综合物探方法勘查在沈阳新城子盆地地热勘查中的应用效果

蒋丽丽，李祎昕

辽宁省物测勘查院，辽宁沈阳112101

综合物探方法勘查在沈阳新城子盆地地热勘查中的应用效果

蒋丽丽，李祎昕

辽宁省物测勘查院，辽宁沈阳112101

应用重、磁面积性测量成果推测地质构造位置、性质和基本特征，确定主控地质构造；并依据重力异常圈定盆地总体轮廓，利用局部变化特征划分次级凹陷和凸起，确定次级凸起部位和其边缘断裂带为寻找地热资源的有利部位.利用可控源音频大地电磁法（CSAMT）剖面测量成果，根据断裂带上的垂向地电断面上的视电阻率变化特征，推断断裂性质和深部的岩石破碎程度以及含水情况.根据二维地震测量，进一步确定断裂性质，推断出最佳含水部位，最终确定地热井井位.经钻探验证，成井结果与推断基本一致，打出了较理想的地热井.说明所采用的技术思路正确，应用综合物探勘查方法寻找隐伏的地热资源非常有效.

综合物探方法；地热勘查；新城子盆地；辽宁省

辽宁沈北盆地内地热资源丰富，盆地规模大，覆盖层厚度大，含水层稳定、埋藏深、水温高，内部导水断裂发育，是寻找传导型地热的理想区域.沈北地区自2005年起进行了多次地热勘查工作，到目前为止在道义盆地和新城子盆地共施工地热井12眼，其中9眼打出地热，出水温度在60～82℃，日出水量平均在2000 t左右．因此在沈北地区打地热井成功率高，并具有地热水温高、水量大等特点．随着辽宁省政府提出要打造百个温泉小镇的目标的实施，地方政府及民营企业家越来越重视地热开发，研究总结有效开发地热资源的勘查方法，将对地方经济发展起到重要的作用.

1 地质背景

沈北地区（沈阳市区至开原威远堡以南）的盆地呈北东向展布，出露宽10～20 km，盆地的深度几百米—几千米，新城子盆地是其中的一个次级盆地.沈北盆地位于华北地台北缘郯庐断裂带中段，太古宙中晚期古陆核发生构造运动［1］，形成了北东—北北东向的郯庐断裂带，中新元古代发生了吕梁运动，形成了松辽盆地，接受了中元古界蓟县系的海相沉积，形成了铁岭组、洪水庄组及雾迷山组，是沈北地区的主要含水层.之后沈北地区处于抬升期，中生代晚期受环太平洋板块俯冲作用影响，发生了喜马拉雅运动.辽宁境内郯庐断裂带再次活动，沈北地区沿着北东向形成了一系列的断陷盆地，新生代接受了一套陆相-火山岩相的沉积［2］，形成了沈北地区传导型地热的盖层.

1．1 盖层地质特征

新城子盆地盖层主要由新生界的古近系、新近系及第四系地层组成.古近系为木梳屯组的玄武岩、玄武质凝灰岩及泥岩，杨连屯组的泥岩、页岩、粉砂岩夹煤线，洋河组的粉砂质泥岩，总厚度大于1000 m.新近系由邱家屯组的泥岩、砂岩、砾岩组成，厚度在200 m左右.第四系全新统由腐植土、砂砾石及亚黏土组成，厚度在30～150 m左右，盖层总厚度为1000～2500 m，盆地中心可达3000 m以上［3］.

1．2 储水层地质特征

储水层由覆盖在太古宙老地层之上的中元古界蓟县系铁岭组、洪水庄组及雾迷山组的灰岩、白云岩及大理岩组成，构成本区内的地热储水层.储水层厚度大于1000 m.

1．3 导水断裂构造特征

毛竹股份制合作社模式在安吉县探索发展已近10年[4]，在促进竹林经营向组织化、规模化、集约化的进程中发挥了重要作用，但新模式在实践过程中出现了很多问题，仍需要不断总结和探索。通过对横溪坞毛竹股份制合作社调研，对组建毛竹股份制合作社提出以下建议。

根据综合物探成果推断，北东（北北东）向断裂控制盆地的边缘，断裂产状较陡，倾角70～80°，倾向盆里，是主要导水断裂，北东向与北西向断裂交叉处是寻找地热最佳位置.

1．4 地球物理特征

1．4．1 岩性特征

该区为大面积第四系覆盖，因此，岩石物性参数仅依区域重磁资料及邻区钻孔资料收集所得，见表1.

从表1中看出：第四系松散层为低密度、无磁性和低电阻率；新近系＋古近系含煤、油页岩及泥岩、砂岩等岩性具低密度、低电阻率和无磁性的特征；新近系＋古近系页岩具电阻率偏高、无磁性和低密度特征；而木梳屯组安山凝灰岩及玄武岩电阻率均偏高，密度值虽然不高，但仍比其他岩性明显偏高；中元古界白云质大理岩破碎带（含水层位），其密度明显偏低，无磁性，电阻率仅为5～60 Ωm，赋水性越好、水温越高，其“三低”特征越明显，为本次地热勘查的重点目的层.中元古界白云质大理岩为高密度低磁性岩石，太古宇变质岩具高密度、高磁性和高电阻率的“三高”特征，构成凹陷区深部的结晶基底.

表1 沈北地区岩石物性参数简表Table 1 Geophysical parameters of rocks in Northern Shenyang area

1．4．2 地球物理场特征

从新城子盆地1∶25 000重磁测量成果反映的重磁特征看出，新城子盆地重力低反映明显，圈封曲线形态较完整，走向为北东向，其两侧为重力高异常，西北侧异常梯度变化比较大，东南侧异常梯度变化较小，盆地重力低异常中心分为南、北两个异常中心；磁场呈现低缓平静负磁场.而盆地周边之外，磁场值偏高.形成重力高及局部正磁场反映出盆地外缘基底相对隆起的场貌特征.

2 物探工作方法应用及效果

在上述工作的基础上，选择异常地段（在主控构造带上）布置可控源音频大地电磁（CSAMT）法（或者布设MT法）和二维地震勘探线，进一步查明重点地段的隐伏断裂的性质、产状、热储层的岩性、厚度、埋深以及含水性.最后根据以上的综合解译结果确定地热井井位、井深，预测出水量和井口温度.

2．1 磁法勘探在地热资源勘查中的应用

应用磁法测量主要是发挥该方法在地层的划分、断裂的识别和岩体的划分中简单、快速、准确的优势.主要作用是对地热开发远景区段做出评价.

从物性表（表1）中可知新生界、中元古界（安山岩、玄武岩外）基本无磁性，太古宇变质岩高磁性构成凹陷区深部的结晶基底.

在本工作区中，只有岩浆岩磁性较强，有较明显的磁异常，因此，磁法勘探在圈定火山岩及隐伏岩体分布范围中效果明显.同时，磁法勘探在勘查规模较大的断层或有岩浆岩充填的断裂带方面往往也有很好的效果.

2．2 重力勘探在地热资源勘查中的应用

重力勘查主要研究地下地质体因密度不均引起的重力异常.地层及岩性分界面以及构造强烈变动区因密度变化大而往往具有较明显的重力异常，因此，通过反演能圈定热储体的分布范围，摸清测区基底的起伏变化情况.

从物性表（表1）中可知新生界密度不大，均在1．6×103～2．48×103kg/m3；中元古界蓟县系的白云质大理岩、太古宇片麻岩混合岩密度为2．6×103～2．79×103kg/m3，构成盆地深部的结晶基底.二者之间存在明显的密度差界面.

北东向与北西向断裂交叉处是寻找地热最佳位置.

本区通过面积性重磁测量，推断断裂14条（图1），主要有北东（北北东）、东西、北西向3组.其中北东（北北东）向有5条，断裂长5～15 km，断裂产状较陡，倾角70～80°，分别控制主盆地和次级盆地的边缘，倾向盆里，是主要导水断裂；东西向断裂见有4条，断裂长4～12 km，倾向不同方向，倾角在50～60°；北西向断裂见有4条，延长2～5 km，是较小规模的断裂.确定了新城子盆地的地质构造构架，郯庐断裂为盆地的主控构造；清晰完整的圈出了新城子盆地总体轮廓，并依据重力异常部位变化特征进而又划分出次级凹陷和凸起各3处.其中次级凸起部位和其边缘断裂带为寻找地热资源的有利部位.

图1 物探推断成果图Fig．1 Interpretation of geophysical exploration1—推断断裂及编号（fault and code）；2—推断断陷盆地范围及编号（fault-depression basin and code）；3—物探综合剖面线（comprehensive geophysical profile）；4—钻孔点位（drill hole）

图2 Ⅱ线CSMAT剖面图Fig．2 CSMAT profile along No．Ⅱexploration line

2．3 可控源音频大地电磁法

可控源音频大地电磁法（CSAMT）测量在地热水勘查中的明显优势，具有工作效率高、勘探深度大、勘探环境适用范围宽的特点.可用于解决以下地质问题：①圈定地热异常范围和热储体的空间分布；②确定地热田的基底起伏及隐伏断裂的空间展布；③确定地热蚀变带；④圈定地下水的赋存位置.

在可控源音频大地电磁法（CSAMT）Ⅱ剖面测量图（图2）中可以看出，在剖面的东南端即盆地的东南断裂带上的视电阻率变化特征：在图的右侧推断3条断裂，而且这3条断裂是在一定的深度交汇，附近的岩石破碎程度非常高.在重力推断中该处应是中元古界蓟县系白云质大理岩，在图2中可以明显的看出该处的视电阻率为30～50 Ωm.所以推断该处是含水构造破碎带.

2．4 二维地震在地热资源勘查中的应用①刘畅，等.辽宁省沈阳市新城子盆地地热重力普查报告.辽宁省地质矿产局，辽宁省物测勘查院，2008.

该方法利用地震波速在构造带（岩石破碎带）与围岩上的明显差异来判断构造的存在；不同时代地层的地震波速也有所不同，作为分层的依据.一般情况下，埋深增大，岩石密度加大，波速值也增高.中生代地层的波速一般很低，蓟县系地层波速值一般大于2700 m/s，但是在岩石破碎的情况下波速也明显下降.同时可确定新生界厚度及基底界面深度、盆地基底的起伏形态及太古宙结晶基底顶界面埋深.

通过二维地震D2线（Ⅱ剖面）测量，推断出4处断裂，推断了古近系与中元古界蓟县系之间的不整合界面以及断裂带，推断了最佳含水部位.其中DF6与重力推断F1相对应，为盆地南部边缘的反映.DF7、DF8、DF9均为盆地基底断裂（图3）.

图3 D2线地震地质剖面图Fig．3 Seismic geological profile along exploration line D21—古近系（Paleogene）；2—蓟县系（Jixian system）；3—推断断裂构造（inferred fault）

二维地震推断的结果与可控源音频大地电磁法（CSAMT）测量推断的结果基本吻合，特别是在断裂推断上，磁法、重力、CSAMT测量、二维地震基本是吻合的，起到了各种物探方法相互印证的目的.ZK1孔验证结果证实了这一点.以上各种物探方法的推断结果给地热井井位的确定奠定了坚实的基础.

3 应用综合物探方法确定井位

应用重、磁面积测量确定了地质构造位置、性质和基本特征，推断断裂16条，累计断裂长度116 km以上，其中北东向断裂长达62 km，占总长的53．4%，说明北东向断裂构造为该区主体构造；F6、F10、F12等构造为郯庐断裂带北延的主干断裂，确定了主控地质构造；圈定了隆起区、斜坡带、盆地等基本特征；推断了地热异常范围.应用可控源音频大地电磁法测量与二维地震测量大致掌握了地热盆地在垂向上控热地质构造性质、地热盖层厚度、热储层的空间展布特征和含水层位等；清晰完整地圈出了新城子盆地总体轮廓，并依据重力异常部位变化特征进而划分出次级凹陷和凸起各3处，其中次级凸起部位和其边缘断裂带为寻找地热资源的有利部位.新城子盆地盖层发育，沉积稳定，泥质成分偏高，具备良好的保温性能.

通过以上各种物探方法的综合解释确定，盆地基底为中元古界蓟县系，其中碳酸盐层发育，构成良好热储层，其顶板埋深一般为－1000～－1500 m，中心部位可达－2000 m，是较理想的热储层深度.

结合断陷盆地寻找地热的三要素，确定钻孔布设原则：①依照前人的经验，断陷盆地的边缘和凹陷中的相对凸起区；②有一定厚度的地热盖层即保温层；③有良好的热源通道即断裂；④地下有一定的储水空间即储水构造破碎带；⑤根据以上基底深度和盖层厚度的解释分析的结果.依据上述原则布设了4个地热井孔位，分别为ZK1、ZK2、ZK3、ZK4.

其中ZK1孔位于新城子区政府西南侧新新南村附近，F1断裂的北侧，计为直孔，孔深为2509 m.第四系厚度78 m，第四系下为新近系＋古近系，深度为－78～1251 m，总厚度为1173 m；古近系下部是中元古界蓟县系地层，至－2509 m终孔，为蓟县系雾迷山组白云岩层位.在玄武岩与白云岩不整合面（－1251 m）以下有20～30 m厚破碎风化壳，推断可能会有少量水的含水层.－1642～－1662 m之间为断层破碎带，岩石成分为白云岩和板岩.－2058～－2078 m，节理裂隙发育，有铁锈，为粉紫色、灰白色白云岩互层，夹黑色板岩等.－2386～－2408 m之间又存在一层破碎带，含有较丰富的地下热水.抽水试验结果，ZK1孔日出水量1440 t，水温65～70℃.

ZK2孔成井深度为2810 m，第四系厚度80 m，第四系下新近系+古近系深度为－80～－1638 m，总厚度为1558 m.古近系下部是中元古界蓟县系地层，ZK2孔至－2810 m终孔，仍为蓟县系雾迷山组白云岩层位.在木梳屯组与铁岭组不整合接触面（－1638 m）以下约6 m，有一定量地下热水；－1718～－1748 m，以灰绿板岩为主，成分较复杂，推测有一定量地下热水.其下还有多处破碎带，但岩心细碎部分呈粉末状，使其含水又阻水，无法形成地下热水通道.测井结果表明，ZK2孔测井曲线虽解释出多处含水层，但其泥质含量较高，有效孔隙率低，渗透率差，因此水量低.抽水试验结果，ZK2孔日出水量216 t，水温22℃.

ZK3孔成井深度为2100 m，出水量1180 m3/d，井口水温63℃.ZK4未施工.

4 结论

在新城子盆地传导性地热勘查中，应用重、磁面积性测量确定平面地质构造特征，确定了主控地质构造，划分次级凹陷和凸起，圈出了盆地总体轮廓，确定地热异常靶区，寻找地热资源的有利部位；结合可控源音频大地电磁法（CSAMT）剖面测量、二维地震测量成果推断隐伏断裂性质和深部的岩石破碎程度以及含水情况，最终确定地热井井位.实验证明，所采用的技术思路正确，应用综合物探勘查方法寻找隐伏的地热资源非常有效.

［1］辽宁省地质矿产局．辽宁区域地质志［M］．北京：地质出版社．

［2］赵永利．浑南地区构造演化与金成矿关系讨论［J］．辽宁地质，1999（2）：128－137．

［3］姚明和，王敏，李彦，等．综合物探方法在沈北道义盆地地热勘查中的应用［J］．国土资源，2008（增刊1）：110－111．

［4］黄健良，吴波，邵月中．浅谈综合物探方法在地热勘查中的应用［J］．高校理科研究，2009（18）：71．

APPLICATION OF THE INTEGRATED GEOPHYSICAL METHODS IN THE GEOTHERMAL EXPLORATION IN XINCHENGZI BASIN，LIAONING PROVINCE

JIANG Li-li，LI Yi-xin

Liaoning Institute of Geophysical Exploration，Shenyang 112101，China

The results of gravimetric and magnetic survey are adopted to infer the geological structural location，properties and characteristics．The outline of the basin is delineated by gravity anomalies．By local changing characters，secondary domes and sags are divided．The secondary domes and their marginal fault belts are advantageous positions for geothermal resources．Based on the results of CSAMT profile，with the varieties of apparent resistivity in the vertical geoelectric section of fault belt，the authors infer the fracture properties，deep rock broken degree and water content．With 2-D seismic survey，the fracture properties are further determined to confirm the best water area and eventually position the geothermal well site．The inference is successfully verified by drilling，showing that the technical approach is correct．The application of integrated geophysical prospecting methods for buried geothermal resources is effective．

integrated geophysical method；geothermal exploration；Xinchengzi Basin；Liaoning Province

2015－12－11；

2016－05－27．编辑：张哲．

辽宁省地质矿产勘查局科研项目“精准探测技术应用研究”（项目编号2015-04）.

蒋丽丽（1979—），女，从事地球物理勘察工作，通信地址辽宁省沈阳市沈北新区贵州路78号，E-mail//875298227@qq.com

1671-1947（2016）06-0580-03

P631.3

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