综合物探方法在地热勘查中的应用

2023-02-03山西省第三地质工程勘察院有限公司孟凡兴

中国勘察设计 2023年1期

■ 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0～400m，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0～400m，主要岩性由黏土及砂砾石组成；新近系：保德组，厚度约0～370m，主要岩性由黏土岩及砂岩组成；太古界集宁群厚度＞1000m，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300m～750m，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10km～25km。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500m，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ρs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=1250～2000m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h≈C（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h≈C（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100m、测量极距100m、频率范围0.125Hz～ 8192Hz、电流15A、赤道（旁测）Ex/Hy装置、选用GDP-32Ⅱ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。

图1 D3测点TDIP典型（ρs）视电阻率曲线与S（电导率）值曲线图

S2线CSAMT为典型视电阻率（ρs）二维反演断面图，测线位于测区南部，走向剖面长度2000m，CSAMT主要勘探深度为1500m。由图2可见，浅部（500m以上）视电阻率（ρs）为低阻层且分布均匀；中深部主要为中高阻，测点2200m～3200m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。

图2 S2测线CSAMT典型拟视电阻率（ρs）反演断面图

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（ρs）二维反演断面图，测线位于测区南部，走向剖面长度2000m，MT主要勘探深度为2500m。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2000m～2800m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。

图3 S2测线MT典型拟视电阻率（ρs）反演断面图

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500m～900m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）。

图4 S2测线综合物探典型地质解释成果图

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。