CSAMT法在变质岩地下热水勘查中的应用研究——以太原盆地北部为例

王东华，刘国辉

(1.山西省水文水资源勘测总站 山西 太原 030001;2.河北地质大学 地球科学学院 河北 石家庄 050031)

1 引言

山西省地下热水分布具有南部多、北部少,盆地平原区多、山区少的特点。从地下热水储集层岩性特征来看,主要为寒武系、奥陶系岩溶含水层、热水储集层[1]。太原盆地已探明的地热资源主要分布在中、南部的断陷盆地奥陶系、寒武系石灰岩中,具有很好的地下热水赋存条件[2];而在盆地北部,基岩抬升,深部地层为变质岩系。本类地区地下热水的勘查研究资料表明,变质岩不论是从化学成分、矿物组成及结构、构造上,还是从岩性特征及断裂构造上,都与沉积岩、岩浆岩有较大差别,这些差别直接影响着地下水的富集与分布[3]。因此,变质岩含水性、透水性差,地下水贫乏,在一般构造区基本不具有地下热水形成条件[4]。曾有勘查部门在太原盆地北部勘查地下热水,均因无水而失败,致使盆地北部地热开发一直为空白区。

可见,变质岩区地下热水的勘查研究是地下热水开发利用的薄弱环节。因此,研究变质岩区地热水的生成和赋存条件,提出变质岩区地下热水勘查的方向,采取行之有效的方法技术,对于提高本区地下热水勘查水平,降低勘探风险,促进新能源开发利用,推动经济发展具有重要意义。

为了适应当地发展经济的需求,勘查研究人员分析了变质岩区地下水的特点及前人开发失败的原因,以地质构造调查为先导,应用CSAMT法可控源音频大地电磁法(Controlled Source Audio Magnetotelluric,CSAMT)的技术优势,在太原盆地北部变质岩区地下热水的勘查研究中取得成功,填补了本区地下热水开发的空白。本文讨论在变质岩区勘查地下热水的方法技术、结果及地质意义。

2 研究区地质概况

太原盆地属于深大断陷盆地,在中部与南部地区,已开发的地热水类型主要有三套储热层[5]:一是寒武系奥陶系岩溶型热储,热储层为石灰岩与白云岩,盖层为石炭系、二叠系、中生界及新生界地层,如图1(a)所示;二是三叠系厚层砂岩储热层,盖层为上覆新生界地层,厚度近1 000 m,如图1(b)所示;三是新近系层状砂岩储热。总体上以前两种类型为主。这两种类型均反映含水层上覆有厚层松散层与沉积岩盖层,是地下热水保温的良好条件;其中奥陶系碳酸盐岩裂隙岩溶发育,是太原盆地深部岩溶储热层[6]。可见,前两类地层结构既有盖层保温条件,又有储水储热条件。因此,太原盆地中部与南部的地下热水勘查开发均以此两类地层为主。

而在盆地北部,由于地层抬升,与盆地中部、南部相比,地层分布发生了较大变化,如图2区域地质图[7]所示,奥陶系石灰岩已出露,位于边山之间的第四系松散沉积层厚度小于100 m,覆盖层下即为奥陶系石灰岩。

当地生活生产的供水水源取自奥陶系、寒武系岩溶水,深部为太古界变质岩(以花岗片麻岩类为主)。由于变质岩地层不含水或富水性差,一般视为地下水的隔水层,通常钻井深度至变质岩即终孔。众多勘查研究资料都表明,太古界变质岩是以贫水著称的地层[8],可见,由于地层分布的特殊性,使研究区既无地下热水的盖层条件,又无地下热水的储集条件,加之有勘查开发失败的先例,因此,有关部门认为在本类地区开发地下热水有较大的风险,致使太原盆地北部地区无地下热水工程。

图2 研究区地质Fig.2 Geological map of the study area

3 研究方法

3.1 地质构造条件调查

由地层分布特点可知,研究区不具备地下热水的储集条件。而经济发展需要开发地热资源,为解决这一问题,必须通过地质构造调查寻找地热条件。根据资料显示,地热水上升通道是地下热水向浅部循环的必然途径,深部地热通过基底的活动断裂及裂隙通道向浅部运移[9]。因此,能否找到大的断裂构造,是在变质岩区寻找地下热水的关键。

如图2所示,本区在区域地质图上无构造资料,因此,勘查研究人员通过多方调查,最终找到了本区的地震地质资料,图3是由国家地震系统在阳曲县发生地震之后完成的地震地质图。调查研究资料表明,太原盆地北部阳曲县在地质历史上是一个不平静的区域。系舟山西麓断裂(F4)呈NW-SE向,阳曲县位于系舟山大断裂西麓。该断裂全新世以来的平均右旋水平滑动速率为5.68 mm/年[10]。由此可见,系舟山西麓断裂是一条活动水平较高的断裂带。

图3 阳曲县北白一带地震构造 (据齐浪等)Fig.3 Seismic structure map of Beibai in Yangqu county (according to Qi Lang et al.)

其次,阳曲县区域性地震频繁,仅1900年以来发生过两次五级以上地震,影响范围50 km;此外,2010年6月5日,发生了4.6级地震,发震断裂为系舟山断裂西麓。阳曲县是太原盆地北部的新构造单元,东界为系舟山西麓断裂。阳曲县北部的北白村位于震中区,地震烈度大于Ⅴ级[11],如图3所示。图中横穿Ⅴ级以上烈度区的F1、F2断裂,推断为活动断裂;横穿Ⅴ级以上烈度区的F3断裂与横穿Ⅳ级烈度区的F5断裂,推断为非活动断裂。

地球内热的产生与传递是各种构造活动的重要原因之一[12],地热与地震活动都是现代地壳强烈构造运动的显著标志,我国地热和地震活动与大地构造有密切的生成联系[13]。

虽然变质岩是地热生成的不利地层条件,但基岩裂隙的发育程度及其联通性决定储水空间的大小和导水能力[14],如果有地质构造,可以使成热条件得以转化。因此,根据地震构造及地震活动资料,有必要采用地球物理方法进一步查明地质构造及其分布情况。

3.2 应用可控源音频大地电磁法调查研究断裂带

据阳曲县北白一带地震构造图,北白村位于Ⅴ级以上烈度区,且推断村北有F1、F2活动断裂,呈NE-SW向;村南有横穿Ⅴ级以上烈度区的断裂F3、横穿Ⅳ级烈度区以上的断裂F5,为非活动断裂,也呈NE-SW向。因此,需要布置交叉解释断裂的物探测线,以准确确定断裂与活动断裂位置。针对调查研究区的起伏地形及探查深大断裂构造的需求,首选可控源音频大地电磁法(CSAMT法)[15]。本方法接收不同频率的人工场源电磁信号,具有地形影响小、勘探深度大、工作效率高等优点,同时可测得视电阻率与相位两个参数。

3.2.1 CSAMT法测线位置的选择

测线位置的选择,需通过地震构造图Ⅴ级烈度以上区内推断的活动断裂,以便进一步查明断裂的准确位置。根据地震构造资料,将CSAMT测线位置选择在阳曲县北白村北部山前、玉泉庄村北东,如图2中红框所示区域。在北白村北山前耕地内布置了两条测线,测点距离40 m。由于区内有南北向延伸深沟相隔,在沟东部布置了Ⅰ号测线,在沟西部布置了Ⅱ号测线,总长3 200 m;两测线相距600 m。测线方向交叉推断地震活动断裂方向,基本为NE-SW向,测点号由南向北编排,测线测点位置如图4所示。

信号发射区位于测区东9 km处,AB供电线长1 km,供电电极采铝箔埋置,并浇高浓度盐水,以减小接地电阻。

图4 CSAMT 测线与测点位置Fig.4 CSAMT measuring line and measuring point position

图5 用两种频率系列得到的电阻率断面Fig.5 Resistivity cross sections obtained from two frequency sequences

3.2.2 采用高密度频率测量系列

CSAMT法的工作频率f,不仅决定其勘探深度(与f的平方根成反比),其频率密度与对地层的数据采集信息量有直接关系。本次采用0.1～9 600 Hz频率系列。为了提高勘测资料对深部地层构造裂隙分布与含水层的探查效果,采用加密频率间隔测量的作法,即在f=2n～2n+1(Hz)之间,按照1/8间隔内插频率。根据研究区地层,以500 Ω·m的电阻率为例,应用Bostick公式估算探查深度:

式中:H为探测深度,单位为m;ρ为电阻率,单位为Ω·m;f为频率,单位为Hz。

如果用f=(2n～2n+1)/4 Hz频率间隔(称f/4)测量,数据采集的深度间隔为40～50 m;而用f=(2n～2n+1)/8 Hz频率间隔(称f/8)测量,数据采集的深度间隔为15～22 m,可增加深部地层的数据采集信息量[16]。因此,为了探测深部地层的构造裂隙发育情况,提高对含水地层特征的分辨能力,采用了高密度频率数据采集系列,即f=(2n～2n+1)/8 Hz频率系列,共112个频率采集;而CSAMT法常用数据采集频率数仅为30个频点[17]或50个频点[18]。

图5是由两种频率系列测得的电阻率断面图,测线处下伏地层为第四系松散层—奥陶系石灰岩。

其中图5(a)剖面由f/4频率系列测得,图5(b)剖面由f/8频率系列测得。对比两个电阻率断面可以看到,在f/8频率系列采集的电阻率断面图中,反映出岩溶裂隙发育部位的低阻层,而在f/4频率系列采集的电阻率断面图中没有反映出来。特别是在400～800 m深度之间,在图5(b)剖面中小于100 Ω·m的低阻区厚度约250 m,而在图5(a)剖面中没有反映,可见应由f/4频率系列探测,对地层的构造裂隙图5(a)的f/4系列电阻率断面, 图5(b)的f/8系列电阻率断面构造裂隙分辨率低。因此,本项目应用f/8频率系列调查基岩构造及裂隙发育情况。

3.3 用放射性测氡法佐证CSAMT资料异常

鉴于深大断裂是地下氡气汇集并向上运移的良好通道,它可以由地下深部迁移至地表附近,这就为调查深部的地质信息提供了新的途径。因此,为了进一步佐证可控源音频大地电磁法探测得到的断裂构造带异常反映,在应用CSAMT法勘查[19-21]的基础上,采用了放射性测氡法,用以对CSAMT参数(如电阻率、相位参数)图件异常进行对比佐证,在CSAMT测线上,设计10 m点距测量,以佐证由CSAMT法测得的异常。

3.4 钻探验证并成井

在确定CSAMT法调查成果的基础上,确认研究区断裂带的分布与特点,进而设计地下热水井探采位置,根据实际验证水量、水温、水质等资料确定成井。

4 结果与讨论

4.1 电阻率断面特征

通过CSAMT法勘测,得到如图6所示的Ⅰ测线电阻率断面图。图中,纵坐标表示深度,单位为m;横坐标表示测线、测点。 由电阻率断面可知,反映浅部松散层的电阻率等值线在水平方向上是连续的,而在100 m深度以下,有两处明显的近垂向低阻条带:第一处位于测线的380～500 m(5～10号测点)之间,第二处位于测线的1 020～1 140 m(27～30号测点)之间,电阻率等值线总体上呈近垂直方向延伸,且第二处低阻异常反映比第一处更加明显,其延伸深度大于2 000 m,水平宽度跨越3个测点距,宽约100 m。据此特点,认为断面上无静态效应的影响,低阻带为隐伏基岩断裂带,且反映为常见断裂带两侧高、中间低的电阻率形态[22],属于隐伏基岩断裂带的特征。结合研究区地层特点,断裂带垂向穿过奥陶系、寒武系碳酸盐岩,进入深部变质岩(以花岗片麻岩为主)。从低阻带宽度与深度特征分析,解释为深大断裂带的反映。

4.2 测点曲线异常特征

测线上各测点的视电阻率曲线与相位曲线形态特征表明,由同一个频率测得的值在不同测线段有差异。以视电阻率曲线为例,其高电阻率曲线与低电阻率曲线分别对应于图6电阻率断面的高阻段与低阻段断裂带。

在图7所示的f-ρs视电阻率曲线中,横坐标表示测量频率f,单位为Hz;纵坐标为视电阻率ρs,单位为Ω·m;黑色曲线的测点与红色曲线的测点分别位于电阻率断面正常基岩区与低阻异常基岩区。

由图7可知,两曲线在首段基本重合,说明反映浅层第四系地层的电阻率基本是一致的;但在f<1 000 Hz后,即探到基岩顶板后,两曲线逐渐分离,视电阻率差异逐渐增大, 表示高阻区的黑色曲线大致呈直线上升趋势;而表示低阻异常区的红色曲线则呈平缓上升趋势,两条曲线的视电阻率值相差约10倍。这一特征表明,在无地质构造的基岩区,反映为高电阻率;而在断裂构造带上的测点,基岩破碎、裂隙发育,呈低阻反映; 且曲线的分离,非静态效应的影响。

旧石器时代，以古人类的打制石器为标志；新石器时代，以古人类的磨制石器为标志。可以说，人类的幼年，就是伴随石头的有效利用而成长的。

此外,在剖面上对应测点的相位曲线也有明显差异,如图8所示。图中红色相位曲线反映高相位,对应于图7中的红色低视电阻率曲线;黑色低相位曲线,对应于图7中的黑色高视电阻率曲线。两测点曲线在首部相位值很接近,说明对第四系地层反映基本一致;在频率f<1 000 Hz之后,相位值出现了较大偏离,与视电阻率曲线的差异段基本对应。相位曲线的差异特征,是对视电阻率曲线差异的印证。

综合上述,结合测点视电阻率与相位参数曲线特征,认为勘测线无静态效应的干扰,低电阻率与高相位曲线均属于断裂带的反映。

图6 Ⅰ测线CSAMT电阻率断面Fig.6 CSAMT resistivity section of survey line Ⅰ

图7 同测线Ⅰ上的视电阻率曲线差异Fig.7 Differences in apparent resistivity curves of survey line Ⅰ

图8 同测线Ⅰ上的相位曲线差异Fig.8 Phase curve differences of survey line Ⅰ

两参数曲线特征与电阻率断面特征相结合,为分析测区断裂构造提供了依据。

4.3 放射性测氡佐证结果

图9 测氡法佐证CSAMT电阻率异常Fig.9 The abnormal resistivity of CSAMT was confirmed by radon measurement

图9是测氡法佐证CSAMT电阻率异常图,上部曲线是Ⅰ号测线上通过电阻率断面异常段的氡气测量曲线,下部为对应测线段的电阻率断面图。测氡曲线特征表明,在电阻率反映正常基岩段,测点的氡气值为220～260 Bq/L,各测点的实测氡气值基本在此范围内跳动,此即测区氡气的背景值;但在测线的1 060～1 180 m之间,即测氡曲线的中部,出现了氡气值为300 Bq/L左右的高值异常,两种方法的参数异常位置基本对应。说明氡气的上升通道即断面上的断裂破碎带。

可见,放射性测氡法对CSAMT法电阻率异常起到了佐证作用,CSAMT电阻率断面异常段就是深大断裂破碎带的反映。

在勘测研究区西部Ⅱ测线得到的CSAMT电阻率断面形态特征、视电阻率与相位曲线特征,以及测氡法的佐证结果,与研究区东部Ⅰ测线的资料大致相同,图件从略。

综合对CSAMT电阻率断面特征、电阻率与相位曲线特征以及放射性测氡曲线分布特征的分析讨论, 认为在研究区存在断裂构造F1、F2,因此得到图10所示的解释断层分布图。断层大致呈NE-SW向展布。

以上研究表明对地震构造研究推断的断裂带是存在的。根据电阻率断面特征分析,位于测线北部的断层F1发育深度和宽度优于F2,因此把地热井位置确定在Ⅰ号测线的断裂带处。

图10 解释断层分布Fig.10 Distribution of explains the fault

4.4 测井资料对CSAMT法效果的验证

4.4.1 测井曲线验证电阻率断面异常

测井与CSAMT法是在不同位置对井位处地层的探测。经分析对比,测井资料反映含水层的主要特征与断裂带上的CSAMT法电阻率断面特征基本对应,进一步验证了CSAMT法探测构造裂隙的应用效果。

图11是CSAMT电阻率断面与测井参数曲线对照图。测井参数自然伽马、自然电位、电阻率(深侧向、浅侧向)、声波时差、地层渗透率、地层孔隙度曲线在1 400～1 420 m之间均有异常反映,如自然电位的低值异常、电阻率的低阻异常、声波时差的高值异常、地层渗透率的高值异常、地层孔隙度的高值异常,都比较明显。在对应深度的电阻率断面上,有明显的低阻区域。测井参数进一步表明电阻率断面中的低阻区域是变质岩构造裂隙含水层,也反映了应用CSAMT法勘测深层构造裂隙含水层的效果。

图11 电阻率断面与测井曲线对照Fig.1 Comparison chart of resistivity section and logging curve

4.4.2 井温曲线对深部裂隙的验证

图12是温度测井曲线与CSAMT电阻率断面对照图。温度测井曲线表明,在2 400～2 500 m深度之间,曲线上升梯度较大,100 m升温4.8 ℃,大于每百米2～2.5 ℃的正常升温梯度。对照电阻率断面图可知,在2 250～2 500 m深度之间有明显低阻区域,其中2 400～2 500 m深度之间,低阻区范围明显增宽了,即导水导热空间增大了,所以温度上升快,表明深部构造裂隙是导水、导热的通道。

图12 温度测井曲线与电阻率断面对照Fig.12 Comparison of temperature logging curve and resistivity section

4.5 钻探结果与讨论

对勘测研究结果进行钻探验证,得到如图13所示的电阻率断面与钻井概况图。图中反映了地下水水位、奥陶系、寒武系地层底板与震旦系花岗片岩顶板埋深、封闭地层部位(0～1 100 m)、采水部位(1 100 m以下)、钻井严重漏水部位以及钻井地层,以及第四系松散层厚度(80 m),奥陶系、寒武系碳酸盐岩厚度(970 m),震旦系变质岩顶板埋深(1 050 m);变质岩岩性以厚层花岗片麻岩为主。钻井验证了CSAMT法勘测的研究成果。

图13 电阻率断面与钻井概况Fig.13 Resistivity section and drilling profile

首先,全孔地层破碎,钻井时出现多处探井地层坍塌,说明将低阻异常带解释为深大断裂构造带是正确的。设计水井深度2 000 m,实际施工至2 900 m。从地面到井底,都在断裂带上。

其次,钻井时出现了多处漏水,其中有四段严重漏水,在电阻率断面上均有明显低阻部位,如1 150～1 190 m、1 380～1 410 m、1 580～1 630 m、1 930～1 990 m。说明CSAMT电阻率断面反映的变质岩低阻段是构造裂隙发育部位。

第三,在电阻率断面中,有多处明显的低阻圈,反映构造裂隙部位。表明加密CSAMT数据采集的频率密度能够查明深部地层的裂隙含水部位。

第四,为了防止奥陶系、寒武系岩溶水和上部变质岩裂隙水影响井水的温度,成井时,封闭了1 100 m以上的地层,日出水量仍然达960 t。可见,变质岩虽然赋水性差,但在深大断裂构造作用下,仍然有较好的储水空间与导水通道。

第五,井水温度及矿物成分也说明了深部变质岩具有导水导热通道。井底水温64 ℃,热水水质优良,其中含偏硅酸97.1 mg/L,远大于国标矿泉水偏硅酸≥25 mg/L 的标准[23]。对维持人体肌能、心血管保健、补钙、防止骨质疏松、抗衰老等有医疗价值。岩石中含硅矿物属于难溶物质,其溶解是一个长期的过程,地下水与含硅矿物接触时间越长,则水中偏硅酸含量越高。如果有地下热水,又提高了对含硅矿物的溶解能力。因此,本处地热水偏硅酸高是地下热水在深部长期对变质岩溶解的结果。这从另一方面反映了断裂带深部储水储热的能力,说明应用CSAMT法能够探查变质岩深部导水、导热构造裂隙。

5 结论

1)变质岩区地下水贫乏,不具备生成地下热水的地质条件;但在深大断裂构造作用下,其生成条件可以转化,深部变质岩的构造裂隙就是地下热水的储水与储热空间。本项目以变质岩区地下热水为探查研究对象,其结果表明,在变质岩区,只要有较大的断裂构造,就具备地下热水条件。

2)CSAMT法受地形影响小、工作效率高、勘探深度大,在基岩区寻找深大断裂具有优势。以地质构造调查为先导的CSAMT法,其探查效果更能充分发挥。本例电阻率断面反映断裂带及其宽度、发育深度及裂隙发育情况清晰,CSAMT参数曲线、测氡曲线异常与断裂带位置对应,从多角度论证,保证了对CSAMT法资料地质解释的正确性。

3)CSAMT法所确定的断裂破碎带、基岩裂隙部位,均由钻井时的地层坍塌、严重漏水等现象得以验证。其中严重漏水部位(也是导水通道)与断裂带的低阻段相对应;测井各参数曲线的含水异常以及测温曲线的快速升温的深度位置,也与断裂带的低阻段对应。这些都是采用高密度频率采集数据,提高了构造裂隙分辨率的结果。

4)本项目填补了应用区地下热水开发的空白,结束了太原盆地北部无地热工程的历史。其技术应用成果,对在同类地区地下热水的勘查开发具有指导意义。