黃力軍

(中國地質(zhì)科學院 地球物理地球化學勘查研究所，河北 廊坊 065000)

1 引 言

地殼最上層溫度受地面溫度周期性變化影響隨著深度增加而減少，到一定深度，地表溫度變化對深部的影響逐漸趨于消失，該深度的地溫基本保持恒定。地溫常年基本保持恒定的層、帶為“恒溫層”或“中性帶”。恒溫層以下，地溫的變化主要由地球內(nèi)部熱引起，隨深度增加而增加，稱為“增溫帶”或“內(nèi)熱帶”。

低溫傳導型地下熱水主體源自大氣降水，少部分為一定深度古沉積水[1]。增溫帶或者內(nèi)熱帶內(nèi)隨著深度增加溫度隨之增高，大氣降水在補給區(qū)地形高點通過斷層或者斷裂破碎帶向下滲透后進行深循環(huán)，地下水在涇流過程中在一定深度范圍內(nèi)不斷吸收圍巖熱量成為溫度不等的熱水，賦存于適當部位形成地下熱水資源。大多數(shù)低溫傳導型地熱資源有如下特點：主要靠斷裂破碎帶或者裂隙導水和蓄水，在地形高差影響和相應水力壓差作用下形成地下熱水環(huán)流系統(tǒng)。這類地熱系統(tǒng)中的地下水必須有足夠的水量和埋藏深度，才能在地下涇流中促使地下水升溫，形成地熱資源。在熱背景一定的條件下，地下水埋藏深度越大，熱水溫度越高。

通常情況下，低溫傳導型地熱資源埋深相對很大，開采風險也隨之加大。為了提高效率、降低成本、避免開采風險，開發(fā)低溫傳導型地熱資源之前必須進行地熱地質(zhì)勘查，為進一步地熱資源開發(fā)提供可靠依據(jù)。文中以三處早些年實際勘探結(jié)果為例，介紹了可控源音頻大地電磁測深在低溫傳導型地熱資源勘探中取得的成果。

可控源音頻大地電磁測深法(簡稱CSAMT法)采用定源觀測方式，具有勘探深度大、橫向分辨率高等優(yōu)點，一直是深部地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)和地熱資源勘查的有效手段[2-6]?？煽卦匆纛l大地電磁測深以觀測地下電阻率差異為勘查基礎(chǔ)，低阻異常一直是尋找地下熱儲的重要標識[7-10]。根據(jù)實測電阻率結(jié)果推斷熱儲蓋層、熱儲及控熱構(gòu)造空間分布等情況，是目前可控源音頻大地電磁測深地熱資源勘查主要的工作任務[11-15]。實際工作中，根據(jù)可控源音頻大地電磁測深勘查結(jié)果，結(jié)合當?shù)啬昶骄鶜鉁睾偷販靥荻?，設(shè)計地熱開發(fā)孔采水和終孔深度，從而完成低溫傳導型地熱資源勘探開發(fā)過程。

野外數(shù)據(jù)采集使用美國Zonge公司生產(chǎn)的GDP-32Ⅱ多功能電法儀，可控源音頻大地電磁測深采用赤道偶極裝置進行標量測量，供電極距AB=1 000 m，收發(fā)距r>5 000 m，測量電極距MN=50 m，測點距=50 m。數(shù)據(jù)反演采用一維圓滑模型反演解釋方法[16]，利用反演電阻率剖面進行地質(zhì)解釋。

2 應用實例

2.1 江蘇張家港

這是江蘇省張家港地熱開發(fā)實例。熱儲圍巖是碳酸鹽巖，一般情況下，碳酸鹽巖巖溶破碎發(fā)育，賦水性相對較好。根據(jù)已知地質(zhì)資料，區(qū)內(nèi)2 000 m以內(nèi)的地層分布由老到新大致是石炭系船山組(Cc)和黃龍組(Ch)灰?guī)r；二疊系棲霞組(Pq)灰?guī)r；二疊系龍?zhí)督M(Pl)和孤峰組(Pg)砂巖；二疊系長興組(Pc)灰?guī)r；三疊系青龍組(Tq)灰?guī)r；白堊系浦口組(Kp)砂巖；第四系(Q)亞黏土，粉細砂，含礫砂層。其中第四系厚度接近200 m，其他地層區(qū)內(nèi)厚度變化較大，且有不同程度缺失。區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂構(gòu)造發(fā)育，存在北東、北西向兩組斷裂。

沒有區(qū)內(nèi)相關(guān)電性資料，根據(jù)鄰區(qū)電阻率統(tǒng)計結(jié)果，第四系和白堊系電阻率小于50 Ω·m，二疊系以下巖石電阻率大于100 Ω·m。

圖1是江蘇張家港可控源音頻大地電磁測深勘查綜合剖面，圖中地層和斷裂是根據(jù)已知地質(zhì)資料推斷并提交給甲方的解釋成果。由圖可見，地表電阻率相對較低，隨著深度增加電阻率逐漸升高。x=1 400 m、1 800 m和2 600 m附近出現(xiàn)明顯電阻率異常，推斷這些電阻率異常為斷裂構(gòu)造(分別編號為F2、F3和F4)產(chǎn)生。根據(jù)反演電阻率推斷：地表相對低阻為第四系產(chǎn)生，第四系厚度100～200 m，第四系以下主體依次為三疊系青龍組(Tq)灰?guī)r、二疊系龍?zhí)督M(Pl)和孤峰組(Pg)砂巖、二疊系棲霞組(Pq)灰?guī)r。

圖1 江蘇張家港CSAMT勘查綜合剖面Fig.1 The comprehensive cross section of CSAMT exploration in Zhangjiagang, Jiangsu

根據(jù)實際地質(zhì)資料推斷二疊系龍?zhí)督M和孤峰組砂巖為地熱良好蓋層，二疊系棲霞組灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育，含水性相對較好?？煽卦匆纛l大地電磁測深實測結(jié)果顯示二疊系棲霞組灰?guī)r埋深應該在1 000 m以下，結(jié)合當?shù)仄渌Y料確認1 000 m以下溫度應該在40 ℃以上，由此推斷二疊系棲霞組灰?guī)r應是區(qū)內(nèi)最為經(jīng)濟實用的熱儲地層。另一方面，編號F3斷裂產(chǎn)生的低阻異常相對明顯，推斷其圍巖破碎程度相對較高。據(jù)此在x=1 800 m附近布設(shè)編號ZK1孔開發(fā)編號F3斷裂附近二疊系棲霞組灰?guī)r層位地下熱水，該孔在h=960 m見到二疊系灰?guī)r和斷裂構(gòu)造，與可控源音頻大地電磁測深實測推斷結(jié)果相差無幾。ZK1終孔深度1 296 m，出水溫度45 ℃，出水量1 200 m3/d。

2.2 江西東崗橋

這是江西省東崗橋地熱開發(fā)實例。區(qū)內(nèi)地表為第四系(Q)覆蓋，第四系以下依次為新近系(N)、白堊系(K)、三疊系(T)、石炭系(C)和元古界(Pt)。第四系主要為紅土和亞砂土，厚度小于20 m；新近系為紅土和礫石層，厚度為100～300 m；白堊系為紅色砂巖，厚度約1 000 m；白堊系下部為三疊系和石炭系碳酸鹽巖以及元古界的變質(zhì)巖。本區(qū)處在朱坊和羅山斷裂帶東延部位，地質(zhì)推測區(qū)內(nèi)深部可能發(fā)育有一系列復雜的疊瓦式推覆構(gòu)造。

區(qū)內(nèi)第四系很薄，其電阻率影響可以忽略不計；新近系和白堊系電阻率小于100 Ω·m；石炭系和三疊系碳酸鹽巖、元古界變質(zhì)巖電阻率大于500 Ω·m。

此項工作目的任務是采用可控源音頻大地電磁測深確定區(qū)內(nèi)白堊系底部界面，白堊系下部斷裂構(gòu)造分布情況，為區(qū)內(nèi)地熱開發(fā)提供可靠依據(jù)。這項工作的難點是：白堊系和新近系電阻率相對較低，且其累計厚度超過1 000 m，低阻屏蔽對電磁法實測解釋結(jié)果影響很大。

圖2是江西省東崗橋2線可控源音頻大地電磁測深綜合剖面，圖中淺部高阻不均勻體為人文干擾產(chǎn)生。由圖可見，h=-1 300 m附近為一呈階梯狀變化的電阻率界線，這個界線應為白堊系底界。分別在x=1 600 m、2 700 m、3 100 m、4 000 m、4 700 m和5 200 m附近出現(xiàn)縱向低阻異常，推斷這些低阻異常為斷裂構(gòu)造(分別編號為F1、F2、F3、F4、F5和F6)產(chǎn)生。根據(jù)電阻率推斷編號F1、F2、F3和F6斷裂為石炭-三疊(C-T)系碳酸鹽巖與元古界(Pt)變質(zhì)巖接觸界線，這些斷裂構(gòu)造組合就是所謂的“疊瓦式推覆構(gòu)造”。根據(jù)可控源音頻大地電磁測深勘探結(jié)果，區(qū)內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出深部斷裂構(gòu)造型地下熱水，單井日出水量超過2 000 m3/d,出水溫度超過50 ℃。從這個實例可以看出，在厚度很大的白堊系低阻覆蓋層屏蔽情況下，可控源音頻大地電磁測深反演電阻率能夠清楚地反映出深部白堊系底部界線，以及深部疊瓦式推覆構(gòu)造分布情況。

圖2 江西東崗橋CSAMT勘查2線綜合剖面Fig.2 The comprehensive cross section of CSAMT exploration along profile 2 in Donggangqiao, Jiangxi

2.3 遼寧阜新

這是遼寧阜新盆地(中生界盆地)盆緣斷裂勘查實例，熱儲圍巖是混合巖，完整混合巖基本不含水。工作區(qū)地表出露主要地層由老至新依次為：太古界建平群大營子組(Arjnd)片巖、片麻巖和斜長角閃巖；白堊系阜新組(K1f)頁巖、砂頁巖、粉砂巖、礫巖和煤層，白堊系阜新組是阜新煤田主要含煤層位；白堊系孫家灣組(K2s)礫巖、雜色砂巖、粉砂巖和砂質(zhì)頁巖；第四系(Q)黃土狀亞黏土、粉細砂和砂礫石層。工作區(qū)區(qū)域斷裂構(gòu)造發(fā)育，巖漿活動較強烈，地表見有花崗巖(γ)。北東向區(qū)域斷裂通過工作區(qū)(編號F1)。區(qū)內(nèi)第四系很薄，其對可控源音頻大地電磁測深結(jié)果影響可以忽略不計，白堊系巖石電阻率小于100 Ω·m，太古界片巖和片麻巖電阻率大于5 000 Ω·m，花崗巖電阻率大于5 000 Ω·m。

圖3是通過阜新盆地邊緣可控源音頻大地電磁測深綜合剖面。由圖可見，分別在x=800 m和x=1 600 m附近出現(xiàn)縱向低阻帶，推斷這兩處縱向低阻帶應該為斷裂構(gòu)造產(chǎn)生(分別編號為F1和F2)。根據(jù)平面地質(zhì)資料推斷:其中編號F1為阜新盆地盆緣斷裂，編號F2斷裂為太古界和花崗巖體接觸界線，兩種巖性斷裂(編號F2)接觸。兩個斷裂均傾向剖面小號點，斷裂傾角相對很陡。

圖3 遼寧阜新CSAMT勘查綜合剖面Fig.3 The comprehensive cross section of CSAMT exploration in Fuxin, Liaoning

其中編號F1斷裂上盤淺部電阻率相對很低，應為白堊系巖層，最大厚度超過500 m；深部為太古界片巖和片麻巖，斷裂下盤為太古界片巖和片麻巖。編號F1斷裂引起的低阻帶相對很寬，推斷斷裂內(nèi)巖層相對破碎，應該是賦水有利地段；編號F2斷裂下盤是花崗巖，這個斷裂應該是開發(fā)地熱資源有利地段?？紤]到甲方地域權(quán)屬問題，建議地熱開發(fā)井(編號ZK3)位于編號F1上盤x=950 m附近開發(fā)斷裂構(gòu)造熱水。當年探采孔施工到深度1 800 m附近時地下熱水流出地表(未洗井)，出水溫度42 ℃(應有冷水混入)。

3 結(jié) 語

地下熱儲主要依靠斷裂破碎帶或者裂隙導水和蓄水，通常情況下低溫傳導型熱儲埋藏深度很大，隨著深度加大，地表觀測到由地下熱水引起的電阻率差異越來越小，以至難以觀測到由地熱變化引起的電阻率異常。低溫傳導型地熱資源勘查的主要任務是確定地層和地質(zhì)構(gòu)造分布等情況，利用勘查結(jié)果推斷熱儲蓋層、導熱通道和地下熱水空間分布等情況，同時考慮熱儲所在深度溫度是否滿足需要，為進一步地熱資源開發(fā)提供可靠依據(jù)。

本次研究中給出三處低溫傳導型地熱資源可控源音頻大地電磁測深勘查實例?？辈榻Y(jié)果表明，可控源音頻大地電磁測深能夠完成常規(guī)條件下低溫傳導型地熱資源勘查工作任務。

文中前兩項的工作成果均在2003年以前完成，這兩項地熱開發(fā)成果推動了當?shù)丶爸苓叺貐^(qū)深部地熱資源勘探開發(fā)利用工作進程。