CSAMT法在湯池地熱溫泉勘探中的應用

王坤坤, 田成富, 李 彥

(湖北省地質局 地球物理勘探大隊,湖北 武漢 430056)

CSAMT法在湯池地熱溫泉勘探中的應用

王坤坤, 田成富, 李 彥

(湖北省地質局 地球物理勘探大隊,湖北 武漢 430056)

以湖北省湯池地熱勘查項目作為實例,對CSAMT方法從原理、野外工作方法、數據處理技術等方面進行詳細的介紹,并對其找水效果、方法優缺點進行分析評價。與傳統找水方法相比,該方法勘探深度大、分辨率高,數據處理后得到的電阻率斷面圖能真實地反映地下電性結構。特別是勘探區地下含水構造,與圍巖有明顯的電性差異,CSAMT法勘探結合定性分析可間接為尋找地下熱水資源提供靶區。CSAMT方法在地熱溫泉勘探中具有不可替代的優勢，其在湯池地熱溫泉勘探中的應用經驗在類似找水項目中具有示范和推廣意義。

溫泉;可控源音頻大地電磁法;找水效果

地熱是一種清潔的資源,溫泉中含有對人體有益的多種礦物質,隨著經濟的增長和旅游業的發展,人們對溫泉旅游的消費也在迅速增長。湖北省應城市湯池地區地下熱水資源豐富,但因為以前采用傳統電法開展勘探工作所取得的效果有限,為合理、有效開發當地熱水資源,后期又采用CSAMT方法在指定區域進行了重新勘探,最終取得了滿意的找水效果。

在地下熱水資源勘探中,因含水構造電阻率的降低,與圍巖相比將會產生明顯的電性差異,這為物探電法勘探提供了良好的應用前提[1]。在諸多的電法勘探方法中,可控源音頻大地電磁法與其它常規電法(如常規電阻率法、高密度電法等)相比,具有一定的優越性。首先,其勘探深度大,可以查明地表以下1～2 km深的地質情況;其次,其工作效率高,受地形影響較小,在復雜地形條件下也可以應用;最后,其橫向分辨率高,對橫向電性分界反映清晰,定位準確。常規電法雖然也常用于地下熱水勘探,但勘探深度一般較淺,受地表電阻率影響較大[2],對深部構造及地下水流向等方面的反映較差,鉆孔定位也有一定困難。

1 探測區地質與地球物理特征

1.1 探測區地質特征

工作區位于襄廣斷裂南側揚子準地臺大巴山—大洪山臺緣褶帶大洪山臺褶束及鄂中褶斷區鐘祥臺褶束與江漢斷陷云應凹陷、天門凸起交匯處。各構造單元為斷層接觸。測區北為云應凹陷,南為天門凸起。

根據鉆探資料,地層由新到老依次為第四系、新近系、古近系、震旦系。古近系(E)主要由紫紅色—灰綠色粘土質粉砂巖、粉砂巖組成,與下部震旦系燈影組呈不整合或斷層接觸,受北西向斷裂和北東向斷裂控制,同一高程面上巖性變化較大,且厚度也不一致,說明兩斷裂在第三系以來仍有活動,并控制了第三系的沉積。震旦系燈影組(Z2dn)遍布全區,除在西部及西北部零星出露外,其余均埋于第四系、新近系、古近系地層之下,且具有西北、北部埋深淺,東南、南部深的特點,巖溶發育,巖石破碎,方解石充填或鈣質膠結,硅化程度高,為主要儲熱儲水層。

工作區地處大洪山褶皺束和江漢斷陷兩構造體系復合部位東南傾沒端,平行北西西軸線有一系列壓性斷裂。其中心林家寨斷裂規模最大,走向北西西,傾向北東,傾角30°,破碎帶寬度365～375 m,主動盤向南運動,致使奧陶系地層有兩次明顯重復,它延伸至湯池被北北西向西河—皂市張扭性斷裂切割。西河—皂市張扭性斷裂總體走向北北西,傾北東,傾角70°,在湯池呈近南北向展布,由數條平行斷裂組成,破碎帶寬度175～225 m,其規模大,延伸遠,切割深,明顯控制了大洪山褶皺束構造的大部分構造成分,并切割了中生代沉積和構造盆地的邊界形態,具多期活動特點。此外,北北東向斷裂組在湯池也較發育,切錯了北西西向構造形跡,呈現先壓后張且具多期性活動特點,波及第三系地層,使上第三系地層斷距達13 m以上,乃至挽近期仍有活動。正是由于上述兩大構造形跡的共同制約,新近系紅層斷裂和寒武地層次級構造十分發育并共同控制了湯池熱水的形成與展布。

1.2 地球物理特征

根據湖北省地質局鄂東北地質大隊AB/2=300 m的對稱四極法物探工作,電參數測定結果顯示,水溫60°左右的熱水電阻率<5 Ω·m,地表水的電阻率為60～80 Ω·m,兩者電性差異大于一個數量級。可見,含豐富礦物離子的地下熱水會使圍巖電阻率大大降低,特別是受斷層作用形成的破碎帶或含水的巖溶及其裂隙,電阻率會非常低,物探斷面圖上會出現低阻異常帶。電阻率大小與破碎帶含水量的多少呈反比關系。

第四系、新近系、古近系出露地層的巖性為粘土、泥灰巖、泥巖、粘土巖、粉砂巖等,其電阻率約為幾十—幾百Ω·m;下伏震旦系上統燈影組地層巖性為白云巖,其電阻率約為n×102～n×104Ω·m;若圍巖破碎,則電阻率會有所減小,破碎帶充水后,其電阻率將大幅度降低,甚至達幾Ω·m。這些電阻率上的差異,為本次提供了較好的地球物理勘查前提。

2 應用CSAMT探測地熱田方法原理

CSAMT法是可控源音頻大地電磁法的簡稱,它基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組導出水平電偶源在地面上的電場及磁場公式,然后利用正交的電場Ex和磁場Hy計算卡尼亞視電阻率。

應用CSAMT法探測地熱田,一般采用標量法進行探測,其發射端采用人工可控的電偶極源,A、B電極距離為1～2 km,測線與供電AB極連線平行,接收端布置在供電偶極中垂線±30°的扇形面積內,且使測線位于遠場區進行數據采集,通過變換供電頻率以達到測深的目的(參見圖1)。

CSAMT標量勘探是遠場區測量正交的電場強度Ex和磁場強度Hy的水平分量,進而求出卡尼亞視電阻率[3-4]:

式中:f為頻率。

相位提供了另一個重要參數,稱為相位差或阻抗相位:φE=φE-φH。電阻率和相位共同提供了包含地下信息的完整數據,根據這兩個參數數據,就能解譯出想要的地質信息。

根據理論推導,CSAMT 的勘探深度D與頻率f、電阻率ρ之間的關系為:

圖1 CSAMT法工作布置圖Fig.1 Work layout of CSAMT

3 CSAMT野外工作方法

3.1 野外數據采集

野外生產投入設備為V8多功能電法儀,包括V8接收機、發射機TXU-30、30 kW大功率發電機等其它輔助工具。按規范要求,在儀器投入生產前,對儀器進行了標定,儀器標定合格。對3臺接收機進行一致性試驗,一致性良好。

工作區布置2條平行剖面,點距50 m,頻率參數為1.33～9 600 Hz,發射電流為18 A,A、B供電極距距離長1 200 m,收發距r>7.8 km。

3.2 數據處理

每天野外數據采集完成后,將儀器中數據及時傳輸到計算機,并進行原始數據預處理,初步判斷數據質量和野外地質情況,必要時繪制視電阻率斷面圖。利用中國地質大學與鳳凰地球物理公司合作研發的軟件CSAMT-SW V2.0進行反演。

4 資料解譯及應用效果

4.1 反演方法選取

為了驗證反演軟件不同反演方法的適用性,進行了一維(Bostick)反演和二維反演對比(見圖2)。可以看出,0～-600 m的范圍,一維反演和二維反演在反映斷裂及低阻異常帶等方面基本一致,構造及地層的反映非常清晰,但-600 m以下,二維反演結果存在垂向拉伸的現象,有些不符合地質規律。經分析,認為二維反演在缺乏地質模型和邊界限定條件下,其在疊加及插值運算過程中,會出現不可控的問題,往往會出現極大值、極小值及不符合地質規律的情況,因此,在應用二維反演時,一定要在充分認識地質資料的前提下,建立合適的地球物理模型,并加上邊界限定條件,只有這樣,才能得出正確的結果;Bostick一維反演,其反演過程中就建立了地球物理理論模型,所以能得到較好的反演結果。經對比Bostick反演結果在本工作區更接近地質情況,具有更好的適用性。

圖2 湯池地熱勘探2線二維/Bostick反演結果對比圖Fig.2 Contrast diagram of two-dinensional inversion results and Bostick inversion results about NO.2 explomtion line of Tangchi

4.2 資料解譯

經一維和二維反演的對比,選取一維Bostick法進行反演,并對反演結果進行解譯,詳見圖3。反演斷面圖上可以看出,從上至下可分為0～-600 m、-600～-1 200 m兩層,分別對應為震旦系白云巖及下伏地層,震旦系地層的厚度在剖面上不同位置是變化的,點號1 100～2 500,白云巖厚度呈增大趨勢。點號1 100～1 500,0～-600 m,視電阻率約幾十Ω·m,認為該段受斷層作用,圍巖破碎并含水,使得電阻率大大降低,推測點號1500位置存在斷層F1;點號1 500～2 100,0～-600 m,視電阻率幾十—幾百Ω·m,推測點號1 900～2 000之間存在斷層F2,受該斷層影響,圍巖破碎含水,由于不同部位賦存水量大小不一,就造成了斷面圖上視電阻率高低不一的情況;點號2 100～2 500,0～-600 m,視電阻率幾百至1 000Ω·m,視電阻率變化均一,無低阻異常,認為圍巖較完整。

斷面圖上可以較清晰地看出三處視電阻率低于10 Ω·m的低阻異常帶,分別是:點號1 100～1 500,深度約-250～-500 m;點號1 500～2 000,深度約-400～-600 m;點號2 000～2 500,深度-600～-1 200 m,陡狀向下延伸。三處低阻異常位于震旦系白云巖內部,且視電阻率遠遠低于白云巖電阻率,認為低阻異常帶為含熱水破碎帶,因含有大量熱水,使得視電阻率明顯降低。

圖3 湯池地熱勘探2線CSAMT法成果圖Fig.3 Result map of NO.2 exploratin line of Tangchi by CSAMT1.推測燈影組白云巖;2.推測破碎帶;3.推測斷層;4.驗證鉆孔。

4.3 應用效果

CSAMT法數據處理、反演及資料解譯完成后,經綜合研究,認為2線1 400點是最佳位置,經鉆探驗證,250 m左右見熱水,水溫>60°,找水效果顯著,得到了甲方的一致好評。

該項目成功實施后,在皂市、隨州大洪山等地也開展了類似的地熱勘探工作。借鑒本次工作取得的經驗,經過必要的數據處理工作,也取得了良好的找水效果。這說明CSAMT在找水方面的應用,其優點是不可替代的,有著廣闊的應用前景。

5 結論

隨著國內經濟的快速發展,能源的供需矛盾日益突出。地下熱水資源,為無污染的清潔能源。合理開發利用地下熱水資源,對工農業經濟發展,有著重要的現實意義。CSAMT法在湯池地區勘探地熱溫泉中,展示了良好的應用效果,由于其勘探深度大、橫向分辨率高、工作效率高、抗干擾能力強等優點,CSAMT法在地熱找水項目中劃分斷裂構造、圈定低阻異常區具有非常好的適用性,對其它勘探區類似地尋找地熱水具有重要指導和借鑒意義。

同時,CSAMT法也存在一定的缺點:①地表的高阻會產生靜態效應,對數據的采集造成影響[5],在數據處理時必須消除靜態效應;②CSAMT法對地表的反映較差,原因在于包含地表信息的高頻數據較少,若想得到詳細的地表信息,需要結合其他物探方法,如高密度電法等,進行綜合勘探;③CSAMT法反演軟件存在不足,其在處理靜態效應、地形校正等方面的算法不相同。盡管如此,差異不會太大。如果差異部分恰好在剖面上的關鍵位置和深度,則要重新查看原始數據和野外記錄班報,在此基礎上謹慎選擇反演軟件,若有其它電法資料或地質資料作參考,那將非常有幫助。對CSAMT法獲得的數據進行處理時,二維反演不一定比一維反演更能反映真實地質情況,因為二維反演需要限定條件,一般的反演軟件往往是在無限定條件下多次疊代運算得到結果,這種做法很難保證結果的準確性,所以在利用二維反演時,一定要加上邊界限定條件。

隨著社會建設進程的加快,人文干擾對CSAMT法數據采集的影響越來越大,采集到合格的原始數據顯得越來越困難,也越來越重要,所以,如何壓制干擾及消除干擾成為CSAMT法勘探的重要課題。本文總結了一種評判數據質量優劣的方法,就是利用頻率—視電阻率(或頻率—相位)作視電阻率斷面圖(或相位斷面圖),在圖上直觀地判斷數據質量優劣及有無干擾。在今后的工作中,將加強有關干擾問題的研究,提高數據采集合格率,探尋數據處理過程中剔除干擾的方法,為地質找水事業提供科學手段。

[1] 朱金華,冒我冬,白錦琳,等.CSAMT法在斷層含水性評價中的應用[J].物探與化探,2011,35(4):569-572.

[2] 張作宏,王軍成,戴康明.CSAMT在沿海圍墾區地熱勘查中的應用[J].物探與化探,2014,38(4):680-683.

[3] 湯井田,何繼善.可控源音頻大地電磁法及其應用[M].長沙:中南大學出版社,2005.

[4] 中國地質調查局.電性可控源音頻大地電磁法技術規程(報批稿):DD2009-XX[S].北京:中國地質調查局,2009.

[5] 柳建新,郭振威,郭榮文,等.CSAMT和重力方法在獅子湖溫泉深部地球物理勘查中的應用[J].地球物理學進展,2009,24(5):1868-1873.

(責任編輯：陳姣霞)

Application of CSAMT in Tangchi Geothermal Spring Prospecting

WANG Kunkun, TIAN Chengfu, LI Yan

(HubeiBrigadeofGeophysicalExploration,Wuhan,Hubei430056)

Controlled source audio frequency magnetotelluric method (CSAMT) has been widely used in the exploration of geothermal water resources at home and abroad. This article taking TangChi geothermal survey project as an example,introduces the method principle of CSAMT,field working method,data processing technology etc. in detail. analyses the effects of prospecting water,merits and faults of different methods. From the point of view later drilling results,compared with the traditional methods,CSAMT is of great exploration depth,high resolution. Resistivity section after data processing can reflect the true underground electrical structure. Especially there are obvious electric difference between the underground water bearing structure of exploration area and the surrounding rock. This can be done by qualitative analysis,indirectly provide target area for underground water resources. The advantage CSAMT in exploration of geothermal hot springs is irreplaceable. It has demonstration and popularization significance in similar hot spring water survey project.

hot spring; CSAMT; effects of prospecting water; popularization

2015-04-17;改回日期:2015-05-26

王坤坤(1985-),男,工程師,地球物理專業,從事電磁法勘探及找礦工作。E-mail:393216851@qq.com

P631.3+2

A

1671-1211(2016)01-0072-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201601012

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20151217.0912.006.html 數字出版日期:2015-12-17 09:12