—research area


根据岩性变化,基岩区可分为5个带,自北向南分别为:Ⅰ太白山岩体(Pz13),该岩体垂直汤峪河走向呈近EW向展布,在汤峪河口东侧200 m处消失,随后向东又有小块出露,主要岩性为片麻状花岗岩[22];Ⅱ中元古代宽坪群谢湾组(Pt2kn1(m)),该岩体沿龙山—凤山一带呈近EW向展布,该区域混合岩化作用强烈,主要岩性为混合岩化片麻岩[23];Ⅲ太白山岩体(Pz13),该岩体出露范围最为广泛,沿太白庙向东呈岩墙状展布,在凤山南部进而转为NEE向,主要岩性为片麻状花岗岩体,该部分地下深部应与基岩区北端Ⅰ太白岩体相连,岩体自西向东赋存深度逐步变浅,与北部中元古代宽坪群为不整合接触[24];Ⅳ韧性剪切带(Pz13(ml)),主要岩性为糜棱岩化花岗岩;Ⅴ中元古代宽坪群谢湾组变质岩带(Pt2kn1),该岩组呈近EW向展布,变质作用强烈,因此与Ⅱ带岩性不同,主要以斜长角闪片麻岩为主,夹少量石英岩。区域地质资料显示,高温井(5~7号)主要集中在基岩区中元古代宽屏群地层中,地热水温度>70 ℃;中低温井(1~4号)多分布于第四系地层中,地热水温度40~60 ℃。

地热田内共有已知断裂构造7条。其中近EW向断裂有F101、F102、F103和F104断裂,区域地质资料表明,F101断裂为秦岭北麓断裂带中的一支[25],是明显的地层界线,断裂北部地表出露第四系沉积物,南部为基岩区,F102、F103以及F104断裂均为F101断裂的次生断裂,走向与岩层方向基本一致;F201断裂NE走向与F103和F104为共轭剪切断裂,该断裂自北向南先后切割太白山岩体和中元古代宽坪群地层;F301和F302断裂走向为NW向,断裂主体赋存于中元古代宽坪群地层中,该断裂在空间上与槐芽镇断裂平行,因此也有人认为其与槐芽镇断裂为同期构造运动的产物[3]。

1.2 地热田控制因素

眉县汤峪地热田属于基岩孔隙裂隙水,前人研究表明,储水层主要位于片麻状花岗岩及中元古代宽坪群谢湾组片麻岩中[3,8]。地热水赋存区主要集中于断裂构造附近,这是由于地下深部水源流经高温岩体加热升温后沿断裂裂隙迁移或储藏于断裂交汇处[26⇓-28]。因此越靠近主干断裂,热异常值越大,而主干断裂及其次生断裂交汇处即为地热资源储存运移的空间通道。据统计,眉县汤峪地热田内共有已知地热井7处,编号为1~7(图1b)。根据区域地质资料显示,1~7号井均位于断裂构造两侧及其与次生断裂交汇处,其中1号和3号井受F101断裂控制,2号井受F101和F301断裂控制,4号井受F101和F302断裂控制,5号井受F104和F201断裂控制,6号井受F103和F201断裂控制,7号井受F103和F301断裂控制。1、2和3号井赋存于F101北部第四系地层中,而其余地热井分布于基岩区,这表明地热资源赋存区域不仅仅局限于基岩区,从而使得在第四系地层中探查潜在地热资源成为可能,而第四系地表未见明显出露的断层,显然地热资源的富集是受到深部隐伏断裂影响。由此可知,要探寻潜在地热水资源,查明隐伏断裂构造特征至关重要。

2 地热田探测的技术方法组合

地球化学元素异常及地球物理物性差异是探测方法选择的依据[29]。本次研究对眉县汤峪地区地热井水放射性指标和地热井口周围空气氡水平进行了抽样检测。选取1、2、6和7四处地热井进行采样化验放射性元素指标和地热井口空气氡检测,检测结果如表1所示。地热井水中铀(238U)含量为0.47~57.70 μg/L,镭(226Ra)含量为0.027~0.100 Bq/L,氡(222Rn)含量为12.4~30.2 Bq/L;居民饮用水中未检出铀和镭元素,水中氡浓度小于3 Bq/L;地热井口处空气氡浓度为19.95~59.45 Bq/m3,居民家中空气氡浓度小于10 Bq/m3。由此可见,地热区域铀、镭、氡含量高于其他区域。在构造运动过程中,地层中镭元素衰变产生氡,氡溶于水后,随地下裂隙逐渐迁移,流经高温岩层被加热同时促使氡加速迁移到浅部富集,从而形成地热资源并伴随局部高氡浓度异常。研究表明,构造断裂区土壤氡浓度远高于非构造断裂区[30⇓-32],且水中氡、空气氡浓度通常与土壤氡浓度呈正相关[33]。由于放射性氡主要来源于深部[34],因此在地表进行氡气测量能够反映深部情况,该方法被广泛应用于探测断裂构造和基岩孔隙裂隙水。

表1   眉县汤峪地热温泉放射性指标检测结果

Table 1  Detection result of radioactivity index of Tangyu geothermal hot spring in Mei County

采样点编号采样位置井深/m空气氡浓度/
(Bq·m-3)		水中氡含量/
(Bq·L-1)		238U含量
(μg·L-1)		226Ra含量/
(Bq·L-1)
1号井太白山国家森林公园30020.8518.57.580.100
2号井眉县汤峪疗养院400.1822.1512.457.700.074
6号井太白山青园山庄温泉40019.9530.20.470.027
7号井眉县汤峪温泉35059.4519.43.150.054
1居民家自来水9.822.7
2居民家自来水8.052.4

注:检测机构为中陕核工业集团综合分析测试有限公司。

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研究区位于秦岭北麓山前断裂带附近,多期构造活动叠加,岩性电性差异明显,电性参数见表2[35]。研究区南侧基岩区出露的岩性主要以高电阻率异常的古老变质岩类和中生代花岗岩为主,而本次探测目标为富含热水的断裂构造,根据前人工作经验,赋水断裂一般表现为显著的低阻异常[36-37]。探测目标与其围岩间电性差异明显,测区地表被第四系覆盖,接地条件良好,在此基础上,电磁法不受近地表低阻层的屏蔽,能够有效规避常规电法在沉积盆地的低阻屏蔽效应;同时,区内多种植树林、果园,人类活动和电磁干扰较小,数据质量较高,具备开展电磁测深工作的前提条件和物性基础。

表2   研究区地层物性特征统计[32]

Table 2  Statistics of stratum physical characteristics in the study area[32]

类别岩石名称标本数量η/%ρs/(Ω·m)
最大值最小值平均值最大值最小值平均值
沉积岩砂岩143.010.441.933119118729136
断层角砾岩95.761.613.238097383125433
变质岩斜长角闪岩113.161.231.9439914180213352
大理岩52.940.881.9790850580333743
片麻岩2466.170.942.40374745875448
侵入岩花岗岩457.920.263.27261498636043

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土壤氡气测量是利用仪器测量单位体积内土壤中氡的含量,通过计算,得到其浓度分布特征,并依此进行断裂构造推断的一种研究方法[38]。研究表明,断裂构造是氡气良好的逸出通道,地下深部存在隐伏断裂时,对应地表土壤中氡浓度较高,且越靠近断裂和破碎带部位,氡浓度值越高,而远离断裂或破碎带部位,氡浓度值则逐渐降低并趋于背景值[39]。本次研究选取核工业北京地质研究院FD216型环境氡测量仪获取土壤氡浓度数据,测量范围为300~100 000 Bq/m3,工作温度-10~40 ℃,相对湿度≤90%,抽气深度约80 cm。在单点测量过程中,选择湿度不大的土壤进行,对于某些高浓度点(一般高于区域平均值3倍以上的点称为高浓度点或异常点)进行3次重复测量。

CSAMT在地质勘探中应用广泛,适用于地下地层、岩体及断裂构造空间展布特征的探测,为隐伏断裂识别的重要依据[40]。CSAMT是通过有限长接地导线电流源向地下发送不同频率的交变电流,在地面一定范围内测量正交的电磁场分量,计算卡尼亚电阻率(式(1))及阻抗相位(式(2)),从而探测深部地质体分布的一种频率域电磁测深方法,标量测量装置如图2所示。

图2

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图2   标量CSAMT测量装置平面示意

Fig.2   Planar diagram of scalar CSAMT measuring device


$\rho^{E_{x} / H_{y}}=\frac{1}{5 f}\left|E_{x} / H_{y}\right|^{2},$
$\varphi^{E_{x^{\prime} / H_{y}}}=\varphi_{E_{x}}-\varphi_{H_{y}},$

式中:ρ为电阻率;f为频率;Ex为x方向的电场强度;Hy为y方向的磁场强度;φEx/Hy为阻抗相位;φEx为电场相位;φHy为磁场相位[41]。

本次研究选用重庆国科UltraENZ4可控源大地电磁系统,研究区工作频率为10.667~81 920 Hz,供电偶极距AB=394 m,收发距r=2 439 m,测点位于发射偶极一侧<60°的扇形区内,供电电流大于10 A,接收偶极矩MN=25 m,叠加次数为3次。获得原始数据后,先对单点各频段进行筛查,主要剔除由高压线及人文活动干扰对应频段的测点,而后采用基于圆滑模型反演(Occam) 算法的SCS2D软件对处理后的数据进行多参数反演计算,最终反演拟合差为2.15。

3 隐伏断裂推断与潜在地热田预测

3.1 区域土壤氡浓度异常及隐伏断裂推断

研究区位于基岩区以北,地表全部为第四系覆盖,土壤氡测量区域东西向延伸6 km,南北向延伸3 km,测量网格为200 m,重点研究区加密网格为40 m,实测土壤氡气测点526个,实测氡浓度为360.4~92 046.0 Bq/m3(图3)。剔除零值和异常值后,计算得出氡浓度背景值为15 029.8 Bq/m3,异常下限值为30 000 Bq/m3,当氡浓度值超过背景值1倍标准差且超过异常下限值时,即判断为活动断层的地球化学异常。从氡浓度平面图中可以看到,研究区整体表现为低浓度背景值,局部存在高浓度异常区。其中研究区南部自西向东沿东滑峪—西漫湾—东漫湾—狼窝一带存在一条弧形串珠状高浓度异常条带,该异常与前人发现的F101秦岭北麓断裂带位置基本吻合;研究区西部西滑峪—楼观园村一带存在一条NW向串珠状高浓度异常条带,推断为1条隐伏断裂F1,可能属于F101断裂的次生断裂;研究区东北部潼关寨村以北区域整体表现为大片高浓度异常条带,浓度值最高可达75 000 Bq/m3,为全区背景值的5倍浓度。根据氡浓度异常高值条带分布特征,推断可能存在隐伏断裂4条,其中F2和F3断裂走向近EW向,F4和F5断裂走向为NE向。研究区已知地热井均沿F101断裂两侧分布,其中1号井局部氡浓度异常为54 203.5 Bq/m3,2号井局部氡浓度异常为41 954.5 Bq/m3,3号井局部氡浓度异常为25 385.7 Bq/m3,4号井局部氡浓度异常为48 706.5 Bq/m3。由此可见,地热井附近土壤氡浓度值远高于区域背景值,因此土壤氡浓度高异常区域可作为寻找隐伏断裂及潜在地热资源的可靠依据。

图3

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图3   研究区土壤氡浓度平面

Fig.3   Plan view of soil radon concentration in the study area


3.2 联合剖面隐伏断裂验证及潜在地热田预测

根据区域土壤氡浓度分布特征,划分出重点研究区为潼关寨村北部土壤氡浓度高值区,为了更加准确定位该区域隐伏断裂位置,查明隐伏断裂构造的空间展布状态,在重点研究区布设一条土壤氡—CSAMT联合剖面Ⅰ如图3所示。该剖面空间上与F4、F5断裂近乎垂直,与F2、F3断裂相交,剖面走向NW—SE,长度1.5 km,点距25 m,土壤氡气测量点与CSAMT测深点空间位置重合。

剖面Ⅰ土壤氡浓度异常特征如图4a所示,经计算土壤氡浓度背景值为13 295.5 Bq/m3,异常下限值为27 000 Bq/m3。整个剖面中出现5处氡浓度异常,分别在200~250 m、550~600 m、900 m、1 050~1 100 m和1 350 m~1 400 m位置,氡浓度最小值为35 204.6 Bq/m3,最大值为62 304.2 Bq/m3,是背景值的2.6~4.7倍。其中200~250 m、550~600 m、1 350~1 400 m处的异常峰值与区域氡浓度异常推断的F2、F3和F4交汇处、F5断裂构造位置吻合,900 m和1 050~1 100 m处的异常峰值在区域土壤氡扫面中并未发现,这说明精细剖面补充了区域扫面的空白。由于土壤氡气测量只能定位隐伏断裂的空间位置,无法确定断裂构造的深部延伸及物性变化特征,因此还需对照CSAMT结果进行验证。

图4

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图4   联合剖面Ⅰ综合解释推断

Fig.4   Joint profile comprehensive Ⅰ interpretation inference map


图5为剖面Ⅰ中4个典型测点的视电阻率和阻抗相位(对应测点在图4b中标红),其中图5a为剖面Ⅰ第4个测点,其视电阻率均在100 Ω·m以上,与之对应的剖面NW端200 m范围内均表现为高阻和低土壤氡浓度特征,代表较为完整的地层。图5b~5d分别为位于剖面550 m的F4、900 m的F6和1 400 m的F5断裂上方,电阻率相较图5a均出现明显下降,特别是在低频段电阻率均低至30 Ω·m,远低于区域内的主要岩性电阻率,推断应是受到区域较为丰富的地下水影响所致。而其中图5c位于断裂NW侧,故其高频段数据对应的浅部电阻率高于断裂带正上方测深点。结合选取的典型测点,其视电阻率和阻抗相位的曲线拟合情况较好,反演拟合曲线与实测响应基本一致,故二维反演结果能够反映真实地下情况。

图5

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图5   典型测点视电阻率和阻抗相位曲线

Fig.5   Apparent resistivity and impedance phase curves of typical measuring points


剖面Ⅰ CSAMT反演结果如图4b所示,图中蓝色代表低阻,红色代表高阻。近地表30 m范围内均为第四系沉积层,因富水性较好,整体表现为低值,一般为3~100 Ω·m;根据表2物性参数,浅部中高阻推断为深度变质的中元古代宽坪群,主要岩性为混合岩化片麻岩,视电阻率较高,一般为300~3 000 Ω·m。根据视电阻率形态及幅值可以圈定6处中低阻异常即隐伏断裂,编号为F2~F7。其中F2位于剖面200~250 m范围内,视电阻率值低于50 Ω·m,视电阻率较连续,由浅至深逐渐变宽,该断裂带规模较大,延伸深度约300 m,浅部倾向近乎直立,向深部转为NW倾向;在剖面中部500~900 m范围内,识别出F3、F4、F6三条对应低电阻异常的隐伏断裂带,上述低阻异常均在原始测深曲线中得到很好的反映,与此同时CSAMT对低阻异常较为敏感而具备较好的横向分辨率,被广泛应用于陡倾断裂带的识别[42]。位于剖面1 050~1 100 m范围内的F7与F2一样,均是具备一定宽度的断裂带,深部破碎带宽度超过200 m,视电阻率小于30 Ω·m,延伸深度超过400 m,倾向由浅部NW向逐渐转变为深部NE向。

同时值得注意的是,对于深部地热资源的探测,具备深部热流向上扩散的通道与水源补充同等重要,研究区所处的渭河地堑地表热流值超过70 mW/m2,具备较好的热能储备[43]。在标高300 m附近,剖面中部出现两处低阻异常,电阻率小于10 Ω·m,两处低阻异常均与上文所识别出的低阻异常断裂相连,由于汤峪河经由研究区内穿过,故研究区地下一定存在丰富的水源对其进行补充,结合研究区所处的大地位置,推测此深度为地下深部可能的赋水空间。

对比剖面Ⅰ土壤氡浓度和视电阻率分布特征可以看出,土壤氡浓度异常峰值与CSAMT圈定的隐伏断裂位置基本吻合,土壤氡气测量可以有效地给出断裂构造的水平展布,CSAMT可以更精准地刻画断裂构造的空间展布特征。综上,根据视电阻率分布特征,结合CSAMT圈定的断裂空间位置及土壤氡高异常峰值,圈定出2处潜在地热区(图4b),分别位于剖面450~750 m、850~1150 m范围内,2处潜在地热区视电阻率均小于10 Ω·m,且对应地表土壤氡浓度异常峰值大于45 000 Bq/m3,是区域氡浓度背景值的3倍以上,推断结果真实可靠。

3.3 地热田形成模式讨论

前人研究表明,汤峪地热田内的热源主要来源于深部地热流体,在断层的沟通作用下由地下深部以对流和热传递的方式对上进行加热,同时断层破碎带和裂隙间可以储存大量的地下水和热量[44]。研究区位于关中盆地南缘,受秦岭造山带的影响,莫霍面隆起,地幔破裂导致软流圈上涌,使得深部储水层被加热,而秦岭造山带这种长期活动性构造运动形成的隐伏断裂为深部热水提供良好的运移通道,同时浅部地下水及大气降水也可以沿着这些断裂下渗向深部补给[45]。地热田热储层岩性为片麻状花岗岩和中元古代宽坪群谢湾组片麻岩,层内裂隙发育,富水及导水性良好,因此在CSAMT反演结果中表现为显著低阻。综上所述,建立了眉县汤峪地热田概念模型如图6所示,图中蓝色箭头表示大气降水,红色箭头表示热流的传导方向,黑色箭头表示地下水流方向。地下水在径流过程中,逐渐被深部热源加热,遇到断裂时,一部分地热水沿断裂向上运移,最终存储到断裂交汇处及裂隙空间中,另一部分继续向低处径流,汤峪地区丰富的地下水径流和大气降水下渗为地热水提供了补给。

图6

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图6   眉县汤峪地热田概念模型

Fig.6   Conceptual model of Tangyu geothermal field in Mei County


4 结论

1)采用区域土壤氡扫面测量获取全区土壤氡浓度分布特征,查明了已知断裂和地热井附近的土壤氡浓度分布情况,结果表明,断裂构造及地热井附近土壤氡浓度远高于区域背景值。

2)基于CSAMT视电阻率和土壤氡浓度分布特征,结合地质资料,印证已知断裂构造1条,新推断隐伏断裂6条,圈定2处潜在地热区,地热区视电阻率小于10 Ω·m,土壤氡浓度异常大于45 000 Bq/m3,两种方法相互印证,为后续地热资源开发提供重要佐证。

3)本次研究优选了地面氡气测量及可控源音频大地电磁测量在第四系沉积盆地开展地热资源探测研究,准确定位了隐伏断裂构造的水平位置及空间展布状态,证实了技术方法组合能够在第四系城市建成区有效识别隐伏断裂进而探测潜在地热资源,为区域地热资源勘探提供借鉴。

4)根据上述反演视电阻率得出的地热田概念模型,与前人总结的地热田形成模式基本吻合。地热田盖层为地表第四系和浅部中元古代变质层,视电阻率整体表现为中高阻,热储层为深部中元古代变质层,该层位被断裂构造破坏严重表现为显著的低阻特征,断裂破碎带为地热水的主要赋存空间。

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