综合物探方法在地热勘查中的应用_孟凡兴.pdf

8720231经验交流 综合物探方法在地热勘查中的应用 山西省第三地质工程勘察院有限公司 孟凡兴党的二十大报告指出，“深入推进能源革命，确保能源安全”。能源安全是关系国家经济社会发展的全局性、战略性问题，在当今能源短缺、绿色低碳转型的大背景下，可持续利用、可再生的新型能源成为政府和社会关注的焦点。其中，地热能源因具有极高清洁性、稳定性、安全性且储量巨大、应用广泛等特点，成为多地青睐的绿色可再生能源。随着地热资源开发深度不断加深，风险也就越来越大。为避免地热能源开发带来的风险，一定要有效加强前期工作，做到有的放矢。近年来，综合物探在地热资源勘查上被广泛应用，并取得了很多成功案例，表现出极强的生命力，且随着科技的不断发展，物探技术方法的勘探精度也变得越来越高。在大同市党留庄乡一带地热资源的勘查过程中，笔者使用综合物探方法，基本准确获得地质构造及地热水的展布特征，对研究开发大同市云州区地热资源具有重要的参考价值，同时也对其他地区地热资源的勘查、使用和推广具有一定的意义。综合物探方法研究思路一是搜集测区及周边地质、水文地质、地热地质、气象、地震、钻孔、水井等已知资料，初步确定地下一定深度内构造走向和展布特征，为合理选择物探方法勘探打下良好基础。二是通过已知资料和踏勘综合分析，采用CSAMT（可控源音频大地电磁法）、MT(大地电磁法)、TDIP(直流激电法)三种方法进行组合排列。其中，TDIP用于准确发现浅层地层深度内富水性分布和热储盖层厚度；CSAMT主要判断中部地层深度构造裂隙发育程度和热流通道分布情况；MT用于确定深部地层基底起伏、构造发育和热储层热源和水源分布特点。三种电法相互组合可以无缝衔接，充分运用每种方法的优点和缺点，相互借鉴与约束，实现优势互补和相互验证，对地层地下空间立体全方位分析，有效降低勘探地热资源风险，提高地热井打井效率和成功率。三是综合物探方法对确定的地热资源井位置进行钻探成井验证，对地热井成果和综合物探推断成果进行对比分析，总结综合物探勘探地热资源实践的优缺点。地质概况地层测区位于大同盆地内，地表出露第四系全新统和更新统地层，其下隐伏新生届新近系静乐组、新近系保德组、太古界集宁群地层变质岩。其中，第四系：全新统和更新统，厚度约0400，主要岩性由黄土、黄色亚砂土、亚黏土及砂砾石组成；新近系：静乐组，厚度约0400，主要岩性由黏土及砂砾石组成；新近系：保德组，厚度约0370，主要岩性由黏土岩及砂岩组成；太古界集宁群厚度1000，主要岩性由肉红色花岗岩、花岗片麻岩等变质岩组成。构造测区位于党留庄断裂带北东段附近，党留庄断裂为黄花梁凸起和后所凹陷分界线。其中，黄花梁凸起为大同盆地中部相对隆起区域，位于党留庄、里八庄断裂之间，呈北东向展布于南起山阴、怀仁管庄至大同阁老山一带，长约90km，宽15km。北东段基岩埋深为300m750m，地表为第四系黄土，南西段基岩埋深小于300m；后所凹陷位于盆地东南一侧，北西以党留庄断裂与黄花梁凸起分界，南东分别以六棱山、恒山山前断裂与基岩分界，呈北东向展布于西起滋润，经应县、河头、西册田延伸至河北省境内，长约130km，宽约10km25km。凹陷最浅在桑干河北岸，基岩埋深小于500m，最深在应县至朔州滋润之间，基岩埋深达3500m，地表为全新统砂砾石、粉砂土层，凹陷东部阁老山一带，地表出露为晚更新世喷出的基性火山岩。地热地质条件测区内地表为第四系全新统和更新统黄土覆盖，无地热异常，也未发现有特殊的高热背景，地热来源于地球的放射性元素的热蜕变和上地幔。该研究位于黄花梁凸起和后所凹陷交汇处，且在测区东北方向李汪涧村有地热井，根据区域地质资料，推测该测区有地热资源潜力。黄花梁凸起和后所凹陷交汇处受党留庄断裂控制，该断裂带可成为测区内控热和导热构造。该断裂带发育于太古界集宁群，从早新近系纪开始接受沉积，直至第四系，沉积厚度大于8820231经验交流 500，新近系半胶结状的黏土、粉质黏土、黏土岩砂岩及第四系黄土分布稳定，含水量贫乏，导热性能较差，可成为较理想的热储盖层。基底为肉红色花岗岩、花岗片麻岩为主，地热资源沿断裂上升，遭遇第四系和新近系相对隔热层后，热流体侧向扩散，于太古界集宁群形成热储层。工作方法TDIP（直流激电法）TDIP采用对称四级装置，D3测点s曲线类型为KH型，首支AB/2=15 210m曲线先降后缓慢抬升是第四系地层内黄土、黄色亚砂土、亚黏土及砂砾石地层反映，中段AB/2=210 1250m曲线迅速下降为新近系地层内黏土、砂砾石、黏土岩及砂岩反映，尾枝AB/2=12502000m曲线迅速抬升为进入太古界集宁群地层内肉红色花岗岩、花岗片麻岩变质岩反映。D3测点利用微分变换的方法对电测深曲线进行有效的分段求解得到S（电导率）值曲线，运用折线法，求得折线存在两个交汇点，横轴坐标投影分别为AB/2=210m、AB/2=1250m，推断A1为第四系和新近系地层分界线，深度hC（修正系数为0.71）AB/2（210m）149m；A2为新近系和太古界地层分界线，深度hC（修正系数为0.71）AB/2（1250m）875m。CSAMT（可控源音频大地电磁法）CSAMT采用参数和仪器：AB=1000m、收发距8km、点距100、测量极距100、频率范围0.125Hz 8192Hz、电流15A、赤道（旁测）Ex/Hy装置、选用GDP-32多功能电法工作站接收、GGT-30中功率（30kW）发射机。数据处理采用检查数据误差，噪声水平计算，静态、近场和地形校正，一维、二维反演（有限元或有限差分方法）等。S2线CSAMT为典型视电阻率（s）二维反演断面图，测线位于测区南部，走向剖面长度2000，CSAMT主要勘探深度为1500。由图2可见，浅部（500m以上）视电阻率（s）为低阻层且分布均匀；中深部主要为中高阻，测点2200m3200m为低电阻率，表现形态为以测点2600m、深度1500m为中心向四周扩展，基本呈“半椭圆状”低视电阻率带，推断为岩层裂隙发育，可能为导水和热流通道。MT（大地电磁法）MT采用参数和仪器：电极布置采用“十”字型布极方式、MT张量观测模式、电极距为100m、采集时长大于500分钟、最低频率至0.01Hz、V8卫星同步大地电磁采集系统。数据处理采用原始时间序列、人工选图、去噪声加时窗函数、各道信号谱分析、估算谱矩阵、算法相关估算法、Robust（MF）估算法、Robust（Q+W）估算法、软件成图等。图3为S2线MT为典型视电阻率（s）二维反演断面图，测线位于测区南部，走向剖面长度2000，MT主要勘探深度为2500。纵向上，视电阻率变化情况为低中高阻变化，体现为地层由第四系黄土向太古界集宁群变质岩变化规律；横向上，测点2000m2800m处存在一明显的低阻带，低阻带东西两侧视电阻率曲线发生明显变化，东侧电阻率较小，西侧10001001010101001001001010.1QN2Ar100010001000010000AB/2（m）S（1/w）ps（/m）AB/2（m）A1A2图1 D3测点TDIP典型（s）视电阻率曲线与S（电导率）值曲线图1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 0-500-1000-15000-500-1000-150090140140155155125140推断导热通道工业电影响范围125110ArQ+N155170185图2 S2测线CSAMT典型拟视电阻率（s）反演断面图8920231经验交流 电阻率较大，中深部地层视电阻率电性层错断清晰，推断为F1断层。该断层与党留庄断裂带（控制断块边界的活动性大断层）走向基本一致，可能为党留庄断裂带的次级断层，具有导水、导热和储热条件，F1断层向下延展深度2000m附近且位于相对低阻带，可能是由深部小向斜轴部赋存热水引起的。成果和验证成果此次地热勘查，通过TDIP（直流激电法）、CSAMT（可控源音频大地电磁法）和MT（大地电磁法）三种物探方法进行。其中，TDIP揭示测区热盖层厚度500m900m变化，为CSAMT和MT反演计算提供了约束条件；CSAMT揭露中部地层导水导热通道可能性，为MT深部反演提供了约束条件；MT探讨了中深部F1断层和地热的空间赋存位置。上述三种方法相互结合，建立统一的电性空间，运用视电阻率归一化、正演模型和反演计算，可以准确全面反映地下整个空间地质信息和确定地热井（DR1）适宜成井位置（图4）。验证地热井DR1施工井位在S2线点号2700m点，推断成井深度在1900m 2000m。经钻探施工，地热井揭露实际热盖层厚度863m，与推断热盖层厚度相对误差为1.3%；井段1470m 1900m存在多处变质岩破碎带，与推断导热导水通道基本吻合；地热井成井深度为1950m，孔底温度56.5，井口出水温度为52，出水量720m3/d，达到预期目标。经验证表明，该综合物探方法在中深层地热勘查的应用研究是行之有效的。结语该研究充分发挥了TDIP、CSAMT和MT勘探手段的技术优势，通过建立统一的地下电性空间，可基本准确判断地质分布情况，经过钻孔验证，表明综合物探方法的选择是可靠的。因此，合理排列组合物探方法，充分运用每种方法的优点，相互借鉴和约束，实现优势互补和相互验证，可以对地热勘查起到关键性作用。参考文献1刘会毅,徐坤,国吉安,等.综合物探方法在安徽沱湖地区地热勘查中的应用J.工程地球物理学报,2018,15(5):648-654.2许云龙.大同新生代断陷盆地形成与演化D.太原:太原理工大学,2015.3解园园,马宝军,吕继,等.桑干河断陷构造特征及含油气远景J.科技视界,2013(17):5-6.4车泽福.综合物探方法在中深层地热勘查中的应用分析以吉林省地热勘查为例J.华北自然资源,2022(005):42-44.5陈怀玉,闫晋龙,孙健,等.综合物探方法在中深层地热勘查中的应用J.矿产勘查,2020,11(8):1708-1714.1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 0-500-1000-1500-2000-25000-500-1000-1500-2000-25002.52.52.22.21.91.61.61.9ArQ+N2F1901200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 0-500-1000-1500-2000-25000-500-1000-1500-2000-2500地热水地热井DR1导热导水通道F1Ar：岩性由肉红色花岗岩、花岗片麻岩等变质岩组成。热储盖层N2：岩性由黏土岩、砂岩、砂砾石组成Q：岩性由黄土、黄色亚砂土、亚黏土及砂砾石图3 S2测线MT典型拟视电阻率（s）反演断面图图4 S2测线综合物探典型地质解释成果图