综合物探方法在海南陵水地区干热岩 资源勘查中的应用

  １ 引 言

 

  ２０世纪７０年代初，美国科学家提出干热岩概念，迄今世界上先后有多个国家开展了干热岩钻探试验。由于干热岩具有传统化石能源不可比拟的优势，越来越多的国家将干热岩的勘探开发列入了国家能源发展计划，目前我国干热岩资源开发及其技术研究尚属起步阶段。为加快我国干热岩资源勘查开发利用步伐，中国地质调查局在２０１３年启动了我国干热岩资源调查评价工作，海南陵水为沿海地区首批干热岩靶区之一。

 

  陵水地处海南省东南部，区内属丘陵地貌，地势总体中部低，南北两侧较高，海拔一般１００～５００ｍ，植被茂盛，陵水河是区内重要的河流。陵水地区分布有陵水南平、陵水红鞋、陵水高峰等温泉出露点，南平温泉钻孔孔口水温高达７７℃，众多温泉出露是深部丰富地热资源的外在表现，换言之，该地区具有高热流背景，是寻找干热岩的理想地区。

 

  ２ 地质背景

 

  海南陵水地区内出露的岩浆岩主要为晚白垩世保城岩体，外围区域出露小面积的二叠纪—三叠纪、侏罗纪花岗岩，与干热源有关的岩浆岩岩体为保城岩体。保城岩体处于近东西向九所－陵水断裂带东端，岩体总体呈近东西向展布。各组成岩形成年龄由外向中心变新，呈完整的近东西向长圆形环套状产出，形成年龄接近。

 

  保城岩体为高钾钙碱性岩石，其地球化学特征与岛弧岩石相似，为典型的Ｉ型花岗岩。研究表明，在地壳较深部位，由于处于较高的温度、压力环境，由幔源基性岩浆底侵诱发地壳物质部分熔融形成的长英质岩浆尚未开始结晶或结晶程度较低，基本还处于一种均匀状态，这时幔源岩浆的注入，既有良好的混合环境，也有充分的混合时间，二者可以完全混合，产生均一的岩浆，形成钙碱性花岗岩类岩石（Ｆｅｒｎａｎｄｅｚ ａｎｄ Ｂａｒｂａｒｉｎ，１９９１）。保城岩体中发育一系列的包体，且包体及寄主岩具有明显的壳幔混合的特征（包体中发育淬冷结构，常见反向脉、双包体，长石的环带结构，环斑结构等），可能指示了成岩岩浆壳幔混合作用的发生，说明保城岩体岩浆源区应该是有部分幔源岩浆的贡献。

 

  梁飞刚（２０１３）指出，根据ＦｅＯ／Ｆｅ２Ｏ３指示，保城岩体岩石属于氧化环境形成，侵位深度较浅。

 

  根据角闪石的角闪石－黑云母全Ａｌ压力计计算，得到保城岩体侵位时压力为１０～３０Ｐａ之间，计算得出侵位深度为３．３ｋｍ，温度大于７５０℃，表明保城岩体侵位深度较浅，成岩温度较高。

 

  唐立梅（２０１０）对比分析前人在东南沿海开展的晚中生代岩浆作用的研究成果，认为海南岛１００Ｍａ左右的岩浆作用与太平洋板块俯冲后撤引起的弧后拉张作用有关，中国东南部（包括海南岛在内）在１１０Ｍａ～９０Ｍａ左右时经历了强烈区域性拉张作用，处于太平洋板块后撤引起的弧后拉张阶段。东南沿海早白垩世岩浆活动形成于区域伸展背景下，并带有较明显的消减作用影响迹象，这一成因特征延续到晚白垩世，如琼南基性岩墙群（闪斜煌岩，全岩Ｋ－Ａｒ年龄８１Ｍａ）具有“后碰撞弧”特征等。早期太平洋板块向大陆俯冲碰撞的挤压阶段，先熔的是钙碱性岩浆，形成Ｉ型花岗岩，代表了区域伸展的开始，到板块作用的晚期，在已熔过钙碱性岩浆的基础上，再融的就是碱性岩浆，形成一系列Ａ 型花岗岩，代表了强烈的伸展环境。

 

  在太平洋板块俯冲的背景下，太平洋板块回撤引起弧后拉张，导致区域性的伸展减薄。保城岩体代表了晚白垩世１１０Ｍａ～９０Ｍａ这期岩石圈伸展作用的开始，由幔源岩浆与其诱发地壳物质熔融形成的长英质岩浆在地壳深部混合形成壳幔混源岩浆，随后混合岩浆可能经历了分离结晶作用，侵位于地壳浅部成岩。

 

  ３ 地球物理方法选择

 

  在陵水地区寻找干热岩，需要查明区内断裂构造和隐伏岩体的分布特征、岩浆通道位置、深部地质构造与干热岩的关系。解决这些问题需要从目标体的不同物性特征入手，这就要求使用综合的物探方法。应用综合物探方法不仅可以提供丰富的深部地质体的物性资料，也可以相互验证提高解译准确性。

 

  陵水地区主要分布保城岩体，经统计保城岩体平均密度为２．６５ｇ／ｃｍ３，围岩密度范围为２．５９～２．７６ｇ／ｃｍ３，保城岩体密度低于围岩，在前人１∶２０万重力成果中，保城岩体就表现为醒目的重力低，其反演结果中显示该地区发育岩浆通道。

 

  因此，开展大比例尺的重力测量工作可以更好地反映保城岩体的底面形态，圈定构造隆起部位或是岩浆通道。在重力圈定的有利构造的基础上，寻找热能相对富存的部位，这些部位往往表现为低阻高导的电性特征，开展探测深度大的电法工作有助于寻找深部的热储部位。

 

  通常情况下，断裂构造由于发育破碎与围岩具有比较明显的物性差异，整体上表现出相对低阻或重力梯级带等异常特征，这为电法和重力方法了解断裂构造提供了物性依据。

 

  综上所述，在海南陵水地区勘查干热岩资源主要选用大地电磁测深和大比例尺的重力剖面测量。

 

  ４ 综合物探方法的布置

 

  通过１∶１万重力剖面和大地电磁测深测量，了解区内主要断裂构造在深部的分布特征和延伸情况，以及深部的低阻高导体的分布特征，根据这些深部热量传导通道，推测深部热源的部位，为圈定干热岩优选靶区提供可行性依据，最终再根据物探成果，结合水文地质资料，以尽量避开断裂构造为原则，进一步缩小钻孔优选靶区的范围。

 

  高精度重力测量主要是提取与基底、断裂、局部构造有关的地质信息以反映区域构造，对勘查区进行定位。本次重力剖面穿过１∶２０万重力资料推测的岩浆通道，目的是相对准确地定位岩浆通道，热能集中的岩浆通道分布于岩体内部，因此所布置的１∶１万重力剖面并没有延伸至岩体外。

 

  如图１所示，布置１∶１万重力剖面测量５５ｋｍ，点距４０ｍ；１∶１万重力剖面两条，Ⅰ－Ⅰ′线近东西向，方位角为８５°，长度３５ｋｍ，连接南平温泉点和保亭加茂镇东南侧的岩浆通道；Ⅱ－Ⅱ′线近南北向，方位角为１７５°，长度２０ｋｍ，连接南平温泉点和东部陵水南平地热田附近的岩浆通道。

 

  大地电磁测深测量主要获得来自地下不同频率的电磁波。由于趋肤效应，不同频率的电磁波带来不同深度岩石的岩性信息，大地电磁测深仪在地面上分别接收来自地下不同深度的岩石岩性信息及储层流体信息，以此判断地层深部的岩性变化，推断地下岩性界面、断层、地下热储等。布置大地电磁法测量剖面２条，剖面总长５５ｋｍ，点距１ｋｍ，探测深度１０ｋｍ，其与１∶１万重力剖面重合。

 

  １∶１万的重力剖面测量野外工作使用的是目前精度较高的ＣＧ－５ 重力仪，仪器精度为±０．０１６×１０－５ ｍ／ｓ２；大地电磁测深野外工作使用的是Ｖ５－２０００测深仪，野外工作开始前和结束后，对仪器和磁探头进行了两次标定和一致性试验；两次标定的相对误差小于２％；开工和收工一致性试验中仪器同一极化模式的视电阻率和相位的均方相对误差均小于５％。

 

  ５ 综合物探成果分析

 

  ５．１ 剖面Ⅰ—Ⅰ′、剖面Ⅱ—Ⅱ′重力推断解释剖面Ⅰ－Ⅰ′北东起陵水县花株村，南西至保亭县的番俄岭附近，全长３５ｋｍ，呈北东—南西走向，布格重力异常的变化趋势是由北东往南西逐渐减小；剖面Ⅱ－Ⅱ′北西起陵水县芬坡村，南东至沟圩村附近，全长２０ｋｍ，呈北西—南东走向，布格重力异常的变化趋势是由南东往北西逐渐减小。

 

  两条重力剖面布格重力异常曲线均比较圆滑，经各种数据圆滑和场的分离处理后，没有出现反映相对小岩体或小古生岩块的重力异常。本次以及前人的重力数据均按《区域重力调查技术规范（ＤＺ／Ｔ００８２－２００６）》进行过“五统一”改算。

 

  为获得剩余重力异常值，１∶１万重力剖面的区域背景场使用前人２０万重力数据进行计算，计算参数与前人一致，采用１６ｋｍ×１６ｋｍ的窗口，窗口滑动平均的异常值作为窗口中心点的区域背景场。为反演整个保城岩体的基底情况，提取前人１∶２０万重力剩余重力异常数据，将本次重力测量的两条剖面的两端延长至保城岩体之外，拼接部位做线性平滑处理，依据收集到岩体（平均密度为２．６５ｇ／ｃｍ３）和围岩（为古生代或元古代，其密度为２．５９～２．７６ｇ／ｃｍ３）的密度资料，取剩余密度为－０．０８ｇ／ｃｍ３，采用ＲＧＩＳ软件开展２．５Ｄ人机交互反演。剖面Ⅰ－Ⅰ′反演结果显示下底面变化范围为－２ ５００～－８ ０００ｍ，并有岩浆通道显示，岩浆通道向下延伸最深约８．４ｋｍ（图２）；剖面Ⅱ－Ⅱ′反演结果显示下底面变化范围为－２ ５００～－７ ５００ｍ，并有岩浆通道显示，岩浆通道向下延伸约８．１ｋｍ（图２）。并结合本区的地质资料，推断其基底为元古代地层。

 

  ５．２ 剖面Ⅰ—Ⅰ′、剖面Ⅱ—Ⅱ′大地电磁测深推断解释根据大地电磁测深反演结果，剖面Ⅰ－Ⅰ′和Ⅱ－Ⅱ′的电性结构整体上可以划分为三层结构（图３、图４）。第一层是表层的电阻层，厚度较薄，为十几到几十米不等，对应于第四系的沉积或表面的岩石风化层；第二层是高阻层，也就是对应的岩体发育区。从剖面图上看，大部分地区是高阻反映，说明该区岩体的发育程度非常高，剖面Ⅰ－Ⅰ′底面深度变化范围为－５ ８００～－８ ６００ｍ，剖面Ⅱ－Ⅱ′底面深度变化范围为－６ ０００～－８ ８００ｍ，基本上与重力反演相吻合。第三层是相对低阻层，结合１９９５年６月海南省地质矿产勘查开发局完成的《华南地区１∶１００万物化遥综合解释成果编图》

 

  项目的成果以及重力的反演结果，推断第三层低阻层为元古代变质岩地层（海南岛的基底）的反映。另外，在剖面Ⅰ－Ⅰ′上的局部地段出现低阻高导层，推断该地区可能有软流圈层底侵和隆起。

 

  ６ 深部热源分析及概念模型

 

  根据重力反演资料，其显示的保城岩体范围比地表出露的范围大很多，在其测区的北东部和西北部该岩体侧伏于二叠纪花岗岩体中，在其东南部和西南部则侧伏于三叠纪花岗岩体中。同时，反演显示保城岩体有两个岩浆通道，分别位于测区东部陵水南平地热田附近和测区西部的保亭加茂镇东南侧一带。其中，位于测区东部陵水南平地热田附近的岩浆通道可能与南平地热田有关，而位于测区西部的保亭加茂镇东南侧一带的岩浆通道处于保城岩体与三叠纪花岗岩体的接触带附近，该岩浆通道很可能被出露地表的三叠纪花岗岩覆盖。因此，该岩浆通道具有较好的盖层。

 

  另外，据区内开展的大地电磁测深资料分析，在区内深部局部地段发现低阻高导层，推断该测区软流圈层有底侵和隆起现象，而且存在两个岩浆侵入通道，岩浆通道控制着部分岩浆的侵入和分布，深部的热源可以通过岩浆通道或断裂向上传导，并在地表形成具有一定热量的地热田。图５为该测区深部构造及概念模型。

 

  ７ 勘探孔选址分析

 

  根据本次在该测区的重力测量、大地电磁测深勘查结果，结合其地质、水文等资料，拟设计勘探孔两个，分别为ＺＫ１和ＺＫ２。其中ＺＫ１孔位于Ⅰ－Ⅰ′剖面的４号点（为大地电磁测深的点号）附近（图３），距离南平地热田西南方向２３．４ｋｍ附近。ＺＫ２孔位于Ⅰ－Ⅰ′剖面的２４号点（为大地电磁测深的点号）附近，距离南平地热田西南方向３．４ｋｍ附近。

 

  本次完成的１∶１万重力剖面布格异常曲线

 

  平滑，无深大断裂反映；大地电磁测深剖面虽显示一些断裂，但规模都较小。结合前人地质、物探、水文、环境等各种资料可得，测区内未发育深大断裂，这为布置钻孔寻找干热岩提供了一个必要前提条件。

 

  ７．１ 热储部位分析

 

  １：１万重力剖面测量数据反演的岩体基底形

 

  态和大地电磁测深的反演结果也与１：２０万重力数据反演结果吻合，显示测区内分布２个岩浆通道，通道１位于Ⅰ－Ⅰ′剖面４号点（保亭加茂镇东南侧一带）（图３），通道２位于Ⅱ－Ⅱ′剖面１６号点以南（陵水南平地热田附近）（图４）。另外，在综合剖面成果图上可以看到Ⅰ－Ⅰ′剖面上的２４号点下方的基底特征和４号点下方相似，岩体厚度变小，深部地层相对上拱，上拱部位表现为低阻高导电性特征和相对低密度特征，类似热源的反映。

 

  综上所述，测区内有３处热量相对集中的部位。

 

  结合收集的其他资料可知，Ⅱ－Ⅱ′剖面上显示的１６号点以南的通道，位于三亚—陵水断裂带上，此深大断裂可能向下深切该通道，不但可能形成导热通道使热量加速散失，而且可能引入水源，此处寻找干热岩的难度相对较大。

 

  综上所述，本次勘探钻孔布置的有利地方主要有两个，分别为Ⅰ－Ⅰ′剖面的４号点和２４号点（大地电磁测深的点号）附近。

 

  ７．２ ＺＫ１孔选址综合分析

 

  １）ＺＫ１钻孔处于通道１附近，即Ⅰ－Ⅰ′剖面的４号点附近，有低阻高导层上拱特征和相对低密度特征，显示热源的反映。

 

  ２）ＺＫ１钻孔东侧发育韧性剪切带，根据收集的资料，重力剖面显示未发现深大断裂，大地电磁测深显示发育的断裂延伸深度不大，且倾向北东，未切割ＺＫ１，因此，ＺＫ１不会受到韧性剪切带太大的影响，且除韧性剪切带外附近构造不发育。

 

  ３）ＺＫ１钻孔上部覆盖的二叠纪或三叠纪的花岗岩是下部保城岩体热量较好的保热盖层。

 

  ４）ＺＫ１地势较高，水量较贫乏，发育干热岩的几率更大。

 

  ５）ＺＫ１孔处于荒坡田野上，其周边没有城填、村庄等居民地，仅分布有一些农作物，其施工环境比较理想，同时施工征用土地的问题也容易解决，认为是理想的施工场所。

 

  ７．３ ＺＫ２孔选址综合分析

 

  １）ＺＫ２钻孔处于Ⅰ－Ⅰ′剖面的２４号点附近，基底特征和４号点下方相似，有低阻高导层上拱特征和相对低密度特征，显示热源的反映。

 

  ２）从推断成果图３看，南平地热田附近虽无

 

  深大断裂发育，但浅部小断裂相对发育，这些断裂规模较小，向下延伸不大，但组成的热矿泉循环系统发达，且此处地势较低，为大气降水汇集的地方，水量丰富。ＺＫ２位于南平温泉的西南边，相距３ｋｍ多，在一定程度上避开了沿陵水河的热矿泉发育地带。

 

  ３）ＺＫ２北西侧靠近一个北东向的小断裂，如果此断裂向北西倾，那么不会切割ＺＫ２，如果向南东倾，那么一般只会影响ＺＫ２的浅部，不会影响到ＺＫ２孔的深部，因此，ＺＫ２不会受到附近断裂太大的影响。

 

  ４）ＺＫ２孔处于荒坡田野上，距城填、村庄等居民地较远，仅分布有一些农作物，其施工环境比较理想，同时施工征用土地的问题也容易解决，是理想的施工场所。

 

  ８ 勘探孔预期深度与温度

 

  依据本次在该测区开展的重力测量、大地电磁测深工作成果，以及该测区各种物探资料，综合其地质、水文等资料研究分析，本次设计的勘探孔至３ ５００ｍ 深温度可达２００℃以上，温度达到干热岩定义标准。

 

  ８．１ 地温梯度估算

 

  １９７０年至１９７３年，广东省地质局海南地质大队对保亭新村（七仙岭）热水进行了勘探，孔深６４６ｍ时孔口自流水温为８８℃。勘探４０年后，温泉自流水温保持不变。如果按ＺＫ１１       孔资料，钻孔自－２００～－５００ｍ标高，地温梯度为３．９℃／（１００ｍ）。

 

  ９ 结 论

 

  利用重力测量与大地电磁测深方法组合，结合地质、水文、环境等资料，推断保城岩体中断裂构造的展布以及其基底构造特征和性质，开展深部热源研究分析，建立陵水地区深部温度场的模型概念图。依据以上研究分析结果，确定了ＺＫ１、ＺＫ２两个勘探钻孔位置，估算两个勘探孔在深度３ ５００ｍ温度可大于２００℃，满足干热岩开发的要求。