可控源音频大地电磁测深低温传导型地热资源勘查实例
发布时间：2021-05-17
摘要：低温传导型地下热水是我国主要地热资源类型，低温传导型地热资源通常埋藏深度相对较大，随着地热资源埋藏深度加大，开采风险也随之加大。为了减少投资风险，深部地热资源开发前必须进行地球物理勘查，可控源音频大地电磁测深是地热资源勘查常用手段。根据实测结果确定实测区域地层及地质构造分布，以此推断出区内热储及热储盖层空间分布情况，为进一步地热资源开发提供可靠依据，是可控源音频大地电磁测深地热资源勘查工作主要目的任务。文中三个深部地热勘查实际应用实例可以清楚地展示出可控源音频大地电磁测深在低温传导型地热资源勘查中的作用和实际应用成果。
关键词：可控源音频大地电磁;电阻率;低温传导型地热资源;热储;断裂构造
1引言
地壳最上层温度受地面温度周期性变化影响随着深度增加而减少，到一定深度，地表温度变化对深部的影响逐渐趋于消失，该深度的地温基本保持恒定。地温常年基本保持恒定的层、带为“恒温层”或“中性带”。恒温层以下，地温的变化主要由地球内部热引起，随深度增加而增加，称为“增温带”或“内热带”。
低温传导型地下热水主体源自大气降水，少部分为一定深度古沉积水[1]。增温带或者内热带内随着深度增加温度随之增高，大气降水在补给区地形高点通过断层或者断裂破碎带向下渗透后进行深循环，地下水在泾流过程中在一定深度范围内不断吸收围岩热量成为温度不等的热水，赋存于适当部位形成地下热水资源。大多数低温传导型地热资源有如下特点：主要靠断裂破碎带或者裂隙导水和蓄水，在地形高差影响和相应水力压差作用下形成地下热水环流系统。这类地热系统中的地下水必须有足够的水量和埋藏深度，才能在地下泾流中促使地下水升温，形成地热资源。在热背景一定的条件下，地下水埋藏深度越大，热水温度越高。
通常情况下，低温传导型地热资源埋深相对很大，开采风险也随之加大。为了提高效率、降低成本、避免开采风险，开发低温传导型地热资源之前必须进行地热地质勘查，为进一步地热资源开发提供可靠依据。文中以三处早些年实际勘探结果为例，介绍了可控源音频大地电磁测深在低温传导型地热资源勘探中取得的成果。
可控源音频大地电磁测深法(简称CSAMT法)采用定源观测方式，具有勘探深度大、横向分辨率高等优点，一直是深部地质构造、水文地质和地热资源勘查的有效手段[2-6]。可控源音频大地电磁测深以观测地下电阻率差异为勘查基础，低阻异常一直是寻找地下热储的重要标识[7-10]。根据实测电阻率结果推断热储盖层、热储及控热构造空间分布等情况，是目前可控源音频大地电磁测深地热资源勘查主要的工作任务[11-15]。实际工作中，根据可控源音频大地电磁测深勘查结果，结合当地年平均气温和地温梯度，设计地热开发孔采水和终孔深度，从而完成低温传导型地热资源勘探开发过程。
野外数据采集使用美国Zonge公司生产的GDP-32Ⅱ多功能电法仪，可控源音频大地电磁测深采用赤道偶极装置进行标量测量，供电极距AB=1000m，收发距r>5000m，测量电极距MN=50m，测点距=50m。数据反演采用一维圆滑模型反演解释方法[16]，利用反演电阻率剖面进行地质解释。
2应用实例
2.1江苏张家港
这是江苏省张家港地热开发实例。热储围岩是碳酸盐岩，一般情况下，碳酸盐岩岩溶破碎发育，赋水性相对较好。根据已知地质资料，区内2000m以内的地层分布由老到新大致是石炭系船山组(Cc)和黄龙组(Ch)灰岩;二叠系栖霞组(Pq)灰岩;二叠系龙潭组(Pl)和孤峰组(Pg)砂岩;二叠系长兴组(Pc)灰岩;三叠系青龙组(Tq)灰岩;白垩系浦口组(Kp)砂岩;第四系(Q)亚黏土，粉细砂，含砾砂层。其中第四系厚度接近200m，其他地层区内厚度变化较大，且有不同程度缺失。区内褶皱、断裂构造发育，存在北东、北西向两组断裂。
没有区内相关电性资料，根据邻区电阻率统计结果，第四系和白垩系电阻率小于50Ω·m，二叠系以下岩石电阻率大于100Ω·m。
图1是江苏张家港可控源音频大地电磁测深勘查综合剖面，图中地层和断裂是根据已知地质资料推断并提交给甲方的解释成果。由图可见，地表电阻率相对较低，随着深度增加电阻率逐渐升高。x=1400m、1800m和2600m附近出现明显电阻率异常，推断这些电阻率异常为断裂构造(分别编号为F2、F3和F4)产生。根据反演电阻率推断：地表相对低阻为第四系产生，第四系厚度100～200m，第四系以下主体依次为三叠系青龙组(Tq)灰岩、二叠系龙潭组(Pl)和孤峰组(Pg)砂岩、二叠系栖霞组(Pq)灰岩。
根据实际地质资料推断二叠系龙潭组和孤峰组砂岩为地热良好盖层，二叠系栖霞组灰岩岩溶裂隙发育，含水性相对较好。可控源音频大地电磁测深实测结果显示二叠系栖霞组灰岩埋深应该在1000m以下，结合当地其它资料确认1000m以下温度应该在40℃以上，由此推断二叠系栖霞组灰岩应是区内最为经济实用的热储地层。另一方面，编号F3断裂产生的低阻异常相对明显，推断其围岩破碎程度相对较高。据此在x=1800m附近布设编号ZK1孔开发编号F3断裂附近二叠系栖霞组灰岩层位地下热水，该孔在h=960m见到二叠系灰岩和断裂构造，与可控源音频大地电磁测深实测推断结果相差无几。ZK1终孔深度1296m，出水温度45℃，出水量1200m3/d。
2.2江西东岗桥
这是江西省东岗桥地热开发实例。区内地表为第四系(Q)覆盖，第四系以下依次为新近系(N)、白垩系(K)、三叠系(T)、石炭系(C)和元古界(Pt)。第四系主要为红土和亚砂土，厚度小于20m;新近系为红土和砾石层，厚度为100～300m;白垩系为红色砂岩，厚度约1000m;白垩系下部为三叠系和石炭系碳酸盐岩以及元古界的变质岩。本区处在朱坊和罗山断裂带东延部位，地质推测区内深部可能发育有一系列复杂的叠瓦式推覆构造。
区内第四系很薄，其电阻率影响可以忽略不计;新近系和白垩系电阻率小于100Ω·m;石炭系和三叠系碳酸盐岩、元古界变质岩电阻率大于500Ω·m。
相关期刊推荐：《地球物理学报》创刊于1948年，主要刊载固体地球物理、应用地球物理、地磁和空间物理、大气和海洋地球物理，以及与地球物理密切相关的交叉学科研究成果的高质量论文。作者和读者对象主要为从事地球物理学、地球科学及其他相关学科的国内外科技工作者和大专院校师生。
此项工作目的任务是采用可控源音频大地电磁测深确定区内白垩系底部界面，白垩系下部断裂构造分布情况，为区内地热开发提供可靠依据。这项工作的难点是：白垩系和新近系电阻率相对较低，且其累计厚度超过1000m，低阻屏蔽对电磁法实测解释结果影响很大。
图2是江西省东岗桥2线可控源音频大地电磁测深综合剖面，图中浅部高阻不均匀体为人文干扰产生。由图可见，h=-1300m附近为一呈阶梯状变化的电阻率界线，这个界线应为白垩系底界。分别在x=1600m、2700m、3100m、4000m、4700m和5200m附近出现纵向低阻异常，推断这些低阻异常为断裂构造(分别编号为F1、F2、F3、F4、F5和F6)产生。根据电阻率推断编号F1、F2、F3和F6断裂为石炭-三叠(C-T)系碳酸盐岩与元古界(Pt)变质岩接触界线，这些断裂构造组合就是所谓的“叠瓦式推覆构造”。根据可控源音频大地电磁测深勘探结果，区内已经开发出深部断裂构造型地下热水，单井日出水量超过2000m3/d，出水温度超过50℃。从这个实例可以看出，在厚度很大的白垩系低阻覆盖层屏蔽情况下，可控源音频大地电磁测深反演电阻率能够清楚地反映出深部白垩系底部界线，以及深部叠瓦式推覆构造分布情况。
2.3辽宁阜新
这是辽宁阜新盆地(中生界盆地)盆缘断裂勘查实例，热储围岩是混合岩，完整混合岩基本不含水。工作区地表出露主要地层由老至新依次为：太古界建平群大营子组(Arjnd)片岩、片麻岩和斜长角闪岩;白垩系阜新组(K1f)页岩、砂页岩、粉砂岩、砾岩和煤层，白垩系阜新组是阜新煤田主要含煤层位;白垩系孙家湾组(K2s)砾岩、杂色砂岩、粉砂岩和砂质页岩;第四系(Q)黄土状亚黏土、粉细砂和砂砾石层。工作区区域断裂构造发育，岩浆活动较强烈，地表见有花岗岩(γ)。北东向区域断裂通过工作区(编号F1)。区内第四系很薄，其对可控源音频大地电磁测深结果影响可以忽略不计，白垩系岩石电阻率小于100Ω·m，太古界片岩和片麻岩电阻率大于5000Ω·m，花岗岩电阻率大于5000Ω·m。
图3是通过阜新盆地边缘可控源音频大地电磁测深综合剖面。由图可见，分别在x=800m和x=1600m附近出现纵向低阻带，推断这两处纵向低阻带应该为断裂构造产生(分别编号为F1和F2)。根据平面地质资料推断：其中编号F1为阜新盆地盆缘断裂，编号F2断裂为太古界和花岗岩体接触界线，两种岩性断裂(编号F2)接触。两个断裂均倾向剖面小号点，断裂倾角相对很陡。图3辽宁阜新CSAMT勘查综合剖面Fig.3ThecomprehensivecrosssectionofCSAMTexplorationinFuxin，Liaoning
其中编号F1断裂上盘浅部电阻率相对很低，应为白垩系岩层，最大厚度超过500m;深部为太古界片岩和片麻岩，断裂下盘为太古界片岩和片麻岩。编号F1断裂引起的低阻带相对很宽，推断断裂内岩层相对破碎，应该是赋水有利地段;编号F2断裂下盘是花岗岩，这个断裂应该是开发地热资源有利地段。考虑到甲方地域权属问题，建议地热开发井(编号ZK3)位于编号F1上盘x=950m附近开发断裂构造热水。当年探采孔施工到深度1800m附近时地下热水流出地表(未洗井)，出水温度42℃(应有冷水混入)。
3结语
地下热储主要依靠断裂破碎带或者裂隙导水和蓄水，通常情况下低温传导型热储埋藏深度很大，随着深度加大，地表观测到由地下热水引起的电阻率差异越来越小，以至难以观测到由地热变化引起的电阻率异常。低温传导型地热资源勘查的主要任务是确定地层和地质构造分布等情况，利用勘查结果推断热储盖层、导热通道和地下热水空间分布等情况，同时考虑热储所在深度温度是否满足需要，为进一步地热资源开发提供可靠依据。
本次研究中给出三处低温传导型地热资源可控源音频大地电磁测深勘查实例。勘查结果表明，可控源音频大地电磁测深能够完成常规条件下低温传导型地热资源勘查工作任务。
文中前两项的工作成果均在2003年以前完成，这两项地热开发成果推动了当地及周边地区深部地热资源勘探开发利用工作进程。——论文作者：黄力军
