可控源音频大地电磁测深法在地热勘查中有效性探讨

陆桂福，苏文利，刘福胜

(1.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，河北 廊坊 065000；2.国家现代地质勘查工程技术研究中心，河北 廊坊 065000；3.中煤地质集团有限公司，北京 100040)

自从在地热资源勘查工作中引用了可控源音频大地电磁测深方法(简称CSAMT)。特别是近年来在国内地热勘查工作中开展了大量的CSAMT工作，其中相当一部分已被钻探工程验证。大量的实践充分证明了该方法的优点和有效性，特别是在发现与圈定断裂构造方面，已经得到地热工作者的广泛认同。目前该方法已成为地热勘查工作普遍选用的方法。

本文以实例分析研究CSAMT方法的应用效果，总结断裂构造的圈定以及地层划分经验，对正确的运用CSAMT法具有一定的意义。

1 工作原理与工作方法

1.1 工作原理

电性源CSAMT法是以有限长接地电偶极子为场源，在距偶极中心一定距离处同时观测电、磁场参数的一种人工场源方法[1,2]。通常采用赤道偶极装置进行标量测量，同时观测与场源平行的电场水平分量Ex和场源正交的磁场水平分量Hy计算阻抗电阻率ρs。其计算公式为：

(1)

式中f代表频率。当从高频到低频逐个改变频率时，每一个频率得到一个阻抗电阻率，因而可得到阻抗电阻率随频率而变化的曲线。

由于电磁波在地下传播时，其能量随传播距离的增加逐步被吸收，当电磁波减少到地表振幅的1/e时，其传播的距离称为趋肤深度(δ)，即电磁法理论勘探深度。实际工作中，探测深度(d)和趋肤深度存在一定差距，这是因为探测深度是指某种测深方法的体积平均探测深度，其经验公式为：

(2)

由此可见探测深度与频率成反比，我们可以通过改变发射频率来达到测深的目的，获得地下不同深度介质电阻率分布的信息，反映出地下不同深度的地质情况。

1.2 野外工作方法

实际工作中使用发射机通过接地电极A、B(通常AB=1～3km)向地下供交变电流，在地下产生交变电磁场，频率范围为0.125～1 024Hz(通常称之为音频，相应的勘探深度从几十米到几千米)。发射机与接收机之间距离(γ)的选择与探测深度有关[3,4]，原则上讲γ越大越好，但γ越大，接收的信号越弱。在实际勘查中，由于发射功率总是有限的，要保证足够的信噪比，γ就不能太大，这样采集的数据就不能满足远区的条件，一部分频点就处于过渡区，这时就要进行过渡区改正。在进行过渡场改正的前提下，要求场源与测点之间的最小距离γmin>0.5δ。通常采用20～100m的电偶极距来观测电场，根据实验一般选择50m电偶极距进行测量，其控制断裂的精度约为50m左右，可以满足地热资源勘查的需求。

1.3 测量仪器系统

目前，国内引进了一系列多功能电法勘探仪器用于CSAMT探测，例如美国的GDP系列，加拿大的V5、V8系列，德国的GMS05、GMS06系统。本文实例使用的仪器均为GDP系列，仪器包括发射系统和接收系统及相应的数据处理软件，发射机功率30kw。

数据处理软件可对测量数据进行过渡场改正、静态改正，对整条剖面的ρs断面图进行连续圆滑反演计算[5,6]，最终绘制CSAMT反演电阻率断面图，利用其地电断面图进行地质解释。

2 地热勘查应用实例

近年来，应用CSAMT等综合物探方法对一些重要地热田进行了普查或详细工作，CSAMT在调查研究热田范围内的断裂构造、地层结构及基岩起伏等地热地质问题有显著作用。

2.1 北京延庆山区

2.1.1 勘查区地层电性特征

勘查区位于北京延庆地区，由延庆山区出露地层和盆地内钻孔揭露地层可知，地层由老到新的顺序依次为：太古界片麻岩、中上元古界的蓟县系沉积岩、中生界侏罗系火山岩、新生界新近系和第四系[7]。

这些地层中呈高阻反映的太古界片麻岩、蓟县系白云岩，电阻率常见值为500～1 000Ω·m；呈中阻反映的侏罗系，电阻率常见值为50～200Ω·m；呈低阻反映的新近系、第四系，电阻率常见值为10～50Ω·m[8]。高、中、低阻之间存在明显的电性差异，为电法勘探工作提供了充分的地球物理前提，可利用CSAMT法划分该区地层的厚度。

2.1.2 地层分层和构造划分

剖面布置方向为北西-东南向。如图1所示，断面内电阻率横向变化较大，剖面两侧低阻层厚度相对较薄，中间部位低阻层较厚，明显表现出断陷盆地的电性特征。剖面浅层电阻率等值线比较疏松，横向上电阻率数值变化不大，是第四系地层的反映；侏罗系地层比较完整，其电阻率为中阻特征；侏罗系地层下界与蓟县系顶界面等值线间距明显变密，界线清晰，电阻率明显偏高。

图1 北京市延庆地区可控源音频大地电磁测深反演电阻率与地质解释断面图Figure 1 CSAMT sounding inversion resistivity and geological interpretation section in Yanqing area, Beijing

由于断层两侧地层错动产生断裂破碎带，致使断层两侧产生电阻率不连续现象或断裂带附近出现相对低阻带。由图1可见剖面80、150和260号点附近出现电阻率等值线横向变化带，推断为断层产生的，将其按顺序分别编号F5、F6和F7断层，这些断层断距均相对较大。

2.1.3 钻探验证结果

经钻探验证上述推断结果与实际钻探成果[9]基本一致，蓟县系白云岩及上覆地层的解释深度误差小于5%，已开发出中温热水。同时通过CSAMT工作提供的反演电阻率资料，修正了前人对断裂构造的推断，重新厘定了断裂位置、延伸方向及倾向。其勘查成果对研究延庆盆地地热地质构造条件具有重要意义，指明了有利的地热资源开发远景区，为延庆区规划地热资源开发提供了科学依据。

2.2 洪泽湖凹陷区

2.2.1 勘查区地层电性特征

勘查区位于苏北地区下扬子地块苏北盆地洪泽湖凹陷西缘，是在燕山晚期—喜马拉雅早期强烈的拉伸运动活动，而形成了一系列规模大小不等的盆岭构造。根据现有地质资料，参考附近地区钻孔资料，地层由新到老推断为新近系200多m、古近系1 500多m、白垩系100多m。其下的基底地层岩性为灰岩、泥页岩。灰岩在构造位置且达到一定埋深时为重要的地热储层[10]。

勘查区电性特征，灰岩地层视电阻率一般可达n3Ω·m，为高阻层；白垩纪浦口组视电阻率一般可达n×102Ω·m，为中阻层；新近纪至第四纪地层视电阻率一般小于20Ω·m，为低阻层。岩石随着含水率的增高，电阻率明显降低，因些，本区断裂发育带多表现为低阻特征。

2.2.2 地层分层和构造划分

剖面布置方向为东南向。如图2所示，断面内浅部电阻率值几个Ω·m—数十Ω·m，横向变化不大，剖面北西侧低阻层相对较薄，向东南侧逐步变厚，厚度200～250m，为第一电性层， 推断为第四纪、新近纪地层(Q+N)；第二层电性层电阻率值数十Ω·m—1 000Ω·m，厚度约为1 800m，推断为古近纪地层及白垩纪浦口组地层(E+K)；第三层电性层深度2 000m以下，电阻率值1 000Ω·m以上，为高电阻，推断其可能为震旦纪地层(Z)，且由北西往东南逐渐加深的趋势。

图2 江苏泗洪地区可控源音频大地电磁测深反演电阻率与地质解释断面图Figure 2 CSAMT sounding inversion resistivity and geological interpretation section in Sihong area, Jiangsu

依据反演电阻率断面图上等值线横向上出现突变或纵向上见陡立的低阻异常特征，推断了三条断裂，命名为F1、F2和F3，走向均为北东，倾向南东。

根据调查区地热地质条件和可控源测深剖面结果，推断F1断裂是区内延伸长，具有良好的控热性，是地下热水上涌的有利位置。因此布设了RSL地热验证井位，见图2。

2.2.3 钻探验证结果

成井结果为井深2 500m，最大出水量为3 506.40m3/d，出水温度为52℃。本井钻遇地层为第四系，0～260m，砂粘、粘砂、砂砾石；白垩系，260～2 000m，粉砂岩夹泥岩、中粗砂岩；震旦系，2 000～2 500m，白云质灰岩夹粉砂岩。热储为白垩系中粗砂岩、震旦系白云质灰岩、粉砂岩地层，本井取水段为1 250～2 500m。经钻探验证实际地层深度和厚度与推断结果基本吻合。

2.3 张家港褶皱隆起区

2.3.1 勘查区地层电性特征

勘查区位于张家港西张褶皱隆起部位，浅部主要控热构造为背斜构造——西张隐伏背斜，背斜呈北东走向，隐伏于第四系之下。根据煤田钻孔资料(塘60和2)，钻孔深度均小于1 000m。地层分布由新到老为第四系(Q)、三叠系青龙组(Tq)灰岩、二叠系龙潭组(Pl)和孤峰组(Pg)砂岩、二叠系栖霞组(Pq)灰岩。其中第四系厚度近200m。区内活动时代最新的一组断裂构造为北西向断裂，具剪张性质，自燕山运动以来可能长期活动，增强了深部灰岩地热储层的富水性。因此背斜翼部、深部灰岩热储层及北西向断裂为该区地热资源的三大构造要素。

勘查区电性特征，第四系的亚粘土为低阻层，电阻率常见值为15～40Ω·m；二叠系的砂岩电阻率常见值为40～80Ω·m；碳酸盐岩为本区高阻层，由于不同部位的碳酸盐岩受溶蚀及构造破坏程度不同，电阻率差异较大，电阻率常见值为100～500Ω·m。

2.3.2 地层分层和构造划分

本次以西张背斜南翼高阻异常为中心进行了5条剖面的勘查，基本了解了该区深部地质构造特征，本文选择具有代表性的3线可控源音频大地电磁测深反演电阻率剖面进行阐述。由图3可见，参照已知钻孔(塘60和2)地层编录结果，推断断面为四个电性层，分别对应于第四系松散堆积物、青龙组灰岩、龙潭组(含下部孤峰组)砂岩、栖霞组及其以下灰岩地层。在反演电阻率断面图上存在一些电阻率横向突变带， 推断为断层产生，结合已有地质资料，

图3 张家港市西张地区可控源音频大地电磁测深反演电阻率与地质解释断面图Figure 3 CSAMT sounding inversion resistivity and geological interpretation section in Zhangjiagang’s Xizhang area, Jiangsu

推断了4条断层，走向北西(F1～F4)，向北东陡倾。推断的4条北西向断裂中，F3延续性较好，从反演电阻率断面图上看，断裂规模较大，为张性断裂构造。

2.3.3 钻探验证结果

成井结果为井深1 260.18m，最大出水量为1 181m3/d，出水温度为45℃。本井钻遇地层为第四系，深度范围0～162m，亚黏土、砂、砂砾；青龙组，深度范围162～416m，灰岩；龙潭组，深度范围416～939m，粉砂质泥岩；栖霞组，深度范围939～1 162m，灰岩；擂鼓台组，深度范围1 162～1 260.18m，泥岩、砂质泥岩、泥灰岩。本井取水段热储层厚度207m(955～1 162m)，其中1 006-1 162m段裂隙较为发育(平均裂隙率2.5%)，为主要出水层段。钻遇地层和推断地层结果基本吻合，但栖霞组和擂鼓台组电性差异不大，且深度较深，所以未区分开。

3 结语

(1)通过CSAMT法测量，能够解译勘查区地层、断裂构造分布情况。根据电阻率的变化结合附近已知钻孔资料，推断勘查区是否存在热储构造，完成热储构造空间定位预测，确定地热钻孔位置的合理布设。从上述的勘查实例分析，认为可控源音频大地电磁测深方法对地热田勘查更为有效。

(2)CSAMT法的纵向分辨能力与多种因素有关，首先收集已知钻井与电测井资料、孔旁测深资料、地质资料，对提高地层解释精度具有重要意义。另有两个重要前提条件：一是探测对象与围岩之间要有一定的电性差异；二是探测的地质体规模不能过小。在具备了这样的条件基础上，才能取得好的效果。

(3)CSAMT法的横向分辨率与发-收距无关，主要与电场偶极的大小有关。如以50m测量电偶距为例，其控制断裂的精度约为50m左右。由于CSAMT法是观测平面波，加之它的工作简便、快捷与高效，可以进行密度较大的阵列式的电测深工作，使得它能较敏感的“捕捉”到断裂构造，并能较准确的控制断裂的位置、产状、宽度、断距。在地热资源勘查工作中具有重要意义和作用。