0 引言

绿色、低碳、循环、可持续发展是实现中国碳达峰、碳中和战略目标的核心要义，是“绿水青山就是金山银山”生态文明理念融入经济社会发展的重要桥梁之一（杨博文，2021）。地热资源是一种绿色低碳的可再生清洁能源，中国地热资源丰富，分为浅层地热能、水热型地热能以及干热岩型地热能（周总瑛等，2015）。其中水热型地热资源每年可开采量折合标准煤18.65×10⁸ t，相当于中国2015年煤炭消耗的 50%（王贵玲等，2017），开发潜力巨大，因此地热资源勘查与评价工作具有重要意义。地球物理勘探是地热资源勘探与评价的常用技术手段，众多地质工作者对其开展了大量的研究和实践。重力勘探可识别断层或陡立岩层产生的密度界面，辅助对导水通道的分析（陈怀玉等，2020）；磁力勘探对于研究居里面深度以及磁性岩体具有重要作用 （常雪彤，2018）；电阻率法、激发极化法（IP）等直流电法以及大地电磁（MT）、可控源音频大地电磁 （CSAMT）、广域电磁（WFEM）等电磁法在地热资源勘查中应用最为广泛，可用于地层、构造的平、剖面以及三维分析（任磊等，2020；马振波等，2021；付荣钦等，2022）；地震、微动测深等地震勘探方法对层状热储的界面具有良好的反射（董耀等，2020；龙慧等，2022）。本文在对研究区地热地质条件、地理条件以及干扰条件进行研究的基础上，选择重力与广域电磁法组合，结合以往大地电磁测深资料，通过综合物探方法对宝应县射阳湖镇地热资源进行勘查，建立地热资源成因模型，为钻井选址和地热资源评价提供数据支撑。

1 研究区概况

研究区大地构造单元隶属于下扬子地块—苏北盆地—建湖隆起（图1）。苏北盆地西至郯庐断裂，北邻苏鲁造山带，东入黄海，南接通扬隆起带，盆内呈近 NE 向“一隆两坳”构造格局，由北向南依次为盐阜坳陷、建湖隆起、东台坳陷（邱海峻等， 2006；陈艳等，2017）。建湖隆起位于苏北盆地中北部（图2），构造线方向以NE及NEE向为主，呈“S”形带状展布，夹于西北缘洪泽—沟墩断裂（F2）、盐城 —南洋岸断裂（F3）和东南缘宝应—三龙断裂（F4） 两组弧形正断裂之间，并被 NW 向中堡—车桥平移断层（F6）切割，褶皱和断裂较发育（杨丰田等， 2009）。

苏北盆地地层属下扬子地层分区，发育前震旦系变质岩陆块基底、震旦系—下三叠统海相沉积建造（大致以印支期为界）、中上三叠统—下白垩统活动陆缘型海陆过渡相、陆相碎屑岩、中酸性火山岩 （刘德民等，2020）。研究区位于建湖隆起中段，自下而上主要发育上震旦统灯影组（Z₂d）、寒武系 （Є）、中下奥陶统（O_1-2）、上白垩统浦口组（K₂p）、新近系盐城组（Ny），地表被第四系东台组（Qd）覆盖 （表1）（郑开富和石铭，2018）。研究区未见有岩浆岩发育。

①—郯庐断裂；②—嘉山—响水断裂；③—扬州—如东断裂；④—确山—肥东断裂；⑤—六合—江浦断裂；⑥—金坛—如皋断裂；⑦—湖苏断裂

2 地球物理特征

2.1 物性特征

根据近年来笔者在下扬子地区实施的物性调查工作，结合建湖隆起中段地层发育情况，研究区内上震旦统灯影组（Z₂d）—第四系东台组（Qd）岩石呈弱磁性—无磁性，标本磁化率的变化主要反映了沉积岩层中弱磁性泥质、砂质物质的含量；岩石电阻率与密度变化规律具相关性，且二者的“低—高界面”大致反映了本区的印支面（刘和花等，2019）。因此，可将研究区地层划分为 3个物性层（表1）：第四系东台组（Qd），以松散沉积为主，呈中电阻率、低密度、弱磁性；上白垩统浦口组（K₂p）—新近系盐城组（Ny），以泥岩及砂砾岩为主，呈低电阻率、低密度、弱磁性；上震旦统灯影组（Z₂d）—中下奥陶统 （O_1-2），以碳酸盐岩、硅质岩为主，呈高电阻率、高密度、弱磁性。

1—盐阜坳陷；2—建湖隆起；3—东台坳陷；4—断裂；5—研究区 F1—嘉山—响水断裂；F2—洪泽—沟墩断裂；F3—盐城—南洋岸断裂；F4—宝应—三龙断裂；F5—无锡—宿迁断裂；F6—中堡—车桥断裂

2.2 区域重磁场与莫霍面深度

1∶10 万布格重力异常值呈中间高、南北低，中部高值异常呈椭圆形，轴向 NE向展布，异常中心极大值达数十毫伽，异常等值线向东南射阳湖镇和广洋湖镇一线降低，最低降至数毫伽，向西北方向亦有相似规律，与建湖隆起区内段印支面“中部高、南北低”的分布特征一致（图3a）。望直港镇—射阳湖镇及曹甸镇—西安丰镇北一带，异常等值线沿NE— NNE 向降低，反映了建湖隆起边界断裂；射阳湖镇 —流均镇东、曹甸镇—车桥镇一带，等值线走向转向 NW，应是受一系列 NW 走向断裂控制。区域重力场反映了建湖隆起褶皱起伏、断裂破碎的特征，利于控热构造的发育和地热流体的循环。

1∶20万区域航磁（△T）化极异常以平静的负磁背景叠加 NW 向线性正磁异常为主（图3b），背景场为-70~10 nT。平静的负磁背景显示弱磁性碎屑岩的沉积盖层；射阳湖镇—流均镇东、曹甸镇—车桥镇分布 NW 向正磁异常值为 20~40 nT，延伸方向与展布形态与 NW 向重力异常具相关性，研究区沉积地层中均为弱磁性岩石、岩浆岩不发育，因此推断此正磁异常是变质基底中含磁性组分的岩浆岩或是热蚀变带沿 NW 向断裂构造分布引起（杨林和姜国庆，2020）。

a—1∶10万布格重力异常图；b—1∶20万航磁化极异常图；c—苏北盆地莫霍面深度剖面图

基于采用变密度模型和Parker密度界面反演法获取的莫霍面深度，苏北盆地莫霍面深度约为 30.8~34.4 km（陈艳等，2017）。建湖隆起在宝应地区的地壳厚度约 30.8 km（图3c），明显小于盐阜坳陷（淮安东，33.4 km）和东台坳陷（高邮，34.2 km）。建湖隆起表现为莫霍面的凸起，利于大地热流上升聚热，为地壳表面的地热资源提供了良好的热源条件。

2.3 大地电磁剖面特征

垂直于建湖隆起部署的NW走向的大地电磁测深（MT）车桥—广洋湖段二维反演断面具横向分段、垂向分层的电阻率分布特征（图4a）：中部以中高阻背景为主、两侧（南、北）以中低阻背景为主，3 段垂向上均有不同的电阻率分层特征。地质解释剖面显示（图4b），中段中高阻层（100~400 Ω·m）为建湖隆起，顶面深度小于 1 km，主要是前震旦系变质岩基底及震旦系以来沉积的碳酸盐岩引起；建湖隆起北、南缘均有垂向分布的 10~20 Ω·m 低阻带，反映了建湖隆起的边界断裂带，与区域重力异常相符； 盐阜坳陷和东台坳陷的中高阻层顶面均较深，约在-3 km 以下，上有多套中高阻层和低阻层相间发育 （10~400 Ω·m），反映了坳陷区海相-海陆过渡相-陆相不同沉积建造，两坳陷浅表厚层低阻（<10 Ω·m）是印支期以来的新生代陆相沉积地层。

3 综合物探方法应用

3.1 工作部署

建湖隆起主要热储层是海相碳酸盐岩岩溶地层（罗璐等，2015；邹鹏飞等，2022），岩溶发育具有不均匀性；区域性深大断裂或次级断裂造成的破碎和通道是良好的导热导水构造（徐雪球等，2010），因此垂直于主构造走向部署全区规则测网，网度 200 m×50 m，选择重力与广域电磁法综合地球物理勘探，以控制断裂构造和地层发育特征（图5）。

3.2 异常综合解译

实测布格重力异常整体呈 NW—SN 弧形走向，异常值西高东低，与区域重力异常在研究区范围内的特征一致（图5a）。重力水平总梯度异常图上高值异常带所示一系列线性构造（图5b），以 NW 向和近SN向为主，其中位于北—东缘的一组梯度异常组合F_NW1、F_SN2、F_SN3规模大、连续性强，是研究区最重要的断裂构造和岩溶发育带。

广域电磁二维反演断面具有一致的电性特征，自上而下具“中阻—低阻—高阻”三层特征：第四系东台组（Qd）为中阻层，电阻率值（ρ）5~30 Ω·m；新近系盐城组（Ny）—上白垩统浦口组（K₂p）为低阻层，电阻率多＜5 Ω·m；中下奥陶统（O_1-2）—震旦系（Z） 总体为高阻层，电阻率多为10~300 Ω·m。以广域电磁11线为例（图6a），上部中低阻碎屑岩地层厚度稳定、分布连续，厚约0.5 km；下部高阻碳酸盐岩地层具规模大、起伏大和变化大的特点。高阻层顶面以高低不平的小团状中阻断续相连，反映了沿印支面的岩溶发育不均、古风化壳起伏不平的特征；上部-0.5~-1.5 km，分布多处垂向低阻带和局部低阻异常，反映了断裂和岩溶广泛发育；深部高电阻率等值线仍具较大起伏，反映了深部岩层隆起、褶皱并伴有断层的特征。广域电磁反演断面反映断层 F_NW1、F_SN2、F_SN3规模最大，并伴有较大规模的岩溶发育，与重力梯度异常反映的规律一致。

a—大地电磁测深反演电阻率断面；b—地质解释剖面图

1—新近系—第四系；2—古近系—白垩系；3—白垩系；4—石炭系—二叠系；5—志留系—泥盆系；6—震旦系—寒武系；7—前震旦系；8—断裂及编号

a—实测重力异常图；b—重力水平总梯度异常图

4 地热资源评价与钻井验证

4.1 地热资源成因与条件

苏北盆地地热资源成因类型主要有传导型（兴热 1 井）和对流型（宝热 1 井）（成磊等，2021），宝应射阳湖所在的黄荡地热田以对流型地热资源为主 （图7）。属同一地热田的宝热1井，碳酸盐岩顶面深度-470 m，岩溶热储深度 916~1262 m，井口水温 74℃，矿化度 3650 mg/L，属 SO₄·Cl-Na·Ca 型水（孙贤恺，2010）。前人对该地区地热流体地球化学研究认为：宝热1井地热流体属“未成熟水”，循环深度为 2.1~2.8 km，循环周期为 41000~43000 a，补给高程 340 m 以上，补给源位于盱眙—老子山—滁州分布的张八岭丘陵区（邹鹏飞等，2022）。宝热 1 井地热水的矿化度、水化学特征显示，大气降水补给后沿 NE向深大断裂（如建湖隆起边界断裂）下渗及径流，运移过程中经大地热流增温，被宝应地区 NE向断裂切割，上升至印支面岩溶发育区赋存形成地热田，其中在径流过程中或碳酸盐岩层状热储中，存在越流补给或冷水混入对流换热。苏北盆地较浅的莫霍面以及建湖隆起的莫霍面凸起，为该地热系统的带状对流聚热和大地热流毯状聚热提供了良好的条件。

地球物理勘探成果表明，研究区岩溶热储和断裂构造发育深度以已有的宝热 1 井为代表，射阳湖地热区深层地热水水温整体较高；地热系统补给主要来源于大气降水入渗和其他承压水的越流补给，水源补给较稳定；地热流体沿断层 F_NW1、F_SN2、F_SN3通道由深部上涌，在断裂交汇处附近形成有一定规模的层状岩溶热储，具有良好的流体通道和地热储层；上部中新生代盖层厚度稳定、分布连续，具有较好的保温条件。

4.2 钻井选址与验证

地热钻井选址需结合勘探目的、场地条件和地热地质条件。目标热储是裂隙岩溶，应选择破碎带与岩溶交汇处为钻探目标层位。因此设计地热井位 HDR1 部署在规模较大的导水断裂上盘，穿过低阻发育的断裂交汇区和碳酸盐岩岩溶发育区，终孔于裂隙发育区底部。

经钻探验证，HDR1地热井井深2060 m，终孔于寒武系—奥陶系白云岩。610 m钻遇奥陶系碳酸盐岩，640~1530 m有多段见水蚀、溶洞和晶洞，断裂及岩溶发育，与地球物理勘探结果一致（图6b）。水位降深为 6.39 m 时涌水量为 2095 m³ /d，井口水温为 75℃，单位涌水量 3.795 L/（s·m）。HDR1井地热水矿化度为3006 mg/L，为弱咸水，总硬度803 mg/L（以 CaCO₃ 计），pH 值 7.32，地下热水化学类型为 Cl· SO₄-Na·Ca型，其中 F^-含量 3.29 mg/L。地下流体中 F^-含量在活动断裂带及附近往往出现高异常值，反映深循环对流或离子扩散作用的存在（邹鹏飞等， 2022）。HDR1 井地热水中 F^-含量较高，阳离子以 Na⁺ 和 Ca²⁺ 为主，阴离子以 Cl^-和 SO₄ ^2- 为主，反映了地热流体通过断裂破碎带的深对流循环特征。基于地球物理勘探和地热地质评价的地热钻井选址与实际勘探结果一致，证明该综合物探方法在本次地热资源勘查实践中行之有效。

1—新近系盐城组—第四系东台组；2—上白垩统浦口组；3—震旦系—中下奥陶统；4—解译断层；5—目标裂隙及岩溶发育区；6—设计钻井； 7—（淤泥质、砂质）黏土；8—泥岩；9—砂岩；10—砾岩；11—白云岩；12—灰岩；13—钻遇裂隙及岩溶发育区

5 结论

（1）建湖隆起深部莫霍面较浅，且处稳定盖层下古潜山高位，具良好的地热地质条件。采用不同比例尺的重力、航磁及大地电磁勘探，可分析区域隆坳格局、断裂构造以及岩浆岩发育情况，为地热详细勘探部署提供依据。

（2）广域电磁法对地层（电性层）界面、断裂构造的垂向展布以及大规模岩溶具有较高的分辨率，结合多种物探方法组合勘探地层、构造，综合地热地质条件和地热成因分析，确定目标热储的埋深和展布，科学选定地热钻井井位，可有效提高勘探成功率。经地热钻井验证，综合物探地质解释确定苏北宝应射阳湖地热区目标热储方法可靠，对于同类地热资源勘查实践具借鉴意义。

1—新近系—第四系；2—古近系；3—白垩系；4—震旦系—奥陶系；5—震旦系；6—推测断裂带；7—地下水流向；8—大地热流；9—构造破碎带及岩溶发育区；10—已有地热井；11—本研究设计地热井

参考文献