某生态项目地热井的物探勘查

张 奎 ，徐晓方（.山东发林旅游开发有限公司， 山东 德州 503；.中共山东省委党校， 山东 济南5003）

地热资源是集热能、水和矿产于一体的多用途自然资源。其优点是占地少、无烟、无废渣粉尘等污染，为绿色能源，充分开发利用地热资源的前景十分广阔。随着地热应用范围的拓宽，其越来越受到人们的青睐，同时也越来越多地走进人们的日常生活，在农业、工业、医疗、采暖 、发电、洗浴及旅游业等行业被广泛开发利用。某项目打算开发利用地热资源，为了降低地热开发的投资风险，特在开发前进行地热井的物探勘查工作。

1 地质条件

1.1 地理概况

某项目位于山东省齐河县，地处鲁西北平原，与省会济南隔黄河相望。工作区地势平坦，地面标高一般为 26.0 m，地势西南高、东北低，符合黄河冲积平原的特征，局部为人工地貌。土层主要为粉土、粉质黏土，无不良工程地质现象。气候属暖温带大陆性半温润季风气候区。多年平均气温 13.5 ℃，年平均降水量为 592 mm，年平均蒸发量 2143.7 mm，日照 2678.9 h，风速 2.9 m/s，无霜期 217 d。 主要气候特点为四季分明、气候温和、冷热季和干温季明显。

1.2 地质特征

区域的主要地层由老至新依次为寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、新近系及第四系。现将各地层岩性特征由老到新分述如下。

（1）寒武系。在济南南部山区出露。下统以紫色、猪肝色、鲜红色易碎页岩为主，夹薄层状灰岩、泥质灰岩、条带状灰岩，底部为中厚层中、粗粒砂岩。中统以灰黑色厚层鲕状灰岩及灰岩为主夹黄绿色及紫色页岩、砂岩。上统以薄层灰岩、竹叶状灰岩、厚层泥质条带灰岩为主夹泥质页岩，薄层鲕状灰岩，顶部为白云质灰岩。

（2）奥陶系。奥陶系为碳酸盐岩，在项目所在的调查区范围内分布，大部埋藏于石炭、二叠系之下。地层厚度967～1073 m，主要发育三山子组和马家沟组，马家沟组将是为本次工作的主要目的层和取水段。

（3）石炭系。分布于项目调查区西北的广大地区。地层厚度 100～250 m，与上覆二叠系为平行不整合接触，主要是砂岩、砂质页岩、泥岩夹薄层灰岩，含煤。

（4）二叠系。分布于调查区西北的广大地区。地层厚度 0～974 m，岩性以陆相紫色、灰色砂岩、泥质页岩、砾岩，夹煤层，与上覆第三系为角度不整合接触。

（5）新近系。位于齐河—广饶大断裂以南，据相关书籍记录，缺古近系，只发育新近系。地层厚度为 70～250 m，岩性以泥质砂页岩、砂质黏土岩为主，半固结。

（6）第四系。黄河两岸及以北地带为黄河冲积层。第四系堆积物的厚度变化总体由南而北、由东向西逐渐增厚，北部达 300 m 以上。据该区域地质资料对第四系描述，南部山前地带为砂质黏土、黏土夹砂砾石层。

1.3 地质构造

该区区域上主要发育有齐广断裂、桑梓店断裂、长清断裂、卧牛山断裂等，位于济南单斜前缘，在大地构造上处于阳谷—齐河单斜断凹的东北端。

齐河—广饶隐伏大断裂位于工作区以北，区域上是鲁西隆起与济阳拗陷的分界线。该断裂对本区次一级构造和岩浆岩的活动起着重要的控制作用。断裂总的走向近东西，倾向NW，倾角 40°～60°，落差 900～1500 m。沿断裂带有间歇性、中基性岩浆喷发活动和小规模的中基性侵入岩。

本区及其附近的桑梓店断裂、长清断裂、卧牛山断裂等次级断裂，切割了深部的奥陶系灰岩，为径流至此的地下水提供了较大的存储空间。同时也对地下水的运移和分布起了重要作用，且沟通深部热岩体与地下水，从区域上为地热水的形成提供了热源条件。

1.4 地热条件

根据以往的地热勘探及研究成果认为，济南北部为一面积较大的地热田，称为济北地热田。根据区内地层结构、地质构造界线以及地热显示点的控制范围，济北地热田范围大致是：南至济南岩体北界，北至齐河—广饶大断裂，西到长清断裂，东到鸭旺口断裂。本次要调查的项目正处在该地热田西南部，距离黄河主河道直线距离 1200 m。

济南地区地处鲁西隆起的西北部，北边紧邻济阳拗陷，处于鲁西系的北侧，地层南老北新，总体评价为向北缓倾的单斜构造，褶皱构造不甚发育。济北地热田就位于该单斜构造内。其热储层为奥陶系层状热储，埋藏深度大部在 2000 m以内，局部 2000～3000 m，于济南南部广泛出露，接受降水补给，上覆较厚第四系、古近系、二叠系、石炭系等，厚度在 500～2000 m，局部 ＞ 2000 m，为良好阻水保温层。经分析认为正是由于这些断裂的切割和济南岩体冷凝，导致地下热储层裂隙发育，为地热水提供了储存空间，同时为地球深部热源的向上传导提供了通道。综上可知，济北地热田具有较为有利的地热地质条件。

2 地质物探

2.1 调查区特征

通过对工作区所调查的测温资料统计分析，可以初步判定工作区内的表层地热恒温带深度为 20～30 m，温度为14 ℃。

2.2 热储地质特征

工作区内盖层主要为第四系、新近系、二叠系以及石炭系，热储层为奥陶系马家沟组。根据工作区内地层出露、钻孔揭露情况和本次物探可控源音频大地电磁测深、视电阻率垂向直流电测深及二维地震相互验证的解译结果，初步判定在重点工作区内热储层（奥陶系马家沟组）埋藏深度在760～1780 m 不等（由东南至西北逐渐加大），厚 875 m左右。

2.3 构造条件

为了在重点工作区内寻找有利于地热水储存的储水构造，以确定地热井施工的靶区，进行了物探工作。为提高物探解译的精确度，共采用了可控源音频大地电磁测深法、视电阻率垂向直流电测深法及二维地震法 3 种方法同时进行，相互验证。现将其工作内容和解译结果分述如下。

（1）可控源音频大地电磁测深剖面（CSAMT）。在场区内由北至南布设了 1、2、3、4、5 共 5 条近东西向剖面线，分别布设了 63、63、27、27、46 个测点，其剖面长度分别为 3100 m、3100 m、1300 m、1300 m、2200 m，点距均为 50 m。其解译结果显示，在桩号 3600 至 3750、3100 至 3250、1700 至 1850、800 至 950、400 至 550 均有异常反应，推测此为断层所致。该断层走向近 NNE、倾向 NNW，倾角约 70°。该断层命名为 F 断层。另外由CSAMT 5 条剖面线也可以看出，F 断裂西侧相对东侧为低阻带，推测这是由于断裂西侧赋水性要较东侧强所致。

（2）二维地震剖面。位于 2 号 CSAMT 剖面上，起点桩号为 100 ，结束点桩号为 580，剖面长度 5800 m。物探解译在桩号 254 至 266 之间有明显异常反应，且该点正位于CSAMT 剖面上 5 个异常反应点的连线上。

（3）视电阻率垂向直流电测深剖面。在与二维地震剖面线重合的位置布设了 20 个测点，剖面长度为 1600 m。各点用 GPS 定位，点距 100～200 m。起点桩号为 154、结束点桩号为 314。在桩号 254 至 266 之间有异常反应，且该异常点与二维地震剖面异常点重合。

由以上 3 种方法相互验证，可以断定 F 断层的位置及产状是可信的。另外由物探剖面图还可以看出，F 断层为大倾角正断层，为连通更深部的热源和热储层，既起了传热导热的作用，也为地下水加热和储存提供了条件。同时，由于其切割，裂隙经过较长时间的发育，为渗流此地的地下水提供了较大的储存空间。

2.4 热储层水文地质条件

在工作区内，该含水岩组埋藏于第四系、新近系、二叠系以及石炭系之下。其顶板埋深总体呈现由东南向西北逐渐加大的趋势，经过查阅资料和实地踏勘，发现在工作区以外东南部的济南南部山区有较大面积的奥陶系灰岩出露。大气降水在此入渗补给地下水，向西北径流，径流至重点工作区附近。由于奥陶系马家沟组埋深加大，使地下水经深循环加热。同时因为该处的奥陶系顶板埋深较大，最深可达到 1780 m 左右（重点工作区西北部），地下水的运动迟缓，被围岩逐渐加热后，与围岩发生水盐反应，溶解了岩层中矿物质及微量元素，形成了具有丰富矿物质的中低温地热水。

2.5 热储概念模型

根据以上地热地质条件的分析，将复杂的、不规则的地质体形态概化为一个理想的几何形态，建立如下热储概念模型。

（1）热储层。工作区的热储层奥陶系马家沟组灰岩，埋藏于第四系、新近系、二叠系、石炭系地层之下。由于区域上桑梓店、长清、卧牛山等断裂以及工区内发育的各类断裂（F 断裂及其各伴生小型断裂）的切割，岩体较破碎，具有一定的储水空间，且上覆地层具有良好的保温性能，使其有可能成为理想的热储层。

（2）盖层。由于上述地层隔水性能良好，热导率低，所以可成为良好的盖层。工作区内的热储盖层是第四系、新近系、二叠系以及石炭系的沉积地层和发育的多层页岩。

（3）通道。工作区内或附近的断层（桑梓店、长清、卧牛山等断裂以及区内发育的各小型断裂）起到了连通深部热源、导热、导水的重要作用。

（4）热源。绝大部分来自断层连通地球深部热流，向上对流传导加热而成。这是对地下水加热的主要方式。

（5）地下水滞流条件。重点工作区内，奥陶系埋深较大，最深可达 1780 m 左右（场区西北部）。由于断层的切割使灰岩裂隙相对发育，但由于其埋深大，地下水的运动滞缓，所以易被围岩加热形成低温地热水。

3 结 语

（1）地热井施工前，应根据本论证报告及相关地质资料，编制地热井施工设计。施工采用气举反循环地钻进工艺，并应设专业技术人员分别对地热井地质和钻探施工进行编录，并进行质量监理，提高地热井钻探的成功率。

（2）对建设场地进行规划时，应充分考虑地热井的风险性，以提高整个项目的承受力，减少不必要的麻烦。

（3）地热井终孔成井后，建议安装地热井监测设备（测水管、压力表、流量表及温度计等），对地热井压力、水温、水量、水位及水质进行定期观测。根据监测信息，及时调整开采方案。

（4）按照目前对地热资源的保护开发，能开发的地热资源更要珍惜，最大限度地降低对环境的不良影响，充分考虑阶梯开发和综合利用。

（5）为避免弃水对周围土壤土质的破坏，可另凿回灌井，对弃水进行回灌，温泉洗浴水须按照相关要求处理后达标排放。