综合地球物理方法在敦煌地热勘查中的应用

刘 阳

（江西省煤田地质局普查综合大队，江西南昌330000）

1 概述

目前，地热作为用途广泛的综合性矿产资源和潜力巨大的清洁能源[1-4]，其勘探开发利用日益升温。地热勘探的目标是建立热构造模型、流体流动模型和贮集构造模型。为了查明贮集热水的场所、热水温度、压力及性质和贮集层供给的热水量，最终构建以下模型来达到地热勘查的目的[6]：①热构造模型：热源位置和种类（包括火山分布、火山活动史和岩浆活动）、地下温度分布；②流体流动模型：地下流体流动构造（各地层、断裂透水情况）、流体性质；③贮集构造：贮集层的种类、位置、形状（包括基岩构造、断裂构造、多孔质裂隙岩体分布构造、火山岩分布）。

本文主要研究内容是，通过结合可控源音频大地电磁法、磁法和氡浓度测量三种物探方法，查明敦煌市城区及外围地热资源在南北方向上的分布规律，探求及扩大地热资源储量，为敦煌市城区及外围地热资源的综合利用和开发与保护地热资源提供及其所必须的物探资料。同时说明该种技术在查明热储地层、局部构造分布情况、断裂构造破碎带与热储存储空间等内容的应用效果。本文研究方法对于开展深部地热勘查的精确定位具有一定的指导意义。

2 区域地质与地热分析

2.1 区域地质及热储情况

研究区位于敦煌市城区至鸣沙山一带，构造位置

属敦煌盆地五墩深凹西南边部，区内地层由新至老，主要有第四系（Q）、新近系（N）、中生界侏罗系（J）、太古宇—古元古界敦煌岩群（ArPtD）。第四系（Q）为一套河湖相松散沉积物，无胶结，据钻孔揭露，敦煌盆地南边缘厚度250~300m，水温17℃~23℃，地温梯度1.5℃~2.0℃/100m，为良好盖层；新近系（N）为一套滨海相碎屑岩沉积，地表无出露，据钻孔揭露，敦煌盆地底部第四系地层之下普遍伏有新近系地层，厚度300m左右，岩性主要为浅桔红色泥质砂岩、泥质粉砂岩和泥质砂砾岩等，为第一热储层，在一定条件下起到盖层作用，热储具有孔隙度大、渗透率高、水量较大的特点，但水温较低，为主要的热储层；中生界侏罗系（J）为一套浅海相碎屑岩夹灰岩和火山岩沉积，地表无出露，据太阳温泉酒店地热井揭露，厚度大于1400m，下伏于新近系之下，岩性主要有上统粉细砂岩、泥质粉砂岩、砾岩和中下统粉细砂岩、砾岩、泥岩、粉砂岩，为第二热储层；太古宇—古元古界敦煌岩群（ArPtD）为一套中深变质碎屑岩夹大理岩及多层中基性火山岩，厚度大于2882m。分布于研究区南侧三危山一带，地层呈近东西向展布，亦是敦煌盆地基底的组成部分。岩性特征为一套深变质的杂岩，主要岩性有片麻岩、斜长角闪岩、透辉石岩、石英片岩、大理岩和黑云母石英片岩等，推断为第三热储层，水量极贫乏，以干热岩为主。

2.2 研究区地热概念模型

结合本区地热研究成果及已打成的地热井资料，敦煌五墩地热异常的成因为沉积盆地型地热异常，属中低温地热田，地热田兼有层状热储和带状热储特征，彼此存在成生关系。

根据上述区域场特征推断，地下水受盆地南部山前隐伏压扭性断裂及盆地基地断裂的导热作用及以深循环热水为载体的热源加热，形成热水储存于热储层中，其容纳了大量的热能。新生代及第四系巨厚的沉积地层，特别是巨厚的泥质沉积层阻断了热水向浅部运移的通道，形成良好的热储盖层，为敦煌五墩地热异常的形成提供了良好的条件。

3 综合地球物理勘查方法

3.1 地球物理方法选择依据

研究区地热资源类型上属于中低温沉积盆地型，地热田常沿大型导热构造呈带状分布。这些构造及其所控制的地层结构在深部区域往往比较复杂，综合利用多种方法从不同角度来研究同一对象能更好地接近实际，获得对地下构造更全面的认识。

根据收集到的以往测井资料，新近系地层电阻率值为5~50Ω·m，并且电阻率值主要出于40Ω·m以下，电性特征为稳定的低阻值，侏罗系地层相对新近系地层显著升高，在有测井数据地段显示电阻率值为50~130Ω·m，电性特征为变化范围较大的中低阻值，详见表1。

表1 电性参数统计表

结合上文所述，沉积盆地型地热资源一般需要具备三个基本条件：导热导水断裂、热储盖层及热储层。综合考虑野外施工效益，本次综合地球物理研究采用可控源音频大地电磁法、氡气测量法和磁法进行，以可控源音频大地电磁测深为主导，划分地层，确定深部构造位置，结合氡气测量和磁法勘探对断裂水平位置的控制，最后综合水文地质和钻孔等资料推断研究区热储空间分布范围及流体流动方式。

3.2 地球物理方法工作布置

综合地球物理方法的野外布设可控源剖面和测氡剖面位置一致，以地热井为中心布设十字形剖面，先进行南北向剖面测深，选择有利部位开展东西剖面测深，可控源设计测深点距100~200m，重点工作区测深点距控制在50m以内，频率范围0.125~8192Hz，放射性常规测氡法剖面测量点距20m；另外，在重点区域布设了面积性氡气测量，网度50m×20m，并在全区布设了磁法扫面，点距为80m。

4 综合推断解释

4.1 磁法资料解译

研究区新生代和中生代沉积地层，基本无磁性或弱磁性，侵入岩主要为花岗岩和花岗闪长岩，具有一定的磁性。本次应用磁法测量主要是发挥该方法在断裂识别和识别岩体的特性。为了减小斜磁化的影响，对本次野外磁数据预处理后获得的ΔT磁异常进行化磁极处理，从化磁极等值线异常图（图1）可以看出：磁异常总体走向呈南北向，异常具有东西分块的特征，存在两个明显的高磁异常区：图1中A区和B区，推测与侵入岩有关。

图1 研究区化磁极异常等值线图

为了进一步讨论区内磁异常特征，接下来对磁异常Z⊥分别向上延拓50m、100m、200m和400m处理，如图2所示，随着延拓高度的增加，A区高磁异常逐渐缩小，表明引起A区异常的磁性源埋深较浅，推测为侵入岩引起；B区散乱高磁异常逐渐向东南方向偏移，且异常范围和幅值缓慢减小，表明B区磁性源埋深较深，深部向东南方向延伸，推测为侵入岩和结晶基底隆起引起。

图2 研究区化磁极异常向上延拓图（延拓高度A：50m；B：100m；C：200m；D：400m）

本次磁法利用了水平总梯度模（HD）和解析信号振幅（AS）法、斜导数（TI）法和斜导数水平梯度（TIHD）法。

对上延50m的化极磁异常进行边界识别计算，结果如图3所示，识别出了两条明显的断裂F1和F2，为了获得可靠的结果，还需结合其他地球物理资料进行综合讨论。

图3 研究区化磁极异常边界识别图

4.2 可控源剖面与氡气测量剖面资料解译

可控源音频大地电磁法测量在地热水勘查中具有工作效率高、勘探深度大、勘探环境适用范围宽的特点。可以圈定地热异常范围和热储体的空间分布、确定地热田的基底起伏及隐伏断裂的空间展布、确定地热蚀变带、圈定地下水的赋存位置。

经过对视电阻率和频率二维反演，1线和2线的二维反演结果及解译如图4所示，并将其与氡气测量结果对应分析。研究区为城区，电磁干扰较为严重，推断1号剖面反演结果中的浅层电阻率高值受其影响。结合地质、钻探及物探资料分析，推断剖面浅部高阻部分推断为第四系地层，厚度约300m；剖面南端电干扰相对较弱，反演后可见中深部电阻率相对较低，推断低阻体为第三系地层，厚度约700m；剖面深部电阻率最低，推断为侏罗系地层的电性反映，由于地层厚度过大，超出探测深度范围，在剖面中未见侏罗系地层底板界面。1号线剖面向北靠近S314国道地段电干扰显著增强，剖面北段从浅部至深部均受到强烈干扰，仅底部显示低阻特征，根据以往地质资料，本研究区地层产状较稳定，综合推断剖面北段中深部同为第三系及侏罗系地层。在剖面3300处，可见中深部电阻率等值线呈纵向较密集分布，两侧电阻率为低阻和中阻，电阻率差异显著，推断此处存在一处断裂构造F2；在剖面2600~3300段，可见电阻率等值线呈横向纵向较密集分布，两侧电阻率为低阻、中阻、高阻呈复杂分布，推断推断此处存在一断裂构造F1。

图4 剖面反演结果图

由氡浓度剖面可见，主要以偏高值或背景值分布为主，局部地段出现了明显异常。氡异常主要分布在剖面平距1799~1975m和2117~2410m段。其中，平距1799~1975m段，峰值达6541Bq/m3，此地为绿化地，浇灌后土壤湿度大，对比平面等值线图，此地氡浓度属于正常范围，判断此异常由湿度影响。2117~2410m段，氡浓度曲线为双峰型，峰值都为6119Bq/m3，异常区在S314以北果园区，对比平面等值线图，此地氡浓度属于异常范围，结合氡气及其子体运移规律可知，断裂经过位置和岩体内裂隙发育部位是氡气及其子体运移的有利通道。根据氡浓度1号剖面推断：此异常由深部断裂构造F1引起。平距3300处，氡气浓度属于异常范围，曲线表现为双峰夹一谷，此曲线特征即为断裂构造表现，推断此异常为F2断裂构造引起。

2号剖面反演结果可以看出：浅部电阻率较高的部分推断为第四系地层，厚度约为300m；中深部电阻率较低的部分推断为第三系地层，厚度约为700m；第三系地层以下为侏罗系地层，剖面内各地层厚度自西向东厚度逐渐增大，由于厚度过大，超出探测深度，在剖面内未见侏罗系地层底板界面。

在剖面4500处可见等值线呈密集分布，两侧电阻率为低阻和中高阻特征，电阻率值差异明显，推断此处为断裂构造F2在此处与2号线相交。在剖面3500处可见等值线呈纵向分布，两侧电阻率为低阻和中阻特征，电阻率值具有一定差异，结合磁测数据推断，此处存在一断裂构造为F2。

由氡浓度剖面图可见，剖面主要以偏高值或背景值分布为主，在平距4500处出现一宽缓偏高值，推断由深部断裂F2引起；3300处表现为连续的多个氡浓度异常峰值，结合电阻率等值线图推断此异常为断裂构造F1引起；在平距6000处，可见氡浓度曲线表现为两峰夹一谷特征，根据此标志性曲线推断此处存在一断裂构造F3，在电阻率等值线上表现为横向特征，等值线密集。其余地段仅少量峰值达异常界线，均值未超过异常界线，综合考虑不作为异常。

4.3 土壤氡浓度面积测量资料解译

为了进一步确定断裂位置，在完成土壤氡浓度剖面测量后，立刻展开了氡浓度面积测量工作，根据本次土壤氡浓度测量统计异常下限，圈定3个异常带。氡气来源于深部地质体，构造破碎带及裂隙发育地带为氡气运移提供了有利通道，出现局部增高。根据氡气面积测量资料综合推断在工作区东北部，氡气高值串珠状异常处存在隐伏断裂构造F1，断裂构造走向为北西方向。

4.4 综合资料解译

在运用可控源音频大地电磁测深、磁法测量和土壤氡浓度测量对研究区地热进行综合勘查后，综合地球物理成果资料，利用EncomPA对研究区可控源反演剖面和化磁极异常进行三维展示，见图5。由三维展示图可以看出，由磁法推断的断裂F1和F2的深部延伸情况可由可控源反演剖面确定，断裂呈北西走向，F1断裂倾向往南逐渐变缓，F2为近垂直断裂，F1和F2断裂控制了局部构造的发育，在断裂两侧，存在A区和B区两处高磁异常，推测A区为侵入岩引起，B区与结晶基底隆起有关，因此可以推测夹于其间的新近系地层为地热资源有利区域。

图5 研究区地球物理三维成果图

5 结论

通过对地热研究区进行综合地球物理研究，获得以下结论：

（1）通过对所收集的各种资料及多种物探方法数据进行分析处理，建立了区内地球物理资料—地质资料推断解释依据。综合推断解释了F1、F2、F3三条隐伏断裂构造。

（2）经过反演处理，并结合地质、钻探、物探、测井等资料综合分析，推断出了第四系底板埋深、第三系底板埋深。

（3）综合分析可控源反演剖面、磁异常边界识别结果和氡浓度异常，并进行三维结果展示，F1断裂倾向往南逐渐变缓，F2为近垂直断裂，断裂呈北西走向，F1和F2断裂控制了局部构造的发育，是良好的热水运移通道，在断裂两侧，A区侵入岩与B区结晶基底隆起为地热提供了良好的储存环境，因此可以推测夹于其间的新近系地层为地热资源有利区域。