多种非震方法在山东齐河地热勘查中的应用

章惠，隋少强，钱烙然，汪新伟

( 1.中石化新星石油公司新能源研究院,北京 100083;2.中石化石油物探技术研究院,江苏 南京 211103;3.中石化石油勘探开发研究院,北京 100083)

0 引言

地热是一种可再生的清洁能源。近年来，为积极响应“打赢蓝天保卫战”的号召，治理京津冀及周边“2+26”城市[1]大气污染，地热资源以其绿色环保的特点，被广泛应用于北方清洁供暖。齐河县属于“2+26”城市的山东德州市，已有钻井表明该区地热资源丰富，以奥陶系灰岩热储层为主，具有埋藏深度适中、水量大、水温较高的特点，揭示了良好的勘探开发前景[2-5]。该区整体勘探程度较低，断裂较为发育，以NE和NW向断裂为主，且地层横向展布变化大，热储埋深差异明显；奥陶系灰岩热储层受断裂裂缝控制作用，非均质性较强[2-8]。因此，在复杂地质条件下如何提高勘探的精度，降低勘探的风险，是灰岩热储勘探面临的重点问题和难点问题。

本次以齐河荣盛温泉小镇地区为例，在充分收集消化吸收前人资料的基础上，坚持地质与物探相结合，拟采取“两步走”的方式：第一步利用电(磁)法勘探查明工作区内的断裂发育情况与分布特征、热储埋藏深度及展布范围，圈定岩溶热储富水区域；第二步通过微动探测方法，对岩溶热储富水区进一步验证，缩小目标靶区，以期为地热钻井提供充分依据，助力齐河地区地热供暖。

1 地质及地球物理特征

1.1 地质特征

1.1.1 构造特征

齐河地区位于鲁西隆起的西北部，受多期构造运动影响，呈现为NW倾斜的单斜构造。整体断裂裂缝发育，隐伏断裂较多，有NNE—NE向的庙廊—焦斌屯断裂、NW向的桑梓店断裂和蛮子营断裂(图1)。区域地质资料显示，庙廊—焦斌屯断裂由多条次级正断层组成，穿过研究区，倾向NW，倾角40°～70°，切割深度大，断层两侧奥陶系顶面垂直断距可达1 000 m；桑梓店断裂位于研究区北部，倾向SW，断距约100～200 m；蛮子营断裂位于研究区南部，倾向NE，倾角75°～80°，断距约200 m[2-4]。区内断裂构造对地下热水的运移和分布起着重要作用，是主要的控热控水断裂：一方面断裂有利于地球深部热源向上传导，另一方面断裂切割深部奥陶系灰岩，使灰岩地层破碎、岩溶发育，富水性好。

1.1.2 地层特征

结合已知钻井和区域地质研究，齐河地区地层由新到老有第四系、新近系、侏罗系、二叠系、石炭系、奥陶系、寒武系和新太古代泰山岩群[2-4]。从基岩地质图可以看出，地层整体由SE往NW方向埋深逐渐增加，其中侏罗系地层受庙廊—焦斌屯断裂控制，主要分布在断裂下降盘(图1)。奥陶系灰岩为研究区热储层，埋藏深度在庙廊—焦斌屯断裂下降盘达2 000 m以深。

图1 齐河地区构造地质简图Fig.1 A brief map of tectonic geology in Qihe area

1.2 地球物理特征

通过收集本区及周边地区的岩矿石标本物性参数，了解了地层的电性特征和波速特征。从表1可以看出，工作区内地层大致可划分为3个电性层和3个波速层，第1层为第四系—新近系的低阻层和低速层；第2层为侏罗系—二叠系—石炭系的中阻地层和中速层；第3层为奥陶系—寒武系的高阻层和高速层。但当有断裂存在时，地层较为破碎且充水，使得电阻率值降低，相对围岩而言，具有明显的低阻异常和低速异常，且等值线表现为梯级变化特征。不同的岩性地层具有明显的电性和速度差异，为地球物理勘探奠定了良好基础。

表1 研究区地层物性参数

2 工作方法及测线布置

为避免单一的地球物理方法在复杂地质条件下应用的局限性，拟采用“两步走”的方式开展地热勘探工作。第一步以可控源音频大地电磁测深方法为主，配合少量的大地电磁测深和视电阻率垂向电测深法查明区内地质构造特征，明确热储分布范围。第二步利用微动探测方法进一步落实富水区域，为井位布设提供充足依据。

2.1 电(磁)法勘探方法

可控源大地电磁测深方法(CSAMT)是利用人工发射的电磁场作为场源，探测地下不同深度的电性特征，具有抗干扰能力强、工作效率高的优势[9-11]。研究区奥陶系灰岩埋藏深度达2 000 m以深，拟设定频点9 600～0.125 Hz，收发距10 km左右，采用标量CSAMT方式进行观测。该方法测线布置如图1所示，布设两条EW向(L20、L22)、两条SN向(L10、L11)井字型剖面，目的为大致控制勘查区内断裂带发育情况，圈定异常靶区。在剖面L10北段西部布设平行剖面L9；在剖面L20、L22中部布设平行剖面L21，控制推断断裂延伸及发育情况。

大地电磁测深方法(MT)是以天然电磁场为场源的频率域电磁勘探方法，探测深度几公里至数百公里，但在城区内信号易受干扰，难以取得好资料[12-13]。故本次以MT方法为辅对CSAMT探测深度有限的问题进行弥补，以期达到了解勘查区深部地层变化情况的目标。测线布置如图1，在SN向剖面L10西侧布置1条MT剖面，点距100 m，长度约2 km。

视电阻率垂向电测深法基于人工电流场，通过改变供电电极AB的距离来观测同一测点在地下不同深度的电性特征。该方法对曲线类型识别准确，可较好的用于地层划分，但对于埋深大的地区，野外施工相对不灵活[14]。因此仅利用该方法对可控源音频大地电磁测深方法探测结果进行验证。测线布置如图1，在L20线中部布设视电阻率垂向测深剖面1条，长度约1.5 km，最大AB/2=3.m，AB/MN=5。

2.2 微动探测方法

微动探测是以大自然微弱的振动为场源，从微弱的信号中提取面波的频散曲线，通过对频散曲线反演获取地下速度结构信息的地球物理探测方法[15]。该方法利用地层波速差异实现对地层结构的了解、具有相对较高的精度。根据地质目标，野外施工测量采用等间距台阵布设方式，每个台阵由4重圆、13个数据采集点组成，其中4重圆半径分别为r=200 m，2r=400 m，3r=600 m，4r=800 m，满足探测深度3 000 m的要求。为进一步了解研究区热储埋深和断裂构造分布情况，为地热勘探钻孔定位提供详实的依据，对重点区域布设2条NW向线DWD1、DWD2(图1)。

3 物探成果综合解释

3.1 电(磁)法勘探成果解释

对采集的现场数据进行预处理和反演并绘制成图，其中MT数据主要用于对CSAMT深部信息进行校正，视电阻率垂直电测深用于验证CSAMT剖面解释的合理性[16-17]。基于CSAMT剖面和平面图开展地层、断裂解释，并结合地质认识推断隐伏断裂展布规律和奥陶系顶面埋深及地热异常特征。

以L11和L20两条剖面为例(图2)，本区电阻率剖面纵向上具有低—中—高三分电性特征，横向上近水平展布略有起伏变化。第一层是低阻层，厚度较稳定，约800～1 000 m，推断为第四系—新近系的黏土、砂岩反应，其中浅地表相对高阻为地表建筑物堆积引起的。第二层为中阻层，横向厚度变化较大，L11剖面以点号1 800为界、L20剖面以点号2 300为界—中阻层北深南浅、西深东浅，反应北部、西部地层埋藏深，厚度较大，结合地质资料和已知钻孔信息推断为侏罗系—二叠系—石炭系地层，奥陶系顶埋深2 000 m以深；南部、东部地层埋藏浅，厚度相对薄，推断为二叠系—石炭系地层，奥陶系顶埋深1 800 m以浅。第三层为高阻层，电阻率基本在200 Ω·m以上，结合已知地质资料分析认为是奥陶系—寒武系灰岩的反应。根据断裂发育处会引起电阻率等值线波动或梯级变化的原则，认为L11剖面由南往北发育F22、F11、F12三条断裂，L20剖面由西往东发育F13、F21、F12、F11、F22五条断裂。图3为视电阻率垂直电测深剖面，该剖面布设于L20线1 600～3 100 点附近。通过分析视电阻等值线在不同极距下的电性变化，结合地球物理特征，对剖面进行了地层和断裂解释。综合图2和图3可以看出，两种方法在识别断裂带发育位置、地层变化情况时具有较好的一致性，表明CSAMT剖面解释的准确性和可靠性，起到了良好的对比验证效果。

图2 CSAMT方法L11线(左)、L20线(右)反演电阻率剖面及解释图Fig.2 Inversion of resistivity profile and interpretation of CSAMT data for L11(left), L20(right)

图3 垂直电测深电阻率等值线断面图及解释图Fig.3 Apparent resistivity section diagram and interpretation of vertical eectrical sounding data

基于对反演电阻率剖面地层和断裂的解释，结合不同深度的视电阻率值水平切片综合判断断裂分布规律、奥陶系顶面埋深及地热异常特征(图4)。研究区主要发育NE向F11、F12、F13、F14断裂和NW向F21、F22断裂。各平面图由浅及深电阻率值呈现由低到高的变化趋势，平面上以F12断裂为界线，电阻率整体表现为西低东高，F12西部热储盖层为第四系—新近系、石炭—二叠—侏罗系沉积地层，F12东部热储盖层为第四系—新近系、石炭—二叠系沉积地层，与已知井ZK311、齐热1、国科1资料对应较好。平面图显示在F12附近及其东部区域，电阻率值相对较高，存在局部的低阻异常，认为该区域地层岩性破碎，裂隙发育，易形成富水区，是地热勘探重点区域；西部地层中存在明显的近SN向低阻异常带，该异常带南窄北宽，是F13、F14、F21、F22断裂的综合作用，为典型的断裂破碎带及影响带特征，推断该异常区域内，基岩破碎，断裂构造发育，奥陶系顶埋深局部大于2 600 m。利用电磁方法对剖面上和平面上的电阻异常特征进行描述，圈定了高阻层中相对低阻异常带，实现了富水区域初步预测。

图4 CSAMT方法反演电阻率切片图及解释图Fig.4 Inversion of resistivity slice diagram and interpretation of CSAMT data

3.2 微动探测成果解释

地微动剖面为进一步落实奥陶系灰岩地层内断裂发育特征，确定F11、F12断裂的产状和空间展布、研究区热储分布范围奠定了良好的基础。DWD1剖面显示(图5)，本区横波速度剖面具有低—中—高三分的特征，其中第四系与新近系地层变化较平缓，为低速层；中部的侏罗系—石炭系—二叠系地层受断裂F11和F12控制厚度变化大，主要为砂泥岩夹煤层和薄层灰岩沉积，表现为中速层。下部速度达到2 000 m·s-1以上，地球物理特征显示为奥陶系灰岩沉积，顶面埋深约1 800～2 500 m之间。依据速度等值线推断F11、F12两条断裂，该断裂带相对位置及产状与CSAMT剖面中F11、F12断裂对应良好。

图5 微动探测DWD1线反演横波速度剖面及解释图Fig.5 Inversion of cross-wave velocity profile and interpretation of microtremor detection data

3.3 综合成果解释分析

研究区热储为奥陶系灰岩，通过多种非震方法剖面和平面相结合，相互佐证，对奥陶系顶埋深进行了绘制(图6)。奥陶系顶埋深以F12断裂为界，在断裂西边奥陶系顶面2 000 m以深为主，东边整体埋藏约2 000 m以浅。结合地质资料，推断F11、F12断裂属于庙廊—焦斌屯断裂影响带内，其中F12断裂断距大，为主断裂，F11为次级断裂构造；F21为蛮子营断裂的次级构造，F22为桑梓店断裂的次级构造。

热储灰岩发育区域受断裂构造控制明显，在断裂附近或多组断裂交汇的部位，地层较为破碎，岩溶作用发育，热储含水性好[6]。依据综合物探勘查的结果，将研究区地热资源进行了分类：奥陶系热储顶埋藏约1 500 m以浅，岩溶作用发育，富水性较好，是I类地热勘探有利区；奥陶系热储顶埋深1 500～2 000 m之间，断裂较为发育，地层破碎，富水性好，是II类地热勘探有利区；奥陶系顶热储埋深2 000 m以深，岩溶作用较弱，富水性一般，是III类地热勘探有利区(图6)。建议在I类有利区内布设井位jy1。经实际钻探验证，该井为奥陶系灰岩热储，井口水温50℃，水量230 m3·h-1，与物探推断结果基本吻合，表明所选用的非震方法具有较好的应用效果。

图6 研究区综合物探解释成果平面图Fig.6 Comprehensive geophysical interpretation results in the study area

4 结论

基于研究区地质特征，采取“两步走”的方式，电磁方法与地微动方法相结合，查明了研究区断裂发育情况与分布特征、热储埋藏深度及展布范围、有利地热勘探区域，取得了以下几点认识：

1)物探先行，地质指路，物探工作须建立在区域地质认识的基础之上。根据工区地质特征，选择高效经济的地球物理组合方法开展地热勘探相关工作，可以达到事半功倍的效果。

2)以可控源大地电磁方法为主，辅以大地电磁方法和垂直电测深方法可以较好的应用于城区地下地质研究，多种方法相互佐证，避免了单一方法的局限性和片面性。

3)在地热勘查中配合使用地微动探测方法，有效地验证了电磁勘探方法的合理性，提高了解释的精度。为今后复杂地质区的地热勘探工作提供了有价值的参考。