工程物探
綜合物探方法在海南陵水地區(qū)干熱巖 資源勘查中的應(yīng)用
文章來(lái)源:地大熱能 發(fā)布作者: 發(fā)表時(shí)間:2021-11-05 16:42:54瀏覽次數(shù):1485
1 引 言
20世紀(jì)70年代初,美國(guó)科學(xué)家提出干熱巖概念,迄今世界上先后有多個(gè)國(guó)家開(kāi)展了干熱巖鉆探試驗(yàn)。由于干熱巖具有傳統(tǒng)化石能源不可比擬的優(yōu)勢(shì),越來(lái)越多的國(guó)家將干熱巖的勘探開(kāi)發(fā)列入了國(guó)家能源發(fā)展計(jì)劃,目前我國(guó)干熱巖資源開(kāi)發(fā)及其技術(shù)研究尚屬起步階段。為加快我國(guó)干熱巖資源勘查開(kāi)發(fā)利用步伐,中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在2013年啟動(dòng)了我國(guó)干熱巖資源調(diào)查評(píng)價(jià)工作,海南陵水為沿海地區(qū)首批干熱巖靶區(qū)之一。
陵水地處海南省東南部,區(qū)內(nèi)屬丘陵地貌,地勢(shì)總體中部低,南北兩側(cè)較高,海拔一般100~500m,植被茂盛,陵水河是區(qū)內(nèi)重要的河流。陵水地區(qū)分布有陵水南平、陵水紅鞋、陵水高峰等溫泉出露點(diǎn),南平溫泉鉆孔孔口水溫高達(dá)77℃,眾多溫泉出露是深部豐富地?zé)豳Y源的外在表現(xiàn),換言之,該地區(qū)具有高熱流背景,是尋找干熱巖的理想地區(qū)。
2 地質(zhì)背景
海南陵水地區(qū)內(nèi)出露的巖漿巖主要為晚白堊世保城巖體,外圍區(qū)域出露小面積的二疊紀(jì)—三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)花崗巖,與干熱源有關(guān)的巖漿巖巖體為保城巖體。保城巖體處于近東西向九所-陵水?dāng)嗔褞|端,巖體總體呈近東西向展布。各組成巖形成年齡由外向中心變新,呈完整的近東西向長(zhǎng)圓形環(huán)套狀產(chǎn)出,形成年齡接近。
保城巖體為高鉀鈣堿性巖石,其地球化學(xué)特征與島弧巖石相似,為典型的I型花崗巖。研究表明,在地殼較深部位,由于處于較高的溫度、壓力環(huán)境,由幔源基性巖漿底侵誘發(fā)地殼物質(zhì)部分熔融形成的長(zhǎng)英質(zhì)巖漿尚未開(kāi)始結(jié)晶或結(jié)晶程度較低,基本還處于一種均勻狀態(tài),這時(shí)幔源巖漿的注入,既有良好的混合環(huán)境,也有充分的混合時(shí)間,二者可以完全混合,產(chǎn)生均一的巖漿,形成鈣堿性花崗巖類巖石(Fernandez and Barbarin,1991)。保城巖體中發(fā)育一系列的包體,且包體及寄主巖具有明顯的殼幔混合的特征(包體中發(fā)育淬冷結(jié)構(gòu),常見(jiàn)反向脈、雙包體,長(zhǎng)石的環(huán)帶結(jié)構(gòu),環(huán)斑結(jié)構(gòu)等),可能指示了成巖巖漿殼幔混合作用的發(fā)生,說(shuō)明保城巖體巖漿源區(qū)應(yīng)該是有部分幔源巖漿的貢獻(xiàn)。
梁飛剛(2013)指出,根據(jù)FeO/Fe2O3指示,保城巖體巖石屬于氧化環(huán)境形成,侵位深度較淺。
根據(jù)角閃石的角閃石-黑云母全Al壓力計(jì)計(jì)算,得到保城巖體侵位時(shí)壓力為10~30Pa之間,計(jì)算得出侵位深度為3.3km,溫度大于750℃,表明保城巖體侵位深度較淺,成巖溫度較高。
唐立梅(2010)對(duì)比分析前人在東南沿海開(kāi)展的晚中生代巖漿作用的研究成果,認(rèn)為海南島100Ma左右的巖漿作用與太平洋板塊俯沖后撤引起的弧后拉張作用有關(guān),中國(guó)東南部(包括海南島在內(nèi))在110Ma~90Ma左右時(shí)經(jīng)歷了強(qiáng)烈區(qū)域性拉張作用,處于太平洋板塊后撤引起的弧后拉張階段。東南沿海早白堊世巖漿活動(dòng)形成于區(qū)域伸展背景下,并帶有較明顯的消減作用影響跡象,這一成因特征延續(xù)到晚白堊世,如瓊南基性巖墻群(閃斜煌巖,全巖K-Ar年齡81Ma)具有“后碰撞弧”特征等。早期太平洋板塊向大陸俯沖碰撞的擠壓階段,先熔的是鈣堿性巖漿,形成I型花崗巖,代表了區(qū)域伸展的開(kāi)始,到板塊作用的晚期,在已熔過(guò)鈣堿性巖漿的基礎(chǔ)上,再融的就是堿性巖漿,形成一系列A 型花崗巖,代表了強(qiáng)烈的伸展環(huán)境。
在太平洋板塊俯沖的背景下,太平洋板塊回撤引起弧后拉張,導(dǎo)致區(qū)域性的伸展減薄。保城巖體代表了晚白堊世110Ma~90Ma這期巖石圈伸展作用的開(kāi)始,由幔源巖漿與其誘發(fā)地殼物質(zhì)熔融形成的長(zhǎng)英質(zhì)巖漿在地殼深部混合形成殼幔混源巖漿,隨后混合巖漿可能經(jīng)歷了分離結(jié)晶作用,侵位于地殼淺部成巖。
3 地球物理方法選擇
在陵水地區(qū)尋找干熱巖,需要查明區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造和隱伏巖體的分布特征、巖漿通道位置、深部地質(zhì)構(gòu)造與干熱巖的關(guān)系。解決這些問(wèn)題需要從目標(biāo)體的不同物性特征入手,這就要求使用綜合的物探方法。應(yīng)用綜合物探方法不僅可以提供豐富的深部地質(zhì)體的物性資料,也可以相互驗(yàn)證提高解譯準(zhǔn)確性。
陵水地區(qū)主要分布保城巖體,經(jīng)統(tǒng)計(jì)保城巖體平均密度為2.65g/cm3,圍巖密度范圍為2.59~2.76g/cm3,保城巖體密度低于圍巖,在前人1∶20萬(wàn)重力成果中,保城巖體就表現(xiàn)為醒目的重力低,其反演結(jié)果中顯示該地區(qū)發(fā)育巖漿通道。
因此,開(kāi)展大比例尺的重力測(cè)量工作可以更好地反映保城巖體的底面形態(tài),圈定構(gòu)造隆起部位或是巖漿通道。在重力圈定的有利構(gòu)造的基礎(chǔ)上,尋找熱能相對(duì)富存的部位,這些部位往往表現(xiàn)為低阻高導(dǎo)的電性特征,開(kāi)展探測(cè)深度大的電法工作有助于尋找深部的熱儲(chǔ)部位。
通常情況下,斷裂構(gòu)造由于發(fā)育破碎與圍巖具有比較明顯的物性差異,整體上表現(xiàn)出相對(duì)低阻或重力梯級(jí)帶等異常特征,這為電法和重力方法了解斷裂構(gòu)造提供了物性依據(jù)。
4 綜合物探方法的布置
通過(guò)1∶1萬(wàn)重力剖面和大地電磁測(cè)深測(cè)量,了解區(qū)內(nèi)主要斷裂構(gòu)造在深部的分布特征和延伸情況,以及深部的低阻高導(dǎo)體的分布特征,根據(jù)這些深部熱量傳導(dǎo)通道,推測(cè)深部熱源的部位,為圈定干熱巖優(yōu)選靶區(qū)提供可行性依據(jù),最終再根據(jù)物探成果,結(jié)合水文地質(zhì)資料,以盡量避開(kāi)斷裂構(gòu)造為原則,進(jìn)一步縮小鉆孔優(yōu)選靶區(qū)的范圍。
高精度重力測(cè)量主要是提取與基底、斷裂、局部構(gòu)造有關(guān)的地質(zhì)信息以反映區(qū)域構(gòu)造,對(duì)勘查區(qū)進(jìn)行定位。本次重力剖面穿過(guò)1∶20萬(wàn)重力資料推測(cè)的巖漿通道,目的是相對(duì)準(zhǔn)確地定位巖漿通道,熱能集中的巖漿通道分布于巖體內(nèi)部,因此所布置的1∶1萬(wàn)重力剖面并沒(méi)有延伸至巖體外。
如圖1所示,布置1∶1萬(wàn)重力剖面測(cè)量55km,點(diǎn)距40m;1∶1萬(wàn)重力剖面兩條,Ⅰ-Ⅰ′線近東西向,方位角為85°,長(zhǎng)度35km,連接南平溫泉點(diǎn)和保亭加茂鎮(zhèn)東南側(cè)的巖漿通道;Ⅱ-Ⅱ′線近南北向,方位角為175°,長(zhǎng)度20km,連接南平溫泉點(diǎn)和東部陵水南平地?zé)崽?/a>附近的巖漿通道。
大地電磁測(cè)深測(cè)量主要獲得來(lái)自地下不同頻率的電磁波。由于趨膚效應(yīng),不同頻率的電磁波帶來(lái)不同深度巖石的巖性信息,大地電磁測(cè)深儀在地面上分別接收來(lái)自地下不同深度的巖石巖性信息及儲(chǔ)層流體信息,以此判斷地層深部的巖性變化,推斷地下巖性界面、斷層、地下熱儲(chǔ)等。布置大地電磁法測(cè)量剖面2條,剖面總長(zhǎng)55km,點(diǎn)距1km,探測(cè)深度10km,其與1∶1萬(wàn)重力剖面重合。
1∶1萬(wàn)的重力剖面測(cè)量野外工作使用的是目前精度較高的CG-5 重力儀,儀器精度為±0.016×10-5 m/s2;大地電磁測(cè)深野外工作使用的是V5-2000測(cè)深儀,野外工作開(kāi)始前和結(jié)束后,對(duì)儀器和磁探頭進(jìn)行了兩次標(biāo)定和一致性試驗(yàn);兩次標(biāo)定的相對(duì)誤差小于2%;開(kāi)工和收工一致性試驗(yàn)中儀器同一極化模式的視電阻率和相位的均方相對(duì)誤差均小于5%。
5 綜合物探成果分析
5.1 剖面Ⅰ—Ⅰ′、剖面Ⅱ—Ⅱ′重力推斷解釋剖面Ⅰ-Ⅰ′北東起陵水縣花株村,南西至保亭縣的番俄嶺附近,全長(zhǎng)35km,呈北東—南西走向,布格重力異常的變化趨勢(shì)是由北東往南西逐漸減小;剖面Ⅱ-Ⅱ′北西起陵水縣芬坡村,南東至溝圩村附近,全長(zhǎng)20km,呈北西—南東走向,布格重力異常的變化趨勢(shì)是由南東往北西逐漸減小。
兩條重力剖面布格重力異常曲線均比較圓滑,經(jīng)各種數(shù)據(jù)圓滑和場(chǎng)的分離處理后,沒(méi)有出現(xiàn)反映相對(duì)小巖體或小古生巖塊的重力異常。本次以及前人的重力數(shù)據(jù)均按《區(qū)域重力調(diào)查技術(shù)規(guī)范(DZ/T0082-2006)》進(jìn)行過(guò)“五統(tǒng)一”改算。
為獲得剩余重力異常值,1∶1萬(wàn)重力剖面的區(qū)域背景場(chǎng)使用前人20萬(wàn)重力數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算參數(shù)與前人一致,采用16km×16km的窗口,窗口滑動(dòng)平均的異常值作為窗口中心點(diǎn)的區(qū)域背景場(chǎng)。為反演整個(gè)保城巖體的基底情況,提取前人1∶20萬(wàn)重力剩余重力異常數(shù)據(jù),將本次重力測(cè)量的兩條剖面的兩端延長(zhǎng)至保城巖體之外,拼接部位做線性平滑處理,依據(jù)收集到巖體(平均密度為2.65g/cm3)和圍巖(為古生代或元古代,其密度為2.59~2.76g/cm3)的密度資料,取剩余密度為-0.08g/cm3,采用RGIS軟件開(kāi)展2.5D人機(jī)交互反演。剖面Ⅰ-Ⅰ′反演結(jié)果顯示下底面變化范圍為-2 500~-8 000m,并有巖漿通道顯示,巖漿通道向下延伸最深約8.4km(圖2);剖面Ⅱ-Ⅱ′反演結(jié)果顯示下底面變化范圍為-2 500~-7 500m,并有巖漿通道顯示,巖漿通道向下延伸約8.1km(圖2)。并結(jié)合本區(qū)的地質(zhì)資料,推斷其基底為元古代地層。
5.2 剖面Ⅰ—Ⅰ′、剖面Ⅱ—Ⅱ′大地電磁測(cè)深推斷解釋根據(jù)大地電磁測(cè)深反演結(jié)果,剖面Ⅰ-Ⅰ′和Ⅱ-Ⅱ′的電性結(jié)構(gòu)整體上可以劃分為三層結(jié)構(gòu)(圖3、圖4)。第一層是表層的電阻層,厚度較薄,為十幾到幾十米不等,對(duì)應(yīng)于第四系的沉積或表面的巖石風(fēng)化層;第二層是高阻層,也就是對(duì)應(yīng)的巖體發(fā)育區(qū)。從剖面圖上看,大部分地區(qū)是高阻反映,說(shuō)明該區(qū)巖體的發(fā)育程度非常高,剖面Ⅰ-Ⅰ′底面深度變化范圍為-5 800~-8 600m,剖面Ⅱ-Ⅱ′底面深度變化范圍為-6 000~-8 800m,基本上與重力反演相吻合。第三層是相對(duì)低阻層,結(jié)合1995年6月海南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局完成的《華南地區(qū)1∶100萬(wàn)物化遙綜合解釋成果編圖》
項(xiàng)目的成果以及重力的反演結(jié)果,推斷第三層低阻層為元古代變質(zhì)巖地層(海南島的基底)的反映。另外,在剖面Ⅰ-Ⅰ′上的局部地段出現(xiàn)低阻高導(dǎo)層,推斷該地區(qū)可能有軟流圈層底侵和隆起。
6 深部熱源分析及概念模型
根據(jù)重力反演資料,其顯示的保城巖體范圍比地表出露的范圍大很多,在其測(cè)區(qū)的北東部和西北部該巖體側(cè)伏于二疊紀(jì)花崗巖體中,在其東南部和西南部則側(cè)伏于三疊紀(jì)花崗巖體中。同時(shí),反演顯示保城巖體有兩個(gè)巖漿通道,分別位于測(cè)區(qū)東部陵水南平地?zé)崽?/a>附近和測(cè)區(qū)西部的保亭加茂鎮(zhèn)東南側(cè)一帶。其中,位于測(cè)區(qū)東部陵水南平地?zé)?/a>田附近的巖漿通道可能與南平地?zé)?/a>田有關(guān),而位于測(cè)區(qū)西部的保亭加茂鎮(zhèn)東南側(cè)一帶的巖漿通道處于保城巖體與三疊紀(jì)花崗巖體的接觸帶附近,該巖漿通道很可能被出露地表的三疊紀(jì)花崗巖覆蓋。因此,該巖漿通道具有較好的蓋層。
另外,據(jù)區(qū)內(nèi)開(kāi)展的大地電磁測(cè)深資料分析,在區(qū)內(nèi)深部局部地段發(fā)現(xiàn)低阻高導(dǎo)層,推斷該測(cè)區(qū)軟流圈層有底侵和隆起現(xiàn)象,而且存在兩個(gè)巖漿侵入通道,巖漿通道控制著部分巖漿的侵入和分布,深部的熱源可以通過(guò)巖漿通道或斷裂向上傳導(dǎo),并在地表形成具有一定熱量的地?zé)崽?/a>。圖5為該測(cè)區(qū)深部構(gòu)造及概念模型。
7 勘探孔選址分析
根據(jù)本次在該測(cè)區(qū)的重力測(cè)量、大地電磁測(cè)深勘查結(jié)果,結(jié)合其地質(zhì)、水文等資料,擬設(shè)計(jì)勘探孔兩個(gè),分別為ZK1和ZK2。其中ZK1孔位于Ⅰ-Ⅰ′剖面的4號(hào)點(diǎn)(為大地電磁測(cè)深的點(diǎn)號(hào))附近(圖3),距離南平地?zé)崽?/a>西南方向23.4km附近。ZK2孔位于Ⅰ-Ⅰ′剖面的24號(hào)點(diǎn)(為大地電磁測(cè)深的點(diǎn)號(hào))附近,距離南平地?zé)?/a>田西南方向3.4km附近。
本次完成的1∶1萬(wàn)重力剖面布格異常曲線
平滑,無(wú)深大斷裂反映;大地電磁測(cè)深剖面雖顯示一些斷裂,但規(guī)模都較小。結(jié)合前人地質(zhì)、物探、水文、環(huán)境等各種資料可得,測(cè)區(qū)內(nèi)未發(fā)育深大斷裂,這為布置鉆孔尋找干熱巖提供了一個(gè)必要前提條件。
7.1 熱儲(chǔ)部位分析
1:1萬(wàn)重力剖面測(cè)量數(shù)據(jù)反演的巖體基底形
態(tài)和大地電磁測(cè)深的反演結(jié)果也與1:20萬(wàn)重力數(shù)據(jù)反演結(jié)果吻合,顯示測(cè)區(qū)內(nèi)分布2個(gè)巖漿通道,通道1位于Ⅰ-Ⅰ′剖面4號(hào)點(diǎn)(保亭加茂鎮(zhèn)東南側(cè)一帶)(圖3),通道2位于Ⅱ-Ⅱ′剖面16號(hào)點(diǎn)以南(陵水南平地?zé)?/a>田附近)(圖4)。另外,在綜合剖面成果圖上可以看到Ⅰ-Ⅰ′剖面上的24號(hào)點(diǎn)下方的基底特征和4號(hào)點(diǎn)下方相似,巖體厚度變小,深部地層相對(duì)上拱,上拱部位表現(xiàn)為低阻高導(dǎo)電性特征和相對(duì)低密度特征,類似熱源的反映。
綜上所述,測(cè)區(qū)內(nèi)有3處熱量相對(duì)集中的部位。
結(jié)合收集的其他資料可知,Ⅱ-Ⅱ′剖面上顯示的16號(hào)點(diǎn)以南的通道,位于三亞—陵水?dāng)嗔褞希松畲髷嗔芽赡芟蛳律钋性撏ǖ溃坏赡苄纬蓪?dǎo)熱通道使熱量加速散失,而且可能引入水源,此處尋找干熱巖的難度相對(duì)較大。
7.2 ZK1孔選址綜合分析
1)ZK1鉆孔處于通道1附近,即Ⅰ-Ⅰ′剖面的4號(hào)點(diǎn)附近,有低阻高導(dǎo)層上拱特征和相對(duì)低密度特征,顯示熱源的反映。
2)ZK1鉆孔東側(cè)發(fā)育韌性剪切帶,根據(jù)收集的資料,重力剖面顯示未發(fā)現(xiàn)深大斷裂,大地電磁測(cè)深顯示發(fā)育的斷裂延伸深度不大,且傾向北東,未切割ZK1,因此,ZK1不會(huì)受到韌性剪切帶太大的影響,且除韌性剪切帶外附近構(gòu)造不發(fā)育。
3)ZK1鉆孔上部覆蓋的二疊紀(jì)或三疊紀(jì)的花崗巖是下部保城巖體熱量較好的保熱蓋層。
4)ZK1地勢(shì)較高,水量較貧乏,發(fā)育干熱巖的幾率更大。
5)ZK1孔處于荒坡田野上,其周邊沒(méi)有城填、村莊等居民地,僅分布有一些農(nóng)作物,其施工環(huán)境比較理想,同時(shí)施工征用土地的問(wèn)題也容易解決,認(rèn)為是理想的施工場(chǎng)所。
7.3 ZK2孔選址綜合分析
1)ZK2鉆孔處于Ⅰ-Ⅰ′剖面的24號(hào)點(diǎn)附近,基底特征和4號(hào)點(diǎn)下方相似,有低阻高導(dǎo)層上拱特征和相對(duì)低密度特征,顯示熱源的反映。
2)從推斷成果圖3看,南平地?zé)崽锔浇m無(wú)
深大斷裂發(fā)育,但淺部小斷裂相對(duì)發(fā)育,這些斷裂規(guī)模較小,向下延伸不大,但組成的熱礦泉循環(huán)系統(tǒng)發(fā)達(dá),且此處地勢(shì)較低,為大氣降水匯集的地方,水量豐富。ZK2位于南平溫泉的西南邊,相距3km多,在一定程度上避開(kāi)了沿陵水河的熱礦泉發(fā)育地帶。
3)ZK2北西側(cè)靠近一個(gè)北東向的小斷裂,如果此斷裂向北西傾,那么不會(huì)切割ZK2,如果向南東傾,那么一般只會(huì)影響ZK2的淺部,不會(huì)影響到ZK2孔的深部,因此,ZK2不會(huì)受到附近斷裂太大的影響。
4)ZK2孔處于荒坡田野上,距城填、村莊等居民地較遠(yuǎn),僅分布有一些農(nóng)作物,其施工環(huán)境比較理想,同時(shí)施工征用土地的問(wèn)題也容易解決,是理想的施工場(chǎng)所。
8 勘探孔預(yù)期深度與溫度
依據(jù)本次在該測(cè)區(qū)開(kāi)展的重力測(cè)量、大地電磁測(cè)深工作成果,以及該測(cè)區(qū)各種物探資料,綜合其地質(zhì)、水文等資料研究分析,本次設(shè)計(jì)的勘探孔至3 500m 深溫度可達(dá)200℃以上,溫度達(dá)到干熱巖定義標(biāo)準(zhǔn)。
8.1 地溫梯度估算
1970年至1973年,廣東省地質(zhì)局海南地質(zhì)大隊(duì)對(duì)保亭新村(七仙嶺)熱水進(jìn)行了勘探,孔深646m時(shí)孔口自流水溫為88℃。勘探40年后,溫泉自流水溫保持不變。如果按ZK11 孔資料,鉆孔自-200~-500m標(biāo)高,地溫梯度為3.9℃/(100m)。
9 結(jié) 論
利用重力測(cè)量與大地電磁測(cè)深方法組合,結(jié)合地質(zhì)、水文、環(huán)境等資料,推斷保城巖體中斷裂構(gòu)造的展布以及其基底構(gòu)造特征和性質(zhì),開(kāi)展深部熱源研究分析,建立陵水地區(qū)深部溫度場(chǎng)的模型概念圖。依據(jù)以上研究分析結(jié)果,確定了ZK1、ZK2兩個(gè)勘探鉆孔位置,估算兩個(gè)勘探孔在深度3 500m溫度可大于200℃,滿足干熱巖開(kāi)發(fā)的要求。