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    综合物探方法在地热勘查中的应用

    时间:2023-06-19 09:20:05 来源:雅意学习网 本文已影响 雅意学习网手机站

    ■ 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。

    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。

    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

    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。

    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。

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