CSAMT法在變質巖地下熱水勘查中的應用研究
——以太原盆地北部為例

王東華，劉國輝

(1.山西省水文水資源勘測總站 山西 太原 030001;2.河北地質大學 地球科學學院 河北 石家莊 050031)

1 引言

山西省地下熱水分布具有南部多、北部少,盆地平原區多、山區少的特點。從地下熱水儲集層巖性特征來看,主要為寒武系、奧陶系巖溶含水層、熱水儲集層[1]。太原盆地已探明的地熱資源主要分布在中、南部的斷陷盆地奧陶系、寒武系石灰巖中,具有很好的地下熱水賦存條件[2];而在盆地北部,基巖抬升,深部地層為變質巖系。本類地區地下熱水的勘查研究資料表明,變質巖不論是從化學成分、礦物組成及結構、構造上,還是從巖性特征及斷裂構造上,都與沉積巖、巖漿巖有較大差別,這些差別直接影響著地下水的富集與分布[3]。因此,變質巖含水性、透水性差,地下水貧乏,在一般構造區基本不具有地下熱水形成條件[4]。曾有勘查部門在太原盆地北部勘查地下熱水,均因無水而失敗,致使盆地北部地熱開發一直為空白區。

可見,變質巖區地下熱水的勘查研究是地下熱水開發利用的薄弱環節。因此,研究變質巖區地熱水的生成和賦存條件,提出變質巖區地下熱水勘查的方向,采取行之有效的方法技術,對于提高本區地下熱水勘查水平,降低勘探風險,促進新能源開發利用,推動經濟發展具有重要意義。

為了適應當地發展經濟的需求,勘查研究人員分析了變質巖區地下水的特點及前人開發失敗的原因,以地質構造調查為先導,應用CSAMT法可控源音頻大地電磁法(Controlled Source Audio Magnetotelluric,CSAMT)的技術優勢,在太原盆地北部變質巖區地下熱水的勘查研究中取得成功,填補了本區地下熱水開發的空白。本文討論在變質巖區勘查地下熱水的方法技術、結果及地質意義。

2 研究區地質概況

太原盆地屬于深大斷陷盆地,在中部與南部地區,已開發的地熱水類型主要有三套儲熱層[5]:一是寒武系奧陶系巖溶型熱儲,熱儲層為石灰巖與白云巖,蓋層為石炭系、二疊系、中生界及新生界地層,如圖1(a)所示;二是三疊系厚層砂巖儲熱層,蓋層為上覆新生界地層,厚度近1 000 m,如圖1(b)所示;三是新近系層狀砂巖儲熱?？傮w上以前兩種類型為主。這兩種類型均反映含水層上覆有厚層松散層與沉積巖蓋層,是地下熱水保溫的良好條件;其中奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶發育,是太原盆地深部巖溶儲熱層[6]?？梢?前兩類地層結構既有蓋層保溫條件,又有儲水儲熱條件。因此,太原盆地中部與南部的地下熱水勘查開發均以此兩類地層為主。

而在盆地北部,由于地層抬升,與盆地中部、南部相比,地層分布發生了較大變化,如圖2區域地質圖[7]所示,奧陶系石灰巖已出露,位于邊山之間的第四系松散沉積層厚度小于100 m,覆蓋層下即為奧陶系石灰巖。

當地生活生產的供水水源取自奧陶系、寒武系巖溶水,深部為太古界變質巖(以花崗片麻巖類為主)。由于變質巖地層不含水或富水性差,一般視為地下水的隔水層,通常鉆井深度至變質巖即終孔。眾多勘查研究資料都表明,太古界變質巖是以貧水著稱的地層[8],可見,由于地層分布的特殊性,使研究區既無地下熱水的蓋層條件,又無地下熱水的儲集條件,加之有勘查開發失敗的先例,因此,有關部門認為在本類地區開發地下熱水有較大的風險,致使太原盆地北部地區無地下熱水工程。

圖2 研究區地質Fig.2 Geological map of the study area

3 研究方法

3.1 地質構造條件調查

由地層分布特點可知,研究區不具備地下熱水的儲集條件。而經濟發展需要開發地熱資源,為解決這一問題,必須通過地質構造調查尋找地熱條件。根據資料顯示,地熱水上升通道是地下熱水向淺部循環的必然途徑,深部地熱通過基底的活動斷裂及裂隙通道向淺部運移[9]。因此,能否找到大的斷裂構造,是在變質巖區尋找地下熱水的關鍵。

如圖2所示,本區在區域地質圖上無構造資料,因此,勘查研究人員通過多方調查,最終找到了本區的地震地質資料,圖3是由國家地震系統在陽曲縣發生地震之后完成的地震地質圖。調查研究資料表明,太原盆地北部陽曲縣在地質歷史上是一個不平靜的區域。系舟山西麓斷裂(F4)呈NW-SE向,陽曲縣位于系舟山大斷裂西麓。該斷裂全新世以來的平均右旋水平滑動速率為5.68 mm/年[10]。由此可見,系舟山西麓斷裂是一條活動水平較高的斷裂帶。

圖3 陽曲縣北白一帶地震構造 (據齊浪等)Fig.3 Seismic structure map of Beibai in Yangqu county (according to Qi Lang et al.)

其次,陽曲縣區域性地震頻繁,僅1900年以來發生過兩次五級以上地震,影響范圍50 km;此外,2010年6月5日,發生了4.6級地震,發震斷裂為系舟山斷裂西麓。陽曲縣是太原盆地北部的新構造單元,東界為系舟山西麓斷裂。陽曲縣北部的北白村位于震中區,地震烈度大于Ⅴ級[11],如圖3所示。圖中橫穿Ⅴ級以上烈度區的F1、F2斷裂,推斷為活動斷裂;橫穿Ⅴ級以上烈度區的F3斷裂與橫穿Ⅳ級烈度區的F5斷裂,推斷為非活動斷裂。

地球內熱的產生與傳遞是各種構造活動的重要原因之一[12],地熱與地震活動都是現代地殼強烈構造運動的顯著標志,我國地熱和地震活動與大地構造有密切的生成聯系[13]。

雖然變質巖是地熱生成的不利地層條件,但基巖裂隙的發育程度及其聯通性決定儲水空間的大小和導水能力[14],如果有地質構造,可以使成熱條件得以轉化。因此,根據地震構造及地震活動資料,有必要采用地球物理方法進一步查明地質構造及其分布情況。

3.2 應用可控源音頻大地電磁法調查研究斷裂帶

據陽曲縣北白一帶地震構造圖,北白村位于Ⅴ級以上烈度區,且推斷村北有F1、F2活動斷裂,呈NE-SW向;村南有橫穿Ⅴ級以上烈度區的斷裂F3、橫穿Ⅳ級烈度區以上的斷裂F5,為非活動斷裂,也呈NE-SW向。因此,需要布置交叉解釋斷裂的物探測線,以準確確定斷裂與活動斷裂位置。針對調查研究區的起伏地形及探查深大斷裂構造的需求,首選可控源音頻大地電磁法(CSAMT法)[15]。本方法接收不同頻率的人工場源電磁信號,具有地形影響小、勘探深度大、工作效率高等優點,同時可測得視電阻率與相位兩個參數。

3.2.1 CSAMT法測線位置的選擇

測線位置的選擇,需通過地震構造圖Ⅴ級烈度以上區內推斷的活動斷裂,以便進一步查明斷裂的準確位置。根據地震構造資料,將CSAMT測線位置選擇在陽曲縣北白村北部山前、玉泉莊村北東,如圖2中紅框所示區域。在北白村北山前耕地內布置了兩條測線,測點距離40 m。由于區內有南北向延伸深溝相隔,在溝東部布置了Ⅰ號測線,在溝西部布置了Ⅱ號測線,總長3 200 m;兩測線相距600 m。測線方向交叉推斷地震活動斷裂方向,基本為NE-SW向,測點號由南向北編排,測線測點位置如圖4所示。

信號發射區位于測區東9 km處,AB供電線長1 km,供電電極采鋁箔埋置,并澆高濃度鹽水,以減小接地電阻。

圖4 CSAMT 測線與測點位置Fig.4 CSAMT measuring line and measuring point position

圖5 用兩種頻率系列得到的電阻率斷面Fig.5 Resistivity cross sections obtained from two frequency sequences

3.2.2 采用高密度頻率測量系列

CSAMT法的工作頻率f,不僅決定其勘探深度(與f的平方根成反比),其頻率密度與對地層的數據采集信息量有直接關系。本次采用0.1～9 600 Hz頻率系列。為了提高勘測資料對深部地層構造裂隙分布與含水層的探查效果,采用加密頻率間隔測量的作法,即在f=2n～2n+1(Hz)之間,按照1/8間隔內插頻率。根據研究區地層,以500 Ω·m的電阻率為例,應用Bostick公式估算探查深度:

式中:H為探測深度,單位為m;ρ為電阻率,單位為Ω·m;f為頻率,單位為Hz。

如果用f=(2n～2n+1)/4 Hz頻率間隔(稱f/4)測量,數據采集的深度間隔為40～50 m;而用f=(2n～2n+1)/8 Hz頻率間隔(稱f/8)測量,數據采集的深度間隔為15～22 m,可增加深部地層的數據采集信息量[16]。因此,為了探測深部地層的構造裂隙發育情況,提高對含水地層特征的分辨能力,采用了高密度頻率數據采集系列,即f=(2n～2n+1)/8 Hz頻率系列,共112個頻率采集;而CSAMT法常用數據采集頻率數僅為30個頻點[17]或50個頻點[18]。

圖5是由兩種頻率系列測得的電阻率斷面圖,測線處下伏地層為第四系松散層—奧陶系石灰巖。

其中圖5(a)剖面由f/4頻率系列測得,圖5(b)剖面由f/8頻率系列測得。對比兩個電阻率斷面可以看到,在f/8頻率系列采集的電阻率斷面圖中,反映出巖溶裂隙發育部位的低阻層,而在f/4頻率系列采集的電阻率斷面圖中沒有反映出來。特別是在400～800 m深度之間,在圖5(b)剖面中小于100 Ω·m的低阻區厚度約250 m,而在圖5(a)剖面中沒有反映,可見應由f/4頻率系列探測,對地層的構造裂隙圖5(a)的f/4系列電阻率斷面, 圖5(b)的f/8系列電阻率斷面構造裂隙分辨率低。因此,本項目應用f/8頻率系列調查基巖構造及裂隙發育情況。

3.3 用放射性測氡法佐證CSAMT資料異常

鑒于深大斷裂是地下氡氣匯集并向上運移的良好通道,它可以由地下深部遷移至地表附近,這就為調查深部的地質信息提供了新的途徑。因此,為了進一步佐證可控源音頻大地電磁法探測得到的斷裂構造帶異常反映,在應用CSAMT法勘查[19-21]的基礎上,采用了放射性測氡法,用以對CSAMT參數(如電阻率、相位參數)圖件異常進行對比佐證,在CSAMT測線上,設計10 m點距測量,以佐證由CSAMT法測得的異常。

3.4 鉆探驗證并成井

在確定CSAMT法調查成果的基礎上,確認研究區斷裂帶的分布與特點,進而設計地下熱水井探采位置,根據實際驗證水量、水溫、水質等資料確定成井。

4 結果與討論

4.1 電阻率斷面特征

通過CSAMT法勘測,得到如圖6所示的Ⅰ測線電阻率斷面圖。圖中,縱坐標表示深度,單位為m;橫坐標表示測線、測點。 由電阻率斷面可知,反映淺部松散層的電阻率等值線在水平方向上是連續的,而在100 m深度以下,有兩處明顯的近垂向低阻條帶:第一處位于測線的380～500 m(5～10號測點)之間,第二處位于測線的1 020～1 140 m(27～30號測點)之間,電阻率等值線總體上呈近垂直方向延伸,且第二處低阻異常反映比第一處更加明顯,其延伸深度大于2 000 m,水平寬度跨越3個測點距,寬約100 m。據此特點,認為斷面上無靜態效應的影響,低阻帶為隱伏基巖斷裂帶,且反映為常見斷裂帶兩側高、中間低的電阻率形態[22],屬于隱伏基巖斷裂帶的特征。結合研究區地層特點,斷裂帶垂向穿過奧陶系、寒武系碳酸鹽巖,進入深部變質巖(以花崗片麻巖為主)。從低阻帶寬度與深度特征分析,解釋為深大斷裂帶的反映。

4.2 測點曲線異常特征

測線上各測點的視電阻率曲線與相位曲線形態特征表明,由同一個頻率測得的值在不同測線段有差異。以視電阻率曲線為例,其高電阻率曲線與低電阻率曲線分別對應于圖6電阻率斷面的高阻段與低阻段斷裂帶。

在圖7所示的f-ρs視電阻率曲線中,橫坐標表示測量頻率f,單位為Hz;縱坐標為視電阻率ρs,單位為Ω·m;黑色曲線的測點與紅色曲線的測點分別位于電阻率斷面正?；鶐r區與低阻異?；鶐r區。

由圖7可知,兩曲線在首段基本重合,說明反映淺層第四系地層的電阻率基本是一致的;但在f<1 000 Hz后,即探到基巖頂板后,兩曲線逐漸分離,視電阻率差異逐漸增大, 表示高阻區的黑色曲線大致呈直線上升趨勢;而表示低阻異常區的紅色曲線則呈平緩上升趨勢,兩條曲線的視電阻率值相差約10倍。這一特征表明,在無地質構造的基巖區,反映為高電阻率;而在斷裂構造帶上的測點,基巖破碎、裂隙發育,呈低阻反映; 且曲線的分離,非靜態效應的影響。

舊石器時代，以古人類的打制石器為標志；新石器時代，以古人類的磨制石器為標志?？梢哉f，人類的幼年，就是伴隨石頭的有效利用而成長的。

此外,在剖面上對應測點的相位曲線也有明顯差異,如圖8所示。圖中紅色相位曲線反映高相位,對應于圖7中的紅色低視電阻率曲線;黑色低相位曲線,對應于圖7中的黑色高視電阻率曲線。兩測點曲線在首部相位值很接近,說明對第四系地層反映基本一致;在頻率f<1 000 Hz之后,相位值出現了較大偏離,與視電阻率曲線的差異段基本對應。相位曲線的差異特征,是對視電阻率曲線差異的印證。

綜合上述,結合測點視電阻率與相位參數曲線特征,認為勘測線無靜態效應的干擾,低電阻率與高相位曲線均屬于斷裂帶的反映。

圖6 Ⅰ測線CSAMT電阻率斷面Fig.6 CSAMT resistivity section of survey line Ⅰ

圖7 同測線Ⅰ上的視電阻率曲線差異Fig.7 Differences in apparent resistivity curves of survey line Ⅰ

圖8 同測線Ⅰ上的相位曲線差異Fig.8 Phase curve differences of survey line Ⅰ

兩參數曲線特征與電阻率斷面特征相結合,為分析測區斷裂構造提供了依據。

4.3 放射性測氡佐證結果

圖9 測氡法佐證CSAMT電阻率異常Fig.9 The abnormal resistivity of CSAMT was confirmed by radon measurement

圖9是測氡法佐證CSAMT電阻率異常圖,上部曲線是Ⅰ號測線上通過電阻率斷面異常段的氡氣測量曲線,下部為對應測線段的電阻率斷面圖。測氡曲線特征表明,在電阻率反映正?；鶐r段,測點的氡氣值為220～260 Bq/L,各測點的實測氡氣值基本在此范圍內跳動,此即測區氡氣的背景值;但在測線的1 060～1 180 m之間,即測氡曲線的中部,出現了氡氣值為300 Bq/L左右的高值異常,兩種方法的參數異常位置基本對應。說明氡氣的上升通道即斷面上的斷裂破碎帶。

可見,放射性測氡法對CSAMT法電阻率異常起到了佐證作用,CSAMT電阻率斷面異常段就是深大斷裂破碎帶的反映。

在勘測研究區西部Ⅱ測線得到的CSAMT電阻率斷面形態特征、視電阻率與相位曲線特征,以及測氡法的佐證結果,與研究區東部Ⅰ測線的資料大致相同,圖件從略。

綜合對CSAMT電阻率斷面特征、電阻率與相位曲線特征以及放射性測氡曲線分布特征的分析討論, 認為在研究區存在斷裂構造F1、F2,因此得到圖10所示的解釋斷層分布圖。斷層大致呈NE-SW向展布。

以上研究表明對地震構造研究推斷的斷裂帶是存在的。根據電阻率斷面特征分析,位于測線北部的斷層F1發育深度和寬度優于F2,因此把地熱井位置確定在Ⅰ號測線的斷裂帶處。

圖10 解釋斷層分布Fig.10 Distribution of explains the fault

4.4 測井資料對CSAMT法效果的驗證

4.4.1 測井曲線驗證電阻率斷面異常

測井與CSAMT法是在不同位置對井位處地層的探測。經分析對比,測井資料反映含水層的主要特征與斷裂帶上的CSAMT法電阻率斷面特征基本對應,進一步驗證了CSAMT法探測構造裂隙的應用效果。

圖11是CSAMT電阻率斷面與測井參數曲線對照圖。測井參數自然伽馬、自然電位、電阻率(深側向、淺側向)、聲波時差、地層滲透率、地層孔隙度曲線在1 400～1 420 m之間均有異常反映,如自然電位的低值異常、電阻率的低阻異常、聲波時差的高值異常、地層滲透率的高值異常、地層孔隙度的高值異常,都比較明顯。在對應深度的電阻率斷面上,有明顯的低阻區域。測井參數進一步表明電阻率斷面中的低阻區域是變質巖構造裂隙含水層,也反映了應用CSAMT法勘測深層構造裂隙含水層的效果。

圖11 電阻率斷面與測井曲線對照Fig.1 Comparison chart of resistivity section and logging curve

4.4.2 井溫曲線對深部裂隙的驗證

圖12是溫度測井曲線與CSAMT電阻率斷面對照圖。溫度測井曲線表明,在2 400～2 500 m深度之間,曲線上升梯度較大,100 m升溫4.8 ℃,大于每百米2～2.5 ℃的正常升溫梯度。對照電阻率斷面圖可知,在2 250～2 500 m深度之間有明顯低阻區域,其中2 400～2 500 m深度之間,低阻區范圍明顯增寬了,即導水導熱空間增大了,所以溫度上升快,表明深部構造裂隙是導水、導熱的通道。

圖12 溫度測井曲線與電阻率斷面對照Fig.12 Comparison of temperature logging curve and resistivity section

4.5 鉆探結果與討論

對勘測研究結果進行鉆探驗證,得到如圖13所示的電阻率斷面與鉆井概況圖。圖中反映了地下水水位、奧陶系、寒武系地層底板與震旦系花崗片巖頂板埋深、封閉地層部位(0～1 100 m)、采水部位(1 100 m以下)、鉆井嚴重漏水部位以及鉆井地層,以及第四系松散層厚度(80 m),奧陶系、寒武系碳酸鹽巖厚度(970 m),震旦系變質巖頂板埋深(1 050 m);變質巖巖性以厚層花崗片麻巖為主。鉆井驗證了CSAMT法勘測的研究成果。

圖13 電阻率斷面與鉆井概況Fig.13 Resistivity section and drilling profile

首先,全孔地層破碎,鉆井時出現多處探井地層坍塌,說明將低阻異常帶解釋為深大斷裂構造帶是正確的。設計水井深度2 000 m,實際施工至2 900 m。從地面到井底,都在斷裂帶上。

其次,鉆井時出現了多處漏水,其中有四段嚴重漏水,在電阻率斷面上均有明顯低阻部位,如1 150～1 190 m、1 380～1 410 m、1 580～1 630 m、1 930～1 990 m。說明CSAMT電阻率斷面反映的變質巖低阻段是構造裂隙發育部位。

第三,在電阻率斷面中,有多處明顯的低阻圈,反映構造裂隙部位。表明加密CSAMT數據采集的頻率密度能夠查明深部地層的裂隙含水部位。

第四,為了防止奧陶系、寒武系巖溶水和上部變質巖裂隙水影響井水的溫度,成井時,封閉了1 100 m以上的地層,日出水量仍然達960 t?？梢?變質巖雖然賦水性差,但在深大斷裂構造作用下,仍然有較好的儲水空間與導水通道。

第五,井水溫度及礦物成分也說明了深部變質巖具有導水導熱通道。井底水溫64 ℃,熱水水質優良,其中含偏硅酸97.1 mg/L,遠大于國標礦泉水偏硅酸≥25 mg/L 的標準[23]。對維持人體肌能、心血管保健、補鈣、防止骨質疏松、抗衰老等有醫療價值。巖石中含硅礦物屬于難溶物質,其溶解是一個長期的過程,地下水與含硅礦物接觸時間越長,則水中偏硅酸含量越高。如果有地下熱水,又提高了對含硅礦物的溶解能力。因此,本處地熱水偏硅酸高是地下熱水在深部長期對變質巖溶解的結果。這從另一方面反映了斷裂帶深部儲水儲熱的能力,說明應用CSAMT法能夠探查變質巖深部導水、導熱構造裂隙。

5 結論

1)變質巖區地下水貧乏,不具備生成地下熱水的地質條件;但在深大斷裂構造作用下,其生成條件可以轉化,深部變質巖的構造裂隙就是地下熱水的儲水與儲熱空間。本項目以變質巖區地下熱水為探查研究對象,其結果表明,在變質巖區,只要有較大的斷裂構造,就具備地下熱水條件。

2)CSAMT法受地形影響小、工作效率高、勘探深度大,在基巖區尋找深大斷裂具有優勢。以地質構造調查為先導的CSAMT法,其探查效果更能充分發揮。本例電阻率斷面反映斷裂帶及其寬度、發育深度及裂隙發育情況清晰,CSAMT參數曲線、測氡曲線異常與斷裂帶位置對應,從多角度論證,保證了對CSAMT法資料地質解釋的正確性。

3)CSAMT法所確定的斷裂破碎帶、基巖裂隙部位,均由鉆井時的地層坍塌、嚴重漏水等現象得以驗證。其中嚴重漏水部位(也是導水通道)與斷裂帶的低阻段相對應;測井各參數曲線的含水異常以及測溫曲線的快速升溫的深度位置,也與斷裂帶的低阻段對應。這些都是采用高密度頻率采集數據,提高了構造裂隙分辨率的結果。

4)本項目填補了應用區地下熱水開發的空白,結束了太原盆地北部無地熱工程的歷史。其技術應用成果,對在同類地區地下熱水的勘查開發具有指導意義。