天津地热勘查常用物探方法分析

天津地热勘查常用物探方法分析

0和产品的组合地热资源已成为天津不可或缺的重要资源之一。热开发已有30多年的历史。随着发展的深入，热勘探逐渐扩大到周围寒冷地区，并发现了更多的冷地区潜力。钻探和物探是目前常用的地热勘探手段,其中地球物理勘探的主要作用是圈定含水破碎带和热储水层的区域分布,是勘查地热空白区的有效手段。由于电法勘探、地震勘探及磁法勘探等物探手段具有特定的应用范围,因此在总结以往地热物探工作经验的基础上,寻找各种物探方法在地热勘查中的有效组合方式,以便以最小的投入获取最大的收益。笔者在分析和阐述热储层与地球物理场关系的基础上,建立了适宜于天津地区地热勘查的物探方法组合,并选取具有代表性的工作区,分析了地球物理方法组合的有效性,同时探讨了大地电磁测深和大地面波测深物探方法在深部地热勘查中的利用,为通过地球物理勘探手段有效解决地质问题,准确寻找地热资源提供技术支撑。1东西两大盆地格局研究区位于Ⅱ级构造华北断坳内,表现为一隆两坳的构造格局,东西两边分别为黄骅坳陷和冀中坳陷,中间为沧县隆起(图1)。冀中坳陷和沧县隆起以深大断裂的天津断裂分界,而黄骅坳陷与沧县隆起则以深大断裂的沧东断裂为界。2地质意义和地质特征地球物理勘探方法是利用专门仪器探测地壳表层各种地质体的物理场,通过测得的物理场特性和差异来判明地下各种地质现象,获得某些物理性质参数的一种勘探方法,这些物理场特性和差异分别通过各地质体间导电性、磁性、弹性、放射性、密度及波动性等物理性质和岩土体的含水性、空隙性、物质成分及固结胶结程度等物理状态的差异表现出来。开展地球物理工作常用的方法有地温场调查、重力勘探、磁法勘探、电法勘探(大地电磁测深和大地面波测深)和人工地震勘探。不同的物探方法能够解决不同的地质问题。地温场调查表明,坳陷区大地热流低、地温低;隆起区大地热流高、地温高,即东西两侧低、中间高,与基底构造两坳一隆相对应,总体上反映了研究区的构造特点。重力勘探表明,随着地质年代的变老,地层、岩石密度有逐渐增大的普遍规律。布格重力异常正值与负值相间分布,基岩面起伏较大,其分布具有一定的规律:在凸起区表现为正异常,在凹陷区则表现为负异常,并与两坳一隆的构造格局相一致。在重力异常密集线性带,一般都反映出断裂的位置。磁法勘探表明,在整个地层序列中,磁性呈相对的渐变过渡,以奥陶系为磁性的最低点,向老地层或新地层方向逐渐增高,而侏罗系的磁性表现出突变的性质。航磁异常与基底起伏基本对应一致,航磁异常值高,基底表现为隆起,航磁异常值低,基底则表现为坳陷。大地电磁测深表明,地层电阻率在浅部变化不大,随着地层的深入,电阻率逐渐变大,古生界和中新元古界电阻率较大。大地电磁在反映基岩面起伏、地层大体分层和判断断裂走向方面都有很好的效果。在电阻率较大的地层中寻找低阻,可以划分出热储的位置和分布状况。人工地震勘探表明,随着地层时代由新到老,不同时代地层的地震波速也越来越高。在馆陶组、石炭—二叠系底面反射能量较强,具有一定的连续性,可作为分层的依据。尤其是在新近系沉积较厚地区,效果非常明显,而在基岩浅埋区,分层效果不佳。大地面波测深表明,随着地层时代由新到老,波速变化不同。一般情况下,埋深增大,岩石密度加大,波速值也增高。蓟县地层波速值最高,一般>2700m·s-1,利用大地面波测深方法能较容易地将新近系、古近系和蓟县系与其他地层区别开。3地球物理方法与天津热勘探相结合3.1上覆层密度特征参考研究区的工作成果和其他资料,统计热储层及盖层的综合物性参数(表1)。综合分析热储层及盖层的地球物理特征,得到研究区地球物理模型参数曲线(图2)。从中可以看出:新近系砂岩孔隙型热储该热储层波速平均值为2021m/s,而其上覆第四系波速值一般<1300m/s,两者间波速差异明显;热储层电阻率值为5～8Ω·m,与上覆第四系电阻率值差异较小;密度值与上覆第四系低密度层亦有明显差异;磁性与新生界第四系差异较明显。基岩碳酸盐岩溶裂隙型热储该热储层波速平均值为2681～2732m/s,为高速层,与上覆地层波速差异十分明显;电阻率值一般>100Ω·m,为高阻层,与上覆地层电阻率差异明显;密度平均值为2.68g/cm3,为高密度层,与上覆地层有明显的密度差异;该热储层为弱磁性层,与上覆中生界白垩系、侏罗系的火成岩地层磁性差异较明显,与新生界磁性略有差异,与其他地层磁性差异不大。3.2垂向剖面和地球物理特征地球物理勘查工作是通过不同的物探方法对一个地区进行平面测量和垂向测量,在野外试验及资料总结分析的基础上了解地质体平面和垂向的特征。一般在地热资源预可行性勘查和可行性勘查阶段进行,勘查范围应包括相关的构造单元并结合地热钻井的井位确定。平面测量一般是测量天然物理场,如重力、磁法和电法,其接收的是稳定的场值,在一个测点上只有一个数值,一般要有地面上多个观测点(一个区域)才能反映出物理场的分布特征。在一条线上的观测值组成剖面曲线,由多条平行的剖面可以组成平面数据。测深方法如人工地震、电法和面波测深等,一般要建立一个变化的人工场(或天然场),在原地布一个接收系统来了解地下不同深度的物理量,即得到一条垂向剖面。地热物探工作需要多种方法组合完成,特别是要根据地质任务合理选择不同方法(平面测量和垂向测深方法)进行组合。具体方法的选择要考虑目的层的物理前提,即目的层与其他层的物性差异,这个差异要足够大,能反映到物理场中被仪器观测到。在坳陷区,由于盖层沉积较厚,主要物探异常形态一般表现为重力低、电阻率低和波速低的平缓曲线变化。大地电磁测深电阻率曲线一般为KQH型(图3)。第四系为高阻层,新近系相对古近系为高阻层,古近系为低阻层,下伏基岩为高阻层。对应厚度很大的新近系、古近系低阻层,电阻率曲线反映为一宽缓的低阻段,此特征对赋存于坳陷区的新近系砂岩孔隙型热储层具有普遍代表性。在隆起区,主要物探异常形态一般为重力高、电阻率高和波速高等特点。磁力场一般表现为低缓的正磁场,由于地热田(异常区)常与构造及火山活动或岩浆岩的侵入有关,此类岩石一般具有较强的磁性,据此,可以利用磁法勘探追索与热流体通道有关的断裂构造和火成岩体。大地电磁测深电阻率曲线一般为KH型(图4)。第四系为高阻层,新近系为低阻层,下伏基岩为高阻层。与坳陷区的大地电磁测深电阻率曲线明显不同,由于隆起区的新近系低阻层变薄,电阻率曲线反映为一范围较窄的低阻段,之后迅速上升进入高阻层,此特征对基岩的碳酸盐岩溶--裂隙型热储层具有普遍代表性。地球物理勘查工作的任务是初步查明:①圈定地热异常范围和热储的空间分布特征;②确定基底起伏及隐伏断裂的空间展布;③确定勘查区的地层结构,热储层的埋藏深度。鉴于这些地质任务,参考研究区的工作成果和其他资料,对比分析各种方法在不同地热田的应用效果,结合地热田地球物理特征,建立本区地球物理勘探方法组合(表2)。4基岩地质图件—综合物探方法应用实例分析在研究区地热地质—地球物理特征综合解释和模型建立过程中,需要对比区内已知钻探成果,才能取得较为可靠的认识,为此在本次工作中选择地热地质研究程度相对较低的天津市周良庄地热田进行地球物理方法的对比和分析。该区位于天津市北部,为进一步了解周良庄地热田的地热地质特征,在该区布置了人工地震测线10条、大地电磁测深线24条及重力和航磁工作(图5),对区内主要断裂进行了较详细的定性分析,圈定了古生界、元古界基岩内地热的相对富集范围,成果较好,有较强的实用价值。根据物探成果,结合地热井资料,绘制出周良庄地区的重要地质图件—基岩地质图(图6),对指导开发本区的地热具有非常重要的作用。利用大地电磁对地热异常区的古生界(包括元古界)地层的电性变化特点可以圈定地热异常区。古生界地层(包括元古界)为高电阻,地热流体为低阻,从高阻的背景中找低阻,进而圈定古生界地热流体富集范围(图7)。从图7可见,在平面上大致以古生界电阻率异常值-20Ω·m等值线为界,圈出一个主要电阻率异常区,此外,该区南部和西北部也有一定的电性异常。如以古生界电阻率异常值-15Ω·m等值线为界,可圈出一片较大的电阻率异常区。对此次物探工作的分析暴露出了一些问题,在基岩埋深较大的情况下,由于奥陶系热储和雾迷山热储均是碳酸盐沉积,人工地震、电法由于受到方法的限制均没有明显区分出这两层,给实际工作带来困难。因此,采取更适合的物探方法显得尤为重要,针对这个问题,2006年在天津市河西区复兴门WR95、WR96D地热井及周边采用大地面波测深进行了尝试性的试验,取得良好效果。大地面波(微动)测深是利用地球表面无时不在的地面微小“震动”作为观测对象,这种方法既不需要人工能源,也不会对环境造成危害(如噪声或高压电等)。本次大地面波(微动)测深点采用圆形分布的观测台阵,取半径为500m,在圆心及垂直四个方位的圆周点上各放置一个传感器,同时接收地面微动信号,从微动信号中提取面波信息,实现深部地质勘查的目的。图8为中心点测深成果图,左侧为波速分层、波速层厚度和深度,右侧为大地面波测深频散曲线。表3为大地面波测深与WR95井实钻资料对比(WR96D井为斜井,不予考虑),从中可以看出,大地面波测深成果与实钻资料的对应较好,第四系的相对误差为20.5%,新近系的相对误差为2.3%,中生界和石炭系的相对误差为7.6%。5基岩岩溶裂隙型热储层精细勘探方法(1)天津地区的坳陷区由于盖层沉积较厚,主要物探异常形态一般表现为重力低、电阻率低和波速低的平缓曲线变化。在隆起区,主要物探异常形态一般为重力高、电阻率高和波速高等特点。对于天津地区孔隙型热储层勘探可选择重力勘探、人工地震勘探(替代方法:大地面波测深)和大地电磁测深(替代方法:电测深(较浅))的物探组合方法;基岩岩溶裂隙型热储层勘探可选择重力勘探、磁法勘探、人工地震勘探(替代方法:大地面波测深)和大地电磁测深(替代方法:电测深(较浅))的物探组合方法。(2)针对天津地区的特点,大地面波测深层基岩地层的勘探具有较好的效果:石炭—二叠系(平均波速值为2300m/s)和奥陶—寒武系(平均波速值为2600m/s)的波速差异较大,界面明显;青白