氡气测量与CSAMT联合探测在阿尔山市白狼镇地热资源勘查中的应用

王迪　霍建华　王福义

摘要：在阿尔山市白狼镇地热资源勘查中，运用了氡气测量和CSAMT法相结合的物探方法，有效地克服了工作区山高林密的困难，避免了单种物探方法的多解性和不确定性，获得了较好的勘探成果，说明氡气测量和CSAMT相结合是寻找地热资源的一种有效手段。

地下热水的形成必须具备一定的地热地质条件，主要为储热层、盖层、热源和热流通道。其中断裂构造对于带状热储的形成尤其重要，它既起到导水增温的作用，又可以使深部热储在地下水动力作用下运移至地表，所以带状热储勘查的主要任务是确定储热断裂构造。

放射性元素Rn在形成和衰变过程中产生的仪辐射是氡气测量的物理基础，在构造带中，Rn不仅易溶于水，而且能吸附于固体表面，随着地下水的升降活动，Rn不断地从地下被搬运到地表富集，形成局部的氡气高异常区。岩石破碎、孔隙度增大、地温增高将促使Rn的迁移速度加快，可在地表借助氡气测量就可以探测到数百米深的断裂构造，因此氡气测量被大量用于探测基岩裂隙水和断裂构造。

可控源音频大地电磁法简称CSAMT法，是人工激发交变电磁场，利用两端接地的有限长导线作为发射源向地下供电，在波区测量相互正交的电、磁场切向分量，并计算卡尼压电阻率和阻抗相位，来达到勘探地球内部电性结构的一种方法。该方法具有工作效率高、探测深度大（可达3000m）、横向分辨率高和受地形影响相对较小等优点。在矿产勘查、地质构造调查和寻找地下热水等领域应用效果显著，为国内地热勘查的主要物探方法。

虽然利用氡气测量寻找断裂构造具有直接、方便、省时和价廉等优点，但无法确定断裂宽度、下延深度和倾向等构造特征，而结合CSAMT法可很好地弥补氡气测量的不足。在阿尔山市白狼镇地热地质调查中，采用氡气测量法和CSAMT法组合探测地下的地质结构和构造，在物性探测原理上优势互补，从综合解译上达到互为印证、各取优点的目的，取得了很好的地质应用效果。最终在两种物探方法共同反应的地热异常区成功的钻探了一眼基岩区地热井，水量为206m³/d，水温40℃，除氟离子含量超标外，偏硅酸、锌、锂和锶均达到了天然饮用矿泉水标准。本文结合白狼镇地热资源勘查实例，说明这种组合探测模式的合理性和有效性，其特点、经验对解决类似的地质问题具有一定的参考意义。

1.测区地质概况

工作区位于内蒙古自治区东部，地处大兴安岭中段岭脊南侧，是洮儿河的发源地，区内主要为中低山和河谷洼地地貌，植被覆盖率高，为兴安盟阿尔山市白狼镇管辖。工作区范围为东经120°04′09″～120°12′20″、北纬46°58′39″～47°04′19″。

1.1地层及岩性

工作区出露的主要为火山岩地层，仅在南部出露少量二叠系砂岩和侏罗系中酸性侵入岩，大面积分布侏罗系安山岩和凝灰岩，部分地区上覆新近系玄武岩和安山岩（图1）；工作区西部零星出露第四系玄武岩，沟谷内第四系冲洪积物较薄。

1.2断裂构造

受大地构造发展的影响，本区构造变动强烈，褶皱和断裂构造发育，褶皱构造以轴向北东或北北东向的紧密线型复式背向斜为主，断裂构造以北东向压扭性断裂为主，其次为北北东向压性、北西向张性和东西向张性三组断裂。白狼侏罗纪火山构造洼地出露面积约为200km2，大体呈WE向展布。洼地内充填白音高老组火山碎屑岩，并发育几个破火山口。南部被五岔沟组玄武岩覆盖，白狼侏罗纪火山构造洼地可能主要受NE向断层控制。太阳沟西部有个较大的破火山口，面积约2km2，环绕破火山口周围为沟谷与岩脉——为环状断裂，环状断裂外围有沟谷与推测断层向外辐射（见图1），属张性，为本区地下水的赋存和运移提供了良好通道，局部断裂构造为压扭性构造，在区内起阻水阻热作用。

2.物探方法及数据分析

工作区处在大兴安岭林区，山高林密，山体坡度一般大于45°，物探工作仅限于山间沟谷内，沟谷最宽处不足2km且谷内多为湿地，所以物探方法采用较灵活的氡气测量和CSAMT法，两种物探测线布置较密且基本重合，测点基本呈面状。

2.1氡气测量和数据处理

氡气测量不受电（磁）特性等的干扰，测量简单、快速，可实现面积测量，对异常进行整体评价。对所有测量数据进行分析，计算背景值、阀值，确定异常峰值形态，判断地下构造的位置、宽度和倾斜方向等，是该方法解释的基本流程。但也应注意到覆盖层的厚度、土壤含水量会直接影响测量数值的大小，因此必须记录场地地质特征，正确判断数据的真实性。另外高于阀值的异常位置也并不一定与地下构造一一对应，进行资料解释时宜与其他方法综合判定。

野外氡气测量仪器为核工业北京地质研究院生产的FD-216型环境氡测量仪，该仪器全自动计算土壤中的氡含量，单位为Bq/m3，点距为20m。资料整理包括数据复核和检查点误差评价等。文献资料显示，处理氡气测量数据还没有统一的方法，本次数据分析主要依据数理统计的方法评价较为合理，数据处理步骤如下。

（1）计算所有测点数据的平均值x，标准偏差为a。

（2）将（x-3aX+3a）区间定为测量数据的合理变化范围，超出此范围者则舍弃；同时，在测量过程中发现本仪器软管漏气导致测量失败时，仪器数据均为300Bq/m³，故同时舍弃≤300Bq/m³的数据。

（3）舍弃不合理的数据点，重新计算平均值和标准偏差，分别另计为x1和a1。

（4）此时的平均值x1就定义为背景值RnB，阀值为RnF=X1+1.50al。

（5）绘制剖面氡气幅值变化曲线，并标绘背景值RnB和异常阀值RnF。

（6）超过异常阀值（背景值的1.5倍标准差的测值）的则作为存在的地球化学异常值。

2.2 CSAMT测量和数据处理

CSAMT法基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程组导出的水平电偶极源在地面上的正交坐标系下电场及磁场公式，通过人工场源激发电磁波，只要在地面上观测到两个正交的水平电磁场（Ex，Hy）就可获得地下的视电阻率r，也称为卡尼亚电阻率。该方法具有抗干扰能力强、灵活便捷、横向分辨率高和探测深度大的优点。

仪器采用加拿大凤凰公司研制开发的第八代V8多功能电磁法仪，V8有3个磁通道和3个电通道，磁通道既可以连接标准的磁棒也可以和1到3个轴向的TDEM探头连接。v8既可以单机工作（通常用来做AMT和MT），也可以作为辅助的2个电通道数据采集的局域网络中心。所有的记录单元均通过GPS时间（±0.2微秒）保持同步，发射机也是通过GPS时间保持同步。无论是网络化的记录单元之间，还是接收机和发射机之间均可以通过无线方式保持通讯。V8系统具有时间域的常规电断面、电测深、高密度、激电、瞬变电磁测量功能，具备频率域的大地电磁测深（MT）、音频大地电磁测深（AMT）、可控源音频大地电磁测深（CSAMT）及频谱激电（SIP）电法勘查测量功能。仪器工作频率范围为0.125Hz～9600Hz，共32个频点。

测得的原始数据经过初步格式转换、剔除废点和数据滤波处理后，进行专业处理，处理流程基本为：剔除飞电、去噪、圆滑、静态校正、地形改正、1D&2D反演和地质解释，最终得到了各测线反演后的电阻率断面图，电阻率用分等级的彩色显示。

2.3综合研究分析

将工作区21条氡气测量线，共计1375个测量数据进行统计，计算得平均值x为26415.7Bq/m³，标准偏差a为23761.97Bq/m3，计算得300-97701.61Bq/m3区间内数据为有效数据。10号线氡气测量点总数80个，其中13号点数据为113247Bq/m3，19号点数据为244826Bq/m3，47号点数据为142943Bq/m3，将这3个点数据舍弃后，重新计算得平均值x1（背景值RnB）为24051.8Bq/m3，标准偏差al为13996.37Bq/m3，阀值RnF为45046.34Bq/m3。据此绘制了氡气幅值变化曲线（图2-上）。

林区植被茂密，地表潮湿，含水量大，不利于氡气的运移和聚集，同时受地下2m左右岛状冻土层的影响，图2一上测氡曲线整体上数值较小，且偏离较大。从曲线上大致看出两个峰值，分别位于点号7～22和36～58间，同时3个高异常点也都位于这两个区间内，从该曲线图单独分析，推断这两个峰值区间可能是深部断层同地表的沟通区。

虽然CSAMT法受地下冻土层影响较大，但是最终电阻率断面图效果较好（图2-中），很好的反映出深部地质构造情况。根据工作区不同岩性的电性差异，反映出红色（电阻率大于5000Ω·m）部分为完整的花岗岩侵入体，受断裂的控制，花岗岩西部沉积了厚层侏罗系凝

灰岩，其电阻率一般小于3000Ω·m，电阻率3000～5000Ω·m区域则受侵入接触带及断裂破碎带共同影响。由于地表松散层较薄，基本不超过20m，在CSAMT断面上难以反应。

对比CSAMT断面图同氡气测量曲线重叠部分，CSAMT反应的两条断层上部正好位于氡气测量峰值区，且吻合度非常好，两种物探方法优势互补又相互验证，确定了主要断裂的倾向和下延深度，据此绘制了10号线综合地质解译剖面（图2-下）。在此基础上确定了孔位和孔深，最终在预计深度范围内钻遇了断裂破碎带且钻探出了优质地热水，更证实了上述分析的准确性。

3.结论

（1）氡气测量具有简便、灵活和快速的特点，但在确定深部断裂构造位置、宽度和下延深度等方面较为困难。土壤的含水性、厚度和土壤类型是影响氡气测量的主要因素。通常情况下，经过数理统计可以大致确定一个地区的背景值和阀值，氡气曲线上高于背景值的单峰或多峰异常往往与地下地质构造相关。经统计，工作xE～壤氡背景值为2405 1.8Bq/m3，阀值为45046.34Bq/m3。

（2）CSAMT法受地形限制较小，探测深度大，有较高的水平和垂向分辨率，可以较好地反映深部地质构造情况，尤其是对有良导特性的断裂破碎带和低高阻接触面，有明显的反应，但是受环境电磁干扰影响严重，且对低阻体定性较差。通过解译出的断面图，分析电阻率的异常变化，可初步确定深部地质构造特征。

（3）在阿尔山白狼镇地区，山高林密，选用较灵活的氡气测量和CSAMT相结合的物探方法来探测地下深部地质构造的方法是可行的。两种方法优势互补、相互验证，CsAMT反应的两条断层上部正好位于氡值高异常区，共同确定了工作区断裂构造的倾向、倾角和下延深度等，清晰反映出了花岗岩基底同上部岩体的接触面，为孔位的选定和成功出水奠定了地质基础。