綜合物探方法在海南陵水地區干熱巖 資源勘查中的應用

  １ 引 言

 

  ２０世紀７０年代初，美國科學(xué)家提出干熱巖概念，迄今世界上先后有多個(gè)國家開(kāi)展了干熱巖鉆探試驗。由于干熱巖具有傳統化石能源不可比擬的優(yōu)勢，越來(lái)越多的國家將干熱巖的勘探開(kāi)發(fā)列入了國家能源發(fā)展計劃，目前我國干熱巖資源開(kāi)發(fā)及其技術(shù)研究尚屬起步階段。為加快我國干熱巖資源勘查開(kāi)發(fā)利用步伐，中國地質(zhì)調查局在２０１３年啟動(dòng)了我國干熱巖資源調查評價(jià)工作，海南陵水為沿海地區首批干熱巖靶區之一。

 

  陵水地處海南省東南部，區內屬丘陵地貌，地勢總體中部低，南北兩側較高，海拔一般１００～５００ｍ，植被茂盛，陵水河是區內重要的河流。陵水地區分布有陵水南平、陵水紅鞋、陵水高峰等溫泉出露點(diǎn)，南平溫泉鉆孔孔口水溫高達７７℃，眾多溫泉出露是深部豐富地熱資源的外在表現，換言之，該地區具有高熱流背景，是尋找干熱巖的理想地區。

 

  ２ 地質(zhì)背景

 

  海南陵水地區內出露的巖漿巖主要為晚白堊世保城巖體，外圍區域出露小面積的二疊紀—三疊紀、侏羅紀花崗巖，與干熱源有關(guān)的巖漿巖巖體為保城巖體。保城巖體處于近東西向九所－陵水斷裂帶東端，巖體總體呈近東西向展布。各組成巖形成年齡由外向中心變新，呈完整的近東西向長(cháng)圓形環(huán)套狀產(chǎn)出，形成年齡接近。

 

  保城巖體為高鉀鈣堿性巖石，其地球化學(xué)特征與島弧巖石相似，為典型的Ｉ型花崗巖。研究表明，在地殼較深部位，由于處于較高的溫度、壓力環(huán)境，由幔源基性巖漿底侵誘發(fā)地殼物質(zhì)部分熔融形成的長(cháng)英質(zhì)巖漿尚未開(kāi)始結晶或結晶程度較低，基本還處于一種均勻狀態(tài)，這時(shí)幔源巖漿的注入，既有良好的混合環(huán)境，也有充分的混合時(shí)間，二者可以完全混合，產(chǎn)生均一的巖漿，形成鈣堿性花崗巖類(lèi)巖石（Ｆｅｒｎａｎｄｅｚ ａｎｄ Ｂａｒｂａｒｉｎ，１９９１）。保城巖體中發(fā)育一系列的包體，且包體及寄主巖具有明顯的殼?；旌系奶卣鳎òw中發(fā)育淬冷結構，常見(jiàn)反向脈、雙包體，長(cháng)石的環(huán)帶結構，環(huán)斑結構等），可能指示了成巖巖漿殼?；旌献饔玫陌l(fā)生，說(shuō)明保城巖體巖漿源區應該是有部分幔源巖漿的貢獻。

 

  梁飛剛（２０１３）指出，根據ＦｅＯ／Ｆｅ２Ｏ３指示，保城巖體巖石屬于氧化環(huán)境形成，侵位深度較淺。

 

  根據角閃石的角閃石－黑云母全Ａｌ壓力計計算，得到保城巖體侵位時(shí)壓力為１０～３０Ｐａ之間，計算得出侵位深度為３．３ｋｍ，溫度大于７５０℃，表明保城巖體侵位深度較淺，成巖溫度較高。

 

  唐立梅（２０１０）對比分析前人在東南沿海開(kāi)展的晚中生代巖漿作用的研究成果，認為海南島１００Ｍａ左右的巖漿作用與太平洋板塊俯沖后撤引起的弧后拉張作用有關(guān)，中國東南部（包括海南島在內）在１１０Ｍａ～９０Ｍａ左右時(shí)經(jīng)歷了強烈區域性拉張作用，處于太平洋板塊后撤引起的弧后拉張階段。東南沿海早白堊世巖漿活動(dòng)形成于區域伸展背景下，并帶有較明顯的消減作用影響跡象，這一成因特征延續到晚白堊世，如瓊南基性巖墻群（閃斜煌巖，全巖Ｋ－Ａｒ年齡８１Ｍａ）具有“后碰撞弧”特征等。早期太平洋板塊向大陸俯沖碰撞的擠壓階段，先熔的是鈣堿性巖漿，形成Ｉ型花崗巖，代表了區域伸展的開(kāi)始，到板塊作用的晚期，在已熔過(guò)鈣堿性巖漿的基礎上，再融的就是堿性巖漿，形成一系列Ａ 型花崗巖，代表了強烈的伸展環(huán)境。

 

  在太平洋板塊俯沖的背景下，太平洋板塊回撤引起弧后拉張，導致區域性的伸展減薄。保城巖體代表了晚白堊世１１０Ｍａ～９０Ｍａ這期巖石圈伸展作用的開(kāi)始，由幔源巖漿與其誘發(fā)地殼物質(zhì)熔融形成的長(cháng)英質(zhì)巖漿在地殼深部混合形成殼?；煸磶r漿，隨后混合巖漿可能經(jīng)歷了分離結晶作用，侵位于地殼淺部成巖。

 

  ３ 地球物理方法選擇

 

  在陵水地區尋找干熱巖，需要查明區內斷裂構造和隱伏巖體的分布特征、巖漿通道位置、深部地質(zhì)構造與干熱巖的關(guān)系。解決這些問(wèn)題需要從目標體的不同物性特征入手，這就要求使用綜合的物探方法。應用綜合物探方法不僅可以提供豐富的深部地質(zhì)體的物性資料，也可以相互驗證提高解譯準確性。

 

  陵水地區主要分布保城巖體，經(jīng)統計保城巖體平均密度為２．６５ｇ／ｃｍ３，圍巖密度范圍為２．５９～２．７６ｇ／ｃｍ３，保城巖體密度低于圍巖，在前人１∶２０萬(wàn)重力成果中，保城巖體就表現為醒目的重力低，其反演結果中顯示該地區發(fā)育巖漿通道。

 

  因此，開(kāi)展大比例尺的重力測量工作可以更好地反映保城巖體的底面形態(tài)，圈定構造隆起部位或是巖漿通道。在重力圈定的有利構造的基礎上，尋找熱能相對富存的部位，這些部位往往表現為低阻高導的電性特征，開(kāi)展探測深度大的電法工作有助于尋找深部的熱儲部位。

 

  通常情況下，斷裂構造由于發(fā)育破碎與圍巖具有比較明顯的物性差異，整體上表現出相對低阻或重力梯級帶等異常特征，這為電法和重力方法了解斷裂構造提供了物性依據。

 

  綜上所述，在海南陵水地區勘查干熱巖資源主要選用大地電磁測深和大比例尺的重力剖面測量。

 

  ４ 綜合物探方法的布置

 

  通過(guò)１∶１萬(wàn)重力剖面和大地電磁測深測量，了解區內主要斷裂構造在深部的分布特征和延伸情況，以及深部的低阻高導體的分布特征，根據這些深部熱量傳導通道，推測深部熱源的部位，為圈定干熱巖優(yōu)選靶區提供可行性依據，最終再根據物探成果，結合水文地質(zhì)資料，以盡量避開(kāi)斷裂構造為原則，進(jìn)一步縮小鉆孔優(yōu)選靶區的范圍。

 

  高精度重力測量主要是提取與基底、斷裂、局部構造有關(guān)的地質(zhì)信息以反映區域構造，對勘查區進(jìn)行定位。本次重力剖面穿過(guò)１∶２０萬(wàn)重力資料推測的巖漿通道，目的是相對準確地定位巖漿通道，熱能集中的巖漿通道分布于巖體內部，因此所布置的１∶１萬(wàn)重力剖面并沒(méi)有延伸至巖體外。

 

  如圖１所示，布置１∶１萬(wàn)重力剖面測量５５ｋｍ，點(diǎn)距４０ｍ；１∶１萬(wàn)重力剖面兩條，Ⅰ－Ⅰ′線(xiàn)近東西向，方位角為８５°，長(cháng)度３５ｋｍ，連接南平溫泉點(diǎn)和保亭加茂鎮東南側的巖漿通道；Ⅱ－Ⅱ′線(xiàn)近南北向，方位角為１７５°，長(cháng)度２０ｋｍ，連接南平溫泉點(diǎn)和東部陵水南平地熱田附近的巖漿通道。

 

  大地電磁測深測量主要獲得來(lái)自地下不同頻率的電磁波。由于趨膚效應，不同頻率的電磁波帶來(lái)不同深度巖石的巖性信息，大地電磁測深儀在地面上分別接收來(lái)自地下不同深度的巖石巖性信息及儲層流體信息，以此判斷地層深部的巖性變化，推斷地下巖性界面、斷層、地下熱儲等。布置大地電磁法測量剖面２條，剖面總長(cháng)５５ｋｍ，點(diǎn)距１ｋｍ，探測深度１０ｋｍ，其與１∶１萬(wàn)重力剖面重合。

 

  １∶１萬(wàn)的重力剖面測量野外工作使用的是目前精度較高的ＣＧ－５ 重力儀，儀器精度為±０．０１６×１０－５ ｍ／ｓ２；大地電磁測深野外工作使用的是Ｖ５－２０００測深儀，野外工作開(kāi)始前和結束后，對儀器和磁探頭進(jìn)行了兩次標定和一致性試驗；兩次標定的相對誤差小于２％；開(kāi)工和收工一致性試驗中儀器同一極化模式的視電阻率和相位的均方相對誤差均小于５％。

 

  ５ 綜合物探成果分析

 

  ５．１ 剖面Ⅰ—Ⅰ′、剖面Ⅱ—Ⅱ′重力推斷解釋剖面Ⅰ－Ⅰ′北東起陵水縣花株村，南西至保亭縣的番俄嶺附近，全長(cháng)３５ｋｍ，呈北東—南西走向，布格重力異常的變化趨勢是由北東往南西逐漸減??；剖面Ⅱ－Ⅱ′北西起陵水縣芬坡村，南東至溝圩村附近，全長(cháng)２０ｋｍ，呈北西—南東走向，布格重力異常的變化趨勢是由南東往北西逐漸減小。

 

  兩條重力剖面布格重力異常曲線(xiàn)均比較圓滑，經(jīng)各種數據圓滑和場(chǎng)的分離處理后，沒(méi)有出現反映相對小巖體或小古生巖塊的重力異常。本次以及前人的重力數據均按《區域重力調查技術(shù)規范（ＤＺ／Ｔ００８２－２００６）》進(jìn)行過(guò)“五統一”改算。

 

  為獲得剩余重力異常值，１∶１萬(wàn)重力剖面的區域背景場(chǎng)使用前人２０萬(wàn)重力數據進(jìn)行計算，計算參數與前人一致，采用１６ｋｍ×１６ｋｍ的窗口，窗口滑動(dòng)平均的異常值作為窗口中心點(diǎn)的區域背景場(chǎng)。為反演整個(gè)保城巖體的基底情況，提取前人１∶２０萬(wàn)重力剩余重力異常數據，將本次重力測量的兩條剖面的兩端延長(cháng)至保城巖體之外，拼接部位做線(xiàn)性平滑處理，依據收集到巖體（平均密度為２．６５ｇ／ｃｍ３）和圍巖（為古生代或元古代，其密度為２．５９～２．７６ｇ／ｃｍ３）的密度資料，取剩余密度為－０．０８ｇ／ｃｍ３，采用ＲＧＩＳ軟件開(kāi)展２．５Ｄ人機交互反演。剖面Ⅰ－Ⅰ′反演結果顯示下底面變化范圍為－２ ５００～－８ ０００ｍ，并有巖漿通道顯示，巖漿通道向下延伸最深約８．４ｋｍ（圖２）；剖面Ⅱ－Ⅱ′反演結果顯示下底面變化范圍為－２ ５００～－７ ５００ｍ，并有巖漿通道顯示，巖漿通道向下延伸約８．１ｋｍ（圖２）。并結合本區的地質(zhì)資料，推斷其基底為元古代地層。

 

  ５．２ 剖面Ⅰ—Ⅰ′、剖面Ⅱ—Ⅱ′大地電磁測深推斷解釋根據大地電磁測深反演結果，剖面Ⅰ－Ⅰ′和Ⅱ－Ⅱ′的電性結構整體上可以劃分為三層結構（圖３、圖４）。第一層是表層的電阻層，厚度較薄，為十幾到幾十米不等，對應于第四系的沉積或表面的巖石風(fēng)化層；第二層是高阻層，也就是對應的巖體發(fā)育區。從剖面圖上看，大部分地區是高阻反映，說(shuō)明該區巖體的發(fā)育程度非常高，剖面Ⅰ－Ⅰ′底面深度變化范圍為－５ ８００～－８ ６００ｍ，剖面Ⅱ－Ⅱ′底面深度變化范圍為－６ ０００～－８ ８００ｍ，基本上與重力反演相吻合。第三層是相對低阻層，結合１９９５年６月海南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局完成的《華南地區１∶１００萬(wàn)物化遙綜合解釋成果編圖》

 

  項目的成果以及重力的反演結果，推斷第三層低阻層為元古代變質(zhì)巖地層（海南島的基底）的反映。另外，在剖面Ⅰ－Ⅰ′上的局部地段出現低阻高導層，推斷該地區可能有軟流圈層底侵和隆起。

 

  ６ 深部熱源分析及概念模型

 

  根據重力反演資料，其顯示的保城巖體范圍比地表出露的范圍大很多，在其測區的北東部和西北部該巖體側伏于二疊紀花崗巖體中，在其東南部和西南部則側伏于三疊紀花崗巖體中。同時(shí)，反演顯示保城巖體有兩個(gè)巖漿通道，分別位于測區東部陵水南平地熱田附近和測區西部的保亭加茂鎮東南側一帶。其中，位于測區東部陵水南平地熱田附近的巖漿通道可能與南平地熱田有關(guān)，而位于測區西部的保亭加茂鎮東南側一帶的巖漿通道處于保城巖體與三疊紀花崗巖體的接觸帶附近，該巖漿通道很可能被出露地表的三疊紀花崗巖覆蓋。因此，該巖漿通道具有較好的蓋層。

 

  另外，據區內開(kāi)展的大地電磁測深資料分析，在區內深部局部地段發(fā)現低阻高導層，推斷該測區軟流圈層有底侵和隆起現象，而且存在兩個(gè)巖漿侵入通道，巖漿通道控制著(zhù)部分巖漿的侵入和分布，深部的熱源可以通過(guò)巖漿通道或斷裂向上傳導，并在地表形成具有一定熱量的地熱田。圖５為該測區深部構造及概念模型。

 

  ７ 勘探孔選址分析

 

  根據本次在該測區的重力測量、大地電磁測深勘查結果，結合其地質(zhì)、水文等資料，擬設計勘探孔兩個(gè)，分別為ＺＫ１和ＺＫ２。其中ＺＫ１孔位于Ⅰ－Ⅰ′剖面的４號點(diǎn)（為大地電磁測深的點(diǎn)號）附近（圖３），距離南平地熱田西南方向２３．４ｋｍ附近。ＺＫ２孔位于Ⅰ－Ⅰ′剖面的２４號點(diǎn)（為大地電磁測深的點(diǎn)號）附近，距離南平地熱田西南方向３．４ｋｍ附近。

 

  本次完成的１∶１萬(wàn)重力剖面布格異常曲線(xiàn)

 

  平滑，無(wú)深大斷裂反映；大地電磁測深剖面雖顯示一些斷裂，但規模都較小。結合前人地質(zhì)、物探、水文、環(huán)境等各種資料可得，測區內未發(fā)育深大斷裂，這為布置鉆孔尋找干熱巖提供了一個(gè)必要前提條件。

 

  ７．１ 熱儲部位分析

 

  １：１萬(wàn)重力剖面測量數據反演的巖體基底形

 

  態(tài)和大地電磁測深的反演結果也與１：２０萬(wàn)重力數據反演結果吻合，顯示測區內分布２個(gè)巖漿通道，通道１位于Ⅰ－Ⅰ′剖面４號點(diǎn)（保亭加茂鎮東南側一帶）（圖３），通道２位于Ⅱ－Ⅱ′剖面１６號點(diǎn)以南（陵水南平地熱田附近）（圖４）。另外，在綜合剖面成果圖上可以看到Ⅰ－Ⅰ′剖面上的２４號點(diǎn)下方的基底特征和４號點(diǎn)下方相似，巖體厚度變小，深部地層相對上拱，上拱部位表現為低阻高導電性特征和相對低密度特征，類(lèi)似熱源的反映。

 

  綜上所述，測區內有３處熱量相對集中的部位。

 

  結合收集的其他資料可知，Ⅱ－Ⅱ′剖面上顯示的１６號點(diǎn)以南的通道，位于三亞—陵水斷裂帶上，此深大斷裂可能向下深切該通道，不但可能形成導熱通道使熱量加速散失，而且可能引入水源，此處尋找干熱巖的難度相對較大。

 

  綜上所述，本次勘探鉆孔布置的有利地方主要有兩個(gè)，分別為Ⅰ－Ⅰ′剖面的４號點(diǎn)和２４號點(diǎn)（大地電磁測深的點(diǎn)號）附近。

 

  ７．２ ＺＫ１孔選址綜合分析

 

  １）ＺＫ１鉆孔處于通道１附近，即Ⅰ－Ⅰ′剖面的４號點(diǎn)附近，有低阻高導層上拱特征和相對低密度特征，顯示熱源的反映。

 

  ２）ＺＫ１鉆孔東側發(fā)育韌性剪切帶，根據收集的資料，重力剖面顯示未發(fā)現深大斷裂，大地電磁測深顯示發(fā)育的斷裂延伸深度不大，且傾向北東，未切割ＺＫ１，因此，ＺＫ１不會(huì )受到韌性剪切帶太大的影響，且除韌性剪切帶外附近構造不發(fā)育。

 

  ３）ＺＫ１鉆孔上部覆蓋的二疊紀或三疊紀的花崗巖是下部保城巖體熱量較好的保熱蓋層。

 

  ４）ＺＫ１地勢較高，水量較貧乏，發(fā)育干熱巖的幾率更大。

 

  ５）ＺＫ１孔處于荒坡田野上，其周邊沒(méi)有城填、村莊等居民地，僅分布有一些農作物，其施工環(huán)境比較理想，同時(shí)施工征用土地的問(wèn)題也容易解決，認為是理想的施工場(chǎng)所。

 

  ７．３ ＺＫ２孔選址綜合分析

 

  １）ＺＫ２鉆孔處于Ⅰ－Ⅰ′剖面的２４號點(diǎn)附近，基底特征和４號點(diǎn)下方相似，有低阻高導層上拱特征和相對低密度特征，顯示熱源的反映。

 

  ２）從推斷成果圖３看，南平地熱田附近雖無(wú)

 

  深大斷裂發(fā)育，但淺部小斷裂相對發(fā)育，這些斷裂規模較小，向下延伸不大，但組成的熱礦泉循環(huán)系統發(fā)達，且此處地勢較低，為大氣降水匯集的地方，水量豐富。ＺＫ２位于南平溫泉的西南邊，相距３ｋｍ多，在一定程度上避開(kāi)了沿陵水河的熱礦泉發(fā)育地帶。

 

  ３）ＺＫ２北西側靠近一個(gè)北東向的小斷裂，如果此斷裂向北西傾，那么不會(huì )切割ＺＫ２，如果向南東傾，那么一般只會(huì )影響ＺＫ２的淺部，不會(huì )影響到ＺＫ２孔的深部，因此，ＺＫ２不會(huì )受到附近斷裂太大的影響。

 

  ４）ＺＫ２孔處于荒坡田野上，距城填、村莊等居民地較遠，僅分布有一些農作物，其施工環(huán)境比較理想，同時(shí)施工征用土地的問(wèn)題也容易解決，是理想的施工場(chǎng)所。

 

  ８ 勘探孔預期深度與溫度

 

  依據本次在該測區開(kāi)展的重力測量、大地電磁測深工作成果，以及該測區各種物探資料，綜合其地質(zhì)、水文等資料研究分析，本次設計的勘探孔至３ ５００ｍ 深溫度可達２００℃以上，溫度達到干熱巖定義標準。

 

  ８．１ 地溫梯度估算

 

  １９７０年至１９７３年，廣東省地質(zhì)局海南地質(zhì)大隊對保亭新村（七仙嶺）熱水進(jìn)行了勘探，孔深６４６ｍ時(shí)孔口自流水溫為８８℃?？碧剑矗澳旰?，溫泉自流水溫保持不變。如果按ＺＫ１１       孔資料，鉆孔自－２００～－５００ｍ標高，地溫梯度為３．９℃／（１００ｍ）。

 

  ９ 結 論

 

  利用重力測量與大地電磁測深方法組合，結合地質(zhì)、水文、環(huán)境等資料，推斷保城巖體中斷裂構造的展布以及其基底構造特征和性質(zhì)，開(kāi)展深部熱源研究分析，建立陵水地區深部溫度場(chǎng)的模型概念圖。依據以上研究分析結果，確定了ＺＫ１、ＺＫ２兩個(gè)勘探鉆孔位置，估算兩個(gè)勘探孔在深度３ ５００ｍ溫度可大于２００℃，滿(mǎn)足干熱巖開(kāi)發(fā)的要求。