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广域电磁法在长平盆地白垩系地层地热资源评价中应用

2024-08-02 86 上传者：管理员

摘要：对工作范围区处于长平盆地下白垩系地层，首次利用广域电磁法探测中深部3km范围内地层结构及构造发育情况，初步评价范围区内地热资源。主要成果为：①盖层为白垩系上统戴家坪中段泥质砂岩，埋深-210～-300m；下段为巨厚层块状花岗质砾岩，埋深-800～-1050m。白垩系下统神皇山组上段，埋深-1200～-1420m。②储热层为白垩系下统神皇山组下段，含灰质砾岩，钙泥质胶结，埋深-1550～-1700m。沉积盆地底部为冷家溪群板岩，埋深-1800～-2030m以下。③重新确定F10、F12两断层平面位置。④本区具有较好地热盖层，白垩系整套地层为红色碎屑岩，含水性差，厚度大，地热资源具有较好保存条件，具有地热开发潜力。

关键词：
地热勘查
地热资源
广域电磁法
断层
热储层
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长沙市(地区)地处长平盆地，初次探索地热资源的潜力，对城市发展具有举足轻重的作用。湖南省具有发展地热能资源的优势和基础[1]，14个地州市城市规划区内，中深层地热能资源年可利用量约35.27万t标煤，但湖南省目前实际利用量还很小，主要原因是对地热资源还没有进行全面地热勘查，未进行过系统化基础性工作。使后续各环节施工与投资风险加大，社会资本或企业持观望态度。为促进城市发展需要，加大对地热资源调查，本文首次对湖南省长平盆地下白垩地层及构造使用广域电磁法探测，探索城市发展盆地环境条件下小范围地热资源状况。

1、区域基础条件

工作区位于长沙市长沙县黄花镇，交通网络发达，地处亚热带季风湿润气候区，四季分明。所在地属嘉义—柏家山新华夏系，主要受黄花向斜影响，伴随麻沿压扭性断层、西蒌塘张性断层作用，地层整体倾向北西，由白垩系上统戴家坪组和神皇山组、冷家溪群泥质砂岩、砾岩和板岩组成。工作区区域构造条件如图1所示。

图1工作区区域构造条件

2、工作原理及数据采集

2.1工作原理

广域电磁法是通过人工接地场源建立谐变电磁场，向地下发送不同频率的交变电流，在广大的、不局限于传统“远区”区域内，观测一个或多个电磁场分量，计算广域视电阻率，达到探测不同埋深地质目标体的一种频率域电磁测深方法[2-3]。

假设地球是均匀大地，采用水平接地电偶极源作为场源时，沿着场源方向电场Ex和垂直场源方向磁场Hy严格表达式如式(1)～式(2)所示。

式中：I为电流；dL为发射源长度；i为纯虚数；r为收发距；φ为r与发射源的夹角；ρ为大地电阻率；；μ为导磁率；I0、I1和K0、K1分别为以ikr/2为变量的0阶、1阶和第一类、第二类修正贝塞尔函数。

广域电磁法从严格的电磁波方程出发，不做简化，首次将电流—频率—位置—大地电阻率—磁导率等全部信息考虑在内，采用迭代方法计算得到视电阻率参数，实现了全息电磁勘探。工作方法示意图如图2所示。

图2广域电磁法野外工作方法示意图

2.2工作布置

考虑长平盆地下沉积盆地南部盖层相对较厚，在工作区南侧布置2条平行测线，测线方向沿北东向布设，同时控制北北东向及北西向断裂，场源平行测线布置，收发距9 km，设计测线长度6 km，设计测线方位角56.2°，线距约1.5 km，测点距100 m。采用广域电磁法E-Ex装置，2台观测仪器同时观测，测点122点，测线长度12.45 km。

实际工作因场内道路与建筑物影响，部分测点垂直测线方向偏移，其中L2线3000点位置经过公路(车流量密集)丢点，L2线测点4400经过湖泊丢点；L1线测点3600～4500点经过工厂，该段整站平行偏离240 m，如图3所示。

图3测线布置工作示意图

2.3数据采集及质量控制

2.3.1数据采集

采用广域电磁法的E-Ex装置，以一对接地电极形成的电流源作为场源，测量电场的水平分量与供电电极方向平行的Ex分量。在保证实验数据可靠性前提下，先进行室内一致性测试和仪器室外一致性检测、场源信号强度试验，优化在强干扰背景下的数据采集采参数。

通过场源和数据采集观测装置设定，采用测量的频率共计9个频组61个频点，频率范围8 192 Hz～1/64 Hz，测得各个频率及数据间隔时间，见表1所列。

表1广域电磁法数据采集频组

2.3.2质量控制

前期准备工作中，GPS测量共计134点(包含场源测量)，设置检查点43个，质检率为32.09%，平均平面坐标误差±0.34 m，平均高程误差±0.36 m。

数据采集的工作偶极源AB均平行于测线方向布设，控制观测角度，方位误差小于1°，数据采集前，过程避开各种干扰源，对每个测量极进行接地电阻测量检查。本次采集单点数据一级点115个，二级点7个，三级点0个，一级点百分比占94.26%，二级点百分比占5.74%。

设置8个质量检查观测点，通过进行均方误差统计，控制质量数据。布设在断裂构造异常段，质检段为L1线2800～3300点、4000～4100点，质量检查点占总工作量6.56%。采取相同点位、不同仪器、不同时间、不同操作者进行检查，观测质量总均方相对误差为±4.14%，并进行相关数据对比，如图4所示。

图4 L1线原始数据与质检数据对比曲线

3、成果解译

3.1岩性分层

电阻率特征整体呈层状分布，如图5～图6所示，通过地质条件及物性参数综合分析，确定电性层与地层对应关系。白垩系上统戴家坪组中段(K2d2)，以泥质砂岩为主，埋深-210～-300 m，视倾角为3.5°；白垩系上统戴家坪组下段(K2d1)，以花岗质砾岩为主，埋深-800～-1 050 m，视倾角7.6°；白垩系下统神皇山组上段(K1s2)，以钙质细砂岩为主，厚度分布变化较大，L1线埋深-950～-1 200 m；L2线埋深-1 220～-1 420 m，视倾角7.6°；白垩系下统神皇山组下段(K1s1)，以砾岩为主，L1线测点5400左段埋深-1 280～-1 450 m，右段埋深-1 500～-1 550 m，L2线测点4800左段埋深-1 520～-1 570 m，右段埋深-1 600～-1 700 m，测线垂直视倾角7.6°；冷家溪群(Ptln)以板岩为主，L1线测点5600左段埋深-1 630～-1 800 m，右段埋深-1 780～-1 900 m，其下电阻率急剧升高后变平缓，等值线较连续，呈圈闭、半圈闭状，但在水平方向有延续趋势；L2线测点5000左段埋深-1 850～-1 950 m，右段埋深-2 010～-2 030 m，整套地层均倾向北西。

图5 L1线电磁法解译成果

图6 L2线电磁法解译成果

3.2隐伏断层

隐伏断层F10(麻沿压扭性断层)：L1线测点3300～4100之间、L2线测点4200～5400之间出现宽而急双梯级异常，等值线局部下凹，与区域地质图上所标识断层相吻合，该位置附近有北西向断层F12和北东向断层F10，且F10被F12错断约750 m。浅部整体电阻率较低，异常不明显，但存在等值线错断、扭曲现象，推断L1线异常为F10逆断层，挤压破碎引起，断层倾向南东，视倾角80°；L2线异常为F12与F10北段两断层破碎带交汇引起，产状倾角较陡，受物探水平分辨能力影响，断层破碎带难以在剖面上区分。

隐伏断层F12(西蒌塘张性断层)：L1线测点5000～6300之间、L2线测点4200～5400之间呈现较宽而急梯级异常，等值线局部下凹；浅部整体电阻率较低，断层异常不明显，但沿断层依稀存在等值线错断、扭曲现象。推断F12为正断层，倾向北东，视倾角70°，垂直断距约100 m。

根据以上分析成果，将断层与地面相交位置投影在平面上，并重新确定F10、F12两断层平面位置。F10断层走向北北东向，被F12断层错断，倾向103°，换算倾角约84°，破碎带范围150～220 m，断层向下切割深度大于3 000 m。F12断层北西走向，倾向36°，倾角71°，破碎带范围170～250 m。一般深部低阻异常为断层破碎带引起，低阻异常投影在地面形成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区，如图7所示。

图7物探点位及推测断裂构造平面位置图

4、地热资源评价

4.1储热地层

盖层由两部分组成：①第一部分为白垩系上统戴家坪中段(K2d2)厚层状白垩系紫红色粉砂质泥岩、钙泥质砂岩，埋深-210～-300 m；下段(K2d1)为巨厚层块状花岗质砾岩，埋深-800～-1 050 m。②第二部分为白垩系下统神皇山组上段(K1s2)上部紫红色中—厚层状钙质细砂岩夹粉砂质泥岩，下部紫红色厚—巨厚层状砾岩与紫红色中—厚层状钙质细砂岩、钙质粉砂岩互层，埋深-1 200～-1 420 m。盖层厚度较大，富水性差，为下储热层提供良好盖层条件。

储热层为白垩系下统神皇山组下段(K1s1)，由一套巨厚—厚层状含灰质砾岩，钙泥质胶结而成，埋深-1 550～-1 700 m。砾石成份以板岩为主，灰岩砾次之，约占20%～25%，钙泥质胶结，在断裂构造活动影响下，岩石破碎，灰岩角粒加速溶蚀，可在破碎带形成储水空间，在成果图上表现为较明显低阻区异常。沉积盆地底部为冷家溪群板岩，埋深-1 800～-2 030 m以下，在盆地形成之前，长期处于风化剥蚀状态，形成古风化层，厚度受古地貌控制。白垩系下统神皇山组下段含灰质砾岩及冷家溪群板岩古风化层在有利区域可能含水，形成本区的储热地层。

4.2构造影响

麻沿压扭性断层(F10)：延伸方向变化较大，呈现反复弯曲的弧形，以北北东或北略偏东的方向为主，整体倾向南东103°，倾角约84°，破碎带宽度150～220 m，垂直最大断距约90 m，断层向下切割深度大于3 000 m，为压扭性断裂，导水性相对较差。

西蒌塘张性断层(F12)：倾向36°，倾角71°，断层向下切割深度大于3 000 m，为张性断裂，破碎带宽度170～250 m。此断层属新华夏系构造，具有多期活动特点，后期活动错开了F10断层，切割了第三系地层。由于此断层在水平方向延伸长度不长，仅11 km，断层整体位于红层盆地中，盆地上部泥岩风化后对断层裂隙充填，断层整体导水性不强。

4.3地热资源潜力

根据省内已发现温泉，热源主要来自深大断裂导热，大部分沿活动性断裂呈串珠状分布，喜马拉雅晚期以来活动的新华夏构造体系，严格地控制了温泉和地下热水异常区分布。燕山晚期以后构造岩浆活动的余热，在地质条件有利情况下，也可能有形成地热高异常潜力，地热梯度和放射元素衰减放热处于从属地位。本次工作范围由于不在省内深大导热断裂影响范围内，3 000 m范围内未发现岩浆岩，也未发现地下热水。

但本工作区盖层厚度大，厚度约1 700 m，白垩系整套地层为红色碎屑岩，含(透)水性差，为下部储热层的地热能提供良好保存条件。白垩系下统底部含灰质砾岩，灰质含量约20%，在断裂破碎带影响范围内可能局部含水，但断层导水性不强，水量贫乏；冷家溪群板岩古风化层风化裂隙中可能含水，具有一定的地热开发条件。北东向断裂与北西向断裂交汇区域为新华夏系构造，推测断层埋深约1 660～2 490 m处交汇，断层活动形成热源可能部分保存，主要为地温梯度增温及断裂活动引起的机械能增热，属层控热传导型地热类型。

5、结语

本次采用广域电磁法在长平盆地开展探测工作，是一次很好的尝试和突破，观测数据准确，通过物探电阻率等值线剖面图，较好地反映了工作区的地电特征。通过低阻畸变反应了断裂构造在剖面上的形态及位置。依据成果以及相关地质条件进行综合解译，对工作区中深部地热资源进行评价，进一步为后续地热井靶区选择及施钻提供了技术支撑。

但本次工作仅布置2条物探测线，对断层及地层产状控制不够，受地质体产状变化及物探解译精度影响，对某个具体位置下地层结构及断层深度预测可能存在较大误差，还需要其他探测手段综合配合后精确解译。

参考文献:

[1]湖南省发展和改革委员会.湖南省“十三五”地热能开发利用规划[Z].长沙:湖南省发展和改革委员会,2016.

[2]中华人民共和国自然资源部.广域电磁法技术规程:DB43/T 1460—2018[S].长沙:湖南省质量技术监督局.2018.

[3]何继善,李帝铨.深地探测尖兵——广域电磁法[J].国土资源科普与文化,2019(3):4-9.

文章来源:韦启珍,屈利军.广域电磁法在长平盆地白垩系地层地热资源评价中应用[J].电力勘测设计,2024,(07):52-57.