綜合物探技術在濟南北部地熱勘查中的應用

張一,劉鵬磊,王玉敏,張朋朋,張超,張寧

(1.山東省物化探勘查院,山東 濟南 250013; 2.山東省地質勘查工程技術研究中心,山東 濟南 250013; 3.山東省地礦工程集團有限公司,山東 濟南 250299)

0 引言

地熱資源是一種綠色能源,其開發利用對于推進綠色發展具有重要意義。濟南北部地熱田以齊河—廣饒斷裂為界,南部為奧陶系灰巖裂隙巖溶熱儲,深大斷裂為深部大地熱流上升提供了通道,蓋層為石炭、二疊、新近及第四系沉積地層[1]。

電法和電磁法在裂隙巖溶熱儲地熱勘查中具有重要作用。一方面,巖石電阻率隨溫度的升高會降低[2];另一方面,構造運動造成巖石破碎充水,水溫升高也使得溶解能力增強,地下水的礦化度升高,電阻率也相應降低。兩種因素綜合作用下,巖溶熱儲區域相對圍巖會形成局部低阻異常特征[3],這是利用電法、電磁法進行地熱勘查的地質地球物理依據。李大心等[4]將大地電磁測深應用于地熱背景評價,對深部構造解析效果明顯。楊鋒杰等[5]在地熱異常區采用直流電測深和激電測深法推斷隱伏地層及斷裂,成果顯著。金永念等[6]利用重力、航磁、直流電測深方法推斷隱伏斷裂構造,估算蓋層、儲層厚度,最后用可控源音頻大地電磁法確定鉆井孔位,實現江蘇南部深部低溫熱水勘查的突破。陰曼寧等[7]將直流電測深方法應用于地熱勘探,準確計算出了各電性層深度及變化特征。柳建新等[8]綜合利用重力、可控源音頻大地電磁法推斷地下構造,兩種方法互為補充,彌補了自身的局限性。李百壽等[9]利用被動式超低頻電磁法準確地獲得了深部巖溶裂隙地熱水的分布信息。秦其明等[10]對影響被動式超低頻電磁法探測效果的因素進行了分析研究。孫知新等[11]利用地震反射波法和可控源音頻大地電磁測深對重力低異常進行查證,推測為花崗巖引起,認為是潛在的干熱巖存在有利地段。薛建球等[12]將CSAMT測量應用于貴德盆地,彌補了重磁資料推測的缺陷,提高了解譯精度。劉振華等[13]利用重力對基底構造平面異常的顯示優點及可控源音頻大地電磁測深法對剖面斷裂構造的推斷優點,實現了對地熱異常的立體定位與顯示。馬曉東等[14]利用直流電測深結果作為約束對CSAMT測量結果進行解釋推斷,查明了深部地質構造的分布情況。左麗瓊等[15]采用重力、微動、CSAMT三種物探方法綜合解釋,為鉆孔布設提供了可靠的依據。劉會毅等[16]通過重力剖面2.5D反演擬合結合CSAMT二維反演成果,實現了對控熱地質構造的精確定位。陳昌昕等[17]對常用的地熱勘探方法進行了評價分析,提出多手段地熱勘探的重要性。

綜合分析,采用單一地球物理方法進行地熱勘探往往會造成多解性,依據單一解釋成果對鉆孔工程布設的依據不充分。需要根據工作區實際地質情況選取合適的地球物理勘探方法進行組合勘探,不同方法相互補充,互相印證,提高解釋的精度。

1 工作區概況

1.1 選區依據

搜集前人在濟北開展的水文調查、地球物理調查工作(重力、磁法、地震)及鉆探成果(圖1),最終選定F7斷裂作為地熱勘查的重點構造。主要基于三點考慮:第一,F7斷裂發育條件優越,地下水賦存條件良好。推斷F7斷裂是一條近SN向的隱伏正斷層,根據地震資料推斷的奧陶紀灰巖頂板埋深等值線走勢,F7斷裂斷距大,兩側奧陶紀灰巖形成明顯的隱伏向斜背斜構造,推測深部奧陶紀灰巖裂隙發育情況良好。此外,斷裂未被其他構造影響,地下水運移通道單一,地下水在深部容易聚攏。第二,熱儲條件良好。根據濟北地區已施工的地熱鉆孔繪制了奧陶紀灰巖熱儲中心溫度等值線,選定的工作區熱儲溫度約為55 ℃,基本滿足洗浴、養殖、供暖的要求。第三,位于濟南起步區特色小鎮規劃區,滿足政府綠色發展規劃的要求。

圖1 濟南北部巖溶熱儲地熱地質Fig.1 Geothermal geological map of karst heat storage in northern Jinan

1.2 地質概況

濟南北部地區為第四系覆蓋,基巖未出露。

1.2.1 奧陶系(O)

地層主要為奧陶紀馬家溝群,為本區深層地熱資源主要賦存層位。東黃山組,巖性以灰色白云質灰巖、白云巖為主夾少量的角礫狀白云巖,地層厚度為32.00～74.8 m。北庵莊組,巖性為灰巖夾白云巖,地層厚度為92.97～277.40 m,與下伏地層整合接觸。土峪組,巖性為泥灰巖及白云質角礫狀灰巖,地層厚度為32.18～112.21 m,與下伏北庵莊組整合接觸。五陽山組,巖性以厚層灰巖、云斑灰巖為主,地層厚度約為290 m,與下伏土峪組整合接觸。閣莊組,巖性以中厚層白云巖為主,地層厚度為29.06～76.5 m,與下伏地層整合接觸。八陡組,巖性以灰巖為主,地層厚度為81.7～136.40 m,與下伏閣莊組整合接觸。

1.2.2 石炭系(C)

地層為月門溝群,為該區煤炭主要發育地層。本溪組,巖性主要為海陸交互相灰白、灰黑色砂巖、粉砂巖和黏土,夾有數層薄層海相灰巖及煤層。太原組巖性為泥巖、粉砂巖、中—細砂巖、灰巖及煤層交互發育,為典型的海陸交互型沉積。底部以一層中—細砂巖與本溪組分界。山西組下部由灰色、灰黑色中、細砂巖、粉砂巖及煤層組成,夾有粗砂巖、泥巖或黏土巖。上部由灰綠色中、細砂巖、粉砂巖、灰色泥巖及雜色黏土巖組成。

1.2.3 二疊系(P)

地層為二疊紀石盒子群,下部為陸相沉積,巖性主要為淺灰色、灰綠色、灰白色細砂巖;中部以灰色、淺灰色泥巖為主,含少量砂質;上部主要為陸相淺灰色、微灰綠色、灰綠色粉砂巖、細砂巖。

1.2.4 新近系(N)

地層為明化鎮組,巖性為砂巖夾泥巖,呈交互層狀,厚度不等。區內揭露最大厚度520 m。

1.2.5 第四系(Q)

沖洪積形成,巖性主要為粉砂、粉質黏土、粉土,局部有粗砂。

1.3 巖溶熱儲地熱地質

先行區巖溶熱儲模型組成要素包括熱儲層、蓋層、通道、熱源和巖溶水滯流條件(圖2)。

圖2 濟南北部巖溶熱儲概念模型Fig.2 Conceptual model of karst heat storage in northern Jinan

1.3.1 熱儲層

奧陶紀、寒武紀灰巖為濟北地熱田主要熱儲層,埋藏深度由南至北自“灰巖條帶”到齊河—廣饒斷裂埋深逐漸增大,溫度逐漸升高。

1.3.2 蓋層

熱儲層上覆巨厚的第四系、新近系、上古生界、中生界地層對深部地熱起到保溫作用。

1.3.3 通道

濟南巖體與齊河—廣饒斷裂之間的幾組NNE向、NNW向、近NS向的斷裂是深部熱源與淺部溝通的通道,加熱后的深部地下水通過這一通道到達淺部。

1.3.4 熱源

熱量由大地熱流和斷裂的附加供熱提供。大地熱流包括上地幔熱流和放射性元素衰變釋放的地殼熱流兩部分。附加熱流則由區域內溝通深部的斷裂提供。

1.3.5 巖溶水滯流條件

濟南南部山區的大氣降水滲入地下后,向北流淌過程中受“濟南巖體”阻擋,一部分通過巖石中發育的裂隙以泉水的形式流出;另一部分繞過“濟南巖體”,流向深部經加熱后,沿斷裂上涌至淺部,通過鉆孔揭露涌出地表,形成淺部的地熱異常。

1.4 巖石物性特征

根據表1統計數據,該區奧陶紀灰巖電阻率一般在3 000～4 000 Ω·m,而新生代新近紀蓋層電阻率一般在幾百Ω·m,中生代和上古生代蓋層電阻率一般2 000 Ω·m左右,因此3種地層之間均有較大的電性差異。而直流電測深、CSAMT法和MT法均是基于地質體的電性差異解決地質問題的物探方法,因此利用直流電測深、CSAMT法和MT法了解奧陶系頂板的起伏并劃分蓋層是可行的。斷裂構造由于本身破碎,具含水性,一般表現為低阻特征,也可通過電性層的追蹤加以判識。

表1 工作區地層電阻率統計Table 1 Statistical of formation resistivity in working area

2 技術方法

2.1 工作布設

在工作區內(圖3)自南向北依次布設4條物探剖面P798、P802、P812、P822,其中,P802、P812、P822為綜合物探剖面,開展直流電測深、CSAMT、MT這3種物探方法,P798為MT剖面,主要目的是控制近SN向構造F7。其中直流電測深及CSAMT點距均為100 m,重點部位加密至50 m;MT點距300 m,重點部位加密至150 m,通過3種物探方法結合,期望獲得3 km以淺的視電阻率分布特征。

圖3 工作布設Fig.3 Work layout plan

2.2 工作參數

本次直流電測深工作采用重慶萬馬物探儀器有限公司生產的WDJD-3多功能數字直流激電儀,采用對稱四極不等比裝置,AB/2min=3 m,AB/2max=2 000 m。采用極距為:AB/2=3、6、9、15、22、34、50、70、100、150、220、340、500、750、1000、1250、1500、1750、2000 m。MN/2=1、5、50、100 m。

本次CSAMT工作使用加拿大鳳凰地球物理有限公司生產的V8電法工作站,包括SGC-34發電機、TXU-30發射機、V8-6R多功能接收機、RXU-3ER輔助接收機、AMTC-30高頻磁棒。裝置選擇赤道偶極裝置,測量方式為標量測量,測量模式選擇TM。標量CSAMT測量利用一個場源測量兩個分量(Ex和Hy)。收發距R=8～10 km,發射電源偶極距AB=2.0 km,工作頻率選擇9 600～0.125 Hz。

本次MT工作使用加拿大鳳凰地球物理有限公司生產的V8多功能電法工作站,包括V8-6R多功能接收機、RXU-3ER輔助接收機、MTC-50低頻磁棒。布極采用十字型(a)、L型(b)或T型(c)裝置,電極距80 m。

2.3 單支曲線

圖4a為300/P802點直流電測深單支曲線,總體來看符合KH型電測深曲線特征。圖4b的CSAMT測深曲線過渡帶低估出現在2 Hz左右,卡尼亞電阻率曲線總體反映了地下層狀地層的分布特征。圖4c的MT測深曲線特征與直流電測深曲線特征類似,兩個主軸的卡尼亞視電阻率曲線符合KH曲線特征。

圖4 300/P802點原始測量曲線Fig.4 The original measurement curve of 300/P802 point

3 成果解釋及鉆探驗證

3.1 斷裂產狀

根據各條剖面的推斷地質斷面(圖5～圖8),F7隱伏于新近系及第四系之下,埋深500 m左右。新近系及第四系厚度呈北厚南薄,西厚東薄的特征。根據推斷成果,F7斷裂傾向W,傾角70°～80°。斷裂在地表投影位置,P798位于3 150 m,P802位于3 100 m、P812位于3 200 m、P822位于3 150 m附近,推斷該斷裂在剖面控制部位,南端部走向NNE,北端部走向NNW,總體近NS向。從斷裂上下盤視電阻率等值線特征來看,除P812剖面CSAMT及直流電測深一維反演斷面圖外,其它斷面圖中斷裂上盤電阻率明顯要低于下盤,推測斷裂活動造成上下盤錯動,上盤灰巖埋深更大,呈現相對低阻,下盤灰巖埋深小,因此呈現相對高阻,斷裂斷距在100～200 m之間,且呈現自南向北斷距逐漸加大特征,灰巖埋深自南向北也逐漸變深,F7斷裂為一正斷層。P812剖面CSAMT及直流電測深一維反演斷面圖上斷裂呈現上盤高阻,下盤低阻的特征,與MT斷面圖相反,推測是CSAMT及直流電測深測量深度低于MT,而測點密度要高于MT,該剖面處灰巖埋深為1 000 m左右,上盤相對高阻的形成可能是局部石灰巖溶洞引起。

圖5 P798剖面MT測量視電阻率斷面(a)與地質推斷斷面(b)Fig.5 Apparent resistivity section (a) and geology section (b) of P798 MT measurement

圖6 P802剖面物探測量成果Fig.6 P802 profile geophysical survey results

圖7 P812剖面物探測量成果Fig.7 P812 profile geophysical survey results

圖8 P822剖面物探測量成果Fig.8 P822 profile geophysical survey results

3.2 斷裂性質

F7斷裂上盤在MT視電阻率等值線圖上的相對低值區,自P798剖面向北,由“V”字型低阻區,過渡為“U”字型寬緩低阻區,到P822剖面,F7斷裂呈現密集梯級帶特征,斷裂上下盤電阻率則呈現明顯的臺階型差異。綜合分析,一方面自P798剖面向北,F7斷距逐漸加大;另一方面上覆低阻新近系、第四系地層變厚,兩種因素綜合作用下自P798剖面向北MT視電阻率特征產生這一差異。此外,在斷裂下盤,自P802剖面向北,MT視電阻率數值自西向東均呈現先升高后降低的特征,推測F7斷裂下盤灰巖頂板埋深自西向東埋深先增大后減小,斷裂位于隱伏背斜構造西翼位置,整體受力為張性作用力,另外,相對于圍巖的“U”字形、“V”字形低阻區初步推斷是斷裂含水的反映,因此綜合推斷F7斷裂為一張性正斷層。

3.3 地熱靶區圈定

根據對斷裂性質的分析,將F7斷裂上盤沿斷裂走向的條帶狀位置作為尋找深部地熱資源的有利靶區,靶區編號T1(圖3)。靶區內基巖埋深約為500 m,奧陶系灰巖頂板埋深800～1 000 m,F7斷裂近NS走向,推斷為一張性正斷裂,斷裂傾向西,傾角70°～80°,斷距100～200 m,且自南向北斷距逐漸加大。

3.4 含水性分析及鉆探驗證

MT視電阻率斷面上顯示,至3 000 m深度后,梯級帶或“U”字形、“V”字形特征仍較為明顯,推斷斷裂下延切割深度較大,自南向北,“V”字形特征逐漸過渡到梯級帶特征,MT測深疊置立體圖(圖9)顯示,P802與P812剖面之間深度1 980 m及1 480 m處在斷裂F7西側位置存在一局部高電阻率異常區,導致沿F7斷裂上盤方向形成“啞鈴”狀特征,兩側為“喇叭”開口狀的低值異常區,推測兩側巖石破碎程度更高,富水性更好,“啞鈴”細部高電阻率區巖石破碎程度要低一些。由于奧陶系灰巖整體為自南向北傾伏,地下水也是自南向北流動,“啞鈴”細部高值區起到了一定阻水作用,因此推測F7斷裂在南端部靠近局部高電阻率異常區的P802剖面位置富水性要更好。在P802剖面上布設鉆孔XR01進行驗證(圖3),設計孔深1 500 m,最終完井深度1 532.06 m,經試驗測算,靜水位埋深13.03 m,孔口水溫50.1℃,涌水量132.998 m3/h,降深18.27 m,為目前先行區巖溶熱儲第一井。

圖9 MT測量疊置立體圖Fig.9 MT measurement overlay stereogram

4 結論及討論

1)濟北地熱田大部分為第四系覆蓋,地表可見的地質線索較少,在開展工作之前,搜集工作區已有的地震、重力等資料,對于目標勘探層—奧陶系灰巖巖溶熱儲地層的基本地質及熱儲情況有了初步認識,在此基礎上結合政府規劃來劃定工作區。

2)工作區沉積層序由老及新相對完整,橫向變化不大,地層電阻率由新到老逐漸增大,斷裂構造導致連續地層破碎,富水后表現為低阻特征,基于這一特點,選定直流電測深、CSAMT方法、MT方法,對斷裂加以追蹤判識,劃定地熱靶區,在此基礎上對斷裂含水特性進行分析研究,開展鉆探驗證。

3)直流電測深適合研究淺部電阻率分布特征,彌補CSAMT、MT方法淺部探測分辨率不足及盲區問題;CSAMT方法適合1 000 m左右埋深,更深層則需要依靠MT方法。鉆探驗證結果證明,3種方法相互補充互相印證,在濟北第四系巨厚沉積地區,查明深部隱伏斷裂賦存位置、產狀及含水特征是切實可行且經濟有效的方法。