水文地质调查工作一般包括(地热资源物探勘查的几点浅识)

Posted 2023-05-30

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水文地质调查工作一般包括(地热资源物探勘查的几点浅识)

张孟才1 寇伟2 寇通2

1.黑龙江省904水文地质工程地质勘察院，黑龙江哈尔滨 150028

2.郑州地象科技有限公司，河南郑州 450000

摘要：地热资源是与地球同在取之不尽用之不竭的可再生清洁能源，断控型地热资源是目前开发利用的难点，因深部含水地热构造的差异、一两千米深度凿井费用很高，成功与否的关键在于精准勘探的成果。

关键词：地热资源，断裂构造，勘探定井，VCT成像技术

一、地热资源勘探的必要性

对断控型地热资源而言，开发利用的前提是在待开发的目的园区内要有地热资源可以被开发。方圆几百公里以内没有温泉或打成的地热井，不代表在园区内没有可开发的地热资源；附近几十公里或几公里处有温泉或打成的地热井，不代表在园区内就可以打出地热水。园区内有没有可被开发的地热资源，关键是要看是否存在有一定规模的断裂构造。即使是园区内地下深部有地热水资源，因受限于地热资源勘探能力和准确性，以往开发地热资源的实际效果并不理想，有的是根本没有打出地热水，白白浪费了几百万元的投资；有的是出水温度低于30℃，要加热后才能利用；有的是地热水量太少，利用价值不高。因此，使用先进物探设备对园区进行全面详细的精准地热资源勘查至关重要。

二、有关地热资源的几个概念

要开发利用地热资源，首先要厘清有关地热资源的几个概念：一是地热资源产生于地球内部地热能，与地球同在，是取之不尽用之不竭的；二是断控型地热资源，是当前开发利用的主要地热资源之一；三是并非只在板块边缘和板块内沉积盆地才会形成地热资源，板块内断裂构造形成的地热资源是我们开发利用的难点；四是要清楚小规模的断裂构造分布较多，对寻找地热意义不大；五是根据地热产生地温梯度2～3℃/100米，只要取到足够深度的水就是地热水，关键是要找到地下深部的水；六是板块内寻找地热水就是要寻找具有一定规模的相对较大的含水断裂构造。

三、断控型地热资源的特征

岩体受地质应力作用发生变形，一旦超过其可承受强度就会使岩体的连续性和完整性遭到破坏，进而产生各种大大小小的断裂，形成断裂构造。断裂构造是地壳中最常见的构造形式，在地壳中分布很广，无论是新构造运动还是运动多次的老构造都有断裂构造的存在，只不过断裂构造的规模不同而已。在这些断裂构造中只有富水断裂才对地热勘查有意义。一般而言，断裂规模越大富水性越好，温度也会越高。

四、断裂构造的电磁反应

对于压性断裂而言，由于断层内无水，对于电磁波的折射率变小、吸收特性变差，到达地表后剩余的电磁波能量值较高，测值相对较大。对于富水的断裂，在断层内由于赋存水，水对于电磁波的折射率很大、吸收衰减特性好，导致到达地表后剩余的电磁波能量值很少，测值明显变低。基于水对电磁波能量值的吸收衰减明显高于一般介质，在地表探测到的电磁波剩余能量值亦明显低于固态介质的测值，所以对于含水层和含水裂隙的电磁反应是最敏感的，而且测值始终是明显的低值。

五、地热资源勘探的目标

对于断控型地热资源，从宏观上来看，地下热水的出现多是张性断裂与其相对应的压性断裂联合作用的结果。若是勘探范围足够大，就可以勘查到压性及其影响带上次级张性断裂构造。因此，我们应用有效的物探方法在勘查地热资源时没有必要非要找到高值的压性断裂构造，应该明确我们寻找的目标就是地下深部的含水层。而找水的关键就是寻找控制地下热水的张性断裂构造，即通过物探方法对含水断裂构造的明显反映，寻找断裂破碎带,结合测区水文地质条件判断其富水性，再进一步探明构造带的宽度、延深、产状及水源补给和赋水条件,从而实现寻找赋存于断裂构造中的地下热水的目的。

六、国内外地热勘查的物探方法简述

目前国内物探的各种设备各有所长，每一种物探方法都有各自的优点和缺点，都很难完全满足地热资源勘探的要求，一般都采用综合物探方法进行地热资源勘查工作。目前可用以进行深部地热资源勘查的物探方法主要是：⑴高精度磁法，此方法属于时间域综合地质勘探，可以探测地下异常但属于透视法不能探明异常的深度；⑵高分辨率地震勘探，主要用于石油勘探，对于水的敏感性不高且成本太高；⑶瞬变电磁法，也属于时间域透视勘探，因需要对大地放电故探测深度有限，且结果存在信息多解性；⑷MT大地电磁法，属于频率域勘探法但可用频点少、深度层有限，需要拉长线埋电极耗时耗工易受干扰；⑸CSAMT可控源音频大地电磁测深法，是目前地热勘探最常用、效果相对较好的物探方法，需要在靶区6--10公里以外大功率对地放电，一次放电可探测点数受配备接收仪限制、且最多可探测四十多个频点深度层，效率低、成本高、间距大、探测点数少。这些都是价格不菲的高端进口设备，由于单点勘探时间较长、占用人工较多，一方面导致勘探地热资源定地热井的费用过高，另一方面导致探测线路少、50米左右的点间距过大而影响对地下构造的准确判断。

七、VCT大地电磁成像深部构造探测仪简介

由郑州地象科技有限公司研发生产的VCT-4000M大地电磁场成像地热探测仪，可探测地下深度为4000米，2000米以上每隔5米探测一层，2000—3000米每隔10米探测一层，3000—4000米每隔15米探测一层，是目前国内外分层较细、探测速度最快的地热资源物探设备。该仪器还具有以下优势：（1）3公斤重的单电磁感应探头移动方便，可任意放在岩石、马路上甚至是浅水中探测；（2）单点测得4000米深、567层的数据仅需1分钟，点间距一般设定为5--10米，一天可测300-400个探测点；（3）独创的可自动生成的线剖面色块数据二维CT成像图，可以直观看到含水裂隙和断层构造的位置、走向、宽度、深度等，通过多条线路、点间距5米精细探测，即可实现精准定井。经过近几年不断探索和积累地热资源勘探经验，实践证明VCT成像深部构造探测仪完全可以替代高端进口物探设备，独立承担地热资源勘探定井任务，不但可以精确定位深部断裂构造的位置和大小，而且还可以清晰辨识断裂构造的性质，利用其对水的高敏感性特点找出较深、较宽大的含水断裂构造。勘探速度快、探测密度大，对地下构造看得清清楚楚，定井精准成井率高。

八、VCT大地电磁成像剖面图分析方法

对VCT成像剖面图显现的断裂构造解释：VCT成像剖面图的纵向代表深度（5-- 4000米）、横向为点号、探测的数据为电磁信号能量值。每个探测点都对应一列纵向深度数据，可以观察该探测点至上而下各深度层点测值的变化；观察每个横向深度层，可以看出每一探测点在该深度层的电磁反应数据，通过比较找出异常点。张性断层破碎带上的空隙含水会形成透水性较好的含水裂隙，含水裂隙显示的测值会明显小于同层正常不含水的岩层，一般来讲测值在0--1范围内。压性断层内的岩石对于电磁波的吸收效应差，自下而上的电磁波经过此层到达地表后的剩余能量值就大，测值肯定会明显高于同层正常岩石，一般来讲测值会大于4或5。通过分析同一剖面图找出断裂构造并判定其宽度、深度等，再与其它剖面进行对比分析，就可以对整个测区断裂构造形成一个立体的概念，就可以判断断裂构造的性质，判断富水断裂的发育程度及补水裂隙的方向、富水性和在相邻的剖面上是否都存在和联通性。

九、地热资源勘探定井的工作程序与内容

根据要求和勘查区地质构造特征，一般进行地热资源勘探定井的工作程序与内容包括：（1）在对勘查区域及周边地区开展水文地质调查的基础之上，对勘查区域地热开发进行可行性论证；（2）利用VCT大地电磁成像深部构造探测仪进行详细勘查探测，探查勘查区内断裂构造位置、走向、构成，找到深部富水的断裂构造；（3）通过综合分析勘查区所属范围内的地热地质构造，选择地热地质条件优越部位作为钻凿地热井的最佳位置，并为打井施工提供地层参考依据；（4）预估地热井出水温度及出水量；（5）提交相关成果报告。

十、地热资源勘探设计及实施

开发断控型地热资源打地热井的前提是寻找到具有一定规模的富水断裂构造。所以进场后先要根据测区实际地形和地质情况做好施工设计，一般来讲初步探测要有几条贯通测区的勘探剖面，每条剖面点距为5—10米/点、最少100个物理点，具体视测区面积而定。通过对几条剖面图进行综合分析，初步判定测区内是否存在断裂构造异常及地层变化情况。然后根据异常分布情况进行详细勘查作出具体判断。

十一、地热资源勘探分析论证确定地热井位

通过VCT成像初步勘查判断测区内是否有异常显示，然后进行详细勘查，并作出测区地热资源勘查报告。报告内容除了按照惯例对测区的地形、地貌、地质概况进行概述之外，对于测区的地质分析和定井结果要详实论证、结论清楚肯定，应该包括以下内容：

（1）对勘查数据进行计算处理后，反演出VCT彩色成像地质结构剖面图，通过综合分析对测区范围内的地质构造，确定园区内地热构造的性质、位置及其赋水特性，对地热断裂构造做出基本的描述；

（2）针对每个剖面图进行分析，确定靶区地热断裂构造存在形式、宽度、延深、产状及水源补给和赋水条件，选择适合定地热井的最佳剖面并列出等距压缩剖面图；

（3）明确提出最佳钻孔施工的探测点位坐标、终孔深度，列出钻孔点位附近区段显示深度层和VCT彩色成像剖面图，在图上标出孔位穿过各含水裂隙层的走向、连通、聚集等情况，并用文字具体列出孔位穿过各个含水裂隙层的深度范围、左右宽度、相对赋水等级。

（4）根据需求和孔位含水层情况，设定开始取水深度层和终孔深度，预测主要出水层的个数及所在深度，预测成井后大致的出水量和地热水的温度范围。

郑州地象科技有限公司寇伟