摘要
苏北青湖地区位于郯庐断裂以东的苏鲁造山带内，为大别—苏鲁超高压变质带东延部分，是一个长期隆起遭受剥蚀的地区。为了查明青湖地区地质构造条件并预测该区地热资源远景情况，本文在充分收集地质资料的基础上，采用可控源音频大地电磁法（CSAMT）、地温测量和氡气测量方法对区内构造断裂进行研究，并进行了地质-物探综合解译。经综合分析研究，得出了青湖地区的断裂构造展布特征和地热地质条件，预测了地热资源远景区，并建议了地热井位。CSAMT、地温测量和氡气测量方法联合勘查地热资源可相互作证，能进一步提高变质岩地区地热资源靶区预测的可靠性。本研究可为今后该区及相似地区的深部勘查地热工作提供一定的参考和借鉴。
Abstract
The Qinghu area in northern Jiangsu Province is located in the Sulu orogenic belt to the east of the Tanlu fault. It is the eastward extension of the Dabie-Sulu ultrahigh pressure metamorphic belt. In order to ascertain the geological structural conditions and predict the geothermal resources in the Qinghu area. On the basis of fully collecting geological data， this paper uses the Controlled Source Audio-frequency Magnetotellurics （CSAMT）， geothermal measurement and radon gas measurement to study the structural faults in this area， and conduct a comprehensive interpretation of geology and geophysical exploration. We carried out a comprehensive interpretation of geology and geophysical exploration. Through comprehensive analysis and study， the distribution characteristics of fault structures and geothermal geological conditions in the Qinghu area are obtained， the geothermal resource prospect area is predicted and the geothermal well location is suggested. The combined exploration of geothermal resources by CSAMT， geothermal measurement and radon gas measurement can prove each other， and can further improve the reliability of geothermal resource target prediction in metamorphic rock areas. This study provides a certain reference for future deep exploration geothermal work in this area and similar areas.
Keywords
0 引言
地热资源是一种十分宝贵的综合性矿产资源，其功能多、用途广，是一种洁净的能源资源（崔荣国等，2021）。随着石油、煤炭和天然气等传统能源形成的碳排放对环境影响越来越大，地热资源作为一种能够替代传统能源的清洁可再生能源越来越受到关注，地热资源的勘查开发可有效改善环境问题，推动社会、经济和环境的协调发展（庞忠和等， 2014；王贵玲等，2020）。苏北青湖地区位于连云港西部的东海地区（国家 2000 坐标系，34°38'30″~34° 41'30″N，118°49'50″~118°53'25″E），区内地热深部构造和地层情况研究程度较低，针对研究区的地质情况，本研究在充分了解该区地层岩性、构造、水文地质特征、地热地质特征、地球物理特征的基础上，采用 CSAMT、地温测量和氡气测量方法相结合，对区内地温情况和断裂构造进行地质-物探综合解译 （陈怀玉等，2020；马振波等，2021；张伟等，2021；付荣钦等，2022），总结了研究区内的构造展布特征，并建议了地热资源找矿靶区，为该区进一步勘查工作提供了地质物探依据。本区为变质岩地区，变质岩地区地热资源赋存条件主要取决于构造的发育程度，区内分布的变质岩较为独特，主要为苏北地区典型的东海杂岩，东海杂岩由变质表壳岩和变质侵入岩组成（刘志龙等，2020；吴姗姗等，2021）。青湖地区的地热勘查开发利用可以推动地方旅游业及经济发展，本文研究成果对苏北其他海杂岩分布区的构造研究及地热资源勘查等方面具有参考作用和指导意义。
1 区域地质背景
青湖地区位于郯庐断裂以东的苏鲁造山带内，为大别—苏鲁超高压变质带东延部分，是一个长期隆起遭受剥蚀的地区（图1）。
东海杂岩（Ar3-Pt1D）分布在江苏省东海县一带，包括了不同地质年代的变质地层和不同期次变质变形侵入岩，且以变质侵入岩为主的构造混杂岩。采用构造-岩石-事件法，将东海地区变质岩划分为片麻岩、表壳岩、韧性构造岩共 3 类，提出用东海杂岩的概念替代原东海群，表示苏北东海一带以中酸性变质侵入岩为主，包含有变质表壳岩、榴辉岩及构造岩的新太古代—古元古代变质岩石组合 （吴姗姗等，2022）。
研究区第四系覆盖，覆盖厚度不超过 20 m，埋藏地层为：东海岩群武强山岩组（Ar3-Pt1Dw）、林家庄组（K1lj），分布的花岗质变质侵入岩为驼峰片麻岩 （Tgn）（图2，表1），其中东海岩群武强山岩组为东海群的变质表壳岩，驼峰片麻岩（Tgn）为东海岩群的变质变形侵入岩。区内主要发育 3组断裂（图2，表2），即北东向断裂、北北东向断裂和北西向断裂。前 2 组断裂，先期为张扭性，后期为压扭性，形成时间早，规模大，为本区的主干断裂；后一组北西向为张扭性断裂，形成较晚，切割前2组，规模小，断层面较陡，是良好的控水断裂。倾角一般为60°～80°。
图2区域地质及研究工作成果图
表1青湖地区地层
根据本区地下水在介质中的赋存条件、水理性质、空间分布特征，将地下水分为松散岩类孔隙水、大理岩裂隙溶洞水和基岩裂隙水共 3 大类型（张人权等，2011）。松散岩类孔隙水补给源主要为大气降水，排泄方式为径流从周边河流及地势高的地方径流汇聚向北东方向流入海域；大理岩裂隙溶洞水和基岩裂隙水在基岩裸露区为大气降水补给，基岩隐伏区其裂隙水的补给一是来自潜水区的径流，二是上覆松散层孔隙水的垂向补给，基岩裸露区以潜流形式排泄，或直流入海，基岩隐伏区径流总体似松散岩类孔隙水。
表2青湖地区断裂构造一览
2 物性特征
第四系—白垩系均呈低密度无磁或微磁特征，变质基底密度及电阻率较高，除大理岩类外普遍具不均匀磁性。
第四系电阻率较低，尤其海相淤泥层和咸水层电阻率低至几欧姆米。
变粒岩、浅粒岩类、石英岩类密度、电阻率偏低，而磁性数值较高，尤其是剩磁远大于感磁，与原岩含硅质成分较高和在变质过程中受磁性矿物混染或原岩为火山成因的岩浆岩相关。
变质片岩类、大理岩类密度值较高，磁性相对偏低，其中大理岩类不具磁性，与其原岩含钙、镁质成分较高相关。
花岗片麻岩、二长片麻岩类在变质岩中密度值最低，磁性相对偏高，大部分岩性以感磁为主，与原岩为中酸性侵入岩相关。
云母片麻岩、斜长片麻岩、角闪片麻岩密度值偏高，磁性亦偏高，尤其是黑云角闪片麻岩类，磁性较强，与原岩为中基性侵入岩相关。
元古代变质基性—超基性侵入岩具较高的密度和较强磁性，并且剩磁大于感磁。当基性—超基性岩蛇纹石化或蚀变为蛇纹岩后，密度、磁性均大大降低。
中生代岩浆岩的密度、磁性随岩性由中性→中酸性→酸性过渡而逐次降低。总体上，其密度值低于变质岩，而磁性高于变质岩。
3 地质物探综合解译
3.1 研究工作布设
可控源音频大地电磁法（CSAMT）以其探测深度大、分辨能力高等特点广泛用于地热资源勘查领域（陈怀玉等，2020；吴姗姗等，2022）。本研究开展了 CSAMT 和地温测量、氡气测量工作，通过地质资料分析认为研究区的地热与青湖地区内深部北东向及北西向断裂有关，因此测线的布置以追索北东向和北西向断裂构造为目的。共布设北东和北西向 CSAMT测线 5条，测线总长 18 km，其中 1线、2线和3线主要是为了探测北西向断裂，4线和5线是为了探测北东向断裂；布设了 2 条氡气测量和地温测量测线，位于2线和5线上，总长2 km。各剖面坐标详见表3。
表3测线坐标一览
3.2 解释思路
以CSAMT反演视电阻率剖面图为主，氡气测量和地温测量资料为辅，结合地质、钻孔资料综合分析研究区2500 m左右深度内地层岩性结构、热储埋深、断裂位置等地热地质和水文地质条件。可控源音频大地电磁法资料地质解释尤为重要，以CSAMT 反演电阻率异常分布特征为依据，结合地质背景分析划分层位，确定电性层位的地质含义（汤井田等， 2010）；仔细判读异常特征，辨别真假异常，以达到探测判断构造和地热储层的目的。结合推测断裂进行综合研究，进而圈定地热资源远景区，建议地热井位。
3.3 CSAMT和井温成果解释
CSAMT 测线视电阻率及综合推断地质剖面图见图3～图7，图中可以看出各测线的异常特征基本相同。大致反映了区内地层及断裂构造的分布情况。本研究区内部分建筑物对 CSAMT 法的数据质量存在一定的电磁干扰，针对于少数电磁随机干扰较大的地段已采取增加叠加次数等措施，确保了原始观测质量。其中 2 线点号 3000 m 附近有工厂厂房，为电磁随机干扰较大的地段。
3.3.1 地层划分
研究区处于东海杂岩分布区，因变质岩存在较高的电阻率，故本文 CSAMT 法所反演断面中，视电阻率值普遍较大，一般大于1000 Ω·m，高程-1000 m 以深值基本都在8000 Ω·m以上。
区内地表主要以第四系覆盖为主，附近部分浅钻揭示本区第四系仅有约 10 m 厚，本区第四系较薄，因此，本文对第四系不再单独划分。从研究区地质图（图2）及相关地质资料可知，区内地层主要为白垩系林家庄组和东海杂岩，东海杂岩中的变质表壳岩主要由大理岩类、石英岩类、片岩类及白云变粒岩等组成，地表多以大小不等的构造透镜体赋存于东海杂岩之变质侵入岩（驼峰片麻岩）中。
纵观 5 条测线的视电阻率等值线断面图，可见浅部（近地表）基本是低阻特征，一般都在 20 Ω·m 以下，应为第四系松散沉积物的反映。在 2、3、4、5线的中部，-100 m以浅，存在一个低阻层，电阻率为 50 Ω·m左右，应为白垩系林家庄组的反映。
图31线CSAMT反演电阻率等值线地质解译断面图
图42线综合物探异常地质解译推断成果剖面图
a—温度计数图；b—氡气计数图；c—5线综合物探异常地质解译推断成果剖面图
图53线CSAMT反演电阻率等值线地质解译断面图
图64线CSAMT反演电阻率等值线地质解译断面图
各测线在高程-400 m 左右的水平方向上明显存在一视电阻率梯度带（视电阻率值发生跃变），其上为中低阻区，其下为中高阻区。结合区域重磁资料及电性参数可知变质基底密度及电阻率较高，约-400 m以浅基本呈中低阻特征，视电阻率值一般都在 300 Ω·m以下，推测为地表东海杂岩中的表壳岩赋存于变质侵入岩中的反映，表壳岩与花岗侵入岩接触带处可能较为破碎，裂隙也较为发育，引起一定的中低阻异常，约-400 m 以深视电阻率较高，推测为以驼峰片麻岩为主的相对完整的东海杂岩变质基底的反映。特别指出的是3测线的点号1500～3000 m处，高程-1200 m以浅存在大面积低阻区域，有可能是白垩系下陷的反映。
3.3.2 构造解释
从 5 条 CSAMT 反演电阻率剖面图看（图3～图7），结合区域基岩地质图，推断测线上有 2 条断裂 （DF1、DF2），DF1为北西向，DF2为北东东向（图2）。断裂经过之处，CSAMT反演电阻率断面均显示低阻异常，表现为视电阻率等值线迅速下跌（多呈漏斗状）。
DF1 断裂纵跨研究区内 3 条北东向 CSAMT 测线，自北向南分别经过1线点号2050 m处、2线点号 2400 m 处、3线点号 3100 m 处。断裂展布为北西走向。电性特征显示断层规模大，断点经过之处，均有明显的低阻异常，视电阻率异常带宽数百米且延深较好，从3条断面中电阻率异常形态来看，该断层经过的漏斗状电阻率异常尖部总体朝向北东，推测该断层向北东倾斜，下切深度超过 2000 m。该断裂的分布位置与前人资料中的青湖—白塔埠断裂的分布位置大致可以对应，推测该断裂可能为青湖— 白塔埠断裂。
DF2 断裂经过研究区内 2 条北西向 CSAMT 测线，自西向东分别经过4线点号1350 m处、5线点号 3100 m 处。断裂展布为北东走向。电性特征显示断层规模大，断点经过之处，均有漏斗状低阻异常，视电阻率异常带宽数百米至 1 km 且延深较好，从 2 条断面中电阻率异常形态来看，该断裂切割较陡，推测该断层向南东倾斜，下切深度超过 2000 m。该断裂的分布位置与前人资料中的沙河—西丰墩断裂组中北侧断裂分布位置大致对应，推测该断裂可能为沙河—西丰墩断裂组中的北侧断裂，为正断层。
图75线综合物探异常地质解译推断成果剖面图
a—温度计数图；b—氡气计数图；c—5线综合物探异常地质解译推断成果剖面图
综上所述，本研究CSAMT反演电阻断面可明显推断出 DF1 和 DF2 共 2 条断裂，其中 DF1 为北西走向，倾向北东；DF2为北东东走向，倾向南东（图2），推测断裂深度超过 2000 m。经地质物探解释推断后认为 DF1 断裂与前人推断断裂中的青湖—白塔埠断裂位置大致对应，DF2 断裂位置与沙河—西丰墩断裂（组）的位置大致对应。断裂倾角均较陡，断层规模较大，据本文物探成果及前人资料推测北西向 DF1 形成时间晚于北东向断裂 DF2，在测线布置范围建议了 2 个地热井位 DR01 和 DR02（图4、图7），DR01 在 2 线的投影点为点号 2600 m 处（图4），并位于推断断裂DF2和DF3交汇处，DR02位于5线的点号3300 m处（图7）。建议井位为推测断点经过处，并且为CSAMT剖面视电阻率异常特征明显的部位，与 DR01 相比，DR02 井位对应的视电阻率低阻异常更为明显，且对应的 CSAMT、氡气和地温异常位置相一致（表4、表5；图2、图4），构造条件更优越，为本文优选井位（图8）。
4 地热地质条件评述
（1）热源
江苏地下热水的“热”主要来源于向地下深处按一定地温梯度逐步增加的累积温度。地球各地区都有此类地热资源，并且深度越大，温度越高，它决定了其浅层的温度不及岩浆源的高。本区处于苏北盆地江苏省地热东海—泗阳异常带上，地温梯度、大地热流均为高值区，大地热流值接近 66 mw/ m2（熊亮萍和张菊明，1984；汪集旸和黄少鹏，1998； 郝春艳等，2014）。东海大陆科学钻探区的地温场特征对本区具有较高的参考意义，东海大陆科学钻探井中温度总体基本呈线性递增，具体各深度段的温度变化各有不同（毛小平，2018），即①600 m以浅段属温度垂向变化最小的深度段（18.1℃/km， 19.4℃/km，前为胜利油田测井成果，后为国际合作测井成果，下同）；②600~800 m段，该深度段为温度垂向变化由小到大的过渡段（19.6℃/km，20.7℃/ km）；③800~1100 m 段为明显上升趋势段（23.2℃/km，25.3℃/km）；④1100~1600 m 段，该段温度随深度变化有所减小（22.5℃/km，23.7℃/km），为温度变化异常深度段；⑤1600~1980 m 段为温度上升幅度明显增大段，为全井最高层段（24.5℃/km， 27.3℃/km）。本区热源来自于地球内部热量（姜光政等，2016）。
表42线地温测量、氡气测量数据统计
注：“—”表示剔除的跳点。
表55线地温测量、氡气测量数据统计
注：“—”表示剔除的跳点。
研究区热源来自地壳深部，地温与热储埋深相关，热储埋藏越深，地温越高，地壳最表层温度受地面温度周期性变化的影响是随着深度的增加而减弱的，至一定深度该影响近于消失，地温基本保持不变，此地温常年保持恒定的层、带称为恒温带。恒温带的温度和深度是沉积盖层地温梯度和深度计算的起点，青湖地区属于中国温度带中的暖温带，年平均气温 14.1℃，地层恒温带深度约 20 m 以下，恒温带以下为地热增温带，根据暖温带地区恒温带温度计算公式，Tg=0.96Tamb+1.68（Tg 为恒温带温度，Tamb 为平均气温）（王婉丽等，2016），赣榆地区地层恒温带温度Tg=15.22℃。
（2）流体源
本区寻找的流体源是变质岩中的基岩裂隙水，基岩裂隙水的水量主要取决于构造发育程度，基岩裂隙水在构造发育差的部位，单井涌水量较小，一般小于 100 t/d，但在构造发育良好部位可以达到较大的水量，比如大理岩构造发育部位的基岩裂隙水单井涌水量可大于1000 t/d。
图8DR02地热井预测地层岩性剖面
基岩裂隙水在基岩裸露区为大气降水补给，并且仅在地形较缓、植被茂盛、裂隙或岩溶发育部位，渗入补给较强。基岩隐伏区，其裂隙水的补给一是来自潜水区的径流，二是上覆松散层孔隙水的垂向补给。研究区周边有石安河、磨山河和鲁兰河等地表水体对研究区基岩裂隙水的补给较强。
（3）通道
本文 CSAMT 法成果初步推断了 2 条断裂，DF1 为北西走向，DF2 为北东走向，断层规模都较大，从 CSAMT剖面图上看断裂下切深度基本超过2000 m，利于深部热源的沟通，为本区控热储水构造的可能性较大，北西向断裂 DF1切割北东向断裂 DF2加强了与深部热源沟通（本文测温工作表明，DF2断裂延伸至地表部位还存在一定温度异常）（表5，图7），成为地下热水上涌或下渗的构造通道，故本区具有一定的储水空间和深循环条件。本区处于较高的大地热流背景中，并与深部热源具有良好的沟通条件。
（4）储层
研究区的地热储层主要为东海杂岩，岩性主要为石英岩、大理岩、黑云斜长变粒岩夹白云石英片岩、花岗质片麻岩等变质岩，其中大理岩储水性较好，本区储层含水性主要和构造裂隙的发育程度有关，构造发育部位也可以作为有利的储水空间，北东向和北西向断裂及其附近发育的裂隙为本区的断裂型储水构造，故本区具有一定的储水空间。
（5）盖层
一般松散含水层及泥质含量高的地层隔热保温性良好，是最理想的地热盖层，本区第四系厚度小，埋深较浅，对深部地热起不到很好的隔水保温作用，但是深部地层主要是由片麻岩、片岩、石英岩等组成的变质岩系，裂隙不发育，而且厚度较大具备一定的隔水保温作用也可作为地热盖层。
综合分析认为，本研究区在“热源、流体源、通道、储层、盖层”5 个方面基本具备形成地下热水的地热地质条件（王少辉等，2020；乔海霞等，2022），即大地热流相对较高，潜水和孔隙水对隐伏区基岩裂隙水的不补给，北东和北西向隐伏断裂及其附近发育的裂隙为本区的热源通道和储水构造，保温盖层为区内遍布的变质岩地层，勘查类型为基岩裂隙型，地热解释热储模型见图9。
图9青湖地区地热解译热储模型图
5 结论
以研究区CSAMT推断成果和地温测量，氡气测量成果的良好对应关系为依据，进一步结合区域地质、水文、物探资料到以下认识：
（1）在研究区范围内通过对CSAMT、地温测量，氡气测量成果进行地质物探解译推测了 3 条断裂 F1、F2和F3及深部地层结构，热储层位。
（2）分析了研究区的地热地质条件，热源来自地球内部，基岩裂隙水为流体源，F1、F2 和 F3 为研究区控热导热构造，地热储层为变质岩中的构造裂隙带，巨厚的变质岩地层可作为良好的地热盖层。通过地热地质条件分析，认为研究区在“热源、流体源、通道、储层、盖层”5个方面具备寻找地热的地热地质条件。本区勘查类型为基岩裂隙型。
（3）地温测量，氡气测量位置与 CSAMT 推测的断裂有较好的吻合性，经综合分析建议了 2 处地热井位 DR01 和 DR02，其中 DR02 的构造条件优于 DR01，为优选井位。
（4）本研究运用了地质、物探联合勘查地热的方法组合，可提高构造断裂推断的准确性。在地热地质条件有利地段采用地质、物探联合勘查的方法筛选地热异常点和地热资源开发靶区更具可靠性。该方法组合可以考虑在今后的地热勘查项目中继续加以运用。
