摘要
松潘—甘孜褶皱地区地热资源丰富，但是地热地质研究程度相对较低，存在一定的研究空白，严重制约了地热资源的开发。本文应用大地电磁测深法对松潘甘孜褶皱地层结构和隐伏断裂进行探测研究，布设了 4条东西向和1条北东向的大地电磁测深剖面，获得94个测深点。通过对大地电磁测深数据的处理、分析和反演，获得了勘查区内3000 m以浅的二维电性结构模型。综合区域地质资料，地层由上至下依次划分为第四系（Q）—新近系（N）—古近系（E）、上三叠统图姆沟组（T3t）、上三叠统曲嘎寺组（T3q）。推断了查卡村西断裂（Fa ）、查卡村北断裂（Fb ）、理塘断裂（Fc ）的位置及产状等信息。勘查区热储层为上三叠统曲嘎寺组岩溶裂隙型热储，其有利区域为查卡村西断裂（Fa ）、查卡村北断裂（Fb ）、理塘断裂（Fc ）附近。研究成果可为松潘—甘孜褶皱区的地热资源开发提供依据。
Abstract
In this paper, the geodetic electromagnetic sounding method was applied to detect and study the structure of the Songpan-Ganzi fold strata and concealed faults. Four east-west and one northeast-oriented geodetic electromagnetic sounding profiles were set up, and 94 sounding points were obtained. Through the processing, analysis and inversion of the electromagnetic sounding data of the earth, a two-dimensional electrical structure model within 3000 meters in the exploration area was obtained. Based on the comprehensive regional geological data, the strata are successively divided from top to bottom into the Quaternary (Q)-Neogene (N)-Paleogene (E), the Upper Triassic Tumugou Formation (T3t), and the Upper Triassic Qugaosi Formation (T3q). The locations and occurrence conditions of the West Chaka Village Fault (Fa), North Chaka Village Fault (Fb), and Litang Fault (Fc) were inferred. It is believed that the thermal reservoir in the exploration area is a karst fissure type thermal reservoir of the Upper Triassic Quga Temple Formation, and its favorable areas are near the West Chaka Village Fault (Fa), North Chaka Village Fault (Fb), and Litang Fault (Fc). This article provides a strong basis for the development of geothermal resources in the Songpan-Ganzi fold area.
0 引言
地热资源作为一种绿色清洁能源，具有再生可持续，开发利用价值高，社会、经济、环境效益显著等优点，以低成本、可持续利用和环保而具有其他能源不可比拟的独特优点，目前已广泛应用于地热发电、供暖、养殖、洗浴等方面（廖忠礼等，2006；朱家玲，2006；王贵玲等，2017，2020；邵炳松等， 2023）。松潘—甘孜褶皱地区地热资源丰富，温泉出露数量较多，具有良好的水热显示，是解决当地高寒地区城镇供暖的重要能源。前人研究已为该区地热调查奠定了一定基础。早期研究中，何京生 （1984）、梁云甫等（1997）对四川地热水资源进行初步研究分析；廖志杰和赵年（1999）对滇藏地热系统及分布规律进行了研究，揭示了区域地热活动的构造控制特征；近年来，武斌（2013）、孙东等（2019）针对松潘甘孜地区地热资源的赋存条件开展了深入研究，探讨了热储层的地质背景与形成机制。目前而言，现有研究多集中于区域尺度，对局部构造与深部热储结构的精细刻画仍存在不足，地球物理工作仍然相对匮乏，对该地区地热资源赋存情况存在一定的盲区。因此，对该区域开展地热资源研究对该地区的地热资源的应用开发有重要指导作用。
深部地热资源一般埋藏深度较大，难以被直接探测。而地球物理方法是探测地球内部构造和所储资源的有效方法，其中，大地电磁测深方法（Magnetotelluric，MT），作为天然源电磁法，具有勘探深度大，不受高阻屏蔽影响，对高导层分辨能力强等特点，在查明基底起伏、划分断裂构造、评价地热资源等方面独具优势，已广泛应用于地热资源勘查等领域（周厚芳等，2003；张里恩和陈少锋，2004；高景宏等，2010；汪琪等，2016；胥博文等，2019；杨学明等， 2020；曹学刚等，2021；龚胜平和刘瑞德，2021）。本文通过对松潘—甘孜褶皱地区进行大地电磁勘查、处理、反演，获得勘查区域 3000 m 以浅的电性结构模型，并结合区域地质资料进行综合地质解释，推断地热资源远景区。
1 区域地质概况
勘查区Ⅰ级构造单元属松潘—甘孜地槽褶皱系（Ⅰ），Ⅱ级构造单元属义敦优地槽褶皱带（Ⅰ1）， Ⅲ级构造单元属义敦地向斜（Ⅰ1 2）和理塘地背斜 （Ⅰ1 3），位于四川省西部，呈倒三角形，出露地层主要为二叠系、三叠系（傅广海，2009；武斌，2013；李午阳等，2018）。超基性、中酸性岩浆侵入活动有海西期、印支—燕山早期和燕山晚—喜马拉雅期3期，区域变质作用有海西和印支两期（图1）。区域内发育地层以中生界三叠系为主且分布广泛，出露有元古宇恰斯群（Ptqs），古生界中二叠统岗达概组（P2g），中生界中三叠统三珠山组（T2s）、马索山组（T2m）、上三叠统曲嘎寺组（T3q）和图姆沟组（T3t），新生界古近系（E）和第四系（Q）。
曲嘎寺组（T3q）主要出露于勘查区北部及东部，厚度 1500～2500 m，上段以灰—浅灰色变石英砂岩、粉砂质板岩为主，夹灰黑色板岩及石英质砾岩，反映浅海—滨海相沉积环境；下段发育片理化石英千枚岩、变质砂岩及结晶灰岩，含瓣鳃类、腕足类等化石，指示中深变质作用下的浅海陆棚背景。图姆沟组（T3t）分布于北部及西南部，厚度600～1800 m，自下而上分为 3 段：下段为钙质绢云板岩与粉砂质板岩互层，底部含砂砾岩透镜体，具海退序列特征； 中段以变岩屑长石石英砂岩与黑色板岩交替为主，夹流纹岩及含炭质泥板岩，显示火山-沉积混合作用；上段以灰黑色板岩夹变砂岩、结晶灰岩为特征，代表深海—半深海相复理石建造。古近系（E）集中分布于理塘县城周边，岩性为红色砾岩、砂砾岩夹泥灰岩，属陆相山间盆地快速堆积产物；第四系（Q） 广泛分布于河谷地带，由冲积-洪积成因的亚砂土、砂砾及块石混杂组成，厚度 0～200 m。整体上，区域构造运动对地层展布具有显著控制作用。
2 数据采集处理分析
2.1 采集准备
研究区共布置了 5条测线，94个 MT测点，其中 4条测线东西向展布，剖面距分别为1.8 km、3.8 km、 4.6 km和4.6 km，1条测线北东向展布，剖面线距1.8 km，点距为 200 m。在构造发育位置对点距进行了加密，加密点距为100 m。
MT 野外作业采用的是加拿大凤凰公司生产的 MTU5A 型宽频大地电磁测深仪，配备 MTC-50H 型磁探头和 Pb-PbCl2不极化电极，以张量观测方式采集电磁场的 4 个水平分量（Ex、Ey、Hx、Hy），布极采用“十”字型方式，平均电极距为 100 m。测量前首先设置增益、低通滤波、极距等测量参数，同一方向两电极极差一般在 2 mV 以内，电极入土埋深 20～30 cm，保持与土壤接触良好，两电极埋置条件基本相同，电极坑内浇饱和盐水，保证电极接地电阻小于2 kΩ（特殊地区不大于30 kΩ）。
2.2 一致性试验
在数据施工前、完工后分别对仪器设备进行一致性试验。一致性试验均方相对误差统计见表2，图中2套仪器采集的频率—视电阻率及相位曲线形态一致（图2），相关性较好，2套仪器均工作正常，仪器相似度较高，符合野外工作的要求。
2.3 维性分析
大地电磁二维反演是否有效的前提取决于张量阻抗分解结果，合理的张量阻抗分解结果使得 TE、TM 极化模式存在实际的物理意义。为了保证二维反演的效果，应用了 Swift、Bahr、G-B 张量阻抗分解方法（陈乐寿和王光锷，1990；雷宛等，2006；柳建新等，2012），判断所有测点二维偏离度值分布情况，结果表明在大于1 Hz时，Swift、Bahr、G-B二维偏离度几乎都小于 0.2，说明勘查区浅部（>1 Hz）地质构造为一维/二维情况，图3为L3测线的G-B二维偏离度拟断面图。
图1研究区大地构造位置图（a）与地质简图（b）
图2MTU-5A型大地电磁测深仪施工前、后仪器一致性试验图
a—仪器4200（施工前）；b—仪器4287（施工前）；c—仪器4200（施工后）；d—仪器4287（施工后）
表2仪器一致性均方相对误差统计
图3L3测线G-B二维偏离度拟断面图
2.4 构造走向分析
通过对勘查区全部测点进行不同频段范围的 G-B 阻抗张量分解（傅良魁，1989；陈乐寿和王光锷，1990；雷宛等，2006；柳建新等，2012；王雷生等， 2022），得到了如图4所示的 320～0.01 Hz全频段以及 100～10 Hz、10～1 Hz、1～0.1 Hz 和 0.1～0.01 Hz 共 5 个频段的构造走向分布图，从整体 320～0.01 Hz来看，勘查区域同一深度范围内构造走向相差不大，同一区域由浅到深构造走向差异较小，电性主轴走向南北方向，因此可以看出，整个勘查区域构造走向较为一致。
3 数据反演及分析
3.1 数据反演
一维反演只考虑导电性垂向变化，构建的模型为水平层状介质，在划分断裂及岩层面等方面有其独特之处。一维反演方法较多，主要有 Bostick 法、Rhoplus 法、OCCAM 法、一维自适应正则化反演法等。一维自适应正则化反演方法对构造的刻画较好，且符合勘查区实际地质情况，故本次工作也采用了正则化反演法来进行一维反演。
图4勘查区电性主轴分析结果玫瑰图
a—0.01～320 Hz；b—10～100 Hz；c—1～10 Hz；d—0.1～1 Hz；e—0.01～0.1 Hz
大地电磁测深法二维反演方法种类繁多，常用的有 OCCAM 法、非线性共轭梯度法（NLCG）、快速松弛法（RRI）及REBOCC法等。其中，NLCG算法由于其具有计算速度相对较快，计算内存占用少等优点，是目前二维反演中广泛使用的一种算法（傅良魁，1989；陈乐寿和王光锷，1990；雷宛等，2006；柳建新等，2012）。本研究大地电磁测深数据反演过程中主要使用非线性共轭梯度（NLCG）反演方法，反演过程试算了不同的反演模式（TM、TE、TE+ TM）、反演参数等，得到了沿剖面的大量二维电性结构模型，结果表明 TE 与 TM 联合模式反演效果较好，能较准确反演地质信息。因此，本次二维反演解释工作以TE+TM模式为主，门限误差为5%，正则化因子 tau=7；初始均匀半空间模型电阻率为 100 Ω·m，有效反演频段为 320～0.01 Hz，迭代次数为 100。5 条测线的数据反演结果如图8所示，其中每条测线左一为一维反演，左二为二维反演，右一为解译结果。
3.2 断裂划分
如图8剖面 a 所示，在测线 L1-3～L1-5 和 L1-7～L1-10位置有明显的低阻异常带，且延伸至地下 1000 m 以深，左右两侧的高阻体被明显错断，推断该处存在两条断裂破碎带 Fa和 Fb，根据反演结果推断Fa为逆断层倾角约75°，Fb为正断层倾角约65°；其中 Fa断裂切割深度相对较深，有与深部热源热量交换的条件。其中 Fa和 Fb断裂在地表有出露（图5和图6），且两处断裂附近存在温泉，证明反演结果准确。
图5Fa断裂破碎带
图6Fb断裂周边钙华现象
图7Fc断裂形成的陡坎
如图8剖面 b 所示，在测线 L2-9、L2-10 位置有明显的倾角约 45°的低阻异常带，且左右两侧的高阻体被明显错断，推断此处可能发育断裂破碎带Fc，该断层为逆断层，断层倾角约45°。L2-22号点附近已存在地质钻孔 ZK2 井（井深 1000 m），该井 300 m 以浅钻遇第四系低阻层，300～1000 m 深部电阻率较高。该井出水量较小近乎干眼，符合物探结果，证明反演结果准确。
如图8剖面 c所示，剖面 c平行于剖面 2且位于其南侧1 km。本次大地电磁测深结果可知，在测线 L3-13、L3-14位置有倾角约45°的低阻异常带，其产状与剖面 b的结果一致，根据地质资料分析，剖面 b 和剖面 c 响应的为同一条断裂带 Fc，且左右两侧的高阻体被明显错断。13 号点附近已存在地质钻孔 ZK1井（井深1000 m），该井500～700 m以浅钻遇相对低阻层，该低阻层断续相连，700～1000 m深部电阻率较高。该井为干眼井，符合物探结果，证明反演结果准确。
如图8剖面 d 所示，大地电磁测深电性剖面在 500 m以浅存在层状低阻异常，由于其埋深较浅，推断其水温较低。根据实地调查发现，在L4-8位置附近出露有温泉，推测该位置温泉可能通过细小裂隙或者地下侵入体和围岩间裂隙与深部热源联通，推测裂隙较小，较难被物探手段探测。
根据剖面c和剖面b的断裂响应情况，为了更好的标定断裂 Fc的位置，沿垂直于断裂方向布设了该条测线。如图8剖面e所示，在测线L5-4、L5-5位置有明显的倾角约 45°的低阻异常带，且左右两侧的高阻体被明显错断，与剖面c和剖面b的断裂的产状及位置吻合。因此综合剖面 b和剖面 c的结果可以推断该处存在断裂破碎带Fc，倾角约45°。Fc断裂地面位置显示为沟谷（图7），有断裂地表出露特征，且与反演结果走向一致，证明反演结果较为可靠。
综合反演结果和实地地质调查结果绘制综合解译成果图（图9），结果显示勘查区有 3 条断裂响应，逆断层 Fa和正断层 Fb走向近北西向，断裂倾角分别为约 75°和 65°；逆断层 Fc走向近北西西向，倾角约 45°；Fa和 Fb断裂发育相对较深，断裂附近有较好的地热潜力。
3.3 地层划分
综合以上分析并结合已搜集地质资料成果，勘查区发育地层主要为上三叠统曲嘎寺组（T3q）、上三叠统图姆沟组（T3t）、古近系（E）、新近系（N）、第四系 （Q）。
第四系（Q）、古近系（N）、新近系（E）主要分布于理塘河河床、漫滩、河流阶地等，主要岩性为黄灰色细砾岩、砂岩、泥岩，深度在300 m以浅，电阻率值为 0～100 Ω∙m。在 5 条大地电磁测深剖面中地层岩性界面都有很好对应。新近系、古近系岩性以泥岩、粉砂岩、砂岩和砾岩为主，与第四系的电性界面并不明显，很难划分电性界面。
上三叠统图姆沟组（T3t）主要为钙质绢云板岩、含粉砂质绢云板岩，夹灰岩、细粒石英砂岩、粉砂岩。电阻率值一般为300～400 Ω·m，其电阻率值在横向上不具延续性，在勘查区北部，图姆沟组Fa、Fb、和 Fc共 3 条断裂错断，在南部区域图姆沟组（T3t）呈层状分布。其底板埋深600~800 m，厚度约600 m。
上三叠统曲嘎寺组（T3q）主要为粉砂岩、生物碎屑灰岩、大理岩、灰岩、千枚岩等，电阻率范围跨度较大，一般在 50～1000 Ω·m，其下段岩石岩性以砂岩、粉砂岩、粉砂质板岩为主，岩石固结程度较高，电阻率在300～1000 Ω·m；曲嘎寺组上段（T3q2）以大理岩、灰岩为主，电阻率在 10～300 Ω·m，反映了该段地层富水性较好，具备形成良好热储层的条件。由于构造运动其顶板埋深较浅，其底板埋深在1200 m以下，厚度可达1000 m以上。
岩浆岩相对集中分布于勘查区西南部帽合山一带，花岗岩侵入岩体规模较大，在勘查区底部均有分布，推测其顶板埋深在 1000 m 以下，厚度大于 1000 m，电阻率在 800 Ω·m 以上。主要岩性为二长花岗岩，其电性显示为最高。该岩体侵入于图姆沟组中，岩体与围岩上三叠统图姆沟组地层呈角度不整合接触关系（图10）。
图8测线解译图（左一：一维反演；左二：二维反演；右一：反演结果解译）
a—剖面1；b—剖面2；c—剖面3；d—剖面4；e—剖面5
图9综合成果解译图
图10热储概念模型图
4 地热资源远景区预测
勘查区地热资源基本都分布在控制性断裂构造附近的上三叠统曲嘎寺组上段（T3q1）的大理岩、灰岩地层中，该地层岩溶裂隙比较发育，具备良好的导水、导热条件，属于地热资源远景区。
勘查区地热资源与裂隙的发育息息相关，根据解译结果及地质调查结果显示有 3 条断裂，具备一定的导水能力，能为地下水运输提供通道，地热钻孔位置应优先考虑在断裂上盘位置，使其能够在热储部位钻遇断裂。其中查卡村西断裂（Fa）、查卡村北断裂（Fb）在地表有露头且有温泉热水浸蚀形成痕迹，该区域有形成热储的条件；Fc断裂为勘查区的一条主要断裂，切割深度较深，该断裂对勘查区的地层构造起控制作用，地表有断裂形成的陡坎，断裂两侧地层构造有明显差异，在地球物理成果中有明显的低阻性，该区域有形成热储的条件。
5 结论
通过大地电磁勘探成果，综合以往区域地质资料分析，获得了勘查区 3000 m 以浅的电性结构模型，不但划分了勘查区深部地层结构，还推断了主干断裂的位置、产状等信息，并且为地热资源远景区预测提供了大地电磁方面的证据。总结认识如下：
根据本研究中地球物理勘探解译结果以及综合地质资料分析，综合区域地质资料，勘查区地层由上至下依次划分为第四系（Q）—新近系（N）—古近系（E）、上三叠统图姆沟组（T3t）、上三叠统曲嘎寺组（T3q）；确定了3条断裂查卡村西断裂（Fa）、查卡村北断裂（Fb）、理塘断裂（Fc）的位置及产状等信息；勘查区热储层为上三叠统曲嘎寺组岩溶裂隙型热储，其地热有利区域为查卡村西断裂（Fa）、查卡村北断裂（Fb）、理塘断裂（Fc）附近区域。
致谢 感谢野外工作人员在高原地区不畏严寒、克服缺氧，保质保量地完成各项工作。