CSAMT法在銀川某地地熱資源勘查中的應用

張曉明，石帥

（河北省地礦局第五地質大隊，河北唐山063000）

銀川盆地形成的主要地質背景是自新生代以來，銀川地區(qū)受喜馬拉雅運動的影響，區(qū)域上受拉張應力作用、深部受巖漿上侵作用。導致該區(qū)地殼持續(xù)減薄、斷陷下沉接受沉積，形成了典型的地塹式沉積盆地。活躍的深部構造、巨厚的新生界沉積地層造就了銀川盆地良好的地熱田發(fā)育條件。在當?shù)乜辈楹烷_發(fā)地熱資源有很好的前景。

1 測量區(qū)概況

1.1 地質概況

區(qū)域地質研究表明，銀川位于中國東、西兩大構造帶的樞紐部位。在大地構造上，屬于中朝準地臺鄂爾多斯西緣坳陷帶的賀蘭山臺陷和銀川地塹，為賀蘭山褶皺帶與鄂爾多斯地臺間的山前坳陷區(qū)。銀川地塹總體走向北北東向，北起石嘴山，南至青銅峽，長約160km，最寬為55km。地塹東西兩側分別受黃河斷裂和賀蘭山東麓斷裂控制，地塹內還有兩條規(guī)模較大的斷裂，即蘆花臺斷裂和銀川—平羅斷裂。這4條斷裂（見圖1）共同控制著銀川地塹的形成和發(fā)展。一系列傾向相同的北北東向正斷層，斷層面向盆地中心陡傾，致使盆地呈“階梯”狀斷陷，使地層逐級由兩側向中心錯落，形成階梯狀地層結構。

新生代以來受青藏高原抬升的影響，構造應力場為NW-SE向拉張應力場，在“古賀蘭山”基礎上沿先形成的NNE向斷裂破裂分化，盆地古生界和前古生界地層組成的基底下沉、深部上地幔物質上涌、地殼減薄，加劇了盆地的拉張斷陷作用，堆積了相當厚的新生界沉積物。據(jù)鉆孔資料顯示銀川盆地新生界沉積地層厚度約7000余米，其中第四系最大沉積厚度達1600m以上，沉積物以沖積、沖湖積、洪積為主，另外還有沖洪積物、風積物、湖沼沉積物。

1.2 地電介質概況

測區(qū)地處銀川盆地腹地，沉積了巨厚的新生界地層。據(jù)相關鉆孔資料顯示該區(qū)地表至深2100多米的地層情況為第四系到晚第三系的過渡，第四系厚400~500m，含水性強；晚第三系的巖性以泥巖、粉砂巖、細砂巖為主（呈互層狀沉積特征），見薄層礫巖，總體看巖石質地較為松散，成巖度不高（隨著深度的增加成巖度增強），此類地電介質的電阻率常會表現(xiàn)為低阻特征，電阻率經驗值參見表1。

表1 常見沉積物（巖）電阻率值統(tǒng)計表（單位：Ω·m）

1.3 地熱概況

銀川盆地處我國東、西部兩大不同性質構造單元的銜接和過渡帶，屬我國南北地震帶和地熱帶北段，是鄂爾多斯周緣活動斷裂系的一部分。向南與青藏地塊東北緣寧南弧形構造帶近直角相交，向北呈楔形夾于鄂爾多斯地塊與阿拉善地塊之間，是斷塊之間現(xiàn)今仍在強烈活動的“大陸裂谷帶”。中新生代的地質構造分異，是銀川盆地新生代以來地質發(fā)展歷史上最重要的一次構造熱事件，對盆地地熱活動的影響是深遠的。特殊的大地構造位置，強烈的新構造運動，強盛的深部熱水活動，造就了銀川盆地具備地熱資源形成的區(qū)域地質構造背景，使之成為我國中低溫地熱資源遠景區(qū)。

據(jù)有關資料介紹，采用綜合方法圈定出銀川盆地熱儲面積2514.86km2，按地層將盆地3000m深度內劃分出上第三系上新統(tǒng)（N2）、中新統(tǒng)（N1）、下第三系漸新統(tǒng)（E3）和奧陶系中統(tǒng)（O2）四個熱儲層。

已知地熱井方面，測區(qū)西部約25km處有Y3井（1999年鉆），西部約15km處有Y1井（1999年鉆），西南方向約3km處亦有一地熱ZK1井（2014年鉆）。這三眼井（位置參見圖1）的出水量和水溫的表現(xiàn)都相當?shù)暮茫呀浀玫搅擞行У拈_發(fā)利用，創(chuàng)造了相當可觀的經濟價值。

2 CSAMT測量工作

2.1 CSAMT工作方法原理

可控源音頻大地電磁測深法(簡稱CSAMT)是以有限長接地電偶極子為場源，在距偶極中心一定距離處同時觀測電、磁場參數(shù)的一種電磁測深方法（見圖2）。本次勘查采用赤道偶極裝置進行標量測量。同時觀測與場源平行的電場水平分量Ex和與場源正交的磁場水平分量Hy。然后利用電場振幅Ex和磁場振幅Hy計算阻抗電阻率ρs。觀測電場相位Ep和磁場Hp，用以計算阻抗相位φ。用阻抗電阻率和阻抗相位聯(lián)合反演計算可控源反演電阻率參數(shù)，最后利用可控源勘探反演的電阻率進行地質推斷解釋。

圖2 可控源方法測量裝置布置示意圖

可控源音頻大地電磁測深法標量測量方式是用電偶極源供電，觀測點位于電偶源中垂線兩側各30°角組成的扇形區(qū)域內。當接收點距發(fā)射偶極源足夠遠時（r＞3δ），測點處電磁場可近似于平面波，由于電磁波在地下傳播時，其能量隨傳播距離的增加逐漸被吸收，當電磁波振幅減小到地表振幅的1/e時，其傳播的距離稱為趨膚深度（δ），即電磁法理論勘探深度。實際工作中，探測深度（d）和趨膚深度存在一定差距，這是因為探測深度是指某種測深方法的體積平均探測深度，其經驗公式為：

由此可見探測深度與頻率成反比，我們可以通過改變發(fā)射頻率來達到測深的目的。

2.2 CSAMT野外工作

本次測量工作目標深度最深要到2500~3000m，收發(fā)距控制在14~16km。發(fā)射端AB極距2031m，接地電阻處理到了16Ω，最大發(fā)射電流采用18A，各個頻點的發(fā)射電流及發(fā)射時間情況見表2。

表2 CSAMT測量工作頻率表

接收端采用赤道偶極（TM）測量裝置，測量電極距MN=40m，電道布設方向沿剖面方位（105°），磁探頭擺設方位195°，低通濾波選用2頻段，電道增益×4，磁道增益×4，接收電極為CuSO4質不極化電極。

CSAMT測量裝置采用沿測線9電道1磁道同時測量（9電道共用一個磁道），測量次數(shù)為多次觀測，每個頻率至少觀測60s且至少觀測90次。測量過程中始終監(jiān)視數(shù)據(jù)質量和接地電阻情況，若有問題出現(xiàn)需要在野外第一時間處理。

水平磁探頭的方位使用羅盤定位，保持與測線垂直誤差小于1°。CSAMT測量中電流盡量保持穩(wěn)定。電極連線、磁探頭連線沿地壓實，防止晃動干擾，嚴禁在測量過程中有電磁干擾的物體接近磁探頭、接收極罐和接收線。

每天及時對觀測數(shù)據(jù)進行整理和驗收，及時發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的質量問題，對于采集時間不夠的、受干擾影響強烈的、其他原因導致測量失敗的排列或者道次及時地安排補測工作。

2.3 數(shù)據(jù)處理與圖件編繪

對于野外采集的原始數(shù)據(jù)及時傳入計算機內，并復制備份。CSAMT資料處理流程為：首先對數(shù)據(jù)進行剔野值、去干擾、近場校正、極化識別、靜態(tài)校正、空間濾波等方法進行處理，然后對處理好的數(shù)據(jù)進行一維或二維反演（包括Bostick、Occam等反演方法），最后整理成圖。其中資料預處理使用V8系統(tǒng)自帶的“CMTPRO”處理軟件進行，數(shù)據(jù)處理及反演工作使用成都理工大學的“MTSoft2D”資料解釋軟件進行處理，得出成果數(shù)據(jù)后用“Surfer”軟件繪制成最終的成果圖。成果圖如圖3所示。

圖3 CSAMT測量剖面卡尼亞視電阻率等值線圖

3 測量成果圖的解釋與推斷

依據(jù)本次工作所得成果圖（圖3），參考相關地質資料做出推斷解釋如下：

本次工作所得成果數(shù)據(jù)卡尼亞視電阻率值大部分在1~100Ω·m之間，與該區(qū)地電介質的低阻特征相當吻合。

3.1 縱向分析

分析四個測量剖面結果生成的CSAMT卡尼亞視電阻率等值線圖（圖3）得出，四個剖面總體上講縱向上從地表向下，卡尼亞視電阻率呈現(xiàn)“高—低—高—低”的變化趨勢。

“地表到500m標高”的視電阻率高低變化基本反映了第四系沉積物，推測此深度段內淺部沉積物砂質相對泥質多一些，結構松散，以至視電阻率相對高一些，在101~102Ω·m；深部泥質相對砂質多一些，結構相對致密一些，以至視電阻率相對低一些，在100.4~101Ω·m。

“500~0m標高”視電阻率呈現(xiàn)逐漸增高的變化，在100.4~101.4Ω·m。基本上反映了一套成巖度不高的晚第三系沉積巖（N2）（泥巖、粉砂巖及細砂巖）由與第四系的過渡帶到成巖度高的方向變化。

“0~-1200m標高”（下底面不平緩，局部深度變化很大）視電阻率呈現(xiàn)出一套相對的高阻層的變化現(xiàn)象，在101.2~102.8Ω·m。分析原因：隨著深度的增加，沉積年代的加長，該區(qū)上新統(tǒng)沉積巖（N2）成巖度逐漸增加，形成了一套結構較為完整的沉積巖（ZK1鉆孔資料顯示以粉砂巖、泥巖為主）。這一套沉積巖的視電阻率相對于它上面的第四系和松散的成巖度低的泥砂質沉積巖和它下面的中新統(tǒng)褐色泥巖（N1）都要高一些。

“-1200m標高以下”顯示低阻特征，在100.4~101.2Ω·m。參考ZK1鉆孔資料，推測進入了中新統(tǒng)沉積地層。

3.2 橫向分析

沿著各個測量剖面的CSAMT卡尼亞視電阻率等值線圖（圖3）的橫向分析，我們不難看出淺部（500m標高以上）的視電阻率橫向延伸較為穩(wěn)定，代表著該區(qū)新興沉積物（巖）的橫向均一性較好。但是隨著深度增加，橫向的均一性變差，尤其在-500m標高以下出現(xiàn)了四個明顯的突變帶，亦是本次測量工作所得出的異常帶。

①號異常帶，由L1線的200~500點測量段向北東向延伸到L4線的1500~1800點測量段。異常走向35°。

②號異常帶，由L1線的1700~1800點測量段向北東向延伸到L2線的3000~3100點測量段。異常走向43°。

③號異常帶，由L1線的2600~2800點測量段向北東向延伸到L2線的4000~4200點測量段。異常走向51°。

④號異常帶，由L1線的3700~3800點測量段向北東向延伸到L2線的4900~5000點測量段。異常走向34°。

這四個異常帶均表現(xiàn)為相同卡尼亞視電阻率等值線由水平延伸轉變?yōu)橄蛳峦蛔儯窍嗤姶判越橘|層的上頂面卻沒有發(fā)生突變，只是略向西傾，推測出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因應該是沉積過程中受到了構造運動的影響，下伏的西傾正斷層上盤斷裂下沉，使得異常帶上的沉積物“突然加厚”。這樣的沉積部位有利于儲水地質體（砂巖、礫巖）的形成。

4 測量區(qū)沉積環(huán)境分析

沉積物（巖）的存在形態(tài)決定于沉積環(huán)境。該區(qū)的沉積環(huán)境是非穩(wěn)定下沉的，由于喜馬拉雅運動的影響，在內力地質作用的影響下，下伏基底發(fā)生彎曲、斷裂等構造變化。相應的沉積形成的地層也會隨著基底的變化而變化，即為“動態(tài)沉積”。沉積越久的（埋藏越深的）受基底變化影響越大，沉積時間越短的（埋藏越淺的）受基底變化影響越小。測量區(qū)的沉積物（巖）形態(tài)變化方式有三種，直接變化、過度變化和間接變化。

所謂直接變化就是基底怎么變沉積地層就怎么變，基底斷它斷、基底彎它彎，變形量和變形特征和下伏基底大致一致。對應沉積年代遠、埋藏深度大、貼近或靠近基底、成巖度高的沉積地層，該區(qū)大致對應E1、E2、E3。該種變化是顯變的。

過度變化，沉積巖層自下往上分析，隨著巖石年齡變小，成巖度變低、巖石強度變弱、能干性變差，“直接的斷裂”會逐漸地過渡到變寬的“裂隙帶”或“韌性剪切變形帶”；基底和底層沉積巖中那種顯著的彎曲形變也會逐漸地變得滯后和變緩；劈理域會變得稀疏。變化形式由顯變逐漸過渡到漸變。此類地層在該區(qū)大致對應E3、N1、N2。

間接變化，我們知道沉積物沉積成巖是需要一定時間的，該區(qū)這樣的沉積條件形成一套完整成熟的沉積巖少需3Ma~5Ma,多則會超過10Ma。在漫長的成巖過程中若伴隨著構造運動，巖層本身則會受到影響而發(fā)生一些特殊的變化，隨著下伏巖層的錯斷或彎曲，地表下沉地區(qū)沉積厚度會逐漸變大，沉積環(huán)境會發(fā)生短時的明顯變化，沉積物質易發(fā)生明顯改變。此種變化發(fā)生在沉積巖固結成巖之前，是隨時間漸變的。該區(qū)第四系（Q）和上新統(tǒng)（N2）上段膠結程度低、重結晶弱、未固結或弱固結的巖層對應此類變化。

5 測量區(qū)地熱資源分析

地下熱水的形成，顧名思義需要兩個條件，一是要有水，二是要有熱。

通過對四個異常帶的綜合分析，推測異常帶中存在富水地層的可能性相當大，具備水的儲存條件，因此水量會有保障。再者，異常帶深部（-1500m標高以下）存在深大斷裂的可能性也相當?shù)拇螅惓畈浚?500m標高以下）本身有良好的熱導條件，喜馬拉雅構造運動的大背景下，該區(qū)地殼在逐漸減薄，深部巖漿活躍，有源源不斷的熱量沿斷裂構造向上擴散，然而近地表的2000~3000m沉積地層又不利于地下熱量的向上釋放，因此該區(qū)基底以上沉積地層的地熱增溫率隨著深度加深會有所變高，具備了水的覆蓋條件，因此水溫會有保障。

6 結論

可控源音頻大地電磁法（CSAMT）在銀川盆地這樣的地質條件下可取得良好的測量效果，方法可靠值得推廣。

銀川盆地地區(qū)新生界沉積地層的沉積環(huán)境受喜馬拉雅運動影響，在沉積過程中表現(xiàn)出一種“動態(tài)沉積”的特點。

測量區(qū)的地質條件對于地下熱水資源來講有良好的熱量來源和儲蓋條件，可以開展地熱的深部驗證和開發(fā)工作。同時，該種勘探方法和分析成果可推廣應用到銀川盆地的其它地段和其它類似的沉積盆地地區(qū)，為地下熱水資源的勘探與開發(fā)提供有力幫助。