綜合地球物理技術(shù)在銀川盆地東緣地?zé)嵫芯恐械膽?yīng)用

虎新軍，陳曉晶，仵陽(yáng)，安百州，倪萍

(1.寧夏回族自治區(qū)地球物理地球化學(xué)勘查院，寧夏 銀川 750001； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 資源學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

我國(guó)地?zé)豳Y源類型多樣，分布廣泛，不同的地質(zhì)條件造就了不同類型資源。根據(jù)賦存埋深和溫度將地?zé)豳Y源劃分為淺層地?zé)豳Y源、水熱型地?zé)豳Y源和干熱巖3個(gè)大類，再以地?zé)豳Y源富集賦存的關(guān)鍵地質(zhì)要素為依據(jù)，按照源(熱源和水源)—通(通道及傳輸)—儲(chǔ)(儲(chǔ)集體)—蓋(蓋層)等地質(zhì)要素和熱的傳輸、儲(chǔ)集、保存、散失等地質(zhì)作用的特征，將水熱型地?zé)豳Y源進(jìn)一步細(xì)分為巖漿型、隆起斷裂型和沉降盆地型3亞類[1-3]。

近年來(lái)，銀川盆地東緣地?zé)峥碧饺〉昧诵峦黄?，以天山海世界地?zé)峋镒罹叽硇?，地?zé)犷愋惋@著區(qū)別于盆地內(nèi)部“沉降盆地型”地?zé)?，具有“埋藏淺、溫度高、水量大、水質(zhì)好”等優(yōu)點(diǎn)，是典型的盆地邊緣“隆起斷裂型”[4]，成為了本地區(qū)地?zé)嵫芯康臒狳c(diǎn)。地?zé)嵫芯恐械牡厍蛭锢矸椒ㄓ卸喾N，以地溫場(chǎng)調(diào)查、重力勘探、磁法勘探、電法勘探、大地面波測(cè)深和人工地震勘探[5]為主流手段。早期的研究側(cè)重于單一方法的應(yīng)用分析，黃力軍及胡寧等[6-7]認(rèn)為花崗片麻巖、火成巖一般都具有較強(qiáng)磁性，通過(guò)精度高的磁法測(cè)量可確定火山巖、侵入巖及蝕變帶的分布位置，間接劃定地?zé)岱植挤秶籔amukcu O A等[8]將自由空氣重力異常與航磁異常的明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系作為了指示區(qū)域地下地?zé)徇h(yuǎn)景區(qū)的一個(gè)重要指標(biāo)，李學(xué)云等[9]根據(jù)重力異常分布，發(fā)現(xiàn)河北湯泉地區(qū)地?zé)釤嵩磁c深部構(gòu)造的酸性熱液活動(dòng)有關(guān)；劉長(zhǎng)生等[10]將MT法運(yùn)用到遼河凹陷西部，將埋深較大的低阻電性層確定為潛在熱儲(chǔ)層，并得到了實(shí)際鉆孔數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，汪琪[11]根據(jù)銀川平原地區(qū)主要的電性剖面，并結(jié)合地質(zhì)剖面分析研究了該地區(qū)的熱儲(chǔ)類型；付微等[12]認(rèn)為微動(dòng)勘探方法對(duì)深部低速層分辨率較高，對(duì)破碎帶低速異常體探測(cè)效果良好，能有效圈定含水破碎帶區(qū)域，有助于提高地?zé)峥辈榫?，劉遠(yuǎn)[13]通過(guò)對(duì)地微動(dòng)探測(cè)和大地電磁測(cè)深兩種方法的研究，探索性地提出利用地微動(dòng)觀測(cè)結(jié)果對(duì)大地電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行約束反演的聯(lián)合使用方法。隨著技術(shù)的快速發(fā)展，利用多種物探方法相互結(jié)合來(lái)查明地?zé)岬刭|(zhì)條件成為通用的做法，張宇等[14]在銀川平原地?zé)嵴{(diào)查中利用淺層地溫、視電阻率、衛(wèi)星遙感圖像、土壤汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)、地?zé)徙@井等方法綜合圈定了地?zé)崽锓秶?；高亮等[15]在銀川沙湖地區(qū)的地?zé)嵫芯恐欣每煽卦匆纛l大地電磁法結(jié)合巖性測(cè)深，確定了地?zé)峋恢?，曹學(xué)剛等[16]利用MT方法輔助以鉆孔資料，探討了銀川平原黃河?xùn)|岸地?zé)豳Y源的分布特征及賦存規(guī)律；左麗瓊等[17]針對(duì)地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)的深部地?zé)峥碧?，采用深孔測(cè)溫測(cè)量、高精度重力剖面、微動(dòng)探測(cè)、CSAMT法組成的綜合物探方法，準(zhǔn)確查明深部地?zé)岬姆植继卣??？梢钥闯?，針?duì)不同地區(qū)地質(zhì)條件與地?zé)岢刹啬Ｊ降牟町惢c復(fù)雜化，物探方法的選取也需要具有很強(qiáng)的針對(duì)性。所以，在地?zé)峥辈榕c研究的實(shí)際工作中，以地質(zhì)—地球物理特征為基礎(chǔ)，合理選取一種地球物理方法的優(yōu)化組合，不僅是一個(gè)重要的技術(shù)課題，而且對(duì)實(shí)際的地?zé)峥辈殚_(kāi)發(fā)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

本次在前期地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，利用1∶5萬(wàn)重力測(cè)量、可控源大地電磁測(cè)深、微動(dòng)測(cè)量，反演了基底構(gòu)造、確定了儲(chǔ)蓋組合、細(xì)化了蓋層特征，綜合分析了銀川盆地東緣臨河地區(qū)“傳導(dǎo)—對(duì)流”混合型地?zé)岬某刹貤l件，并以此為指導(dǎo)，進(jìn)行了地?zé)豳Y源遠(yuǎn)景區(qū)預(yù)測(cè)，對(duì)陶樂(lè)—橫山堡沖斷帶的中北段地?zé)豳Y源勘查開(kāi)發(fā)提供了先導(dǎo)性研究。

1 區(qū)域地質(zhì)地球物理概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于銀川盆地東部，大地構(gòu)造位置屬柴達(dá)木—華北板塊Ⅰ級(jí)構(gòu)造單元、華北陸塊Ⅱ級(jí)構(gòu)造單元、鄂爾多斯地塊Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元、鄂爾多斯西緣中元古代—早古生代裂陷帶Ⅳ級(jí)構(gòu)造單元、陶樂(lè)—橫山堡陸緣褶斷帶Ⅴ級(jí)構(gòu)造單元[18]。黃河斷裂是銀川斷陷盆地與陶樂(lè)—橫山堡陸緣褶斷帶的分界構(gòu)造，為一條超殼斷層[19-23]。區(qū)域巨厚新生界覆蓋范圍廣，前新生代地層出露有限，僅在靈武東山見(jiàn)有白堊系地層出露(圖1)。

1—第四系；2—新近系；3—古近系；4—白堊系；5—侏羅系；6—三疊系；7—二疊系；8—石炭系；9—泥盆系；10—奧陶系；11—寒武系；12—元古宇；13—英云閃長(zhǎng)巖；14—黑云母花崗巖；15—地質(zhì)界線；16—推測(cè)地質(zhì)界線；17—不整合界線；18—巖相界線；19—重要斷層；20—隱伏斷層；21—裸露斷層

1.2 研究區(qū)重磁場(chǎng)特征

受西側(cè)黃河斷裂的控制，重力場(chǎng)呈近SN向展布且具有一定寬度的帶狀高值異常區(qū)，反映了深部奧陶系基底隆升幅度較大，與西側(cè)的靈武凹陷低重力異常區(qū)形成了明顯的區(qū)別(圖2)。航磁場(chǎng)呈現(xiàn)出與重力場(chǎng)截然不同的特征，靈武以北區(qū)域?yàn)槠骄徴共嫉牡痛女惓^(qū)，靈武以南區(qū)域分布兩處形態(tài)不完整的高磁異常，幅值較低，推測(cè)其為銀川地塹南部受青藏高原東北緣NE向擠壓應(yīng)力的作用為形成逆掩隆升條帶的反映，在深部的磁性地質(zhì)體整體抬升的背景下，局部隆起、聚集所引起的航磁異常(圖3)。

1—重力高異常；2—重力低異常；3—斷裂

1—航磁高異常；2—航磁低異常；3—斷裂

2 典型地?zé)崽锏責(zé)岙惓?/h2>

據(jù)研究區(qū)內(nèi)地?zé)徙@孔揭示，天山海世界地?zé)崽餅殂y川盆地東緣典型的地?zé)岙惓^(qū)，其中DRT-03鉆孔井底(1 690 m)溫度為64.03 ℃，DRT-05鉆孔井底(1 690 m)溫度為62.87 ℃，地層溫度明顯高于銀川盆地內(nèi)部ZN鉆孔的地溫梯度(圖4)。鉆孔揭露的地層巖性資料顯示，縱向上，以DRT-03鉆孔為例，地溫梯度曲線明顯分為3段，代表了3種巖性不同的地層。淺部(200～600 m)新生界古近系—新近系(E-N)以砂泥巖互層為主的地層，地溫梯度由表層的1.6 ℃/100 m深逐漸增加至淺層的2.42 ℃/100 m；中部(600～1 000 m)晚古生界石炭系—二疊系(C-P)含煤的地層，地溫梯度隨著深度增加陡然升高至5.04 ℃/100 m，而后快速回落至3.53 ℃/100 m；深部(1 000～1 960 m)晚古生界奧陶系(O)灰?guī)r夾泥巖隔層的地層地溫梯度逐漸趨于平穩(wěn)，至(1.95～2.05) ℃/100 m區(qū)間(圖5)。

圖4 銀川盆地及東緣地區(qū)地溫對(duì)比

圖5 DRT-03鉆孔地溫梯度

由此驗(yàn)證本區(qū)奧陶系(O)為深部熱儲(chǔ)層，石炭系—二疊系(C-P)為中部第一蓋層(隔熱層)，古近系—新近系(E-N)為淺部第二蓋層(保溫層)。

3 綜合地球物理方法的應(yīng)用

3.1 重磁異常特征分析

由重磁對(duì)應(yīng)分析的結(jié)果可知，天山海世界地?zé)峋瓺RT-03很好地落在了重力異常小波二階細(xì)節(jié)的局部高重異常上，且位于黃河斷裂附近，反映出該區(qū)域?yàn)閵W陶系(O)熱儲(chǔ)層的隆升區(qū)(圖6a)。對(duì)于磁異常，已見(jiàn)地?zé)峋挥诰植扛叽女惓８浇?，推測(cè)本區(qū)深部磁性基底埋深相對(duì)較淺，為區(qū)域性深部熱源的有利區(qū)(圖6b)。

3.2 奧陶系構(gòu)造反演

奧陶系是本區(qū)地?zé)豳x存的重要地層，反演其構(gòu)造形態(tài)，是研究地?zé)豳x存的基礎(chǔ)。

研究區(qū)各地層間由淺至深存在2個(gè)密度界面，分別為新近系—古近系與石炭系—二疊系之間密度界面及石炭系—二疊系與奧陶系之間密度界面(第2密度界面(Δσ2,3))。具體地，新生界地層密度整體偏低，均值為1.91 g/cm3，與下伏的石炭—二疊系地層形成了密度差為0.68 g/cm3的第1密度界面(Δσ1,2)，深部奧陶系密度明顯增大，均值為2.71 g/cm3，與上覆的石炭系—二疊系地層形成了密度差為0.12 g/cm3的第2密度界面(Δσ2,3)，上述兩個(gè)密度界面直接影響了本區(qū)重力異常分布，其中第2密度界面對(duì)奧陶系基底頂面起伏形態(tài)起著決定性作用，為奧陶系基底頂面構(gòu)造反演提供了密度物性前提。

基于1∶5萬(wàn)重力資料，利用平面帕克法密度界面反演銀川斷陷盆地南部奧陶系頂面構(gòu)造。已知DRT-03、LS01與Ren1這3口鉆孔鉆遇的奧陶系頂面深度分別為791、800、788 m，與實(shí)鉆深度相對(duì)比，反演深度偏差小于50 m，二者吻合，側(cè)面印證了奧陶系儲(chǔ)熱層頂面反演結(jié)果的可靠性(表1)。

由圖7可知，研究區(qū)內(nèi)奧陶系隆升區(qū)域呈明顯的長(zhǎng)條狀分布，南部靈武東部基本呈單一條帶SN向展布，鉆孔LS01位于該條帶中部西側(cè)斜坡部位，隆升幅度比較高，最高區(qū)域埋深為247 m；延伸至臨河鎮(zhèn)西南處分為兩個(gè)NNE向隆升帶，相較于南部隆起條帶，幅度有所下降；到鉆孔DRT-03西北處，兩條隆起條帶合二為一，并再次隆升明顯，通貴鄉(xiāng)東側(cè)達(dá)到最高區(qū)域，埋深為485 m。上述奧陶系的隆升條帶平面展布嚴(yán)格受黃河主斷裂及其次級(jí)附屬斷裂的控制，是尋找天山海世界“傳導(dǎo)—對(duì)流”混合型地?zé)岬臐摿^(qū)(圖7)。

圖7 帕克法密度界面反演古生界基底深度

3.3 儲(chǔ)蓋層組合劃分

儲(chǔ)層為地?zé)豳x存提供了優(yōu)良的空間，蓋層阻斷了儲(chǔ)層中地?zé)岬囊萆ⅰ?/p>

基于可控源大地電磁測(cè)量剖面WL-01剖面(CSAMT)對(duì)儲(chǔ)、蓋層疊置關(guān)系與特征進(jìn)行了分析。縱向上分為4個(gè)明顯的電阻率層，依次為高阻層(大于100 Ω·m)、中高阻層(25～100 Ω·m)、中低阻層(10～25 Ω·m)與低阻層(1～10 Ω·m)。高阻層無(wú)鉆孔鉆遇，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)特征推測(cè)為賀蘭山巖群的變質(zhì)巖系。經(jīng)與鉆孔DRT-03對(duì)比：中高阻層與儲(chǔ)熱層奧陶系相對(duì)應(yīng)，為一套陸表海相沉積的含泥質(zhì)灰?guī)r，巖層裂隙發(fā)育，裂隙率為2.70%～20%，滲透率為0.01～115.4 μm2，測(cè)井溫度數(shù)據(jù)顯示，該段井溫為38～64 ℃；中低阻層與隔熱蓋層石炭—二疊系對(duì)應(yīng)，是泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖互層夾煤層沉積；低阻層對(duì)應(yīng)保溫蓋層古近系—新近系的紅色亞砂土、亞粘土沉積層，泥質(zhì)成分含量高，此類巖石熱導(dǎo)率較低，均小于2.3 W/(m·℃)，煤系地層熱導(dǎo)率最低為0.61 W/(m·℃)[23](圖8)。

3.4 蓋層特征細(xì)化

蓋層的分布特征決定了其保溫效率的高低，是地?zé)岢刹氐年P(guān)鍵因素之一。

分析過(guò)DRT-03井區(qū)微動(dòng)測(cè)量剖面，與鉆孔分層數(shù)據(jù)對(duì)比，存在3個(gè)明顯的S波速度層，深部(450～800 m)的弱低速層(1 600～2 400 m/s)為第一蓋層石炭—二疊系，P波速度相對(duì)較高，層內(nèi)橫向波速稍有變化，推測(cè)是同層系巖性差異所致；淺部(180～450 m)的低速層(1 000～1 600 m/s)為第二蓋層下段的古近系，層內(nèi)速度變化不大，存在明顯的局部低速異常區(qū)帶，推測(cè)是砂巖與泥巖互層的表征；表層(180 m以淺)為極低速區(qū)(<1 000 m/s)，地層平坦，表明在古近系上段為膠結(jié)程度比較低的松軟沉積層。綜上，DRT-03井區(qū)第一、第二蓋層發(fā)育完整，厚度穩(wěn)定，橫向變化較小，是良好的地?zé)嵘w層(圖9)。

圖9 DRT-03井區(qū)微動(dòng)反演S波速度剖面地質(zhì)解釋

綜上所述，綜合運(yùn)用1∶5萬(wàn)重力、可控源大地電磁測(cè)深、微動(dòng)測(cè)量資料，分析銀川盆地東緣天山海地?zé)崽铩皞鲗?dǎo)—對(duì)流”混合型地?zé)岬某刹氐刭|(zhì)條件，效果良好。

4 地?zé)豳Y源遠(yuǎn)景區(qū)預(yù)測(cè)

以綜合分析的地?zé)岢刹氐刭|(zhì)條件為指導(dǎo)，在1∶5萬(wàn)重力數(shù)據(jù)處理分析的基礎(chǔ)上，圈定本區(qū)地?zé)豳Y源遠(yuǎn)景區(qū)(圖10)。圈定原則有3條:一是為奧陶系頂面隆升區(qū)帶，二是上覆一定厚度的石炭—二疊系與新近—古近系地層，三是處于自然保護(hù)區(qū)紅線范圍之外。

(a)重力小波2階逼近場(chǎng) (b)前第四系地層分布 (c)地?zé)豳Y源遠(yuǎn)景預(yù)測(cè)區(qū)

整體上，由重力小波2階逼近場(chǎng)可知(圖10a)，奧陶系儲(chǔ)層的分布嚴(yán)格受黃河斷裂及其次級(jí)附屬斷裂控制，分為靈武市—黃草坡一線的南部及橫山堡—通貴鄉(xiāng)一線的北部。南部地區(qū)基本全部位于白芨灘自然保護(hù)區(qū)，并且大面積出露白堊系宜君組與古近系清水營(yíng)組，缺少優(yōu)質(zhì)的保溫蓋層(圖10b)，因此不具備良好的儲(chǔ)蓋組合；北部地區(qū)覆蓋有第四系全新統(tǒng)地層，其下伏的保溫蓋層(新近系—古近系)、隔熱蓋層(二疊系—石炭系)與儲(chǔ)熱層(奧陶系)地層完整，鄰近黃河斷裂，具備導(dǎo)熱、導(dǎo)水通道，是尋找天山海世界“傳導(dǎo)—對(duì)流”復(fù)合型地?zé)岬倪h(yuǎn)景區(qū)。

以重力異常反演的奧陶系基底隆起區(qū)為底圖，疊合白芨灘自然保護(hù)區(qū)與前第四系地層出露區(qū)，劃定了本區(qū)地?zé)徇h(yuǎn)景的預(yù)測(cè)(圖10c)，具體分為3個(gè)遠(yuǎn)景區(qū)(Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)與Ⅲ區(qū))。Ⅰ區(qū)呈NNE向展布的不規(guī)則片狀，面積為68.51 km2，地表被第四系完全覆蓋，奧陶系儲(chǔ)熱層頂界面埋深最淺處位于鉆孔DRT-03西北處4.6 km附近，埋深約430 m；Ⅱ區(qū)呈NNE展布的條帶狀分布于臨河鎮(zhèn)南北，面積為34.6 km2，地表覆蓋第四系，奧陶系儲(chǔ)熱層埋深最淺處位于臨河鎮(zhèn)正N向2.9 km附近，埋深為1 120 m；Ⅲ區(qū)呈SN向展布的片狀分布于橫山堡北部，面積為44.23 km2，地表覆蓋第四系，奧陶系儲(chǔ)熱層埋深最淺約為860 m，與Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)相比較，Ⅲ區(qū)遠(yuǎn)離黃河斷裂，是否有良好的導(dǎo)熱通道為該遠(yuǎn)景區(qū)提供深部熱源需要進(jìn)一步研究，建議布設(shè)MT電法剖面，分析低阻帶、低速帶，分析該區(qū)導(dǎo)熱導(dǎo)水通道，明確熱儲(chǔ)模式，并布設(shè)地?zé)徙@孔驗(yàn)證物探方法的有效性。

5 結(jié)論

1)針對(duì)銀川盆地東緣天山海世界“傳導(dǎo)—對(duì)流”混合型地?zé)豳Y源的研究，1∶5萬(wàn)重力、可控源大地電磁測(cè)深及微動(dòng)測(cè)量剖面資料是有效的資料基礎(chǔ)，DRT-03井的成功鉆遇驗(yàn)證了物探資料應(yīng)用效果。

2)研究區(qū)地層縱向存在2個(gè)差異明顯的密度界面，深部奧陶系與中深部的石炭—二疊系形成了密度差為0.12 g/cm3的第2密度界面(Δσ2,3)，為奧陶系基底頂面構(gòu)造反演提供了密度物性前提。利用平面帕克法反演的奧陶系儲(chǔ)熱層頂面深度與DRT-03、LS01與Ren1這3口鉆孔鉆遇深度相吻合。反演結(jié)果顯示出奧陶系隆升區(qū)域呈明顯的長(zhǎng)條狀分布，平面展布嚴(yán)格受黃河主斷裂及其次級(jí)附屬斷裂的控制。

3)本區(qū)域電性與波速的差異性為儲(chǔ)蓋組合劃分提供了依據(jù)。結(jié)合WL-01剖面可控源大地電磁測(cè)深和微動(dòng)測(cè)量的結(jié)果與地?zé)徙@孔DRT-03相對(duì)比，可知深部奧陶系儲(chǔ)熱層呈現(xiàn)中高阻層(25～100 Ω·m)的特征，中部石炭—二疊系作為隔熱蓋層表現(xiàn)出中低阻層(10～25 Ω·m)、弱低速層(1 600～2 400 m/s)的響應(yīng)，淺部的低阻層(1～10 Ω·m)、低速層(1 000～1 600 m/s)則是保溫蓋層古近系—新近系的反映。

4)在銀川盆地東緣地?zé)醿?chǔ)蓋層組合的地球物理模型總結(jié)的基礎(chǔ)上，預(yù)測(cè)了3處“傳導(dǎo)—對(duì)流”混合型地?zé)豳Y源的遠(yuǎn)景區(qū)，為該區(qū)地?zé)豳Y源規(guī)模性開(kāi)發(fā)利用提供了科學(xué)依據(jù)。