综合物探方法在内蒙古敖汉旗林家地地热资源勘查中的应用试验
Application of comprehensive geophysical prospecting in the exploration of geothermal resources in the Linjiadi area, Aohan Banner, Inner Mongolia
通讯作者: 裴秋明(1989-),男,硕士生导师,博士,主要从事地质资源与地质工程领域的教学与科研工作。Email:pqm@swjtu.edu.cn
第一作者:
责任编辑: 王萌
收稿日期: 2023-07-25 修回日期: 2023-10-24
基金资助: |
|
Received: 2023-07-25 Revised: 2023-10-24
在“碳达峰、碳中和”双碳目标背景下,如何科学、高效地进行地热资源的勘查开发是地热产业的关键问题。本文针对目前普遍关注的中深层地热资源勘查技术难题,以内蒙古敖汉旗林家地为研究区,开展了综合地球物理勘探方法的有效性试验研究。在区域地质条件和水文地质条件分析基础上,初步查明了敖汉旗林家地一带地温场特征和地下水化学特征;运用可控源音频大地电磁法(CSAMT)、微动测深和放射性氡气剖面测量多种方法组合,基本查明了研究区地层、岩浆岩及断裂构造的分布,推测了地热异常区控制因素及热水运移情况,并据此设定了勘探孔位,进行了960 m钻探验证。结果表明:综合运用可控源音频大地电磁法和微动测深等物探方法,并结合放射性氡气剖面测量进行辅助验证,对开展中深层地热资源勘查较为有效,可为其他地区地热资源勘查提供方法参考。
关键词:
In the context of the goals of both peak carbon dioxide emissions and carbon neutrality, scientific and efficient exploration and exploitation of geothermal resources are criticalfor the geothermal industry. To address the commonly concernedtechnical challenges in the exploration of moderately deep geothermal resources, this study investigated the effectiveness of comprehensive geophysical prospecting in the exploration of geothermal resources inthe Linjiadi area, Aohan Banner, Inner Mongolia. Based on the analysis ofthe geological and hydrogeological conditions, this studypreliminarilyascertainedthe geothermal field characteristicsand the hydrochemicalcharacteristics of groundwater in the Linjiadi area. By comprehensively employingcontrolled source audio-frequency magnetotellurics (CSAMT), CSAMT; microtremor survey; radioactive radon survey; this study roughly determined the distribution of strata, magmatic rocks, and fault structures in the study area, inferring the factors controllinggeothermal anomaly areas and hot-water migration.Accordingly, exploration boreholes were arranged, allowing for drilling verificationwith a total length of 960 m. The results show that the comprehensiveapplication of CSAMT and microtremor survey, combined with radioactive radon survey for auxiliary verification, is effective in exploringmoderately deep geothermal resources. This study will provide a methodological reference for geothermal resource exploration in other areas.
Keywords:
本文引用格式
韩术合, 裴秋明, 许健, 宋志勇, 莫海斌.
HAN Shu-He, PEI Qiu-Ming, XU Jian, SONG Zhi-Yong, MO Hai-Bin.
0 引言
当前,世界能源工业正在经历极其广泛深刻的绿色工业革命,“碳达峰、碳中和”已成为全球共识[1-2]。地热能是一种绿色低碳、稳定可靠的可再生清洁能源,受到了国际社会的广泛关注[3⇓-5]。我国地热资源丰富,分布较广,储量丰富,开发利用潜力巨大[6-7]。随着地热资源勘查工作的持续推进,中深层地热资源勘查技术方法逐渐成为地热产业的重难点课题[8]。近年来,地球物理勘探方法被引入到地热资源勘查工作中,主要包括电法、磁法、地震波法、声波法、重力法、放射性法等[9]。而电法和地震波法在地热勘查中运用较为普遍,常用的电法包括可控源音频大地电磁法(CSAMT)、瞬变电磁法(TEM)、大地电磁法(MT)、音频大地电磁法(AMT)、高密度电法(ERT)等;常用的地震波法包括反射波法、面波法、折射波法等。其中,可控源音频大地电磁法具有较强的抗干扰能力并且能够根据地下电性结构分布情况反演导水导热构造的产状及延深,在多种深度的地热勘查中应用较多[10⇓-12]。瞬变电磁法、大地电磁法、音频大地电磁法、高密度电法等可有效识别区域断裂构造分布特征及破碎带的含水性[13⇓⇓-16]。浅层地震勘探法可有效确定热储构造破碎带宽度和埋深[17]。然而,电法、磁法和地震波法等易受到电磁及震动的干扰,抗干扰强的微动勘查测深、非传统的放射性氡气剖面测量等方法也被引入到地热资源勘查中[18⇓-20]。由于单一地球物理勘查手段具有多解性,近年来,利用多种物探方法联合化探方法进行验证的勘查思路逐渐受到重视,并被成功应用于多个地区的地热资源勘查实践中[21⇓⇓⇓⇓-26]。但以往综合物探方法在华北地台北缘地热勘查中鲜有应用,且有关可控源音频大地电磁法、微动测深和非传统的放射性氡气剖面测量3种方法的组合研究较少,其有效性缺乏实例验证。
基于此,本研究尝试综合运用可控源音频大地电磁法和抗干扰强的微动测深,并应用非传统的氡气剖面测量进行辅助验证,探讨以上3种方法组合在内蒙古赤峰市敖汉旗林家地地热资源勘查中的有效性。本次方法试验研究可为同类地区中深层地热资源勘查方法组合应用提供方法参考,相关勘查成果亦可为该地区地热资源开发利用提供依据。
1 地质背景
研究区位于内蒙古赤峰市敖汉旗四家子镇西北约15 km,处于华北陆块北缘和兴蒙造山带结合部位。出露地层主要为新太古界乌拉山岩群(Ar3w)、侏罗系上统满克头鄂博组(J3mk)以及第四系上更新统坡洪积(
图1
图1
敖汉旗林家地热水汤一带地质简图
Fig.1
Regional geological sketch of Linjiadi area, Aohan Banner
2 地温场特征和地下水化学特征
2.1 地温场特征
对研究区40个农田灌溉或生活用水井的调查结果显示,区域水温背景值为9.0~9.5 ℃。而研究区内的热水汤村水井水温10.5~12.5 ℃,林家地变电所水井水温15.3 ℃,明显高于周边地区(图1)。水井点位于重力测量解释推断的F3、F10断层附近,推测其受F3、F10深部断裂构造直接影响和控制,导致浅部出现明显水温异常,形成条带状水温异常区。
2.2 地下水化学特征
此次采集的水样取自研究区内15个重点村庄农田灌溉或生活用水井(图1),为第四系松散岩类孔隙水,由内蒙古赤峰地质矿产勘查开发院实验室使用原子吸收分光光度计、分光光度计、电感耦合等离子体质谱仪、离子计等仪器,按照DZ/T0064.1-80-93和 HJ 700-2014标准对样品进行化学成分、微量元素等水质全分析,结果显示研究区内地下水化学类型以HCO3—Ca型为主,溶解性总固体一般为179.09~391.32 mg/L, pH值一般为7.75~8,Pb含量一般小于0.01 mg/L。对15件水样地热特有组分水质分析结果显示(表1):①林家地变电所、林家地村的F-含量分别为1.85 mg/L、2.01 mg/L,H2SiO3含量分别为39.57 mg/L、36.17 mg/L(地热水参考界限指标25 mg/L),明显高于周边地区;②林家地变电所的Na+含量为66.60 mg/L,林家地变电所、热水汤村的
表1 地热特有组分水质分析结果
Table 1
水样编号 | 取样位置 | F-/ (mg·L-1) | H2SiO3/ (mg·L-1) | Na+/ (mg·L-1) | (mg·L-1) |
---|---|---|---|---|---|
SH3 | 德力胡同 | 0.51 | 19.2 | 11.16 | 54.56 |
SH7 | 老阳坡 | 0.42 | 18.91 | 10.40 | 36.86 |
SH8 | 汤西沟 | 0.45 | 20.37 | 11.32 | 48.66 |
SH9 | 变电所 | 1.85 | 39.57 | 66.60 | 122.39 |
SH10 | 黑火药库 | 0.38 | 19.79 | 10.11 | 36.86 |
SH11 | 汤北沟 | 0.27 | 18.91 | 11.12 | 53.09 |
SH12 | 热水汤 | 0.51 | 18.04 | 14.79 | 92.90 |
SH13 | 庙房身 | 0.60 | 19.20 | 12.29 | 60.46 |
SH14 | 车杖子 | 0.64 | 20.96 | 9.13 | 33.93 |
SH15 | 小梁前 | 0.45 | 16.89 | 8.55 | 36.88 |
SH16 | 韩家沟 | 0.36 | 24.46 | 8.52 | 30.98 |
SH17 | 彭家沟 | 0.38 | 19.22 | 9.59 | 41.31 |
SH18 | 大西沟 | 0.31 | 25.04 | 8.03 | 44.26 |
SH21 | 热水汤 | 0.73 | 19.78 | 15.62 | 66.83 |
SH22 | 林家地 | 2.01 | 36.17 | 28.42 | 41.28 |
3 方法参数与推断解释
3.1 可控源音频大地电磁法
根据地层出露情况在研究区地表采集标本,并通过标本架法测量电阻率等电性参数,结合以往邻区物性参数测定结果:测区内岩石电阻率值相差不大,角闪斜长片麻岩和二长花岗岩电阻率较高,电阻率平均值分别为2 202 Ω·m和1 746 Ω·m;第四系覆盖、地下水电阻率n~n×102 Ω·m;构造破碎带表现为低阻特征。此结果为采用可控源音频大地电磁法圈定断层提供了良好的地球物理特征前提。
结合重力推测断层位置、地温场特征和地下水化学特征,在研究区内布设可控源音频大地电磁测深6条剖面L1~L6(图1),共263点,点距40 m,收发距10 km,AB=1 500 m,测量频率范围1~8 192 Hz。结果显示各剖面线电阻率变化趋势总体相同,连续性较好,电阻率从浅部到深部大致呈现低阻—中高阻—高阻的变化趋势。研究区地表主要出露为第四系、乌拉山岩群及花岗岩,浅层低阻层推断由第四系引起,浅部中高阻层推断由乌拉山岩群或花岗岩引起,中部及深部高阻异常推断由花岗岩体引起。在岩性推断的基础上,各条剖面的断面中均存在多条构造破碎带。
L5剖面长2 200 m,方位90°,共计56个测点。通过反演可知,1 560~2 040号点,高程600~-100 m处,有一低阻异常带延伸,结合地质、水文等资料综合分析,推断由构造F3、F10共同引起,二者均倾向西;2 880~3 000号点,高程600~300 m处有一低阻异常呈垂向延伸,位置上与构造F4对应较好,结合地质、水文等资料综合分析,推断由构造F4引起,近直立(图2)。
图2
其他几个剖面反演结果均与L5剖面反演结果相关联:L1剖面反演异常推断构造F3、F4、F10共同引起;L2剖面反演异常与构造F3、F4、F10位置对应较好;L3剖面反演异常推断由构造F4和F10共同引起;L4剖面反演异常推断由构造F3引起;L6剖面反演异常推断由构造F3、F4引起。各个剖面电阻率反演断面结果进行平面投影,共推测出4条断层。
3.2 微动测深
在研究区共设置微动测深11点,沿L3、L4剖面布设,通过对频散曲线的计算得到各点下方的视S波速度,进而在剖面上进行插值,得到视S波速度剖面,观察明显的梯级带、等值线的同形扭曲或同向扭曲部位,掌握视横波速度相对变化规律,用以进行地质推断和解释。结果显示(图3):从上到下,视横波速度从1 500 m/s逐渐增大到4 000 m/s。海拔400 m以下浅范围内,基岩出露区存在明显的低速异常,而第四系覆盖层,视横波速度变化不大。桩号200~300 m之间存在明显梯级带,结合剖面所在位置,推断为CSAMT解译断层F2,倾向N,倾角80°;桩号550~650 m之间,存在明显梯级带,推断为断层F3,倾向S,倾角60°;桩号1 200~1 300 m之间,存在明显梯级带,推断为断层F10,倾向N,倾角74°;桩号1 600~1 700 m之间,存在明显梯级带,推断为断层F4,倾向北,倾角80°。
图3
3.3 放射性氡气剖面测量
对研究区进行1∶5 000放射性氡气剖面测量,通过对氡气测量数据的统计,热水汤地区土壤氡气的平均值为2.36 Bg/L,标准偏差2.84 Bq/L,以+0.5 S确定异常下限,异常下限为3.78 Bg/L。与可控源音频大地电磁法一致,对L1~L6剖面进行解释推断,剖面异常信息提取是以原始数据为样本,测点对应工作区的异常下限为氡异常点划分标准,高于异常下限的点可视为异常点,忽略突变单点异常,截取连续高值或异常点,把连续2个高值或异常点以上(包含2个)的区段进行趋势分析和异常区段划分,利用异常宽度、峰背比、平均异常衬度进行异常强度评价进而判别断裂构造的活动性。L5剖面测得高值点13个,在360~520 m(区段Ⅰ)有5个氡异常点,宽度约200 m,峰背比为3.87,平均异常衬度为3.36;在960~1 080 m(区段Ⅱ)有3个氡高值点,宽度约160 m,峰背比为3.99,平均异常衬度为5.15。在1 640~1 720 m(区段Ⅲ)有2个氡高值点,宽度约120 m,峰背比为1.22,平均异常衬度为2.14。3个异常区段相应解释推断出3条断层,围岩为新太古界乌拉山岩群角闪斜长片麻岩(图4)。其他剖面均有异常显示并解释推断出相应断层。
图4
根据各个剖面土壤氡气测量结果,共解释推断出F1~F6共6条断层(图5),其中F1和F6断层走向为NEE向,F2~F5断层走向为NW向;F1~F3、F6发育于新太古界乌拉山岩群角闪斜长片麻岩中,F4和F5断层贯穿了新太古界乌拉山岩群角闪斜长片麻岩和三叠纪细粒二长花岗岩。
图5
图5
综合物探方法结果对比验证
Fig.5
The comparison results of integrated geophysical exploration methods
4 对比验证与综合推断
将CSAMT各个剖面电阻率反演断面结果进行平面投影,显示(图5)该方法推断的断层共有4条,其中F3、F4、F10分别与重力解释推断断层F3、F4、F10相对应,走向基本吻合,仅F3断层位置稍有偏差;因为本次物探剖面未覆盖重力解释推断断层F2所在区域,难以确定CSAMT推断F2断层是否与其有对应关系。微动测深结果与CSAMT推断断层F2、F3、F4、F10有较好的对应关系。土壤氡气测量共解释推断出6条断层,总体上与重力解释断层、CSAMT推断断层一致,其中土壤氡气测量解释断层F1、F3、F4、F6与CSAMT推断断层F2、F3、F4、F10对应性较好。综上,CSAMT、微动测深与放射性氡气剖面测量3种方法结果对比结果并相互验证,证实存在NW向断层F3、F4和NE向断层F10,F3与F10交汇,且附近水温异常、水化学异常,与区域地温场特征和地下水化学特征相关联。在深度及倾向方面,CSAMT推断断层与微动测深结果相互印证,其中与F3断层一致性较好,深度在-900 m左右,倾向S。
根据物探探测及化探辅助验证,结合研究区地质特征、地温场特征和地下水化学特征,进行地热地质条件综合推断:除已证实热水汤断裂构造控制地热资源外,研究区内的林家地变电所及其邻近区域具备地热形成的盖、储、通、源4个基本条件。该区域内NW向构造F3、NE向构造F10附近有明显的重力异常,并有明显的相对低阻异常带延伸,电阻率差异形成梯级带,沿断裂带一线有高温点控制,有明显的水温异常(水温为15.3 ℃)和水化学异常显示。由此推测F3、F10构造推测为主要控热构造,这些断裂切割较深,导水裂隙较发育,与深部热源导通,因断裂的导水作用形成裂隙承压水,推测热储层分布于控热构造F3、F10,热储岩性推测主要为花岗岩类。本次发现的林家地变电所地热异常区位于热水汤地热下游,推测其盖层与热水汤相似,主要由砂砾碎石、粉土和砂砾岩、泥岩、凝灰岩等组成,盖层厚度会更大,厚度约100 m,热储埋藏条件较好。林家地变电所一带控热构造F3、F10推测为张性断裂带,F3倾向S,F10倾向N,推测通道深度位置为地下埋深100~800 m,张开度及裂隙率较大,围岩透水好,有利于地下水的富集及流通,是地下热水的良好导水通道,推测其地热资源类型为断裂深循环型地热水型地热。通过收集资料及现场调查初步确定了热源的存在,控热构造F3、F10推测为深大活动的深断裂带,林家地变电所地热异常区的热源主要由这些深大活动的深断裂带将深部岩浆上涌的热源进行传导,通过对流的方式带到地壳浅层。热水的补给区位于附近的基岩山区,断裂构造较发育,岩石节理裂隙发育,透水性强,大气降水后,通过节理裂隙和断层曲折向下渗透形成基岩裂隙承压水,进入深部断裂导热带(热储层)逐渐加温,最终形成地下热水资源。
5 钻探验证与效果分析
5.1 钻探孔位置确定
5.2 钻探验证效果分析
按照孔位设计开展钻探工作,终孔深度为958.45 m。钻孔地层主要为第四系上更新统坡洪积(
表2 ZK1钻孔地层结构
Table 2
深度范围/m | 岩性 | 厚度/m |
---|---|---|
0~40.95 | 粉土 | 40.95 |
40.95~53.15 | 黑云角闪斜长片麻岩 | 12.20 |
53.15~59.95 | 安山质角砾晶屑岩屑凝灰岩 | 6.80 |
59.95~75.62 | 黑云角闪斜长片麻岩 | 15.67 |
75.62~94.96 | 蚀变破碎带 | 19.34 |
94.96~148.32 | 黑云角闪斜长片麻岩 | 53.36 |
148.32~153.58 | 蚀变破碎带 | 5.26 |
153.58~575.16 | 黑云角闪斜长片麻岩、闪长岩 | 421.58 |
575.16~580.88 | 蚀变破碎带 | 5.72 |
580.88~608.88 | 黑云角闪斜长片麻岩 | 28.00 |
608.88~633.08 | 蚀变破碎带 | 24.20 |
633.08~665.42 | 黑云角闪斜长片麻岩 | 32.34 |
665.42~695.90 | 蚀变破碎带 | 30.48 |
695.90~934.24 | 黑云角闪斜长片麻岩、闪长岩 | 238.34 |
934.24~937.24 | 蚀变破碎带 | 3.00 |
937.24~958.45 | 黑云角闪斜长片麻岩 | 21.21 |
6 结论
在前期地质及勘查资料分析的基础上,本次利用水井水温调查和地热特有组分分析初步确定异常区,在地热异常区综合运用多种物探方法及化探方法辅助验证,推断研究区内地热形成的盖、储、通、源条件,进而指导钻探布置,钻探验证效果较好,可为后期地热资源开发提供重要依据。本文所取得的主要成果认识如下:
1)此次研究通过水井水温调查,发现林家地变电所水井水温(15.3 ℃)较高,地热水指标的F-、H2SiO3、Na+、
2)通过可控源音频大地电磁法、微动测深、放射性氡气剖面测量等工作手段,对研究区地质构造进行了深部控制,推断地热异常区受断裂构造F3、F10直接影响和控制,因断裂的导水作用形成裂隙承压水,被侵入的花岗岩所构成的热源以对流传热方式加热,再沿断裂、裂隙上升,形成了热水储集层。
3)通过钻探验证,地热异常区含水层层位较多,940 m时水温59.7 ℃,达到了温热水的温度分级。F-、H2SiO3等含量达到了医疗价值浓度,具有较高的开发利用价值。
4)可控源音频大地电磁法与微动测深联合探测,并结合放射性氡气剖面测量验证,该方法组合可以快速查明区域隐伏断裂、裂隙破碎带位置、宽度及展布方向,推测覆盖层厚度、基底起伏、目标层岩性及厚度进而圈定地热异常范围和热储体的空间分布等。本研究能够为中深层地热资源勘查开发提供依据,具有推广应用价值。
参考文献
Locating geothermal resources using seismic exploration in Xian County,China
[J].
碳中和目标驱动下干热岩和增强型地热系统增产技术发展
[J].
Stimulation technology development of hot dry rock and enhanced geothermal system driven by carbon neutrality target
[J].
Geothermal resources for sustainable development:A case study
[J].
Thermodynamic analysis and multi-objective optimization of a novel power generation system driven by geothermal energy
[J].
大型岩溶热储识别方法与规模化可持续开采技术
[J].
Identification method of large-scale Karst thermal storage and large-scale sustainable mining technology
[J].
关中盆地西安凹陷地热水赋存特征及其资源量估算
[J].
On the occurrence characteristics and the estimation of geothermal water in Xi'an Sag,Guanzhong Basin
[J].
我国中深层地热资源赋存特征、发展现状及展望
[J].
Occurrence characteristics,development status,and prospect of deep high-temperature geothermal resources in China
[J].
可控源音频大地电磁法(CSAMT)在茅山地热资源勘查中的应用
[J].
The application of controlled source audio-frequency magnetotelluric method in geothermal resource exploration in Mount Maoshan,Jiangsu Province
[J].
CSAMT及MT在寻找城市地热资源中的应用
[J].
The application of CSAMT and MT in searching for urban geothermal resources
[J].
可控源音频大地电磁测深法在西藏羊八井地热田勘查中的应用效果
[J].
Application effect of controlled source audio-frequency magnetotelluric sounding method in geothermal field of yambajanin Tibet
[J].
大地电磁测深法在银川盆地地热资源调查评价中的应用
[J].
The application of magnetotelluric sounding to geothermal resources assessment in Yinchuan Basin
[J].
音频大地电磁法在地热勘查中的应用——以福建省宁化县黄泥桥地区为例
[J].
The application of audio frequency magnetotelluric method to the geothermal exploration:A case study of Huangniqiao Area,Ninghua County,Fujian Province
[J].
高密度电法在江西于都黄麟地区地热勘查中的应用
[J].
Application of high-density resistivity method in geothermal exploration in Huanglin Area of Yudu County,Jiangxi Province
[J].
综合物探方法在火成岩区寻找地热资源的探讨——以山西省某地区地热勘查为例
[J].
Discussion on comprehensive geophysical method in searching for geothermal resources in igneous rock area:An example of geothermal exploration in a certain area of Shanxi
[J].
地球物理方法在带状热储地热资源调查中的应用——以湖南省汝城县热水镇朱屋区为例
[J].
The application of geophysical methods in the investigation of geothermal resources with banded reservoir—Taking an example of Zhuwu favorable area,in Hot Water town,Rucheng County,Hunan Province
[J].
微动勘查技术在地热勘探中的应用
[J].
The application of fretting exploration technology in the exploration of middle and deep clean energy
[J].
利用微动高分辨率频率—波数谱法探测技术勘探地热资源
[J].
Prospecting geothermal resource based on microtremor high-resolution frequency-wavenumber spectrum detection technique
[J].
活性炭测氡法在地热勘探中的应用——以张掖—民乐盆地为例
[J].
Application of the activated charcoal radon measurement in the geothermal exploration:A study of the Zhangye-Minle Basin
[J].
综合地球物理勘探在辽西绥中地区地热资源勘查中的应用
[J].
The application of comprehensive geophysical exploration technique to exploration of geothermal resources in Suizhong district of western Liaoning Province
[J].
综合物探方法在安徽沱湖地区地热勘查中的应用
[J].
Application of integrated geophysical method to geothermal exploration in tuohu area of Anhui Province
[J].
地球物理方法在武川盆地地热勘查中的应用
[J].
Application of geophysical methods in geothermal exploration in Wuchuan Basin
[J].
综合地球物理勘探在齐齐哈尔地区低温地热系统调查中的应用——以HLD1井为例
[J].
Application in geothermal survey of low temperature system by integrated geophysical exploration in the Qiqihar Area:Take the well HLD1 as an example
[J].
综合物探方法在滨海县月亮湾地热资源勘查中的应用
[J].
Application of a comprehensive geophysical exploration methods in the exploration of geothermal resources in Yueliangwan,Binhai County
[J].
综合物探技术在济南北部地热勘查中的应用
[J].
Application of integrated geophysical exploration technology in the geothermal exploration of northern Jinan
[J].
基于MORPAS的敖汉旗林家地金多金属成矿远景区预测
[J].
The prediction of gold and other polymetallic metallogenic prospective area in the Linjiadi Area of Aohanqi based on MORPAS
[J].
/
〈 |
|
〉 |
