综合物探在海石湾地区地热勘查中的应用

图1 研究区位置示意

Fig.1 A schematic diagram of research area

研究区及周边主要发育近SN或NNW向构造和近ES-NW向构造(图1),其中近SN或NNW向构造以F19断层为代表,该断层纵贯本区南北,是由数量较多的一组大大小小的断层所组成的一条长期发育、多次活动、具有复杂性质及演化历史的断裂带。近ES-NW向构造主要表现为呈NW走向和一组走向40°N~60°W的断裂,以断层F16为代表。在研究区西部,类似构造表现较为显著,在南部和北部也有其迹象,断层性质既有正性也有逆性,常常表现为隐伏状态。

1.2 地热形成条件

根据区域地质资料^[1,2,3] (图1),兰州市红古区地热异常明显,海石湾井田地下1 400~1 500 m深处的地温在55~65 ℃左右,H501在1 000 m以下的地温梯度为3.17 ℃/100 m,钻孔H503在1 000 m以下的地温梯度可达4.53 ℃/100 m。

研究区附近F19断层断裂带上,从北往南分别有药水沟温泉、塔儿沟温泉出露,显示出沿F19断层断裂带存在断裂构造型地热资源。以往物探资料显示,研究区分别被F19、F16穿过,断裂构造及形成的破碎带为地壳深部蕴藏的大量地热流向上运移和循环提供了良好的通道。

侏罗系上统享堂组孔隙、裂隙承压含水层为第一热储层,中侏罗窑街组第一岩组及下侏罗统炭洞沟组承压孔隙-裂隙含水组—元古界皋兰群风化裂隙含水层为第二热储层。这两套地层以砾岩、砂砾岩、粗砂岩及含砾细砂岩为主,受F19断裂带和F16断层共同叠加影响,侏罗系上统享堂组和侏罗统下统炭洞沟组构造较发育,为储水提供了空间。

上侏罗统享堂组二、三岩组的粉砂岩、泥岩及白垩统的粉砂岩、泥岩盖层构成侏罗系上统享堂组孔隙、裂隙承压含水层热储层的盖层。窑街组三、四、五岩组的泥灰岩、油页岩、泥岩构成下侏罗统炭洞沟组承压孔隙-裂隙含水组—元古界皋兰群风化裂隙含水层热储层的盖层。以上两个盖层厚度较大,隔热性能较好。

经综合分析,认为研究区热源、通道、热储层、热储盖层等热水形成的四大因素皆具备,在该区开展地热资源勘查工作完全可行。

1.3 地球物理特征

研究区位于民和—兰州盆地永登坳陷,为了解区内地层电性特征,收集了本区周边煤田物探物性参数(表1)。分析可知:第四系电阻率相对变化较大,白垩系、侏罗系为低阻电性层,元古界变质岩为基底,与上覆地层有明显的电性差异。

表1 研究区周边地层电阻率

Table 1 Resistivity of the surrounding strata in the study area

地层	主要岩性	电阻率/(Ω·m)
第四系	黄土、砂砾碎石	10~300
白垩系	砂岩、砂砾岩、粉砂岩、泥岩	15~25
侏罗系	砾岩、砂砾岩、粗砂岩、含砾细砂岩、粉砂岩、泥岩	10~35
元古宇皋兰群	片岩、硅质灰岩	100

2 方法技术

该区地热物探勘查采用可控源音频大地电磁测深、大地电磁测深法、伽马能谱测量3种方法,自东南至西北共布设9条测线,依次命名为1、3、5…17线,测线基本垂直于构造走向,线距500 m,其中可控源音频大地电磁测深(CSAMT)布设测线9条(1~17线),大地电磁测深(MT)布设测线4条(5、9、13、17线),伽马能谱测量布设测线9条(1~17线),通过3种方法提供的多参数相互佐证,避免了单一方法的片面性^[4,5]。

可控源音频大地电磁测深是区内选择的最主要工作手段,该方法具有勘探深度大(勘探深度在数十m至3 km之间)、水平方向分辨能力高、地形影响小且易修正,同时穿透高阻层的能力较强等特点^[6,7,8,9],能有效探测与地下热水有成因关系的断裂构造位置和基底构造形态,为地热钻探布孔提供依据^[10]。本次 CSAMT测量使用加拿大产V8多功能电法仪,结合测区实地情况,采用赤道偶极观测装置(TM)标量测量,发射角θ<30°,测量电极距为50~100 m,发射频率8 533.333~0.17 Hz,发射电流为14 A,收发距7.8~11.8 km,发射偶极子AB长度1.2 km。

采用大地电磁测深法进一步确定研究区基底起伏和埋深,划分构造单元,辅助确定地热勘探孔选点位置^[11]。本次 MT测量采用2012年德国产的MS07e系统,测点点距400 m。大地电磁仪在野外测点上记录电场水平分量E_x、E_y(电极距50 m)和磁场水平分量H_x, H_y等四个分量^[12]。

伽马能谱测量通过伽马能谱仪测量岩石和土壤中的放射性核素铀(U)、钍(Th)、钾(K)含量^[13],推测断层的地表位置,配合可控源音频大地电磁测深法进一步确定勘查区断裂构造的展布和规律,为确定地热勘探孔位置提供依据。仪器采用四川新先达测控技术有限公司生产的CIT-3000F 岩心伽马能谱仪,测点点距20~40 m,每个测点采样时间5 min。

3 数据分析

3.1 CSAMT和MT测量

区内各条测线的反演电阻率剖面具有地电剖面形态相似性和反映地质构造类似性特征。以研究区17、13线综合剖面为例(图2)可以看出,CSAMT反演电阻率剖面和MT反演电阻率剖面,纵向上电阻率由浅部向深部依次增大,反映随地层时代由新变老,岩性由疏散变为致密;横向上CSAMT反演电阻率变化不大,而MT反演电阻率变化较大。分析认为,MT点距(多为400 m)相对于CSAMT点距(≤100 m)大,电阻率横向控制程度不高使得MT反演电阻率横向变化大,另外,CSAMT本身具有横向分辨率较高的特性和较强的抗干扰能力,结合研究区特征,认为区内同一层电阻率横向变化不大,层位具有较好的连续性。

图2

图2 17线、13线电法勘探综合剖面

Fig.2 Comprehensive section of 17 and 13 lines electrical exploration

本区电阻率剖面主要划分为3个电性层(图2中虚线所示),呈近水平层状展布略有起伏变化,第一电性层为低阻电性层(土黄色虚线以上),电阻率变化在10~50 Ω·m,厚度变化在300~1 400 m,电阻率值横向上略有变化,反映了岩性差异,推断低阻电性层为第四系砾石及白垩系砂岩、砂砾岩、泥岩的反映。第二电性层为中低阻电性层(土黄色虚线至粉色虚线之间),电阻率值由浅变深呈均匀递增,厚度在一般大于500 m,推断中低阻电性层为侏罗系砾岩、砂砾岩、粗砂岩、粉砂岩、泥岩的反映。第三电性层为高阻电性层(粉色虚线以下), 电阻率呈递增变化,电阻率值的高低变化反映了基底内岩性差异,推断高阻电性层为基底元古界皋兰群变质岩。

当地层沉积分布均匀,未受任何破坏和改变时,视电阻率分层均匀变化;当有断层等构造因素影响时,岩层失衡会发生一定程度的位移,或使岩层破碎,破坏了岩石的完整性和连续性。在电阻率剖面上表现为电阻率等值线波动或电阻率值变化明显,为解释断层提供了依据。17线电阻率剖面中测点900附近及13线电阻率剖面中测点950附近电阻率等值线呈陡立状分布,推测为断层反映,断面倾向NE,结合区域地质资料分析,该断层应为F19、F16断层在测线上的反映。

3.2 伽马能谱测量

放射性元素异常通常以背景值和标准偏差来推断,异常点、异常带划分标准为测点U(或Th、K)含量(铀、钍元素含量以μg/g为单位,而钾元素以K放射同位素/总K百分比为计量单位),大于地质体背景值的3倍,延伸长度小于20 m称为异常点,大于20 m为异常带。表2为铀钍异常点划分原则^[14]。

表2 铀、钍异常点划分原则

Table 2 Division principle of Uranium and Thorium

名称	w(U)	w(Th)	w(U)/w(Th)
铀异常点	>3X_u	<X_Th	>1
铀、钍混合异常点	>3X_u	>X_Th+2S_Th	0.167~1
钍异常点	<X_u	>3X_Th	<0.167

注:X_u、X_Th、S_u、S_Th为地质体U、Th 含量的背景值和标准偏差

研究区背景值和标准偏差按下列公式计算:

$X = \frac{\overset{n}{\sum_{i = 1}} X_{i}}{n}, S = \sqrt[]{\frac{\overset{n}{\sum_{i = 1}} (X_{i} {- X)}^{2}}{n - 1}} 。$

式中:X为背景值;S为标准偏差;i为第i个测点某元素的含量值;n为样本数,应大于30个测点。

依据上述公式得出研究区各测线放射性元素背景值(表3)。研究区Th含量较高,在5~30 μg/g之间变化,背景值为9.2~14 μg/g;U含量在1~9 μg/g之间变化,背景值为2.4~4 μg/g; K含量在1%~3%,背景值为1.6%~1.9%。

表3 研究区各测线放射性元素背景值

Table 3 Background values of radioactive elements from various lines in the study area

测线	X(U)/(μg·g^-1)	X(Th)/(μg·g^-1)	X(K)/%
1	2.718844	9.228455	1.647115
3	2.4133056	14.71463808	1.93604356
5	2.959213416	10.491754	1.738374284
7	2.898789202	10.613982	1.790099038
9	2.871994357	10.499963	1.847403817
11	2.916510956	13.343499	1.978705939
13	3.988651436	11.409748	1.662420489
5	3.767491533	11.331363	1.855697523
17	2.786647054	9.323948	1.66368940

图3为研究区铀、钍含量及铀钍比等值线图,可以看出,在测区西北部U含量高,为6~7 μg/g(铀含量等值线图中黑色虚线框所示),大于3倍U含量背景值2.4 μg/g;Th含量低,为3~5 μg/g(钍含量等值线图中黑色虚线框所示),小于Th含量背景值 9.2 μg/g;U/Th>1比值较高(铀钍比值等值线图中黑色虚线框所示)。根据表2异常划分原则,研究区西北部表现为铀异常带,而铀异常带的成因通常与地下含有花岗岩带或通过断层裂隙流体与花岗岩带相连通、富集^[15]。

地壳放射性物质主要集中在花岗岩和泥页岩中,U和Th是花岗岩和泥页岩中的特征元素,花岗岩约占地壳质量的1/2,而泥岩只有地壳质量的4%,故花岗岩是放射性物质的重要来源,泥岩中的放射性物质也是由花岗岩风化而来,常见岩石的放射性元素如表4所示^[16]。

表4 岩浆岩、沉积岩中放射性元素平均质量分数

Table 4 Average mass fraction of radioactive elements in magmatic and sedimentary rocks10^-6

放射性元素	基性岩浆岩	中性岩浆岩	花岗岩
Th	0.05	4	18
U	0.03	1	3.5
放射性元素	页岩	砂岩	灰岩
Th	12	1.7	1.7
U	3.7	0.45	2.2

如图3所示,本区Th元素含量变化在5~30 μg/g之间,均值约为11 μg/g;U元素含量在1~9 μg/g之间变化,均值约为3 μg/g;可以看出,Th、U元素含量均值基本与页岩地层分布特征一致,故推测研究区中生代沉积盆地内没有岩浆侵入体和元古代变质基底隆起。因此,推测此铀异常带与断层有关,断层位置从WN-ES沿17线935点、15线680点和13线900点分布。

图3

图3 铀、钍含量及铀钍比等值线

Fig.3 Isoline chart of Uranium and Thorium content and the ratio of Uranium and Thorium

4 物探成果综合分析

4.1 热储层埋深

研究区热储层为侏罗系,本区侏罗系与其下伏基底元古界皋兰群电阻率差异明显,本次以各测线反演电阻率剖面、推断地质剖面上推断的基底界线为基础(图2中粉色虚线所示),以本区地表平均标高1 800 m为基准,绘制了本区的热储层深度(基底深度)等值线图(图4)。可以看出,勘查区西北部及南部(图中棕色虚线框所示)基底相对较深,深度均大于1 500 m, 其中西北部基底相对较深主要受F19、F16正断层影响。其余部位深度相对较浅,深度变化在750~1 400 m之间。

图4

图4 热储层深度等值线

Fig.4 Isoline chart of thermal reservoir

4.2 盖层厚度

勘查区白垩系地层为粉砂岩、泥岩,隔水性能良好,是致密不透水隔水层,平均厚度大于500 m,构成侏罗系上统享堂组孔隙、裂隙承压含水热储层的盖层。本区第四系黄土及白垩系粉砂岩、泥岩电性特征主要表现为浅部低阻电性层(图2中土黄色虚线以上部分),本次以各测线反演电阻率剖面、推断地质剖面上的白垩系底界为基础,以本区地表平均标高1 800 m为基准,绘制了本区的盖层厚度等值线图(图5)。可以看出,区内西北及东南部盖层相对较厚,厚约700~1 400 m,其余部位(图中绿色虚线所示)盖层相对薄,厚约300~700 m。

图5

图5 盖层厚度等值线

Fig.5 Isoline chart of cover layer thickness

4.3 断层解释

17线反演电阻率剖面上935点和13线的900点附近,电阻率等值线均呈陡立状分布(图2),推测为断层反映,断面倾向NE,表现为张性结构面。结合区域地质资料,17线的935点附近的断点为F19在测线上的反映,视倾角70°,断距350 m左右。在15线700点、13线900点附近的断点为F16在测线上的反映,视倾角65°,断距500 m左右。受F19及F16影响,断层北东侧基底下降,断层附近基底深约1 700 m左右,断层的平面位置见图4。伽马能谱测量推断的断层位置(图3)基本与CSAMT及MT解释的断层位置(图4)吻合。

4.4 孔位建议

海石湾地区地热成因类型断裂构造控制型和沉积盆地型兼有,地热田兼有层状热储和带状热储特征,本区的热储层在西北部及南部均大于1 500 m,埋藏较深(西北部热储层埋深仅比南部埋深浅300 m),加之西北部有F19和F16正断层穿过,为热水运移提供了通道,有利于地热形成。

当地层中存在断裂构造时,断裂带内会被一些泥质成分或地热矿化水等充填,这些充填物的电阻率相对于围岩较低,为采用电法勘探寻找断裂构造提供了有利的地球物理前提^[17],同时断裂带通常也是地热勘探的有利部位。17线935点及13线900点附近电阻率较低,电阻率等值线陡立分布,推测为断裂带的反映(图2)。建议在研究区西北部17线935点、15线700点及13线900点附近断层下降盘一侧断裂带内,结合测点实际地形、地物特征布置一口地热井。预计该井钻遇地层第四系厚50~100 m,白垩系厚600~800 m; 侏罗系厚600~800 m,进入元古界皋兰群,深1 700~1 800 m(即深度在1 800 m 以内的侏罗系作为开发利用的热储层)岩性为片岩硅质灰岩等以及断层带。

经实际钻探验证,井孔地层、含水层与物探推断基本吻合,井口水温60℃,涌水量 90 m³/h,主要为断裂型带状热储。钻探结果说明利用可控源音频大地电磁测深,配合大地电磁测深、伽马能谱测量相互验证,对勘查断裂型带状热储的效果显著。

5 结论及认识

此次结合区域地质资料及可控源音频大地电磁测深、大地电磁测深、伽马能谱测量多种物探方法,确定了带状热储断裂带位置及盖层、热储层的埋深及空间分布,说明所选用的物探方法是有效的,为今后在隐伏断裂型带状热储勘查选择合适的物探方法技术提供了有价值的参考。通过本次地热勘查工作,有以下几点认识:

1) 可控源音频大地电磁测深施工效率高,本身具有较强的抗干扰能力,水平方向分辨能力高,可有效了解深部地层的空间分布及确定断裂位置^[18]。

2) 大地电磁测深探测深度大,但其抗干扰能力较弱,对外界环境要求较高,对热储层埋深相对较浅的区块(通常小于2 km)测线布设时应选取干扰较小的地段,主要针对断裂及区内地热开发有利靶区进行验证,辅助确定地热勘探孔选点位置。

3) 伽马能谱测量可辅助确定断裂的位置,不能反映地层的空间分布,可作为寻找带状热储的手段之一。

4) 物探方法寻找地热应结合研究区特点,选取多种方法进行综合判断,尽量避免采用单一手段而带来的随机性、盲目性。

致谢:本研究工作得到中国科学院地质与地球物理研究所金维浚研究员、杨磊研究生的支持和帮助,在此表示衷心的感谢!

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

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因为地热勘查目标体较深,埋藏浅的也要近千米,勘探难度大,单一的物探勘查方法所得结果认识模糊,很难获得好的效果。笔者设计一项地热勘查,在辽宁省某地热带上,投入了地面高精度磁测、CSAMT、TEM、使用EH-4做MT（fmin=0.1 Hz）、使用V8做MT等多种勘查方法。多种方法的投入既提供了多参数多信息,又相互验证了方法的有效性,从而对最终结果的判识起到了至关重要的作用,最终成功布井。说明了综合利用物探方法在勘探难度增大的工作中是解决问题的有效途径。

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大地电磁测深(MT)由于勘探深度范围较大,且对温度、流体、岩浆房和岩性等与热储相关的地质条件的敏感度较高,因而成为火山区地热勘探和岩石圈结构研究中常用的一种地球物理勘探手段。地壳和上地幔的电性结构与热结构之间存在着密切的联系,通过解读二者的关系,可以刻画更为精细的岩石圈结构模型,进而掌握火山区的构造特征和热演化过程,了解其岩石圈地球动力学机制。本文着重介绍了MT方法的原理以及从野外数据采集到后期数据处理的过程,综述了MT法的应用特点以及电导率与温度之间的关系,通过实例分析,介绍了国际上这一方法在火山区地热勘探和岩石圈热结构研究中的应用进展,展示了MT法在新西兰Taupo火山区Ngatamariki高温地热田0~3km地热资源勘探中的应用;以埃塞俄比亚Afar省的Tendaho地热田和Badi火山为例,分别讨论了0~20km和0~50km不同深度的电性结构特征及其与温度存在的内在联系,探讨了形成火山的驱动机制;以日本九州岛的Shinmoe-dake火山为例,介绍了大地电磁测深和温度监测在火山监测方面的应用。最后简述了国内MT法在火山区的应用进展以及存在的问题,并利用上地幔电导率与温度的关系以及岩石圈内硅酸盐熔体不同含水量引起的电导率随温度的变化关系,初步估算了长白山天池和阿尔山火山区的莫霍面以下的温度以及长白山天池火山区的高温岩浆房温度。

Zhang

, Huang S

, Fu

, et al.

Application of magnetotellurics in geothermal exploration and research in volcano areas

[J]. Acta Petrologica Sinica, 2017,33(1):279-281.

[13]

刘建宏, 陈木森, 杨瑞涛 .

伽马能谱测量在油气勘探中的应用

[J]. 地下水, 2014,36(3):161-170.

URL [本文引用: 1]

对伽玛能谱异常形成的地质成因进行分析和探讨,认为地面伽玛能谱异常的形成与盆地古流体的运移相关,通过伽玛能谱异常分析,预测盆地古流体的运移规律从而达到油气预测的目的。应用表明,伽玛能谱测量施工方便,受干扰因素少,应用效果好,在油气勘探中具有推广价值。

Liu J

, Chen M

, Yang R

Application of gamma spectrum survey in oil and gas exploration

[J]. Ground Water. 2014,36(3):161-170.

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EJ/T 363-2012地面伽马能谱测量规范

[S]. 国家国防科技工业局, 2013.

EJ/T 363-2012 Specification for groundγ-ray spectrometric survey

[S]. National Defense Science and Technology Industry Bureau, 2013.

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张国亚

大地电磁测深方法在长白山地区地热勘查中的应用研究

[D]. 成都:成都理工大学, 2015.

Zhang G

Gamma-ray spectrometry and geogas as detection of concealed granite uranium research-an example of a uranum mine in northern Guangdong

[D]. Chengdu: Chengdu University of Technology, 2015.

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王平, 熊盛青 . 油气放射性勘查原理方法与应用[M]. 北京: 地质出版社, 1997: 23-25.

Wang

, Xiong S

Principle method and application of oil and gas radioactive exploration[M]. Beijing: Geological Press, 1997: 23-25.

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马晓东, 刘洪波, 白锦林 .

综合物探在莘县地区地热勘查中的应用

[J]. 物探与化探, 2014,38(3):461-464.

DOI:10.11720/wtyht.2014.3.09 URL [本文引用: 1]

莘县地区广泛被新生代地层覆盖，并且厚度较大，在该区寻找地热资源，首先应查明热储层、盖层及断裂构造的特征。在本区CSAMT法对断裂构造具有很好的横向分辨能力，直流电测深对新生界地层具有较好的分辨效果。在收集有关地质、地震、测井等资料的基础上，通过利用直流电测深半定量的解释结果作为CSAMT定量解释的约束条件进行地质综合推断，基本查清了区内深部隐伏的地层、热储层、断裂构造的埋深及展布特征，取得了很好的勘查成果。综合应用两种物探方法对类似地区进行地热资源的前期勘查，可以高质、高效地取得勘探成果。

Ma X

, Liu H

, Bai J

The application of integrated geophysical methods to the geothermal exploration in Shenxian area

[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2014,38(3):461-464.

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孙博, 李桐林, 李鹤 , 等.

可控源音频大地电磁测深法勘查深度研究

[J]. 地球物理学进展, 2015,30(2):836-837.

DOI:10.6038/pg20150247 URL [本文引用: 1]

可控源音频大地电磁测深法的勘查深度问题在理论研究和实际工作中都得到了广泛的关注,本文分析了水平层状大地电磁正反演方法的基本原理,说明了可控源音频大地电磁测深法在深部勘查方面具有可靠性.通过建立两个三层地电模型,并对吉林某地区的CSAMT实测数据进行了带源反演成像,与已知钻井资料对比分析表明,可控源音频大地电磁测深法对地下1000~2000 m深度的反演较为准确,能够反映地下电性的垂向变化.

Sun

, Li T

, Li

, et al.

Study on the sounding of CSAMT

[J]. Progress Geophysics, 2015,30(2):836-837.