多種電磁法在地熱資源勘查中的應用

萇云，黃江華，陳衛營，王國群

(1.安徽省地勘局第一水文工程地質勘查院，安徽 蚌埠 233000； 2.陜西地礦第二綜合物探大隊，陜西 西安 710016)

1 前 言

地下熱水資源是清潔無污染的綠色能源，尤其在當今環境問題趨于嚴重和能源短缺問題的困擾下，大力開發地熱資源對保護和改善自然環境具有重要的現實意義。為充分利用深部地熱資源，查明淮南市焦崗湖生態區的熱儲情況，根據本區的地質條件和電磁法勘探的特點，采用多種電磁法(可控源音頻大地電磁法、瞬變電磁法和大地電場探測法)綜合實施的思路和方案，確定出3個鉆孔位置及地熱資源的深度在 1 500 m～2 000 m范圍內。ZK01號鉆孔成井后，1 500 m深的終井溫度為36℃，單井出水量大于30.7 t/h，該工作方案為類似地區尋找熱水提供了較好的經驗。

2 地質概況

生態度假村位于淮南市西南部，淮河與西淝河的交匯處，是典型的河湖漫灘和河間平地。地表大部分地區為第四系覆蓋，僅在淮河東岸的丘陵區出露元古界和古生界為主的基巖。大地構造位置處于中朝準地臺南緣，以潁上—定遠斷裂為界，以北為淮河臺地坳陷的淮南凹陷褶斷帶，以南屬合肥斷陷盆地。區內斷裂發育，以近東西走向的潁上—定遠斷層為主，先壓扭性、后為張性斷裂，傾向南西，是區域性深大斷裂，控制著兩個次級構造單元。斷層北側出露上太古界霍邱群地層，南側出露中生界白堊系地層，既是合肥紅層盆地北邊界，也是焦崗湖北東側的邊界。焦崗湖南西側可能分布有與潁上—定遠斷層平行的次級斷層。此外，北北東向斷裂隱伏于焦崗湖的西邊，是燕山后期斷層，錯切近東西向斷層和霍邱群地層。這些斷裂的發育是深部熱源達到淺層的通道，為熱儲的形成創造了有利條件，在其附近可形成熱田。根據前人研究成果，本區地下水有松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水、變質巖類裂隙水三大類。第一類主要是在現有條件下接受大氣降水的補給及上游的側向徑流補給；后兩類則是孔隙水越流補給和地下水側向徑流補給。區內地下水主要來源于裸露在盆地周邊的可直接受大氣降水滲入、基巖裂隙水、斷裂帶水補給的粗粒碎屑巖層。當地下水沿著深大斷裂循環運移至地下深處的中低溫熱儲構造后，形成熱水[1]，該運移與斷裂分布有著密切的關系，因此測區的水文地質條件具有地熱水形成的基礎。

測區地層主要是第四系、白堊系張橋組和上太古界霍邱群。第四系巖性為黏土、中細砂層等，張橋組巖性主要是礫巖、砂巖、粉砂巖等，霍邱群巖性主要為混合巖，夾少量黑云角閃斜長片麻巖等，其電性特征如表1所示。這些巖石地層存在一定程度的電性差異，為電法勘探工作的開展提供了地球物理基礎。

區內地層的電性特征 表1

3 方法應用及成果分析

根據以往工作經驗，地熱系統內溫度升高使離子遷移率增大，巖石電阻率降低，造成熱儲部位電阻率降低，因此低阻異常是識別地熱資源的重要標志，特別是熱儲范圍較大時，電阻率異常可以明顯反映出熱儲的空間分布。結合工作區的地質條件，采用了三種電磁勘探方法循序漸進開展地熱勘查。首先利用瞬變電磁法可以穿透高阻層發現低阻層的特點[2，3]，在發現瞬變電磁異常信息基礎上，再利用可控源音頻大地電磁資料可探測深層信息的特點，反演分層得到各時代地層的頂、底面埋深和區內斷裂發育情況，及根據大地電場巖性探測可反映出地下不同深度巖石巖性和儲層流體信息的特點，并以剖面和斷面異常相結合的綜合分析方法最終確定出區內構造發育、地層空間展布等情況，進而確定含熱水層系的存在與埋深，消除物探異常的多解性。

由于工作區地處淮河流域，人工溝渠水網密布，縱橫交錯，野外工作布置比較困難。在綜合考慮減小干擾、方便施工及構造地質等因素后，布置了4條勘探測線(如圖1所示)。其中TEM測線測點間距為 10 m；CSAMT測線的測點間距為 20 m；大地電場巖性探測法(CYT)2個點，采集深度間隔為 1 m。野外施工前進行了磁棒標定，對各道各頻率的12個增益也進行了標定，最終根據信噪比的情況選擇了最佳信噪比的增益。

圖1物探點工程布置及勘探成果圖

3.1 瞬變電磁法(TEM)

TEM法是通過回線向地下發射電流脈沖方波后接收反射回來的二次磁場的變化來揭示地下地質體的電性分布情況的一種方法。當地下不存在良導體時，二次磁場隨時間衰減的特性曲線會快速下降，當存在良導體時，在電源切斷的瞬間，導體內部將產生渦流以維持一次場的切斷，觀測到的衰減過程會變慢，從而發現地下導體的存在。本次工作使用加拿大鳳凰公司生產的V8電法工作站，配備GPS和網絡通信系統，獲得實時觀測電阻率和相位曲線。采用大回線源和探頭接收、同點裝置工作，這種裝置具有與目標體耦合最佳、異常幅值大、形態簡單、受旁側地質體影響小的特點。

野外實測數據經過小波變換去噪、S變換去噪等處理，將感應電動勢轉換為視電阻率，以s、hs為參數繪制各測線視電阻率(s)綜合剖面圖，然后研判出沿測線剖面方向上的視電阻率及電性分布特性。

3.2 可控源大地電磁法(CSAMT)

主要原理是利用人工場源激發地下巖石，根據不同巖石的電導率差異觀測記錄一次場電位和磁場強度變化，具有抗干擾能力強、勘探深度大、能穿透高阻層的特點。儀器同樣使用V8電法工作站。

外業實測數據進行了去噪、靜態校正、近場校正、測點間距校正，再進行二維地形正演模擬計算出地形影響值，剔除地形影響后，進一步反演計算出斷面圖的電阻率異常。

3.3 CYT型大地電場巖性探測

該方法屬于點測深法，在地表可探測到地下深度 0 m～10 000 m范圍。主要是根據太陽風產生的電磁脈沖垂直向下穿透地層后，不同深度的巖性分界面脈沖電磁波的頻率會發生變化，且層間電磁場經過疊加后，反射向地面會形成與不同深度巖性對應的電磁場，從而判斷出地表以下的巖性變化情況。由于地下熱儲層中的熱水一般富含溶解離子，且溫度較高，巖石受熱變質而黏土化，導致含水破碎帶具有局部低電阻率特征，通常含水層在大地電場巖性曲線中表現為寬帶大振幅高低峰值交替中的最低值區。

3.4 成果分析

根據前述地質和巖石地層的電性特征，測區淺地表以第四系黏土等沉積物為主，視電阻率值較高；其下為白堊系張橋組，巖性主要為礫巖、砂巖等，視電阻率值較低；底部為上太古霍邱群，主要為混合巖、片麻巖等變質巖類，視電阻率相對較高。通常在無斷裂帶或其他地質構造影響下，視電阻率橫向變化平緩，能夠很好地反映地層近層狀分布的特點。縱觀測區各測線斷面圖，視電阻率由淺至深大體上呈高阻—低阻—高阻的H型斷面變化特征，與實際地質巖層的電性分布規律一致，呈現出第四系地層高電阻率、白堊系地層低電阻率和上太古地層高電阻率的分層性。若發育斷裂，斷層內的巖石破碎會成為賦存地下水的良好儲體，導致電阻率降低，斷面圖的視電阻率會出現橫向突變。如圖2顯示，3號測線TEM剖面南端出現低阻異常，斷面圖中發現剖面南端(150點號附近)和中南段(450點號附近)視電阻率發生突變，明顯是斷層分布的電性特征，推測其為斷裂破碎帶。對比1號、4號等其他測線同樣發現在其南段-中南段也有低阻和高阻突變帶，因此推測測區存在至少兩條近東西走向的斷裂構造裂隙帶，其中一條與地質斷裂潁上-定遠斷裂基本吻合。此外電性圖顯示區內沒有低阻巖體干擾。

圖2 3號測線TEM視電阻率等值線斷面圖(虛線—推測斷層)

圖3 4號測線CSAMT視電阻率等值線斷面圖(虛線—推測斷層)

依據趨膚效應，可控源(CSAMT)探測深度大于TEM探測深度，特別是當深度大于 1 000 m時，CSAMT測深所反映的地層情況更加明顯，如圖3所示，4號測線CSAMT斷面圖出現多處視電阻率的橫向突變現象，特別是在300/4—500/4點號之間清晰顯示出電阻率較大的變化，從地表一直延伸至深部 2 000 m以下，顯然這種較大的電性變化現象只有深大斷裂破碎帶才能引起。其他測線如1號和3號測線南段也存在低阻異常區，向北轉變為高阻區，印證了TEM法在測區南段發現電阻率突變現象的觀測結果，因此推測在測區中南部至少發育兩條近東西走向的斷裂或構造裂隙帶。此外，CSAMT斷面也顯示出自深而淺大致呈高、低、高電阻率的電性分布狀態，反映出測區地層的垂向分布情況，與第四系、白堊系和上太古界地層基本一致。

為進一步了解測區地層深部電性結構的橫向變化，分別截取了4條測線的 800 m、1 200 m和 1 500 m深度的視電阻率異常進行綜合分析。從 1 500 m深度的視電阻率平面圖可以明顯看出(如圖4所示)，測區電阻率自北向南逐漸降低，中部存在高阻區，南部低阻區域范圍較大，并延伸至測區之外，與CSAMT和TEM測深剖面的斷面異常結果一致。總之，測區在橫向和縱向都存在明顯的電性異常，充分反映出南部低阻區域是斷裂帶充水所致。

圖4 1 500 m深度CSAMT視電阻率等值線平面圖

綜合瞬變電磁、可控源大地電磁的剖面和平面結果及已知地質資料，推斷測區南部至少發育兩條近東西走向的斷裂，自西向東橫穿測區。根據測區低阻區的分布特征，確定出3處宜井鉆孔。為進一步確定預定鉆孔處的地層、溫度、含水層、熱儲層等情況，在預定鉆孔ZK01、ZK02位置實施了大地電場巖性勘測，勘測曲線顯示了測區地層電阻率大小的相對變化特征。根據曲線變化特點如曲線高低值交替表示巖性不均勻，窄帶代表薄互層，寬帶代表厚層，地層界面處曲線峰值突變等，在鉆孔ZK01圈出有效儲集層3段，第一段位于0 m～1 000 m，厚度計 16 m；第二段位于 1 000 m～2 400 m，有效儲集層厚度計 39 m；第三段位于2400 m～3000 m，有效儲集層厚度計 20 m。鉆孔ZK02圈出有效儲集層計 37 m，如表1、表2所示。

鉆孔ZK01的井段有效層位統計表(單位/m) 表1

鉆孔ZK02的井段有效層位統計表(單位/m) 表2

2015年在鉆孔ZK01位置處開鉆，井深達到 1 501.78 m。經測井資料分析，鉆遇新生界地層厚 400 m、白堊系埋深 400 m～1014 m，厚 614 m；上太古霍邱群埋深 1014 m～1 501.78 m，該井揭露 487.78 m，可以鉆采深 620 m以下的地下熱水資源，主要含水層厚度為 275 m。最終該井出水量大于 30.71 m3/h，井口出水溫度為36℃，屬于低溫地熱資源熱水[4]。

4 結 語

通過利用CSAMT、TEM和CYT三種電磁勘探方法對測區不同深度的地質體進行探測，其視電阻率異常有效反映了地層深處的巖性變化、斷層及地下熱儲等信息，效果顯著。綜合分析平面和剖面的勘測結果，基本查明了生態區的地熱分布情況。經鉆井施工，在預定的宜井處打出36℃、出水量為 30.7 m3/h的低溫熱水，說明了綜合方法的有效性。因此對于尋找一定深度的地下熱水資源需要采用綜合電磁法勘探，依據每種電法勘探的特點達到有針對性的解決不同地質任務的目的，互相印證減少多解性，以取得更好的地質效果。

[1] Rybach L L，Muffler J P. 北京大學地質系地熱研究室譯.地熱系統[M]. 北京：地質出版社，1981.

[2] 黃力軍，陸桂福，劉瑞德等. 電磁測深方法在深部地熱資源調查中的應用[J]. 物探與化探，2004，28(6).

[3] 吳小潔，張前，陳長亮等. 綜合電法勘探在五指山地區找熱礦水中的應用[J]. 工程地球物理學報，2015，12(3).

[4] 水文地質工程地質研究所. 地下熱水普查勘探方法[M]. 北京：地質出版社，1973.