电法勘探在济南西部地热勘查中的应用

电法勘探在济南西部地热勘查中的应用摘要：利用电阻率测深法和可控源音频大地电磁测量（ＣＳＡＭＴ）在济南西部地区进行地热资源勘查，通过地热地质调查，结合掌握的研究区内已有地热井的地层揭露情况，遵循由已知推未知的步骤，对比分析搜集的前期物探与该次物探反演结果，对物探剖面进行解译推断，查明了研究区内主要断裂构造产状及规模，比较准确地判断了热储埋藏深度，取得了较好的应用效果。关键词：地热；电阻率测深法；可控源音频大地电磁；视电阻率０引言济南市槐荫区沿黄旅游度假区属于济南市新旧动能转换区，其发从展离不开绿色清洁能源的支持，区内具备形成地热资源的条件和赋存地热流体的地质构造。在该区域开展地热资源调查评价，将资源优势转化为经济优势，对于改善能源结构，加快地热产业化步伐，具有重要作用，同时为济南市槐荫区沿黄旅游度假区和发展提供了良好的契机和能源保障。山东省第一地质矿产勘查院开展地热资源调查的物探工作，应用电阻率测深法、可控源音频大地电磁测量方法对该地区深部情况进行探测，圈定出了地热异常，经钻探验证见到了地热流体。１地质概况济南西部地处鲁中山区与鲁北平原的过渡地带，地貌类型为堆积平原与剥蚀丘陵。研究区地层属华北地层区鲁西地层分区泰安地层小区，区内地层为古生代寒武纪、奥陶纪、石炭纪、二叠纪地层，新生代新近纪、第四纪地层。除南部腊山附近有奥陶纪马家沟群灰岩零星出露外，其余地区均为第四系覆盖。研究区地处华北板块鲁中隆起区，位于济南单斜的北部，区域发育构造主要为ＮＥ向和ＮＷ向断裂，主要发育有棉花张庄断裂、西王庄断裂、曹家圈断裂和申家庄断裂［１－５］。ＮＥ向断裂：棉花张庄断裂是区内较大的一条断裂，走向近ＳＮ，长约１４ｋｍ。断裂倾向ＮＷ，断距大于２００ｍ，为一下盘上升、上盘下降的正断裂。据已有物探资料验证，下盘为石炭系、奥陶系，上盘为二叠系。断裂东侧奥陶纪灰岩直接隐伏于新近系半固结砂岩之下，灰岩顶板埋深在２８０～３１０ｍ；断裂西侧奥陶纪灰岩埋藏于石炭系、二叠系砂页岩之下，埋深大于４５０ｍ。ＮＷ向断裂：申家庄断裂长约７ｋｍ，走向ＮＷ，倾向ＮＥ，断距大于１００ｍ。自研究区北端向南东方向延伸至区外，经申家庄一带与西王庄断层相接。２地球物理特征参考ＪＲ－０４６地热井揭露地层电阻率资料和研究区内已有资料，认为研究区内不同地质年代的地层电阻率有以下特征：第四纪新近纪砂质黏土、砂岩，石炭纪、二叠纪砂岩、泥岩、炭质泥岩电阻率值比较接近，约１０～２０Ω·ｍ呈现相对低阻；奥陶纪主要岩性为灰岩、泥质灰岩，地层电阻率值约３０～６０Ω·ｍ；寒武纪主要岩性为灰岩、白云岩，其地层电阻率相对较高，平均大于６０Ω·ｍ，呈现相对高阻。断裂构造形成过程中，岩石经过扭曲、拉扯、挤压等应力作用，产生破碎，形成裂隙，后期裂隙处原岩被水或泥质物质取代，由于不同物质电阻率值不同，因此在断裂处，电磁场不稳定，电位场发生畸变，通常反映为明显的低阻异常。断裂规模越大，含水量越大，电阻率低阻异常越明显。根据此电性差异特征，可以用电法对地层进行划分圈定断裂位置。３已知地热井物探验证3.１已知地热井工作布置研究区内已有ＪＲ－０４６地热井，井深１７０１ｍ，出水口温度４．５℃，水量９５．６９ｍ３／ｈ，热储类型为碳酸盐岩类岩溶热储。根据搜集资料显示，ＪＲ－０４６定井过程中共布设了３条ＥＷ向ＣＳＡＭＴ剖面（编号分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ线）和１条ＥＷ向电阻率测深剖面Ｂ线（图２）。3.２已知地热井物探剖面解释结合ＪＲ－０４６地热井揭露地层情况，从图２可见，６００ｍ以浅视电阻率值较低，为第四纪、新近纪粉砂、中细砂及黏质砂土为主的地层；６００ｍ以深视电阻率值较高，为奥陶纪、寒武纪灰岩、白云岩、泥质灰岩为主的地层。电阻率测深法ｂ线剖面在视深度３５０ｍ，１１００ｍ处存在视电阻率等值线密集带，视深度０～３５０ｍ深度视电阻率＞２０Ω·ｍ，为第四纪、新近纪粉砂、中细砂及黏质砂土为主的地层；视深度３５０～１１００ｍ视电阻率值＜２０Ω·ｍ，为石炭二叠纪泥岩、石炭质泥岩反应；视深度１１００ｍ以深为奥陶纪灰岩反映。与ＪＲ－０４６地热井揭露地层对比，实际深度与电阻率测深法ＡＢ／２的比例系数约为０．５５。由已知地热井的地层揭露情况和已知井的物探剖面，大致划分了不同地层对应岩性的视电阻率值和视深度与实际深度的比例系数。４．工作布置与方法技术4.１工作布置遵循由已知推未知的原则，结合区域上ＮＷ向断裂构造发育情况和ＮＷ方位地层埋藏深度大的实际情况，根据研究区施工场地情况进行布置。共布设了３条ＮＥ向ＣＳＡＭＴ剖面，２条ＮＥ向测深剖面，其中ＣＳＡＭＴ法２线和测深１线剖面通过已知井（图３—图５）。4.２可控源音频大地电磁（ＣＳＡＭＴ）测量可控源音频大地电磁测深（ＣＳＡＭＴ）用人工控制的场源做频率测深，近年来应用比较广泛，在寻找低阻异常方面具有良好的效果，应用该方法的主要目的是查明断裂的发育深度、产状等，同时对地层进行划分，寻找视电阻率低阻异常区，划定地热井施工靶区［６－７］。野外数据采集仪器为美国Ｚｏｎｇ公司开发的ＧＤＰ－３２Ⅱ型多功能电法仪，数据处理和解释使用Ｓｃｓ２Ｄ软件。可控源音频大地电磁测深法测线ＮＥ向布置３条，收发距７～８ｋｍ，ＡＢ距１．３～１．５ｋｍ，测点ＭＮ间距４０ｍ，测量频率０．１２５～８１９２Ｈｚ。4.３电阻率测深电阻率测深法是通过人工向地下供电，建立电流场，并改变供电电极距，从而接收不同深度岩矿石对电流场的反应，得到地下介质垂向上视电阻率值的变化特征来划分地层，划定低阻异常推断含水位置。最后通过分析岩（矿）石的视电阻率值差异，来达到找矿、找水等地质问题的目的。视电阻率电测深是较为传统且较为成熟有效的一种物探方法，它可以直接和地热参数联系起来，可以较好地圈定低阻异常带和富水部位，为布置地热探采结合孔孔位提供依据［８－１０］。该次电阻率测深仪器采用ＷＤＡ－１型数字直流电法仪。测深装置：等比对称四极装置，测量电极距ＭＮ与供电电极距ＡＢ之比为１∶５，最大供电电极距ＡＢ＝５０００ｍ。ＡＢ／２＝３，５，１０……２５００ｍ。５．成果解释5.１资料解释依据该次资料解释使用的主要图件为视电阻率断面图，它们都可以宏观地展示沿测线附近的地质构造特征，不仅能够反映测点下方纵向的电阻率变化特征，同时也可以反映沿测线方向的横向电阻率变化特征。不同的岩性，所对应的电阻率有不同的变化范围，并且岩性接触界面视电阻率等值线会出现密集带［１１－１３］。该区第四纪新近纪和石炭二叠纪砂岩、泥岩、炭质泥岩电阻率值相对较低，奥陶纪寒武纪灰岩地层电阻率值相对较高，不同岩性地层存在的电性差异，使得电法划分地层存在可能。根据该次物探工作实测可控源音频大地电磁测深剖面勘查成果，结合研究区地质资料，划分了测量的电性层并推测了电性层的地质属性。断裂构造反映在可控源视电阻率断面图上，表现为电阻率等值线的扭曲、错动、不连续、变形、突变、出现“Ｖ”字型或“Ｕ”字型低阻凹陷等［１４－１６］。5.２电阻率剖面图综合特征分析（１）地层解译。结合ＪＲ－０４６地热井揭露地层情况以及不同地层在ＣＳＡＭＴ法２线剖面上的反应，ＣＳＡＭＴ法１线４５０ｍ以浅、３线６００ｍ以浅，视电阻率值相对较低，为第四纪、新近纪粉砂、中细砂、黏质砂土、泥岩、石炭质泥岩为主的地层反应；１线埋深４５０～１２００ｍ深度及３线埋深６００～１４００ｍ处，电阻率呈现中阻，为奥陶纪灰岩反应；１３００ｍ以深，视电阻率值相对较高，为寒武纪灰岩、白云岩、泥质灰岩反应。该研究区电测深曲线不考虑小极距浅部不均匀体影响，电测深曲线类型主要以ＨＡ型为主（图６）。视电阻率呈先下降而后上升、连续上升趋势，说明地层由浅至深电性主要呈中高阻—低阻—中高阻—高阻规律变化。基本对应研究区的地层情况：第四系、新近系—石炭－二叠系—奥陶系—寒武系。在ＡＢ／２为１１００ｍ时，电阻率测深曲线存在明显的拐点，推断为奥陶纪灰岩界线。（２）构造解译。在ＣＳＡＭＴ法１线１７号点、２线４２号点以及３线２３号点垂深４００～１５００ｍ深度处，存在视电阻率等值线梯度带，呈现西南高北东低的特点，结合已知资料，为申家庄断裂，走向ＮＷ，倾向ＮＥ；在电阻率测深２线剖面５号点垂深９００～１８００ｍ处，存在视电阻率等值线梯度带，视电阻率值同样呈现西南高北东低的特点，该异常形态与ＣＳＡＭＴ剖面一样，并且异常位置也较吻合，该异常为申家庄断裂反映（图７）。在ＣＳＡＭＴ法２线６１号点，垂深４００～１５００ｍ深度处，视电阻率值呈现北东高，南西低的特点，为曹家圈断裂，该断裂走向ＮＷ，倾向ＳＷ。６综合推断综合全区物探资料分析，申家庄断裂和曹家圈断裂平行展布，西侧的申家庄断裂倾向ＮＥ，东侧的曹家圈断裂倾向ＳＷ，２条断裂形成１个地堑构造，在２条断裂中间地层埋藏较深，盖层相对较厚。物探剖面可以看出，ＣＳＡＭＴ法１，２，３线视电阻率等值线形态一致性较好，申家庄断裂两侧视电阻率值差异较大，视电阻率等值线扭曲，断裂东侧视电阻率值较低，并且低阻异常发育深度大，推断地层破碎并且相对富水，是布设井位的有利部位［１７－２０］。分析ＣＳＡＭＴ法２线剖面，ＪＲ－０４６井５８０ｍ深度揭露奥灰顶板，低阻异常主要存在８００～１２００ｍ深度处，与该井主要富水段为９５０～１２００ｍ深度相吻合；ＣＳＡＭＴ法３线剖面和电阻率测深２线剖面位置重合，均存在视电阻率低阻异常，与ＪＲ－０４６定井剖面ＣＳＡＭＴ法Ⅲ线相比，视电阻率低值异常范围更大，奥陶系顶板埋深更深，符合区域上奥灰顶板埋深由南东至北西方向逐渐加深的规律，奥陶纪马家沟群与申家庄断裂在此处沟通热源及水源，形成层状兼带状热储，推断其富水性较好，是布设地热井的有利部位。７钻孔验证通过电阻率测深法和可控源音频大地电磁测深法的成果，确定的钻井位置位于ＣＳＡＭＴ法３线的３１号点处，钻探成井所钻遇地层、构造与上述解释资料较为吻合。钻探成井钻遇地层：终孔１２２７．０３ｍ，０～３５５ｍ为第四系和新近系，后经二叠系、石炭系于６８０ｍ进入奥陶系，８０２～８４０ｍ出现了严重漏浆现象，推测为曹家圈断裂经过处，岩石破碎严重，岩溶裂隙发育。经抽水试验验证，由井流量试验资料，降深Ｓ１＝３７．４６ｍ时，出水量Ｑ１＝１２１．９６ｍ３／ｈ（２９２７ｍ３／ｄ）；降深Ｓ３＝１２．３１ｍ时，出水量Ｑ３＝６６．８８ｍ３／ｈ（１６０５ｍ３／ｄ）。出水口水温稳定在３１℃。为低温地热资源温热水型。８结论（１）采用电阻率测深及可控源音频大地电磁测量方法，基本查清了研究区内断裂构造，圈定地热成矿有利靶区，２种方法相互验证，一定程度上排除了其他因素的影响，确保了资料解译的可靠程度。（２）已知附近地热井揭露的地层，同时又掌握已知地热井的物探剖面情况下，由已知推未知，提高了物探解译对研究区地层划分的准确度，为钻探工程的部署提供了可靠依据。（３）电阻率测深测量和可控源音频大地电磁测量对研究区内与地热形成有关的地层、岩体及断裂构造的分布特征和变化规律推断较为准确，并成功施工一眼地热井，说明使用该物探方法在类似地区进行地热勘探是可行的、有效的。参考文献：［１］程秀明．地热形成条件探索与找热方法研究［Ｊ］．山东国土资源，２０１３，２９（９）：３１－３３．［２］史忠民，李传磊，程秀明，等．济北地热田地质特征