洛阳市龙门高温地热井的综合物探勘查

洛阳市龙门高温地热井的综合物探勘查
杨守渠;翟雷;铁健康
【摘要】在洛阳龙门西山及洛阳盆地地热勘查中,应用音频大地电场AU测量、放射性α测量、激电测深等综合物探方法,成功确定了4眼隐伏断裂构造型热水井,其中温度最高达98.5℃,水量达96 m3/h.以玉隆苑高温地热井综合物探勘查为例,说明了物探方法在寻找地下隐伏断裂构造型热水中的作用初步探讨了高温地热井的成因.%During the geothermal exploration in Longmenxishan of Luoyang and Luoyang basin, such integrated geophysical methods as audio frequency ground electric field ΔU measurement, radiometric a measurement and IP sounding were employed and, as a result, four hot water wells of concealed faulted structure type were successfully determined, in which the highest temperature reached 98. 5℃ , and the water quantity was as high as 96 m3/h, suggesting the important role of geophysical methods in search for hot water of concealed faulted structure type. The genesis of the high temperature geothermal wells is tentatively discussed in this paper.
【期刊名称】《物探与化探》
【年(卷),期】2012(036)004
【总页数】5页(P562-566)
【关键词】综合物探方法;地热勘查;断裂构造;高温地热井
【作者】杨守渠;翟雷;铁健康
【作者单位】河南省地质矿产勘查开发局第一地质调查队,河南洛阳 471023;河南省地质矿产勘查开发局第一地质调查队,河南洛阳 471023;河南省地质矿产勘查开发局第一地质调查队,河南洛阳 471023
【正文语种】中文
【中图分类】P631
为了开发利用洛阳市的地下热水资源，2003～2005年，利用综合物探方法在洛阳龙门西山及洛阳盆地先后成功地勘查、施工了4眼隐伏断裂构造型热水井。

其中，秦阳重工玉隆园井深966 m，温度98.5℃，水量96 m3/h，温度之高，水量之大，开创了洛阳高温地热井勘查的先河。

1 水文地质、地热地质概况
玉隆苑为龙门景区向西延伸的景点，属低山丘陵地貌，海拔200～270 m，地势
呈南高北低的缓倾斜地形，地形坡角小于10°，现为人工梯田，局部有深3～15 m、宽2～30 m的“V”形或“U”形黄土冲沟。

测区普遍被30 m厚的第四系黄土覆盖。

据区域地质资料，地层由新至老依次为第四系、新近系、三叠系、二叠系、石炭系、寒武系。

第四系（Q）岩性为粉质黏土，厚5～30 m。

勘查区东300 m处沟谷内有一泉水露头，泉水在砂卵石层中溢出，流量约0.2 L/s，四季不干，泉点标高260 m。

新近系（N）岩性为粉质亚黏土、亚砂土、砂质黏土岩和钙质砂质砾岩。

该层上部垂直裂隙较发育，结构较疏松，透水，下部结构较密实，孔隙、裂隙含水，赋水贫乏，泉流量0.1～1 L/s，地下水径流模数1～3 L/（s·km2），HC03-Ca型水。

三叠系（T）岩性为长石石英砂岩、粉砂岩及砂质页岩，层厚区域上为488～694 m，岩石一般较完整，赋水贫乏，泉流量0.1～1 L/s，在构造影响带内赋水性较好。

二叠系（P）岩性为长石石英砂岩、细砂岩、砂质页岩，其中下段夹薄层炭质地层及煤层，层厚区域上59～969 m，岩石含一定的孔隙、裂隙水，赋水贫乏，泉流
量0.1～1 L/s，地下水径流模数1～3 L/（s·km2），HC03-Ca型水。

石炭系（C2+3）岩性为砂质页岩、砂岩与灰岩互层夹薄层状煤层，区域上厚
20～7lm，裂隙一般不发育，泉流量小于1 L/s。

若在构造影响带范围内，则含水
较丰富。

ЭHC03（S04）-Ca型水。

寒武系（3）岩性为白云岩、灰岩、泥灰岩，厚度区域上大于250 m，裂隙、溶洞发育，地下水呈层状分布，含水性中等，泉流量1～10 L/s，地下水径流模数3～
6 L/（s·km2），单井涌水量10～1 480 m3/d，HC03-Ca·Mg型水，矿化度约0.3 g/L，水质良好。

据附近热水井钻探资料，测区的地下含水层组分别为：①第四系、新近系砂卵石层孔隙水，由于附近采煤工程排水的影响，第四系、新近系含水层水量较小；②二叠—石炭系砂岩、灰岩受区域构造影响，破碎、裂隙发育时含构造裂隙、溶隙、溶
洞水；③寒武系灰岩受龙门—吕店含热储断裂F1及其分支F1-1影响，岩石破碎，裂隙、溶隙发育时富含热水，水温高达47～98.5℃。

地下热水与地层岩性和龙门—吕店隐伏深大断裂F1及其分支F1-1关系密切［1］。

不同地层岩性的导水性能和含水性能差别很大。

第四系、新近系黏土层导水性和含水性极差，是良好的隔水、隔热层；二叠—石炭系页岩、完整砂岩、砂质页岩导
水性和含水性差，是较好的隔水、隔热层；寒武系灰岩导水性和含水性好，在有利的地质构造条件下，可形成一定规模的热储体。

龙门—吕店隐伏断裂带走向北西，倾向南西，倾角大于70℃，走向长度大于25 km。

沿该断裂带，在龙门石窟南伊河河滩出露的温泉温度22℃，地热勘探孔温度47～51℃，在西段龙门国家粮库
大院西南围墙附近，热水井孔深300 m，水量50 m3/h，水温51℃。

地热勘探孔及热水井资料表明，龙门—吕店断裂发育在寒武系灰岩地层里，倾角陡，切割深
度大，大气降水及地面流水沿断裂入渗到地下深处，经深循环和围岩正常增温、加热后沿断裂通道上涌，富集于寒武系灰岩顶面和深大断裂附近，形成地下热水的隐伏热储体。

2 物探技术应用
2.1 含水构造的地球物理特性及异常特征
2003～2004年，先后在龙门粮库同一隐伏断裂构造上成功勘查施工两眼水井：热水井孔深254.2 m，静水位89.47 m，水温49.5℃，水量69.18m3/h；凉水井孔深196.7 m，静水位69.72 m，水温18℃，水量20.37 m3/h。

由井孔揭露地层
及井旁电测资料可知地层的电性参数（表1）。

表1 测区地层电性参数地层岩性ρΩ·m η%T h ms第四系干燥黏土夹礓石27～45 0.5～0.7 510新近系不含水砂质黏土 14～16 0.5～0.7 510透水不含水砂砾石18～21 0.5～0.7 510二叠系破碎、含凉水砂页岩15～23 1.5 1300石炭系破碎、含凉水砂页岩、灰岩24 0.8～2.3 1500寒武系破碎、含热水灰岩24～37 0.8～3.1 800
在水井附近的隐伏含水断裂构造上相对背景场有较明显的α高值、ΔU低值异常显示，α背景值3～5 c/min，异常值8～36 c/min，ΔU背景值为1.5～2.3mV，异常值0.2～0.5mV。

由上述可知，断裂构造与围岩相比为ΔU低、α高异常；凉水主要赋存在二叠系砂页岩构造裂隙里，热水赋存在寒武系灰岩构造裂隙里，并且电阻率（ρ）低，极化率（η）、半衰时（T h）等高值异常明显，在该区具有良好的水文地质前提和开展音频大地电场ΔU、放射性α及激电测深的地球物理前提。

据以往大量物探定井勘查资料及已知热、凉水井旁电测资料，该区含水断裂构造的异常特征一般反映为：①在音频、放射性测量剖面平面图上的ΔU低（低阻）、α高异常带；②在激电测深图上，砂卵石含水层为高阻、高激电异常；二叠—石炭
系凉水构造为低阻、高激电异常；寒武系灰岩热水构造为ρs测深曲线呈45°上升
段及附近的低阻、高激电异常。

2.2 方法技术
施工中使用的物探方法包括音频大地电场测量、放射性测量和激电测深。

音频大地电场测量使用原地矿部保定水文方法研究所研制的YDD-B音频大地电场仪。

在测区先用音频（常和放射性α同时）快速扫面测量进行普查，测量极距、
点距为10 m，根据电场强度ΔU低值（低阻）异常结合地形地貌特征，初步判断隐伏断裂构造的延伸、发育情况。

放射性测量使用重庆奔腾数控技术研究所研制的FFA-1快速α数字闪烁辐射仪。

在地热区的深大断裂带上，由于溶于水中的镭、铀、氡等放射性元素将随同地下水从高压区向低压区运动，借助某些扩散、抽吸及对流等作用沿破碎带或裂隙向地表运移，近地表处的水分不断蒸发，放射性元素不断积累增多，形成高放射强度带。

因此，在隐伏热储构造上可观测到明显的α高值异常。

在地热勘查中，α测量常
和音频测量同时进行，或在音频测量的异常地段局部开展α测量，均可取得较好
的找水效果。

α测量点距一般10～20 m。

激电测深使用重庆奔腾数控技术研究所研制的WDJD-3多功能数字直流激电仪。

在测区根据音频ΔU、放射性α异常特征布置激电测深工作，用激电测量得到的
ρs成果图判断地下岩层岩性的变化和赋水构造裂隙的发育情况，用ηs（视极化率）、T H（半衰时）、D（衰减度）等激电参数判断地下水的相对富集部位。

根
据激电测深成果确定井位，划分含水层段，设计井深。

以往大量的找水实践表明，富水段的深度基本上与ηs、T h高值异常出现的电极距对应，由于地电条件不同，通常取深度为0.8～1倍的AB/2。

一般根据ηs、T H高值异常曲线转折点［2］、幅值及对应的ρs曲线特征划分含水层，考虑成井后岩粉沉淀情况设计井深。

2.3 工作布置
音频（与放射性同步）测量剖面及激电测深点分布见图1。

物探剖面布设用罗盘定
向，测绳量距，手持GPS测定剖面坐标。

根据F1热水断裂构造走向及地形条件，布置基本垂直F1走向的音频、放射性测量剖面3条，线距375～750 m，测点距10 m。

其中，3号线穿过勘查区，长度790 m，4号线位于测区南洛—栾公路东，长450 m，5号线从龙门粮库西北围墙北面通过，长度600 m。

激电测深剖面位
于张沟180 m深凉水井北约160 m，Ⅰ剖面由8个测深点组成，用以了解F1隐
伏断裂构造沿倾向深部发育情况，Ⅱ剖面由3个测深点组成，用以了解F1构造沿走向深部发育情况。

图1 秦阳重工玉隆园工区物探工作布置1—音频测量剖面；2—激电测深剖面；3—断裂；4—热水井
3 资料解释
图2为3条音频、放射性剖面测量结果。

由图可知，ΔU背景值为0.1～8.58 mV，低异常0.02 mV；α背景值一般3～5 c/min，高值异常达12 c/min。

在3、4号线的50～60点、5号线的80～90点，均有相对明显的ΔU低、α高值异常显示，异常带位置与F1断裂走向位置基本吻合，推断F1隐伏断裂构造从龙门粮库2号
热水井附近（5号线）至测区东250 m附近（3号线）较发育。

图2 玉隆园测区音频、放射性测量结果
图3 玉隆园Ⅰ线激电测深断面
图3 为Ⅰ剖面激电测深断面。

ρs值在11～33 Ω·m之间变化，从浅到深ρs值由
小变大，根据地层分布，推断从浅到深地层电阻率逐渐变大。

AB/2=40～400m，ρs等值线值为11～26Ω·m，22点下13～18Ω·m等值线向下急剧弯曲呈垂向低
阻异常带，左右两侧为高值并出现两个21～26Ω·m的高阻封闭、半封闭异常圈；据野外地质观察，22点东300 m处有一东西向的黄土冲沟，形态呈“V”或“U”形，沟深3～15 m、宽2～30 m，沟两侧有砂卵石夹层。

根据地质观察及附近凉
水井地层资料和异常特征，推断22点下部垂向低阻异常带为近东西向隐伏断裂构
造引起，其两侧的高阻异常封闭、半封闭圈为第四系、新近系地层中的砂卵石层引起。

AB/2=400～600 m，21～24Ω·m等值线宏观上从左向右（北东向）倾斜，4～18点曲线稀疏、平缓，22～37点曲线角度变陡且在22号点附近局部出现扭曲。

根据地层产状、厚度资料及异常特征推断，二叠—石炭系地层在4～18点产
状平缓，在22～37点受断裂构造影响产状变陡、破碎；在AB/2=600～1 000 m 范围内的高阻异常背景上，4～22点出现25～30Ω·m等值线呈漏斗状向左（南西）陡倾斜的低阻带，为陡倾斜两盘岩性（电性）相同的断层破碎带的特征［4］；26～37点为低阻异常，25～30Ω·m等值线在26点附近陡立而密集，为向右（北东）陡倾断层破碎带的特征。

龙门国家粮库附近Fl断裂带倾向南西，倾角71°，根据产状推测，F1从Ⅰ线东250 m向下延伸到22点深部730 m左右，与AB/2=700 m以下的低阻异常较吻合，因此，推断10～30点之间深部Fl热储构造发育。

Ⅰ线激电测深剖面深部的
低阻、高激电（ηs＞2%，T h＞1 800 ms，D＞60%）异常主要分布在10～18、22～30点之间的 AB/2=800～1 000 m，根据高激电异常对应的AB/2，推断此
深度可能富含地下热水。

Ⅱ线激电测深剖面与F1走向近于平行，由其探测结果（图4）可知，22～18点
在AB/2=800～950 m处的ρs低、ηs高异常明显，井位宜定在22号点附近。

22号点激电测深曲线见图5。

根据曲线特征及1∶100万不同时代地层厚度图推断，0～50 m深度为第四系黄土，50～350 m为第四系砂质黏土岩和钙质、砂质砾岩，350～600 m为二叠—石炭系砂岩、泥岩、灰岩，600～1 000 m为寒武系灰岩，其中900～1 000 m深度段灰岩破碎，为主要热水层段。

设计井位定在22～26测深点之间，设计井深1 000 m。

经钻探，井孔地层、含水层与物探推断基本吻合，终孔井深966 m，水温98.5℃，涌水量96 m3/h，静水位131 m，经反复抽水试验，动水位121.18 m，比静水
位升高9.28 m；经取水化验分析，除含氟稍高外，其他各项指标均达到国家饮用
优质矿泉水的标准。

该井是洛阳目前温度最高、水量最大的一眼热水井，如此高的水温和涌水量，尤其是抽水时动水位高于静水位在我国大陆腹地罕见。

物探方法在洛阳市龙门西山玉隆苑高温地热井的成功勘查，圆满解决了该区对热水的需求。

图4 玉隆园Ⅱ线激电测深断面
图5 Ⅰ线22点激电测深剖面
4 高温井成因初步探讨
龙门北2.5 km的洛阳盆地（河南省地矿局地调一队家属院）的1 604.27 m深水井，水量82 m3/h，水温54℃，与玉隆园井均为隐伏断裂构造型热水。

经对比分析认为，玉隆园井水温高的原因可能有两点：①该井施工在南西陡倾的F1断裂与另一倾向北东、产状陡立的隐伏断裂的交汇部位；②该井处的隐伏热储断裂切割深度大，由1 604.27 m热水井粗略计算的地热增温梯度为3.37℃/百米，据此推算，玉隆园热水井揭露的隐伏热储断裂的切割深度超过2 900 m。

要想在龙门地热田继续勘查寻找高温热水，应遵循从已知到未知的原则，从玉隆园高温热水井沿F1等断裂走向做面积性的放射性α测量和大深度瞬变电磁测量工作，详细查明F1等隐伏断裂的产状、延伸，在重点部位开展激电测深，确定井位，设计井深，可望继续勘探出类似的高温热水。

参考文献：
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