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1、 VCT大地电磁法在千枚岩地区地热勘探中的应用 朱洪涛1 寇通2甘肃省有色金属地质勘查局张掖矿产勘查院1 郑州地象科技有限公司2摘要:AMT大地电磁法是在地热资源勘探应用较多的地球物理勘探方法,其抗干扰性和适应性较差,尤其是在山区应用成功率低。我们应用VCT大地电磁成像探测仪在已经凿井失败两口井的区域进行地热勘探定井,对千枚岩地区查找断裂构造定地热井取得了一定认识和经验。关键词:大地电磁法,地热勘探,千枚岩,断裂构造日前我们在陇南康县某镇应用VCT大地电磁成像深层探测仪进行了一周的地热勘探定井工作,该区域地下深达5000米以上都属于志留系板岩和千枚岩为主的变质岩地层,赋水性差、岩性复杂。甲方要
2、在此兴建一万平米建筑面积的温泉酒店项目,可是两年多打了两口地热井都不成功。我们应用VCT大地电磁成像探测仪对已经凿井失败的两口井进行了复勘,在甲方希望定井区域进行了地热勘探定井,对千枚岩地区查找断裂构造定地热井取得了一定认识和经验。一、从两口未成井看AMT法山区勘探的局限性该区域已有两口未成地热井,都是使用AMT物探仪勘探定井的,其中一口打了2100米,800米深度固井后之下未见含水层;另一口打到900米因掉钻事故停工。我们在两处都应用VCT探测仪进行了复勘,并对其勘探和钻探施工进行了了解和总结以便借鉴。勘查区为山谷内冲洪积形成的北西向葫芦状地块,长度约800米、最宽处320米,沿西南侧国道有
3、一条10KV的高压线,另外还有一条10KV的高压线自南向北穿过勘查区南部到北侧后沿河转向北西。由于大地电磁测深法技术规程要求勘探时四个电极对称布设的接收电极距为50-300米、离开高压电力线500米以上、离开繁忙的公路200米以上等等,实际上AMT法在勘查区很难进行勘探。为什么两口已打井都不在勘查区内、而分别在勘查区南800米和1500米处,从使用AMT法勘探的两口未成井的物探报告中可知,其基本上都是沿勘查区所在沟谷探测,前后十几公里做了80个左右的探测点,而坐落在勘查区内的探测点只有2个。经过实地勘查和复测,对两口井未能成井的原因总结如下:从勘查区北到南在地质图上显示有三条东西向断裂带,AM
4、T沿沟勘探的目的是要横截东西向的断裂构造;勘查区内虽然没有标明的断裂带,北西向沟谷肯定是因地质构造活动导致断裂而成,但勘查区内高压线影响太大无法横切勘探;其参考地质图上标明的断裂带和地层岩性分层带,加之考察地面两侧岩石构造,推断出断裂带位置后定下井位;从VCT复测剖面图上来看,第一口井在150米和550米上下有2个含水层,800米处固井后就没有含水层了,因故断断续续打了两年、到2100米还未打到含水层就撤了;第二口井在400米处固井后打到600米左右有一层较好的含水层,680米和770米上下也有含水层,因千枚岩属于软弱岩体、吸水性强且发生显著的体积膨,钻进中掉块严重,至900米深度时出现卡钻掉
5、钻事故;其实从VCT成像剖面图上看该井打至1500米左右会遇到一个含水层,因不再断裂构造中心处,出水量会很少。“逢沟必断”的意思是说断裂带都是沿山谷方向而行的,要想探测出断裂构造的大小、深度、含水层及断裂中心位置,就要垂直于断裂走向缩小点间距勘探,形成一个较高分辨率的二维剖面图进行分析。一般由河水冲洪积形成的山谷平地宽度有限(多为一二百米),沿谷会有10或50KV的高压线及380V供电网,山谷内也会建有不少的房屋设施。使用AMT物探仪进行地热勘探一般是通过高值点中间夹有较低值点来判定断裂构造的(高中夹低),而要以50或100米的点间距横截山谷勘探的话,谷内仅有2-3个点的测值肯定是低的,两侧山
6、上测点值肯定是高的,两山夹一沟、沟内有断裂、测值肯定低,关键是要找出断裂构造聚水中心及深层聚水位置。最大的问题是两侧山陡无路不一定测得了,谷内很多地方不能勘探、电磁干扰严重会导致采样数据一致性差,分析结果存在较大的不确定性和多解性,很难确定断裂构造内含水裂隙发育情况、聚水区位置和深度,尤其是靠有限的几个测点来反演加上人为推测得到的结果更加不可靠。在这种情况下由盲目推断定地热井必然会导致凿井效果不佳、成井率低的结果,故AMT法是不适合用于山区地热资源勘探定井的。二、VCT大地电磁成像深层探测仪技术及其应用 VCT大地电磁场成像深层探测仪是由郑州地象科技有限公司研发并具有理论创新的大地电磁物探方法
7、,与MT同属于天然场源的大地电磁法物探仪,但是在理论、架构、应用上完全不同:VCT的有效场源是来自于地球内部的动态电磁场,其向地面辐射的电磁波穿过地壳垂直传播到地表,采集到的是表征不同地层介质对于电磁波的吸收和衰减特性的剩余能量序列值,而且每个频率的测值与地下相应波长深度层的电磁波能量值互为镜像关系。据此,VCT仅采用一个高性能感应式磁感应器(探头)垂直于地表采集地下信息,在水泥地、岩石上、山林、田间、冻土上一个人就可以进行探测;因把探头除底面接收信息之外其余部分全面进行了电磁屏蔽处理,加之通过软硬件对于采集信号的工频及其谐波进行有效的滤波处理,抗干扰能力很强,在离10千伏高压线10米处就能够
8、正常探测。本次在勘查区用于地热资源勘探的是VCT-4000M深层构造探测仪,在一个探测点采集数据的时间只用一分钟、探测深度为4000米,采集地层数据的层间隔:02000米深度内隔5米/层,20003000米深度内隔10米/层,30004000米深度内隔15米/层。因勘查区面积有限,我们全部采用5米的点间距进行探测,共探测了8个剖面、563个探测点;另外在两个已打井区域探测了4个剖面计162点,合计共探测了725点,每个探测点都包含了自地面到地下4000米深度的567个分层信息,全部探测数据约有41.11万个。除了第一个剖面为截取北西向和北东向两个断裂构造是沿勘查区一侧探测了153个点之外,其它
9、都是垂直于北西向主断裂带横穿勘查区探测的。三、VCT成像分析方法及在勘查区应用成果由电磁波传播理论可知,地层介质含水时对于电磁波的吸收衰减性强,在地表测得的剩余能量值就低;而对电磁波吸收衰减性弱的空气、坚硬岩体,在地表测得的剩余能量值就高。VCT探测仪的抗干扰性能好、采样数据一致性好,不受气候、时间、地域的限制,即使是同一剖面分段几次探测的结果接续在一起,显示出来的构造形态、含水裂隙等与一次性探测基本一致。因此,应用VCT探测仪勘探地热判定断裂构造不需要先找高值再看低值,而是直接查看剖面图上有可能是水的低值蓝色块(0-1)分布情况,连续斜下渗透的就是含水裂隙,同层聚集的就是含水层,自上而下有多
10、处含水裂隙V形集聚的点位即可判定为断裂构造中心,呈V形聚合的含水裂隙越宽、越长、越深,说明断裂构造规模越大。因断裂构造和江河冲洪积形成了山谷平地,断裂构造肯定是沿谷走向且在山谷中间,在断裂构造中心的含水裂隙发育好、深度大、聚水层多,在侧面有山沟汇入谷内的地方有可能是两个断裂带的交汇处、地层破碎多、赋水性好。因此,应用VCT探测仪进行地热勘探时一般都是横跨山谷垂直于断裂走向勘探,通过含水裂隙V形集聚判断断裂构造及其中心位置中心,通过多条剖面对比分析选择深层破碎聚水明显、含水层多的位置定井,以确保地热井的出水量和出水温度。按照郑州地象科技有限公司发明的谷歌地球大范围搜索低高程点连线查找隐伏断裂方法
11、,通过标定低高程坐标点连线后可知:勘查区内存在明显的低高程低凹带,应为北西向主隐伏断裂构造带在地表显现的痕迹,在勘查区北东部山谷形成的隐伏断裂正好汇入到勘查区东南部,与北西向主断裂交汇形成异常区块,此处地质构造运动作用会更强烈、构造内岩层破碎会更加严重一些。据此,我们先探测了从勘查区北东侧开始、沿河东侧外环勘查区的1线,基本上横切北西向和北东向两条断裂带,找出了两个断裂带的中心位置。然后在勘查区中间和南侧分别探测了2-6线, 根据6条勘探线路的VCT剖面图分析结果,虽然在每条线路上都可以找出断裂构造的中心位置、连接后看出了断裂带的走向,但是在断裂构造内的含水情况差别较大,故又在2线的北侧并行探
12、测了6线、在3线的南侧并行探测了7线和8线。经过综合分析和反复对比,在断裂构造内破碎赋水较好、V形含水裂隙较为连续的8线确定了地热井位:一是断裂构造明显,含水裂隙从两侧向中间聚集较为连续,虽然层薄但能够形成有效供给通道;二是8线与北侧紧邻的7线和3线在VCT成像剖面图上显示的断裂构造形态和中心位置与预先分析判断的走向较为一致,且与来自东侧的断裂带相交汇,说明此处断裂构造内破碎较好;三是该断裂构造内的含水裂隙连续性及聚水情况较好,在1000-2500米深度范围内存在几层厚度稍大的含水裂隙V形汇聚层,能够保证此处凿井在1000米之下能够有一定的出水量,并且出水温度有保障。四、在千枚岩地层开展地热勘
13、探定井的特点和体会1、山区沟谷内都属于断裂构造控制型地热资源地壳构造运动形成山川河流,经年冲洪积填充裂缝形成山谷平,只要在山区沟谷内都属于断裂构造控制性地热资源,故沟谷内断裂破碎带的发育程度和规模将直接影响地热资源的品质。在沟谷内勘探地热资源定井,首先是要查找有一定规模的断裂构造,只要存在张性的断裂构造,地表水才能通过断裂内发育的裂隙顺利向下渗透,在深层形成含水热储层;其次是要有连通性较好的含水裂隙,确保地表水能够下渗而不被岩层隔开;最重要的一点是要有连续补水通道V形聚集的含水层,只有在较大张性断裂构造内含水裂隙较宽时,才不会被千枚岩体吸附膨胀而堵塞下渗水路导通,深层没有蓄水层的话即使是有地热
14、也没有用。2、千枚岩地层内低测值不一定为含水层地质资料显示在勘查区浅层第四系地层之下总厚度约50006000米均为志留系中上统的白水江群S2-3bs1,其上中下地层都是以千枚岩和板岩为主,之间夹有薄厚不等的硅质条带灰岩、白云质灰岩、硅质岩、粉砂岩。板岩是以泥质和粉砂质成分为主的板状劈理发育的变质岩,结构致密、板理发育、岩石完整,含水裂隙发育不好,属于透水性差的隔水层。千枚岩是由黏土岩、粉砂岩或中酸性凝灰岩等低级区域变质作用的产物,它们吸水性强、且发生显著的体积膨胀,岩体受构造影响较重,节理、裂隙发育,岩质松软、遇水软化,赋水性和渗透性都较差。在VCT成像剖面图上显示不在断裂构造内时低值蓝色块少
15、而散,能够连接在一起明显形成含水裂隙的地方不多,同层聚集形成含水层的更少,类似这种情况有可能是含水裂隙下渗通道不畅,千枚岩层遇水吸附膨胀堵塞裂隙,看似含水低值的位置有可能是泥而不是水,看似含水裂隙但连续性较差的地方出水量也会很少或不会出水。3、千枚岩地层断裂构造内含水裂隙发育较差、深层蓄水有限一般而言,只要存在一定规模的断裂构造,就具有形成地热资源需要的导热导水通道和热储空间两个基本条件。由于勘查区自上而下都属于含水裂隙发育较差的千枚岩和板岩地层,板岩地层完整性较好、不易破碎裂隙少,千枚岩属于软弱地层、易吸水膨胀阻塞裂隙渗水通道。即使是在断裂构造内,如果断裂规模较小、含水裂隙发育不好,渗水通道
16、连接不畅、破碎带含水层蓄水少、深层含水明显不多,成井后的出水量就不会很大。虽然从勘查区8条剖面图上都可以观察到V形含水断裂构造的存在、且一致性很好,但显示构造内赋水性明显较差、深层含水裂隙细小且不够连续,尤其是一千米之下构造中心的聚水层少而薄、补水通道不畅,成井后出水量不会大,对勘查区内开发利用地热资源形成一定的难度和风险性。4、在千枚岩夹层中含水性稍好勘查区域内自上而下均为志留系中上统白水江群S2-3bs1地层,岩性以千枚岩、板岩为主,其中会夹有薄层或厚层的硅质条带灰岩、白云质灰岩、硅质岩、粉砂岩。若是在断裂构造内中深层千枚岩其间夹层介质为孔隙和裂隙发育较好的岩性,蓄水储热条件就相对会好一些
17、。从勘查区8条VCT成像剖面图上都可以观察到,在构造内中深层950米、1250米、1700米和1950米上下段的V形含水裂隙连通性较好、能够形成聚水层,同时在断裂中心两侧杂乱的低值蓝色块明显增多、异于上下地层,说明这些岩层的赋水性有所不同、可能为千枚岩地层中的夹层。这些孔隙或裂隙发育较好的夹层在构造内明显增厚、聚水较多,形成可持续利用的热储层。5、地质图标出与沟谷垂直的断裂带多为赋水性较差的压性断裂 康县地处西秦岭南侧陇南山中,地质构造为昆仑秦岭地槽褶邹地带,全境处于南秦岭加里东褶皱带内,其地层分布主要受东西向构造的控制。勘查区位于位于南秦岭加里东褶皱带,武都弧型构造东部,舟曲-徽县断裂带以南
18、,迭部-武都-略阳断裂带以北,总体构造骨架为复式单斜构造。从地质图上可以看到在勘查区南有一条较大的东西向断裂带,勘查区北侧也有一条东西向断裂带,再向北还有一条更大的东西向断裂带,这几天断裂带的走向与东西向舟曲-徽县断裂带和迭部-武都-略阳断裂带并行,地层分布主要受其控制,但与勘查区所在山谷北西向的走向并非一致。从实地勘查可知,东西向断裂处山沟狭窄断续,应该是东西向构造运动形成的压性断裂带;而勘查区所在北西向山谷应该是构造后期小规模运动形成的张性断裂带。两口未成井都是定在地质图标定的东西向断裂带上,从复测4条线的VCT成像剖面图上来看,东西向没有含水张性断裂构造的迹象,也证实了勘查区所在地区东西
19、向压性断裂不含水的特质。6、板岩千枚岩的透水性较差正好形成隔热盖层使地温梯度增高地球内部就是一个“大火炉”,它与地壳浅层盛满裂隙水 “锅”的距离越近、“火”的热度就越高,“锅”内被加热后的水温自然会高,若是再加上密闭厚实的“锅盖”保温效果就更好。勘查区是否存在地温异常主要取决于高热度岩层与深层地热水距离的远近、构造运动后是否留存地热带、地壳岩层的厚薄等因素而定。断裂构造大小,决定了地表水下渗至多深并形成热水层;地层岩性赋水性好或差,决定了断裂构造内含水层的规模及蓄水量;盖层的密闭性及厚度决定了地热能散发降温的速率。虽然千枚岩地层透水性差、深层聚水量少,向上传导热能量要少于裂隙深大发育地层、导致地温梯度降低;但同时也形成了较厚的隔热盖层以保持地温,使深部地热能不易传导到地表并散发,故勘查区的地温梯度值不会明显低于正常地区的2-30C/100m,成井后出水量有限但出水温度不会低于400C。 参考文献:【1】寇伟 寇通,MT大地电磁法仪与VCT大地电磁成像仪的区别,工程技术,2017.12【2】杨晨等,勉略构造带康县区段磁组构特征及其构造意义,地球物理学进展,2013.2
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