0 引言
地热资源是一种清洁能源,具有储量丰富、分布广阔、清洁环保、用途广泛等特点,近年来受到各国的广泛重视。随着我国经济的迅猛发展,资源和环境矛盾日益突出,已经对社会发展构成严重制约。因此,作为新型能源的地热资源越来越受到人们关注。银川盆地地热资源储量丰富,属中低温沉积盆地型地热资源,地热具有埋藏浅、出水量大、矿化度适宜等特点,有很好的开发前景[1]。从已开发的4口地热井(Y1、Y3、NSR-1、NSR-2)勘探资料来看,银川盆地地热资源热储层埋深均在1 km以上,有些区域甚至深达3 km,主要储热类型为层状热储,储热区域以较高的电导率为物性特征[2,3]。因此,应用地球物理勘探方法来寻找沉积盆地深部层状热储成为地热资源勘探中最直接有效的技术方法。
1 区域地质构造背景
图1
银川盆地基底以寒武-奥陶系为主,局部地区残留部分上古生界及中生界。盆地在经历了晚侏罗世大规模挤压隆升后,自始新世青藏高原隆升并扩展的影响,银川盆地发生整体构造反转,由中生代时期挤压隆升转变为伸展断陷,盆地内沉积了厚度可达7 000余米的新生界[9,10,11,12]。新生界构造层包括渐新统清水营组(E3q)、中新统红柳沟组(N1h)、上新统干河沟组(N2g)和第四系(Q)。清水营组(E3q)岩性为灰绿色、深灰色泥岩夹浅灰绿、棕红、棕褐色泥岩、砂岩、粉砂岩,泥岩中含有细分散状有机质及黄铁矿颗粒,沉积环境属弱氧化环境的浅湖—半深湖沉积。渐新世末期,受喜马拉雅运动的影响,银川盆地略有抬升,发生了短暂沉积间断,中新世初盆地又下陷,接受沉积。红柳沟组(N1h)沉积岩性为细砂岩、粉砂岩、含砾中-粗砂岩及砂砾岩与泥岩、粉砂质泥岩、砂质泥岩互层,沉积环境反映了干旱、炎热暖湿气候条件下的滨湖—浅湖相、河湖相沉积。红柳沟组砂泥比为1.2∶1~1∶1.2,平均砂岩厚度608.9 m,平均砂厚比55.51%,为银川盆地良好热储层之一。中新世晚期,银川盆地又一次经历了短暂的沉积间断后,下陷接受沉积,沉积了干河沟组(N2g),岩性为浅灰、灰白、褐黄色砂岩、砂砾岩、含砾砂岩夹浅黄、黄色泥岩、粉砂质泥岩,沉积环境属干燥炎热与暖湿气候条件下的滨湖相和河流相沉积。第四系(Q)覆盖整个盆地之上,沉积厚度由盆地边缘向盆地中心逐渐加厚,在总的干旱背景下,形成了气候寒冷与温和的河湖相砂砾石、砂及粉砂、黏土沉积[1]。
2 大地电磁工作
2.1 测线布置
勘查区东西长约2 km,南北宽约1 km。物探测深剖面整体呈NWW—SEE向,基本沿与区域主断裂带构造走向垂直布设。工区由北向南共布置2条物探剖面L1、L2。L1剖面完成23个大地电磁测深点,点距100~200 m,剖面全长约3.0 km;L2剖面完成28个大地电磁测深点,工作区内点距100~200 m,工作区外点距500 m,剖面全长约5.8 km(图2)。
图2
2.2 数据采集与处理
大地电磁数据野外采集工作于2016年12月内完成,采集仪器使用3套加拿大凤凰公司生产的MTU-5A宽频大地电磁仪,以张量方式布极,观测Ex、Ey两个正交电场水平分量和Hx、Hy两个磁场水平分量,采集MT信号的频率范围为320~0.01 Hz。测点布设采用“十”字形布极方式,测点及电极坑定位均采用南方测绘公司生产的高精度RTK控制,定位精度及点位误差均不超过10 cm,布极方向由森林罗盘精确定位,偏差不超过1°,水平磁棒入土深度为30 cm,数据采集时间均在3 h以上。MT数据处理采用仪器厂商提供的SSMT2000软件对原始时间序列进行统一处理,采用Robust处理方法[13],获得每个测点与频率相关的阻抗张量信息后,运用阻抗张量分解技术,确定地下电性构造主轴方向。经过处理后的MT数据质量得到了明显改善,可用频点的最低频率均达到0.1 Hz,部分数据可用最低频率达到0.01 Hz。
图3
图3
L1、L2线二维偏离度拟断面
a—L1线Swift张量分解;b—L1线Bahr张量分解;c—L2线Swift张量分解;d—L2线Bahr张量分解
Fig.3
Two-dimensional deviation degree pseudo-section of L1 and L2 lines
a—L1 line Swift skewness;b—L1 line Bahr skewness; c—L2 line Swift skewness;d—L2 line Bahr skewness
大地电磁数据在进行反演之前需要进行维性和构造走向分析,以确定适合的数据处理及反演方法,其中二维偏离度是反映地下介质电性结构维数的重要参数。文中采用Swift分解法和Bahr分解法进行维性分析,图3为L1和L2剖面这两种二维偏离度沿剖面方向分布的拟断面。如图所示,剖面上大多数测点0.01 Hz频段以上的二维偏离度普遍小于0.3,说明L1和L2剖面沿电性方向总体上具有二维特性,可以进行二维反演解释。
图4
图4
L1、L2线电性主轴分析结果玫瑰图
Fig.4
Rose diagram showing analysis result of L1 , L2 lines electrical principal axes
3 二维反演和结果分析
3.1 二维反演
采用WINGLINK软件包集成的非线性共轭梯度算法(NLCG)对剖面进行二维模式反演[15],通过对不同反演参数、不同极化模式对比分析,最终选取拟合情况最好的TM模式反演结果。反演中使用的参数设置为:正则化因子Tac=10;TM视电阻率误差级数5%;横纵光滑比a=1。反演过程中使用了320~0.01 Hz频段范围内的MT数据,初始模型为100 Ω·m均匀半空间,经过200次迭代计算,最终RMS反演拟合差分别为2.0和2.9。
评价反演结果是否可靠,除了反演拟合差不能太大外,反演后的断面图与原始观测数据拟断面图的对比也是重要的参考资料,如果两者相一致,反演模型至少从数学上来说是可靠的。限于篇幅所限,在此仅以L1剖面为例,做了二维反演前后电阻率及频率断面(图5),图中空白部分为数据预处理过程中删除的干扰频率点。通过对比可以看出,无论是电阻率还是阻抗相位,反演模型响应数据均与原始观测数据高度一致,仅个别频点有差别,这充分说明了本次二维反演结果可靠。
图5
图5
L1剖面反演前后的电阻率及相位断面对比
a—实测视电阻率拟断面;b—反演电阻率断面;c—实测阻抗相位拟断面;d—响应阻抗相位断面
Fig.5
Comparison of resistivity section and phase section before and after L1 profile inversion
a—measured apparent resistivity;b—predicted resistivity;c—measured impedance phase;d—predicted impedance phase.
图6为二维反演获得的电阻率断面。从地电模型可以看出,银川盆地西部斜坡区4 000 m以浅电阻率等值线在纵向上表现为层状结构,电性结构特征呈现为低阻—中高阻—低阻三层结构,随深度增加基底低阻特征明显。第一电性层为低阻层,电阻率值小于100 Ω·m,其中夹杂着不稳定的高阻透镜体;第二电性层为中、高阻层,电阻率值介于100~250 Ω·m之间;第三电性层为低阻层,电阻率值小于100 Ω·m。
图6
图6
L1(a)和L2(b)线MT二维反演电性结构模型
Fig.6
Two-dimensional inversion electrical structure model of MT data for L1(a) , L2(b) 〗lines
3.2 地质解释
根据近年来在银川盆地开展大地电磁工作所获得的电性资料,地层电性结构特征大致具有以下规律性:第四系电阻率值较低,约几个至几十Ω·m,古近系—新近系(E-N)电阻率值明显比第四系高,电性特征以相对高阻为特征,电阻率值一般大于十几Ω·m,奥陶系电阻率值明显较古近系、新近系低,电性特征为相对低阻。根据以上各电阻率断面中电阻率等值线的分布特征,结合区域地质资料成果,对各剖面进行了推断解释,成果见图7。
图7
图7
L1(a)、L2(b)线反演电阻率断面及其地质解释
Fig.7
Inversion of resistivity Section and its Geological interpretation by L1 (a), L2 (b) lines
1) 第四系(Q):电阻率等值线纵向上呈低—高—低的展布特征,横向上较为连续,从西向东逐渐倾斜,反映了从贺兰山前到盆地第四系埋深逐渐加大。从图7各剖面电性特征可见,剖面地电模型浅部发育有一横向较为连续的中低阻电性层。L1剖面第四系底界埋深800~1 000 m,电阻率值在10~150 Ω·m之间;L2剖面较L1剖面向西延长约3 km,第四系底界埋深从西向东明显加大,其底界埋深600~1 000 m,视电阻率值介于5~250 Ω·m之间。综合区域地质资料对比发现,认为该电性层是第四系的物性特征,因此将其解释为第四系。
2) 新近系(N):电阻率纵向上呈现稳定的中阻电性层,横向上连续性好,从西向东逐渐倾斜,反映了从贺兰山前到盆地新近系埋深亦逐渐加大。由图7各剖面电性可见,L1剖面新近系底界埋深 1 300~1 500 m,电阻率值介于100~150 Ω·m之间;L2剖面新近系底界埋深1 100~1 500 m,电阻率值在100~250 Ω·m之间。该电性层是银川盆地普遍发育新近系的物性特征,区域上连续稳定,电性特征表现为中等高阻特征,故可作为电性标志层进行地质解释,结合区域地质资料将其解译为新近系。
3) 古近系(E):剖面地电模型横向上均匀,连续稳定,电阻率值总体表现为中等高阻特征,电阻率值约150~200 Ω·m,L1剖面底界埋深约1 500~1 700 m,L2剖面底界埋深约1 300~1 700 m。
4) 奥陶系(O):电阻率较为稳定,基底低阻特征明显,横向上连续性好,电阻率值为5~100 Ω·m,底界埋深大于4 000 m,该电性层电性特征表现为低阻,结合区域地质资料将其解释为奥陶系。
4 地热资源评价
根据区域地热地质资料分析,银川盆地热储层以压力传导型中、低温层状热储为主。根据目前银川盆地Y1、Y3、NSR-1、NSR-2四口地热勘探井成果资料,盆地内新生界热储层划分为三层,上层为上新统干河沟组热储层,中层为中新统红柳沟组热储层,下层为渐新统清水营组热储层,三层热储层均属于碎屑岩孔隙型含水层。干河沟组热储层分布稳定,盆地内顶板埋深为885~1 302 m,平均厚度472.8 m,热储层平均砂岩厚度372.6 m,平均砂厚比为82.74%。红柳沟组目前为银川盆地热储的主要开采层,具有分布面积广、层位稳定、出水量大的特点,适宜进行规模性开发。热储层顶板埋深为1 473~1 802 m,平均厚度1 094.5 m,平均砂岩厚度608.9 m,平均砂厚比为55.51%。清水营组热储层盆地中部凹陷顶板埋深均超过3 000 m,目前勘探成本较高,不适宜开发利用,但在银川盆地北部、南部和中部凹陷的两翼斜坡带埋深一般小于2 000 m,平均厚度为545.0 m,平均砂岩厚度77.4 m,平均砂厚比为14.2%。综上所述,目前银川盆地开发和利用最为有利的热储层为红柳沟组,其次为干河沟组和清水营组。
前人多认为银川盆地奥陶系岩溶裂隙层可作为有利地下热水储层,但通过本次在银川盆地西部斜坡区勘查工作证明,本区4 000 m以浅奥陶系电性层呈明显低阻特征,而鄂尔多斯盆地西缘奥陶系电性层则呈明显高阻特征,二者具有不同的电性结构特征,反映二者处于不同构造背景下沉积演化模式。
现今银川盆地位于鄂尔多斯盆地西南缘,早古生代为继承性活动的贺兰拗拉槽,西侧与祁连海槽相邻,南侧与秦岭海槽相邻。中晚寒武世,贺兰拗拉槽活动性增强,呈NNE向延伸,南宽北窄,自两侧向中心发育同生断裂,形成阶梯状下降的地堑[11]。从中奥陶世开始,鄂尔多斯西南缘发生大规模海侵,贺兰山、银川一带先后经历了三次海进和海退过程,其规模一次比一次大。银川地区中奥陶世(早中期)依次处于开阔台地、台地前缘斜坡沉积环境,沉积了以天景山组为代表的灰、深灰色厚层-中厚层灰岩、泥质灰岩和白云质灰岩,沉积厚度达1 000余米。到了中奥陶世晚期,海侵达到最大规模,整个鄂尔多斯地区几乎全被海水所覆盖,贺兰山、银川一带处于深水斜坡-海槽沉积环境,沉积时间一直持续到晚奥陶世中期。这段沉积期间发育了以米钵山组为代表的类复理石建造,岩性为一套浊积砂岩、泥岩不等厚韵律互层夹薄层灰岩、砾状灰岩、角砾岩的岩石组合[16,17,18,19]。据宁夏回族自治区岩石地层资料[20],该组在贺兰山南段大十字沟—榆树青沟剖面上,沉积厚度达2 778.1 m。晚奥陶世晚期,受加里东运动的影响,银川地区整体抬升为陆地,遭受风化剥蚀,结束了海相沉积演化历史。
通过本次大地电磁测深调查,圈定了研究区有利地热资源储藏范围(见图7),其中L1剖面热储层顶板埋深为800~1 000 m,底板埋深为1 500~1 700 m,热储层厚度约为700 m;L2剖面热储层顶板埋深为600~1 000 m,底板埋深为1 300~1 700 m,热储层厚度约为700 m。因此,在进行下一步地热钻探过程中,应根据勘探实际需求选择合理的热储目的层,将会取得较好的效果。
5 应用效果
表1 NSR-3地热井地层系统划分及主要岩性
Table 1
| 地层 | 层厚/m | 底深/m | 主要岩性 | 划分依据 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 第四系 | 910 | 910 | 深灰色砾岩、砂砾岩、含砾砂岩、粗砂岩、细砂岩夹粉砂质泥岩、泥灰岩,泥灰岩中含有贝壳化石 | 沉积物结构疏松,胶结程度差,钻进速率快 | |
| 新近系 | 干河 沟组 | 324 | 1234 | 深灰色、灰白色、土黄色砾岩、含砾粗砂岩、中-粗砂岩夹少量泥质粉砂岩 | 钻遇干河沟组顶部黄绿色粉砂岩 |
| 红柳 沟组 | 220 | 1454 | 黄绿色、褐灰色、土黄色砂砾岩与泥质灰岩、粉砂质泥岩互层 | 钻遇红柳沟组顶部深灰色泥质灰岩 | |
| 古近系 | 清水 营组 | 166 | 1620 | 灰绿色、棕红色、黄褐色泥岩、泥质粉砂岩与灰色砂砾岩不等厚互层 | 钻遇清水营组顶部红褐色泥岩层 |
| 奥陶系 | 米钵 山组 | 780 | 2400 | 上部为灰绿色、黄褐色泥质板岩为主,下部为长石石英砂岩为主夹薄层灰岩、角砾岩 | 钻遇米钵山组顶部深灰色板岩,未钻穿 |
6 结论
从银川盆地NSR-3地热井成功勘探可以看出,大地电磁测深法对于查明沉积盆地型热储地层分布状况等方面有较好的勘察效果,证实了大地电磁测深法在地热资源勘查中具有一定的可靠性和准确性。
通过本次地热资源勘查以及实钻验证,证明了银川盆地西部斜坡区深部奥陶系不具备地下热水储层条件,本区奥陶系呈低阻特征,与鄂尔多斯盆地西缘奥陶系高阻电性特征完全不同,反映二者处于不同构造背景下的沉积演化模式。
由于工作区面积较小,本次勘查范围仅局限于工作区及周边,建议在银川盆地开展大比例尺地热勘查工作,将会取得较好的效果。
(本文编辑:沈效群)
致谢:
天津地热勘查开发设计院物探室成员参与了野外数据采集工作,在此表示诚挚的谢意。
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中奥陶世克里摩里期,鄂尔多斯西部地区为镶边陆架的碳酸盐岩台地,自东向西依次发育开阔台地、台地边缘浅滩、台缘斜坡—斜坡脚、广海陆棚和深水海槽相带,从浅水区经由碎屑流搬运来的块状钙质角砾岩在台缘斜坡—斜坡脚相带集中堆积,形成厚度不等的透镜体夹于正常深水灰泥石灰岩和泥岩中。乌拉力克期发生较大规模构造运动,盆地东部整体抬升,西部边缘发生裂陷,沉积范围以同生正断层为界,随着海平面的上升沉积环境演变为相对闭塞的深水斜坡—盆地,沉积一套富含笔石的泥页岩地层,并不时有陆源克里摩里组垮塌的石灰岩沉积物被带入盆地,形成数量不等的多套角砾岩夹层。
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