何勝, 汪萬(wàn)錄, 趙文強(qiáng), 潘軍

(1.青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局, 西寧 810008; 2.青海省環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西寧 810008; 3.東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院, 南昌 330013; 4.青海九零六工程勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司, 西寧 810007;5.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西寧自然資源綜合調(diào)查中心, 西寧 810021)

中國(guó)地?zé)豳Y源類型多樣,不同的地質(zhì)背景造就了不同類型資源。中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所按地?zé)崽锏臏囟醛p熱儲(chǔ)形態(tài)、規(guī)模和構(gòu)造的復(fù)雜程度,將地?zé)崽锟辈轭愋蛣澐譃閮深惲?即為:Ⅰ-1型(熱儲(chǔ)呈層狀,巖性和厚度變化不大或呈規(guī)則變化,地質(zhì)構(gòu)造條件比較簡(jiǎn)單);Ⅰ-2型(熱儲(chǔ)呈帶狀,受構(gòu)造斷裂及巖漿活動(dòng)的控制,地質(zhì)構(gòu)造條件比較復(fù)雜);Ⅰ-3型(兼有層狀熱儲(chǔ)和帶狀熱儲(chǔ)特征,彼此存在成生關(guān)系,地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜);Ⅱ-1型(熱儲(chǔ)呈層狀,分布面廣,巖性,厚度穩(wěn)定或呈規(guī)則變化,構(gòu)造條件比較簡(jiǎn)單);Ⅱ-2型(熱儲(chǔ)呈帶狀,受構(gòu)造斷裂控制,規(guī)模較小,地面多有溫、熱泉出露);Ⅱ-3型(兼有層狀熱儲(chǔ)和帶狀熱儲(chǔ)特征,彼此存在成生關(guān)系,地質(zhì)構(gòu)造條件比較復(fù)雜)[1-3]。層狀熱儲(chǔ)是沉積盆地傳導(dǎo)型地?zé)醿?chǔ),帶狀熱儲(chǔ)受地質(zhì)構(gòu)造控制,隆起山地?cái)嗔褜?duì)流型地?zé)醿?chǔ),斷裂構(gòu)造作為地?zé)崃黧w運(yùn)移的通道,是地?zé)豳Y源勘查的標(biāo)志之一,兩種熱儲(chǔ)其受構(gòu)造條件控制,它們都具有不同的資源潛力[4-5]。

近年來(lái),不少勘探單位應(yīng)用不同的物探方法進(jìn)行地?zé)峥辈槿〉昧舜罅砍晒?為地?zé)衢_發(fā)利用做出了一定的貢獻(xiàn)。通過(guò)高精度磁測(cè)可確定火山巖、侵入巖及蝕變帶的分布位置,可間接劃定地?zé)岙惓０袇^(qū)[6-10];微動(dòng)探測(cè)方法對(duì)深部低速層分辨率較高,對(duì)破碎帶低速異常體探測(cè)效果良好,能有效圈定含水破碎帶區(qū)域,且具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力,有助于提高地?zé)峥辈榫萚11-14]。利用多種物探方法相互結(jié)合來(lái)查明地?zé)岬刭|(zhì)條件成為更為科學(xué)的做法[15-19],地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)的深部地?zé)峥碧?采用深孔測(cè)溫測(cè)量、高精度重力剖面、微動(dòng)探測(cè)法(the microtremor survey method,MSM)、可控源音頻大地電磁法(controllable source audio magnetic technique,CSAMT)組成的綜合物探方法,可以準(zhǔn)確查明深部地?zé)岬姆植继卣鱗20-21]。針對(duì)不同地?zé)岬刭|(zhì)背景、不同熱儲(chǔ)類型,合理選取多種物探方法的優(yōu)化組合,對(duì)實(shí)際的地?zé)峥辈殚_發(fā)具有很好的指導(dǎo)意義。

以青海同仁盆地為例,在前人資料的基礎(chǔ)上,利用1∶5萬(wàn)地面高精度磁測(cè)、微動(dòng)探測(cè)、可控源音頻大地電磁法,反演推斷了隱伏構(gòu)造、基底起伏形態(tài)及侵入巖體范圍等,綜合分析同仁盆地地?zé)峥辈轭愋?并結(jié)合“蓋、儲(chǔ)、通、源”4個(gè)必備條件,給出地?zé)岙惓０袇^(qū)。

1 研究區(qū)地質(zhì)與地球物理概況

1.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于青藏高原東北部與隴東黃土高原的過(guò)渡地帶。隆務(wù)河自南向北穿越研究區(qū),境內(nèi)山嶺起伏,溝谷縱橫,整體地勢(shì)特征是東西兩側(cè)高中間低,南高北低。出露地層由老到新主要有:石炭-二疊系(CP)、三疊系(T)、侏羅系(J)、白堊系(K)、新近系(N)、第四系(Q)及侵入巖等(圖1)。研究區(qū)地處青海南山—澤庫(kù)巖漿帶內(nèi),屬走滑深熔巖石構(gòu)造組合,花崗巖較發(fā)育,呈帶狀或橢圓狀分布于斷裂帶或一側(cè),侵入時(shí)代主要為晚三疊世。

圖1 同仁盆地地質(zhì)及工作部署圖Fig.1 Geological and work deployment map of Tongren Basin

研究區(qū)的大地構(gòu)造位置屬于秦祁昆結(jié)合部,同仁盆地內(nèi)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育,主要以北北東向斷裂為主,其次為東西向斷裂。從各組斷裂相交切割關(guān)系上看,近東西向斷裂形成時(shí)間較晚,活動(dòng)性較強(qiáng),而近南北向斷裂形成時(shí)間較早,活動(dòng)性較弱(圖1)。

1.2 地球物理特征

介質(zhì)物性是地球物理解釋的依據(jù)和基礎(chǔ)。研究區(qū)物性特征主要依據(jù)孔旁測(cè)深、DR1測(cè)井資料統(tǒng)計(jì)、巖性標(biāo)本測(cè)試、以往物探資料統(tǒng)計(jì)及本次物探工作速度斷面資料綜合分析結(jié)果對(duì)研究區(qū)地層物性特征進(jìn)行詳細(xì)劃分。

1.2.1 磁異常特征

開展地面高精度磁測(cè)工作時(shí)在本區(qū)采集磁物性標(biāo)本129塊,巖性包括花崗閃長(zhǎng)巖、安山巖、砂礫巖和砂板巖等。主要巖性標(biāo)本磁物性標(biāo)本統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

表1 研究區(qū)磁物性標(biāo)本(巖性)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of magnetic physical property specimens (lithology) in the study area

由表1可以看出,研究區(qū)內(nèi)各類巖性之間存在明顯的磁性差異?；◢忛W長(zhǎng)巖和安山巖磁化率、剩余磁化強(qiáng)度最大,屬高磁特征;砂板巖和砂礫巖次之,屬中等磁性特征;雖然未測(cè)量泥巖標(biāo)本,但根據(jù)以往工作數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),泥巖屬于弱磁特征;上述巖性磁性差異較為明顯,并與之地層巖性速度差異變化規(guī)律一致,有利于物探工作的推斷解譯。

1.2.2 電物性特征

開展可控源大地電磁測(cè)深工作時(shí)在野外露頭采集數(shù)據(jù)72組,測(cè)試結(jié)果詳見(jiàn)表2?？梢钥闯?巖性不同,電阻率和極化率也不盡相同,土層電阻率和極化率都較低,泥巖次之,花崗閃長(zhǎng)巖電阻率和極化率都相對(duì)較高。研究區(qū)各類巖性之間存在明顯的電性差異。

表2 研究區(qū)電物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of electrical and physical parameters in the study area

1.2.3 面波速度物性特征

通過(guò)收集DR1鉆孔波速測(cè)井資料、微動(dòng)探測(cè)法DR1孔旁測(cè)深數(shù)據(jù)及實(shí)測(cè)露頭剖面資料統(tǒng)計(jì)分析得出表3研究區(qū)地層、巖石速度特征表。從表3可看出,第四系(Q)和新近系(N)地層速度較小,古近系(E)和白堊系(K)地層速度為中速,基底巖性速度最高。蓋、儲(chǔ)層與基底三疊系(T)砂板巖、花崗巖地層速度差異較為明顯。

表3 速度參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of speed parameter

2 地?zé)岙惓Ｌ卣?/h2>

據(jù)研究區(qū)內(nèi)地?zé)峥捉沂?該孔蓋層底板為879.65 m,巖性為第四系砂卵礫石層及新近系的厚層泥巖、砂質(zhì)泥巖。巖石致密堅(jiān)硬,裂隙不發(fā)育,具有良好的隔水保溫性能,形成一個(gè)良好的隔水保溫層。熱儲(chǔ)層埋深在879.65 m以下,揭露厚度為920.85 m,巖性為白堊系砂礫巖、粗礫巖。熱源一方面來(lái)源于地層的自然增溫,熱儲(chǔ)層段溫度為51.48～90.25 ℃,熱儲(chǔ)層段地?zé)崽荻葹?.38 ℃/100 m,全孔地?zé)崽荻葹?.5 ℃/100 m;另一方面受F15斷層導(dǎo)熱加熱,由于F15導(dǎo)熱加速了地層溫度的增加,從而使孔內(nèi)溫度高達(dá)90.25 ℃,孔內(nèi)溫度由物探測(cè)井所得,如圖2所示。由此驗(yàn)證研究區(qū)熱儲(chǔ)類型為以盆地傳導(dǎo)型的層狀熱儲(chǔ)為主,斷裂對(duì)流型帶狀熱儲(chǔ)為輔的Ⅱ-3型。

圖2 DR1井物探測(cè)井測(cè)溫變化曲線圖Fig.2 Temperature change curve of geophysical logging of well DR1

3 綜合地球物理方法應(yīng)用分析

地面物探工作布置了3種物探方法,1∶5萬(wàn)地面高精度磁測(cè)覆蓋了整個(gè)研究區(qū),再基于1∶5萬(wàn)磁測(cè)資料布置了3條MSM剖面和3條CSAMT探測(cè)剖面,如圖1所示。

3.1 地面高精度磁測(cè)

通過(guò)1∶5萬(wàn)地面高精度磁測(cè)成果發(fā)現(xiàn)了7處磁異常區(qū)域,以及3條區(qū)域性斷裂構(gòu)造,如圖3所示。推斷的F15斷層已被DR1鉆孔證實(shí),推斷解譯了一條沿隆務(wù)河河谷近南北向展布的F3斷層,規(guī)模巨大,區(qū)內(nèi)解譯長(zhǎng)度約30 km。圈定的7處磁異常區(qū)結(jié)合地?zé)嵘w層規(guī)律M3異常最具地?zé)豳Y源潛力。1∶5萬(wàn)地面高精度磁測(cè)根據(jù)磁異常大小、范圍較為直觀的探測(cè)出花崗巖體的分布范圍及斷裂構(gòu)造的展布情況。

1為高精度磁測(cè)值;2為磁異常范圍及編號(hào);3為推斷斷裂位置及編號(hào);4為地?zé)峥讏D3 1∶5萬(wàn)地面高精度磁測(cè)等值線圖Fig.3 1∶50 000 high-accuracy ground magnetic survey contour map

3.2 MSM與CSAMT探測(cè)

微動(dòng)探測(cè)法具有野外觀測(cè)方便、無(wú)需人工震源、不受電磁干擾等優(yōu)勢(shì),結(jié)合CSAMT可有效探測(cè)盆地內(nèi)基底埋深及斷層分布情況等。MSM完成了3條剖面,共計(jì)268點(diǎn);在MSM探測(cè)成果的基礎(chǔ)上合理布置了3條CSAMT剖面共計(jì)154個(gè)測(cè)點(diǎn),由于研究區(qū)位于城區(qū)周邊,河谷兩側(cè)存在不同程度的電磁干擾源,故CSAMT和MSM剖面無(wú)法重合布置,CSAMT剖面選擇了電磁干擾較小的地段布置了3條短剖面輔助查明研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造及地層結(jié)構(gòu)。其中CSAMT探測(cè)的Ⅲ剖面由于位于同仁市區(qū)內(nèi),受電磁干擾影響數(shù)據(jù)質(zhì)量較差,無(wú)法對(duì)其推斷解釋,故CSAMT探測(cè)Ⅲ剖面不再展示。

基于MSM、CSAMT物探剖面的綜合反演分析,并結(jié)合地面高精度磁測(cè)結(jié)果,基本查明了Fw1、Fw2、F3、F7、F9、F11、F12等斷層的空間展布特征及基底埋深情況。如圖4所示為MSM探測(cè)的W1剖面,埋深在0～590 m,面波速度值在200～1 200 m/s變化,表現(xiàn)為低速特征,結(jié)合DR1鉆孔資料以及地層出露情況,推測(cè)為第四系(Q)泥質(zhì)砂礫卵石、亞砂土、黃土狀土和新近系(N)泥巖,為研究區(qū)良好的熱儲(chǔ)蓋層。埋深在200～1 000 m,面波速度值在1 150～1 700 m/s變化,為中低速地層反映,推測(cè)為古近系(E)泥質(zhì)砂礫巖,本套地層同樣為熱儲(chǔ)蓋層。埋深在500～1 500 m,面波速度值在1 700～2 200 m/s變化,為中速特征反映,根據(jù)鉆孔揭露地層巖性,推測(cè)為白堊系(K)砂礫巖,為盆地的主要熱儲(chǔ)層。深部速度值為工區(qū)高速異常特征表現(xiàn),變化范圍較大,隨著深度的增加,速度逐漸增大,表明盆地深部基巖為多種巖性組成,推測(cè)為三疊系(T)砂板巖或花崗巖,根據(jù)地面高精度磁測(cè)結(jié)果,存在高磁異常區(qū)基底為花崗巖、低磁區(qū)為砂板巖。

圖4 W1剖面微動(dòng)探測(cè)法綜合解譯圖Fig.4 Comprehensive interpretation map of W1 profile MSM

再結(jié)合MSM探測(cè)W2剖面(圖5)、W3剖面(圖6)和CSAMT探測(cè)Ⅰ剖面(圖7)、Ⅱ剖面(圖8),其中CSAMT探測(cè)Ⅱ剖面由于東側(cè)高壓線電磁干擾影響故無(wú)法再往東延伸探測(cè),探測(cè)結(jié)果圖無(wú)法較完整的顯示F3斷層形態(tài),但從電阻率等值線圖變化形態(tài),結(jié)合地層變化規(guī)律可粗略判斷其剖面東側(cè)有F3斷層通過(guò),綜合推測(cè)在盆地北側(cè)W3剖面隆務(wù)河西側(cè)斷層為F3和Fw1兩斷層的交匯,破碎帶西側(cè)深部速度值低于其東測(cè),電阻率等值線呈現(xiàn)“V”形異常,參考1∶5萬(wàn)磁法資料,推斷破碎帶西側(cè)基底巖性為三疊系砂板巖,東側(cè)為花崗巖。

圖5 W2剖面微動(dòng)探測(cè)法綜合解譯圖Fig.5 Comprehensive interpretation map of W2 profile MSM

圖7 Ⅰ剖面CSAMT綜合解譯圖Fig.7 Comprehensive interpretation map of Ⅰ profile CSAMT

圖8 Ⅱ剖面CSAMT綜合解譯圖Fig.8 Comprehensive interpretation map of Ⅱ profile CSAMT

綜上所述,可以明顯地得出MSM根據(jù)巖層速度的差異可以較好地進(jìn)行地層分層及斷層的劃分,可以很好地運(yùn)用在剖面探測(cè)中。CSAMT由于受電磁干擾等因素的影響在城鎮(zhèn)中心較難取得理想的數(shù)據(jù),但在電磁干擾較小的地段可以根據(jù)電阻率的差異判斷斷層的富水性及地層結(jié)構(gòu),可以較好地區(qū)分蓋、儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)。

4 地?zé)豳Y源遠(yuǎn)景區(qū)預(yù)測(cè)

研究區(qū)主要發(fā)育有松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙孔隙水和基巖裂隙水。而地下熱水資源主要賦存于白堊系(K)碎屑巖構(gòu)成的蓄水構(gòu)造中。在綜合分析地面高精度磁測(cè)、MSM剖面和CSAMT剖面成果解釋的基礎(chǔ)上并結(jié)合DR1鉆探結(jié)果和本區(qū)地?zé)釛l件特征從“蓋、儲(chǔ)、通、源”4個(gè)方面分析研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件。

蓋層厚度呈現(xiàn)西南厚、北東薄,整體沿F3斷層展布,呈一長(zhǎng)條形,較厚的位置位于F3斷層上盤。蓋層最厚處在研究區(qū)W1剖面66號(hào)點(diǎn)、W2剖面30、46號(hào)點(diǎn)、W3剖面30～38號(hào)點(diǎn)附近,蓋層厚度約1 300 m。熱儲(chǔ)層較厚地段主要分布在W1剖面26～66號(hào)點(diǎn)、W2剖面62～116號(hào)點(diǎn),熱儲(chǔ)層厚度為1 000～1 700 m,厚度最大在W2剖面的94號(hào)點(diǎn)附近,厚度約1 700 m。研究區(qū)的地下熱水主要接受南部基巖山區(qū)大氣降水入滲補(bǔ)給,部分地段通過(guò)盆地邊緣基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給。地下水經(jīng)過(guò)大區(qū)域、深循環(huán)徑流,局部地段沿?cái)嗔鸦驍嗔呀粎R處以泉的形式排泄地表。同仁盆地為一個(gè)受兩條正斷層(Fw1、F3)控制的斷陷盆地,正斷層的導(dǎo)水性好,有利于將南部的地下水向北運(yùn)移。帶狀熱儲(chǔ)熱源主要來(lái)源于斷裂構(gòu)造,該區(qū)區(qū)域上受北北西向斷裂控制,后期北東向斷裂與近東向斷裂發(fā)育,從區(qū)域上分析北西西向控制斷裂形成較早,屬多禾茂斷裂帶中的斷層,多禾茂斷裂帶為同仁盆地的區(qū)域?qū)釘鄬?為地下熱水及熱異常輸出主通道。由于北西西向斷裂切割較深,連通了地幔上部地?zé)崛?在北東與近東西向張性斷裂切割,形成了地?zé)嵬ǖ?如本次探測(cè)的F15斷層。

綜上分析,同仁盆地地?zé)峥辈轭愋蜑榧嬗袑訝顭醿?chǔ)和帶狀熱儲(chǔ)特征,彼此存在成生關(guān)系,地質(zhì)構(gòu)造條件比較復(fù)雜的Ⅱ-3型,根據(jù)MSM和CSAMT探測(cè)剖面結(jié)果結(jié)合鉆探揭露情況最終推斷出研究區(qū)蓋層、儲(chǔ)層厚度及基底埋深,如圖9所示。通過(guò)本次物探工作并結(jié)合“蓋、儲(chǔ)、通、源”4個(gè)必備條件,給出兩個(gè)地?zé)岙惓０袇^(qū),Ⅰ號(hào)地?zé)岙惓０袇^(qū)位于郭麻日—吳屯附近,其蓋層厚度為900～1 000 m,儲(chǔ)層厚度在1 000 m左右,導(dǎo)水通道為F3斷層,熱源來(lái)之深部地層的自然增溫,另一方面受F15斷層加熱。Ⅱ號(hào)地?zé)岙惓０袇^(qū)位于同仁市霍爾加附近,其蓋層厚度為1 200～1 300 m,儲(chǔ)層厚度在1 000 m左右,導(dǎo)水通道為F3斷層,熱源來(lái)自深部地層的自然增溫。

圖9 同仁盆地物探推測(cè)“蓋、儲(chǔ)”層厚度三維立體圖Fig.9 Three dimensional map of “cap and reservoir” thickness inferred by geophysical in Tongren Basin

5 結(jié)論

(1)針對(duì)青海同仁盆地Ⅱ-3型地?zé)峥辈轭愋偷难芯?1∶5萬(wàn)地面高精度磁測(cè)、微動(dòng)探測(cè)及可控源音頻大地電磁測(cè)深資料是有效的資料基礎(chǔ),DR1鉆孔成功鉆遇90.25 ℃地?zé)豳Y源驗(yàn)證了物探資料的有效性。

(2)合理的地球物理方法組合加正確的地?zé)豳Y源勘查思路是在Ⅱ-3型地?zé)犷愋椭械責(zé)峥辈榈年P(guān)鍵,研究成果表明在Ⅱ-3型地?zé)豳Y源勘查中采用如下地球物理探測(cè)流程:首先,采用1∶5萬(wàn)地面高精度磁測(cè)掃面在全工區(qū)范圍內(nèi)圈定磁異常區(qū)域;其次,針對(duì)圈定的磁異常區(qū)域并結(jié)合地面調(diào)查結(jié)果有針對(duì)性布置MSM剖面來(lái)查明斷裂構(gòu)造分布情況及地層結(jié)構(gòu)、基底埋深;最后,為了更精確的查明地?zé)岬刭|(zhì)情況再根據(jù)實(shí)際場(chǎng)地情況在電磁干擾較小地段合理布置CSAMT剖面以查明斷裂富水情況并結(jié)合上述物探成果詳細(xì)劃分“蓋、儲(chǔ)、通”等地?zé)釛l件。從而可更加精準(zhǔn)地判斷地?zé)岙惓Ｌ卣?在類似地?zé)峥辈轭愋蛥^(qū)應(yīng)用具有一定的示范意義。

(3)在同仁盆地地?zé)帷吧w、儲(chǔ)、通、源”組合的物探模型的基礎(chǔ)上,推斷了兩處地?zé)岙惓０袇^(qū),為該地區(qū)地?zé)豳Y源進(jìn)一步勘查、開發(fā)指明了方向。