北京地區(qū)深部地?zé)峥辈榧夹g(shù)進(jìn)展

北京地區(qū)深部地?zé)峥辈榧夹g(shù)進(jìn)展

北京地下資源豐富，熱勘探已有幾十年歷史。由于北京地區(qū)有地?zé)岱植嫉膮^(qū)域大部分均有第四系覆蓋,且地質(zhì)構(gòu)造非常復(fù)雜,故此物探方法在地?zé)峥碧角捌诳辈橹酗@得尤為重要。在地?zé)峥碧角捌谥袘?yīng)用的傳統(tǒng)的物探方法有重力勘探、磁法勘探、直流電阻率測(cè)深、人工地震勘探等。這些方法從理論到實(shí)踐均較為成熟,在地?zé)峥碧街邪l(fā)揮了一定作用。近幾年我們先后研發(fā)或引進(jìn)多種物探方法,這些方法包括:微動(dòng)測(cè)深、可控源音頻大地電磁測(cè)深(CSAMT)、大地電磁測(cè)深(MT)、連續(xù)(陣列)大地電磁測(cè)深剖面(DPEM)、大地電磁場(chǎng)巖性探測(cè)系列。利用常規(guī)的一些物探手段,已經(jīng)成功地為多個(gè)地?zé)崽锏拈_發(fā)進(jìn)行了前期論證工作,累計(jì)定井幾十眼,成功率在90%以上,熱儲(chǔ)層深度、水量、水溫、預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率在70%以上。但是隨著城市建設(shè)的發(fā)展,城市遍布各種電纜及地下管網(wǎng),建筑林立,加之勘探深度的加深,常規(guī)的物探方法很難開展,物探方法勘查精度大大降低。再者近幾年涌現(xiàn)了一些所謂新方法、新技術(shù),由于未能對(duì)其在地?zé)峥碧筋I(lǐng)域有效性加以系統(tǒng)研究,盲目應(yīng)用,導(dǎo)致物探解釋推斷誤差過大,以至增加了鉆探風(fēng)險(xiǎn),造成了較大的損失。1地表巖性探測(cè)類方法應(yīng)注意的問題通過與已知鉆井資料詳細(xì)對(duì)比,分析各種物探方法在北京地?zé)豳Y源前期勘查中的應(yīng)用效果,深入討論北京城區(qū)物探工作的特點(diǎn),總結(jié)出在北京地區(qū)有效的地?zé)嵛锾椒椒ㄊ侵亓?、磁法、直流電阻率測(cè)深以及微動(dòng)測(cè)深、大地電磁測(cè)深、可控源音頻大地電磁測(cè)深等方法,其理由是:這些方法經(jīng)過國內(nèi)外長期研究,理論比較成熟,并且長期用于國內(nèi)外的地?zé)岷褪涂碧筋I(lǐng)域,并建立了一套完善的技術(shù)規(guī)范;這些方法成井效率較高,雖然也有失誤,但失誤原因較清楚,只要加以重視即可避免;通過總結(jié),今后若能將北京地區(qū)全部鉆孔資料整理出來物探解釋精度還能進(jìn)一步改善和提高。大地電磁場(chǎng)巖性探測(cè)類方法從理論到實(shí)踐均不很成熟,應(yīng)用效果較差,在地?zé)峥辈橹袑?duì)地質(zhì)推斷產(chǎn)生了誤導(dǎo),造成了一定的損失。對(duì)于這類方法還需加大研究力度,不斷探索。1.1應(yīng)用成果與實(shí)測(cè)對(duì)比該方法根據(jù)地層橫波波速特征,對(duì)不同時(shí)代、巖性地層加以劃分。自1995年以來,在北京應(yīng)用該方法進(jìn)行地?zé)峥辈?地?zé)峋捌诳尚行哉撟C工作,與其他物探方法結(jié)合,綜合解釋推斷,取得了較好的應(yīng)用效果。先后完成了“來廣營至望京地區(qū)地?zé)嵛锾娇辈楣ぷ鳌薄ⅰ吧澈又涟赘〉貐^(qū)地?zé)豳Y源調(diào)查項(xiàng)目”以及“北京城區(qū)地?zé)豳Y源潛力調(diào)查項(xiàng)目”。在帝京花園、花鄉(xiāng)、來廣營、計(jì)委培訓(xùn)中心、北京市地質(zhì)勘察技術(shù)院、北京大學(xué)等地?zé)峋尚行哉撟C工作中投入了該方法,經(jīng)實(shí)際鉆探驗(yàn)證,該方法解釋推斷精度在±10%以內(nèi)1。圖1是在豐臺(tái)某小區(qū)地?zé)峋捌诳辈楣ぷ魉龅奈?dòng)測(cè)深勘探成果與鉆井實(shí)際揭露成果對(duì)比資料。由圖可見勘探結(jié)果與實(shí)鉆結(jié)果吻合很好。在此地區(qū)利用微動(dòng)測(cè)深方法較準(zhǔn)確地推斷了“良鄉(xiāng)—前門”斷裂位置,為井位選擇與設(shè)計(jì)起到了重要作用,經(jīng)鉆井驗(yàn)證成功地打出一眼高溫(88℃)高產(chǎn)(2000m3/d)的地?zé)峋?開辟了1個(gè)新的地?zé)崽?。通過10個(gè)已知地?zé)峋Y料與微動(dòng)測(cè)深解釋推斷資料對(duì)比統(tǒng)計(jì)分析,可以認(rèn)為:微動(dòng)測(cè)深方法解釋推斷誤差較小,最小誤差為0.6%,平均誤差為±6.9%。其解釋精度較高,對(duì)其合理利用與其他物探方法綜合解釋推斷定會(huì)取得滿意的測(cè)深成果。1.2csamt方法該方法由人工向地下供入音頻諧變電流建立電磁場(chǎng),通過儀器在地面接收從地下反饋來的帶有地層特征的信息,根據(jù)不同時(shí)代、巖性地層電性特征達(dá)到勘查目的。該方法橫向、縱向分辨率均較高。通過9眼已知地?zé)徙@井資料與方法解釋推斷資料對(duì)比統(tǒng)計(jì)得知,目的層(薊縣系)推斷誤差較小平均為7.8%(劉延忠等,2001)。該方法在東高地、大東流、良鄉(xiāng)西營、北苑等地?zé)峋捌诳辈楣ぷ髦袑?duì)井位的選擇與鉆井設(shè)計(jì)發(fā)揮了很好的作用。如在東高地地?zé)峋捌诠ぷ髦?由于其有較高的橫向分辨率,查明了該地區(qū)的斷裂構(gòu)造,確定了凸凹相間的構(gòu)造格局,為選擇井位提供了依據(jù),使該井獲得較理想的出水溫度與出水量,開辟了又一個(gè)地?zé)嵝聟^(qū)。圖2為CSAMT推斷結(jié)果與實(shí)際鉆孔對(duì)比,從該方法推斷電阻率直方圖上可以看出,自上而下可分為3個(gè)電阻率層,對(duì)應(yīng)第四系為低阻層,對(duì)應(yīng)奧陶、寒武系及青白口系為中阻層,對(duì)應(yīng)薊縣系為高阻層。這說明用此方法劃分存在電阻率差異的地層,尤其是確定具有高電阻率的熱儲(chǔ)層薊縣系,是十分有效的。1.3觀測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用該方法基本原理與可控源音頻大地電磁測(cè)深方法類似,只是利用的場(chǎng)源為天然場(chǎng)源。該方法一般不宜在北京這樣電磁干擾嚴(yán)重的城市工作。但是在北京的實(shí)踐表明:在個(gè)別地區(qū)(遠(yuǎn)離城區(qū))以及個(gè)別時(shí)段(例如夜間),尚能觀測(cè)。通過人工資料處理與編輯,還可進(jìn)一步壓制干擾。如在槐樹嶺、南宮、馬甸的地?zé)峋捌诳辈橹腥〉昧吮容^好的成果。圖3為該方法推斷成果實(shí)際鉆孔對(duì)比。從圖中電阻率直方圖可以發(fā)現(xiàn)自上而下分為2個(gè)主要電阻率層,上部低阻層對(duì)應(yīng)第四系及白堊系,下部高阻層對(duì)應(yīng)薊縣系。此方法在克服電磁干擾的前提下,確定熱儲(chǔ)層薊縣系也是比較有效的。通過對(duì)6口井的資料計(jì)算統(tǒng)計(jì),地層界面推斷誤差為8.7%1,已達(dá)到物探精度要求。1.4北京地?zé)峥碧綉?yīng)用此類方法皆以天然電磁場(chǎng)為場(chǎng)源,只是數(shù)據(jù)采集、處理分析手段各有不同,近幾年才在北京地?zé)峥辈轭I(lǐng)域應(yīng)用,分別是:陣列巖性探測(cè)、大地電磁巖性探測(cè)、大地電場(chǎng)巖性探測(cè)、大地頻譜測(cè)深等。(1)成井前后對(duì)于我國使用的固體法,也很難準(zhǔn)確界定,這也與激發(fā)人們對(duì)于工作的能力有失公允該方法投入北京地區(qū)地?zé)峥辈闀r(shí)間較晚,做了許多已知井實(shí)驗(yàn),但所做的工作均在成井后進(jìn)行的,不具有說服力。再者若將此結(jié)果與那些成井前作出推斷的物探方法同樣加以評(píng)價(jià),這樣做有失公允。在此不對(duì)該方法進(jìn)行評(píng)價(jià),有待今后在實(shí)踐中對(duì)其逐步認(rèn)識(shí)。(2)次場(chǎng)觀測(cè)的必要性由于觀測(cè)的天然場(chǎng)與大地電磁測(cè)深方法為同一場(chǎng)源,包含有地下信息,數(shù)據(jù)采集頻點(diǎn)較密,振幅跳躍有的與地下信息有關(guān),仔細(xì)辨別,也會(huì)發(fā)現(xiàn)有意義的異常。但該方法仍然存在著一些問題:①重復(fù)觀測(cè)一致性不好,方法原理上沒有解決天然電磁場(chǎng)隨時(shí)間變化和電磁干擾等技術(shù)問題,振幅跳躍,大部分反映了天然電磁場(chǎng)隨時(shí)間變化的電磁干擾,容易被誤導(dǎo);②此方法儀器只觀測(cè)二次場(chǎng),這種說法是缺乏依據(jù)的。在天然電磁場(chǎng)隨時(shí)間變化問題和人文電磁場(chǎng)干擾沒有解決,采用微分只能放大觀測(cè)信息中的干擾信號(hào);③解釋標(biāo)志與實(shí)踐不吻合,只有觀測(cè)者自己能解釋。(3)目的層解釋深度誤差此方法參加統(tǒng)計(jì)的有6口井井旁勘查資料:JR-92、JR-95、JR-73、十三陵、湯熱-49、航三院地?zé)峋Ｄ康膶咏忉屔疃日`差平均為19.9%(劉延忠等,2001)。此方法存在的最大問題:①重復(fù)觀測(cè)一致性不好;②此方法處理出來的3條曲線,理論上說不清楚;③從解釋標(biāo)志劃分出許多含水層,符合的較少,不符和的較多,若與地質(zhì)資料結(jié)合不好,將會(huì)被誤導(dǎo)。(4)巖性探測(cè)類方法此方法參加統(tǒng)計(jì)的井旁資料有:香山地?zé)峋?、航三院地?zé)峋?、SR-4、JR-93、十三陵、JR-94、JR-92、木樨園地?zé)峋R-84等。其推斷熱儲(chǔ)層深度平均誤差為:25.4%1,是巖性探測(cè)類幾種方法中誤差最大的。該方法在航三院(地處云崗)地?zé)峋@井前推斷目的層深度誤差達(dá)600m(大地電場(chǎng)巖性探測(cè)法在此之前進(jìn)行過探測(cè),與實(shí)鉆誤差大達(dá)1184m),使鉆井不得不由設(shè)計(jì)的3620m加深到4120m才終孔。該方法不僅造成了很大的深度風(fēng)險(xiǎn),而且由于其誤導(dǎo),更為遺憾的是錯(cuò)過了在此井南側(cè)約1km處最佳井位選擇,這口井已經(jīng)報(bào)廢(圖4)。該方法主要問題:①儀器是北京大學(xué)研制的Ⅰ、Ⅱ型儀器,性能與方法存在不少問題;②由于曲線較亂,解釋標(biāo)志很難與實(shí)際吻合。上述各方法對(duì)熱儲(chǔ)層薊縣系具體解釋推斷誤差見表1。2地面?zhèn)燃?xì)質(zhì)材料通過對(duì)大量已知鉆孔前期投入的各種新方法的有效性對(duì)比分析,北京地區(qū)地?zé)峥辈樾Ч^好的新方法是微動(dòng)測(cè)深、可控源音頻大地電磁測(cè)深以及大地電磁測(cè)深和連續(xù)(陣列)電磁剖面測(cè)量等。這些方法理論成熟,并經(jīng)多年國內(nèi)外應(yīng)用,取得了較好的應(yīng)用效果,解決了許多地質(zhì)難題。我們建議在今后的地?zé)峥辈橹?根據(jù)不同地質(zhì)構(gòu)造背景、區(qū)域物性特征,盡可能應(yīng)用這些物探方法。按照合理的工作程序開展工作,解釋推斷時(shí)要充分參考區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造情況,且不可就物探而物探,孤立地解釋分析。北京平原區(qū)過去做過面積性的重力勘查、航磁勘查(地面磁勘查)、直流電阻率測(cè)深等工作,這些資料目前仍是重要的基礎(chǔ)資料。北京地區(qū)重力勘探數(shù)據(jù)受干擾最小,工作條件受限制也少。應(yīng)借助已知鉆孔資料及地層密度特征,做進(jìn)一步的定量解釋。重新處理中必須把新生界密度界面影響剝?nèi)?直接找尋熱儲(chǔ)層界面。北京平原區(qū)侏羅系(磁性地層)廣泛分布,它的厚度與分布是地?zé)峥辈橹斜仨毧紤]的因素,因此應(yīng)用航空磁測(cè)資料研究北京平原區(qū)火山巖的分布與厚度是一項(xiàng)重要技術(shù)措施。直流電阻率測(cè)深資料有必要進(jìn)行再處理,利用現(xiàn)有的先進(jìn)的反演軟件,對(duì)這些資料再處理解釋,利用統(tǒng)計(jì)的北京地區(qū)各時(shí)代地層測(cè)井電阻率進(jìn)行地層縱向劃分。地面物探眾多方法中不外乎有2大類工作方式。一類為位場(chǎng)法的測(cè)量,另一類是可以立體測(cè)量不同深度物理場(chǎng)的方法,簡稱測(cè)深法。位場(chǎng)法一般測(cè)的是天然場(chǎng)源,如重力、磁法、放射性等。它接收的是穩(wěn)定的場(chǎng)值,在1個(gè)測(cè)點(diǎn)上只有1個(gè)數(shù)值。它一般要用地面上多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)(1個(gè)區(qū)域)才能反映出物理場(chǎng)的分布特征。在1條線上的觀測(cè)值組成剖面曲線,由多條平行的剖面可以組成平面數(shù)據(jù)。測(cè)深方法一般要建立1個(gè)變化的人工場(chǎng)(少數(shù)利用變化的天然場(chǎng)),在原地布1個(gè)接收系統(tǒng)就可以了解到不同深度的物理量,即得到1條垂向剖面。每一種單一的物探方法,都有其局限性以及應(yīng)用物性前提。從理論上來講,其理論推導(dǎo)均是建立在特定的理想化的邊界條件基礎(chǔ)上而得來,實(shí)際地下地質(zhì)構(gòu)造狀況與理論邊界條件有時(shí)相去甚遠(yuǎn),這時(shí)物探方法的應(yīng)用效果可想而知了。任何一種物探方法在城市中開展,其觀測(cè)數(shù)據(jù)均會(huì)受到外界干擾信號(hào)影響,同時(shí)客觀地理環(huán)境影響、觀測(cè)質(zhì)量不高、計(jì)算偏差、物性前提不充分等因素,這些都會(huì)使單一物探方法解釋推斷產(chǎn)生誤差。采用單一的物探方法進(jìn)行解釋推斷得出的結(jié)論是片面的,有時(shí)誤差較大。如香熱-1井、航三院井、槐樹嶺井、JR-105等,均只采用一種物探方法,解釋誤差較大。香熱-1井只采用了“大地頻譜”方法,該方法本身就是一種不成熟的方法,該井前期推斷熱儲(chǔ)層深度誤差達(dá)23%;航三院井也只采用了“大地頻譜”方法,推斷誤差為16%;JR-92井只采用了DPEM方法,該方法解釋的電阻率界面十分清楚,地質(zhì)設(shè)計(jì)時(shí)推斷熱儲(chǔ)層埋深未采用此方法解釋界面深度數(shù)值,若當(dāng)時(shí)投入了另外一種測(cè)深方法,2種方法相互印證,會(huì)得出相對(duì)正確的結(jié)論,該井推斷誤差為23%。由此可見單一物探方法解釋推斷是不行的。為了減小物探推斷誤差,除了提高單方法本身的能力外,采用多方法組合勘探是必要的。多種方法組合在一起,可以相互彌補(bǔ),取長補(bǔ)短。以不同的物性前提來論證同一目標(biāo)物,會(huì)得到合理、客觀的推斷結(jié)論。地?zé)嵛锾焦ぷ鲬?yīng)由多方法組合完成,特別是要根據(jù)地質(zhì)任務(wù)合理選擇不同類方法(平面測(cè)量和測(cè)深方法)進(jìn)行組合。這2類中的具體方法的選擇則要考慮目的層的物理前提。這個(gè)物理前提就是目的層與其他地層的物性差異。這種差異要足夠大才能反映到物理場(chǎng)中,被儀器觀測(cè)到。如在坨里豐臺(tái)凹陷中,第三系、白堊系都是低電阻率巖層,而基底碳酸鹽巖都是高電阻率,兩者之間物性差異明顯,電磁類方法的效果就比較好。如果在凸起上,第四系下存在中生界侏羅系及古生界地層而熱儲(chǔ)層為薊縣系,他們之間電阻率差異不明顯,這時(shí)用電磁類方法將不會(huì)取得好的效果。這時(shí)就要利用巖石的其他物性差異,選擇另一種方法進(jìn)行分析。如應(yīng)用微動(dòng)測(cè)深方法,根據(jù)波速差異進(jìn)行地層劃分。根據(jù)北京地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造情況,對(duì)于不同地質(zhì)構(gòu)造單元推薦如表2所列的方法組合。3做好資料收集和解釋工作地?zé)嵛锾焦ぷ鞯拈_展必須遵循一套合理、有效的工作程序,才能保證工作質(zhì)量,做出正確的解釋推斷結(jié)論,減少鉆井風(fēng)險(xiǎn),避免損失。筆者認(rèn)為正確的工作程序應(yīng)該如下。(1)接受工作任務(wù)后,先要到實(shí)地踏勘,了解工區(qū)概況。(2)收集已有的資料,對(duì)資料進(jìn)行詳細(xì)論證分析,明確工區(qū)附近的地質(zhì)構(gòu)造背景。收集工作區(qū)地層物性資料。