地气简易测量方法在地热勘查中的应用可行性分析

程崎峰

(浙江煤炭地质局勘探一队,浙江 湖州 313004)

0 引言

地热勘查工作直接影响到地热开发,地气测量方法的选择对于地热勘查结果有着非常重要的影响。该文结合具体实例,就地气简易测量方法在地热勘查中的应用可行性进行介绍,希望可以为地热勘查工作的开展提供支持。

1 工作方法及原理

定点采用华测I90 型RTK_ GPS,RTK 坐标系统采用国家2000 坐标系。共布设4 条测线,测线分别依次命名为L1、L2、L3、L4,CSAMT 坐标测点100 个,检查点5 个,点距为50 m,测线总长4 800 m;磁法工作量位于CSAMT 相同测线上,点距进行加密,25 m 点距,共计200 个坐标点,检查点10 个;地气纳微金属测量法,采用自制简易设备进行样品采集,采取点与CSAMT 测点基本重合,实际测点100 个。测线由于现场施工环境困难导致部分偏移,见图1。

图1 综合勘查测线示意图Fig.1 Schematic diagram of comprehensive survey line

1.1 可控源音频大地电磁测深(CSAMT)

CSAMT 投入的仪器为GDP-32Ⅱ多功能电法仪,使用ANT-6 磁探头进行磁场测量,不极化电极进行电场观测,资料反演采用的程序是美国Zonge 公司编制的拟二维反演程序。

CSAMT 以各岩层的物理性质差异为解释依据,当地层与构造含水时,由于地下水的流动性及电离作用,电阻率呈现低阻特征。断层及破碎带等地质体的电阻率取决于其本身的大小、破碎程度及其含水的饱和度,含水断层的电阻率远小于周围不含水围岩的电阻率,电性标志明显;岩石的湿度或饱和度的增加,会导致电阻率急剧下降,含水性的差异使其产生了很强的横向的不均匀性,故水平方向电阻率的变化反映了含水性的变化,而水分含量相同的不同岩石的电阻率也会由于矿化度的不同,电性特征出现明显差异,因此分析对比电阻率参数,区分物性差异,寻找低阻异常区可以划分含水范围。

1.2 地面高精度磁法

地面高精度磁法投入的仪器为GSM-19T 高精度磁力仪,其扫面针对地下磁异常具有明显的分辨率。断裂带的磁异常会因构造作用及其地质过程而具有明显特征,其异常特征包括岩石在经受外力作用,尤其是因岩石破碎后出现的磁性降低引起的负异常;因深断裂内伴有岩浆活动或热液侵入带来的磁场增强所表现的正异常,或因热退磁作用引起的负异常等。另外由于断裂切断了地质构造的连续性,使与构造有关的磁场形态出现不连续变化,从而表现出异常走向改变及磁场突变等特征。因此通过磁法探测,查明磁异常分布特征即可判定破碎带位置和断层走向等。

1.3 地气纳微金属测量法

矿石破碎、结晶交代等过程中会形成以纳米级至亚微米级类气体形态存在的矿石颗粒,地下热源产生的上升气体在通过断裂带或裂隙时,会将其中充斥的微小颗粒吸附迁移至地球表面,形成地气异常。尤其在隐伏断裂带地表投影区内成矿及其伴生元素异常十分明显,这种元素的组合、含量及其空间分布形态与断裂带的产状与范围等特征对应,在勘查区采集地表土壤气体后进行测定,就可以推断热储的位置及特征。

该次地气测量法使用自制地气简易装置进行采集,组成见图2。主要包括QC-1S 型大气采样仪、硅胶干燥剂、滤纸、硬塑料管、硅胶软管、万能瓶等。室内对收集液样采用电感耦合等离子体质谱仪、电感耦合等离子体发射光谱仪、原子荧光光谱仪进行检测,分析Y、Hg、Mg、Na、K等元素。

图2 地气简易测量装置示意Fig.2 Schematic diagram of a simple geo-gas measuring device

2 资料解释

2.1 断面图分析

L1、L2、L3、L4线断面图中出现了视电阻率值高度不连续的现象,视电阻率等值线存在明显的低阻凹陷,地层出现明显错断,推断此处有陡立的断裂经过,命名为F1、F2、F3。结合相关地质资料分析,L1、L2、L3、L4线2 200 m 深部为寒武系灰岩地层,皆显示存在较低阻异常,推断该异常与岩溶裂隙发育和断裂构造相关,富水性较好,具有一定深度和规模,可以成为较好的热通道及储热空间,且第四系以及奥陶系泥岩地层为较好的盖层,能有效防止地热流体的扩散与流失,预测其含地热资源的可能性较大,见图3。

图3 L1、L2、L3、L4 线综合物探解释推断断面图Fig.3 Cross-sections of comprehensive geophysical interpretation inferences of L1,L2,L3,and L4

2.2 视电阻率平面图分析

可控源测深对于不同方向发射源,反演的电阻率是不同的,为尊重其反演的各向异性原则,将测线L1、L2、L3、L4进行切片处理成图,分别为-1 000 m、-1 600 m、-2 200 m 标高水平切片图,见图4、图5。图4 为NE 向L1、L2线水平切片图,图5 为NW 向L3、L4线水平切片图,3 个标高的水平切片图曲线形态相似,主要以奥陶系宁国组泥岩,寒武系灰岩、泥岩为主,电阻率相对较低,高阻区域为石英斑岩侵入。

图4 L1、L2 线综合物探平面图Fig.4 The comprehensive geophysical plan of L1 and L2

图5 L3、L4 线综合物探平面图Fig.5 The comprehensive geophysical prospecting plan of L3 and L4

平面图中显示L1线40 号点、L2线40 号点、L3线12 号点、L4线11 号点附近受F1断裂破碎带影响,L3线22 号点、L4线18 号点附近受F3断裂破碎带影响。随着深度增加,地层受次生断裂的影响随之加大,2 200 m 深地层曲线有明显扭曲,电阻率明显降低,低阻范围较大,岩石破碎,大量裂隙发育,导水性增大,与断面图对应关系良好,推测可积聚地下水或成为地下水流的通道。

2.3 地气地化解译图分析

深穿透地球化学样品检测数量为100 个,经过探测热水指数形成深穿透地球化学异常图,并对异常图进行热储解译,图6 从整体上反映了勘查区构造与热储的分布情况。

图6 深穿透地球化学异常地下热储解译图Fig.6 Interpretation diagram of deep-penetrating geochemical anomaly underground heat storage

从图中可以看出主要构造破碎带走向北东向,热水指数显示为低异常,结合地质资料,可以推测是由于断裂封闭性原因导致的,此处所穿插地层以泥质为主,由于其颗粒十分微小,物性松软,在上覆地层的重力下,易发生成岩作用,被压实成致密而连续的岩体,导致孔渗结构变差,使地气的上升受堵;此外,由于泥岩的可塑性特征,在压力的作用下易产生流动,堵塞断裂的渗漏空间,使其封闭性增强,阻碍地气的通过。

观察解译图,L1线1 号点、L2线46 号点、L3线38 号点、L4线6 号点附近区域具有明显指数高异常,构造带通过,岩层破碎疏松,空隙发育,透水性和含水性较强,构成良好储水空间,指数变化的不连续可能为地层岩性、围岩挤压、断层塑性、充填胶结、岩体侵入等原因的影响。推测图中主要构造破碎带倾向为北西向,深层热储位于断裂破碎带的北西侧,东南侧为浅层地热。

2.4 对比分析

地气解译图中主要构造带的位置、走向和倾向等特征表明其为F3断裂带,所圈定热储范围与物探成果图一一对应。但地气解译图中对于热储的解释仅以主要构造破碎带为依据,即判定热储为F3断裂带单独作用的影响。而对比物探成果图可知,地气解译图中西北侧高指数异常区域是F2、F3断裂带影响的结果,东南侧则为F1和F3断裂带共同作用形成,地气解译图中对于热储深浅层的推测不完全准确。

3 结语

(1) 此地气简易测量方法对地热资源的识别仅为对构造断裂带的识别,即对储热有利空间的识别,而非对含水性的识别,且构造带在解译图像上只显示其平面分布,无法得知其空间产状、延伸范围等特征,对热储深浅也难以区分。

(2) 由于采集设备精密度不足等原因,仅能对特征较为明显的断裂进行初步的辨别,断裂规模较小或特征不明显的断裂,难以进一步判断其存在的可能性,导致在判断构造带与热储关系上过于局限。

(3) 地气解译图中出现的部分低异常显示可能并非地层或构造本身的影响,而是由于技术操作、设备气密性、液体保存等出现问题,导致样品失效,数据缺失,进而无法准确反映出地下元素特征。

(4) 此地气简易测量方法可以在一定程度上为寻找地热提供数据依据,但由于本次地气采集所涉及的样本数量较少,点位不够密集,过程不够严谨,故此地气化探简易方法的应用能力还需进一步的实验加以论证。