可控源音頻大地電磁測深法在地?zé)峥碧街械膽?yīng)用

李 鵬，劉麗叢

(1.天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計院，天津 300250；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

放射性物質(zhì)衰變在地球內(nèi)部產(chǎn)生巨大熱能，熱能通過多種方式向地表傳播熱量至人工可以采集到的地殼上層，地?zé)豳Y源就是指夠借助于某種媒介有效地采集和利用的地?zé)崮堋Ｄ壳埃梢岳玫牡責(zé)豳Y源主要包括天然出露的溫泉、淺層地?zé)崮堋⑷斯ゃ@井開采利用的地?zé)崃黧w以及干熱巖體中的地?zé)豳Y源[1-6]。

作為新能源，地?zé)豳Y源已成為不可或缺的重要資源之一，其開發(fā)利用日益受到重視。工區(qū)位于內(nèi)蒙古西部，由于尚未系統(tǒng)開展過地?zé)豳Y源勘查，需要通過地球物理手段查明地下2 000 m以上地層特征，尤其是蓋層及熱儲層的時代、巖性、厚度及埋深，并查明區(qū)域斷裂特征及產(chǎn)狀，尋找地?zé)豳Y源有利遠(yuǎn)景區(qū)。

由于地?zé)豳Y源的形成需要地層具備特殊的地質(zhì)條件以及穩(wěn)定的熱儲層，導(dǎo)致地?zé)豳Y源與周圍地層存在不同的地球物理異常。因此，地球物理勘查成為尋找地?zé)豳Y源的重要手段[7-13]。常用的地球物理方法主要包括重力、磁力、電磁、地震等。根據(jù)前人研究，含熱儲層電阻率比非儲層低，可以將地下巖層低阻異常作為地?zé)豳Y源判別的重要標(biāo)志，電磁法成為常用的地?zé)豳Y源勘查手段。而音頻大地電磁測深法是通過觀測天然電磁場在地下的分布特征，研究地下礦石電阻率分布規(guī)律的一種地球物理勘探方法[14-19]，工作效率高、探測深度大且抗干擾能力較強，是一種簡捷、有效并且直觀的地球物理勘探方法，在地?zé)峥辈橹械玫搅藦V泛的應(yīng)用。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

河套盆地主要是受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用形成的中新生代斷陷盆地，斷裂帶活躍，左右著盆地的演化，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，為區(qū)域內(nèi)地?zé)豳Y源的發(fā)育提供了重要的熱源，受一系列構(gòu)造運動影響，區(qū)域內(nèi)主要發(fā)育沉積型地?zé)帷?/p>

1.1 地層

河套盆地位于內(nèi)蒙地軸南側(cè)，鄂爾多斯地塊北部，在中生代之前一直受到長期的剝蝕。在晚侏羅世末期由于區(qū)域構(gòu)造運動同時受到北東—西南方向的拉伸，形成了近東西向展布的斷陷盆地，開始具備更多的沉積空間，接受湖相沉積。

工作區(qū)南部劃屬華北地層區(qū)，北部烏拉山屬陰山地層區(qū)。華北地層區(qū)內(nèi)的河套盆地三湖河平原主要出露為第四系，陰山地層區(qū)的烏拉山主要出露太古界中深變質(zhì)巖系。在盆地內(nèi)有少數(shù)鉆孔揭露新近系上新統(tǒng)、下白堊統(tǒng)及太古界。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，盆地內(nèi)的熱儲類型主要包括大理巖熱儲層、白堊系熱儲層及新近系、古近系熱儲層。工作區(qū)地質(zhì)簡圖如圖1所示。

圖1 工作區(qū)地質(zhì)簡圖

1.2 巖漿巖

工作區(qū)北部烏拉山局部有巖漿巖出露，受山前斷裂的影響，山前盆地內(nèi)可能有分布。主要巖性為太古代晚期混合花崗巖及印支期花崗巖。

1.3 構(gòu)造

工作區(qū)大地構(gòu)造位置屬于華北地臺一級構(gòu)造單元，在縱向上跨越2個二級構(gòu)造內(nèi)蒙臺隆和鄂爾多斯臺坳。河套斷陷盆地位于工作區(qū)南部，基底主要為太古界變質(zhì)巖系，上覆元古界、下白堊系及新生界沉積物，巖相厚度變化大，構(gòu)造復(fù)雜。工作區(qū)北部為大青山隆起，第四紀(jì)以來構(gòu)造運動強烈，新老斷裂活動頻繁。

2 地球物理特征

從區(qū)域重力資料和航磁資料來看，由于該盆地為中新生界盆地，在布格重力異常圖上主要表現(xiàn)為重力低異常，呈窄條帶狀展布。在工作區(qū)重力低異常北側(cè)呈線形密集狀展布，南側(cè)重力異常呈過渡型，推斷工區(qū)內(nèi)中生界盆地為箕狀，其南側(cè)為超覆界線，北部受同沉積斷層烏拉山及大青山山前斷裂控制。

圖2 工作區(qū)周邊布格重力異常平面等值線

從區(qū)域航磁資料分析盆地基底主要呈弱磁異常，結(jié)合區(qū)域物性資料特點，基底巖性主要為白云質(zhì)大理巖。

圖3 工作區(qū)周邊航磁異常ΔT(化極)平面等值線

基于前期大量的電測深和地震等地球物理勘查工作，盆地在早白堊世和新生代構(gòu)造運動頻繁，發(fā)生強烈坳陷。其中，古近系、新近系的沉積厚度為4～5 km。

3 地?zé)豳Y源勘查

3.1 可控源音頻大地電磁法原理

可控源音頻大地電磁法是在大地電磁測深法和音頻大地電磁測深法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種頻率域測深方法[4]。采用可控制人工場源激發(fā)地下巖石，在距偶極中心一定距離處，利用不同巖石的電導(dǎo)率差異測量一次場電位和磁場強度變化的一種電磁勘探方法[5]。

CSAMT法以有限長接地導(dǎo)線為場源，信號強度大，勘探深度可達2～3 km，與其他頻率域電磁法相比，對壓制干擾有較好效果。由于測量的是卡尼亞電阻率(電場與磁場之比)，抗干擾能力強，受地形影響較小。隨著越來越多的地?zé)豳Y源被開發(fā)利用，開采深度越來越大，可控源音頻大地電磁測深作為一種探測深度較大的電磁探測方法，在深部地?zé)峥辈橹械玫皆絹碓綇V泛的應(yīng)用[6]。

3.2 工作方法

CSAMT法根據(jù)使用的場源數(shù)目和觀測的場分量多少，分為4種測量方式(張量、矢量、面積性標(biāo)量和標(biāo)量法)。其中，面積性標(biāo)量方式只需觀測1個場源的2個正交的切向分量，方法簡便、快速、經(jīng)濟，在一般地質(zhì)情況下可以取得良好的應(yīng)用效果，在地?zé)峥辈橹械玫綇V泛的應(yīng)用。

對于可控源音頻大地電磁法，為了獲得盡可能大深度范圍內(nèi)的地電信息，此次勘探選用GDP32II儀器系統(tǒng)，采用面積性標(biāo)量觀測方式進行野外數(shù)據(jù)采集，在每個測點測量沿測線方向的電場和垂直測線方向的磁場分量。

(1)收發(fā)距的選擇。工區(qū)內(nèi)地層電阻率值整體較低，發(fā)射機的最低工作頻率為1 Hz，設(shè)置收發(fā)距最小為7 200 m。

(2)剖面部署和測點布設(shè)。烏拉山山前斷裂是工作區(qū)內(nèi)發(fā)育最長、切割深度最深的斷裂，是工作區(qū)周邊最為重要的構(gòu)造，呈近東西向展布，工作區(qū)內(nèi)斷裂也多呈近東西向展布，因此測線垂直斷裂布置，共布置了6條南北向的可控源音頻大地電磁測深剖面。

3.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理決定了后續(xù)成像和資料解釋的質(zhì)量，通過采集數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、數(shù)據(jù)點選擇、模型選擇等相關(guān)處理，結(jié)合區(qū)域已知物性資料，繪制地質(zhì)斷面圖，推測地下地?zé)岣采w層厚度和熱源位置，形成最終地質(zhì)解釋成果[7]。

(1)預(yù)處理。原始數(shù)據(jù)中存在隨機干擾信號，在數(shù)據(jù)處理線對實測數(shù)據(jù)進行編輯，剔除明顯的干擾點或錯誤點，并對原始數(shù)據(jù)重排及磁場振幅進行3點滑動濾波處理，減少隨機干擾，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

(2)遠(yuǎn)區(qū)數(shù)據(jù)頻點的選擇。為使電場接近平面波，野外測量時盡量選擇在遠(yuǎn)區(qū)進行CSAMT測量，但在實際中由于條件限制使得某些頻率無法滿足遠(yuǎn)區(qū)勘查要求。因此，在 2D數(shù)據(jù)反演中需要對遠(yuǎn)區(qū)數(shù)據(jù)進行改正。

(3)反演初始模型選擇。其直接影響反演電阻率斷面圖的準(zhǔn)確性，進而影響地質(zhì)綜合解釋的可靠性。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)情況及測井資料，選擇原始數(shù)據(jù)的滑動平均模型作為反演初始模型。

(4)圓滑系數(shù)的選擇。主要為Ressmth的選擇，影響反演模型數(shù)據(jù)擬合度與模型粗糙度。如果Ressmth過大，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)擬合度較小，斷面圖等值線比較圓滑，但同時可能湮沒一些地質(zhì)信息；而選擇Ressmth過小，數(shù)據(jù)擬合度較高，但模型較粗糙，淺部出現(xiàn)電阻率等值線團塊，反演電阻率也出現(xiàn)異常大或小，又可能引入假的地質(zhì)信息。通過對不同的Remsmth值反演試驗，最終確定反演參數(shù)Ressmth=0.5、水平圓滑系數(shù)為10、垂直圓滑系數(shù)為1。

(5)二維反演。此次工作區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)處理采用二維共軛梯度反演法，實用性較強、效果較好。

數(shù)據(jù)處理過程中通過對原始資料剔除無效及隨機干擾信號、對電場數(shù)據(jù)、磁場數(shù)據(jù)做圓滑處理，最后通過反演得到電阻率斷面圖。通過反演剖面分析電阻率異常特征，同時結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，地?zé)岬刭|(zhì)資料以及其他勘查資料，判斷地層界面及斷層位置、產(chǎn)狀，在定性分析認(rèn)識的基礎(chǔ)上，通過反演對定性成果定量化，使得反演結(jié)果盡可能接近地質(zhì)真實情況。

3.4 資料分析

工作區(qū)位于盆地內(nèi)，盆地內(nèi)各時代地層電阻率具有一定差異，為該區(qū)開展電法勘查提供了較好的物理前提，其中新生代第四系地層電阻率具有中高阻特征，第三系地層中的泥巖具有低電阻率特征，大理巖具有高阻特征，而白堊系地層中的砂巖相對新生代地層具有高阻特征，與大理巖有電阻率差異。

(1)電性特征。K1—K5測線每條測線共布設(shè)測點52個，剖面長度約10.2 km，K6測線共布設(shè)測點44個，剖面長度約9.6 km。依據(jù)工作區(qū)電性結(jié)構(gòu)特征，并結(jié)合6條測線二維反演電阻率剖面圖可以看出，剖面的電性特征總體相似，表現(xiàn)為在縱向上分層、橫向上連續(xù)的沉積地層特征(圖4)。

圖4 K1—K3測線二維反演剖面圖及地質(zhì)解釋

剖面橫向上整體上以中低阻值為主，局部存在高低阻異常，主要是受鐵路上輸電線與地下光纜的電磁干擾反映。橫向連續(xù)性較好，整體上測線后段電阻率明顯增大，對應(yīng)工作區(qū)北部靠近山坡一段，剖面縱向上呈現(xiàn)出阻值上高下低的趨勢，據(jù)此可分為2層結(jié)構(gòu)。分層界面定性為第四系中更新統(tǒng)(Q2)底板，在第四系中更新統(tǒng)(Q2)接近底板處電阻率變小。第一電性層整體為相對的中高阻層，視電阻率范圍在10～200 Ω·m，地層為第四系中上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)(Q2+Q3+Q4)，綜合判斷第四系中更新統(tǒng)(Q2)底板埋深為500～1 400 m。第二電性層是從第一電性層底面向下延伸至剖面底部，整體為低阻層，視電阻率小于10 Ω·m，為第四系(Q1)及新近系(N)地層，綜合分析該套地層厚度較大，整體厚度900～1 800 m。

圖5 物探斷裂解譯成果

在各條剖面反演成果基礎(chǔ)上，繪制出工作區(qū)不同深度(500、1 000、1 500、2 000 m)下的水平切片圖(圖6)。

圖6 綜合水平切片

綜上分析，6條剖面共推斷斷裂18條，投射到平面圖上可歸納為7條斷裂，通過可控源音頻大地電磁測深反演剖面的綜合解譯分析，推斷工作區(qū)有7條斷裂。其中，6條斷裂F1、F2、F4、F5、F6、F7為近東西向的正斷層，傾角均較大，70°～80°，呈現(xiàn)出階梯狀斷裂特點，通過綜合水平切片圖并結(jié)合三號線反演剖面圖特征，推斷F3斷裂為一北東向的正斷層。

3.5 井位設(shè)計

(1)在盆地形成過程、地質(zhì)特征、地?zé)岬刭|(zhì)條件研究基礎(chǔ)上，結(jié)合可控源音頻大地電磁測深的成果，工作區(qū)為地?zé)嵩鰷匦偷責(zé)崽铩?/p>

(2)區(qū)內(nèi)斷裂比較發(fā)育，東西及北東向斷層構(gòu)造為深部熱源向淺部傳導(dǎo)提供了通道。

(3)區(qū)內(nèi)第四系地層厚度達1 800～2 000 m，形成很好的熱儲蓋層；新近系地層厚度約500 m，熱儲層厚度大。

(4)工作區(qū)內(nèi)砂巖電阻率高于泥巖，因而賦水對于砂巖的電阻率影響不大，應(yīng)尋找相對中高阻值區(qū)。

綜上所述，可根據(jù)可控源勘查成果開展鉆井勘查，新近系熱儲層作為目的層，建議布設(shè)2個地?zé)峥碧娇譠K1和 ZK2，建議成井深度為2 500 m；建議在二開鉆至2 000 m時進行測井，依據(jù)測井資料分析2 000 m以上的水溫、水量，結(jié)合實際需求確定是否繼續(xù)鉆進至設(shè)計井深，以減少鉆井風(fēng)險，節(jié)約勘查成本。

4 結(jié)論

通過在工作區(qū)內(nèi)可控源音頻大地電磁測深勘查工作，在保證野外數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的前提下，將地質(zhì)、物探、水文等多方面資料進行綜合分析、解釋，相互對比、相互印證。

(1)隨著地?zé)豳Y源開采深度越來越大，可控源勘探深度大，分辨率高，結(jié)合地質(zhì)、地球物理特征可以解決工作區(qū)內(nèi)深層構(gòu)造及斷裂產(chǎn)狀問題。

(2)確定地?zé)峋灰h(yuǎn)離山前混雜、賦水條件差的堆積區(qū)，考慮為深部熱源向淺部傳導(dǎo)提供通道的斷裂帶等因素。另外，工作區(qū)屬于盆地層狀熱儲，在確定井位時，要考慮熱儲層的形成條件應(yīng)大于斷裂構(gòu)造控制的影響，結(jié)合地?zé)崽卣骱偷厍蛭锢硖卣鞔_定井位。