南昌红盆地区地热构造地球物理勘查.pdf

2 0 1 3年 第 2 7卷 第 5期 石油仪器 PETRoLEUM I NS TRUM ENI S 方法研究 南昌红盆地区地热构造地球物理勘查 张文洋 张沁瑞 崔江伟 ( 1 北京市地热研究院北京)( 2 东华理工大学江西 南昌) 摘 要：为完成对南昌红盆地 区地热构造调查任务，分析 了南昌红盆地 区贮热地质构造特性和热水的形成条件，推测该 区域可能存在地热潜力。为探测红盆地 区深部控热构造的分布状态 ，选择探测深度 大，抗干扰能力强、横 向分辨率高的 C S AMT方法进 行探 测 。 查明基底 埋 深 约 1 5 0 0 m，推 断上 古生界 二叠 系灰 岩地层 为热储层 ，顶 板埋 深 约 1 0 0 0 m，厚度 约 5 0 0 m。推断出一条断裂破碎带 ，发现其地球物理 电性特征 与深部的断裂构造非常明显的对应关系。为地热钻孔位置的选 取及其井身结构设计提供 了依据。 关 键 词：CS AMT；地热勘 查；南昌红盆 中图法分类号：P 6 3 1 4 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 4 - 9 1 3 4 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 6 3 0 4 0 引 言 我国是世界上利用地热资源较早的国家之一， 据 史载已有数千年的历史 ，例如江西省宜春市的温汤 ， 就 已有 8 0 0多年的利用历史 ， 这些地热资源 一般 自然 流露于地表或浅井即可获取 ，且分布在地热异常区。 近年来 ，随着钻探技术的 13益进步 ， 钻凿三 四千米的 地热井已不是什么难题 ， 促使非地热异常区 的地热资 源勘查与开发也逐渐发展 了起来 。 已有的温泉调查资料显示 ， 它们中的多数出露于 近代有较强构造活动 的复合位置上 】 、 引 。这些位置通 常伴有断裂构造发育 ，一般来说 ，张性和张扭性断裂 构造有利于地下热水 的富集 ， 是地热资源较为有利的 导热和储热条件 ， 挤压和压扭性断裂是地热储存 的隔 水隔热条件 ， 因此在地热调查时应该特别注意断裂性 质的调查， 探测深部的断裂构造也成为地热勘查的一 个重要的 目标 。 二十世纪七八十年代 ， 江西省地质局水文地质大 队和环境地质大队分别开展了南 昌地热普查工作 ， 施 工 了多眼钻孔 ， 揭露了红层下伏岩溶热储层 的不均匀 分布特征。九十年代后期 ， 江西省地勘局在南 昌地区 开展了大规模的地热地质调查工作 ， 组织专业队伍开 展对该区的基础地质及水文地质调查 ， 并综合物探和 钻探成果 ， 深入解释了南昌地区的地热地质特征 ， 把 寻找岩溶热储层作为在南昌地区寻找地热资源的突破 口，选择 了多个 目标靶区 。2 0 0 5年北京市地热研究 院在南昌南部靶区进行了详勘 ， 并成功钻凿出第一眼 地热井，揭露出南昌红盆地区特有 的地热地质特征 ， 同时发现深部的断裂构造与其地球物理电性特征之间 存在非常明显的对应关系。 1 南昌红盆地 区地质和地球物理特征 南 昌红盆在区域构造上， 处于江西南北两大构造 单元一 扬子地块和华南地块结合带北侧 ，扬子地块的 南缘 ，属于萍乡一 乐平 凹陷带 中段。据其发展演化历 史 ，大致经历了地槽发展阶段一 准地台发展阶段一 滨太 平洋大陆边缘活动阶段三个阶段， 岩石地层分区属于 扬子地层区的江南地层分区L 3 J 。 基底为中元古界双桥山群绢云母千枚岩、 粉砂质 千枚岩 、凝灰质千枚岩 、变余粉砂岩夹变沉凝灰岩 、 白云片岩、二云母片岩。上覆地层主要有新生界、中 生界和上古生界地层 ， 其中中生界三叠系至上古生界 的地层在区 内分布极不均匀。 各地层岩性电性特征参 考周边地区勘查资料_ 4 J ，见表 1 。 南昌红盆地区南部靶区显示了较好 的储热地质构 造 ，上部较厚的泥质岩、泥质粉砂岩等具有较好的隔 热保温性能 ，能防止热能快速散失 ；下伏灰岩是较好 的岩溶热储层，如遇断裂构造发育，不仅能沟通深部 热源，还能使岩石裂隙将更发育，增加储水空间。 当前地热资源的勘查工作主要是借助于物化探方 法 ， 结合区域地质调查情况来解释深部的构造及赋水 情况。近代研究表明 ，岩石导电机制属于离子导 电， 在断裂构造的附近 ，地层的破碎，地下水充斥其中 ， 使离子活动性增强， 同时温度的增加也能造成离子活 基金项 目：国家重点基础研究发展计划 ( 9 7 3 计划2 0 1 2 C B 4 1 6 6 0 5 ) ，国家自然科学基金 ( 4 1 1 7 4 0 9 0 ，4 1 1 7 4 1 0 8 )资助。 第一作者 简介 ：张文洋，男，1 9 7 8年生，从事水文、地热勘查工作。邮编：1 0 0 1 4 3 石油仪器 P E T R oL E U M I NS T R U ME NI S 2 01 3年 1 0月 动性增强，导致其电阻率较周围地层电阻率低 ，由于 这些特殊的电性特征 ，在进行地热勘查时 ，多采用电 法进行勘探 。 表 1 地层电性参数统计表 地层年代 地层岩性 电阻率 ( - m) 新 生 界 弟 糸 粘 土 1 5 2 0 0 南雄组 砂岩、粉砂岩、泥岩 5 0 2 5 0 白 垩 系 周 家 店 组 芸 喜 、 粉 砂 岩 、 粉 砂 5 0 2 50 中 生 界 冷 水 坞 组 喜 、 粉 砂 岩 、 粉 砂5 0 2 50 侏罗系林 山组 砂砾岩 1 5 0 4 0 0 ：吞 秦 安源组石英砂岩 、 粉砂岩、泥岩 5 0 4 0 0 大冶组 泥灰岩 、钙质页岩 3 0 0 6 0 0 长兴组 灰岩 3 0 0 6 0 0 上古生界 二繇 泥 、 岩 1 5 2 5 0 栖霞组微晶 白云岩、砂屑灰岩 3 0 0 6 0 0 中 元 古 界 双 桥 山 群 军 萎 毒 枚 岩 、 粉 砂 质5 0 0 8 0 00 2 CS A MT方法原理及特点 C S AMT法是可控源音频大地电磁法的简称 ， 是 一 种频率域电磁测深方法 ，它 用地面偶极子或水平 线圈作为人工信号源来产生可控的电磁波信号 ，通 过接收不同频率的电磁波信号以达到测深的 目的。 该 方法是 2 0世纪 8 0年代末才兴起 的一种地球物理新 技术 ，它理论基础是基于 电磁波传播理论 和麦克斯 韦方 程组 ， 。 C S AMT 法是采用赤道偶极装置进行标量测量 ， 同时观测与场源平行的电场水平分量 和与场源正交 的磁场水平分量 ， 然后利用电场振幅 和磁场振幅 计算阻抗电阻率P ， 电场相位 和磁场 计算阻抗 相位 。 阻抗电阻率和阻抗相位联合反演计算可控源 电磁测深反演电阻率参数 ， 利用反演电阻率进行地质 推断解释 。 C S AMT法的特点 ：1 )使用可控制的人工场源， 它的信号强度比天然场要大得多， 因此可在较强干扰 区的矿区及外围或在城市及城郊开展工作 ；2 )测量 参数为电场与磁场之比， 得出的是卡尼亚电阻率 。由 于是比值测量，因此可减少外来的随机干扰 ，并减少 地形的影响 ；3 )基于电磁波的趋肤深度原理，利用 改变频率而非改变几何尺寸进行不同深度的电测深 ， 大大提高 了工作效率，减轻了劳动强度，一次发射 ， 可同时完成 7个点的电磁测深 ； 4 )勘探深度范围大 ， 一 般可达 1 k m 3 k m ( V6系统的探测深度) ；5 )横 向分辨率高 ，可灵敏地发现断层 ；6 )由于接收机在 接收电场的同时还要接收磁场 ，因此高阻屏蔽作 用 小 ，可穿透高阻层 。 但 C S A MT方法也还存在一些缺点 ，比如静态效 应( 地表电性不均匀会影响到深部 的测量结果) 、近 场效应等。 不过这些缺点可以通过一些室内的处理办 法进行克服 ， 如通过空间滤波软件可减小静态效应的 影响 ；加大发射与接收间的距离 ( r ) 、通过近场校正 软件 ，对近场效应进行校正【 。 3 CS AMT勘查 结果分析 2 0 0 5年北京市地热研究院在江西省南昌市某靶区 进行地热勘查时 ，采用了 C S A MT法进行勘查 ，用来 分析红盆热储的地质特征以及为钻孔位置的选择提供 依据 。 测区内一共布置了 2条互相平行的勘探线 ，分 布如图 1 所示。勘探线长度均为 2 5 0 0m，测点间距 5 0 1T I ，以数字标注点编号 。区域地质资料显示该区域 为红层盆地，其地层层序由新到老依次为新生界 、中 生界 、上古生界和中元古界地层。 比 例 尺 。 m 园 线 圈 置圈 图1 测区勘探线布霉国 探测结果如图 2图 3 所示， 从探测结果可以看出， 地层电阻率随深度增大显示出中高阻一 低阻一 中高阻- 高 2 0 1 3年 第 2 7卷 第 5期 张文洋等： 南昌红盆地区地热构造地球物理勘查 阻一 高高阻的曲线形态 ( H AA 型) ，大致分出五个电 性 层 。 结合区域地质资料 ，认为 1 0 0 0 m深度以上地层 ( 电阻率值3 0 0 Q m 的低阻和中高阻地层)为新生 界和中生界的粉砂质泥岩和粉砂岩 ，含泥质成分较 多 ， 电阻率较低 ， 推测测区内红盆厚度 1 0 0 0 m左右。 图2 C S A M T 勘挛 l线反演电阻率断面图 图 3 C S A MT勘查 2线反演电阻率断面图 1 0 0 0 1 5 0 0 m的地层( 3 0 0 Q m电阻率值 6 0 0 Q m 的高 高阻地层 )为中元古界 的绢云母纤枚岩、粉砂质板 岩，属于变质岩类地层 ，电阻率是本区内最高的。 在 1 0 0 0 m厚度的红盆地层中 ，地层岩性为粉砂 质泥岩和粉砂岩 ，含泥质成分较多，导热能力弱，像 一 条厚厚的棉被盖在储层上面 ， 是较为理想的盖层 。 在 1 0 0 0 m 以下的高电阻率地层中，其电阻率断 面图上显示视电阻率随深度增加而增加。 在 I 线的 2 0 2 5号点和 I I 线的 3 5 4 0号点之间的区域内，曲 线形态明显下凹， 该位置同一深度处的视电阻率明显 低于两侧 ，电阻率断面图上显示为明显的横向间断 。 间断位置在图中显示存在一定的宽度 ， 推测该间断为 断裂构造所致 ，且断裂两侧地层存在 明显的上下错 动 。同时从断面图中可以看到 ， 断裂的倾 向向测线大 号点方向倾斜 ， 为一正断层， 两侧地层错位约 2 0 0 m。 从上述推断分析中可以看出，测区内 1 0 0 0 m深 度以下地层，为上古生界砂砾岩 、灰岩和中元古界绢 云母纤枚岩、粉砂质板岩，这几种岩石电阻率相对较 高，但性脆 ，在构造应力的作用下 ，特别是有张性断 裂通过时 ， 易破碎而形成储水空间，储水空间因充水 在断面图上显示为相对低阻， 在高阻地层中寻找这种 低阻空间是寻找地热水资源的一个方向。 根据上述勘查成果选择 3处进行钻井验证 ( 钻井 位置如图 1 ) ，其中No 1 井和 No 2井均在 9 0 0 m深 度附近揭穿红层 ，No 3井在 1 1 0 0 m 深度附近揭穿 红层，三眼地热井后期抽水试验资料显示 No 1 井和 N o 2井水力联系较强 ，且与 No 3井的水力联系较 弱 。揭示 No 1 井 、 No 2井为同一储水单元，与 No 3井之间存在隔水断裂，且断距 2 0 0 m左右 ，与本次 物探勘查 资料解译对比性较好 。 从上述实例可以看出， 红盆内地热水储存的盖层 和储层地层岩性的电性差别较大 ，C S A MT法可以很 明显区分两种地层 ， 为之后的地热井施工设计提供比 较可靠的依据 ，指导地热井的钻进工作 。 在该区域的 地球物理勘探中 ， 断裂构造在 C S AMT资料中反映非 常明显 ， 地球物理电性特征与断裂构造之间显示出非 常明显的对应关系 ，特别是本区热储层岩性为灰岩， 性脆 ，遇断裂更易形成岩溶裂隙，是地热资源较为理 想的储水空间。 4 结论 通过对南 昌红盆地区进行地球物理勘探及钻孔验 证 ， 认定南 昌红盆地区地热资源属于盆地型层状岩溶 热储 ，热储层顶板埋深约 1 0 0 0 m，厚度约 5 0 0 m；热 储盖层为新生界和中生界地层 ， 这套地层岩性为粉砂 岩 、泥岩和粉砂质泥岩，总厚度约 1 0 0 0 m，具有较 66 石油仪器 P E T R oL E U M I NS T R U ME N I S 2 01 3年 1 0月 好的隔热保温性能；断裂为导水、导热构造 ，切割深 度大 ，有利于沟通深部热循环 ，带来深部热量 ，同时 断裂活动能增加岩石裂隙，增大储水空间。 C S AMT法测量曲线显示地球物理电性特征与深 部的断裂构造存在明显的对应关系，从地质角度看 ， 断裂带的岩石相对破碎， 其中充填 了断层泥或热液活 动产生的水饱和黏土 ， 以及破裂孔隙度的增加或充水 均会引起电阻率降低 ， 而断裂带两盘的弱透水层相对 呈高阻， 如果在地质上初步推断出断裂带的大致走向 后 ，在近垂直断裂带的方向布置两条以上的 C S A MT 测线 ，使得电磁响应最强，就能很有把握地勘查出断 裂带的走 向、倾 向。 从地电结构来看 ， 断裂这种地质构造的地电结构 在视电阻率断面图上反映非常明显 。 是 一条直立或近 直立的低 电阻率带 ， 与两侧有较大的电性差异。通常 在电阻率断面图上 ， 老基底与上覆地层 的界面常常也 是一个明显的电性界面 。 这些电性特征对解释地质构 造非常有意义。 从 C S A MT法的特点看 ，具有抗干扰能力强、横 向分辨率高和探测深度大等居多特点， 特别是对断裂 的探测灵敏度高 ， 可以探明构造的空间分布形态和导 水、控水构造等 。 综上 ，C S AMT法探测技术能够很好地解决地热 勘查中， 特别是寻找断裂构造控制成因的地热水中需 要解决的导水 、控水构造问题 ，其在地热勘查中的应 用前景是相当广泛的。 参 考 文 献 1 高柏，孙占学 江西省地热温泉开发利用与保护 【 J 水 资源保护，2 0 0 6 ，2 2( 2 ) 【 2 】陈冬生、杨金华 江西省地热资源成因及分布规律探讨 J 江 西煤炭科技，2 0 1 1 ，3 3( 3 ) 3 江西省地质矿产厅编 江西省岩石地层 M 武汉：中国地 质 大学 出版社，1 9 9 7 【 4 言会，李磊 江西省区域岩石物性数据手册 M 北 京：地质 出版社 ，2 0 0 7 5 】 石昆法 可控源音频大地电磁法理论及应用 【 M】 北京：科 学出版社， 1 9 9 9 6 底青云，石昆法 CS AMT法和高密度电法探测地下水资源 【 J _ 地球 物理学进展，2 0 0 1 ， 1 6 ( 3 ) 【 7 】王家映关于大地电磁的静校正问题 J 地质科技情报， 1 9 9 2 ，1 1( 1 ) 8 】 徐新学，夏训银 MT及 C S A MT方法在城市地热资源勘探 中的应用 J 桂林工学院学报，2 0 0 4 ，2 4( 3 ) 9 董泽义，汤 吉 可控源音频大地电磁法在隐伏活动断裂 探测中的应用 【 J 地震地质，2 0 1 0 ，3