淺析瞬變電磁測深法在地熱資源勘查中的應用

章新榮 徐成華 顧 問 顏世明 丁 偉

(江蘇省地質礦產局第一地質大隊，江蘇 南京 210041)

地熱資源屬于清潔能源，開發利用地熱資源可以減少燃煤消耗，改善生態環境，緩解能源壓力。物探是水文地質工作的重要手段之一，以被探測地質體與圍巖的物性差異為基礎，探測、識別地質體。近年來，隨著地熱資源開發的深度越來越大，有些深度已超過2 000 m，地表觀測深部地層的電阻率、磁性等物理性質差異越來越小，單一的勘探方法已不能滿足工作要求。為減小多解性，提高工作精確性，可從不同地球物理特性識別地質體，達到相互驗證的目的。

1 項目概況

蘇州市某鎮緊鄰太湖，旅游資源豐富，為更好的發展旅游資源，擬開發利用地熱資源。工作區附近已成功開鑿出一眼井深2 000 m左右的地熱井，為本次勘查工作提供了參考依據。考慮2 000 m深左右的地熱井投資較大，本區雖有成功案例，但在本區開發地熱資源還是有一定的風險，詳細的地熱地質前期勘查工作可以提高選址準確性、降低風險。本項目共采用了可控源音頻大地電磁探測、瞬變電磁探測、微動測量法三種勘查手段。

本項目可控源音頻大地電磁探測共布置6條測線，202個測點，測線總長10 450 m。主要成果：F1斷裂走向北東，傾向東南，其切割深度大于3 000 m；F2斷裂走向東南，傾向北東，其切割深度大于3 000 m；均屬于大型斷裂，對深層地熱水起到控制作用。

2 工作區地形地貌

工作區位于太湖東側，鎮域內僅浦莊有一座海拔191 m的低山，其余均為湖積平原，地形平坦，地勢略呈東北向西南傾斜。

3 工作區地質概況

以湖(州)—蘇(州)斷裂為界，西側為東山—西山推覆體，東側為吳江斷塊，本區位于東山—西山推覆體東緣。區域構造以北東向褶皺及北東—北北東向展布推覆構造為主，北東、北西向斷裂發育，局部發育近南北向斷裂；本區斷裂發育帶多表現為低阻特征。

本區地層屬揚子地層區。區內分布地層由老至新主要有志留系中統茅山組，泥盆系上統—石炭系下統五通群及上統黃龍組、船山組，二疊系棲霞組、孤峰組、龍潭組、長興組，三疊系下統青龍組，侏羅系上統黃尖組，白堊系上統浦口組和赤山組，第四系海門組、啟東組、昆山組、滆湖組和如東組。

據鄰區資料，二疊系長興組大理巖，龍潭組砂巖、粉砂巖、泥巖等均無磁性，其中含磁黃鐵礦時顯示弱磁性；花崗巖為無磁—微磁，僅鐵鋅礦具強磁性。

據鉆孔揭露，白堊紀地層之下發育火山巖地層，主要形成于晚侏羅世，巖性主要為安山質火山角礫巖、安山巖、角礫狀安山質凝灰巖，受湖—蘇斷裂控制，具裂隙式噴發特點，從巖漿演化特征分析，其巖漿源區相對較深。

4 方法原理

4.1 原理

瞬變電磁測深法(簡稱TEM法)是一種時間域電磁法，是以地質體的導電性差異為物理基礎，以脈沖電流作為場源，利用接地導線或不接地回線向地下發射一次脈沖磁場，在脈沖間隙測量二次場隨時間變化的響應，達到了解地質體電性變化情況的目的。觀測時，通過多次正反向電流激勵，瞬變響應多次疊加，達到良好的結果。

良性導電地質體產生的感應二次場與地質體的電阻率密切相關，電阻率越低、低電阻地質體規模越大，感應二次場越高、二次場衰減越慢(見圖1)。

4.2 技術特點

1)觀測純二次場，受地形起伏影響小。

2)觀測方式采用同點組合(同一回線、重疊回線、中心回線)與勘探目標耦合緊，異常響應明顯，形態簡單，分層能力強。點位、方位或收發距要求不嚴，工作簡單，工效高。

3)通過多次脈沖激發、增大功率，可增強二次場信號、提高信噪比和觀測精度、增加探測深度，有穿透低阻的能力。

4)剖面測量和測深工作同時完成，提供更多的有用信息，減少多解性。

5)磁源發射不需要接地，適用于地表干燥區開展工作。

4.3 應用條件

1)被測體相對規模較大，且相對周邊介質呈低阻，其上方沒有極低阻屏蔽層，沒有外來電磁干擾。

2)被測體的規模、埋深、與圍巖的電性差異，應保證所測的異常完整性及周圍有一定范圍的正常背景場。

4.4 應用范圍

1)探測巖溶及地下洞穴的位置、埋深和大小。

2)探測覆蓋層的厚度，劃分第四紀含水層。

3)探測隱伏斷層破碎帶的位置、寬度、基巖風化層厚度，確定含水層。

4)確定不同巖性接觸帶；劃分咸淡水。

5 工作概況

澳大利亞生產的瞬變電磁勘探儀器(TerraTEM)具有不用考慮其他電磁方法而犧牲瞬變電磁勘探的優勢。

瞬變電磁測深有多種工作裝置，常用的有偶極—偶極裝置、大定回線源裝置、同點裝置，大定回線源多用于精測剖面測量(沒有測深工效)，同點裝置具有測深測量和剖面測量的雙重工效及占地面積小等優點。

由于工作區地形復雜，本次選擇同點工作裝置的中心回線形式工作(包括重疊回線和中心回線兩種形式)，使用多匝回線進行發射和接收，該裝置探測巖層的富水性特別敏感。通過試驗選擇了10匝2 m邊長的線圈發射和20匝1 m邊長的線圈接收，參數如下：

增益：32；疊加次數：256；供電周期：80 ms；測量窗口范圍：1～30；最大測量時間：35.025 ms；測量延時：100 μs。

工作區內已布置了6條北西—西走向的可控源音頻大地電磁探測線和3個微動探測點，查明了工作區地質構造形態及位置，查清了巖性分布及巖性特征、地層賦水情況等。本次采用地面瞬變電磁測深法驗證已有物探成果，減小多解性，查明工作區地質構造形態及位置，查明地層含水情況，確定地熱井位置、井深、水溫和水量等。共布置了4條北西—西走向的測線，線上物理點202個，檢查物理點21個，瞬變電磁總物理點223個，測線總長度10 km。

6 資料處理與解釋

瞬變電磁測深資料的解釋主要依據各條測線感應電壓多測道斷面圖和視電阻率擬斷面圖。多測道曲線描述的是二次感應電壓不同延時沿測點的變化，均勻平緩變化說明電阻率的變化較小，存在電性異常體的可能性小。含水異常多測道曲線的解釋原則是二次感應電壓表現為中間低兩側高的“U”形或者“V”形特征，富水性越強，中間低與兩側高的變化幅度越大。瞬變電磁視電阻率擬斷面圖作為含水異常的輔助解釋圖，含水地質體的同點裝置瞬變電磁異常反映為電阻率高或者電阻率等值線的繞曲。通過本次瞬變勘探解釋(見圖2～圖4)，經綜合研究，其主要成果如下：

區內構造解釋是在剖面解釋的基礎上進行的，首先對測量的4條剖面進行層位解釋、斷點標注，作為初步解釋成果，然后結合標定層位的分布起伏，數字化后得到每個目標層的海拔標高，再從反演數據體上求取相應位置的電阻率值，得到目標層全區的電阻率值，成圖后得到目標層順層電阻率切片圖，根據剖面上斷點的投影和順層電阻率切片圖，綜合組合出區內的構造展布。

通過瞬變電磁測深解譯成果，工作區內發現了2條斷裂，即F1和F2。該2條斷裂切割地層深度大于3 000 m，切割深度較深，屬于大型斷裂，對深層地熱水起到控制作用，與已有的可控源音頻大地電磁測深解譯成果基本一致。

7 成果

本次勘查基本查明工作區的地質構造，地層層序，共推測了2條斷裂構造和3個低阻異常點，初步選定了3個擬定井位，建議優先鉆井的成井深度2 200 m。工作區在2 000 m以上沉積有石炭—二疊系地層，該地層巖性主要為灰巖，受斷裂構造F1和F2影響，發育有導水裂隙，構成地熱水的主要載體。經地熱鉆井驗證，探采結合井井深2 300.58 m，抽水試驗最大出水量可達1 258 m3/d，出水溫度68 ℃，出水量和水溫均達到同類地區較高水平。

8 結語

隨著地熱資源開發的深度越來越大，其開發的成本和風險也隨之增大，前期勘查成果的可靠性對地熱資源開發成敗影響較大，根據各物探方法的適用條件，選擇多種物探方法或者物探與其他勘查手段綜合，減小多解性，提高工作精確性。

水文地質工作常用的物探方法為直流電法、電磁法、人工地震及放射性法等。鑒于本區地質構造復雜和物探解譯的多解性，本次選用了可控源音頻大地電磁探測、瞬變電磁探測、微動測量法三種勘查手段，推斷了工作區地質構造，合理選擇了地熱井井位，降低投資風險。探采結合井驗證了本次勘查工作成果是正確的。