魚臺(tái)凹陷邊部玄武巖覆蓋區(qū)地?zé)峥碧椒椒皯?yīng)用效果

郭國強(qiáng)，秦鵬，姚錚，賀春艷，羅懷東，王潤生

(1.山東省物化探勘查院,山東 濟(jì)南 250013；2.山東省國土空間生態(tài)修復(fù)中心,山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

研究區(qū)位于魚臺(tái)凹陷邊部的魚臺(tái)縣魚城鎮(zhèn)，魚臺(tái)凹陷地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，新生代及中生代覆蓋較厚，整體表現(xiàn)為低阻，對(duì)電磁信號(hào)具有一定屏蔽作用，并且新生代有玄武巖發(fā)育，對(duì)地震波有明顯的吸收作用，鑒于此原因，多數(shù)物探方法在深部勘探中達(dá)不到較好的應(yīng)用效果，因此，該地區(qū)一直未實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源勘探突破[1-3]。本次通過不同物探方法的對(duì)比，最終以重力資料為基礎(chǔ)，大地電磁測(cè)深(MT)與電測(cè)深相結(jié)合的方法手段，厘清了奧陶紀(jì)灰?guī)r熱儲(chǔ)的頂板埋深及導(dǎo)水導(dǎo)熱的嘉祥斷裂空間展布特征，實(shí)現(xiàn)了該地區(qū)地?zé)峥碧降耐黄?，填補(bǔ)了魚臺(tái)地區(qū)地?zé)嵴业V空白，成功實(shí)施了金鄉(xiāng)-魚臺(tái)地?zé)徇h(yuǎn)景區(qū)第一眼地?zé)峋?，是目前魯西南地區(qū)鉆獲溫度最高的地?zé)峋?，鉆孔成井深度2309m，孔底溫度為74.5℃，井口溫度68.5℃，最大涌水量約520m3/d。

1 地質(zhì)及地球物理特征

1.1 地質(zhì)概況

魚臺(tái)凹陷地層屬華北地層區(qū)魯西地層分區(qū)的濟(jì)寧地層小區(qū)，區(qū)內(nèi)地層由老到新主要發(fā)育有古生代奧陶系、石炭-二疊系，中生代侏羅系、白堊系以及新生代古近系、第四系。玄武巖位于新生代古近系，發(fā)育深度在地表下約300～600m，是一種基性噴出巖, 其巖石結(jié)構(gòu)常具氣孔狀、杏仁狀構(gòu)造和斑狀結(jié)構(gòu)，有時(shí)帶有大的礦物晶體，未風(fēng)化的玄武巖主要呈黑色和灰色，也有黑褐色、暗紫色和灰綠色。

魚臺(tái)凹陷構(gòu)造格局，受深大斷裂活動(dòng)影響，形成以區(qū)域級(jí)斷裂為界的斷陷，SN及EW向斷裂交叉切割地層，近SN的斷裂有嘉祥斷裂、濟(jì)寧斷裂及孫氏店斷裂，其中嘉祥斷裂和孫氏店斷裂分別為魚臺(tái)凹陷的西邊界和東邊界；近EW向斷裂主要有鳧山斷裂、魚臺(tái)斷裂、單縣斷裂，其中單縣斷裂和鳧山斷裂分別為魚臺(tái)凹陷的南、北部邊界(圖1)。魚臺(tái)凹陷巖漿巖侵入主要發(fā)生在燕山運(yùn)動(dòng)晚期，在研究區(qū)由北往南厚度有逐漸變薄的趨勢(shì)。

1—古近紀(jì)官莊群；2—白堊紀(jì)青山群；3—白堊紀(jì)萊陽群；4—侏羅紀(jì)淄博群；5—石炭-二疊紀(jì)月門溝群；6—奧陶紀(jì)馬家溝群；7—角度不整合界線；8—斷層及產(chǎn)狀；9—剖面線；10—研究區(qū)范圍圖1 研究區(qū)主要地層及斷裂構(gòu)造分布圖

1.2 地?zé)岬刭|(zhì)特征

研究區(qū)具備奧陶紀(jì)灰?guī)r溶熱儲(chǔ)良好的蓋層、導(dǎo)熱導(dǎo)水通道及熱源等基礎(chǔ)地?zé)岬刭|(zhì)條件，屬于層狀盆地傳導(dǎo)型地?zé)帷?/p>

(1)蓋層：由第四系、古近系、白堊系、侏羅系、石炭系、二疊系組成，主要為半固結(jié)—固結(jié)黏性土巖和砂性巖互層組成，下部石炭系、二疊系過渡段夾中薄層灰?guī)r，整體是一套厚度大，密度小，導(dǎo)熱性能差，熱阻大的天然熱儲(chǔ)良好的保溫蓋層。

(2)導(dǎo)熱導(dǎo)水通道：區(qū)內(nèi)隱伏斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，NW向嘉祥斷裂發(fā)育規(guī)模較大，同時(shí)近EW向次級(jí)斷裂也較發(fā)育，其交會(huì)部位不僅溝通了深部熱源的上涌，而且也是地下水深循環(huán)的主要通道，同時(shí)，因奧陶紀(jì)灰?guī)r導(dǎo)熱作用良好，有助于大地深部熱源熱量往上部傳導(dǎo)。

(3)熱源：地球深部熱源、巖漿熱液活動(dòng)及放射性元素蛻變是區(qū)內(nèi)的重要熱源，熱源主要來自地殼深部的熱流傳導(dǎo)，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使地殼深部的熱源不斷往上傳遞[4-6]。

1.3 地球物理特征

1.3.1 重力場(chǎng)特征

由圖2區(qū)域布格重力異常分布圖可知，布格重力值在平面上呈正負(fù)相間分布，異常值在(-40～20)×10-6m/s2，凹陷區(qū)布格重力值低，形成明顯的負(fù)異常，魚臺(tái)凹陷整體呈重力負(fù)異常特征；隆起區(qū)布格重力值高，形成明顯的正異常，魚臺(tái)凹陷西北部的嘉祥凸起即為該異常特征，凹陷區(qū)和隆起區(qū)重力場(chǎng)異常形態(tài)均大致呈橢圓型展布；深大斷裂表現(xiàn)為規(guī)模較大的重力等值線密集梯度帶異常特征，據(jù)此特征推斷劃定了本次要追蹤驗(yàn)證的導(dǎo)熱導(dǎo)水?dāng)嗔选蜗閿嗔?，其重力?chǎng)異常形態(tài)呈梯級(jí)帶展布(圖2)[7]。

1—研究區(qū)范圍；2—布格重力等值線及數(shù)值；3—嘉祥斷裂圖2 區(qū)域布格重力異常分布圖

1.3.2 電阻率特征

古生代寒武系、奧陶系各類灰?guī)r電阻率最高，一般為100～1000Ω·m，當(dāng)有巖溶裂隙發(fā)育時(shí)電阻率變低。中生代白堊系、侏羅系，古生代石炭-二疊系主要巖性為砂巖、頁巖等，電阻率整體幾至幾百Ω·m，其中部分礫巖、砂礫巖電阻率值在500Ω·m以上。新生代古近系的泥巖及角礫巖電阻率較低，一般為20～200Ω·m；第四紀(jì)黏土、砂質(zhì)黏土電阻率較低，一般為15～40Ω·m。玄武巖電阻率一般相對(duì)圍巖表現(xiàn)為高阻，但當(dāng)玄武巖為氣孔狀并有總礦化度高的微咸水存在時(shí)，玄武巖整體相對(duì)圍巖表現(xiàn)為低阻。斷裂構(gòu)造相對(duì)圍巖表現(xiàn)為低阻，在電阻率等值線斷面圖上呈“V”或“U”字型反映。各類巖礦石的電性的差異，對(duì)劃分巖性界線、推斷斷裂構(gòu)造奠定了基礎(chǔ)，主要地層電阻率參數(shù)如表1所示[8]。

表1 研究區(qū)主要地層電阻率參數(shù)

2 工作布置及方法技術(shù)

由于區(qū)內(nèi)奧陶系頂板埋深較深，巖溶不發(fā)育，必須有斷裂構(gòu)造與其切割才能形成較好的灰?guī)r熱儲(chǔ)，前述根據(jù)重力場(chǎng)特征推斷的NW向嘉祥斷裂發(fā)育深大，能夠切割深部奧陶紀(jì)灰?guī)r熱儲(chǔ)，進(jìn)而形成導(dǎo)水導(dǎo)熱通道。為增強(qiáng)對(duì)嘉祥斷裂深部展布特征的認(rèn)識(shí)，本次工作圍繞嘉祥斷裂開展地震、CSAMT、MT和電測(cè)深等物探工作，垂直嘉祥斷裂布設(shè)地震剖面1條(D1線)，CSAMT剖面2條(C1線、C2線)，MT剖面2條(J1線、J2線)，電測(cè)深剖面1條(L1線)，如圖3所示，主要目的是通過多方法相互佐證，推斷奧陶紀(jì)灰?guī)r頂板位置，追蹤驗(yàn)證區(qū)域性大斷裂嘉祥斷裂的具體位置及深部展布特征，為最終確定地?zé)狎?yàn)證孔位提供更真實(shí)可靠的依據(jù)。

1—二維地震測(cè)線測(cè)點(diǎn)；2—CSAMT測(cè)線測(cè)點(diǎn)；3—MT測(cè)線測(cè)點(diǎn)；4—電測(cè)深測(cè)線測(cè)點(diǎn)；5—推斷嘉祥斷裂；6—地?zé)徙@探井位圖3 研究區(qū)工作布置圖

地震勘探[10-11]工作參數(shù)：道距20m，炮距40m，接收道數(shù)400道，覆蓋次數(shù)90次。

CSAMT法[12-16]工作參數(shù)：發(fā)射電流18A，發(fā)射頻率9600～0.125Hz，收發(fā)距R=8.5km，發(fā)射偶極AB=1.6km，點(diǎn)距100m，MN=100m，采集時(shí)間38min。

MT法[17-20]結(jié)合工作區(qū)實(shí)際地質(zhì)條件，滿足本次勘探要求的頻率范圍920～0.00275Hz，點(diǎn)距100m，MN=100m，單點(diǎn)采集時(shí)長4h以上。

電測(cè)深法[21]測(cè)深裝置為等比對(duì)稱四極裝置(AB∶MN=10∶1)，最大AB/2=4500m。

3 方法有效性及綜合解釋

3.1 二維地震與CSAMT應(yīng)用效果

由于地表下約300～600m隱伏新生代玄武巖，該玄武巖對(duì)地震波具有明顯的強(qiáng)屏蔽作用,以致造成玄武巖下伏地層的地震反射信息很弱，甚至無地震反射信息，影響了玄武巖下伏地層的成像效果，無法真實(shí)有效地反應(yīng)地層結(jié)構(gòu)，無法推斷斷裂構(gòu)造的發(fā)育賦存情況。由于CSAMT法的電磁波對(duì)高阻體的穿透能力強(qiáng)，本次奧陶系上覆巨厚的低阻沉積地層對(duì)該電磁信號(hào)具有明顯的低阻屏蔽作用，致使電磁波衰減很快，穿透能力減弱，近場(chǎng)效應(yīng)明顯，勘探深度不超過1000m，無法識(shí)別本次地?zé)釤醿?chǔ)層奧陶紀(jì)灰?guī)r的頂板埋深。

3.2 大地電磁測(cè)深(MT)與常規(guī)電測(cè)深的應(yīng)用

基于上述二維地震與CSAMT在劃分地層、推斷斷裂構(gòu)造方面存在明顯的不足，通過綜合分析，最終選定以大地電磁測(cè)深(MT)為主，常規(guī)電測(cè)深進(jìn)行佐證的物探手段進(jìn)行熱儲(chǔ)層埋深及導(dǎo)水導(dǎo)熱構(gòu)造的勘探工作，結(jié)果顯示，該2種方法相結(jié)合能夠較明顯地降低玄武巖及低阻屏蔽的影響，大大提高了深部勘探能力，能夠較好地劃分地?zé)嵘w層與熱儲(chǔ)層的分界面，能夠較好地圈定重力資料所推斷的嘉祥斷裂(導(dǎo)熱導(dǎo)水構(gòu)造)并識(shí)別其深部展布特征。

(1)地層解釋：以MT法J1線為例(圖4)，根據(jù)本次MT、電測(cè)深成果并結(jié)合收集的周邊1000m深小口徑鉆探資料，劃分地層層位為：新生代底板埋深約為-620m～-1000m，古生代奧陶系頂板埋深約為-1100m～-2350m，中生代及古生代石炭-二疊系賦存于兩者之間。

電測(cè)深曲線[14]，在不考慮小極距淺部不均勻體影響下，電測(cè)深曲線類型主要以HA 型為主。 視電阻率呈先下降而后上升、連續(xù)上升趨勢(shì)，說明地層由淺至深電性主要呈中高阻—低阻—中高阻—高阻規(guī)律變化?；緦?duì)應(yīng)研究區(qū)的地層情況：第四系、古近系-白堊系、侏羅系、石炭系、二疊系-奧陶系。在 AB/2=4000m 時(shí)，電阻率測(cè)深曲線存在明顯的拐點(diǎn)，說明勘探深度已經(jīng)進(jìn)入高阻巖層，推斷為奧陶紀(jì)灰?guī)r頂界面，利用拐點(diǎn)切線法計(jì)算該點(diǎn)附近奧陶紀(jì)灰?guī)r頂板埋深在2050m左右，與本次MT法推斷奧陶系頂板基本一致。

1—第四系、古近系；2—白堊系、侏羅系、石炭系-二疊系；3—奧陶系；4—電阻率等值線及數(shù)值；5—地層界線；6—推斷斷裂及編號(hào)；7—地?zé)峥孜患熬幪?hào)圖4 研究區(qū)MT法推斷成果圖

(2)斷裂構(gòu)造解釋:由圖4可以看出，電阻率等值線呈明顯“V”字形低阻異常的部位即為嘉祥斷裂，為正斷層，在J1線電阻率斷面圖中縱向呈“Y”字形展布，局部沿傾向呈“臺(tái)階狀”展布，發(fā)育規(guī)模較大，傾角變化較大，約50°～70°，為張扭性斷裂，在研究區(qū)經(jīng)過韓樓村、新核桃園村，楊樓村等向兩側(cè)延伸(圖3)，下盤奧陶系頂板整體埋深在-1100m～-1250m，上盤奧陶系頂板整體埋深在2000～2400m，奧陶系頂板埋深在區(qū)內(nèi)整體表現(xiàn)由南西至北東越靠近魚臺(tái)凹陷中心埋深越深。

4 熱儲(chǔ)模型及鉆探驗(yàn)證

結(jié)合前期資料并根據(jù)本次研究成果可知，熱儲(chǔ)層為奧陶系灰?guī)r熱儲(chǔ)，奧陶系頂板埋深在區(qū)內(nèi)變化較大，在垂直于嘉祥斷裂由南西向往北東方向奧陶系頂板埋深逐漸變大，區(qū)內(nèi)除嘉祥斷裂下盤奧陶系頂板埋深在1100～1250m外，上盤奧陶系頂板埋深均大于2000m。地下熱量沿?cái)嗔褬?gòu)造向上傳導(dǎo)，地表及淺部水源沿?cái)嗔褬?gòu)造向下進(jìn)行補(bǔ)給，加上蓋層的保護(hù)，即形成地?zé)帷醿?chǔ)模型圖如圖5所示(A-A'剖面，位置見圖1)。

1—新生代地層；2—中生代地層；3—古生代石炭二疊系；4—古生代奧陶系；5—斷層；6—熱儲(chǔ)外部水源來向；7—熱量傳遞方向圖5 奧陶紀(jì)灰?guī)r熱儲(chǔ)模型圖

如圖4所示，J1線1000～1800點(diǎn)縱向上有一明顯“V”字形低阻體，即為嘉祥斷裂的反映，在嘉祥斷裂上盤且靠近主斷裂帶附近，奧陶紀(jì)灰?guī)r頂板埋深相對(duì)偏淺，由熱儲(chǔ)模型(圖5)及構(gòu)造平面分布位置(圖1)可知，嘉祥斷裂與近EW向次級(jí)斷裂劉莊斷裂平面位置相交，交會(huì)部位切割深度大，巖石破碎，能夠較好地溝通深部熱源，尤其是在斷裂深部由陡變緩的拐彎部位，地?zé)岢删畻l件相對(duì)較佳。據(jù)以上特征，設(shè)計(jì)在嘉祥斷裂上盤J1線1400點(diǎn)布設(shè)地?zé)徙@探孔位，預(yù)計(jì)該鉆孔在埋深2100m左右同時(shí)遇奧陶系頂板及嘉祥斷裂帶，考慮設(shè)計(jì)鉆孔應(yīng)穿透斷裂100～200m最佳，最后ZK1鉆孔設(shè)計(jì)深度為2300m。初步估計(jì)，該鉆孔揭穿地層順序?yàn)榈乇碇谅裆?00m為新生代地層，埋深800m至埋深2100m為中生代及古生代煤系地層，埋深-2100m以深為古生代奧陶系地層。實(shí)際鉆探驗(yàn)證深度為2309m，2063.45m遇奧陶系頂板，2138.38m遇嘉祥斷裂帶，實(shí)際鉆探揭露地層情況與設(shè)計(jì)鉆孔預(yù)測(cè)揭露情況基本一致，實(shí)際鉆探遇嘉祥斷裂位置比設(shè)計(jì)位置略深38.38m，比較吻合，充分驗(yàn)證了本次利用MT及常規(guī)電測(cè)深成果推斷的合理性，取得了良好的效果。

5 結(jié)論

基于研究區(qū)實(shí)際地質(zhì)條件，通過多種物探方法對(duì)比勘探，總結(jié)了在特定地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件下有效的物探勘探方法，厘清了地?zé)嵘w層，熱儲(chǔ)，導(dǎo)熱導(dǎo)水通道的空間賦存特征和地?zé)釤嵩吹膩碓?，鉆獲了魯西南地區(qū)最高水溫的地?zé)峋槊髁搜芯繀^(qū)地層結(jié)構(gòu)及玄武巖賦存特征，實(shí)現(xiàn)了魚臺(tái)—金鄉(xiāng)地區(qū)地?zé)嵴业V突破，填補(bǔ)了該地區(qū)深部地學(xué)研究資料的空白，取得了較大的地?zé)嵴业V突破。

(1)地震勘探在玄武巖覆蓋區(qū)反射波較弱，成像效果差，不能有效識(shí)別地層層位及斷裂位置，CSAMT受低阻地層屏蔽效應(yīng)影響，近場(chǎng)效應(yīng)明顯、勘探深度較淺，2種方法均不能達(dá)到在沉積地層較厚覆蓋區(qū)尋找奧陶系灰?guī)r熱儲(chǔ)的目的。

(2)MT法具有頻譜豐富、勘探深度大，穿透高阻能力強(qiáng)，對(duì)低阻層反應(yīng)靈敏的優(yōu)點(diǎn)，常規(guī)電測(cè)深法具有準(zhǔn)確度高、精細(xì)度好、信息量大的優(yōu)點(diǎn)。以MT為主，輔以常規(guī)電測(cè)深方法，能夠不受玄武巖及低阻屏蔽的影響實(shí)現(xiàn)大深度勘探，較好地劃分地層層位，推斷構(gòu)造深部空間展布特征，通過方法相互佐證，提高了解譯精度及合理性，顯示了良好的勘查效果，對(duì)今后在具備類似地?zé)岬刭|(zhì)條件的地區(qū)開展地?zé)峥碧教峁┝宋锾椒椒百Y料解譯示范。