CSAMT在甘肃省天水市麦积区干热岩勘查中的应用

韩埃洋，柴培琪，张文斌

(甘肃省地矿局第一地质矿产勘查院，甘肃天水 741020)

0 引言

天水市地热资源受断裂构造控制，具有形成带状中低温地热田的基础地质条件。由断裂两侧水温差异可知，武山温泉—天水甘泉深大断裂既是区内地热的导水通道，又是隔水边界。热源为隐伏的燕山期或海西期花岗质侵入岩，热储为断裂带内的碎裂岩，盖层为裂隙不发育的中元古界葫芦河群变质岩、下古生界牛头河群硅化大理岩、泥盆系大草滩群变质岩和新近系泥岩。

通过对勘查区以往工作成果和区域断裂构造的分析研究，麦积区颖川河异常区属于受构造断裂控制的裂隙型地热资源，以带状为主，兼有层状热储特点。异常区内地层温度较高，大地热流值为75.66 mW/m2，比我国大陆大地热流平均值(61.53 mW/m2)高23%。区内基底隆起，周边燕山期中酸性侵入岩体呈出露或半隐伏状态，花岗岩化程度较高，侵入时代较新，经测试地下水中SiO2、F-含量较高，地温异常明显。大柳树南2 km的林业学校(原地震台)院内，有一眼地震观测孔，为承压自流井，井深380 m，井底温度32℃，地温梯度4.93℃/100 m，大地热流71.24 mW/m2，显示了较高的地热背景。据相关物探资料表明，勘查区地层电性可分为三层，上表层为次高阻覆盖层；中间层为低阻地层，电阻率2～15 Ω·m，厚度200～400 m，以新近系黏土岩、泥岩、砂质泥岩为主，其间夹杂不连续次高阻的砂砾石透镜体；基底层为高阻地层，电阻率50～1500 Ω·m，以牛头河群中深变质岩为主。区内颍川河谷东侧接近山顶处分布有阮家山—李家山断裂，呈NEE走向，电阻率剖面以陡倾低阻带切割水平地层为特征，推测该处存在断裂破碎带。

地下热水主要接收大气降水入渗补给，沿断裂破碎带径流，并经深循环加热转化而成。断裂构造是热流上升的通道，大气降水渗入地下一定深度，受地壳正常地温梯度和岩石生热加热，热水沿断裂通道深循环上升。因此，本次地热勘查工作的重点是勘查地层岩性、断裂构造和基底特征。

1 地质及地球物理背景

1.1 地层

(1)中新元古界葫芦河群(Pt2-3hlb)。主要分两组岩性，a组为黑云母石英片岩、二云母石英片岩夹少量榴云片岩，b组为黑云母石英片岩/千枚岩、绢云母石英千枚岩夹千枚状粉砂岩、石英细砂岩。

(3)古近系(E)。区内各沟谷中均有出露，岩性为棕红色砂砾岩、砂岩夹泥岩及含砾泥岩，总厚度大于900 m，不整合于下伏地层，倾角为8°～40°，倾向为205°～335°。

(4)新近系(N)。区内各沟谷中均有出露，超覆不整合于古近系岩层之上，岩性为棕红色泥岩夹砂砾岩及灰白—灰绿色黏土岩，总厚度大于1000 m，倾角6°～12°，倾向为340°～5°。

1.2 花岗岩

区内主要为燕山期和海西期花岗岩。

燕山期花岗岩在勘查区东部石沟至放马滩一带小范围出露，呈浅红色，中粗粒结构，风化程度较轻，岩石面较新鲜，但节理裂隙较为发育。区内花岗岩多沿走向侵入中泥盆系地层。据区域地质报告，该侵入岩为酸性岩浆岩，化学成分以SiO2为主，含量高达75%，与同期构造有关的内生矿产有多金属、稀有金属等，并富含碱性成分和放射性元素。该期花岗岩呈岩基状产出，所以可能构成区内深部基底。

海西期花岗岩在区内出露面积较小，在街子南侧及黄家峡北侧一带有零星出露，呈灰白色中粒白云母花岗岩，侵入中泥盆系地层中。因受多期构造运动影响，岩石节理裂隙发育，并具片麻状构造，该花岗岩也受到燕山期花岗岩的侵入。

1.3 地质构造

天水市位于青藏高原东北缘，地处中央造山系中段和祁连—西秦岭接合部位造山带，同时横跨在中国中部南北向构造带上，是古亚洲构造域、特提斯构造域和太平洋构造域复合叠加的构造部位。奥陶纪以来，勘查区的构造体制转变为收缩体制，华北大陆与扬子大陆相向运动，至志留纪板块强烈碰撞，使震旦—奥陶纪裂陷海槽最终封闭，褶皱造山，地壳收缩变厚。区域上形成了祁连—北秦岭加里东造山带，奠定了本区近东西向的构造格局。

综合分析前人地质资料，主要有5条断裂构造对区内地下热水形成具有控制意义。

(1)武山温泉—天水甘泉深大断裂。西起武山温泉，向南东经水河峪、上寨、山场村、皂郊镇、田家河、甘泉，并继续向南东延伸，走向290°～310°，断裂结构面倾向南西，沿走向有舒缓弯曲和波状摆动，倾角70°，为高角度逆冲断层。断裂可能发生在早古生代，完成于中生代燕山期，在与东西褶皱带复合过程中切割了东西向构造，并对新近系地层有掀斜和压扭作用，属活动性断裂，至新生代仍有活动。该断裂带上武山和街子两处有温泉出露。

(2)四房湾—兴隆镇断裂。为上泥盆统大草滩群断裂，走向300°，倾向北东，倾角80°，沿走向有舒缓波状弯曲，可见长度14 km，是一条与主干断裂平行但倾向相反的逆冲断层。

(3)街子断层。位于勘查区西南部，断裂规模较小，向西南方向延伸出勘查区，走向50°，倾角75°。该断裂切割地层为海西期花岗岩与古近系砂砾岩，应属张性断裂。

(4)贾家河—温家庄断层。位于勘查区南部，向西南延伸，为区内主要断裂。切割地层为中泥盆统黑云母片麻岩和古近系砂质泥岩地层，断裂破碎带宽度约50 m，破碎带中为糜棱岩和角砾岩。角砾岩的成分为黑云母片麻岩，受断裂挤压错动影响，片麻岩类地层中的小错动、裂隙及节理极为发育，裂隙节理面上绿泥石化强烈，填充于裂隙中。断层走向45°～50°，倾向NW，倾角80°～85°，属压扭性断裂。

(5)康家崖断裂。位于勘查区东南部，因植被覆盖断裂露头极少，仅在康家崖附近有出露。切割地层为中泥盆统的黑云母片麻岩和古近系砂砾岩，断裂带内见有受挤压影响而破碎强烈的角砾岩、糜棱岩等。角砾岩成分为黑云母片麻岩，受断裂挤压影响，附近的片麻岩类地层极为破碎。该断裂走向NE30°～35°，倾向NW，倾角75°～80°，属压扭性断裂。

以上断裂总体特征为：一是均为古近系红色地层与新生界以前地层接触，表明这些断裂具晚近期构造的特征；二是从区内断裂规模分析，应属于渭河深大断裂所派生或诱导出的低序次断裂，属于压性或压扭性断裂，为燕山期构造运动的产物。

1.4 水文地质概况

根据地质地貌、构造因素、含水层岩性及地下水赋存特征，勘查区内地下水可分为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水(断裂脉状水)和碎屑岩类孔隙裂隙水三大类。其中松散岩类孔隙水又可分为河(沟)谷松散岩类孔隙潜水和黄土孔隙裂隙潜水。

1.4.1 河(沟)谷松散岩类孔隙潜水

河(沟)谷孔隙水呈带状、面状集中分布于颍川河、东柯河谷地，具有埋藏浅、水量丰富、水交替作用强和水质较好的特点。主要以河漫滩、低阶地和平坦高阶地接收的降水、农田灌溉水的渗入补给。

河漫滩与低阶地含水层岩性为冲积、冲洪积相卵石、圆砾和砂层，含水层厚度一般上游较薄，向下游逐渐增厚，含水层厚度在垂直河谷方向也有变化，一般向河床有增厚趋势，其富水性与含水层岩性、厚度等有关，大部分Ⅱ级阶地单井涌水量500～1000 m3/d，Ⅰ级阶地及漫滩单井涌水量1000～5000 m3/d。含水层埋深随地形变化而变化，一般河漫滩、Ⅰ级阶地较浅，向两侧渐深。

1.4.2 黄土孔隙裂隙潜水

勘查区内黄土大面积分布，黄土孔隙裂隙水是指分布于黄土丘陵、梁峁中的地下水。大气降水沿黄土中的垂直节理和大孔隙下降，在与基岩接触面附近汇集。

1.4.3 基岩裂隙水(断裂带脉状水)

基岩裂隙水主要出分布于基岩出露的河流峡谷地带，可分为风化带水和构造带脉状水，多受断裂构造控制。

富水性取决于岩石裂隙的发育程度，一般在相同构造作用条件下，脆性岩石较柔性岩石富水性强，单井涌水量1000～2000 m3/d，局部地段可形成承压水。该类水多沿断裂带径流排泄，时有泉水出露，水质差异较大。

1.4.4 碎屑岩类孔隙裂隙水

碎屑岩类孔隙裂隙水是指赋存于新近系碎屑岩孔隙裂隙中的地下水，该套地层所夹砂岩、砂砾岩为含水层，具承压性，河谷地段成井自流。

富水性分布不均，最高的单井涌水量100 m3/d左右，较低的仅几立方米每天。地下水补给源为“红层”盆地周边基岩裂隙水、岩溶裂隙水的径流补给，水质很差，不宜作为人饮和农灌水源。

1.5 地球物理特征

区内地层岩性的电性差异特征是开展可控源音频电磁测深勘查的基础和依据，据区内地球物理资料统计，地层电性参数结果如表1所示。

表1 不同地层电性参数统计表Table 1 Statistics of electrical parameters

由表1可见，第四系表层风成黄土、砂砾石和砾卵石层的电性变化较大，且电阻率较高(75～500 Ω·m)，当黄土状亚砂土、亚黏土、含泥砾石含水时，电阻率会降低。新近系岩性较单一，以泥岩、砂质泥岩为主，电阻率较低，是很好的热储盖层。古近系黏土岩、细砂岩、砾岩为中低阻层细砂岩，电阻率为8～100 Ω·m。白垩系为低阻地层，由紫红色含砾粗砂岩、粉砂质泥岩组成，电阻率为5～60 Ω·m；元古界变质岩为区内高阻基底层，电阻率为大于500 Ω·m。

综上所述可见，测区地层电性差异明显，可控源音频大地电磁测深可作为该区域有效勘探方法之一。

2 CSAMT工作原理及测线布设

CSAMT是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的一种人工源勘探方法。

本次野外工作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分量Ex和与场源正交的磁场分量Hy，并计算出卡尼亚电阻率。野外施工区共布设2条测线，如图1所示，每条测线的具体参数见表2。

图1 CSAMT工作部署图Fig.1 CSAMT work deployment diagram

表2 测线参数表Table 2 The parameters of each survey line

3 成果分析与解译

本次CSAMT主要目的是推断重点勘查区地层岩性、基底起伏及隐伏断裂构造的空间分布特征，初步圈定干热岩异常范围和热储体空间分布位置，为区内地热资源的开采利用提供依据。

通过对数据预处理和正反演解释处理，在2500 m探测深度范围内，地电剖面图具有垂向分层、横向分块的特点。

3.1 测线1反演解释(图2)

(1)K1线与地表之间为中低阻电性层，电阻率差异较小，电阻率10～300 Ω·m，深度5～30 m，为第一电性层。结合地质资料及物性资料推断主要是第四系(Q)高阶地黄土、砂砾石层。

图2 测线1的反演电阻率断面图Fig.2 Cross-section of resistivity inversion of Line 1

(2)K1、K2之间电阻率整体表现为低阻特征，电阻率5～60 Ω·m，深度30～500 m，为第二电性层。结合地质及物性资料推断主要是白垩系紫红色含砾粗砂岩、粉砂质泥岩，其间夹杂不连续次高阻的砂砾石透镜体。

(3)K2、K3线之间电阻率整体表现为次高阻特征，电阻率60～1250 Ω·m，为第三电性层。结合地质及物性资料推断为牛头河群(Pt1nt)中深变质岩基底，岩性主要为黑云母石英片岩、片麻岩。

(4)K3线以下电阻率特征表现为侵入凸出状，电阻率1250～4000 Ω·m，为基底层。结合地质及物性资料推测主要为侵入岩，岩性为二长花岗岩，为本次探测目标体。

(5)根据电性特征，推测128号测点处有一隐伏西倾的正断裂带F1。

3.2 测线2反演解释(图3)

图3 测线2的反演电阻率断面图Fig.3 Cross-section of resistivity inversion of Line 2

(1)K1线以上为中低阻电性层，电阻率差异较小，电阻率10～100 Ω·m，深度20～40 m，为第一电性层。结合地质资料及物性资料推断主要是第四系(Q)高阶地黄土、砂砾石层、河床、河漫滩、低阶地冲积、洪积砂砾石及粉质黏土层。

(2)K1、K2之间电阻率整体表现为低阻特征，电阻率5～100 Ω·m，深度40～800 m，为第二电性层。结合地质资推断主要是白垩系紫红色含砾粗砂岩、粉砂质泥岩，其间夹杂不连续次高阻的砂砾石透镜体。其中223号测点处存在一柱状高阻体，推测可能是侵入花岗岩体。

(3)K2、K3线之间电阻率整体表现为次高阻特征，电阻率100～400 Ω·m，为第三电性层。结合地质及物性资料推断为牛头河群(Pt1nt)中深变质岩基底，岩性主要为黑云母石英片岩、片麻岩。

(4)K3线以下电阻率特征表现为侵入凸出状，电阻率400～1600 Ω·m，为基底层。结合地质及物性资料，推测主要为侵入岩，岩性为二长花岗岩，为本次探测目标体。

(5)根据电性特征，推测210号测点出存在一隐伏南倾的断裂带F2。

4 结语

通过本次CSAMT野外工作，结合有关资料，基本查明了区内热源(岩体)以及断裂构造的空间分布特征，初步圈定了侵入岩体范围和热储体的空间位置。