魚臺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，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 濟南 250013；2.山東省國土空間生態(tài)修復(fù)中心,山東 濟南 250014)

0 引言

研究區(qū)位于魚臺凹陷邊部的魚臺縣魚城鎮(zhèn)，魚臺凹陷地層結(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，對電磁信號具有一定屏蔽作用，并且新生代有玄武巖發(fā)育，對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比，最終以重力資料為基礎(chǔ)，大地電磁測深(MT)與電測深相結(jié)合的方法手段，厘清了奧陶紀(jì)灰?guī)r熱儲的頂板埋深及導(dǎo)水導(dǎo)熱的嘉祥斷裂空間展布特征，實現(xiàn)了該地區(qū)地?zé)峥碧降耐黄?，填補了魚臺地區(qū)地?zé)嵴业V空白，成功實施了金鄉(xiāng)-魚臺地?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

魚臺凹陷地層屬華北地層區(qū)魯西地層分區(qū)的濟寧地層小區(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。

魚臺凹陷構(gòu)造格局，受深大斷裂活動影響，形成以區(qū)域級斷裂為界的斷陷，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凹陷的西邊界和東邊界；近EW向斷裂主要有鳧山斷裂、魚臺斷裂、單縣斷裂，其中單縣斷裂和鳧山斷裂分別為魚臺凹陷的南、北部邊界(圖1)。魚臺凹陷巖漿巖侵入主要發(fā)生在燕山運動晚期，在研究區(qū)由北往南厚度有逐漸變薄的趨勢。

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，同時近EW向次級斷裂也較發(fā)育，其交會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，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)造運動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證的導(dǎo)熱導(dǎo)水?dāng)嗔选蜗閿嗔?，其重力場異常形態(tài)呈梯級帶展布(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，玄武巖整體相對圍巖表現(xiàn)為低阻。斷裂構(gòu)造相對圍巖表現(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，前述根據(jù)重力場特征推斷的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，進而形成導(dǎo)水導(dǎo)熱通道。為增強對嘉祥斷裂深部展布特征的認(rèn)識，本次工作圍繞嘉祥斷裂開展地震、CSAMT、MT和電測深等物探工作，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)狎炞C孔位提供更真實可靠的依據(jù)。

1—二維地震測線測點；2—CSAMT測線測點；3—MT測線測點；4—電測深測線測點；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，點距100m，MN=100m，采集時間38min。

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

電測深法[21]測深裝置為等比對稱四極裝置(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，該玄武巖對地震波具有明顯的強屏蔽作用,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法的電磁波對高阻體的穿透能力強，本次奧陶系上覆巨厚的低阻沉積地層對該電磁信號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，近場效應(yīng)明顯，勘探深度不超過1000m，無法識別本次地?zé)釤醿訆W陶紀(jì)灰?guī)r的頂板埋深。

3.2 大地電磁測深(MT)與常規(guī)電測深的應(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深(MT)為主，常規(guī)電測深進行佐證的物探手段進行熱儲層埋深及導(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。

電測深曲線[14]，在不考慮小極距淺部不均勻體影響下，電測深曲線類型主要以HA 型為主。 視電阻率呈先下降而后上升、連續(xù)上升趨勢，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?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，電阻率測深曲線存在明顯的拐點，說明勘探深度已經(jīng)進入高阻巖層，推斷為奧陶紀(jì)灰?guī)r頂界面，利用拐點切線法計算該點附近奧陶紀(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；7—地?zé)峥孜患熬幪枅D4 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凹陷中心埋深越深。

4 熱儲模型及鉆探驗證

結(jié)合前期資料并根據(jù)本次研究成果可知，熱儲層為奧陶系灰?guī)r熱儲，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。地下熱量沿斷裂構(gòu)造向上傳導(dǎo)，地表及淺部水源沿斷裂構(gòu)造向下進行補給，加上蓋層的保護，即形成地?zé)?。熱儲模型圖如圖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—熱儲外部水源來向；7—熱量傳遞方向圖5 奧陶紀(jì)灰?guī)r熱儲模型圖

如圖4所示，J1線1000～1800點縱向上有一明顯“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頂板埋深相對偏淺，由熱儲模型(圖5)及構(gòu)造平面分布位置(圖1)可知，嘉祥斷裂與近EW向次級斷裂劉莊斷裂平面位置相交，交會部位切割深度大，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件相對較佳。據(jù)以上特征，設(shè)計在嘉祥斷裂上盤J1線1400點布設(shè)地?zé)徙@探孔位，預(yù)計該鉆孔在埋深2100m左右同時遇奧陶系頂板及嘉祥斷裂帶，考慮設(shè)計鉆孔應(yīng)穿透斷裂100～200m最佳，最后ZK1鉆孔設(shè)計深度為2300m。初步估計，該鉆孔揭穿地層順序為地表至埋深800m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。實際鉆探驗證深度為2309m，2063.45m遇奧陶系頂板，2138.38m遇嘉祥斷裂帶，實際鉆探揭露地層情況與設(shè)計鉆孔預(yù)測揭露情況基本一致，實際鉆探遇嘉祥斷裂位置比設(shè)計位置略深38.38m，比較吻合，充分驗證了本次利用MT及常規(guī)電測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)實際地質(zhì)條件，通過多種物探方法對比勘探，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，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?，查明了研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)及玄武巖賦存特征，實現(xiàn)了魚臺—金鄉(xiāng)地區(qū)地?zé)嵴业V突破，填補了該地區(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熱儲的目的。

(2)MT法具有頻譜豐富、勘探深度大，穿透高阻能力強，對低阻層反應(yīng)靈敏的優(yōu)點，常規(guī)電測深法具有準(zhǔn)確度高、精細(xì)度好、信息量大的優(yōu)點。以MT為主，輔以常規(guī)電測深方法，能夠不受玄武巖及低阻屏蔽的影響實現(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。