多种电磁法在地热资源勘查中的应用

苌云，黄江华，陈卫营，王国群

(1.安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院，安徽 蚌埠 233000； 2.陕西地矿第二综合物探大队，陕西 西安 710016)

1 前 言

地下热水资源是清洁无污染的绿色能源，尤其在当今环境问题趋于严重和能源短缺问题的困扰下，大力开发地热资源对保护和改善自然环境具有重要的现实意义。为充分利用深部地热资源，查明淮南市焦岗湖生态区的热储情况，根据本区的地质条件和电磁法勘探的特点，采用多种电磁法(可控源音频大地电磁法、瞬变电磁法和大地电场探测法)综合实施的思路和方案，确定出3个钻孔位置及地热资源的深度在 1 500 m～2 000 m范围内。ZK01号钻孔成井后，1 500 m深的终井温度为36℃，单井出水量大于30.7 t/h，该工作方案为类似地区寻找热水提供了较好的经验。

2 地质概况

生态度假村位于淮南市西南部，淮河与西淝河的交汇处，是典型的河湖漫滩和河间平地。地表大部分地区为第四系覆盖，仅在淮河东岸的丘陵区出露元古界和古生界为主的基岩。大地构造位置处于中朝准地台南缘，以颍上—定远断裂为界，以北为淮河台地坳陷的淮南凹陷褶断带，以南属合肥断陷盆地。区内断裂发育，以近东西走向的颍上—定远断层为主，先压扭性、后为张性断裂，倾向南西，是区域性深大断裂，控制着两个次级构造单元。断层北侧出露上太古界霍邱群地层，南侧出露中生界白垩系地层，既是合肥红层盆地北边界，也是焦岗湖北东侧的边界。焦岗湖南西侧可能分布有与颍上—定远断层平行的次级断层。此外，北北东向断裂隐伏于焦岗湖的西边，是燕山后期断层，错切近东西向断层和霍邱群地层。这些断裂的发育是深部热源达到浅层的通道，为热储的形成创造了有利条件，在其附近可形成热田。根据前人研究成果，本区地下水有松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水、变质岩类裂隙水三大类。第一类主要是在现有条件下接受大气降水的补给及上游的侧向径流补给；后两类则是孔隙水越流补给和地下水侧向径流补给。区内地下水主要来源于裸露在盆地周边的可直接受大气降水渗入、基岩裂隙水、断裂带水补给的粗粒碎屑岩层。当地下水沿着深大断裂循环运移至地下深处的中低温热储构造后，形成热水[1]，该运移与断裂分布有着密切的关系，因此测区的水文地质条件具有地热水形成的基础。

测区地层主要是第四系、白垩系张桥组和上太古界霍邱群。第四系岩性为黏土、中细砂层等，张桥组岩性主要是砾岩、砂岩、粉砂岩等，霍邱群岩性主要为混合岩，夹少量黑云角闪斜长片麻岩等，其电性特征如表1所示。这些岩石地层存在一定程度的电性差异，为电法勘探工作的开展提供了地球物理基础。

区内地层的电性特征 表1

3 方法应用及成果分析

根据以往工作经验，地热系统内温度升高使离子迁移率增大，岩石电阻率降低，造成热储部位电阻率降低，因此低阻异常是识别地热资源的重要标志，特别是热储范围较大时，电阻率异常可以明显反映出热储的空间分布。结合工作区的地质条件，采用了三种电磁勘探方法循序渐进开展地热勘查。首先利用瞬变电磁法可以穿透高阻层发现低阻层的特点[2，3]，在发现瞬变电磁异常信息基础上，再利用可控源音频大地电磁资料可探测深层信息的特点，反演分层得到各时代地层的顶、底面埋深和区内断裂发育情况，及根据大地电场岩性探测可反映出地下不同深度岩石岩性和储层流体信息的特点，并以剖面和断面异常相结合的综合分析方法最终确定出区内构造发育、地层空间展布等情况，进而确定含热水层系的存在与埋深，消除物探异常的多解性。

由于工作区地处淮河流域，人工沟渠水网密布，纵横交错，野外工作布置比较困难。在综合考虑减小干扰、方便施工及构造地质等因素后，布置了4条勘探测线(如图1所示)。其中TEM测线测点间距为 10 m；CSAMT测线的测点间距为 20 m；大地电场岩性探测法(CYT)2个点，采集深度间隔为 1 m。野外施工前进行了磁棒标定，对各道各频率的12个增益也进行了标定，最终根据信噪比的情况选择了最佳信噪比的增益。

图1物探点工程布置及勘探成果图

3.1 瞬变电磁法(TEM)

TEM法是通过回线向地下发射电流脉冲方波后接收反射回来的二次磁场的变化来揭示地下地质体的电性分布情况的一种方法。当地下不存在良导体时，二次磁场随时间衰减的特性曲线会快速下降，当存在良导体时，在电源切断的瞬间，导体内部将产生涡流以维持一次场的切断，观测到的衰减过程会变慢，从而发现地下导体的存在。本次工作使用加拿大凤凰公司生产的V8电法工作站，配备GPS和网络通信系统，获得实时观测电阻率和相位曲线。采用大回线源和探头接收、同点装置工作，这种装置具有与目标体耦合最佳、异常幅值大、形态简单、受旁侧地质体影响小的特点。

野外实测数据经过小波变换去噪、S变换去噪等处理，将感应电动势转换为视电阻率，以s、hs为参数绘制各测线视电阻率(s)综合剖面图，然后研判出沿测线剖面方向上的视电阻率及电性分布特性。

3.2 可控源大地电磁法(CSAMT)

主要原理是利用人工场源激发地下岩石，根据不同岩石的电导率差异观测记录一次场电位和磁场强度变化，具有抗干扰能力强、勘探深度大、能穿透高阻层的特点。仪器同样使用V8电法工作站。

外业实测数据进行了去噪、静态校正、近场校正、测点间距校正，再进行二维地形正演模拟计算出地形影响值，剔除地形影响后，进一步反演计算出断面图的电阻率异常。

3.3 CYT型大地电场岩性探测

该方法属于点测深法，在地表可探测到地下深度 0 m～10 000 m范围。主要是根据太阳风产生的电磁脉冲垂直向下穿透地层后，不同深度的岩性分界面脉冲电磁波的频率会发生变化，且层间电磁场经过叠加后，反射向地面会形成与不同深度岩性对应的电磁场，从而判断出地表以下的岩性变化情况。由于地下热储层中的热水一般富含溶解离子，且温度较高，岩石受热变质而黏土化，导致含水破碎带具有局部低电阻率特征，通常含水层在大地电场岩性曲线中表现为宽带大振幅高低峰值交替中的最低值区。

3.4 成果分析

根据前述地质和岩石地层的电性特征，测区浅地表以第四系黏土等沉积物为主，视电阻率值较高；其下为白垩系张桥组，岩性主要为砾岩、砂岩等，视电阻率值较低；底部为上太古霍邱群，主要为混合岩、片麻岩等变质岩类，视电阻率相对较高。通常在无断裂带或其他地质构造影响下，视电阻率横向变化平缓，能够很好地反映地层近层状分布的特点。纵观测区各测线断面图，视电阻率由浅至深大体上呈高阻—低阻—高阻的H型断面变化特征，与实际地质岩层的电性分布规律一致，呈现出第四系地层高电阻率、白垩系地层低电阻率和上太古地层高电阻率的分层性。若发育断裂，断层内的岩石破碎会成为赋存地下水的良好储体，导致电阻率降低，断面图的视电阻率会出现横向突变。如图2显示，3号测线TEM剖面南端出现低阻异常，断面图中发现剖面南端(150点号附近)和中南段(450点号附近)视电阻率发生突变，明显是断层分布的电性特征，推测其为断裂破碎带。对比1号、4号等其他测线同样发现在其南段-中南段也有低阻和高阻突变带，因此推测测区存在至少两条近东西走向的断裂构造裂隙带，其中一条与地质断裂颍上-定远断裂基本吻合。此外电性图显示区内没有低阻岩体干扰。

图2 3号测线TEM视电阻率等值线断面图(虚线—推测断层)

图3 4号测线CSAMT视电阻率等值线断面图(虚线—推测断层)

依据趋肤效应，可控源(CSAMT)探测深度大于TEM探测深度，特别是当深度大于 1 000 m时，CSAMT测深所反映的地层情况更加明显，如图3所示，4号测线CSAMT断面图出现多处视电阻率的横向突变现象，特别是在300/4—500/4点号之间清晰显示出电阻率较大的变化，从地表一直延伸至深部 2 000 m以下，显然这种较大的电性变化现象只有深大断裂破碎带才能引起。其他测线如1号和3号测线南段也存在低阻异常区，向北转变为高阻区，印证了TEM法在测区南段发现电阻率突变现象的观测结果，因此推测在测区中南部至少发育两条近东西走向的断裂或构造裂隙带。此外，CSAMT断面也显示出自深而浅大致呈高、低、高电阻率的电性分布状态，反映出测区地层的垂向分布情况，与第四系、白垩系和上太古界地层基本一致。

为进一步了解测区地层深部电性结构的横向变化，分别截取了4条测线的 800 m、1 200 m和 1 500 m深度的视电阻率异常进行综合分析。从 1 500 m深度的视电阻率平面图可以明显看出(如图4所示)，测区电阻率自北向南逐渐降低，中部存在高阻区，南部低阻区域范围较大，并延伸至测区之外，与CSAMT和TEM测深剖面的断面异常结果一致。总之，测区在横向和纵向都存在明显的电性异常，充分反映出南部低阻区域是断裂带充水所致。

图4 1 500 m深度CSAMT视电阻率等值线平面图

综合瞬变电磁、可控源大地电磁的剖面和平面结果及已知地质资料，推断测区南部至少发育两条近东西走向的断裂，自西向东横穿测区。根据测区低阻区的分布特征，确定出3处宜井钻孔。为进一步确定预定钻孔处的地层、温度、含水层、热储层等情况，在预定钻孔ZK01、ZK02位置实施了大地电场岩性勘测，勘测曲线显示了测区地层电阻率大小的相对变化特征。根据曲线变化特点如曲线高低值交替表示岩性不均匀，窄带代表薄互层，宽带代表厚层，地层界面处曲线峰值突变等，在钻孔ZK01圈出有效储集层3段，第一段位于0 m～1 000 m，厚度计 16 m；第二段位于 1 000 m～2 400 m，有效储集层厚度计 39 m；第三段位于2400 m～3000 m，有效储集层厚度计 20 m。钻孔ZK02圈出有效储集层计 37 m，如表1、表2所示。

钻孔ZK01的井段有效层位统计表(单位/m) 表1

钻孔ZK02的井段有效层位统计表(单位/m) 表2

2015年在钻孔ZK01位置处开钻，井深达到 1 501.78 m。经测井资料分析，钻遇新生界地层厚 400 m、白垩系埋深 400 m～1014 m，厚 614 m；上太古霍邱群埋深 1014 m～1 501.78 m，该井揭露 487.78 m，可以钻采深 620 m以下的地下热水资源，主要含水层厚度为 275 m。最终该井出水量大于 30.71 m3/h，井口出水温度为36℃，属于低温地热资源热水[4]。

4 结 语

通过利用CSAMT、TEM和CYT三种电磁勘探方法对测区不同深度的地质体进行探测，其视电阻率异常有效反映了地层深处的岩性变化、断层及地下热储等信息，效果显著。综合分析平面和剖面的勘测结果，基本查明了生态区的地热分布情况。经钻井施工，在预定的宜井处打出36℃、出水量为 30.7 m3/h的低温热水，说明了综合方法的有效性。因此对于寻找一定深度的地下热水资源需要采用综合电磁法勘探，依据每种电法勘探的特点达到有针对性的解决不同地质任务的目的，互相印证减少多解性，以取得更好的地质效果。

[1] Rybach L L，Muffler J P. 北京大学地质系地热研究室译.地热系统[M]. 北京：地质出版社，1981.

[2] 黄力军，陆桂福，刘瑞德等. 电磁测深方法在深部地热资源调查中的应用[J]. 物探与化探，2004，28(6).

[3] 吴小洁，张前，陈长亮等. 综合电法勘探在五指山地区找热矿水中的应用[J]. 工程地球物理学报，2015，12(3).

[4] 水文地质工程地质研究所. 地下热水普查勘探方法[M]. 北京：地质出版社，1973.