地氣簡易測量方法在地熱勘查中的應用可行性分析

程崎峰

(浙江煤炭地質局勘探一隊,浙江 湖州 313004)

0 引言

地熱勘查工作直接影響到地熱開發,地氣測量方法的選擇對于地熱勘查結果有著非常重要的影響。該文結合具體實例,就地氣簡易測量方法在地熱勘查中的應用可行性進行介紹,希望可以為地熱勘查工作的開展提供支持。

1 工作方法及原理

定點采用華測I90 型RTK_ GPS,RTK 坐標系統采用國家2000 坐標系。共布設4 條測線,測線分別依次命名為L1、L2、L3、L4,CSAMT 坐標測點100 個,檢查點5 個,點距為50 m,測線總長4 800 m;磁法工作量位于CSAMT 相同測線上,點距進行加密,25 m 點距,共計200 個坐標點,檢查點10 個;地氣納微金屬測量法,采用自制簡易設備進行樣品采集,采取點與CSAMT 測點基本重合,實際測點100 個。測線由于現場施工環境困難導致部分偏移,見圖1。

圖1 綜合勘查測線示意圖Fig.1 Schematic diagram of comprehensive survey line

1.1 可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)

CSAMT 投入的儀器為GDP-32Ⅱ多功能電法儀,使用ANT-6 磁探頭進行磁場測量,不極化電極進行電場觀測,資料反演采用的程序是美國Zonge 公司編制的擬二維反演程序。

CSAMT 以各巖層的物理性質差異為解釋依據,當地層與構造含水時,由于地下水的流動性及電離作用,電阻率呈現低阻特征。斷層及破碎帶等地質體的電阻率取決于其本身的大小、破碎程度及其含水的飽和度,含水斷層的電阻率遠小于周圍不含水圍巖的電阻率,電性標志明顯;巖石的濕度或飽和度的增加,會導致電阻率急劇下降,含水性的差異使其產生了很強的橫向的不均勻性,故水平方向電阻率的變化反映了含水性的變化,而水分含量相同的不同巖石的電阻率也會由于礦化度的不同,電性特征出現明顯差異,因此分析對比電阻率參數,區分物性差異,尋找低阻異常區可以劃分含水范圍。

1.2 地面高精度磁法

地面高精度磁法投入的儀器為GSM-19T 高精度磁力儀,其掃面針對地下磁異常具有明顯的分辨率。斷裂帶的磁異常會因構造作用及其地質過程而具有明顯特征,其異常特征包括巖石在經受外力作用,尤其是因巖石破碎后出現的磁性降低引起的負異常;因深斷裂內伴有巖漿活動或熱液侵入帶來的磁場增強所表現的正異常,或因熱退磁作用引起的負異常等。另外由于斷裂切斷了地質構造的連續性,使與構造有關的磁場形態出現不連續變化,從而表現出異常走向改變及磁場突變等特征。因此通過磁法探測,查明磁異常分布特征即可判定破碎帶位置和斷層走向等。

1.3 地氣納微金屬測量法

礦石破碎、結晶交代等過程中會形成以納米級至亞微米級類氣體形態存在的礦石顆粒,地下熱源產生的上升氣體在通過斷裂帶或裂隙時,會將其中充斥的微小顆粒吸附遷移至地球表面,形成地氣異常。尤其在隱伏斷裂帶地表投影區內成礦及其伴生元素異常十分明顯,這種元素的組合、含量及其空間分布形態與斷裂帶的產狀與范圍等特征對應,在勘查區采集地表土壤氣體后進行測定,就可以推斷熱儲的位置及特征。

該次地氣測量法使用自制地氣簡易裝置進行采集,組成見圖2。主要包括QC-1S 型大氣采樣儀、硅膠干燥劑、濾紙、硬塑料管、硅膠軟管、萬能瓶等。室內對收集液樣采用電感耦合等離子體質譜儀、電感耦合等離子體發射光譜儀、原子熒光光譜儀進行檢測,分析Y、Hg、Mg、Na、K等元素。

圖2 地氣簡易測量裝置示意Fig.2 Schematic diagram of a simple geo-gas measuring device

2 資料解釋

2.1 斷面圖分析

L1、L2、L3、L4線斷面圖中出現了視電阻率值高度不連續的現象,視電阻率等值線存在明顯的低阻凹陷,地層出現明顯錯斷,推斷此處有陡立的斷裂經過,命名為F1、F2、F3。結合相關地質資料分析,L1、L2、L3、L4線2 200 m 深部為寒武系灰巖地層,皆顯示存在較低阻異常,推斷該異常與巖溶裂隙發育和斷裂構造相關,富水性較好,具有一定深度和規模,可以成為較好的熱通道及儲熱空間,且第四系以及奧陶系泥巖地層為較好的蓋層,能有效防止地熱流體的擴散與流失,預測其含地熱資源的可能性較大,見圖3。

圖3 L1、L2、L3、L4 線綜合物探解釋推斷斷面圖Fig.3 Cross-sections of comprehensive geophysical interpretation inferences of L1,L2,L3,and L4

2.2 視電阻率平面圖分析

可控源測深對于不同方向發射源,反演的電阻率是不同的,為尊重其反演的各向異性原則,將測線L1、L2、L3、L4進行切片處理成圖,分別為-1 000 m、-1 600 m、-2 200 m 標高水平切片圖,見圖4、圖5。圖4 為NE 向L1、L2線水平切片圖,圖5 為NW 向L3、L4線水平切片圖,3 個標高的水平切片圖曲線形態相似,主要以奧陶系寧國組泥巖,寒武系灰巖、泥巖為主,電阻率相對較低,高阻區域為石英斑巖侵入。

圖4 L1、L2 線綜合物探平面圖Fig.4 The comprehensive geophysical plan of L1 and L2

圖5 L3、L4 線綜合物探平面圖Fig.5 The comprehensive geophysical prospecting plan of L3 and L4

平面圖中顯示L1線40 號點、L2線40 號點、L3線12 號點、L4線11 號點附近受F1斷裂破碎帶影響,L3線22 號點、L4線18 號點附近受F3斷裂破碎帶影響。隨著深度增加,地層受次生斷裂的影響隨之加大,2 200 m 深地層曲線有明顯扭曲,電阻率明顯降低,低阻范圍較大,巖石破碎,大量裂隙發育,導水性增大,與斷面圖對應關系良好,推測可積聚地下水或成為地下水流的通道。

2.3 地氣地化解譯圖分析

深穿透地球化學樣品檢測數量為100 個,經過探測熱水指數形成深穿透地球化學異常圖,并對異常圖進行熱儲解譯,圖6 從整體上反映了勘查區構造與熱儲的分布情況。

圖6 深穿透地球化學異常地下熱儲解譯圖Fig.6 Interpretation diagram of deep-penetrating geochemical anomaly underground heat storage

從圖中可以看出主要構造破碎帶走向北東向,熱水指數顯示為低異常,結合地質資料,可以推測是由于斷裂封閉性原因導致的,此處所穿插地層以泥質為主,由于其顆粒十分微小,物性松軟,在上覆地層的重力下,易發生成巖作用,被壓實成致密而連續的巖體,導致孔滲結構變差,使地氣的上升受堵;此外,由于泥巖的可塑性特征,在壓力的作用下易產生流動,堵塞斷裂的滲漏空間,使其封閉性增強,阻礙地氣的通過。

觀察解譯圖,L1線1 號點、L2線46 號點、L3線38 號點、L4線6 號點附近區域具有明顯指數高異常,構造帶通過,巖層破碎疏松,空隙發育,透水性和含水性較強,構成良好儲水空間,指數變化的不連續可能為地層巖性、圍巖擠壓、斷層塑性、充填膠結、巖體侵入等原因的影響。推測圖中主要構造破碎帶傾向為北西向,深層熱儲位于斷裂破碎帶的北西側,東南側為淺層地熱。

2.4 對比分析

地氣解譯圖中主要構造帶的位置、走向和傾向等特征表明其為F3斷裂帶,所圈定熱儲范圍與物探成果圖一一對應。但地氣解譯圖中對于熱儲的解釋僅以主要構造破碎帶為依據,即判定熱儲為F3斷裂帶單獨作用的影響。而對比物探成果圖可知,地氣解譯圖中西北側高指數異常區域是F2、F3斷裂帶影響的結果,東南側則為F1和F3斷裂帶共同作用形成,地氣解譯圖中對于熱儲深淺層的推測不完全準確。

3 結語

(1) 此地氣簡易測量方法對地熱資源的識別僅為對構造斷裂帶的識別,即對儲熱有利空間的識別,而非對含水性的識別,且構造帶在解譯圖像上只顯示其平面分布,無法得知其空間產狀、延伸范圍等特征,對熱儲深淺也難以區分。

(2) 由于采集設備精密度不足等原因,僅能對特征較為明顯的斷裂進行初步的辨別,斷裂規模較小或特征不明顯的斷裂,難以進一步判斷其存在的可能性,導致在判斷構造帶與熱儲關系上過于局限。

(3) 地氣解譯圖中出現的部分低異常顯示可能并非地層或構造本身的影響,而是由于技術操作、設備氣密性、液體保存等出現問題,導致樣品失效,數據缺失,進而無法準確反映出地下元素特征。

(4) 此地氣簡易測量方法可以在一定程度上為尋找地熱提供數據依據,但由于本次地氣采集所涉及的樣本數量較少,點位不夠密集,過程不夠嚴謹,故此地氣化探簡易方法的應用能力還需進一步的實驗加以論證。