大地電磁測深法與可控源音頻大地電磁測深法在某區尋找地熱中的應用

■陳全

（四川省地質工程勘察院四川成都610072）

大地電磁測深法與可控源音頻大地電磁測深法在某區尋找地熱中的應用

■陳全

（四川省地質工程勘察院四川成都610072）

本文介紹了大地電磁測深（MT）法與可控源音頻大地電磁測深（CSAMT）法的工作原理,并以兩種方法在某地地熱勘探中的應用為例，分析兩種方法在地熱勘探中的應用效果。經過數據處理，分別對兩條測線探測結果做了解釋和推斷，分析有利于地下熱水聚集的地質條件，圈定儲熱空間，并為驗證鉆孔的孔位與孔深提供參考意見,鉆探結果表明兩種方法的推斷結果與實際情況比較吻合。

MT CSAMT 地熱 儲熱空間

0　前言

作為一種新型的可再生清潔能源，地熱具有廣闊開發前景，除了用于發電之外，也可直接用于采暖、醫療洗浴和各種形式的工農業用熱，以及水產養殖等，尤其在大氣污染日益嚴重的今天，利用地熱資源，無疑可以在一定程度上降低我國經濟對于煤炭消耗的過分依賴，是減輕大氣污染，保護環境，建立發展集約型環保型經濟的重要方式。

地熱資源的現代含義包括地熱過程的全部產物，如天然蒸汽、熱水和熱鹵水等[1]。我國的地熱資源分布廣泛，在城市周邊，人們對于溫泉的需求日益增高，很多城市都在城市的邊緣尋找地熱資源，利用地下的熱水建設溫泉，滿足人們的生產生活需要，其主要目標集中于地下熱水的勘探，而地下熱水來源多與斷裂構造聯系在一起，物探方法就是勘探斷裂構造以圈定形成地下熱水有利的位置，達到勘探地熱的目的[2]。根據前人的經驗，大地電磁測深法與可控源音頻大地電磁測深法作為深部構造與金屬礦產勘探中常用的物探方法，被廣泛用于地熱資源的勘探，并擁有較多的成功應用實例。本文將這兩種方法用于研究某區的地熱資源。根據調查區的熱儲地層和地質構造的分布關系，確定該區的地熱資源的空間分布情況。

1　方法原理

本次勘探儀器使用的是加拿大鳳凰地球物理公司生產的最新一代多功能電法儀V8，是一種先進的四維地球物理數據觀測系統，已廣泛應用于油氣勘探、地熱勘查、地下水調查、活斷層研究以及礦產調查等領域。

常規的大地電磁法是采用天然場源的一種勘探方法，以電磁場理論為基礎，通過研究介質的介電常數、磁導率與電導率的差異解決不同的地質問題。其觀測的基本參數是地表上相互正交的電場分量(Ex，Ey)和磁場分量(Hx，Hy)，通過式（1）與（2）即可確定測點下方不同頻率對應的深度上介質的視電阻率[3-6]。

式中f為頻率（Hz），ρ是電阻率(Ω·m)；E是電場強度(mV/ km);H是磁場強度(nT)。此處的E與H，應理解為一次場和感應場的空間張量疊加后的綜合場，簡稱總場[7]。

在電磁理論中，把電磁場在大地中傳播時，振幅衰減到初始值1/e時的深度，定義為穿透深度或趨膚深度（δ）[8]，即

由式（3）可知，趨膚深度(δ)隨頻率f的降低而增大。根據趨膚效應，大地電磁場的變化周期越長，電磁場能量在傳播過程中損耗越小，因而穿透得越深。在實踐中，不同周期的大地電磁場的變化，反映了不同深度范圍內的電阻率信息，因此，通過觀測不同頻率的電磁信號，即可獲得不同深度的電性信息，結合已知地質資料和地層情況，即可推斷地下介質的電性分布特征。[1]

可控源音頻大地電磁測深（CSAMT）法是電磁方法的一個分支，其主要特點是用人工控制的點電源或磁偶極子在地面上產生的電磁場作為場源進行大地電磁測深。采用人工場源可以克服MT法中天然場源信號微弱、信噪比低的缺點，但是波的非平面特性增加了處理資料時的復雜性。當發射距達到探測深度的3-5倍，高頻時非平面波可以近似的看作平面波，而低頻時會出現近場效應，因此必須做進場校正，校正后的數據可以看成是平面波產生的結果，然后再用MT法的分析方法進行數據分析。所以MT法的反演方法原則上都可以用于近場校正后的CSAMT法的反演，若不做近場校正，只能取遠場的值，而忽略近場或過渡區的數據，顯然會造成數據的浪費。

表1　工區主要巖性的電阻率

2　工區地質背景與地球物理特征

工作區在區域構造上，處于我國新華夏系第三沉降帶——四川盆地西緣的龍門山隆起褶帶的西南緣展布方向為北東35°～45°左右，區域歷次重大變動均對其有重大影響。印支運動使之自成體系以來，新第三系末期的喜山運動使之活動十分劇烈，進一步使原復合沖斷層再度強烈活動。現代地貌亦表明，構造上升剝蝕作用一直在不斷進行。

勘查工作區主要構造有壓性及扭壓性斷層F和向斜S，其構造特征簡述如下：

（1）壓性及扭壓性斷層F：該斷層沿低序次低級別背斜軸部出露，走向北30—35°東，長約9km，斷距很小，斷面傾向北西，傾角44°，兩盤巖層牽引明顯，下盤巖層倒轉，斷層性質屬壓及壓扭性。

（2）向斜S：長約30km，東緣被第四系覆蓋出露不全，軸線呈緩“S”形，灌口一帶約為北東20度，往南漸次西偏至北東45度，之后經大同至中興場轉往南偏。直至王爾壩附近南北向揚起。向斜核部出露為大片白堊系灌口組，僅南段出露少量第三系“大邑礫巖”，均為3°～5°傾角開展遠布，于灌口東南，沿大邑—半邊街一線以北，相當向斜南東翼核部灌口組內，發育一系列次級背、向斜褶皺，其軸線均依山麓與平原交接線呈舒緩弧形凸向南東。

本次物性調查工作采用基巖露頭小四極法測定，測定參數為巖體的視電阻率。為了測試的準確性,AB/2和MN/2盡可能大且采用多組極距讀數。實際測試時，AB/2一般取1.0m～15.0m，MN/2為0.3m～0.5m。

巖性露頭的選擇一般根據地質人員的調查來確定,也可根據在有疑惑的成果資料所在測線進行地質調查，尋找露頭進而測定視電阻率參數。在野外測試中一般同一巖性選擇2個或2個以上點進行測試，獲得觀測結果求取算術平均值作為最終物性參數。經過測定，工區主要巖性的電阻率參數如表1所示。

由表1可見工區各種巖性之間存在巖性差異，并且工區內背、向斜強烈發育，背、向斜、斷裂帶和較完整巖性之間存在著電性差異。因此工區具備開展大地電磁法的地球物理勘探前提條件。

3　實測工作量與數據可靠性分析

本次勘探工作共完成兩條測線的數據采集，測線方向與地質調查中向斜構造的走向垂直，并且橫跨該地質構造。其中測線1分別采用兩種方法觀測以對比二者的勘探效果，測線2只采用MT法進行觀測。此外，為了保證數據質量，在測區做了一定量的質量數據檢查，檢查點占實際工作量的比例為5%，在檢查點上不同時間使用同樣參數進行兩次重復觀測，比較所得數據的一致性，以分析數據的可靠性。表2是測區某些檢查點2次實測所得數據的視電阻率與相位的誤差統計。從表2可以看出，檢查點最大均方相對誤差控制在4%以下，小于規范要求的5%，因此可以判定野外資料采集質量較好，數據可靠。

表2　檢查點數據誤差統計

圖1　工區視電阻率曲線主要類型（a）HK型；（b）A型

4　資料處理及解釋

本次物探解釋軟件采用EMSoft2D大地電磁二維處理和解釋軟件。

定量反演解釋是在定性和半定量解釋基礎上進行的，任務是給出實測曲線所對應的地電斷面參數，提出工區的地球物理模型。定量解釋包括一維反演和二維反演兩步。一維反演是二維反演的基礎，它一般給出一個用于二維反演的初始模型，而二維反演結果，便是最終的地球物理模型。

本項目的研究思路為：在充分理解和掌握現有方法的基礎上，逐一研究和試驗一些新的反演方法，對工區內有代表性的幾條測線進行試驗，然后從中優選出最佳的方法或方法系列，最后采用優選的方法對全區的CSAMT和MT資料進行處理。

通過數據處理可知，工區視電阻率曲線類型整體上為KH、A等型（圖）。曲線前支為第四系堆積物或風化破碎巖體的反映，中部段多呈平直或下凹狀，為破碎巖體的電性反映，曲線尾支為較完整巖體的電性反映。

基于工作區實際地質情況、物性資料和二維反演剖面的整體電阻率剖面來確定劃分地層、構造及低阻異常體的標準，根據不同巖體中的電性特征圈定低阻異常體范圍。劃分標準如下：

（1）局部破碎巖體：大地電磁測深曲線表現為局部相對下凹、緩平或相位曲線陡變，在視電阻率斷面圖上顯示為團塊狀或片狀低阻異常；

（2）構造破碎帶：曲線上表現為橫向突變、不連續，在視電阻率斷面圖上多表現為成條帶狀或串珠狀低阻異常，等值線梯度變化最大處對應破碎帶的邊緣；

（3）巖性接觸帶：在曲線上表現為橫向突變，在視電阻率斷面圖上表現為等值線梯度帶兩側視電阻率值的明顯差異或高、低阻團塊狀相間的過渡帶。

圖2，圖3，圖4分別為實測數據處理后得到的深度視電阻率等值線圖。由視電阻率等值線圖可以看出：該區總體上從淺到深表現為低阻、高阻結構，淺部低阻對應地層為第四系堆積物、強風化破碎巖體，深部高阻為完整巖體的反映，局部低阻為巖體內裂隙發育、局部破碎造成。

結合地質資料對各測線分析如下：

（1）測線1

測線剖面方位角為300°。同時采用CSAMT和MT兩種方法進行探測。根據地質調查資料、物性測試成果和反演成果等值線形態劃分該區的巖性界限。結合地質資料該區巖性主要有砂質泥巖、泥巖、砂巖、石英砂巖和礫巖等。

由圖2和圖3可見，該測線從縱向上看在深度140～350米以內視電阻率值一般為10～100Ω.m。為砂質泥巖層，其下伏泥巖夾石英砂巖厚度為470米，視電阻率值一般為10～40Ω.m。再其下為砂巖含礫砂巖層，其厚度為1300米，視電阻率值一般為40～250Ω. m，最后下伏砂巖、礫巖，其視電阻率值一般為100～500Ω.m。從橫向上看，在同一水平面上表現為兩邊高中間低，電性層位向下凹的型態，物探推斷其為向斜的視電阻率表現。且在里程1850米處有一向右下方向傾斜的低阻帶其視電阻率為50～120Ω.m比同一層位的巖層視電阻率低了100Ω.m左右,深度可達2.5km,物探推斷為向斜構造的核部所在。

（2）測線2

測線剖面方位角為300°。MT方法均進行了施測。根據地質調查資料、物性測試成果和反演成果等值線形態劃分該區的巖性界限。結合地質資料該區巖性主要有砂質泥巖、泥巖、砂巖、石英砂巖和礫巖等。

由圖4可見，該測線從縱向上看在深度180～480米以內視電阻率值一般為10～100Ω.m。為砂質泥巖層，其下伏泥巖夾石英砂巖厚度為340米，視電阻率值一般為40～120Ω.m。再其下為砂巖含礫砂巖層，其厚度為1400米，視電阻率值一般為30～200Ω.m，最底層為下伏砂巖、礫巖，其視電阻率值一般為80～400Ω.m。從橫向上看，在同一水平面上表現為兩邊高中間低，電性層位向下凹的型態，且在里程在2000米處有一向右下方向傾斜的低阻帶其視電阻率為30～60Ω.m比同一層位的巖層視電阻率低了140Ω.m左右。深度直達2.5km。物探推斷為向斜構造核部所在。

圖3　測線1可控源音頻大地電磁（CSAMT）法電阻率反演斷面

圖4　測線2大地電磁（MT）法電阻率反演斷面

5　應用效果分析

物探成果結合區域地質資料推斷此向斜構造，其核部，巖體裂隙發育強烈，低阻破碎帶較多，影響范圍大，成為地下熱水運移的良好通道。由于巖體有一定厚度礫巖存在，主要分布在J2、J3、K1地層中，有良好的儲水、儲熱空間，另外向斜上部表現為壓性，下部表現為張性，因此富水層位主要在深部地段。通過將兩條測線反應的視電阻率剖面在垂直于測線的空間上進行投影，可以得到各電阻率異常區在工區內的分布情況以及向斜構造S的走向，結果表明向斜構造的走向大致與地質上的推斷吻合。結合地質資料沿2000m異常埋深的平面位置布設3個驗證孔供，孔深設計2100m。鉆孔驗證結果表明：MT法與CSAMT法推斷的地質構造走向與巖層的分布情況與地質鉆探顯示的結果基本吻合，說以上兩種方法在地熱勘探中的有效性。

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P318.6+3[文獻碼]B

1000-405X（2016）-7-213-3

陳全，男，工程師，研究方向為工程地質、水文地質以及環境地質。