可控源音频大地电磁测深法在地热资源勘查中的应用

可控源音频大地电磁测深法在地热资源勘查中的应用

0地下热水对深部地热资源的影响作为一种绿色能源，热资源的开发利用越来越受到重视。一般情况下地热资源埋藏较深,开采风险很大。为了提高效率,降低成本,减少投资风险,开发地热资源前必须进行地质调查,地球物理勘查是地热资源调查的重要手段之一。地下热水能够使热储层位电阻率降低,低阻异常是识别地热资源的重要标志,所以以往地热资源调查中,直流电阻率法一直占主导地位。直流电阻率法工作效率低、勘探深度相对较浅,在使用中受到较大限制。目前地热资源开发的深度越来越大,大多开采深度已超过2000m。随着深度加大,地下热水引起的电阻率差异越来越小,以至难以观测到由地热变化引起的电阻率异常,所以深部地热资源调查的主要任务是勘查热储地层及地质构造分布情况。近几年,我们采用可控源音频大地电磁测深法(简称CSAMT法),在北京、辽宁、河北、江苏、内蒙、江西、江苏和浙江等地的深部地热资源调查中取得较好的地质效果。以下分别介绍几种热储类型应用CSAMT法进行深部地热资源勘查的实例。1盆地地热资源的扰动1.1地层及界面特征断陷盆地型热水埋深相对较大,以中低温为主,分布范围较广,是目前利用最广的地热资源,在北京已经得到广泛的开发和利用。北京市及周边地区蓟县系雾迷山组白云岩厚度较大,埋深一般0m~n×1000m,岩溶裂隙较为发育、热导率值较高,是北京市主要热储地层。其地热勘查主要任务是了解蓟县系白云岩埋藏深度、上覆地层和构造分布情况。这是北京市远郊勘查实例,测区大部为第四系所覆盖。第四系(Q)由粘土、粉砂和砂砾石组成;第四系下伏地层有:白垩系(K),以泥岩、细砂岩为主;侏罗系(J),岩性以凝灰质砂岩、熔岩、火山碎屑岩为主;中元古界蓟县系(Jx),岩性主要为白云岩。区内第四系电阻率较低,约20Ω·m左右;白垩系15Ω·m~25Ω·m,侏罗系电阻率为100Ω·m~300Ω·m;蓟县系白云岩电阻率大于500Ω·m。各时代地层岩性之间电阻率存在明显差异,为电法勘探工作提供了充要的地球物理前提。下页图1是该区某线可控源音频大地电磁测深反演电阻率和地质解释综合断面图。由图1可见,断面内电阻率横向变化较大,剖面中段浅部低阻层较厚,向二侧低阻层逐渐变薄,明显呈盆地的电性分布特征。沿剖面分别在2000m、3700m和6700m测点附近出现清晰的电阻率横向变化带,推断其为断层(将其按顺序分别编号F5、F6和F8)产生,且断层断距均相对较大。由于断面内电阻率纵向“分层特征”非常明显,根据电阻率分布情况及曲线特征,很容易区分出第四系、侏罗系砂岩和蓟县系白云岩界线。图2是该区另一条剖面的可控源音频大地电磁测深反演电阻率和地质解释综合断面图,由2图可见,剖面内除在1200m测点附近出现断层外,从剖面起点到端点断面电阻率逐渐升高,符合实际地层呈单斜构造的特征。断面内0m~500m为第四系,除河滩局部出现高阻外,电阻率均很低;除第四系和白垩系间电阻率差异较小,层间电阻率呈渐变关系,二者间界面不太明显外,白垩系-侏罗系-蓟县系之间界面非常清楚。验证孔ZK1深1951m,在1395m见蓟县系白云岩,利用可控源音频大地电磁测深反演电阻率推断,蓟县系白云岩顶界面深度与实际地热井验证深度仅差几十米。开发出日出水量大于3000m3/d,水温71℃的自喷地热井。由于邻近较大断裂构造,热水水量和温度均很高,是目前北京市开发的温度最高,水量最大的地热井。1.2地热资源类型及其分布区内为第四系所覆盖,第四系以下依次为侏罗系(J)、石炭~二叠系(C-P)、奥陶系(O),寒武系(∈)、青白口系(Qn)和蓟县系(Jx)。其中侏罗系为砂岩和砂砾岩;石炭~二叠系为砂页岩、砾岩夹煤系地层;奥陶系为灰岩和白云质灰岩;寒武系为页岩、泥灰岩和灰岩;青白口系为砂岩、页岩和灰岩;蓟县系以白云岩为主。这些地层间存在电阻率差异,电磁法在该区工作具备地球物理前提。地热开发井位于北京迭断陷内,蓟县系白云岩埋深超过3500m。如果开发白云岩岩溶裂隙水,要求开采深度很大,开采成本随之升高,风险也随之加大,所以寻找断裂构造水是本区寻找地热资源的最佳选择。图3(见下页)是区内一条可控源音频大地电磁测深剖面的综合断面图。由图3可见,断面内电阻率由浅至深呈逐渐升高的单调变化,电阻率纵向分布与实际地层情况对应较好。在1800m附近电阻率出现横向突变,即出现明显的断层反映特征。虽然这是个小断层(编号为F1),断距相对较小,断层产生的破碎带相对较狭窄,但仍然可以看出破碎带产生的相对低阻带。图内钻孔(Zk2)是根据CSAMT解释结果所布设的验证钻孔,验证结果与推断地层分布基本一致,并于孔深2100m见断裂破碎带,出水温度66℃,出水量1800m3/d以上。这是目前北京开发断裂构造型地热资源最成功的实例之一。2可控源音频业务在区内地质测量工作岩浆型地热资源与岩浆活动有关,其埋深较浅,分布范围较小,温度较高。这是在辽宁省某地的勘查实例。区内为第四系覆盖,据钻探揭露,部分地段第四系下见第三系覆盖于花岗岩体之上。第四系(Q)主要为粘土、亚粘土、砂和砾石;第三系(R)岩性主要为砂岩和砂砾岩;花岗岩(γ)为中侏罗世侵入的千山花岗岩体,岩体内穿插有闪长岩脉。未收集到区内电性资料,一般情况下,第四系10Ω·m~20Ω·m,平均厚100m;第三系30Ω·m左右,厚度0m~70m;花岗岩大于2000Ω·m。区内花岗岩体内断裂和裂隙是热储的主要赋存部位,由于第四系覆盖,很难确定岩体内的构造分布状况。虽然已施工了多口地热勘探浅井,做过瞬变电磁测深、直流电阻率法和磁法等物探工作。但由于区内构造复杂、电阻率差异较小,前期工作未能对岩体内的断裂和裂隙做出适宜的解释推断。后来,我们采用可控源音频大地电磁测深方法在区内进行了面积性测量。地质任务是:根据可控源音频大地电磁测深法实测结果,推测区内断裂、地层分布和基底(花岗岩顶部)埋深情况,勘测深度2000m。图4是该区某线可控源音频大地电磁测深反演电阻率和地质解释综合断面图,剖面内700号测点附近有已知钻孔(ZK7)。ZK7孔揭露第四系厚92m,第三系厚67m,下部是花岗岩。对比可控源音频大地电磁测深反演电阻率断面图和地质解释断面图可以看出,小于20Ω·m的低阻层比较稳定,一般厚100m左右,与第四系有较好的对应关系。沿剖面0m~700m处的100m~200m深度之间,电阻率纵向变化相对较小,并出现相对低阻,对应第三系地层;其下部高阻层界面即为花岗岩顶界面。沿剖面,分别在200m、700m、950m和1300m附近出现电阻率横向梯度带(相对低阻带),根据其平面电阻率分布和已知地质资料,推断这些相对低阻带为断层(分别编号为F1、F2、F3和F4)引起,其中F2断层为目前主要开发热水的热储构造。上述推断结果与实际地热开发情况对比,可控源音频大地电磁测深资料的地质解释与实际情况基本一致。需要说明的是,虽然区内地热温度较高(一般大于90℃),但由于储热构造范围较小,所反映的电阻率异常不够明显。3热储区可达性这是江苏省江南的一个勘查实例,区内为第四系所覆盖;第四系以下依次为白垩系浦口组(Kp)砂岩;三叠系青龙组(Tq)灰岩;二叠系长兴组(Pc)灰岩;二叠系龙潭组(Pl)和孤峰组(Pg)砂岩;二叠系栖霞组(Pq)灰岩;石炭系船山组(Cc)和黄龙组(Ch)灰岩;泥盆系(D)和志留系(S)砂岩、泥岩。其中第四系厚度近200m,其它地层区内厚度变化较大,且有不同程度缺失。根据实际地质情况,推断二叠系栖霞组灰岩岩溶裂隙发育,含水性较好,其埋深大于1000m,1000m以下温度应该在40℃以上,是当地最为经济适用的热储地层。为此在区内进行了面积性可控源音频大地电磁测深测量。图5是区内某线CSAMT综合断面图,分别在83号和106号点附近有二个已经完工钻孔(圹60和2号钻孔)。由图5中反演电阻率断面图可见,断面内由浅到深部电阻率逐渐升高,并且分别在观测剖面的400m、1300m、1800m和2400m附近出现电阻率横向突变带,推断为断层的反映(编号分别为F1、F2、F3和F4)。根据断面电阻率相对变化和已知孔(圹60和2号钻孔)揭露资料,推断结果如图5所示。按照我们推断结果布设ZK3孔,终孔深度1296m,在960m处见二叠系灰岩和断层,与推断结果仅差几十米,该井出水温度45℃,每天1200m3/d,被有关部门称为“江苏省江南第一口地热深井”。4地表地热资源勘查随着越来越多的地热资源开发利用,开采深度会越来越大,开采风险也随之加大,所以开发者越来越重视前期勘查工作。事实证明,进行前期地热资源勘查可以提高地热田的勘探效果、降低成本、减少投资风险。用于