综合物探方法在嘉兴地热勘查中的应用

  嘉兴地处浙江省东北部, 位于长江三角洲南端,临江近海, 北接江苏, 东邻上海, 南濒钱塘江河口和杭州湾, 总面积约4 000 km2 。地表98%区域为第四系覆盖, 对该区基岩地质构造的认识, 大多是根据物探成果和前人零星的钻孔资料。嘉兴地区地热勘查工作始于20世纪90年代初, 区内水温异常点有7处, 突发性地热异常点2处, 冒热水期间, 水温最高达95 ℃。但该区地热勘查工作一直没有突破。

 

  2001年以来, 在杭嘉湖地区新一轮地热勘查中, 浙江省地质调查院通过分析深部地球物理勘查和地热地质条件, 终于在嘉善县大云镇曹家村嘉热2号井,打出井口水温40 ℃, 涌水量255 m3 /d的地热水。

 

  1 地质背景

 

  研究区地处扬子板块的东南缘, 在漫长的地质时期中, 经历了多期的构造作用和复杂的地史演化过程。早古生代早期, 地处扬子台地东南边缘的斜坡及半岛状的台地区, 沉积了近千米厚的泥岩—碳酸盐岩盖层。早古生代晚期形成了巨厚类复理石沉积, 晚古生代记录了稳定的陆表海沉积, 印支运动使上述沉积岩系遭受构造变形, 发生以北东向为主的褶皱、断裂构造。第四纪以来该区地质构造总体呈差异性沉降, 沉积物厚度变化大, 平原区一般在数十米至300 m左右。区内除海宁、胥山有古生界地层零星出露, 其余均为第四系覆盖。根据以往基岩钻孔资料, 第四系覆盖下, 揭露有震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、侏罗系、白垩系、古近系地层。

 

  2 地球物理条件及综合物探方法的布置

 

  2.1 地球物理条件

 

  勘查区为第四系厚覆盖区, 第四系地层密度数据为实测资料, 其余岩石物性资料引用前人浙北山区物探工作成果。

 

  密度特征:第四系黏土、粉砂、砂砾等的平均密度为2 ×103 kg/m3 。古近系、新近系砂岩、泥岩、角砾岩等的平均密度为2.2 ×103 kg/m3 。白垩系安山质凝灰角砾岩等的平均密度为2.5 ×103 kg/m3 。侏罗系上统凝灰熔岩、安山岩类熔岩、火山岩等的平均密度为2.5 ×103 kg/m3 。古生界石英砂岩、灰岩、泥岩、页岩等的平均密度为2.7 ×103 kg/m3 。根据岩石密度数据分析, 区内主要存在三个密度界面:①新生界与中生界地层间密度差为(0.3 ～ 0.4)×103kg/m3 左右;②新生界与古生界地层之间其密度差为(0.4 ～ 0.5)×103 kg/m3 左右, 是研究区内最大密度层界面;③中生界上侏罗统火山岩与古生界之间密度差约为0.15 ×103 kg/m3 。另外, 在古生界内部及古生界地层与元古界地层之间, 其密度差约为0.1 ×103 kg/m3 。

 

  磁性特征:区内新生界中基性火山岩及广泛分布的中生代火山岩类和中酸性、中基性侵入岩是引起区内磁异常的主要因素。火山岩普遍具有磁性, 而且磁性变化较大, 一般有较强的剩磁。中基性火山岩要比酸性火山岩有较强的磁性, 能引起较强磁异常。中基性火山岩及次火山岩能引起强度大、范围小的尖峰异常。中酸性侵入岩磁性有强有弱, 一般会引起几百纳特的航磁异常, 呈规则形状。新近系地层除其中的玄武岩外均为无磁性, 中生界白垩系、侏罗系地层中有火山岩分布, 磁性变化大, 航磁异常杂乱。古生界地层一般不具磁性。

 

  电性特征:①第四系表土平均电阻率为10 ～ 35Ψ· m左右, 其下部淤泥层电阻率较低, 一般为小于10 Ψ· m, 部分地区海积淤泥层电性更低, 电阻率甚至仅为3 Ψ· m左右, 常组成H型曲线的低阻层。

 

  ②新近系平均电阻率较高, 约在30 ～ 50 Ψ· m之间, 古近系电阻率亦与它相近。③白垩系地层平均电阻率约30 ～ 50 Ψ· m左右。在凹陷中由于岩层较厚, 形成HKH型曲线。在凹陷边缘或隆起边部缺失古近系, 白垩系地层直接覆盖在上侏罗统碎屑岩之上, 且厚度较小, 则常与后者组成同一电性层,电阻率为25 ～ 40 Ψ· m, 组成HA和HKH型曲线。

 

  ④上侏罗系黄尖组火山熔岩, 电阻率为n×103 Ψ·m, 由于具有相当大的厚度, 可作为高阻标准层。劳村组电性变化较大, 西部露头测深结果为90 ～ 150Ψ· m。在测深曲线上电阻率反映为30 ～ 50 Ψ· m。

 

  ⑤二叠系龙潭煤系(P2l)地层平均电阻率约为60 ～90 Ψ· m左右, 当第四系覆盖或古近系地层较薄时, 呈接近90 Ψ· m的两层曲线或大于60 Ψ· m的HA型曲线。

 

  下侏罗统及奥陶、志留系砂页岩地层与二叠系龙潭煤系地层电性相似, 均具中等电阻率。除此之外, 古生界地层平均电阻在n×102 ～ n×103 Ψ· m范围内, 为本区高阻标准层。

 

  2.2 综合物探方法的布置

 

  嘉热2号井布孔前, 开展了高精度重力测量、高精度磁法测量、大地电场岩性探测、可控源音频大地电磁测深工作。物探剖面布置见图1。

 

  高精度重力测量主要是提取与基底、断裂、局部构造等相关的地质信息, 反映区域构造, 对勘查区进行定位。布置1∶1 万高精度重力剖面4条, 长度40 km, 点距40m。野外工作采用美国产Lacoste-D型重力仪, 实测精度为±0.04 ×10-5 m/s2 。

 

  高精度磁法测量用于探测火成岩和侵入岩体的存在和分布特征。布置1∶1万高精度磁法剖面4条, 长度20 km, 点距40 m。野外观测采用捷克产PMG高精度磁力仪, 进行总场和梯度观测, 探头间距0.5 m, 实测精度为±1.28 nT。

 

  可控源音频大地电磁测深(CSAMT)能有效探测与地下热水有成因关系的断裂构造位置, 确定隐伏断裂位置, 为地热钻探布孔提供依据。布置1∶1万CSAMT剖面4条, 长度22 km, 点距50 m野外工作使用美国Zonge公司生产的GDP-32多功能电法仪, 实测精度为7.83%。

 

  大地电场岩性探测, 太阳辐射到空间的等离子体流主要成分为质子和电子, 称作太阳风。它连续不断以8 ～ 14个脉冲/s的速率与地球电离层上部磁场相碰撞, 产生0 ～ 2万Hz的电磁脉冲到达地球表面垂直向下穿透地层, 而后又从各地层反射回地面。由于趋肤效应作用, 不同频率的电磁波具有不同的穿透深度, 因此当它反射回地面时将带来不同深度岩石的岩性信息, 岩性探测仪在地面上分别接收来自地下不同深度的岩石岩性信息及储层流体信息, 以此判断地层深部的岩性变化, 推断地下岩性界面、断层、地下热储等。野外按点测量, 布置16个测点, 野外工作采用国产CYT-Ⅳ型大地电场岩性探测仪。

 

  2.3 布孔依据

 

  根据物探勘查成果, 综合地热地质条件分析, 嘉热2井布孔依据有:①应用高精度重力测量成果, 确定古生界地层范围(高密度、重力高)。②根据CSAMT成果及钻孔资料, 确定储盖组合。该区已知ZK311, 孔深660 m, 0 ～ 250 m为第四系散沉积物,250 ～ 660 m是上奥陶统长坞组, 以灰黑色粉砂质泥岩为主的碎屑岩, 具有隔热保温作用。浙江省地层表示出杭州—嘉兴地层小区长坞组地层厚度为800多米, 由此判断, 长坞组是理想的盖层, 其下为寒武系及下奥陶统碳酸盐岩, 是嘉热2号井钻探的目的层———碳酸盐岩热储层。③综合物探成果分析热储通道, 区内F1 断裂, 即大云断裂, 呈北东向展布, 为区域性断裂, 构成桐乡—平湖凹陷的盆缘断裂, 倾向南东, 倾角75°以上。断裂北西侧为嘉兴隆起, 南东侧为平湖凹陷, 断裂深度(>3 km)。F52属次级断裂, 是奥陶系地层内部断裂, 呈北东—南西向展布,倾向南东, 倾角为60°～ 80°, 断裂宽200 m左右。④据高精度磁法测量成果, 推测区内无火山岩和侵入岩体的分布。

 

  3 综合物探成果分析与钻探验证

 

  3.1 综合物探成果分析

 

  嘉善惠民靶区构造上属胥山隆起, 胥山隆起位于嘉善南面胥山—卓家汇一带, 显示重力高, 重力异常等值线呈椭圆形, 长轴呈北东—南西向展布(图2、图3), 区内航磁异常总体为正异常, 惠民地区为宽缓正异常区, 胥山西侧为局部高异常区, 七星乡及钟埭镇东为负异常(图4)。据钻孔资料分析隆起区为古生界地层引起。

 

  嘉善—湖州东西向断裂从靶区北侧通过, 作为热储岩性的震旦系灯影组白云岩、白云质灰岩处于断裂的上盘, 张性裂隙和岩溶发育。该靶区封闭性较好, 热储盖层除第四系覆盖层外, 还有奥陶系长坞组大套泥岩, 高阻层埋深达700 ～ 800 m, 具有一定的地热资源潜力。

 

  高精度重力测量, G15线剖面北起花园滨, 横切惠民隆起, 南到曹家坟, 全长15.8 km。布置该剖面的目的是为了进一步了解惠民隆起的构造背景以及F1 、F4 、F50 、F51 、F52断裂构造的位置及产状。该剖面的布格异常特征是:在该剖面上重力值中间高, 两头低, 北缓南陡, 全剖面呈现中间重力高、两端重力低的构造隆起重力异常特征。重力高异常极大值位于139测点, 最高值达30.302 ×10-5 m /s2 , 浅源异常和垂向导数异常更为明显, 推测由浅层高密度古生界地层引起。测线南端重力值最低, 为13.069 ×10-5 m /s2 。水平导数最大值位于118号测点附近,据此确定F4断裂带在此通过。其北面的水平导数极值点对应38号测点, 为F50断裂的反映。160号、188号、228号测点附近, 水平导数极值点分别对应F51 、F52 、F1 断裂。重力高处为古生界隆起, 两侧以F4 、F1 断层为界, 形成典型的断块重力异常特征。

 

  高精度磁法测量, 从磁测成果来看, 磁测总场和梯度值变化平缓, 说明该区无磁性地质体。结合已知钻孔资料(ZK311、ZK309、ZK310)分析, 第四系覆盖层下为下古生界地层。嘉热2井钻探过程中, 未钻遇磁性地层。

 

  大地电场岩性探测在嘉兴地区应用, 实测数据重现性不好, 无法推测深部热储层。

 

  图6是CS19线CSAMT反演电阻率断面。断面内66和100号点附近出现明显的阶梯状电阻率横向变化梯度带, 这两处梯度带推测为断层F52和F1 。

 

  F1 是主干断裂, 以它为界, 可以将剖面划分成隆起和凹陷两个区块, 从24号点到F1 处于隆起区, 从F1到150点为凹陷区。从剖面起点到F1 , 电阻率测深曲线为AA型, 即随着深度加大, 电阻率上升。从F1到150号点, 电阻率测深曲线为AKH型。已知的ZK311位于79号点附近。

 

  重力测量及电磁测深证实, F4 、F50 、F51 、F52及F1深度超过3 000 m。这些断裂既是地下热水的通道,又与碳酸盐岩共同形成裂隙岩溶热础。地热2号井就布置在F52号断裂, 大大增大了出热水的可能性。

 

  3.2 钻探验证

 

  嘉善县地热2号探采结合井设计井深2 200 m,终孔深度2161.81 m。终孔后开展物探综合测井,测量井温、井经、井斜、三侧向电阻率、自然电位、自然伽马、密度参数。井深2 155 m处, 井温达63.5℃ 。综合测井资料分析, 在孔深1 210 ～ 1 220 m、1 430 ～ 1 460 m、1 505 ～ 1 570 m、1 700 ～ 1 750 m, 有破碎现象, 推测为含水层。

 

  通过洗井、抽水试验, 获得井口水温40 ℃、涌水量255 m3 /d的地下热水。经国土资源部杭州矿产资源监督检测中心检测, 水质偏硅酸(30.7 mg/L),富含锶(1.2 mg/L)、锂(0.62 mg/L)、硒(0.07 mg/L)等有益于健康的微量元素及化学组分, 属氯化物· 重碳酸—钠型温泉。

  4 结论

 

  嘉热2号探采井打出深部热水, 是嘉兴地区深部地热勘查工作取得初步突破, 对在杭嘉湖地区进一步开展深部地热勘查工作树立了信心, 明确了方向, 也证实了嘉兴地区存在地热资源。也为加深认识嘉兴地区地热地质条件及下步地热勘查工作部署, 提供了重要的基础资料和依据。通过进一步加大地热勘查力度, 在嘉善惠民地区有望形成地热田。

 

  通过钻探验证, 可控源音频大地电磁测深、高精度重力测量、高精度磁法测量、综合物探测井等物探方法在嘉兴地区地热勘查中发挥了作用, 大地电场岩性探测应用效果欠佳。在嘉兴第四系厚覆盖区,应用高精度重力测量可有效圈定古生代地层分布范围。高精度磁法测量能判定火山岩地层及侵入岩体的分布。可控源音频大地电磁测深可有效确定断裂位置, 了解深部热储构造的空间展布, 为地热钻探孔位布置提供依据。