綜合地球物理方法在Ⅱ-3型地熱勘查中的應用: 以青海同仁盆地為例

何勝, 汪萬錄, 趙文強, 潘軍

(1.青海省環境地質勘查局, 西寧 810008; 2.青海省環境地質重點實驗室, 西寧 810008; 3.東華理工大學水資源與環境工程學院, 南昌 330013; 4.青海九零六工程勘察設計院有限責任公司, 西寧 810007;5.中國地質調查局西寧自然資源綜合調查中心, 西寧 810021)

中國地熱資源類型多樣,不同的地質背景造就了不同類型資源。中國地質科學院水文地質環境地質研究所按地熱田的溫度﹑熱儲形態、規模和構造的復雜程度,將地熱田勘查類型劃分為兩類六型,即為:Ⅰ-1型(熱儲呈層狀,巖性和厚度變化不大或呈規則變化,地質構造條件比較簡單);Ⅰ-2型(熱儲呈帶狀,受構造斷裂及巖漿活動的控制,地質構造條件比較復雜);Ⅰ-3型(兼有層狀熱儲和帶狀熱儲特征,彼此存在成生關系,地質構造條件復雜);Ⅱ-1型(熱儲呈層狀,分布面廣,巖性,厚度穩定或呈規則變化,構造條件比較簡單);Ⅱ-2型(熱儲呈帶狀,受構造斷裂控制,規模較小,地面多有溫、熱泉出露);Ⅱ-3型(兼有層狀熱儲和帶狀熱儲特征,彼此存在成生關系,地質構造條件比較復雜)[1-3]。層狀熱儲是沉積盆地傳導型地熱儲,帶狀熱儲受地質構造控制,隆起山地斷裂對流型地熱儲,斷裂構造作為地熱流體運移的通道,是地熱資源勘查的標志之一,兩種熱儲其受構造條件控制,它們都具有不同的資源潛力[4-5]。

近年來,不少勘探單位應用不同的物探方法進行地熱勘查取得了大量成果,為地熱開發利用做出了一定的貢獻。通過高精度磁測可確定火山巖、侵入巖及蝕變帶的分布位置,可間接劃定地熱異常靶區[6-10];微動探測方法對深部低速層分辨率較高,對破碎帶低速異常體探測效果良好,能有效圈定含水破碎帶區域,且具有較強的抗電磁干擾能力,有助于提高地熱勘查精度[11-14]。利用多種物探方法相互結合來查明地熱地質條件成為更為科學的做法[15-19],地質條件復雜區的深部地熱勘探,采用深孔測溫測量、高精度重力剖面、微動探測法(the microtremor survey method,MSM)、可控源音頻大地電磁法(controllable source audio magnetic technique,CSAMT)組成的綜合物探方法,可以準確查明深部地熱的分布特征[20-21]。針對不同地熱地質背景、不同熱儲類型,合理選取多種物探方法的優化組合,對實際的地熱勘查開發具有很好的指導意義。

以青海同仁盆地為例,在前人資料的基礎上,利用1∶5萬地面高精度磁測、微動探測、可控源音頻大地電磁法,反演推斷了隱伏構造、基底起伏形態及侵入巖體范圍等,綜合分析同仁盆地地熱勘查類型,并結合“蓋、儲、通、源”4個必備條件,給出地熱異常靶區。

1 研究區地質與地球物理概況

1.1 地質概況

研究區位于青藏高原東北部與隴東黃土高原的過渡地帶。隆務河自南向北穿越研究區,境內山嶺起伏,溝谷縱橫,整體地勢特征是東西兩側高中間低,南高北低。出露地層由老到新主要有:石炭-二疊系(CP)、三疊系(T)、侏羅系(J)、白堊系(K)、新近系(N)、第四系(Q)及侵入巖等(圖1)。研究區地處青海南山—澤庫巖漿帶內,屬走滑深熔巖石構造組合,花崗巖較發育,呈帶狀或橢圓狀分布于斷裂帶或一側,侵入時代主要為晚三疊世。

圖1 同仁盆地地質及工作部署圖Fig.1 Geological and work deployment map of Tongren Basin

研究區的大地構造位置屬于秦祁昆結合部,同仁盆地內斷裂構造十分發育,主要以北北東向斷裂為主,其次為東西向斷裂。從各組斷裂相交切割關系上看,近東西向斷裂形成時間較晚,活動性較強,而近南北向斷裂形成時間較早,活動性較弱(圖1)。

1.2 地球物理特征

介質物性是地球物理解釋的依據和基礎。研究區物性特征主要依據孔旁測深、DR1測井資料統計、巖性標本測試、以往物探資料統計及本次物探工作速度斷面資料綜合分析結果對研究區地層物性特征進行詳細劃分。

1.2.1 磁異常特征

開展地面高精度磁測工作時在本區采集磁物性標本129塊,巖性包括花崗閃長巖、安山巖、砂礫巖和砂板巖等。主要巖性標本磁物性標本統計表如表1所示。

表1 研究區磁物性標本(巖性)統計表Table 1 Statistical table of magnetic physical property specimens (lithology) in the study area

由表1可以看出,研究區內各類巖性之間存在明顯的磁性差異。花崗閃長巖和安山巖磁化率、剩余磁化強度最大,屬高磁特征;砂板巖和砂礫巖次之,屬中等磁性特征;雖然未測量泥巖標本,但根據以往工作數據統計,泥巖屬于弱磁特征;上述巖性磁性差異較為明顯,并與之地層巖性速度差異變化規律一致,有利于物探工作的推斷解譯。

1.2.2 電物性特征

開展可控源大地電磁測深工作時在野外露頭采集數據72組,測試結果詳見表2。可以看出,巖性不同,電阻率和極化率也不盡相同,土層電阻率和極化率都較低,泥巖次之,花崗閃長巖電阻率和極化率都相對較高。研究區各類巖性之間存在明顯的電性差異。

表2 研究區電物性參數統計表Table 2 Statistical table of electrical and physical parameters in the study area

1.2.3 面波速度物性特征

通過收集DR1鉆孔波速測井資料、微動探測法DR1孔旁測深數據及實測露頭剖面資料統計分析得出表3研究區地層、巖石速度特征表。從表3可看出,第四系(Q)和新近系(N)地層速度較小,古近系(E)和白堊系(K)地層速度為中速,基底巖性速度最高。蓋、儲層與基底三疊系(T)砂板巖、花崗巖地層速度差異較為明顯。

表3 速度參數統計表Table 3 Statistical table of speed parameter

2 地熱異常特征

據研究區內地熱孔揭示,該孔蓋層底板為879.65 m,巖性為第四系砂卵礫石層及新近系的厚層泥巖、砂質泥巖。巖石致密堅硬,裂隙不發育,具有良好的隔水保溫性能,形成一個良好的隔水保溫層。熱儲層埋深在879.65 m以下,揭露厚度為920.85 m,巖性為白堊系砂礫巖、粗礫巖。熱源一方面來源于地層的自然增溫,熱儲層段溫度為51.48～90.25 ℃,熱儲層段地熱梯度為5.38 ℃/100 m,全孔地熱梯度為4.5 ℃/100 m;另一方面受F15斷層導熱加熱,由于F15導熱加速了地層溫度的增加,從而使孔內溫度高達90.25 ℃,孔內溫度由物探測井所得,如圖2所示。由此驗證研究區熱儲類型為以盆地傳導型的層狀熱儲為主,斷裂對流型帶狀熱儲為輔的Ⅱ-3型。

圖2 DR1井物探測井測溫變化曲線圖Fig.2 Temperature change curve of geophysical logging of well DR1

3 綜合地球物理方法應用分析

地面物探工作布置了3種物探方法,1∶5萬地面高精度磁測覆蓋了整個研究區,再基于1∶5萬磁測資料布置了3條MSM剖面和3條CSAMT探測剖面,如圖1所示。

3.1 地面高精度磁測

通過1∶5萬地面高精度磁測成果發現了7處磁異常區域,以及3條區域性斷裂構造,如圖3所示。推斷的F15斷層已被DR1鉆孔證實,推斷解譯了一條沿隆務河河谷近南北向展布的F3斷層,規模巨大,區內解譯長度約30 km。圈定的7處磁異常區結合地熱蓋層規律M3異常最具地熱資源潛力。1∶5萬地面高精度磁測根據磁異常大小、范圍較為直觀的探測出花崗巖體的分布范圍及斷裂構造的展布情況。

1為高精度磁測值;2為磁異常范圍及編號;3為推斷斷裂位置及編號;4為地熱孔圖3 1∶5萬地面高精度磁測等值線圖Fig.3 1∶50 000 high-accuracy ground magnetic survey contour map

3.2 MSM與CSAMT探測

微動探測法具有野外觀測方便、無需人工震源、不受電磁干擾等優勢,結合CSAMT可有效探測盆地內基底埋深及斷層分布情況等。MSM完成了3條剖面,共計268點;在MSM探測成果的基礎上合理布置了3條CSAMT剖面共計154個測點,由于研究區位于城區周邊,河谷兩側存在不同程度的電磁干擾源,故CSAMT和MSM剖面無法重合布置,CSAMT剖面選擇了電磁干擾較小的地段布置了3條短剖面輔助查明研究區內斷裂構造及地層結構。其中CSAMT探測的Ⅲ剖面由于位于同仁市區內,受電磁干擾影響數據質量較差,無法對其推斷解釋,故CSAMT探測Ⅲ剖面不再展示。

基于MSM、CSAMT物探剖面的綜合反演分析,并結合地面高精度磁測結果,基本查明了Fw1、Fw2、F3、F7、F9、F11、F12等斷層的空間展布特征及基底埋深情況。如圖4所示為MSM探測的W1剖面,埋深在0～590 m,面波速度值在200～1 200 m/s變化,表現為低速特征,結合DR1鉆孔資料以及地層出露情況,推測為第四系(Q)泥質砂礫卵石、亞砂土、黃土狀土和新近系(N)泥巖,為研究區良好的熱儲蓋層。埋深在200～1 000 m,面波速度值在1 150～1 700 m/s變化,為中低速地層反映,推測為古近系(E)泥質砂礫巖,本套地層同樣為熱儲蓋層。埋深在500～1 500 m,面波速度值在1 700～2 200 m/s變化,為中速特征反映,根據鉆孔揭露地層巖性,推測為白堊系(K)砂礫巖,為盆地的主要熱儲層。深部速度值為工區高速異常特征表現,變化范圍較大,隨著深度的增加,速度逐漸增大,表明盆地深部基巖為多種巖性組成,推測為三疊系(T)砂板巖或花崗巖,根據地面高精度磁測結果,存在高磁異常區基底為花崗巖、低磁區為砂板巖。

圖4 W1剖面微動探測法綜合解譯圖Fig.4 Comprehensive interpretation map of W1 profile MSM

再結合MSM探測W2剖面(圖5)、W3剖面(圖6)和CSAMT探測Ⅰ剖面(圖7)、Ⅱ剖面(圖8),其中CSAMT探測Ⅱ剖面由于東側高壓線電磁干擾影響故無法再往東延伸探測,探測結果圖無法較完整的顯示F3斷層形態,但從電阻率等值線圖變化形態,結合地層變化規律可粗略判斷其剖面東側有F3斷層通過,綜合推測在盆地北側W3剖面隆務河西側斷層為F3和Fw1兩斷層的交匯,破碎帶西側深部速度值低于其東測,電阻率等值線呈現“V”形異常,參考1∶5萬磁法資料,推斷破碎帶西側基底巖性為三疊系砂板巖,東側為花崗巖。

圖5 W2剖面微動探測法綜合解譯圖Fig.5 Comprehensive interpretation map of W2 profile MSM

圖7 Ⅰ剖面CSAMT綜合解譯圖Fig.7 Comprehensive interpretation map of Ⅰ profile CSAMT

圖8 Ⅱ剖面CSAMT綜合解譯圖Fig.8 Comprehensive interpretation map of Ⅱ profile CSAMT

綜上所述,可以明顯地得出MSM根據巖層速度的差異可以較好地進行地層分層及斷層的劃分,可以很好地運用在剖面探測中。CSAMT由于受電磁干擾等因素的影響在城鎮中心較難取得理想的數據,但在電磁干擾較小的地段可以根據電阻率的差異判斷斷層的富水性及地層結構,可以較好地區分蓋、儲層結構。

4 地熱資源遠景區預測

研究區主要發育有松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙孔隙水和基巖裂隙水。而地下熱水資源主要賦存于白堊系(K)碎屑巖構成的蓄水構造中。在綜合分析地面高精度磁測、MSM剖面和CSAMT剖面成果解釋的基礎上并結合DR1鉆探結果和本區地熱條件特征從“蓋、儲、通、源”4個方面分析研究區地熱地質條件。

蓋層厚度呈現西南厚、北東薄,整體沿F3斷層展布,呈一長條形,較厚的位置位于F3斷層上盤。蓋層最厚處在研究區W1剖面66號點、W2剖面30、46號點、W3剖面30～38號點附近,蓋層厚度約1 300 m。熱儲層較厚地段主要分布在W1剖面26～66號點、W2剖面62～116號點,熱儲層厚度為1 000～1 700 m,厚度最大在W2剖面的94號點附近,厚度約1 700 m。研究區的地下熱水主要接受南部基巖山區大氣降水入滲補給,部分地段通過盆地邊緣基巖裂隙水的側向補給。地下水經過大區域、深循環徑流,局部地段沿斷裂或斷裂交匯處以泉的形式排泄地表。同仁盆地為一個受兩條正斷層(Fw1、F3)控制的斷陷盆地,正斷層的導水性好,有利于將南部的地下水向北運移。帶狀熱儲熱源主要來源于斷裂構造,該區區域上受北北西向斷裂控制,后期北東向斷裂與近東向斷裂發育,從區域上分析北西西向控制斷裂形成較早,屬多禾茂斷裂帶中的斷層,多禾茂斷裂帶為同仁盆地的區域導熱斷層,為地下熱水及熱異常輸出主通道。由于北西西向斷裂切割較深,連通了地幔上部地熱圈,在北東與近東西向張性斷裂切割,形成了地熱通道,如本次探測的F15斷層。

綜上分析,同仁盆地地熱勘查類型為兼有層狀熱儲和帶狀熱儲特征,彼此存在成生關系,地質構造條件比較復雜的Ⅱ-3型,根據MSM和CSAMT探測剖面結果結合鉆探揭露情況最終推斷出研究區蓋層、儲層厚度及基底埋深,如圖9所示。通過本次物探工作并結合“蓋、儲、通、源”4個必備條件,給出兩個地熱異常靶區,Ⅰ號地熱異常靶區位于郭麻日—吳屯附近,其蓋層厚度為900～1 000 m,儲層厚度在1 000 m左右,導水通道為F3斷層,熱源來之深部地層的自然增溫,另一方面受F15斷層加熱。Ⅱ號地熱異常靶區位于同仁市霍爾加附近,其蓋層厚度為1 200～1 300 m,儲層厚度在1 000 m左右,導水通道為F3斷層,熱源來自深部地層的自然增溫。

圖9 同仁盆地物探推測“蓋、儲”層厚度三維立體圖Fig.9 Three dimensional map of “cap and reservoir” thickness inferred by geophysical in Tongren Basin

5 結論

(1)針對青海同仁盆地Ⅱ-3型地熱勘查類型的研究,1∶5萬地面高精度磁測、微動探測及可控源音頻大地電磁測深資料是有效的資料基礎,DR1鉆孔成功鉆遇90.25 ℃地熱資源驗證了物探資料的有效性。

(2)合理的地球物理方法組合加正確的地熱資源勘查思路是在Ⅱ-3型地熱類型中地熱勘查的關鍵,研究成果表明在Ⅱ-3型地熱資源勘查中采用如下地球物理探測流程:首先,采用1∶5萬地面高精度磁測掃面在全工區范圍內圈定磁異常區域;其次,針對圈定的磁異常區域并結合地面調查結果有針對性布置MSM剖面來查明斷裂構造分布情況及地層結構、基底埋深;最后,為了更精確的查明地熱地質情況再根據實際場地情況在電磁干擾較小地段合理布置CSAMT剖面以查明斷裂富水情況并結合上述物探成果詳細劃分“蓋、儲、通”等地熱條件。從而可更加精準地判斷地熱異常特征,在類似地熱勘查類型區應用具有一定的示范意義。

(3)在同仁盆地地熱“蓋、儲、通、源”組合的物探模型的基礎上,推斷了兩處地熱異常靶區,為該地區地熱資源進一步勘查、開發指明了方向。