某生態(tài)項目地熱井的物探勘查

張 奎 ，徐曉方（.山東發(fā)林旅游開發(fā)有限公司， 山東 德州 503；.中共山東省委黨校， 山東 濟南5003）

地熱資源是集熱能、水和礦產(chǎn)于一體的多用途自然資源。其優(yōu)點是占地少、無煙、無廢渣粉塵等污染，為綠色能源，充分開發(fā)利用地熱資源的前景十分廣闊。隨著地熱應(yīng)用范圍的拓寬，其越來越受到人們的青睞，同時也越來越多地走進人們的日常生活，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療、采暖 、發(fā)電、洗浴及旅游業(yè)等行業(yè)被廣泛開發(fā)利用。某項目打算開發(fā)利用地熱資源，為了降低地熱開發(fā)的投資風險，特在開發(fā)前進行地熱井的物探勘查工作。

1 地質(zhì)條件

1.1 地理概況

某項目位于山東省齊河縣，地處魯西北平原，與省會濟南隔黃河相望。工作區(qū)地勢平坦，地面標高一般為 26.0 m，地勢西南高、東北低，符合黃河沖積平原的特征，局部為人工地貌。土層主要為粉土、粉質(zhì)黏土，無不良工程地質(zhì)現(xiàn)象。氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶园霚貪櫦撅L氣候區(qū)。多年平均氣溫 13.5 ℃，年平均降水量為 592 mm，年平均蒸發(fā)量 2143.7 mm，日照 2678.9 h，風速 2.9 m/s，無霜期 217 d。 主要氣候特點為四季分明、氣候溫和、冷熱季和干溫季明顯。

1.2 地質(zhì)特征

區(qū)域的主要地層由老至新依次為寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、新近系及第四系。現(xiàn)將各地層巖性特征由老到新分述如下。

（1）寒武系。在濟南南部山區(qū)出露。下統(tǒng)以紫色、豬肝色、鮮紅色易碎頁巖為主，夾薄層狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、條帶狀灰?guī)r，底部為中厚層中、粗粒砂巖。中統(tǒng)以灰黑色厚層鮞狀灰?guī)r及灰?guī)r為主夾黃綠色及紫色頁巖、砂巖。上統(tǒng)以薄層灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r、厚層泥質(zhì)條帶灰?guī)r為主夾泥質(zhì)頁巖，薄層鮞狀灰?guī)r，頂部為白云質(zhì)灰?guī)r。

（2）奧陶系。奧陶系為碳酸鹽巖，在項目所在的調(diào)查區(qū)范圍內(nèi)分布，大部埋藏于石炭、二疊系之下。地層厚度967～1073 m，主要發(fā)育三山子組和馬家溝組，馬家溝組將是為本次工作的主要目的層和取水段。

（3）石炭系。分布于項目調(diào)查區(qū)西北的廣大地區(qū)。地層厚度 100～250 m，與上覆二疊系為平行不整合接觸，主要是砂巖、砂質(zhì)頁巖、泥巖夾薄層灰?guī)r，含煤。

（4）二疊系。分布于調(diào)查區(qū)西北的廣大地區(qū)。地層厚度 0～974 m，巖性以陸相紫色、灰色砂巖、泥質(zhì)頁巖、礫巖，夾煤層，與上覆第三系為角度不整合接觸。

（5）新近系。位于齊河—廣饒大斷裂以南，據(jù)相關(guān)書籍記錄，缺古近系，只發(fā)育新近系。地層厚度為 70～250 m，巖性以泥質(zhì)砂頁巖、砂質(zhì)黏土巖為主，半固結(jié)。

（6）第四系。黃河兩岸及以北地帶為黃河沖積層。第四系堆積物的厚度變化總體由南而北、由東向西逐漸增厚，北部達 300 m 以上。據(jù)該區(qū)域地質(zhì)資料對第四系描述，南部山前地帶為砂質(zhì)黏土、黏土夾砂礫石層。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

該區(qū)區(qū)域上主要發(fā)育有齊廣斷裂、桑梓店斷裂、長清斷裂、臥牛山斷裂等，位于濟南單斜前緣，在大地構(gòu)造上處于陽谷—齊河單斜斷凹的東北端。

齊河—廣饒隱伏大斷裂位于工作區(qū)以北，區(qū)域上是魯西隆起與濟陽拗陷的分界線。該斷裂對本區(qū)次一級構(gòu)造和巖漿巖的活動起著重要的控制作用。斷裂總的走向近東西，傾向NW，傾角 40°～60°，落差 900～1500 m。沿斷裂帶有間歇性、中基性巖漿噴發(fā)活動和小規(guī)模的中基性侵入巖。

本區(qū)及其附近的桑梓店斷裂、長清斷裂、臥牛山斷裂等次級斷裂，切割了深部的奧陶系灰?guī)r，為徑流至此的地下水提供了較大的存儲空間。同時也對地下水的運移和分布起了重要作用，且溝通深部熱巖體與地下水，從區(qū)域上為地熱水的形成提供了熱源條件。

1.4 地熱條件

根據(jù)以往的地熱勘探及研究成果認為，濟南北部為一面積較大的地熱田，稱為濟北地熱田。根據(jù)區(qū)內(nèi)地層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造界線以及地熱顯示點的控制范圍，濟北地熱田范圍大致是：南至濟南巖體北界，北至齊河—廣饒大斷裂，西到長清斷裂，東到鴨旺口斷裂。本次要調(diào)查的項目正處在該地熱田西南部，距離黃河主河道直線距離 1200 m。

濟南地區(qū)地處魯西隆起的西北部，北邊緊鄰濟陽拗陷，處于魯西系的北側(cè)，地層南老北新，總體評價為向北緩傾的單斜構(gòu)造，褶皺構(gòu)造不甚發(fā)育。濟北地熱田就位于該單斜構(gòu)造內(nèi)。其熱儲層為奧陶系層狀熱儲，埋藏深度大部在 2000 m以內(nèi)，局部 2000～3000 m，于濟南南部廣泛出露，接受降水補給，上覆較厚第四系、古近系、二疊系、石炭系等，厚度在 500～2000 m，局部 ＞ 2000 m，為良好阻水保溫層。經(jīng)分析認為正是由于這些斷裂的切割和濟南巖體冷凝，導(dǎo)致地下熱儲層裂隙發(fā)育，為地熱水提供了儲存空間，同時為地球深部熱源的向上傳導(dǎo)提供了通道。綜上可知，濟北地熱田具有較為有利的地熱地質(zhì)條件。

2 地質(zhì)物探

2.1 調(diào)查區(qū)特征

通過對工作區(qū)所調(diào)查的測溫資料統(tǒng)計分析，可以初步判定工作區(qū)內(nèi)的表層地熱恒溫帶深度為 20～30 m，溫度為14 ℃。

2.2 熱儲地質(zhì)特征

工作區(qū)內(nèi)蓋層主要為第四系、新近系、二疊系以及石炭系，熱儲層為奧陶系馬家溝組。根據(jù)工作區(qū)內(nèi)地層出露、鉆孔揭露情況和本次物探可控源音頻大地電磁測深、視電阻率垂向直流電測深及二維地震相互驗證的解譯結(jié)果，初步判定在重點工作區(qū)內(nèi)熱儲層（奧陶系馬家溝組）埋藏深度在760～1780 m 不等（由東南至西北逐漸加大），厚 875 m左右。

2.3 構(gòu)造條件

為了在重點工作區(qū)內(nèi)尋找有利于地熱水儲存的儲水構(gòu)造，以確定地熱井施工的靶區(qū)，進行了物探工作。為提高物探解譯的精確度，共采用了可控源音頻大地電磁測深法、視電阻率垂向直流電測深法及二維地震法 3 種方法同時進行，相互驗證。現(xiàn)將其工作內(nèi)容和解譯結(jié)果分述如下。

（1）可控源音頻大地電磁測深剖面（CSAMT）。在場區(qū)內(nèi)由北至南布設(shè)了 1、2、3、4、5 共 5 條近東西向剖面線，分別布設(shè)了 63、63、27、27、46 個測點，其剖面長度分別為 3100 m、3100 m、1300 m、1300 m、2200 m，點距均為 50 m。其解譯結(jié)果顯示，在樁號 3600 至 3750、3100 至 3250、1700 至 1850、800 至 950、400 至 550 均有異常反應(yīng)，推測此為斷層所致。該斷層走向近 NNE、傾向 NNW，傾角約 70°。該斷層命名為 F 斷層。另外由CSAMT 5 條剖面線也可以看出，F(xiàn) 斷裂西側(cè)相對東側(cè)為低阻帶，推測這是由于斷裂西側(cè)賦水性要較東側(cè)強所致。

（2）二維地震剖面。位于 2 號 CSAMT 剖面上，起點樁號為 100 ，結(jié)束點樁號為 580，剖面長度 5800 m。物探解譯在樁號 254 至 266 之間有明顯異常反應(yīng)，且該點正位于CSAMT 剖面上 5 個異常反應(yīng)點的連線上。

（3）視電阻率垂向直流電測深剖面。在與二維地震剖面線重合的位置布設(shè)了 20 個測點，剖面長度為 1600 m。各點用 GPS 定位，點距 100～200 m。起點樁號為 154、結(jié)束點樁號為 314。在樁號 254 至 266 之間有異常反應(yīng)，且該異常點與二維地震剖面異常點重合。

由以上 3 種方法相互驗證，可以斷定 F 斷層的位置及產(chǎn)狀是可信的。另外由物探剖面圖還可以看出，F(xiàn) 斷層為大傾角正斷層，為連通更深部的熱源和熱儲層，既起了傳熱導(dǎo)熱的作用，也為地下水加熱和儲存提供了條件。同時，由于其切割，裂隙經(jīng)過較長時間的發(fā)育，為滲流此地的地下水提供了較大的儲存空間。

2.4 熱儲層水文地質(zhì)條件

在工作區(qū)內(nèi)，該含水巖組埋藏于第四系、新近系、二疊系以及石炭系之下。其頂板埋深總體呈現(xiàn)由東南向西北逐漸加大的趨勢，經(jīng)過查閱資料和實地踏勘，發(fā)現(xiàn)在工作區(qū)以外東南部的濟南南部山區(qū)有較大面積的奧陶系灰?guī)r出露。大氣降水在此入滲補給地下水，向西北徑流，徑流至重點工作區(qū)附近。由于奧陶系馬家溝組埋深加大，使地下水經(jīng)深循環(huán)加熱。同時因為該處的奧陶系頂板埋深較大，最深可達到 1780 m 左右（重點工作區(qū)西北部），地下水的運動遲緩，被圍巖逐漸加熱后，與圍巖發(fā)生水鹽反應(yīng)，溶解了巖層中礦物質(zhì)及微量元素，形成了具有豐富礦物質(zhì)的中低溫地熱水。

2.5 熱儲概念模型

根據(jù)以上地熱地質(zhì)條件的分析，將復(fù)雜的、不規(guī)則的地質(zhì)體形態(tài)概化為一個理想的幾何形態(tài)，建立如下熱儲概念模型。

（1）熱儲層。工作區(qū)的熱儲層奧陶系馬家溝組灰?guī)r，埋藏于第四系、新近系、二疊系、石炭系地層之下。由于區(qū)域上桑梓店、長清、臥牛山等斷裂以及工區(qū)內(nèi)發(fā)育的各類斷裂（F 斷裂及其各伴生小型斷裂）的切割，巖體較破碎，具有一定的儲水空間，且上覆地層具有良好的保溫性能，使其有可能成為理想的熱儲層。

（2）蓋層。由于上述地層隔水性能良好，熱導(dǎo)率低，所以可成為良好的蓋層。工作區(qū)內(nèi)的熱儲蓋層是第四系、新近系、二疊系以及石炭系的沉積地層和發(fā)育的多層頁巖。

（3）通道。工作區(qū)內(nèi)或附近的斷層（桑梓店、長清、臥牛山等斷裂以及區(qū)內(nèi)發(fā)育的各小型斷裂）起到了連通深部熱源、導(dǎo)熱、導(dǎo)水的重要作用。

（4）熱源。絕大部分來自斷層連通地球深部熱流，向上對流傳導(dǎo)加熱而成。這是對地下水加熱的主要方式。

（5）地下水滯流條件。重點工作區(qū)內(nèi)，奧陶系埋深較大，最深可達 1780 m 左右（場區(qū)西北部）。由于斷層的切割使灰?guī)r裂隙相對發(fā)育，但由于其埋深大，地下水的運動滯緩，所以易被圍巖加熱形成低溫地熱水。

3 結(jié) 語

（1）地熱井施工前，應(yīng)根據(jù)本論證報告及相關(guān)地質(zhì)資料，編制地熱井施工設(shè)計。施工采用氣舉反循環(huán)地鉆進工藝，并應(yīng)設(shè)專業(yè)技術(shù)人員分別對地熱井地質(zhì)和鉆探施工進行編錄，并進行質(zhì)量監(jiān)理，提高地熱井鉆探的成功率。

（2）對建設(shè)場地進行規(guī)劃時，應(yīng)充分考慮地熱井的風險性，以提高整個項目的承受力，減少不必要的麻煩。

（3）地熱井終孔成井后，建議安裝地熱井監(jiān)測設(shè)備（測水管、壓力表、流量表及溫度計等），對地熱井壓力、水溫、水量、水位及水質(zhì)進行定期觀測。根據(jù)監(jiān)測信息，及時調(diào)整開采方案。

（4）按照目前對地熱資源的保護開發(fā)，能開發(fā)的地熱資源更要珍惜，最大限度地降低對環(huán)境的不良影響，充分考慮階梯開發(fā)和綜合利用。

（5）為避免棄水對周圍土壤土質(zhì)的破壞，可另鑿回灌井，對棄水進行回灌，溫泉洗浴水須按照相關(guān)要求處理后達標排放。