2) 中国北京 100083 中国地质大学(北京)
2) China University of Geosciences Beijing, Beijing 100083, China
随着全球对环境保护和可持续发展的关注不断增加,绿色能源的重要性日益凸显。地热能作为一种清洁、可再生的能源形式,在实现能源供应多元化、减少温室气体排放和应对气候变化等方面具有重要作用。目前,大地电磁测深已广泛应用于岩石圈电性结构和地球动力学研究,油气、地热、矿产等能源资源勘探,铁路、水利隧道勘察等工程物探勘察(张赛珍等,1994;魏文博,2002;赵国泽等,2007)。随着国民经济的发展,城市周边人文干扰越来越严重,可控源音频大地电磁测深法(CSAMT)抗干扰能力强,适用于干扰区域地下介质的探测和成像,是一种有效的地热田勘查物探方法,逐渐引起研究者的关注,其效果已被各类地热田勘查所证实(Singh et al,1983;Flóvenz et al,1985)。
承德市位于华北平原的边缘地带,地热资源丰富,尤其是承德机场临空区,作为一个新兴的地热资源开发区域,具有较大开发潜力,结合可控源音频大地电磁测深法,对承德机场临空区地热资源进行深入研究,具有重要的实践和理论意义。
1 地质与地球物理背景研究区地处华北地台北缘,燕山台褶带与内蒙地轴交接地带,其在地质构造上属于中朝准地台承德拱断束的滦平凹断束,其北邻大庙穹断束。工作区以北有近EW向大庙—娘娘庙深断裂通过,相距工区约2.8 km。
1.1 地层承德机场临空区内出露地层按岩性组合从新至老依次为:新生界第四系、中生界侏罗系髫髻山组和后城组、新太古界。
侏罗系髫髻山组(Tj2):出露于张营—头沟盆地,底部为沉积砂砾岩,中上部为火山角砾岩、集块岩和安山岩。与上覆后城组地层呈假整合接触。髫髻山组安山岩、凝灰岩夹砂岩、砾岩的厚度约3 516 m。侏罗系后城组(Hj2):主要为一套河流相沉积地层,上部以紫红、砖红色砾岩、砂砾岩夹砂岩及凝灰质砂岩为主;中部为紫红、砖红色砂砾岩、砂岩、砂质页岩夹少量流纹岩、斑流岩及安山岩;下部是紫红、暗灰紫色砾岩、凝灰质砾岩。与上覆张家口组地层呈假整合接触。前人推测该组砾岩、砂岩、页岩夹火山角砾岩、集块岩和安山岩的厚度约3 813 m(赵向奎,2016)。
新太古界陈营子变质表壳岩组合(Cms):以细粒角闪斜长片麻岩为主,其次为斜长角闪岩、石榴变粒岩、大理岩等(图 1)。
本区所处河北省北部地区,区域构造以EW向深断裂为骨架,叠加燕山期NE向为主的断裂构造。燕山期断裂构造走向呈NE、NW向,NE向断裂较发育,控制了中生代地层的分布产出,NW向构造次之,切割EW向深断裂生成诸多大小不等的地块,构成隆起与凹陷相间排列的格局,在凹陷中沉积中生代地层(赵向奎,2016)。
本区大地构造处在冀北纬向构造带影响范围内,加之受到中国东部新华夏系构造的影响,主压应力基本呈北(略偏西)—南(略偏东)方向,于是在此应力场中产生西(略偏南)—东(略偏北)方向的纬向压性深断裂,及与之配套的是近NS向张性裂隙和NW向(张剪性反扭)及NE向(压剪性顺扭)剪切裂隙。
根据区域受力方法初步判断区内应存在NE向隐伏断裂,该类断裂与本区地热地质条件密切相关,是本次勘查的主要目标。
通过承德机场临空区周围的卫星影像图(图 2),在下河口村—郭杖子村—张营村的沟路往北约2 km,存在一条明显的断崖影像,走向呈NW300°,见图 2中粗红线。在其南约250 m存在一小断崖影像,见图 2中细红线。在下河口村—郭杖子村南约400 m处也有一条不甚明显的小断崖影像,见图 2中细红虚线。另外,在工作区内大致可以解释6条NE向线性影像,有可能是断裂裂隙控制下的地表侵蚀结果,在图 2中用细红虚线示出。
地热资源形成的条件主要是热储层、盖层、热源和热流体通道及补给。工区地表为较薄的第四系,岩性以冲洪积砂、砾石为主,下部为侏罗系及岩浆岩,岩性主要为流纹岩、凝灰岩、砂砾岩等,该类岩石热导率高,保温性能较差保温性能较差,显示本区缺少良好的保温层,但此类岩性坚硬性脆,受断裂构造影响易产生节理裂隙或破碎带,利于地下水的径流、深循环和储存(王茜等,2016),盖层内断裂裂隙兼有热流体运移通道条件(盛龙等,2014)。
该区地势属于山间丘陵地区,为地下水补给区,地下水径流条件好,并处在较大规模断裂构造发育区域,具备良好的远程补给条件。
本区邻近大庙—娘娘庙深断裂,构成良好的导热构造条件。据航磁等区域资料分析,区内为褶皱盆地,具备储热构造特征,具赋存地热的地质条件。此外,本区热异常出现在NE向断裂构造发育地带,有利于深层热流体的赋存和运移,推测甸子、山湾子以西有断裂存在,断裂构造的联通,尤其是具有较大规模断裂的联系,其有利部位可能形成较好的断裂裂隙热储(盛龙等,2014)。
1.4 电性特征物探工作前提是研究区的地层及岩性存在一定物性差异。本次工作开展前针对典型岩性进行电性参数测定工作,电性参数测定结果见表 1。由表 1可知,工作区地层总的电性特征表现为:第四系为显著低阻层,电阻率小于30 Ω·m,侏罗系略高,约135—780 Ω·m,新太古界电阻率>3 000 Ω·m,是显著的高阻电性层。各地层之间存在较明显的电阻率差异,具备利用CSAMT电性资料进行地质推断解释的前提。
设计布置NW和NE两个方向的测线,以分别探测工区NE向断裂和NW向断裂。设计长剖面2条,各5 km;短剖面4条,各1.5 km。共计6条剖面、16 km工作量,点距50 m,共计332个测点。剖面及测点布设见图 1。
在正式开展数据采集之前进行标定实验、一致性试验、施工参数实验。根据实验结果确定施工参数为:发射偶极距1.7—1.8 km、最大发射电流11 A、接地电阻<50 Ω。在干扰区或信号较弱时将观测时间适当延长,以增加有效叠加次数。
本项目在测线不同地段,在时间、空间上基本均匀布设12个检查点,占测点总数的3.61%,故此次CSAMT剖面实际完成测点332个。通过质量统计,在检查点2次观测的视电阻率、相位曲线形态一致,对应频点的数值接近。12个检查点视电阻率最大均方相对差为4.77%,最小均方相对误差为1.67%,检查率和检查结果符合规范要求。室内对当天采集的原始数据进行检查,检查每个测点的视电阻率、相位曲线是否平滑,对异常点等是否进行必要的检查观测。
反演采用Winglink数据处理软件,基于非线性共轭梯度NLCG(Rodi et al,2001)反演算法对不同模式的大地电磁测量数据进行多种反演参数试算。最终采用各主要参数设置为:初始模型100 Ω·m均匀半空间,正则化因子tau = 3,视电阻率和相位误差级数为10%和5%,通过100次迭代计算,1号至6号剖面反演均方根误差为分别为±2.39 Ω·m、±1.84 Ω·m、±3.22 Ω·m、±3.12 Ω·m、±2.25 Ω·m、±1.98 Ω·m。图 3、图 4、图 5为各剖面二维反演成果图。
依据工作区电性研究结果及电性地质分层规律,对本项目完成的6条可控源音频大地电磁测深剖面电性成果进行了地质推断解释,将地球物理模型转化为地质模型(李艳军等,2013)。以下依次对本次工作的各剖面的电性特征进行分析,并给出地质推断解释成果。
由于第四系在本区厚度较浅,且与本次勘查目标相关性不大,故不作单独分析。同时第四系与下伏的中生界侏罗系后城组风化破碎层整体上均体现为低阻特征,在进行地质推断中未做区分。
如图 3所示,剖面纵向上整体电性特征表现为浅低、深高的二元结构特征,是中新生界盖层与新太古界基底的反映。纵向电性分层明显,由浅至深分布有低阻—中低阻—高阻3个电性层,结合本区地质资料,分别对应新生界第四系、中生界侏罗系及新太古界共3套地层。
(1)1号剖面。该剖面全长5 000 m,方位角为130°,由图 3可见,电阻率形态横向连续性较差,与此地区构造活动较多造成的岩层破碎有关。剖面地表至标高0— -100 m之间电阻率值表现为低阻特征,且电阻率分布不均匀,推断是第四系与中生界侏罗系后城组风化破碎层在的共同反映。在-100— -400 m之间,电阻率值为200—500 Ω·m,主要是砾岩、安山岩的的中阻反映,对应地层为中生界侏罗系。在-400 m至深部整体表现为高阻特征,平均电阻率大于3 000 Ω·m,对应新太古界。
横向上看,剖面西端浅部低阻异常区向深部具有较大延伸,倾向NW,推断为断层反映,其倾角约为70°,命名为F1。类似的浅部低阻向深部异常范围变大区域反复出现,且形态、规模基本一致,均可推断为断裂。相似的异常形态、延伸规模意味着断裂的形成机制、形成年代基本一致,从整体断裂延伸深度上判断,断裂均为深入基地高阻区,切割了中低阻区域,可初步判断为中生代以后发生,切割侏罗系。
(2)2号剖面。剖面全长5 000 m,方位角为130°,与1号剖面平行布设。由图 4可见,该剖面整体电性特征与1号剖面具有良好的对比性。电阻率纵向上同样表现为分层特点,整体上从浅到深电阻逐步变大,其中浅部为低阻反映的第四系及侏罗系后城组风化破碎层,其下中阻层推断为侏罗系。电阻率大于3 000 Ω·m的高阻区对应了新太古界。横向上看,基于相同的断裂判断标准,由电阻率低阻条带、电阻率高低变化的梯度带位置推断6处断裂,位置与1号剖面基本对应。
(3)3—6号剖面。4条剖面垂直1、2号剖面平行部署,其目的是调查NE向断裂及其与其他断裂是否存在交会。断裂交会处岩石破碎,是地下水流通的重要通道,有效影响地下水的运移。从本次CSAMT反演结果看,4条剖面的反演结果(图 5)反映其下控制范围内的电性结构具有一致特征,即浅部低、深部高的电性特征,同时在4条测线中部均存在一条明显的低电阻率异常带,与两侧,即深部高阻结构构成电性梯度带特征,反映了一条NW走向隐伏断裂的存在,本次推断为F7断裂。
从全区断裂平面分布特征看,本区断裂构造以隐伏为主,走向上呈NE、NW向2组,见图 6。其中NE向断裂构造规模大、发育早,是本区主要控水断裂,NW向断裂形成时间晚于NE向断裂,规模相对较小,2组断裂的交会位置形成规模较大的破碎带,有利于形成地下水的流通通道,是进行深部地热预测的主要靶区位置。根据推断断裂倾向及平面位置,结合热储水文地质特征,选定2处区域附近为地热钻探的有利靶区,见图 6中三角形标注。
在承德机场临空区进行可控源音频大地电磁测深工作,以实测数据为基础,采用合理的数据处理流程进行预处理及定性分析,利用非线性共轭梯度NLCG二维反演方法获得地下电性结构模型,其电性特征反映了本区主要构造及地层特征,取得了较好的效果。
在已有研究基础上,综合区内物性、地质资料进行了地质解译。按介质电性差异划分了新生界、中生界侏罗系髫髻山组和后城组、新太古界3套地层的埋深、厚度。划分NE向断裂6条,即F1、F2、F3、F4、F5、F6,推断NW向断裂2条,命名为F7。断裂均为隐伏断裂,并推断了断裂倾向等要素。本次可控源音频大地电磁剖面测量成果提高了工作区地热工作及断裂研究程度。由推断的断裂位置,即交会部位,结合本区地热地质条件,选定2处区域附近为地热钻探的有利靶区。
感谢野外数据采集组的艰辛工作。
李艳军, 叶高峰, 韩杰, 等. 大地电磁测深法在秦皇岛-唐山沿海地区地热资源调查评价中的应用[J]. 地震地磁观测与研究, 2013, 34(3/4): 81-88. |
盛龙, 王树国, 王海, 等. 承德市双桥区双峰寺镇甸子村地热田地质特征[J]. 科技创新导报, 2014(21): 256. DOI:10.3969/j.issn.1674-098X.2014.21.188 |
王茜, 李小永, 王阳. CSAMT在河北省承德市山湾子地热调查中的应用[J]. 新疆有色金属, 2016, 39(Z1): 45-48. |
魏文博. 我国大地电磁测深新进展及瞻望[J]. 地球物理学进展, 2002, 17(2): 245-254. DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2002.02.009 |
张赛珍, 王庆乙, 罗延钟. 中国电法勘探发展概况[J]. 地球物理学报, 1994, 37(Z1): 408-424. |
赵国泽, 陈小斌, 汤吉. 中国地球电磁法新进展和发展趋势[J]. 地球物理学进展, 2007, 22(4): 1 171-1 180. |
赵向奎. 冀北张营子超基性岩体岩石地球化学特征[D]. 石家庄: 河北地质大学, 2016.
|
Flóvenz Ó G, Georgsson L S, Árnason K. Resistivity structure of the upper crust in Iceland[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 1985, 90(B12): 10 136-10 150. DOI:10.1029/JB090iB12p10136 |
Rodi W L, Mackie R L. Nonlinear conjugate gradients algorithm for 2D magnetotelluric inversion[J]. Geophysics, 2001, 66(1): 174-187. DOI:10.1190/1.1444893 |
Singh S B, Drolia R K, Sharma S R, et al. Application of resistivity surveying to geothermal exploration in the Puga Valley, India[J]. Geoexploration, 1983, 21(1): 1-11. DOI:10.1016/0016-7142(83)90068-6 |