地下水经过深部循环,吸收地球深部岩浆熔融和放射性物质衰变产生的热量后,沿一定的路径产出地表,形成地热资源。地热能作为一种清洁低碳、可循环利用的稳定能源,其开发利用对于推动温室气体减排,实现“碳中和”“碳达峰”目标具有重要意义。
礼泉县北部的北屯镇地处陕西关中地区西部, 距咸阳28 km,距西安57 km,东临西安咸阳国际机场,地势北高南低,呈阶梯型跌落,分山、塬、川三种地貌,其所在的渭河盆地地热资源丰富。多年来,前人对渭河盆地的地热资源赋存规律、成因机理、开发利用等进行了大量研究,而对于礼泉县北部一带研究程度较低,物探勘查方面主要是激电测深工作,勘探深度一般小于400 m,基本没有深部勘探工作。本文通过礼泉县北部一带3 000 m以深的大深度探测,分析地热地质条件和地热资源潜力, 为该地区地热资源开发利用提供依据。
1勘查方法及基本原理
工作区处于城镇周边,电磁干扰严重,常规的人工场电磁法CSAMT(Controlled-Sourse Audio-fre quency Magnetotelluric,可控源音频大地电磁法)、天然场电磁法AMT(Audio Magnetotelluric,音频大地电磁法)和MT(Magnetotelluric,大地电磁测深法)多不能达到压制噪声的目的。广域电磁法是何继善院士在可控源的基础上,采用适合全域的公式计算视电阻率,通过发送伪随机信号,对地下介质进行勘探, 具有勘探深部大、抗干扰能力强、精度高、对电性结构反映较为客观等优势。基于此,本次工作选择广域电磁法作为勘探方法,探测深度3 000 m。选用的广域电磁法发送机和广域电磁接收仪均为继善高科生产。采用E-Ex工作模式,即采集和发射源同方向的电场信号,布置的测线在发射源60° 扇形张角内。采集频率范围为0.011 7~8 192 Hz,频点数共计40个。
2研究区地热地质条件
2.1构造分区及断裂
工作区在地质构造上属渭河断陷盆地咸礼断阶的东北部,见图1。咸礼断阶位于盆地西北部,西部以陇县—岐山—哑柏断裂为界与宝鸡凸起相隔, 东部以泾河断裂为界与固市凹陷相连,南部以渭河断裂与西安凹陷相邻。基底以碳酸盐岩为特征,主要构造形迹以近东西向断裂、产状南倾的正断层为主。新近系全区分布,古近系分布于礼泉—双泉断裂以南,各地层厚度分布具有从北向南逐渐增厚的特点,新生界厚度小于3 000 m,最北端厚度仅 100~200 m。区内渭河断裂以北及乾县—富平断裂延伸方向有较好的地热显示,多以温泉出露,温泉温度20~30℃不等。
图1渭河盆地构造单元划分图工作区范围处于乾县—富平断裂和泾河断裂的交会部位。据收集的相关地热地质资料,乾县— 富平大断裂为区域性复合断裂组,是北山丘陵与渭河断陷盆地的分界线,断层破碎带宽20~30 m, 影响带宽可达数百米,压性转张扭性,总体走向北东50°~70°,断面倾向SE,倾角64°~85°,断距大于1 000 m不等。该断裂以北为碳酸盐,与南侧新生界松散岩接触,对岩溶裂隙水有一定阻隔作用。 断裂带灰岩裂隙发育,为区域充水导水断裂。
2.2地层及热储特征
渭河盆地热储层主要包括三种:第一种是新生界热储层,主要分布在盆地中部及东南部,地层厚度大,多为河流相或河湖相沉积,岩性主要为砂岩、砂砾岩与泥岩互层,孔隙裂隙发育,为地热水提供了良好的储存空间;第二种是秦岭山前断裂带裂隙热储层,分布在盆地南部与秦岭构造带之间,储存在断裂带内部裂隙空间工作区范围处于乾县—富平断裂和泾河断裂的交会部位。据收集的相关地热地质资料,乾县— 富平大断裂为区域性复合断裂组,是北山丘陵与渭河断陷盆地的分界线,断层破碎带宽20~30 m, 影响带宽可达数百米,压性转张扭性,总体走向北东50°~70°,断面倾向SE,倾角64°~85°,断距大于1 000 m不等。该断裂以北为碳酸盐,与南侧新生界松散岩接触,对岩溶裂隙水有一定阻隔作用。 断裂带灰岩裂隙发育,为区域充水导水断裂。
研究区为第三种热储层,即下古生界碳酸盐岩热储层。根据地质资料,咸礼断阶下古生界碳酸岩沿山前断裂有较好的出露,热储层自下而上是中元古蓟县组、寒武系中统张夏组、奥陶系下统冶里—亮甲山组、奥陶系中统马家沟组及奥陶系上统唐王岭组, 岩性为泥岩、灰岩、白云岩,其间存在白云岩和灰岩互层,物性差异由后期改造及断裂等因素控制。
根据地质、钻探资料,工作区地层由老至新依次为元古界(Pt)、寒武系(∈)、奥陶系(O)、第三系 (N)和第四系。
元古界(Pt):岩性为含碎石条带白云岩。 2)寒武系(∈):岩性以灰岩、白云岩为主,中、 下部夹有页岩和千枚岩;出露于方山—泾河口等地。据所含化石地层层序和岩性特征,将寒武系分为下、中、上三个统:下统辛集组(∈1x)出露于方山—泾河口一带,岩性为灰色白云岩,夹薄层黄绿色页岩,厚260 m;中统馒头组(∈2m)出露于方山— 龙潭沟一带,岩性为紫红、灰绿色页岩,夹两层厚 25~50 m的白云岩,厚390 m;中统张夏组(∈2z)出露于上韩窑北和龙潭一带,岩性为灰色灰岩夹白云岩,厚250 m;上统岗山组(∈3g)出露于方山一带, 岩性为浅灰色白云岩,含硅燧石结核,厚230 m。
3)奥陶系:岩性以灰岩、白云岩为主。其中:奥陶系下统水泉沟组(O1s)出露于东庄地段上游,岩性为灰色白云岩,含燧石条带,局部含生物碎屑灰岩,出露厚度为1 183 m;奥陶系中统三道沟组 (O2s)在五峰山—东庄、顶天寺、面西堂、庄河沟等地均有出露,岩性以灰岩为主,夹薄层的白云岩、页岩等,厚度1 400~1 900 m,平凉组(O2p)出露于凉马、峪北坡、东庄河口、庄河沟口等地,岩性以页岩为主,夹薄层砂质泥岩、泥灰岩、白云岩等,区域最大,厚度达1 662 m;奥陶系上统出露于朝阳山及以西各沟中,岩性为泥页岩、硅质白云质角砾岩、含砾泥岩,总厚度1 200 m。工作区周边已成井揭露地层见表1。
2.3物性特征
不同岩层具有不同的导电性,一般细粉砂岩、 砂砾层、砂土、白云岩、石灰岩其电阻率值依次增高。地层有层状分布特点,在横向上导电性相对均一,纵向上视电阻率的变化规律基本一致。在致密完整的情况下,岩层电阻率相对均一,如果岩层中有充水裂隙或岩溶等构造存在,或受断层切割,使该岩层与围岩产生明显的电性差异,这是应用电法进行水文地质探测的地球物理前提。根据本次广域电磁勘探成果结合地质资料,总结出本区各地层电性情况,见表2。
3数据采集
本次布设1条广域电磁剖面,为北西—南东向,剖面中部点距100 m,外围放稀至200~300 m, 剖面长度5 km。原则上实测点位与设计点位应尽可能一致,客观上由于测区内村镇、高压输电线、 光伏发电、河流、河渠等的存在,受物探技术及施工条件的限制,为采集到可靠的物探数据,对某些测点进行了适当偏离,野外实测点位偏离设计点位不超过点距的20%。
4推断解释
4.1地层划分
根据区域资料和周边钻井揭露地层,结合本次广域电磁勘查资料,推测工作区由老至新依次沉积有中元古界、寒武系、奥陶系、新近系、第四系,见图2。
中元古界(Pt2):埋深1 000 m以下,岩性为含碎石条带白云岩。本次广域电磁视电阻率值33~ 1 000Ω·m,为次高阻异常区。受断裂影响,裂隙较发育。
寒武系(∈):受断裂影响,埋深变化范围为 630~2 200 m,西北浅,东南深,厚度为200~1 400 m; 岩性以灰岩、白云岩为主,中、下部夹有页岩和千枚岩。本次广域电磁视电阻率值为35~2 500Ω·m, 变化范围比较大,整体呈高阻特征。推测高值区可能裂隙不发育,富水差,中低值区可能为断层影响或裂隙发育。因此,推测该地层电阻率中低值区尤其是靠近断裂带位置,裂隙较为发育,富水情况良好。
奥陶系地层(O):推测奥陶系地层仅发育在剖面西北端,埋深50~250 m,厚0~500 m;岩性以灰岩、白云岩为主。本次广域电磁视电阻率值为 100~300Ω·m,为中阻异常区。受断层影响,裂隙较发育,地层埋深较浅。
新近系地层(N):埋深400~600 m,厚570~ 1 600 m;上部为棕红、褐红色泥岩夹有砂层及砾石, 局部有层状钙质结核,下部为含泥砂砾卵石和亚黏土。本次广域电磁勘查视电阻率值为4~90Ω·m, 整体为低阻异常区,个别位置电阻率值略高可能与干燥的砂卵石有关。
第四系:厚度为50~600 m;上部为风积黄土夹古土壤层,底部为冲洪积砂砾石与黏土互层。本次广域电磁视电阻率值为10~80Ω·m,为中低阻异常区。
4.2断裂推断
综合研究本次工作剖面电性特征,推断F1-1、 F1-2、F1-3为一组台阶状分布的隐伏断裂带,构成山前断裂带,均为张性断层,北东向展布,倾向南,为南盘下降、北盘上升的正断层。根据本次广域电磁测量结果推断,F1-1、F1-2、F1-3分别隐伏于10800-11000、12100-13100和13500-14300点号附近,断裂倾角约65°,断距由北往南逐渐增大, F1-1断距约170 m,F1-2断距约1 000 m,F1-3断距约1 100 m。
4.3热储分析根据反演断面,结合岩性特征和断裂构造,综合认为F1-2和F1-3间的斜坡是工作区勘查地热的有利区域,该区域寒武系灰岩热储埋深1 000~ 1 300 m,上覆的新近系、第四系地层具有良好的保温作用。断裂构造切穿寒武系地层,起导热、控水作用,断裂带附近岩石较为破碎、孔隙率高,地热水具有储存空间,建议在该区域布设孔位。
5结论
1)在城镇周边强干扰地区,广域电磁法能够采集到有用信号,探测深度超过3 000 m。
2)本次在渭北地区开展广域电磁法,基本查明了礼泉县北部一带山前地层和构造特征,推断山前断裂带呈台阶状分布,北东向展布,倾向南, 为南盘下降、北盘上升的正断层,断距由北往南逐渐增大,最深超过1 000 m。断裂带附近岩石较为破碎、孔隙率高,地热水具有储存空间。
