AMT方法在地熱勘探中的應用
——以田灣河大熱水地熱勘探為例

蔣耀曦 趙學欽 張 剛 牛 毅 呂聰聰 柴沛然

（1.西南科技大學環(huán)境與資源學院 四川綿陽 621010；2.中國石油寶雞石油機械有限責任公司 陜西寶雞 721002）

隨著清潔能源需求的不斷增加，地熱相關產業(yè)蓬勃發(fā)展，尤其是在“碳達峰、碳中和”國家戰(zhàn)略目標的前提下［1］，加大對地熱資源的勘查與開發(fā)力度已經成為我國能源戰(zhàn)略的一個重要方向［2-4］。研究表明新構造運動形成的盆山構造格局控制著不同類型地熱田的展布［5-6］，山區(qū)地熱資源的形成與斷裂構造關系密切，地熱資源的分布與斷裂構造分布往往存在一致性的特點［7-8］，地熱水源的補給、運移、熱傳導的通道和熱水的儲集又常與斷裂破碎帶有關［9］。因此，在山區(qū)地熱資源勘探中，查明斷裂的空間展布特征是地熱勘探工作的關鍵。作為地熱資源調查的一種重要手段，地球物理勘探方法在地熱勘探中廣泛應用，如重磁聯合法、測氡法、測溫法以及電磁法廣泛用于地熱資源勘探［10-15］，其中電磁法是最傳統(tǒng)的方法之一。比較常見的電磁法有電磁測深法（MT）、音頻大地電磁法（AMT）［16］和可控音頻大地電磁法（CSAMT）等。AMT方法因具有頻譜豐富、不受高阻層屏蔽、對低阻層識別度高、探測深度大、工作效率高等優(yōu)點［17-20］被廣泛使用并取得了較好成果［21-26］。

四川石棉縣田灣河流域地熱資源豐富，研究區(qū)內現已發(fā)現藥王廟溫泉、小熱水溫泉、湯家坪溫泉、大熱水溫泉、豆芽子溝溫泉等多個出露的溫泉點（圖1）。為了進一步查明該區(qū)域地熱資源賦存規(guī)律，針對性尋找地熱優(yōu)勢區(qū)，本文在野外地質調查基礎上采用AMT方法對大熱水溫泉區(qū)進行地熱勘探，分析研究區(qū)內地下地層變化、巖性特征、斷裂構造和熱儲層空間分布情況，在此基礎上布置地熱鉆探井，旨在查明研究區(qū)地下斷裂構造和熱儲層的分布特征，為該區(qū)地熱資源的研究和開發(fā)利用提供科學依據。

圖1 研究區(qū)區(qū)域地質圖Fig.1 Regional geological map of the study area

1 地質概況

研究區(qū)位于四川省雅安市石棉縣西北部，地處橫斷山脈東緣，屬川西高原與四川盆地的過渡帶（圖1（a））［27］。區(qū)域構造總體格局屬川滇經向構造帶北端與青藏滇緬印尼巨型“歹”字型構造的頭部向中部轉折部分［28］，區(qū)內主要深大斷裂帶有NW 向鮮水河斷裂帶及SN向康滇斷裂帶，地質構造復雜，發(fā)育一系列走向為NW10°～40°的斷裂和SN向褶皺。伴隨構造運動，有花崗巖的侵入及強烈的區(qū)域變質。研究區(qū)出露地層比較簡單，主要為二疊系地層和第四系全新統(tǒng)地層，巖性以大理巖、變質砂巖、火山巖-玄武巖、碎屑巖為主。第四系全新統(tǒng)地層主要為沖洪積砂、礫石和坡殘積礫石、巖屑、砂粒、粉砂土等，分布于河谷、山坡地帶及平緩洼地內，局部還有冰水堆積物和化學沉積物。

研究區(qū)周圍主要有4處出露地表的溫泉、2處人工地熱井和1處地熱異常點（圖1（c）），熱水水溫為20.0～45.0℃，流量為3.0～26.0 L／s。其中大熱水溫泉泉口位于田灣河右岸山坡坡腳，出露于第四系松散堆積物中，下伏地層為二疊系上統(tǒng)的大理巖、片巖等變質巖，泉口處水溫約42℃，流量為26.0 L／s，具備較好的地熱異常條件，但開發(fā)程度較低，主要用于村民的洗浴。

2 物探數據采集和處理

2.1 數據采集

本次野外采集工作采用具有衛(wèi)星同步功能的V8多功能電法測量系統(tǒng)。根據工作區(qū)地層展布、構造特征及地形地貌，在研究區(qū)共布置4條測線，測線上距離20 m布置測點，總計102個測點，按所在位置與起始位置的距離對測點進行編號，記為點號，如圖1（d）、表1所示。野外觀測使用EH-4連續(xù)電導率成像系統(tǒng)進行數據采集，采用“十字”布極方式采集Ex，Ey，Hx和Hy的四分量電磁場數據，主方位與磁南北方向一致，困難地段測點適當旋轉方向（角度不超過15°），每個測點采集時間為50 min，以獲取10 400～0.35 Hz頻率范圍的測深曲線。

表1 研究區(qū)大地電磁法野外采集數據表Table 1 Field collection data table of magnetotelluric m ethod in the study area

2.2 數據處理

數據預處理：利用IMAGEM軟件對數據進行預處理。預處理之前還需對野外數據進行處理。在野外數據采集過程中，研究區(qū)內存在村莊、高壓輸電線等多種人為干擾因素，因此需要對測量數據進行判別，根據數據曲線進行數據截取，選擇質量符合要求的數據再進行處理；噪聲干擾比較嚴重的數據，采取多次重復采集或者選干擾少的時段再進行采集。個別測點采集質量無法提高被舍去，避免采集的數據對后期反演解譯帶來異常信息。

反演處理：預處理后，利用Winglink軟件進行AMT二維反演成像，反演方法為漸近線交點近似法（Bostick）。在反演成圖以后，結合地質資料對電阻率斷面進行綜合解譯，以獲取電學地質斷面圖（圖4-圖7）。

3 斷裂帶的地質特征

區(qū)域地質和野外調查顯示研究區(qū)主要發(fā)育兩條斷裂（圖1（c）），分別為草科斷裂和貓貓石-草科斷裂（F）。草科斷裂北起灣東之西，向南分為兩支，大致平行延伸至草科東部后合二為一，長度達23 km以上，北段走向近南北，南段走向為北西20°，斷裂在二疊紀變質巖層中，斷面東傾，傾角70°～80°，斷距在500 m以上。貓貓石-草科斷裂為本次研究首次發(fā)現的斷裂，斷裂從西到東呈北西西—近東西—北東向弧形向南凸起展布，向南陡傾，傾角為65°～80°。該斷裂的地質特征在多個方面均有體現：（1）該斷裂在遙感影像和地形地貌上顯現清晰（圖1（c）），基本上沿田灣河谷和左右兩岸延伸；（2）陳家溝溝口對岸和和平村對岸斷裂帶內與斷裂上下盤圍巖石英脈有揉皺現象，斷裂內透鏡體化，泥化發(fā)育，巖石破碎，局部巖層近于直立（圖2（a）、圖2（b））；（3）受到斷裂的影響，田灣河左岸（斷裂下盤）石英片巖擠壓為桿狀（圖2（d））；（4）該斷裂下盤圍巖巖體破碎，在坡腳形成大量的崩塌堆積體（圖3（a）、圖3（b））；（5）田灣河河床兩側基巖多現揉皺現象（圖3（c）），（6）田灣河左岸山體因斷裂作用而形成陡壁（圖3（d））。

圖2 貓貓石-草科斷裂（F）的地質特征Fig.2 Geological characteristics of Maomaoshi-Caoke fault（F）

圖3 貓貓石-草科斷裂的地質特征Fig.3 Geological characteristics of Maomaoshi-Caoke fault

4 物探反演和地質解譯

根據野外地質資料，對4條AMT測線進行反演和地質解譯（圖4-圖7），結果顯示研究區(qū)地下地層結構大致可分為第四紀松散堆積物、晚二疊世變質巖層和斷裂破碎帶3層。第四紀松散堆積物主要為砂、卵、礫石、巖塊、碎石層，電阻率一般為幾十Ω·m，相對其他地質體表現為低阻，完整的晚二疊世變質巖電阻率一般幾百到幾千Ω·m，表現為高阻，但構造破碎會使得孔隙度和流體含量增大，電阻率將會下降到幾百甚至幾十Ω·m而表現為低阻異常。

圖4 L1線反演電阻率擬斷面圖及解譯圖Fig.4 Pseudo-section diagram and interpretation diagram of inversion resistivity of L1 line

圖4為研究區(qū)L1線AMT電阻率反演剖面圖及地質解譯圖。從圖4可以看出，不同地層之間電阻率差別較大，電阻率范圍值介于1～5 000Ω·m之間，局部有明顯圈閉異常。測線范圍內覆蓋層厚度中等，第四系松散堆積物厚度50 m左右，電阻率等值線沿測線展布平緩，部分測點有圈閉異常，整體表現為低阻特征，電阻率一般為10～150Ω·m。標高1 100～1 450 m范圍內有高阻體發(fā)育，厚度為200～350 m，沿測線向北東方向，高阻異常圈閉較多，厚度逐漸增大，電阻率值為150～5 000Ω·m。反演剖面圖標高1 100～1 200 m、點號1000-點號1200間整體表現為低阻異常。點號1100-點號1200，電阻率在垂向上變化突出，整體表現為低-高-低阻交替出現，沿測線方向（北-南）電阻率表現為高-低-高電阻異常，變化畸變嚴重。在點號1100-點號1300之間，高低阻顯示明顯差異，有一傾向南、傾角為65°～80°、寬度60 m左右的低阻帶發(fā)育，推測該低阻帶為斷裂構造發(fā)育的位置，低阻帶在深部延伸較大。分析認為該低阻帶下部為儲熱層，與淺部連通性較好，根據野外地質調查成果，結合區(qū)域地質情況，該特征反應了貓貓石-草科斷裂的淺部特征。

圖5為研究區(qū)L2線AMT電阻率反演剖面圖及地質解譯圖。從圖5可以看出，測線范圍內第四紀覆蓋層分布不均，在點號2050-點號2250之間30 m深度范圍內的電阻率相對較高，約為150～500Ω·m，推測為下伏角閃石英片巖地層。在標高1 100～1 430 m范圍內的高阻體推測主要為晚二疊世變質巖，厚度在300 m左右，斷面范圍內等值線沿測線起伏變化明顯，中高阻異常圈閉較多。在反演電阻率剖面圖沿測線方向電阻率表現為高-低-高電阻異常，變化畸變嚴重。在點號2150-點號2300之間，左右高低阻顯示明顯差異，根據特征可推測為斷裂構造帶，該斷裂具有一定的傾向，與淺部連通性較好，該斷裂與L1線反演剖面圖推斷上的斷裂構造帶位置、寬度基本一致，說明了推斷的可靠性。

圖5 L2線反演電阻率擬斷面圖及解譯圖Fig.5 Pseudo-section diagram and interpretation diagram of inversion resistivity of L2 line

圖6為研究區(qū)L3線AMT電阻率反演剖面圖及地質解譯圖。圖6顯示，測線范圍內第四紀覆蓋層厚度不均，測線西端第四紀覆蓋層厚度為5～10 m，測線東端覆蓋層厚度為10～30 m，總體上沿測線（西-東）方向覆蓋物厚度逐漸增大。標高1 100～1 450 m范圍內的高阻體推測主要為晚二疊世變質巖，厚度在350 m左右，斷面范圍內等值線沿測線起伏變化明顯，電阻率值為200～5 000Ω·m。在標高為1 250～1 350 m、點號4380-點號4460的范圍內電阻率范圍在15～60Ω·m之間，表現出明顯的低阻異常，結合L1，L3測線及點號位置推測此低阻體是貓貓石-草科斷裂在西-東方向上的反映。

圖6 L3線反演電阻率擬斷面圖及解譯圖Fig.6 Pseudo-section diagram and interpretation diagram of inversion resistivity of L3 line

圖7 為研究區(qū)L4線AMT電阻率反演剖面圖及地質解譯圖。圖7顯示，測線范圍內第四紀覆蓋層厚度不均，表現為中間薄東西兩端厚的特點，其中測線西端第四紀覆蓋層厚度為50～70 m，測線東端覆蓋層厚度為5～50 m。從圖6和圖7可看出，在同一測區(qū)大致同一方向的L3線和L4線都在與L1交點點位附近表現出地電剖面形態(tài)相似和地質構造類似的特征。在第四系覆蓋物以下，標高1 100～1 400 m、點號6000-點號6250范圍內電阻率在15～60Ω·m之間，有寬度大約200 m的低阻帶發(fā)育，低阻分布范圍相對較大且向下有較大延伸深度，推測為斷裂構造發(fā)育的位置，與點號6250-點號6650范圍內地層電阻率（200～5 000Ω·m）表現出明顯的差異，結合L1，L3和L4測線及點號位置推測此低阻體也是貓貓石-草科斷裂在西-東方向上的反映，同時驗證了前面的推測。

圖7 L4線反演電阻率擬斷面圖及解譯圖Fig.7 Pseudo-section diagram and interpretation diagram of inversion resistivity of L4 line

5 結果及鉆探驗證

根據研究區(qū)AMT二維反演結果分析，結合現場地質地貌特征布置了一口地熱勘探井（ZK01），地熱井位于田灣河左岸，L1測線點號1140點位附近，最終井深為96.2 m。ZK01鉆遇地層詳情見圖8。可以看出此處第四系地層厚度為39.5 m，第四系地層以下主要為二疊系變質巖層，巖性相對比較復雜，鉆探揭露至47.4 m時出現涌水現象，涌水量約100 m3／d，水柱高度約9 mm，井口水溫44℃。鉆探至85.2 m處涌水量突增，現場測定流量為1 225.68 m3／d，井口水溫45℃。

結合AMT方法L1線二維反演綜合分析，鉆井位置以下0～50 m與周圍圍巖存在明顯的電性差異，表現為低阻，電阻率為64～150Ω·m，地表以下80～100 m與周圍圍巖存在明顯電性差異，表現為低阻，電阻率為110～150Ω·m，推斷此兩層為破碎帶含水層，兩層之間為高阻層，電阻率為150～500 Ω·m，與ZK01井鉆井資料吻合。鉆井結果表明AMT解譯推斷與實際情況基本吻合，AMT方法可以很好識別出破碎帶含水低阻區(qū)的異常信息，能準確反映研究區(qū)內熱儲層的空間分布。

綜合上述反演結果和鉆井實際，結合研究區(qū)地質資料和野外地質調查，認為研究區(qū)內發(fā)育一條主斷裂（貓貓石-草科斷裂），斷裂沿田灣河谷呈NWW 近EW-NNE向向南凸起的弧形延伸，長約35 km，寬約60 m，與淺部有比較好的連通性。該斷裂不但是控制田灣河兩岸一系列溫泉、地熱井和地熱異常的主要控制性斷裂，也是地下熱水上涌的主要通道。同時推斷該斷裂下部較深的中心位置有溫度比較高的地下熱水，淺部的熱水主要來自于下部熱儲層的補給。

6 結論

（1）AMT方法能夠獲取可靠的電阻率信息進而反映地質體的空間展布特征。在本次利用AMT方法對研究區(qū)進行地熱探測中，AMT電阻率在斷裂破碎帶和熱儲層上均有異常反應。斷裂破碎帶與周圍圍巖電阻率有較大差異且呈不連續(xù)變化，斷裂破碎帶整體表現為低阻異常；熱儲層電阻率部分點位表現為低阻圈閉異常，整體表現為明顯的低阻異常。

（2）根據研究區(qū)野外地質資料、AMT二維反演及鉆探成果表明：研究區(qū)存在一條東-西走向的斷裂（貓貓石-草科斷裂），斷裂形成寬度大約60 m的斷裂破碎帶，斷裂在深部延伸較大且與淺部地下水有比較好的連通性；該斷裂為研究區(qū)地熱導水構造，同時控制了研究區(qū)地熱資源的分布；推斷斷裂帶下部較深位置有溫度比較高的地下熱水，淺部的熱水主要來自于下部熱儲層的補給。

（3）AMT方法在地熱探測中的反演成果與地質實際情況有比較好的吻合，能識別地下斷裂破碎帶及含水低阻區(qū)的異常信息，進而有效識別熱儲層的分布情況，可在地熱資源勘探中推廣應用。