CSAMT在碎屑巖地區地熱勘查中的應用

尚通曉，關藝曉，閔 望，劉曉瑜，梅 榮

（1. 國土資源部地裂縫地質災害重點實驗室，南京 210046； 2. 江蘇省地質調查研究院，南京 210046）

CSAMT在碎屑巖地區地熱勘查中的應用

尚通曉1,2，關藝曉1，2，閔 望1,2，劉曉瑜1，2，梅 榮1，2

（1. 國土資源部地裂縫地質災害重點實驗室，南京 210046； 2. 江蘇省地質調查研究院，南京 210046）

碎屑巖因質軟，導水、儲水條件不良，通常作為地熱有利保溫蓋層，而碎屑巖電阻率普遍低，厚度大的情況下形成低阻屏蔽層，勘探下伏有利儲層難度極大,尋找碎屑巖中構造裂隙水是最佳的選擇。但碎屑巖中的儲水構造與圍巖電阻率差異小，構造跡象微弱，因此在碎屑巖地區找地熱技術含量較高。茅山鎮位于句容盆地東緣茅山西側，沉積了厚度超過1800m的白堊系碎屑巖，水文地質條件較差，本文應用CSAMT大范圍普查、小范圍精細查證布置方式，采用磁場插值校正的技術手段、收發距選取優先保證信噪比的思路，控制白堊系碎屑巖中儲水斷裂構造，克服低阻的碎屑巖地區構造異常微弱的難點。鉆探驗證結果表明，CSAMT可以經濟有效地應用于碎屑巖地區地熱勘查。

地熱;CSAMT;碎屑巖;靜態效應;白堊系

0 前言

地熱資源勘查工作不僅與地熱地質條件有關，還受限于開發者的用地位置和整體規劃利用。因此，地熱勘查已不再局限于地熱地質條件較好的地區，往往不得不在熱儲條件差的地區開展工作。碎屑巖地區在下伏有利儲層埋深很大的情況下，開采的成本和風險明顯增大，碎屑巖富水性較差，但在斷裂帶及附近，砂礫巖、砂巖尤其是鈣質砂礫巖中具有裂隙發育條件。因此，尋找深部斷裂裂隙型地熱水是最佳的選擇。

碎屑巖地區尋找構造的難點在于富水性相對差，整體電阻率低，因此構造異常跡象不明顯，熱儲信息弱，尤其在低阻覆蓋、斷裂構造規模不大的情況下。常規的直流電法勘探、核磁共振等方法在地質條件較差的貧水地區找水，已取得一定的效果[1～2]，但這些方法勘探深度有限，尤其在低阻覆蓋地區。天然場源的音頻大地電磁測深勘探[3]、大地電場巖性測深技術[4]深度大、施工便利，但地熱資源開發區往往位于經濟發達，人文干擾嚴重的地區，天然場源的探測方法抗干擾能力差[5]，難以得到高質量數據，熱儲信息容易被干擾所掩蓋。

可控源音頻大地電磁測深法[6～7]（簡稱CSAMT），探測深度大，具有較高的縱向和橫向分辨率，對低阻體位置、寬度定位較準，特別適合具有良導特性的斷層破碎帶的探測[8]，廣泛應用于地熱資源勘查鉆探孔位布置[9～10]。

1 地質背景

調查區大地構造上位于下揚子地塊東段，句容盆地東緣，茅西斷裂帶西側，區內被厚約3m的第四系覆蓋，第四系之下沉積了厚層白堊系浦口組(K2p)和葛村組(K1g)，根據ZK12鉆孔，推測區內白堊系厚度超過1800m（圖1）。

浦口組(K2p)上段為紫紅色砂礫巖、鈣質巖屑砂巖，粉砂巖，鈣質粉砂質粘土巖、粘土巖夾薄層泥灰巖組成不等厚向上變細的半韻律旋回，下段為紫紅色復成分巖塊角礫巖、礫巖夾火山角礫—集塊巖、巖屑砂巖；葛村組(K1g)巖性為暗紫紅、暗棕、灰綠、黑色泥巖，粉砂質泥巖或為互層，其下部為灰白色砂巖及礫巖，見鈣質結核和鈣質膠結，礫巖厚度較大，代表斷陷初期以沖積扇相為主的山間盆地沉積，不整合于大王山組安山角礫凝灰巖、安山凝灰巖之上[11]。

圖1 研究區地質圖(含剖面位置)

調查區位于茅山推凸茅西斷裂帶西側。區域性構造有北東向茅山斷裂、北西向南京—溧陽斷裂和北西西向薛埠斷裂。新構造活動較為活躍，以差異升降和斷裂活動為主[12]。新構造活動與地熱有著密切的關系，它們控制著有關地熱異常的分布，是重要的控熱控水構造。

本區巖石圈厚度100km左右，居里面（560℃）深度約35km，大地熱流值62mw/m2，白堊系（K）地層中地溫梯度為30.5℃/km。區內地下熱水的熱源主要來自地下深處，地熱主要通過自然增溫形成，熱儲含水層埋藏越深，水溫越高。因此，要開發一定溫度的地熱水，熱儲含水層需要有一定的深度，按3.05℃/100m的地溫梯度計算，理論上本區含水層埋深1000m時，地熱水溫度可達45℃左右，含水層埋深1500m時，地熱水溫度可達60°左右。

2 CSAMT原理

可控源音頻大地電磁測深（CSAMT）通過分析地面觀測到的由人工可控制的電磁波信號在地球介質中激發的電磁波場來達到勘探地球內部導電結構的目的，工作頻率一般0.125～10kHZ，勘探深度通常在3000m以內，由于該方法采用了人工信號源，能壓制干擾，提高信噪比，采集高質量數據。

CSAMT基本原理基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組，由此導出電磁波的趨膚深度δ=503√ρ?f，式中ρ為均勻大地電阻率，f為頻率。電磁波的傳播深度（或探測深度）與頻率成反比。高頻時，探測深度小；低頻時，探測深度大。通過改變發射頻率來改變探測深度，從而達到變頻測深。

卡尼亞電阻率ρs的表達式[6]：

式中，Ex為電場水平分量，Hy為與之垂直的磁場水平分量，f為頻率。

在地面上觀測到這兩個正交的水平電磁場(Ex和Hy)就可獲得觀測點卡尼亞電阻率。對觀測的視電阻率進行反演就可獲得探測深度范圍內的電性結構。

CSAMT的主要優勢在于：①使用可控制的人工場源，信號強度比天然場要大得多，因此，可以在干擾的城鎮區開展工作；②由于是比值測量，可減少外來的隨機干擾，并減少地形的影響；③基于電磁波的趨膚深度原理，利用改變頻率而不是幾何尺寸進行不同深度的電測深，提高了工作效率；④橫向分辨率高，可靈敏地識別構造和目的層[13]。

CSAMT以電性差異為基礎，判斷斷裂構造帶的存在通常以中間低兩側高，或者高低阻接觸面為異常特征[9]。當圍巖電阻率較高的時候，斷裂構造帶因充水產生的低阻異常與圍巖差異明顯，可以產生明顯的異常特征，而白堊系碎屑巖電阻率本身較低，斷裂構造產生的低阻異常與圍巖差異小，即使深部存在斷裂構造，地表觀測到的異常幅度也不大。

CSAMT本身又有靜態效應和人文干擾的影響，降低斷裂構造解譯的可靠性，使本來就弱的裂隙熱儲信息容易被假異常所掩蓋。CSAMT中靜態效應強度可達兩個數量級，在推斷深度時會引起較大的誤差，并使構造的解譯復雜化，CSAMT資料的解釋剖面上，因靜態偏移的影響往往出現虛假的陡立深大斷裂或垂向大延深的異常體[7]。人文干擾使CSAMT原始數據畸變，引起的假異常幅值常常大于由斷裂構造引起的異常。因此，碎屑巖地層中尋找斷裂構造的難度，風險高，關鍵在于準確確定構造異常的位置和可靠性。

3 工作布置

3.1 測線布置方案

首先在工作區布置長度9km的普查剖面，方位為近南北向，點距50m，目的是初步圈定北西向和北東向斷裂構造位置。隨后在有構造跡象的異常部位布置加密測線，對異常進行評價，判斷是否由斷裂構造引起。

3.2 儀器設備和工作裝置

本次工作使用的儀器設備為美國Zonge公司研制的GDP-32Ⅱ電法工作站，TM測量模式，赤道裝置，每7個電場共用1個磁場，點距50m，AB=1.5km，頻率范圍0.25～8192HZ，高頻電流在3A以上，中低頻電流23A以上。

3.3 確定目標勘探深度

通常根據目標勘探深度確定收發距，而在本區應通過收發距確定目標勘探深度。

收發距是勘探深度和信噪比的折衷，根據所探測目標的規模和深度，通常選取通常3～6倍的目標勘探深度作為最小收發距[14]，在信噪比可以滿足勘探精度的前提下，盡可能增大收發距，以減小近場效應，即根據目標勘探深度確定收發距。

由于白堊系碎屑巖熱儲信息弱，即便是干擾引起的視電阻率曲線小幅畸變，都會使假異常掩蓋真實的熱儲構造，收發距的選取優先考慮信噪比。通過收發距的對比試驗（圖2）選取4.8km左右作為本區收發距，以保證原始數據質量，而后根據收發距確定目標熱儲構造深度和設計鉆孔深度為1.6km左右，即根據收發距確定目標勘探深度。

3.4 數據處理

數據處理流程見圖3。

普查剖面長度為8km，而供電極距為1.5km，偏離供電極中垂線的測點磁場均勻性差[15]，而本次CSAMT工作裝置采用每7個電場共用1磁場，共用的磁場不能代表遠離磁棒的測點，需要對每個測點的磁場進行校正，防止在相鄰排列連接處出現假異常。磁場校正的方法為，根據相鄰兩個排列的磁場，按照距離將磁場的變化分配到這兩個磁場之間的測點，使磁場在相鄰測點之間均勻變化（圖4）。

圖2 收發距試驗

圖3 數據處理流程圖

圖4 磁場校正對比圖

完整的CSAMT數據通常包含了遠區、過渡區與部分近區的數據，過渡區數據仍具有頻率測深能力，可以有效擴展CSAMT最大探測深度。帶場源的CSAMT一維反演技術[14,16]更有效地消除非平面波效應影響，充分利用過渡區頻點數據。

4 成果資料與解譯

圖5為普查剖面（L1）處理結果，由圖可見，區內電阻率整體分為4個電性層，按照電阻率的相對高低自上而下依次為：低阻—次高阻—低阻—高阻。結合地質資料自上而下推測為：浦口組(K2p)上段粉砂巖、泥巖（0～100m），浦口組(K2p)下段礫巖（100～700m左右），葛村組(K1g)上段泥巖、粉砂巖（700～1400m左右），葛村組（K1g)下段砂礫巖（1400m～探測深度范圍）。

相對高阻的浦口組下段和葛村組下段砂礫巖是本區相對較好的地熱儲層，為保證一定的水溫，深部的葛村組下段是最佳的選擇。圖5中深部電阻率有多處橫向不連續，2800點、3800點、5200點、5600點、6100點均出現的構造異常跡象，表現為電阻率在深部的臺階式變化或“V”字形低阻異常。尤其是6100點附近，100～700m深度的次高阻層缺失，而深部高阻層出現“V”字形低阻異常，作為本區重點驗證位置。

圖5 普查剖面(L1)反演結果圖

為對已發現的異常進行評價和驗證，在普查剖面東側100m處布置一系列長度在1～2km驗證剖面。經過驗證大部分的異常在驗證剖面上沒有延續性，例如L9線，異常位置和形態與普查剖面難以對應，如圖6所示。而6100點附近的異常經多個驗證剖面查證，在多條平行的測線上均有異常反映（圖7），推斷為斷裂構造。

為進一步查證異常的可靠性，排除場源效應的影響，布置東西向測線兩條。在南北向測線2、3、5、7推斷構造的相應位置，10線和20線也存在電阻率異常（圖8）。經過反復驗證，確定了普查剖面6100號測點深部的斷裂構造。

本區位于茅山斷裂帶附近，新構造運動活躍，活動的斷裂是溝通深部熱源的良好通道。斷裂構造既是地下熱水導水通道，也容易在含鈣質地層中產生裂隙巖溶熱儲。根據電阻率縱向變化特征，1200m以深為相對高阻層，推測為葛村組下段。高阻地層通常巖性硬脆，泥質含量相對低，在斷裂構造位置裂隙相對發育。同時，葛村組下段含鈣質結核和鈣質膠結，在斷裂構造部位可能發育巖溶。推測的斷裂位置在深部也反映相對低阻異常特征，如推斷正確該構造是本區良好的控熱儲水構造。

圖6 2500～4200異常驗證剖面（L9）結果圖

圖7 6100點異常南北向驗證剖面結果圖

圖8 6100點異常東西向驗證剖面結果圖

根據上述分析，結合施工條件，布設驗證孔位于3線6200點，設計孔深1500m。本井揭露地層為第四系、白堊系浦口組、葛村組，根據測井及巖屑、巖芯資料，其特征如下：①第四系 (Q)，由褐黃色、雜色、灰色粉質粘土、粘土組成，呈不等厚互層，結構松散，底界深度約10m。②白堊系浦口組(K2p)，紫紅色粉砂巖、泥質粉砂巖，局部夾灰色、灰褐色塊狀礫巖夾含礫砂巖，底界埋深495m。③白堊系葛村組（K1g），灰、灰紫、紫紅色砂巖、粉砂巖等陸相碎屑巖，局部夾沉火山角礫、沉角礫凝灰巖。在孔深300～495m、800～1400m段有破碎現象，為含水儲層。通過洗井、抽水試驗，獲得井口水溫48℃、出水量500m3/d的地下熱水。

5 結論

采用大功率CSAMT數據采集系統，選取合適的收發距，獲取高質量數據，克服低阻屏蔽和人文干擾。

低阻區熱儲信息弱的條件下，以數據質量優先的原則，根據收發距確定勘探深度，避免了盲目增大勘探深度帶來的假異常。

根據測區地質條件，放棄傳統的多條平行測線來控制斷裂構造的布置方式。采用長剖面大范圍普查，小范圍多測線多方位查證異常的方式，控制已發現的異常，提高了工作效率，保證了斷裂構造的準確性。

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Application of CSAMT to Geothermal Exploration in the Clastic Rocks

SHANG Tongxiao1.2, GUAN Yixiao1.2, MIN Wang1.2, LIU Xiaoyu1.2, MEI Rong1.2
(1. Key Laboratory of Earth Fissures Geological Disaster, Ministry of Land and Resources, Nanjing 210046; 2. Jiangsu Geological Survey, Nanjing 210046)

Clastic rocks may be formed as the favorable geothermal heat cap, because they have such characteristics as lower conductivity and storage of water, and soft texture. However, the lower electronic resistivity of clastic rocks is easy to form the lower resistivity shielding layer under a large thickness. In this case, it is diffi cult to prospect the favorable geothermal reservoir underlain in the massive clastic rocks, and it is necessary to fi nd structural fi ssure water in clastic rocks. However, structural signs are not so obvious because of small resistivity difference between the structure of the storage water and surrounding rocks. So it needs utilizing the high-tech to fi nd geothermal resources in the clastic rock area. The investigation area is located in Maoshan town, on the west of Maoshan Mountains, belongs to the eastern margin of the Jurong-Basin. According to the borehole data, it estimates that there are more than 1800-meter thick layer of Cretaceous clastic rocks deposited in the investigation area with the poor hydrogeological conditions. We used the CSAMT to survey generally in wide range, and to check accurately in small range. In addition, we adopted the magnetic fi eld interpolation correction techniques, and guaranteed fi rstly the noise-signal ratio in the selection of transmit-receive distance. By these methods, we have found out the water-bearing fault structure, and overcome the exploring problems in the clastic rocks with low resistivity. The drilling results also show that the CSAMT is economic and effective in the geothermal exploration of clastic rocks .

Geothermal exploration；CSAMT；Clastic rocks；Static effect；Cretaceous System

P314；P631.3

A

1007-1903（2015）03-0077-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2015.04.015

中國地質調查局“江蘇省地熱資源現狀調查評價與區劃”（12120113077300）

尚通曉(1984- )，男，碩士，工程師，主要從事電磁法生產和研究工作。E-mail：tongxiao_shang@163.com

關藝曉(1983- )，女，碩士，工程師，主要從事物探研究工作。E-mail：yixiaohehe@qq.com