綜合物探方法在嘉興地熱勘查中的應用

  嘉興地處浙江省東北部, 位于長(cháng)江三角洲南端,臨江近海, 北接江蘇, 東鄰上海, 南瀕錢(qián)塘江河口和杭州灣, 總面積約4 000 km2 。地表98%區域為第四系覆蓋, 對該區基巖地質(zhì)構造的認識, 大多是根據物探成果和前人零星的鉆孔資料。嘉興地區地熱勘查工作始于20世紀90年代初, 區內水溫異常點(diǎn)有7處, 突發(fā)性地熱異常點(diǎn)2處, 冒熱水期間, 水溫最高達95 ℃。但該區地熱勘查工作一直沒(méi)有突破。

 

  2001年以來(lái), 在杭嘉湖地區新一輪地熱勘查中, 浙江省地質(zhì)調查院通過(guò)分析深部地球物理勘查和地熱地質(zhì)條件, 終于在嘉善縣大云鎮曹家村嘉熱2號井,打出井口水溫40 ℃, 涌水量255 m3 /d的地熱水。

 

  1 地質(zhì)背景

 

  研究區地處揚子板塊的東南緣, 在漫長(cháng)的地質(zhì)時(shí)期中, 經(jīng)歷了多期的構造作用和復雜的地史演化過(guò)程。早古生代早期, 地處揚子臺地東南邊緣的斜坡及半島狀的臺地區, 沉積了近千米厚的泥巖—碳酸鹽巖蓋層。早古生代晚期形成了巨厚類(lèi)復理石沉積, 晚古生代記錄了穩定的陸表海沉積, 印支運動(dòng)使上述沉積巖系遭受構造變形, 發(fā)生以北東向為主的褶皺、斷裂構造。第四紀以來(lái)該區地質(zhì)構造總體呈差異性沉降, 沉積物厚度變化大, 平原區一般在數十米至300 m左右。區內除海寧、胥山有古生界地層零星出露, 其余均為第四系覆蓋。根據以往基巖鉆孔資料, 第四系覆蓋下, 揭露有震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系、古近系地層。

 

  2 地球物理條件及綜合物探方法的布置

 

  2.1 地球物理條件

 

  勘查區為第四系厚覆蓋區, 第四系地層密度數據為實(shí)測資料, 其余巖石物性資料引用前人浙北山區物探工作成果。

 

  密度特征:第四系黏土、粉砂、砂礫等的平均密度為2 ×103 kg/m3 。古近系、新近系砂巖、泥巖、角礫巖等的平均密度為2.2 ×103 kg/m3 。白堊系安山質(zhì)凝灰角礫巖等的平均密度為2.5 ×103 kg/m3 。侏羅系上統凝灰熔巖、安山巖類(lèi)熔巖、火山巖等的平均密度為2.5 ×103 kg/m3 。古生界石英砂巖、灰巖、泥巖、頁(yè)巖等的平均密度為2.7 ×103 kg/m3 。根據巖石密度數據分析, 區內主要存在三個(gè)密度界面:①新生界與中生界地層間密度差為(0.3 ～ 0.4)×103kg/m3 左右;②新生界與古生界地層之間其密度差為(0.4 ～ 0.5)×103 kg/m3 左右, 是研究區內最大密度層界面;③中生界上侏羅統火山巖與古生界之間密度差約為0.15 ×103 kg/m3 。另外, 在古生界內部及古生界地層與元古界地層之間, 其密度差約為0.1 ×103 kg/m3 。

 

  磁性特征:區內新生界中基性火山巖及廣泛分布的中生代火山巖類(lèi)和中酸性、中基性侵入巖是引起區內磁異常的主要因素?；鹕綆r普遍具有磁性, 而且磁性變化較大, 一般有較強的剩磁。中基性火山巖要比酸性火山巖有較強的磁性, 能引起較強磁異常。中基性火山巖及次火山巖能引起強度大、范圍小的尖峰異常。中酸性侵入巖磁性有強有弱, 一般會(huì )引起幾百納特的航磁異常, 呈規則形狀。新近系地層除其中的玄武巖外均為無(wú)磁性, 中生界白堊系、侏羅系地層中有火山巖分布, 磁性變化大, 航磁異常雜亂。古生界地層一般不具磁性。

 

  電性特征:①第四系表土平均電阻率為10 ～ 35Ψ· m左右, 其下部淤泥層電阻率較低, 一般為小于10 Ψ· m, 部分地區海積淤泥層電性更低, 電阻率甚至僅為3 Ψ· m左右, 常組成H型曲線(xiàn)的低阻層。

 

  ②新近系平均電阻率較高, 約在30 ～ 50 Ψ· m之間, 古近系電阻率亦與它相近。③白堊系地層平均電阻率約30 ～ 50 Ψ· m左右。在凹陷中由于巖層較厚, 形成HKH型曲線(xiàn)。在凹陷邊緣或隆起邊部缺失古近系, 白堊系地層直接覆蓋在上侏羅統碎屑巖之上, 且厚度較小, 則常與后者組成同一電性層,電阻率為25 ～ 40 Ψ· m, 組成HA和HKH型曲線(xiàn)。

 

  ④上侏羅系黃尖組火山熔巖, 電阻率為n×103 Ψ·m, 由于具有相當大的厚度, 可作為高阻標準層。勞村組電性變化較大, 西部露頭測深結果為90 ～ 150Ψ· m。在測深曲線(xiàn)上電阻率反映為30 ～ 50 Ψ· m。

 

  ⑤二疊系龍潭煤系(P2l)地層平均電阻率約為60 ～90 Ψ· m左右, 當第四系覆蓋或古近系地層較薄時(shí), 呈接近90 Ψ· m的兩層曲線(xiàn)或大于60 Ψ· m的HA型曲線(xiàn)。

 

  下侏羅統及奧陶、志留系砂頁(yè)巖地層與二疊系龍潭煤系地層電性相似, 均具中等電阻率。除此之外, 古生界地層平均電阻在n×102 ～ n×103 Ψ· m范圍內, 為本區高阻標準層。

 

  2.2 綜合物探方法的布置

 

  嘉熱2號井布孔前, 開(kāi)展了高精度重力測量、高精度磁法測量、大地電場(chǎng)巖性探測、可控源音頻大地電磁測深工作。物探剖面布置見(jiàn)圖1。

 

  高精度重力測量主要是提取與基底、斷裂、局部構造等相關(guān)的地質(zhì)信息, 反映區域構造, 對勘查區進(jìn)行定位。布置1∶1 萬(wàn)高精度重力剖面4條, 長(cháng)度40 km, 點(diǎn)距40m。野外工作采用美國產(chǎn)Lacoste-D型重力儀, 實(shí)測精度為±0.04 ×10-5 m/s2 。

 

  高精度磁法測量用于探測火成巖和侵入巖體的存在和分布特征。布置1∶1萬(wàn)高精度磁法剖面4條, 長(cháng)度20 km, 點(diǎn)距40 m。野外觀(guān)測采用捷克產(chǎn)PMG高精度磁力儀, 進(jìn)行總場(chǎng)和梯度觀(guān)測, 探頭間距0.5 m, 實(shí)測精度為±1.28 nT。

 

  可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)能有效探測與地下熱水有成因關(guān)系的斷裂構造位置, 確定隱伏斷裂位置, 為地熱鉆探布孔提供依據。布置1∶1萬(wàn)CSAMT剖面4條, 長(cháng)度22 km, 點(diǎn)距50 m野外工作使用美國Zonge公司生產(chǎn)的GDP-32多功能電法儀, 實(shí)測精度為7.83%。

 

  大地電場(chǎng)巖性探測, 太陽(yáng)輻射到空間的等離子體流主要成分為質(zhì)子和電子, 稱(chēng)作太陽(yáng)風(fēng)。它連續不斷以8 ～ 14個(gè)脈沖/s的速率與地球電離層上部磁場(chǎng)相碰撞, 產(chǎn)生0 ～ 2萬(wàn)Hz的電磁脈沖到達地球表面垂直向下穿透地層, 而后又從各地層反射回地面。由于趨膚效應作用, 不同頻率的電磁波具有不同的穿透深度, 因此當它反射回地面時(shí)將帶來(lái)不同深度巖石的巖性信息, 巖性探測儀在地面上分別接收來(lái)自地下不同深度的巖石巖性信息及儲層流體信息, 以此判斷地層深部的巖性變化, 推斷地下巖性界面、斷層、地下熱儲等。野外按點(diǎn)測量, 布置16個(gè)測點(diǎn), 野外工作采用國產(chǎn)CYT-Ⅳ型大地電場(chǎng)巖性探測儀。

 

  2.3 布孔依據

 

  根據物探勘查成果, 綜合地熱地質(zhì)條件分析, 嘉熱2井布孔依據有:①應用高精度重力測量成果, 確定古生界地層范圍(高密度、重力高)。②根據CSAMT成果及鉆孔資料, 確定儲蓋組合。該區已知ZK311, 孔深660 m, 0 ～ 250 m為第四系散沉積物,250 ～ 660 m是上奧陶統長(cháng)塢組, 以灰黑色粉砂質(zhì)泥巖為主的碎屑巖, 具有隔熱保溫作用。浙江省地層表示出杭州—嘉興地層小區長(cháng)塢組地層厚度為800多米, 由此判斷, 長(cháng)塢組是理想的蓋層, 其下為寒武系及下奧陶統碳酸鹽巖, 是嘉熱2號井鉆探的目的層———碳酸鹽巖熱儲層。③綜合物探成果分析熱儲通道, 區內F1 斷裂, 即大云斷裂, 呈北東向展布, 為區域性斷裂, 構成桐鄉—平湖凹陷的盆緣斷裂, 傾向南東, 傾角75°以上。斷裂北西側為嘉興隆起, 南東側為平湖凹陷, 斷裂深度(>3 km)。F52屬次級斷裂, 是奧陶系地層內部斷裂, 呈北東—南西向展布,傾向南東, 傾角為60°～ 80°, 斷裂寬200 m左右。④據高精度磁法測量成果, 推測區內無(wú)火山巖和侵入巖體的分布。

 

  3 綜合物探成果分析與鉆探驗證

 

  3.1 綜合物探成果分析

 

  嘉善惠民靶區構造上屬胥山隆起, 胥山隆起位于嘉善南面胥山—卓家匯一帶, 顯示重力高, 重力異常等值線(xiàn)呈橢圓形, 長(cháng)軸呈北東—南西向展布(圖2、圖3), 區內航磁異?？傮w為正異常, 惠民地區為寬緩正異常區, 胥山西側為局部高異常區, 七星鄉及鐘埭鎮東為負異常(圖4)。據鉆孔資料分析隆起區為古生界地層引起。

 

  嘉善—湖州東西向斷裂從靶區北側通過(guò), 作為熱儲巖性的震旦系燈影組白云巖、白云質(zhì)灰巖處于斷裂的上盤(pán), 張性裂隙和巖溶發(fā)育。該靶區封閉性較好, 熱儲蓋層除第四系覆蓋層外, 還有奧陶系長(cháng)塢組大套泥巖, 高阻層埋深達700 ～ 800 m, 具有一定的地熱資源潛力。

 

  高精度重力測量, G15線(xiàn)剖面北起花園濱, 橫切惠民隆起, 南到曹家墳, 全長(cháng)15.8 km。布置該剖面的目的是為了進(jìn)一步了解惠民隆起的構造背景以及F1 、F4 、F50 、F51 、F52斷裂構造的位置及產(chǎn)狀。該剖面的布格異常特征是:在該剖面上重力值中間高, 兩頭低, 北緩南陡, 全剖面呈現中間重力高、兩端重力低的構造隆起重力異常特征。重力高異常極大值位于139測點(diǎn), 最高值達30.302 ×10-5 m /s2 , 淺源異常和垂向導數異常更為明顯, 推測由淺層高密度古生界地層引起。測線(xiàn)南端重力值最低, 為13.069 ×10-5 m /s2 。水平導數最大值位于118號測點(diǎn)附近,據此確定F4斷裂帶在此通過(guò)。其北面的水平導數極值點(diǎn)對應38號測點(diǎn), 為F50斷裂的反映。160號、188號、228號測點(diǎn)附近, 水平導數極值點(diǎn)分別對應F51 、F52 、F1 斷裂。重力高處為古生界隆起, 兩側以F4 、F1 斷層為界, 形成典型的斷塊重力異常特征。

 

  高精度磁法測量, 從磁測成果來(lái)看, 磁測總場(chǎng)和梯度值變化平緩, 說(shuō)明該區無(wú)磁性地質(zhì)體。結合已知鉆孔資料(ZK311、ZK309、ZK310)分析, 第四系覆蓋層下為下古生界地層。嘉熱2井鉆探過(guò)程中, 未鉆遇磁性地層。

 

  大地電場(chǎng)巖性探測在嘉興地區應用, 實(shí)測數據重現性不好, 無(wú)法推測深部熱儲層。

 

  圖6是CS19線(xiàn)CSAMT反演電阻率斷面。斷面內66和100號點(diǎn)附近出現明顯的階梯狀電阻率橫向變化梯度帶, 這兩處梯度帶推測為斷層F52和F1 。

 

  F1 是主干斷裂, 以它為界, 可以將剖面劃分成隆起和凹陷兩個(gè)區塊, 從24號點(diǎn)到F1 處于隆起區, 從F1到150點(diǎn)為凹陷區。從剖面起點(diǎn)到F1 , 電阻率測深曲線(xiàn)為AA型, 即隨著(zhù)深度加大, 電阻率上升。從F1到150號點(diǎn), 電阻率測深曲線(xiàn)為AKH型。已知的ZK311位于79號點(diǎn)附近。

 

  重力測量及電磁測深證實(shí), F4 、F50 、F51 、F52及F1深度超過(guò)3 000 m。這些斷裂既是地下熱水的通道,又與碳酸鹽巖共同形成裂隙巖溶熱礎。地熱2號井就布置在F52號斷裂, 大大增大了出熱水的可能性。

 

  3.2 鉆探驗證

 

  嘉善縣地熱2號探采結合井設計井深2 200 m,終孔深度2161.81 m。終孔后開(kāi)展物探綜合測井,測量井溫、井經(jīng)、井斜、三側向電阻率、自然電位、自然伽馬、密度參數。井深2 155 m處, 井溫達63.5℃ 。綜合測井資料分析, 在孔深1 210 ～ 1 220 m、1 430 ～ 1 460 m、1 505 ～ 1 570 m、1 700 ～ 1 750 m, 有破碎現象, 推測為含水層。

 

  通過(guò)洗井、抽水試驗, 獲得井口水溫40 ℃、涌水量255 m3 /d的地下熱水。經(jīng)國土資源部杭州礦產(chǎn)資源監督檢測中心檢測, 水質(zhì)偏硅酸(30.7 mg/L),富含鍶(1.2 mg/L)、鋰(0.62 mg/L)、硒(0.07 mg/L)等有益于健康的微量元素及化學(xué)組分, 屬氯化物· 重碳酸—鈉型溫泉。

  4 結論

 

  嘉熱2號探采井打出深部熱水, 是嘉興地區深部地熱勘查工作取得初步突破, 對在杭嘉湖地區進(jìn)一步開(kāi)展深部地熱勘查工作樹(shù)立了信心, 明確了方向, 也證實(shí)了嘉興地區存在地熱資源。也為加深認識嘉興地區地熱地質(zhì)條件及下步地熱勘查工作部署, 提供了重要的基礎資料和依據。通過(guò)進(jìn)一步加大地熱勘查力度, 在嘉善惠民地區有望形成地熱田。

 

  通過(guò)鉆探驗證, 可控源音頻大地電磁測深、高精度重力測量、高精度磁法測量、綜合物探測井等物探方法在嘉興地區地熱勘查中發(fā)揮了作用, 大地電場(chǎng)巖性探測應用效果欠佳。在嘉興第四系厚覆蓋區,應用高精度重力測量可有效圈定古生代地層分布范圍。高精度磁法測量能判定火山巖地層及侵入巖體的分布?？煽卦匆纛l大地電磁測深可有效確定斷裂位置, 了解深部熱儲構造的空間展布, 為地熱鉆探孔位布置提供依據。