地氣簡易測量方法在地熱勘查中的應(yīng)用可行性分析

程崎峰

(浙江煤炭地質(zhì)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(fā),地氣測量方法的選擇對于地熱勘查結(jié)果有著非常重要的影響。該文結(jié)合具體實例,就地氣簡易測量方法在地熱勘查中的應(yīng)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(tǒng)采用國家2000 坐標系。共布設(shè)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(shè)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(xiàn)場施工環(huán)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(zhì)差異為解釋依據(jù),當?shù)貙优c構(gòu)造含水時,由于地下水的流動性及電離作用,電阻率呈現(xiàn)低阻特征。斷層及破碎帶等地質(zhì)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(chǎn)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(xiàn)明顯差異,因此分析對比電阻率參數(shù),區(qū)分物性差異,尋找低阻異常區(qū)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(gòu)造作用及其地質(zhì)過程而具有明顯特征,其異常特征包括巖石在經(jīng)受外力作用,尤其是因巖石破碎后出現(xiàn)的磁性降低引起的負異常;因深斷裂內(nèi)伴有巖漿活動或熱液侵入帶來的磁場增強所表現(xiàn)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(zhì)構(gòu)造的連續(xù)性,使與構(gòu)造有關(guān)的磁場形態(tài)出現(xiàn)不連續(xù)變化,從而表現(xiàn)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(jié)晶交代等過程中會形成以納米級至亞微米級類氣體形態(tài)存在的礦石顆粒,地下熱源產(chǎn)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(qū)內(nèi)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(tài)與斷裂帶的產(chǎn)狀與范圍等特征對應(yīng),在勘查區(qū)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(nèi)對收集液樣采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀、電感耦合等離子體發(fā)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(xiàn)了視電阻率值高度不連續(xù)的現(xiàn)象,視電阻率等值線存在明顯的低阻凹陷,地層出現(xiàn)明顯錯斷,推斷此處有陡立的斷裂經(jīng)過,命名為F1、F2、F3。結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料分析,L1、L2、L3、L4線2 200 m 深部為寒武系灰?guī)r地層,皆顯示存在較低阻異常,推斷該異常與巖溶裂隙發(fā)育和斷裂構(gòu)造相關(guān),富水性較好,具有一定深度和規(guī)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(fā)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(tài)相似,主要以奧陶系寧國組泥巖,寒武系灰?guī)r、泥巖為主,電阻率相對較低,高阻區(qū)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(fā)育,導水性增大,與斷面圖對應(yīng)關(guān)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(shù)量為100 個,經(jīng)過探測熱水指數(shù)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(qū)構(gòu)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(gòu)造破碎帶走向北東向,熱水指數(shù)顯示為低異常,結(jié)合地質(zhì)資料,可以推測是由于斷裂封閉性原因?qū)е碌?此處所穿插地層以泥質(zhì)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(fā)生成巖作用,被壓實成致密而連續(xù)的巖體,導致孔滲結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(qū)域具有明顯指數(shù)高異常,構(gòu)造帶通過,巖層破碎疏松,空隙發(fā)育,透水性和含水性較強,構(gòu)成良好儲水空間,指數(shù)變化的不連續(xù)可能為地層巖性、圍巖擠壓、斷層塑性、充填膠結(jié)、巖體侵入等原因的影響。推測圖中主要構(gòu)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(cè),東南側(cè)為淺層地熱。

2.4 對比分析

地氣解譯圖中主要構(gòu)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(yīng)。但地氣解譯圖中對于熱儲的解釋僅以主要構(gòu)造破碎帶為依據(jù),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(cè)高指數(shù)異常區(qū)域是F2、F3斷裂帶影響的結(jié)果,東南側(cè)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(jié)語

(1) 此地氣簡易測量方法對地熱資源的識別僅為對構(gòu)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(gòu)造帶在解譯圖像上只顯示其平面分布,無法得知其空間產(chǎn)狀、延伸范圍等特征,對熱儲深淺也難以區(qū)分。

(2) 由于采集設(shè)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(guī)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(gòu)造帶與熱儲關(guān)系上過于局限。

(3) 地氣解譯圖中出現(xiàn)的部分低異常顯示可能并非地層或構(gòu)造本身的影響,而是由于技術(shù)操作、設(shè)備氣密性、液體保存等出現(xiàn)問題,導致樣品失效,數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)依據(jù),但由于本次地氣采集所涉及的樣本數(shù)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(yīng)用能力還需進一步的實驗加以論證。