鱼台凹陷边部玄武岩覆盖区地热勘探方法及应用效果

郭国强，秦鹏，姚铮，贺春艳，罗怀东，王润生

(1.山东省物化探勘查院,山东 济南 250013；2.山东省国土空间生态修复中心,山东 济南 250014)

0 引言

研究区位于鱼台凹陷边部的鱼台县鱼城镇，鱼台凹陷地层结构复杂，新生代及中生代覆盖较厚，整体表现为低阻，对电磁信号具有一定屏蔽作用，并且新生代有玄武岩发育，对地震波有明显的吸收作用，鉴于此原因，多数物探方法在深部勘探中达不到较好的应用效果，因此，该地区一直未实现地热资源勘探突破[1-3]。本次通过不同物探方法的对比，最终以重力资料为基础，大地电磁测深(MT)与电测深相结合的方法手段，厘清了奥陶纪灰岩热储的顶板埋深及导水导热的嘉祥断裂空间展布特征，实现了该地区地热勘探的突破，填补了鱼台地区地热找矿空白，成功实施了金乡-鱼台地热远景区第一眼地热井，是目前鲁西南地区钻获温度最高的地热井，钻孔成井深度2309m，孔底温度为74.5℃，井口温度68.5℃，最大涌水量约520m3/d。

1 地质及地球物理特征

1.1 地质概况

鱼台凹陷地层属华北地层区鲁西地层分区的济宁地层小区，区内地层由老到新主要发育有古生代奥陶系、石炭-二叠系，中生代侏罗系、白垩系以及新生代古近系、第四系。玄武岩位于新生代古近系，发育深度在地表下约300～600m，是一种基性喷出岩, 其岩石结构常具气孔状、杏仁状构造和斑状结构，有时带有大的矿物晶体，未风化的玄武岩主要呈黑色和灰色，也有黑褐色、暗紫色和灰绿色。

鱼台凹陷构造格局，受深大断裂活动影响，形成以区域级断裂为界的断陷，SN及EW向断裂交叉切割地层，近SN的断裂有嘉祥断裂、济宁断裂及孙氏店断裂，其中嘉祥断裂和孙氏店断裂分别为鱼台凹陷的西边界和东边界；近EW向断裂主要有凫山断裂、鱼台断裂、单县断裂，其中单县断裂和凫山断裂分别为鱼台凹陷的南、北部边界(图1)。鱼台凹陷岩浆岩侵入主要发生在燕山运动晚期，在研究区由北往南厚度有逐渐变薄的趋势。

1—古近纪官庄群；2—白垩纪青山群；3—白垩纪莱阳群；4—侏罗纪淄博群；5—石炭-二叠纪月门沟群；6—奥陶纪马家沟群；7—角度不整合界线；8—断层及产状；9—剖面线；10—研究区范围图1 研究区主要地层及断裂构造分布图

1.2 地热地质特征

研究区具备奥陶纪灰岩溶热储良好的盖层、导热导水通道及热源等基础地热地质条件，属于层状盆地传导型地热。

(1)盖层：由第四系、古近系、白垩系、侏罗系、石炭系、二叠系组成，主要为半固结—固结黏性土岩和砂性岩互层组成，下部石炭系、二叠系过渡段夹中薄层灰岩，整体是一套厚度大，密度小，导热性能差，热阻大的天然热储良好的保温盖层。

(2)导热导水通道：区内隐伏断裂构造十分发育，NW向嘉祥断裂发育规模较大，同时近EW向次级断裂也较发育，其交会部位不仅沟通了深部热源的上涌，而且也是地下水深循环的主要通道，同时，因奥陶纪灰岩导热作用良好，有助于大地深部热源热量往上部传导。

(3)热源：地球深部热源、岩浆热液活动及放射性元素蜕变是区内的重要热源，热源主要来自地壳深部的热流传导，构造运动使地壳深部的热源不断往上传递[4-6]。

1.3 地球物理特征

1.3.1 重力场特征

由图2区域布格重力异常分布图可知，布格重力值在平面上呈正负相间分布，异常值在(-40～20)×10-6m/s2，凹陷区布格重力值低，形成明显的负异常，鱼台凹陷整体呈重力负异常特征；隆起区布格重力值高，形成明显的正异常，鱼台凹陷西北部的嘉祥凸起即为该异常特征，凹陷区和隆起区重力场异常形态均大致呈椭圆型展布；深大断裂表现为规模较大的重力等值线密集梯度带异常特征，据此特征推断划定了本次要追踪验证的导热导水断裂——嘉祥断裂，其重力场异常形态呈梯级带展布(图2)[7]。

1—研究区范围；2—布格重力等值线及数值；3—嘉祥断裂图2 区域布格重力异常分布图

1.3.2 电阻率特征

古生代寒武系、奥陶系各类灰岩电阻率最高，一般为100～1000Ω·m，当有岩溶裂隙发育时电阻率变低。中生代白垩系、侏罗系，古生代石炭-二叠系主要岩性为砂岩、页岩等，电阻率整体几至几百Ω·m，其中部分砾岩、砂砾岩电阻率值在500Ω·m以上。新生代古近系的泥岩及角砾岩电阻率较低，一般为20～200Ω·m；第四纪黏土、砂质黏土电阻率较低，一般为15～40Ω·m。玄武岩电阻率一般相对围岩表现为高阻，但当玄武岩为气孔状并有总矿化度高的微咸水存在时，玄武岩整体相对围岩表现为低阻。断裂构造相对围岩表现为低阻，在电阻率等值线断面图上呈“V”或“U”字型反映。各类岩矿石的电性的差异，对划分岩性界线、推断断裂构造奠定了基础，主要地层电阻率参数如表1所示[8]。

表1 研究区主要地层电阻率参数

2 工作布置及方法技术

由于区内奥陶系顶板埋深较深，岩溶不发育，必须有断裂构造与其切割才能形成较好的灰岩热储，前述根据重力场特征推断的NW向嘉祥断裂发育深大，能够切割深部奥陶纪灰岩热储，进而形成导水导热通道。为增强对嘉祥断裂深部展布特征的认识，本次工作围绕嘉祥断裂开展地震、CSAMT、MT和电测深等物探工作，垂直嘉祥断裂布设地震剖面1条(D1线)，CSAMT剖面2条(C1线、C2线)，MT剖面2条(J1线、J2线)，电测深剖面1条(L1线)，如图3所示，主要目的是通过多方法相互佐证，推断奥陶纪灰岩顶板位置，追踪验证区域性大断裂嘉祥断裂的具体位置及深部展布特征，为最终确定地热验证孔位提供更真实可靠的依据。

1—二维地震测线测点；2—CSAMT测线测点；3—MT测线测点；4—电测深测线测点；5—推断嘉祥断裂；6—地热钻探井位图3 研究区工作布置图

地震勘探[10-11]工作参数：道距20m，炮距40m，接收道数400道，覆盖次数90次。

CSAMT法[12-16]工作参数：发射电流18A，发射频率9600～0.125Hz，收发距R=8.5km，发射偶极AB=1.6km，点距100m，MN=100m，采集时间38min。

MT法[17-20]结合工作区实际地质条件，满足本次勘探要求的频率范围920～0.00275Hz，点距100m，MN=100m，单点采集时长4h以上。

电测深法[21]测深装置为等比对称四极装置(AB∶MN=10∶1)，最大AB/2=4500m。

3 方法有效性及综合解释

3.1 二维地震与CSAMT应用效果

由于地表下约300～600m隐伏新生代玄武岩，该玄武岩对地震波具有明显的强屏蔽作用,以致造成玄武岩下伏地层的地震反射信息很弱，甚至无地震反射信息，影响了玄武岩下伏地层的成像效果，无法真实有效地反应地层结构，无法推断断裂构造的发育赋存情况。由于CSAMT法的电磁波对高阻体的穿透能力强，本次奥陶系上覆巨厚的低阻沉积地层对该电磁信号具有明显的低阻屏蔽作用，致使电磁波衰减很快，穿透能力减弱，近场效应明显，勘探深度不超过1000m，无法识别本次地热热储层奥陶纪灰岩的顶板埋深。

3.2 大地电磁测深(MT)与常规电测深的应用

基于上述二维地震与CSAMT在划分地层、推断断裂构造方面存在明显的不足，通过综合分析，最终选定以大地电磁测深(MT)为主，常规电测深进行佐证的物探手段进行热储层埋深及导水导热构造的勘探工作，结果显示，该2种方法相结合能够较明显地降低玄武岩及低阻屏蔽的影响，大大提高了深部勘探能力，能够较好地划分地热盖层与热储层的分界面，能够较好地圈定重力资料所推断的嘉祥断裂(导热导水构造)并识别其深部展布特征。

(1)地层解释：以MT法J1线为例(图4)，根据本次MT、电测深成果并结合收集的周边1000m深小口径钻探资料，划分地层层位为：新生代底板埋深约为-620m～-1000m，古生代奥陶系顶板埋深约为-1100m～-2350m，中生代及古生代石炭-二叠系赋存于两者之间。

电测深曲线[14]，在不考虑小极距浅部不均匀体影响下，电测深曲线类型主要以HA 型为主。 视电阻率呈先下降而后上升、连续上升趋势，说明地层由浅至深电性主要呈中高阻—低阻—中高阻—高阻规律变化。基本对应研究区的地层情况：第四系、古近系-白垩系、侏罗系、石炭系、二叠系-奥陶系。在 AB/2=4000m 时，电阻率测深曲线存在明显的拐点，说明勘探深度已经进入高阻岩层，推断为奥陶纪灰岩顶界面，利用拐点切线法计算该点附近奥陶纪灰岩顶板埋深在2050m左右，与本次MT法推断奥陶系顶板基本一致。

1—第四系、古近系；2—白垩系、侏罗系、石炭系-二叠系；3—奥陶系；4—电阻率等值线及数值；5—地层界线；6—推断断裂及编号；7—地热孔位及编号图4 研究区MT法推断成果图

(2)断裂构造解释:由图4可以看出，电阻率等值线呈明显“V”字形低阻异常的部位即为嘉祥断裂，为正断层，在J1线电阻率断面图中纵向呈“Y”字形展布，局部沿倾向呈“台阶状”展布，发育规模较大，倾角变化较大，约50°～70°，为张扭性断裂，在研究区经过韩楼村、新核桃园村，杨楼村等向两侧延伸(图3)，下盘奥陶系顶板整体埋深在-1100m～-1250m，上盘奥陶系顶板整体埋深在2000～2400m，奥陶系顶板埋深在区内整体表现由南西至北东越靠近鱼台凹陷中心埋深越深。

4 热储模型及钻探验证

结合前期资料并根据本次研究成果可知，热储层为奥陶系灰岩热储，奥陶系顶板埋深在区内变化较大，在垂直于嘉祥断裂由南西向往北东方向奥陶系顶板埋深逐渐变大，区内除嘉祥断裂下盘奥陶系顶板埋深在1100～1250m外，上盘奥陶系顶板埋深均大于2000m。地下热量沿断裂构造向上传导，地表及浅部水源沿断裂构造向下进行补给，加上盖层的保护，即形成地热。热储模型图如图5所示(A-A'剖面，位置见图1)。

1—新生代地层；2—中生代地层；3—古生代石炭二叠系；4—古生代奥陶系；5—断层；6—热储外部水源来向；7—热量传递方向图5 奥陶纪灰岩热储模型图

如图4所示，J1线1000～1800点纵向上有一明显“V”字形低阻体，即为嘉祥断裂的反映，在嘉祥断裂上盘且靠近主断裂带附近，奥陶纪灰岩顶板埋深相对偏浅，由热储模型(图5)及构造平面分布位置(图1)可知，嘉祥断裂与近EW向次级断裂刘庄断裂平面位置相交，交会部位切割深度大，岩石破碎，能够较好地沟通深部热源，尤其是在断裂深部由陡变缓的拐弯部位，地热成井条件相对较佳。据以上特征，设计在嘉祥断裂上盘J1线1400点布设地热钻探孔位，预计该钻孔在埋深2100m左右同时遇奥陶系顶板及嘉祥断裂带，考虑设计钻孔应穿透断裂100～200m最佳，最后ZK1钻孔设计深度为2300m。初步估计，该钻孔揭穿地层顺序为地表至埋深800m为新生代地层，埋深800m至埋深2100m为中生代及古生代煤系地层，埋深-2100m以深为古生代奥陶系地层。实际钻探验证深度为2309m，2063.45m遇奥陶系顶板，2138.38m遇嘉祥断裂带，实际钻探揭露地层情况与设计钻孔预测揭露情况基本一致，实际钻探遇嘉祥断裂位置比设计位置略深38.38m，比较吻合，充分验证了本次利用MT及常规电测深成果推断的合理性，取得了良好的效果。

5 结论

基于研究区实际地质条件，通过多种物探方法对比勘探，总结了在特定地质结构条件下有效的物探勘探方法，厘清了地热盖层，热储，导热导水通道的空间赋存特征和地热热源的来源，钻获了鲁西南地区最高水温的地热井，查明了研究区地层结构及玄武岩赋存特征，实现了鱼台—金乡地区地热找矿突破，填补了该地区深部地学研究资料的空白，取得了较大的地热找矿突破。

(1)地震勘探在玄武岩覆盖区反射波较弱，成像效果差，不能有效识别地层层位及断裂位置，CSAMT受低阻地层屏蔽效应影响，近场效应明显、勘探深度较浅，2种方法均不能达到在沉积地层较厚覆盖区寻找奥陶系灰岩热储的目的。

(2)MT法具有频谱丰富、勘探深度大，穿透高阻能力强，对低阻层反应灵敏的优点，常规电测深法具有准确度高、精细度好、信息量大的优点。以MT为主，辅以常规电测深方法，能够不受玄武岩及低阻屏蔽的影响实现大深度勘探，较好地划分地层层位，推断构造深部空间展布特征，通过方法相互佐证，提高了解译精度及合理性，显示了良好的勘查效果，对今后在具备类似地热地质条件的地区开展地热勘探提供了物探方法及资料解译示范。