0 引言
地热能是一种清洁低碳、分布广泛、资源丰富、安全优质的可再生能源,地热能的开发利用具有供能持续稳定、高效循环利用、可再生的特点,地热资源的利用可减少温室气体排放,改善生态环境,推进绿色发展,其在未来清洁能源发展中占重要地位,有望成为能源结构转型的新方向。
张掖—民乐盆地是地热资源勘查的热点地区,20世纪80年代以来,随着油气勘探和水文地质勘查的推进,该地区做了大量的电测深、重力和三维地震勘探工作[1,2,3,4,5]。临泽盆地是张掖—民乐盆地的重要组成部分,近年来,随着地热资源勘查热潮的兴起,在临泽县周边开展了一定的勘查工作,2018年临泽县城东北打出井深1 500 m、水温45℃的地热井,临泽县东部的张掖市、东南部的民乐县在地热勘查开发方面相继取得了较大进展。研究区以往的勘查研究工作为本次工作的开展提供了大量可参考依据,但也存在一些不足,比如新技术、新方法应用不多,勘查投入工作量少,综合研究程度不高,未建立有效的地热资源勘查模型等。广域电磁法是近年来快速发展起来的一种新的地球物理勘查方法[6,7],在油气、干热岩、地热资源等勘查中取得较好的应用效果[8,9,10,11,12]。本次研究工作是在综合利用以往研究成果的基础上引入广域电磁法,旨在查明研究区地热资源分布情况,初步构建研究区地热勘查“地质—地球物理—地热”模型,为该地区和邻区地热资源的进一步开发利用提供指导。
1 研究区地质概况
1.1 区域地质构造与地层特征
图1
区内出露地层主要为第四系,岩性主要为更新统洪冲积黄土和全新统冲、洪积松散砂层或粉土层。根据前人在该区的勘查研究成果,研究区第四系厚度在350~400 m之间,自北向南逐步变深,地层岩性为卵砾石、砂砾石、中砂、细砂、黏土、亚黏土及亚砂土[16]。下伏地层为新近系,其底板埋深在900~1 000 m之间。局部基底为加里东期花岗岩,呈肉红色、灰青色、浅白色,上部裂隙较发育,下部较致密。研究区南部为白垩系地层,形成七彩丹霞地貌,岩性为砂岩、砂砾岩等。
1.2 水文地质、地热地质特征
1.2.1 区域水文地质特征
图2
1.2.2 地热资源赋存特征
2016年在临泽县东部约30 km的张掖市成功打出地热井ZYZK-01(见图1),井深约2 000 m,井口温度约50℃,其所处地貌部位与临泽县类似,均在张掖—民乐盆地内。从地层结构分析,该地热井上部为第四系砂砾卵石,下部为新近系、白垩系泥岩、砂砾岩;盖层、热储均相类似,均为层状热储。2018年,在临泽县城区北部打出井深1 500 m,水温45℃地热井LZZK-01;2018年末,在民乐县生态工业园南部一带,成功打出井深2 269 m、水温77℃的优质地热井MLZL-01。上述地热井的勘查和研究工作,初步探明张掖—民乐盆地存在较好的层状热储,基本查明了区内地热资源赋存条件。
依据近年来张掖—民乐一带的地热资源勘查初步成果与认识,可以发现:虽然盆地基底埋深和地层分布情况较为复杂,但张掖民乐盆地完全具备层状热储所需的地热要素,区内盖层厚度大,热导系数和渗透性较好,不同部位厚度不一,形成热流分布不均现象;热储层主要以古近系白杨河组砂岩层及局部接触带为主,分布广泛,条件良好。而且,盆地内花岗岩广泛分布、隐伏断裂发育,形成了良好的热源和运移通道,两者均为深部热源的上升运移提供了有利条件,前者以传导为主,后者以对流为主。
1.3 地球物理特征
根据以往地质勘查及钻探工作,研究区内地层从上至下依次为第四系(Q)、新近系、古近系(N+E)及上奥陶统(O3)。第四系岩性以砾石为主,下部夹黏土层和砂层,其中以砾石层电阻率最高,平均值为400 Ω·m,黏土电阻率最低,平均值为150 Ω·m;新近系、古近系岩性以砂岩、泥岩互层为主,电阻率一般在100~180 Ω·m之间,呈中低阻,局部见有砾岩,电阻率平均值为150 Ω·m,亦呈中低阻特征;上奥陶统岩性主要为花岗岩,电阻率平均值为190 Ω·m,属中低阻(表1)。
表1 研究区地层电性特征
Table 1
| 地层 | 岩性 | 电阻率/(Ω·m) |
|---|---|---|
| 砾石 | 400 | |
| 砂质黏土 | 150 | |
| 第四系(Q) | 粉砂 | 160 |
| 细砂 | 180 | |
| 中砂 | 210 | |
| 新近系、古近系 (N+E) | 泥岩 | 124 |
| 砂质泥岩 | 140 | |
| 含砾泥岩 | 160 | |
| 粉砂岩 | 150 | |
| 细粒砂岩 | 170 | |
| 中粒砂岩 | 180 | |
| 粗粒砂岩 | 170 | |
| 砾岩 | 150 | |
| 上奥陶统(O3) | 花岗岩 | 190 |
注:据邻区地热井测井资料
根据上述分析,研究区除第四系砾石电阻率较高外,其余岩层均表现为中低阻特征,电性差异相对较小。据钻孔揭示,研究区地下水较为丰富,这也导致钻孔所揭露地层岩性的电阻率普遍较低。
2 调查评价及综合研究
2.1 方法选择
本次地热资源调查评价工作选择广域电磁法,该方法是何继善院士于21世纪初提出的一种人工源频率域电磁法,是相对于传统的可控源音频大地电磁(CSAMT)法和磁偶源频率测深法(MELOS)提出来的。该方法继承了CSAMT使用人工场源克服场源随机性的优点,也继承了MELOS方法非远区测量的优势,摒弃了CSAMT法远区信号微弱的劣势,也摒弃了MELOS方法的校正办法。广域电磁法的优点在于大大扩展了人工源频率域电磁法的有效观测范围,不需要对非平面波进行任何校正,大幅提高了电磁法的野外工作效率,减少了近区校正引入的误差。
2.2 实验工作
为了验证广域电磁法在本研究区的有效性,在已有地热井LZZK-01旁布置2条实验剖面L0和L1,剖面方位为32°,线距110 m,点距50 m(图3)。
图3
图3
研究区地热资源调查物探工作布置及综合成果平面示意
Fig.3
Geophysical job layout and comprehensive results plane
2.2.1 剖面解释推断
由L0、L1线一维连续介质反演电阻率断面(图4)可见,剖面电性特征明显,从上至下可细分为7个电性层,即“高阻层—中高阻层—低阻层—中低阻层—低阻层—中低阻层—高阻层”。
图4
图4
L0线(a)和L1线(b)电阻率一维连续介质反演断面及解释推断
Fig.4
1D continuous media inversion and interpretation sections of apparent resistivity for survey line L0(a) and L1(b)
依据地热井钻孔编录,将7个电性层从上至下归为3个大的电性层,即第一电性层反映了第四系,第二电性层反映了新近系、古近系,第三电性层反映了晚奥陶世花岗岩基底。
以L0为例,100 m以浅表现为相对高阻,主要是第四系砾石层的反映,其下为第四系黏土、砂及砂砾石层,推断第四系厚度约350~400 m;另外在100 m深度发现一个层状的低阻区,推断由第四系孔隙含水层引起。剖面深350~600 m、750~1 200 m出现两个较厚的低阻层,电阻率均小于30 Ω·m,推断这两个电性层均为富含孔隙水层。深度1 200~1 400 m出现一个中低阻层,依据钻孔资料,该层是花岗岩古风化壳,裂隙发育,赋水性好,导致其电阻率明显较低。1 400 m以下逐渐过渡到高阻区,其下为致密花岗岩。
L1线电性特征与L0极为吻合,两条剖面对应电性层位及深度基本一致。这也说明广域电磁法测量数据重现性高,数据质量可靠。
2.2.2 地球物理测井
依据地球物理测井工作,对含水层解释主要以双侧向电阻率、自然伽马、三侧向电阻率、自然电位、声波时差、井径这6种曲线来定性划分的。LZZK-01含水层可分为孔隙型含水层和裂隙型含水层。
孔隙型含水层主要分布于第四系及新近系,岩性以砂岩为主。砂岩含水层上自然电位一般具有较大的负异常,其曲线特征为高阻、低自然伽马、自然电位有负异常。孔隙含水层的导电性、电化学活动性、放射性等均有差异。砂岩的视电阻率随粒度的增大而增大,自然伽马强度随粒度增大而减少。当砂岩含水时,自然电位一般具有较大的负异常;砂岩粒度越大,富水性越强。但砂岩被泥质充填或钙质胶结时,自然电位异常变小,富水性变弱(图5)。
图5
图5
孔隙型含水层测井曲线特征
Fig.5
Well logging curve characteristics of porous rock aquifer
裂隙型含水层指本井下部的花岗岩层,其测井曲线特征显示,含水层段电阻率相对围岩呈低值特征,声波时差相对较大,井径有扩径(图6)。
图6
依据地球物理测井工作,结合上述物性特征,从上至下划分出32个含水层,最小含水层厚度为 0.45 m,最大含水层厚度为28.40 m,含水层总厚度达172 m。通过该地热井揭示,本工作区地下水丰富,勘查地热资源具有较好的前景。
2.2.3 物探、钻探成果对比分析
根据地热井编录(表2),该处第四系厚度为420 m,主要为砾岩、卵砾石层,呈高阻特征;新近系厚度约为605 m,深度在420~1 025 m,该层出现了28个含水层,最厚的含水层可达28 m;1 025 m深度以下为花岗岩,裂隙极为发育。在1 025~1 450 m间发现了8个裂隙型含水层,这也很好地解释了岩体为什么呈中低阻特征。1 450 m以下为致密花岗岩,呈高阻特征。
表2 已有地热井地层结构
Table 2
| 序号 | 地层 | 深度/m | 厚度/m | 岩性特征 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 第四系(Q) | 420 | 420 | 卵砾石、砂砾石、中砂、细砂、黏土、亚黏土及亚砂土 |
| 2 | 新近系、古近系(N+E) | 1025 | 605 | 上部灰黄色、土黄色泥岩,砂质泥岩,中、细砂岩及砾岩,半胶结状,可见钙质成分;下部浅棕色、灰黄色泥岩、砂岩、砂质泥岩、杂色砂砾岩,半固结状;底部风化带为浅灰棕色、灰黄色泥岩夹杂色花岗岩 |
| 3 | 上奥陶统(O3) | 1500 | 475 | 肉红色、灰青色、浅白色花岗岩,上部裂隙较发育,下部较致密 |
从上述分析可见,广域电磁法获得的反演断面电性特征与钻探揭示的地层、含水层吻合度较高,说明广域电磁法对层状介质的分辨能力强,对细节的刻画较为准确。2条剖面成果说明在本工作区利用电阻率一维连续介质反演即可取得较好的勘查效果,因此,本次成果解释工作以一维连续介质反演成果为基础。
2.3 勘探解释成果
图7
图7
L2线电阻率一维连续介质反演断面及解释推断
Fig.7
1D continuous media inversion and inter pretation section for survey line 2
图8
图8
L6线电阻率一维连续介质反演断面及解释推断
Fig.8
1D continuous media inversion and inter pretation section for survey line 6
2.3.1 电性分层特征
依据L2线电阻率一维连续介质反演断面(图7),剖面纵向电性分层明显,从上至下大致划分出4个电性层。第一电性层深度在0~600 m,总体表现为高阻特征,电阻率一般大于800 Ω·m,在该高阻层中100~300 m存在一个低—中阻层,电阻率一般在60~200 Ω·m。第二电性层深度500~1 600 m,表现为低阻特征,电阻率一般小于60 Ω·m,该低阻层顶界变化相对平缓,底界呈波状起伏。第三电性层深度1 100~3 400 m,总体表现为低—中阻特征,电阻率一般在60~100 Ω·m之间。在该层出现3个不连续的相对高阻区,电阻率在100~400 Ω·m。第四电性层深度3 000~4 500 m,总体表现为中—高阻特征,电阻率一般在100~250 Ω·m。
L6线的电阻率一维连续介质反演断面(图8)特征与L2线类似,也划分为4个电性层,只是在电阻率数值上略有不同。第一电性层为高阻层,电阻率一般大于300 Ω·m,中间夹杂低—中阻层,电阻率一般在150 Ω·m。第二电性层为低阻层,电阻率一般小于50 Ω·m,在剖面北部出现一个相对高阻区,电阻率约为100~200 Ω·m;该低阻层顶界和底界变化相对平缓。第三电性层在1 500~3 500 m间,总体表现为低—中阻特征,电阻率一般小于100 Ω·m;在该层出现2个透镜状的相对高阻区,电阻率在120~500 Ω·m。第四电性层在2 800~4 500 m间,总体表现为中阻特征,电阻率在50~200 Ω·m。
2.3.2 地层划分
图9
图10
第一层主要表现为相对高阻特征,推断其主要是第四系的反映,岩性主要为黏土、砂及砂砾石层,推断第四系厚度约为0~600 m;在该层100~300 m间均存在一个低阻层,推断是由第四系孔隙水含水层引起。
第二层为低阻层,推断为新近系、古近系,岩性主要为泥岩、砂岩及砾岩。厚度不等,总体厚度为500~1 200 m。
第三层为低—中阻层,主要为上奥陶统,岩性主要为花岗岩,厚度900~2 400 m。在该层间断出现高阻区、低—中阻带、高阻区、低—中阻带等较为规律的电性变化,推断该现象为地垒和地堑构造所致。地堑主要为古近系沉积物和上奥陶统古风化壳,地垒推断为上奥陶统花岗岩。因地垒构造运动及古风化壳裂隙赋水较好,导致第三电性层电阻率相对较低。
第四层总体表现为中高阻特征,推断为研究区基底上奥陶统的反映,岩性主要为花岗岩。
综上,本次测量剖面从上至下依次划分出第四系、新近系、古近系和上奥陶统,其中第四系深度在0~600 m之间,厚度在600 m左右;新近系、古近系深度在500~1 900 m间,厚度在500~1 500 m间;上奥陶统深度在 1 000~2 200 m以深,深度及厚度变化均较大,北部相对隆起。另外,工作区深部1 000~3 000 m因构造运动中拉分走滑导致地块差异升降,形成地堑和地垒,从而导致第三电性层中高阻区和低阻区横向交替出现的现象。
2.3.3 构造
综合研究本次工作剖面电性特征,推断隐伏断层5组,均为SE—NW向展布,其中F1、F2、F4向NE倾斜,F3和F5向SW倾斜。上述断层均为张性断层,有利于地下热水的运移和交换,也保证了后期地热井水量和温度的补给。综合分析认为F2和F3间的地堑及F4和F5间的地堑是本研究区勘查地热的有利区域。
2.3.4 隐伏岩体
经综合研究,认为研究区深部岩体发育,埋深在1 000~2 500 m之间,局部因构造运动,导致岩体隆起。总体来看,深部岩体的存在,为该研究区地热资源的勘查工作提供了良好热源;因地堑、地垒构造,为地下水与深部热源的热能交换提供了良好的通道。深部岩体的发现、基底形态的初步划分也为张掖—民乐盆地基础地质研究工作提供新的依据。
通过本次调查评价及研究工作,基本查明了研究区地层结构、构造特征、隐伏岩体,同时也查明了研究区地热资源分布情况。根据本次研究成果,划定了地热勘查有利区,并遵从商业开发和生态效益俱佳的原则,提出了拟开发的井位方案,布设了勘查孔ZK01、ZK02及ZK03(见图3),为后期地热资源的开发利用提供了地球物理依据。
3 “地质—地球物理—地热”模型构建
从研究区及邻区地热勘查及研究来看,该区域地热主要为层状热储。从地层结构分析,上部为第四系砂砾、卵石,下部为新近系泥岩、砂岩及砾岩等,基底为上奥陶统。第四系岩性主要砾石、卵石,表现为高电阻率特征;新近系、古近系多以泥岩、砂岩互层为主,表现为低阻、中—低阻特征;基底为晚奥陶世花岗岩,呈相对高阻特征。
通过上述分析,研究区地热资源盖层主要为第四系下部及新近系、古近系上部,在电场上表现为高阻、中—低阻特征;热储层为新近系、古近系下部,主要为古近系的砂岩及古风化壳,在电场上表现为低阻、中低阻特征;热源为晚奥陶世花岗岩及地温梯度增热,在电场上表现为相对中—高阻特征。
另外,研究区断裂构造较为发育,多个陡倾张性断层形成地垒及地堑构造。地堑构造,因其分布范围较广,地层结构稳定,同时具有足够的深度和厚度,是良好的热储层。张性断层的存在,有利于地下热水的运移和热能交换,保证了后期地热井水量和温度的补给。
根据上述地层、电性特征、地热要素,初步构建了研究区“地质—地球物理—地热”勘查模型(图11),对研究区及邻区的深部地热勘查研究工作具有一定的实践指导意义。
图11
图11
研究区“地质—地球物理—地热”模型构建
Fig.11
"Geology-Geophysical-Geothermal" model building of the research area
4 结论及讨论
1)通过本次深部地热调查评价及研究工作,初步查明了研究区内地层结构、埋深特征,对研究区地质构造取得了新的认识。研究区具备“盖、储、源、导”等地热要素,地热勘查具有较好的开发利用前景。本次研究工作初步构建了研究区地热勘查“地质—地球物理—地热”模型,可为今后该区及邻区的地热勘查工作提供借鉴和指导。
2)通过本次研究工作发现,在研究区,岩体在深部普遍存在,分布范围广,与上部地层多呈不整合接触。深部岩体的发现、基底形态的初步划分也为张掖—民乐盆地基础地质研究工作提供新的依据。
3)广域电磁勘查深度大、抗干扰能力强,测量数据重现性高,质量可靠,在城郊等干扰大的地区也能取得较好的勘查效果。广域电磁法对层状地质体具有较高的分辨能力,在盆地勘查地热资源具有明显的优势,是高效的地热资源调查评价方法,值得大力推广。
致谢
衷心感谢中南大学李帝铨教授对论文提出宝贵意见并耐心指导。
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安徽某铜矿区由于电磁、人文干扰严重,传统的电磁法无法取得有效的数据,抗干扰能力较强的CSAMT法在该区检查点数据均方相对误差达到了53.6%,勘探效果较差。将广域电磁法应用到该矿区,取得了质量较高的数据,平均相对均方误差为5.6%。与相同剖面上的CSAMT法反演结果相比,广域电磁法的反演结果与地质资料吻合,深度误差小于10%,矿体的位置与钻孔信息相符。试验结果表明,广域电磁法具有较强的抗干扰能力,可用于强干扰矿区探测。
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Because of the severe electromagnetic interference and the human interference in a copper mine in Anhui Province, the traditional electromagnetic method is unable to obtain valid data. CSAMT method has stronger anti-interference capability, but the mean square relative error of CSAMT checkpoints data reaches 53.6% and the exploration effect is poorer. In this paper, wide field electromagnetic method was applied to the mining area and led to the obtaining of the high quality data, with the average relative mean square error being 5.6%. Compared with the inversion result of CSAMT method, wide-area electromagnetic inversion result is in accordance with the geological data, the depth error is less than 10%, and the position of the orebody is consistent with the drilling information. The test results show that wide field electromagnetic method has stronger anti-interference capability and can be used in strong interference field detection.
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