综合物探技术在济南北部地热勘查中的应用

张一,刘鹏磊,王玉敏,张朋朋,张超,张宁

(1.山东省物化探勘查院,山东 济南 250013; 2.山东省地质勘查工程技术研究中心,山东 济南 250013; 3.山东省地矿工程集团有限公司,山东 济南 250299)

0 引言

地热资源是一种绿色能源,其开发利用对于推进绿色发展具有重要意义。济南北部地热田以齐河—广饶断裂为界,南部为奥陶系灰岩裂隙岩溶热储,深大断裂为深部大地热流上升提供了通道,盖层为石炭、二叠、新近及第四系沉积地层[1]。

电法和电磁法在裂隙岩溶热储地热勘查中具有重要作用。一方面,岩石电阻率随温度的升高会降低[2];另一方面,构造运动造成岩石破碎充水,水温升高也使得溶解能力增强,地下水的矿化度升高,电阻率也相应降低。两种因素综合作用下,岩溶热储区域相对围岩会形成局部低阻异常特征[3],这是利用电法、电磁法进行地热勘查的地质地球物理依据。李大心等[4]将大地电磁测深应用于地热背景评价,对深部构造解析效果明显。杨锋杰等[5]在地热异常区采用直流电测深和激电测深法推断隐伏地层及断裂,成果显著。金永念等[6]利用重力、航磁、直流电测深方法推断隐伏断裂构造,估算盖层、储层厚度,最后用可控源音频大地电磁法确定钻井孔位,实现江苏南部深部低温热水勘查的突破。阴曼宁等[7]将直流电测深方法应用于地热勘探,准确计算出了各电性层深度及变化特征。柳建新等[8]综合利用重力、可控源音频大地电磁法推断地下构造,两种方法互为补充,弥补了自身的局限性。李百寿等[9]利用被动式超低频电磁法准确地获得了深部岩溶裂隙地热水的分布信息。秦其明等[10]对影响被动式超低频电磁法探测效果的因素进行了分析研究。孙知新等[11]利用地震反射波法和可控源音频大地电磁测深对重力低异常进行查证,推测为花岗岩引起,认为是潜在的干热岩存在有利地段。薛建球等[12]将CSAMT测量应用于贵德盆地,弥补了重磁资料推测的缺陷,提高了解译精度。刘振华等[13]利用重力对基底构造平面异常的显示优点及可控源音频大地电磁测深法对剖面断裂构造的推断优点,实现了对地热异常的立体定位与显示。马晓东等[14]利用直流电测深结果作为约束对CSAMT测量结果进行解释推断,查明了深部地质构造的分布情况。左丽琼等[15]采用重力、微动、CSAMT三种物探方法综合解释,为钻孔布设提供了可靠的依据。刘会毅等[16]通过重力剖面2.5D反演拟合结合CSAMT二维反演成果,实现了对控热地质构造的精确定位。陈昌昕等[17]对常用的地热勘探方法进行了评价分析,提出多手段地热勘探的重要性。

综合分析,采用单一地球物理方法进行地热勘探往往会造成多解性,依据单一解释成果对钻孔工程布设的依据不充分。需要根据工作区实际地质情况选取合适的地球物理勘探方法进行组合勘探,不同方法相互补充,互相印证,提高解释的精度。

1 工作区概况

1.1 选区依据

搜集前人在济北开展的水文调查、地球物理调查工作(重力、磁法、地震)及钻探成果(图1),最终选定F7断裂作为地热勘查的重点构造。主要基于三点考虑:第一,F7断裂发育条件优越,地下水赋存条件良好。推断F7断裂是一条近SN向的隐伏正断层,根据地震资料推断的奥陶纪灰岩顶板埋深等值线走势,F7断裂断距大,两侧奥陶纪灰岩形成明显的隐伏向斜背斜构造,推测深部奥陶纪灰岩裂隙发育情况良好。此外,断裂未被其他构造影响,地下水运移通道单一,地下水在深部容易聚拢。第二,热储条件良好。根据济北地区已施工的地热钻孔绘制了奥陶纪灰岩热储中心温度等值线,选定的工作区热储温度约为55 ℃,基本满足洗浴、养殖、供暖的要求。第三,位于济南起步区特色小镇规划区,满足政府绿色发展规划的要求。

图1 济南北部岩溶热储地热地质Fig.1 Geothermal geological map of karst heat storage in northern Jinan

1.2 地质概况

济南北部地区为第四系覆盖,基岩未出露。

1.2.1 奥陶系(O)

地层主要为奥陶纪马家沟群,为本区深层地热资源主要赋存层位。东黄山组,岩性以灰色白云质灰岩、白云岩为主夹少量的角砾状白云岩,地层厚度为32.00～74.8 m。北庵庄组,岩性为灰岩夹白云岩,地层厚度为92.97～277.40 m,与下伏地层整合接触。土峪组,岩性为泥灰岩及白云质角砾状灰岩,地层厚度为32.18～112.21 m,与下伏北庵庄组整合接触。五阳山组,岩性以厚层灰岩、云斑灰岩为主,地层厚度约为290 m,与下伏土峪组整合接触。阁庄组,岩性以中厚层白云岩为主,地层厚度为29.06～76.5 m,与下伏地层整合接触。八陡组,岩性以灰岩为主,地层厚度为81.7～136.40 m,与下伏阁庄组整合接触。

1.2.2 石炭系(C)

地层为月门沟群,为该区煤炭主要发育地层。本溪组,岩性主要为海陆交互相灰白、灰黑色砂岩、粉砂岩和黏土,夹有数层薄层海相灰岩及煤层。太原组岩性为泥岩、粉砂岩、中—细砂岩、灰岩及煤层交互发育,为典型的海陆交互型沉积。底部以一层中—细砂岩与本溪组分界。山西组下部由灰色、灰黑色中、细砂岩、粉砂岩及煤层组成,夹有粗砂岩、泥岩或黏土岩。上部由灰绿色中、细砂岩、粉砂岩、灰色泥岩及杂色黏土岩组成。

1.2.3 二叠系(P)

地层为二叠纪石盒子群,下部为陆相沉积,岩性主要为浅灰色、灰绿色、灰白色细砂岩;中部以灰色、浅灰色泥岩为主,含少量砂质;上部主要为陆相浅灰色、微灰绿色、灰绿色粉砂岩、细砂岩。

1.2.4 新近系(N)

地层为明化镇组,岩性为砂岩夹泥岩,呈交互层状,厚度不等。区内揭露最大厚度520 m。

1.2.5 第四系(Q)

冲洪积形成,岩性主要为粉砂、粉质黏土、粉土,局部有粗砂。

1.3 岩溶热储地热地质

先行区岩溶热储模型组成要素包括热储层、盖层、通道、热源和岩溶水滞流条件(图2)。

图2 济南北部岩溶热储概念模型Fig.2 Conceptual model of karst heat storage in northern Jinan

1.3.1 热储层

奥陶纪、寒武纪灰岩为济北地热田主要热储层,埋藏深度由南至北自“灰岩条带”到齐河—广饶断裂埋深逐渐增大,温度逐渐升高。

1.3.2 盖层

热储层上覆巨厚的第四系、新近系、上古生界、中生界地层对深部地热起到保温作用。

1.3.3 通道

济南岩体与齐河—广饶断裂之间的几组NNE向、NNW向、近NS向的断裂是深部热源与浅部沟通的通道,加热后的深部地下水通过这一通道到达浅部。

1.3.4 热源

热量由大地热流和断裂的附加供热提供。大地热流包括上地幔热流和放射性元素衰变释放的地壳热流两部分。附加热流则由区域内沟通深部的断裂提供。

1.3.5 岩溶水滞流条件

济南南部山区的大气降水渗入地下后,向北流淌过程中受“济南岩体”阻挡,一部分通过岩石中发育的裂隙以泉水的形式流出;另一部分绕过“济南岩体”,流向深部经加热后,沿断裂上涌至浅部,通过钻孔揭露涌出地表,形成浅部的地热异常。

1.4 岩石物性特征

根据表1统计数据,该区奥陶纪灰岩电阻率一般在3 000～4 000 Ω·m,而新生代新近纪盖层电阻率一般在几百Ω·m,中生代和上古生代盖层电阻率一般2 000 Ω·m左右,因此3种地层之间均有较大的电性差异。而直流电测深、CSAMT法和MT法均是基于地质体的电性差异解决地质问题的物探方法,因此利用直流电测深、CSAMT法和MT法了解奥陶系顶板的起伏并划分盖层是可行的。断裂构造由于本身破碎,具含水性,一般表现为低阻特征,也可通过电性层的追踪加以判识。

表1 工作区地层电阻率统计Table 1 Statistical of formation resistivity in working area

2 技术方法

2.1 工作布设

在工作区内(图3)自南向北依次布设4条物探剖面P798、P802、P812、P822,其中,P802、P812、P822为综合物探剖面,开展直流电测深、CSAMT、MT这3种物探方法,P798为MT剖面,主要目的是控制近SN向构造F7。其中直流电测深及CSAMT点距均为100 m,重点部位加密至50 m;MT点距300 m,重点部位加密至150 m,通过3种物探方法结合,期望获得3 km以浅的视电阻率分布特征。

图3 工作布设Fig.3 Work layout plan

2.2 工作参数

本次直流电测深工作采用重庆万马物探仪器有限公司生产的WDJD-3多功能数字直流激电仪,采用对称四极不等比装置,AB/2min=3 m,AB/2max=2 000 m。采用极距为:AB/2=3、6、9、15、22、34、50、70、100、150、220、340、500、750、1000、1250、1500、1750、2000 m。MN/2=1、5、50、100 m。

本次CSAMT工作使用加拿大凤凰地球物理有限公司生产的V8电法工作站,包括SGC-34发电机、TXU-30发射机、V8-6R多功能接收机、RXU-3ER辅助接收机、AMTC-30高频磁棒。装置选择赤道偶极装置,测量方式为标量测量,测量模式选择TM。标量CSAMT测量利用一个场源测量两个分量(Ex和Hy)。收发距R=8～10 km,发射电源偶极距AB=2.0 km,工作频率选择9 600～0.125 Hz。

本次MT工作使用加拿大凤凰地球物理有限公司生产的V8多功能电法工作站,包括V8-6R多功能接收机、RXU-3ER辅助接收机、MTC-50低频磁棒。布极采用十字型(a)、L型(b)或T型(c)装置,电极距80 m。

2.3 单支曲线

图4a为300/P802点直流电测深单支曲线,总体来看符合KH型电测深曲线特征。图4b的CSAMT测深曲线过渡带低估出现在2 Hz左右,卡尼亚电阻率曲线总体反映了地下层状地层的分布特征。图4c的MT测深曲线特征与直流电测深曲线特征类似,两个主轴的卡尼亚视电阻率曲线符合KH曲线特征。

图4 300/P802点原始测量曲线Fig.4 The original measurement curve of 300/P802 point

3 成果解释及钻探验证

3.1 断裂产状

根据各条剖面的推断地质断面(图5～图8),F7隐伏于新近系及第四系之下,埋深500 m左右。新近系及第四系厚度呈北厚南薄,西厚东薄的特征。根据推断成果,F7断裂倾向W,倾角70°～80°。断裂在地表投影位置,P798位于3 150 m,P802位于3 100 m、P812位于3 200 m、P822位于3 150 m附近,推断该断裂在剖面控制部位,南端部走向NNE,北端部走向NNW,总体近NS向。从断裂上下盘视电阻率等值线特征来看,除P812剖面CSAMT及直流电测深一维反演断面图外,其它断面图中断裂上盘电阻率明显要低于下盘,推测断裂活动造成上下盘错动,上盘灰岩埋深更大,呈现相对低阻,下盘灰岩埋深小,因此呈现相对高阻,断裂断距在100～200 m之间,且呈现自南向北断距逐渐加大特征,灰岩埋深自南向北也逐渐变深,F7断裂为一正断层。P812剖面CSAMT及直流电测深一维反演断面图上断裂呈现上盘高阻,下盘低阻的特征,与MT断面图相反,推测是CSAMT及直流电测深测量深度低于MT,而测点密度要高于MT,该剖面处灰岩埋深为1 000 m左右,上盘相对高阻的形成可能是局部石灰岩溶洞引起。

图5 P798剖面MT测量视电阻率断面(a)与地质推断断面(b)Fig.5 Apparent resistivity section (a) and geology section (b) of P798 MT measurement

图6 P802剖面物探测量成果Fig.6 P802 profile geophysical survey results

图7 P812剖面物探测量成果Fig.7 P812 profile geophysical survey results

图8 P822剖面物探测量成果Fig.8 P822 profile geophysical survey results

3.2 断裂性质

F7断裂上盘在MT视电阻率等值线图上的相对低值区,自P798剖面向北,由“V”字型低阻区,过渡为“U”字型宽缓低阻区,到P822剖面,F7断裂呈现密集梯级带特征,断裂上下盘电阻率则呈现明显的台阶型差异。综合分析,一方面自P798剖面向北,F7断距逐渐加大;另一方面上覆低阻新近系、第四系地层变厚,两种因素综合作用下自P798剖面向北MT视电阻率特征产生这一差异。此外,在断裂下盘,自P802剖面向北,MT视电阻率数值自西向东均呈现先升高后降低的特征,推测F7断裂下盘灰岩顶板埋深自西向东埋深先增大后减小,断裂位于隐伏背斜构造西翼位置,整体受力为张性作用力,另外,相对于围岩的“U”字形、“V”字形低阻区初步推断是断裂含水的反映,因此综合推断F7断裂为一张性正断层。

3.3 地热靶区圈定

根据对断裂性质的分析,将F7断裂上盘沿断裂走向的条带状位置作为寻找深部地热资源的有利靶区,靶区编号T1(图3)。靶区内基岩埋深约为500 m,奥陶系灰岩顶板埋深800～1 000 m,F7断裂近NS走向,推断为一张性正断裂,断裂倾向西,倾角70°～80°,断距100～200 m,且自南向北断距逐渐加大。

3.4 含水性分析及钻探验证

MT视电阻率断面上显示,至3 000 m深度后,梯级带或“U”字形、“V”字形特征仍较为明显,推断断裂下延切割深度较大,自南向北,“V”字形特征逐渐过渡到梯级带特征,MT测深叠置立体图(图9)显示,P802与P812剖面之间深度1 980 m及1 480 m处在断裂F7西侧位置存在一局部高电阻率异常区,导致沿F7断裂上盘方向形成“哑铃”状特征,两侧为“喇叭”开口状的低值异常区,推测两侧岩石破碎程度更高,富水性更好,“哑铃”细部高电阻率区岩石破碎程度要低一些。由于奥陶系灰岩整体为自南向北倾伏,地下水也是自南向北流动,“哑铃”细部高值区起到了一定阻水作用,因此推测F7断裂在南端部靠近局部高电阻率异常区的P802剖面位置富水性要更好。在P802剖面上布设钻孔XR01进行验证(图3),设计孔深1 500 m,最终完井深度1 532.06 m,经试验测算,静水位埋深13.03 m,孔口水温50.1℃,涌水量132.998 m3/h,降深18.27 m,为目前先行区岩溶热储第一井。

图9 MT测量叠置立体图Fig.9 MT measurement overlay stereogram

4 结论及讨论

1)济北地热田大部分为第四系覆盖,地表可见的地质线索较少,在开展工作之前,搜集工作区已有的地震、重力等资料,对于目标勘探层—奥陶系灰岩岩溶热储地层的基本地质及热储情况有了初步认识,在此基础上结合政府规划来划定工作区。

2)工作区沉积层序由老及新相对完整,横向变化不大,地层电阻率由新到老逐渐增大,断裂构造导致连续地层破碎,富水后表现为低阻特征,基于这一特点,选定直流电测深、CSAMT方法、MT方法,对断裂加以追踪判识,划定地热靶区,在此基础上对断裂含水特性进行分析研究,开展钻探验证。

3)直流电测深适合研究浅部电阻率分布特征,弥补CSAMT、MT方法浅部探测分辨率不足及盲区问题;CSAMT方法适合1 000 m左右埋深,更深层则需要依靠MT方法。钻探验证结果证明,3种方法相互补充互相印证,在济北第四系巨厚沉积地区,查明深部隐伏断裂赋存位置、产状及含水特征是切实可行且经济有效的方法。