可控源音頻大地電磁測(cè)深低溫傳導(dǎo)型地?zé)豳Y源勘查實(shí)例

黃力軍

(中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000)

1 引 言

地殼最上層溫度受地面溫度周期性變化影響隨著深度增加而減少，到一定深度，地表溫度變化對(duì)深部的影響逐漸趨于消失，該深度的地溫基本保持恒定。地溫常年基本保持恒定的層、帶為“恒溫層”或“中性帶”。恒溫層以下，地溫的變化主要由地球內(nèi)部熱引起，隨深度增加而增加，稱為“增溫帶”或“內(nèi)熱帶”。

低溫傳導(dǎo)型地下熱水主體源自大氣降水，少部分為一定深度古沉積水[1]。增溫帶或者內(nèi)熱帶內(nèi)隨著深度增加溫度隨之增高，大氣降水在補(bǔ)給區(qū)地形高點(diǎn)通過斷層或者斷裂破碎帶向下滲透后進(jìn)行深循環(huán)，地下水在涇流過程中在一定深度范圍內(nèi)不斷吸收圍巖熱量成為溫度不等的熱水，賦存于適當(dāng)部位形成地下熱水資源。大多數(shù)低溫傳導(dǎo)型地?zé)豳Y源有如下特點(diǎn)：主要靠斷裂破碎帶或者裂隙導(dǎo)水和蓄水，在地形高差影響和相應(yīng)水力壓差作用下形成地下熱水環(huán)流系統(tǒng)。這類地?zé)嵯到y(tǒng)中的地下水必須有足夠的水量和埋藏深度，才能在地下涇流中促使地下水升溫，形成地?zé)豳Y源。在熱背景一定的條件下，地下水埋藏深度越大，熱水溫度越高。

通常情況下，低溫傳導(dǎo)型地?zé)豳Y源埋深相對(duì)很大，開采風(fēng)險(xiǎn)也隨之加大。為了提高效率、降低成本、避免開采風(fēng)險(xiǎn)，開發(fā)低溫傳導(dǎo)型地?zé)豳Y源之前必須進(jìn)行地?zé)岬刭|(zhì)勘查，為進(jìn)一步地?zé)豳Y源開發(fā)提供可靠依據(jù)。文中以三處早些年實(shí)際勘探結(jié)果為例，介紹了可控源音頻大地電磁測(cè)深在低溫傳導(dǎo)型地?zé)豳Y源勘探中取得的成果。

可控源音頻大地電磁測(cè)深法(簡(jiǎn)稱CSAMT法)采用定源觀測(cè)方式，具有勘探深度大、橫向分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，一直是深部地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)和地?zé)豳Y源勘查的有效手段[2-6]?？煽卦匆纛l大地電磁測(cè)深以觀測(cè)地下電阻率差異為勘查基礎(chǔ)，低阻異常一直是尋找地下熱儲(chǔ)的重要標(biāo)識(shí)[7-10]。根據(jù)實(shí)測(cè)電阻率結(jié)果推斷熱儲(chǔ)蓋層、熱儲(chǔ)及控?zé)針?gòu)造空間分布等情況，是目前可控源音頻大地電磁測(cè)深地?zé)豳Y源勘查主要的工作任務(wù)[11-15]。實(shí)際工作中，根據(jù)可控源音頻大地電磁測(cè)深勘查結(jié)果，結(jié)合當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁睾偷販靥荻?，設(shè)計(jì)地?zé)衢_發(fā)孔采水和終孔深度，從而完成低溫傳導(dǎo)型地?zé)豳Y源勘探開發(fā)過程。

野外數(shù)據(jù)采集使用美國Zonge公司生產(chǎn)的GDP-32Ⅱ多功能電法儀，可控源音頻大地電磁測(cè)深采用赤道偶極裝置進(jìn)行標(biāo)量測(cè)量，供電極距AB=1 000 m，收發(fā)距r>5 000 m，測(cè)量電極距MN=50 m，測(cè)點(diǎn)距=50 m。數(shù)據(jù)反演采用一維圓滑模型反演解釋方法[16]，利用反演電阻率剖面進(jìn)行地質(zhì)解釋。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 江蘇張家港

這是江蘇省張家港地?zé)衢_發(fā)實(shí)例。熱儲(chǔ)圍巖是碳酸鹽巖，一般情況下，碳酸鹽巖巖溶破碎發(fā)育，賦水性相對(duì)較好。根據(jù)已知地質(zhì)資料，區(qū)內(nèi)2 000 m以內(nèi)的地層分布由老到新大致是石炭系船山組(Cc)和黃龍組(Ch)灰?guī)r；二疊系棲霞組(Pq)灰?guī)r；二疊系龍?zhí)督M(Pl)和孤峰組(Pg)砂巖；二疊系長(zhǎng)興組(Pc)灰?guī)r；三疊系青龍組(Tq)灰?guī)r；白堊系浦口組(Kp)砂巖；第四系(Q)亞黏土，粉細(xì)砂，含礫砂層。其中第四系厚度接近200 m，其他地層區(qū)內(nèi)厚度變化較大，且有不同程度缺失。區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂構(gòu)造發(fā)育，存在北東、北西向兩組斷裂。

沒有區(qū)內(nèi)相關(guān)電性資料，根據(jù)鄰區(qū)電阻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果，第四系和白堊系電阻率小于50 Ω·m，二疊系以下巖石電阻率大于100 Ω·m。

圖1是江蘇張家港可控源音頻大地電磁測(cè)深勘查綜合剖面，圖中地層和斷裂是根據(jù)已知地質(zhì)資料推斷并提交給甲方的解釋成果。由圖可見，地表電阻率相對(duì)較低，隨著深度增加電阻率逐漸升高。x=1 400 m、1 800 m和2 600 m附近出現(xiàn)明顯電阻率異常，推斷這些電阻率異常為斷裂構(gòu)造(分別編號(hào)為F2、F3和F4)產(chǎn)生。根據(jù)反演電阻率推斷：地表相對(duì)低阻為第四系產(chǎn)生，第四系厚度100～200 m，第四系以下主體依次為三疊系青龍組(Tq)灰?guī)r、二疊系龍?zhí)督M(Pl)和孤峰組(Pg)砂巖、二疊系棲霞組(Pq)灰?guī)r。

圖1 江蘇張家港CSAMT勘查綜合剖面Fig.1 The comprehensive cross section of CSAMT exploration in Zhangjiagang, Jiangsu

根據(jù)實(shí)際地質(zhì)資料推斷二疊系龍?zhí)督M和孤峰組砂巖為地?zé)崃己蒙w層，二疊系棲霞組灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育，含水性相對(duì)較好?？煽卦匆纛l大地電磁測(cè)深實(shí)測(cè)結(jié)果顯示二疊系棲霞組灰?guī)r埋深應(yīng)該在1 000 m以下，結(jié)合當(dāng)?shù)仄渌Y料確認(rèn)1 000 m以下溫度應(yīng)該在40 ℃以上，由此推斷二疊系棲霞組灰?guī)r應(yīng)是區(qū)內(nèi)最為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的熱儲(chǔ)地層。另一方面，編號(hào)F3斷裂產(chǎn)生的低阻異常相對(duì)明顯，推斷其圍巖破碎程度相對(duì)較高。據(jù)此在x=1 800 m附近布設(shè)編號(hào)ZK1孔開發(fā)編號(hào)F3斷裂附近二疊系棲霞組灰?guī)r層位地下熱水，該孔在h=960 m見到二疊系灰?guī)r和斷裂構(gòu)造，與可控源音頻大地電磁測(cè)深實(shí)測(cè)推斷結(jié)果相差無幾。ZK1終孔深度1 296 m，出水溫度45 ℃，出水量1 200 m3/d。

2.2 江西東崗橋

這是江西省東崗橋地?zé)衢_發(fā)實(shí)例。區(qū)內(nèi)地表為第四系(Q)覆蓋，第四系以下依次為新近系(N)、白堊系(K)、三疊系(T)、石炭系(C)和元古界(Pt)。第四系主要為紅土和亞砂土，厚度小于20 m；新近系為紅土和礫石層，厚度為100～300 m；白堊系為紅色砂巖，厚度約1 000 m；白堊系下部為三疊系和石炭系碳酸鹽巖以及元古界的變質(zhì)巖。本區(qū)處在朱坊和羅山斷裂帶東延部位，地質(zhì)推測(cè)區(qū)內(nèi)深部可能發(fā)育有一系列復(fù)雜的疊瓦式推覆構(gòu)造。

區(qū)內(nèi)第四系很薄，其電阻率影響可以忽略不計(jì)；新近系和白堊系電阻率小于100 Ω·m；石炭系和三疊系碳酸鹽巖、元古界變質(zhì)巖電阻率大于500 Ω·m。

此項(xiàng)工作目的任務(wù)是采用可控源音頻大地電磁測(cè)深確定區(qū)內(nèi)白堊系底部界面，白堊系下部斷裂構(gòu)造分布情況，為區(qū)內(nèi)地?zé)衢_發(fā)提供可靠依據(jù)。這項(xiàng)工作的難點(diǎn)是：白堊系和新近系電阻率相對(duì)較低，且其累計(jì)厚度超過1 000 m，低阻屏蔽對(duì)電磁法實(shí)測(cè)解釋結(jié)果影響很大。

圖2是江西省東崗橋2線可控源音頻大地電磁測(cè)深綜合剖面，圖中淺部高阻不均勻體為人文干擾產(chǎn)生。由圖可見，h=-1 300 m附近為一呈階梯狀變化的電阻率界線，這個(gè)界線應(yīng)為白堊系底界。分別在x=1 600 m、2 700 m、3 100 m、4 000 m、4 700 m和5 200 m附近出現(xiàn)縱向低阻異常，推斷這些低阻異常為斷裂構(gòu)造(分別編號(hào)為F1、F2、F3、F4、F5和F6)產(chǎn)生。根據(jù)電阻率推斷編號(hào)F1、F2、F3和F6斷裂為石炭-三疊(C-T)系碳酸鹽巖與元古界(Pt)變質(zhì)巖接觸界線，這些斷裂構(gòu)造組合就是所謂的“疊瓦式推覆構(gòu)造”。根據(jù)可控源音頻大地電磁測(cè)深勘探結(jié)果，區(qū)內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出深部斷裂構(gòu)造型地下熱水，單井日出水量超過2 000 m3/d,出水溫度超過50 ℃。從這個(gè)實(shí)例可以看出，在厚度很大的白堊系低阻覆蓋層屏蔽情況下，可控源音頻大地電磁測(cè)深反演電阻率能夠清楚地反映出深部白堊系底部界線，以及深部疊瓦式推覆構(gòu)造分布情況。

圖2 江西東崗橋CSAMT勘查2線綜合剖面Fig.2 The comprehensive cross section of CSAMT exploration along profile 2 in Donggangqiao, Jiangxi

2.3 遼寧阜新

這是遼寧阜新盆地(中生界盆地)盆緣斷裂勘查實(shí)例，熱儲(chǔ)圍巖是混合巖，完整混合巖基本不含水。工作區(qū)地表出露主要地層由老至新依次為：太古界建平群大營子組(Arjnd)片巖、片麻巖和斜長(zhǎng)角閃巖；白堊系阜新組(K1f)頁巖、砂頁巖、粉砂巖、礫巖和煤層，白堊系阜新組是阜新煤田主要含煤層位；白堊系孫家灣組(K2s)礫巖、雜色砂巖、粉砂巖和砂質(zhì)頁巖；第四系(Q)黃土狀亞黏土、粉細(xì)砂和砂礫石層。工作區(qū)區(qū)域斷裂構(gòu)造發(fā)育，巖漿活動(dòng)較強(qiáng)烈，地表見有花崗巖(γ)。北東向區(qū)域斷裂通過工作區(qū)(編號(hào)F1)。區(qū)內(nèi)第四系很薄，其對(duì)可控源音頻大地電磁測(cè)深結(jié)果影響可以忽略不計(jì)，白堊系巖石電阻率小于100 Ω·m，太古界片巖和片麻巖電阻率大于5 000 Ω·m，花崗巖電阻率大于5 000 Ω·m。

圖3是通過阜新盆地邊緣可控源音頻大地電磁測(cè)深綜合剖面。由圖可見，分別在x=800 m和x=1 600 m附近出現(xiàn)縱向低阻帶，推斷這兩處縱向低阻帶應(yīng)該為斷裂構(gòu)造產(chǎn)生(分別編號(hào)為F1和F2)。根據(jù)平面地質(zhì)資料推斷:其中編號(hào)F1為阜新盆地盆緣斷裂，編號(hào)F2斷裂為太古界和花崗巖體接觸界線，兩種巖性斷裂(編號(hào)F2)接觸。兩個(gè)斷裂均傾向剖面小號(hào)點(diǎn)，斷裂傾角相對(duì)很陡。

圖3 遼寧阜新CSAMT勘查綜合剖面Fig.3 The comprehensive cross section of CSAMT exploration in Fuxin, Liaoning

其中編號(hào)F1斷裂上盤淺部電阻率相對(duì)很低，應(yīng)為白堊系巖層，最大厚度超過500 m；深部為太古界片巖和片麻巖，斷裂下盤為太古界片巖和片麻巖。編號(hào)F1斷裂引起的低阻帶相對(duì)很寬，推斷斷裂內(nèi)巖層相對(duì)破碎，應(yīng)該是賦水有利地段；編號(hào)F2斷裂下盤是花崗巖，這個(gè)斷裂應(yīng)該是開發(fā)地?zé)豳Y源有利地段?？紤]到甲方地域權(quán)屬問題，建議地?zé)衢_發(fā)井(編號(hào)ZK3)位于編號(hào)F1上盤x=950 m附近開發(fā)斷裂構(gòu)造熱水。當(dāng)年探采孔施工到深度1 800 m附近時(shí)地下熱水流出地表(未洗井)，出水溫度42 ℃(應(yīng)有冷水混入)。

3 結(jié) 語

地下熱儲(chǔ)主要依靠斷裂破碎帶或者裂隙導(dǎo)水和蓄水，通常情況下低溫傳導(dǎo)型熱儲(chǔ)埋藏深度很大，隨著深度加大，地表觀測(cè)到由地下熱水引起的電阻率差異越來越小，以至難以觀測(cè)到由地?zé)嶙兓鸬碾娮杪十惓！５蜏貍鲗?dǎo)型地?zé)豳Y源勘查的主要任務(wù)是確定地層和地質(zhì)構(gòu)造分布等情況，利用勘查結(jié)果推斷熱儲(chǔ)蓋層、導(dǎo)熱通道和地下熱水空間分布等情況，同時(shí)考慮熱儲(chǔ)所在深度溫度是否滿足需要，為進(jìn)一步地?zé)豳Y源開發(fā)提供可靠依據(jù)。

本次研究中給出三處低溫傳導(dǎo)型地?zé)豳Y源可控源音頻大地電磁測(cè)深勘查實(shí)例?？辈榻Y(jié)果表明，可控源音頻大地電磁測(cè)深能夠完成常規(guī)條件下低溫傳導(dǎo)型地?zé)豳Y源勘查工作任務(wù)。

文中前兩項(xiàng)的工作成果均在2003年以前完成，這兩項(xiàng)地?zé)衢_發(fā)成果推動(dòng)了當(dāng)?shù)丶爸苓叺貐^(qū)深部地?zé)豳Y源勘探開發(fā)利用工作進(jìn)程。