CSAMT法与微动测深法在漳州某区地热资源勘探中的应用

陈 斌

(福建省121地质大队，福建龙岩 364030)

0 引言

福建作为生态大省、地热资源大省，目前已发现地热水温大于20℃而又有特殊化学成分者有200余处[1-3]，在倡导“绿水青山就是金山银山”的今天，通过充分利用地热这一储量巨大且对环境友好的资源进行工业生产、水产养殖、旅游疗养等开发，将资源优势转化为经济优势和生态优势，是我省发展低碳经济，绿色经济的迫切需要[4]。

根据已有资料显示，漳州市辖区内发现温泉点有82处，约占全省地热点的38%，是名副其实的地热大市[3,5-7]。勘探区位于漳州市以东约40km处，地貌属滨海低丘陵剥蚀区及海积阶地，水系自南往北排泄入海；区内城镇开发程度高，以工业厂房为主，地面基本硬化，给地质工作带来了较大的困难。因此，项目组在水文地质填图工作的基础上，结合前人资料及勘探区现场施工环境特征，研究决定采用抗电磁干扰较强的CSAMT法[8-12]联合野外施工较为便利的微动测深法[13-16]，旨在了解勘探区内电性及Vx波速特征，圈定可能的隐伏储热控水构造有利区，为下一步地质工作提供物性参考。

1 矿区概况

1.1 区域地质背景

矿区位于平潭—东山北东向深大断裂中，同时处于环太平洋地质构造活动带前沿，北东、北西向断裂构成了本区主要构造格架。

1.2 区地质概况

1)地层。矿区出露地层主要为第四系残积层和人工填土(Qel+ml)，主要分布在区内山坡至坡脚，厚度2～15m，局部厚度大于30m。

3)构造。北北西向断裂(F1)，延伸长度大于1.8km，走向350°～356°，倾向北东东，倾角75°～85°，推测为与北东向主体压扭断裂相共轭的张扭性断裂带，根据前期资料分析和物探成果推断，该断裂为次级导热构造，连通北西向导水通道和北东向导热通道；北东向断裂(F2)，根据前期资料经结合区域构造分析，北东向的断裂F2与深部断裂构造关系密切，断层总体呈北东向35°～45°，倾向北西，倾角70°～80°，局部呈直立状，具有多期次活动的特点，为形成地下深部热源创造了良好的活动通道；北西向断裂(F3)，形成时期较晚，切割其他断裂，走向310°～320°，倾向北东，倾角82°～90°，为张扭性断裂。根据物探成果资料结合邻区综合研究成果，地热水受到该断裂控制，地下水沿北西向断裂上升和运动，并形成温泉，为工作区主要导水和储水构造；北东向断裂(F4)，该断裂带岩性破碎，裂隙发育伴随花岗斑岩脉及石英脉入侵，宽8～10m，产状NE35°～45°/SE∠70°～80°，如图1所示。

1.3 水文地质条件

根据地下水的赋存条件，可把矿区地下水类型划分为松散岩类孔隙水、风化带网状孔隙裂隙水和基岩裂隙水三大类。

1.3.1 松散岩类孔隙水

广泛分布于区内，主要分布于溪沟及其支流两侧的山间谷地，含水岩组主要为第四系冲洪积层，为孔隙承压水，水量贫乏，单孔涌水量小于50m3/d。直接接受大气降水和基岩裂隙水侧向补给，洪水期直接接受河水补给。

1.3.2 风化带网状孔隙裂隙水

主要裸露或隐伏于第四系松散层之下的花岗岩，地表及浅部裂隙较为发育，岩石裂隙、孔隙经后期风化或溶蚀改造，成为地下水的主要赋存空间。地下水的主要补给源是含水层裸露区大气降水垂直渗入补给和隐伏区上覆第四系松散含水层补给，以水平迳流为主，在断裂带或含水层被切割的沟谷处，以泉的形式排出地表，水量贫乏，一般单孔涌水量小于30m3/d。

1.CSAMT法勘探线；2.微动勘探线；3.已知/推测断层；4.二长花岗岩；5.花岗岩；6.岩脉；7.第四系；8.河流；9.钻孔图1 地质及物探剖面布设简图Figure 1 A schematic diagram of geological and geophysical sections layout

1.3.3 基岩裂隙水

1.4 地球物理特征

1.4.1 波速特征

根据对矿区内已知钻孔进行微动测深试验和对以往资料分析，勘探区内主要揭露的地层岩性为残积黏性土、全风化、强风化地层、弱风化地层、完整基岩(花岗岩)，其之间存在的视S波速度差异为开展微动探测提供了物性基础(表1)。

表1 视S波速度统计表

1.4.2 电性特征

通过对勘探区施工的钻孔ZK1测井成果进行统计了解到，风化、微风化和较完整花岗岩侧向视电阻率值与破碎带之间存在明显的电性差异(表2)。

表2 视电阻率统计表

综合分析认为，本次物探工作应以确定隐伏断裂的具体位置为目标，通过布设微动测深法、可控源音频大地电磁测深法寻找断裂破碎带，并尝试圈定评价储热盖层、围岩和导热导水通道延伸情况。

2 微动测深法

前期微动剖面布设遵循从“已知到未知”的原则，根据已有钻孔ZK1和ZK2资料，在水文地质工作的基础上，以控制NNW走向F3为主，兼顾前期地质推测的NNE走向F5，布设近南北向剖面一条(图1)，编号WD，剖面长280m，点距40m，方位3°；使用MTKV-1C型微动勘察仪系统，采用观测半径r=20、40、80和160m的四重圆形观测台阵，在各测点独立进行微动数据采集。并通过空间自相关法从微动记录中提取瑞雷波频散曲线，由相速度频散曲线计算二维微动视S波速度并绘制剖面(图2)。

图2 Vx波速度剖面及地质解释图Figure 2 Vx wave velocity section and geological interpretation

从图2微动Vx剖面看，结合ZK1和ZK2钻探及物性成果分析，-25m以浅Vx<600m/s，推测为残积黏土-全风化-强风化花岗岩在速度剖面上的反应；E-F点较A-D点速度更低，显示地表风化程度不同；-25m以深Vx>600m/s，推断为微风化-新鲜花岗岩体，受断裂构造影响，该层岩性速度变化范围较大，但整体由浅至深Vx逐渐变大，局部Vx>2 000m/s推断为较完整致密花岗岩体。另点A-C下方-50m以深见串珠状相对低速(Vx=1 300±m/s)异常，推断为断层F5的反应，ZK2揭露70～127m段岩心破碎，与推断相符；点A-D下方-375～-425m见水平状低速带，推断为断层F1的反应，走向与测线近似平行。F1与点D-E下方-100m以深相对低速(Vx=600～1 300m/s)凹陷带相交于-300～-450m，该低速凹陷带推断为地质划分的F3的反应，ZK1在15.3～60m岩心破碎，应是钻遇断层，与推断相符，F3位置相比地质划分的略往北移，倾角约85°。

3 CSAMT法

在分析已有地质基础上对微动成果进行验证，共布设CSAMT法剖面5条(图1)，测线距离100m，点距30m，方位85°；发射源位于测区南侧，AB距约1.8km，收发距9.72～10.11km，发射频率0.125～8 533.33Hz共50个频点，数据采用CSAMT-SW V2.0配合MT-soft2D 2.3进行预处理和反演，预处理仅对个别突变数据进行圆滑。

根据5条测线的CSAMT法反演成果剖面(图3)，对本区各个地层及各条断层的分布情况进行了推断解释。

从5条测线整体来看，电阻率值以中阻和高阻为主，低阻异常较少且分布较散乱，除了1线标高-650～-1 500m出现较大面积的<700Ω·m低阻异常外，其它测线的低阻异常面积都较小。1线浅部和中深部横向变化较平缓，从标高-650～-1 500m才出现较大的横向变化；2线和3线从较浅部开始横向变化就比较激烈，中部出现>10 000Ω·m的高阻异常，高阻异常两侧又骤变为<10 000Ω·m中阻异常，呈现出较明显的断裂异常；4线中东部从标高-300m开始往深部出现较大的横向变化；5线则只在测线西端中浅部出现较大的横向变化。上述变化推断与断裂构造有关，结合各地质划分断层的地表位置和CSAMT法剖面上相应位置上的电性反映，各条断层倾角都较大，推测都大于70°，其中F3断层接近直立。

结合低阻异常和断裂异常情况推测，1线各断层交汇处及断层F5深部位置的低阻异常反应最强烈，相对其它剖面含水性最好。

1.物探推测断裂；2.二长花岗岩；3.第四系残积层；4.花岗岩图3 卡尼亚电阻率剖面及地质解释图Figure 3 Cagniard resistivity section and geological interpretation

4 验证分析

综合勘探区内视S波速剖面特征分析，认为1线断层F1和F5交汇处位置存在地下水的可能性相对最高，最有可能是导水导热构造的电性反应。综合考虑野外实际施工条件，在CSAMT法1线与微动测深剖面交汇处附近进行了钻孔验证，孔深500.22m，测井结果显示孔底温度为30.9℃，根据抽水试验，水位降深最大为9.59m，钻孔抽水量为1 243.21m3/d。

图4为ZK01钻孔柱状与综合物探剖面成果比对图，从侧向电阻率和单程时差曲线看，标高-150～-220m曲线整体较平整，侧向电阻率主要在105Ω·m左右，单程时差在180μs/m左右，为高阻中等时差异常，对应较完整花岗闪长岩体；标高-220～-350m曲线整体呈剧烈跳动的锯齿状，侧向电阻率幅值达103～105Ω·m级，单程时差150～250μs/m，对应花岗岩测井曲线呈锯齿状在一定程度上反应了岩体存在不均匀特征，钻孔编录显示该段节理裂隙较发育，推测为岩性接触带受陡倾断裂F3控制； 标高-350～-420m曲线平整近直线状， 侧向电阻率105.6Ω·m，单程时差178μs/m左右，为高阻中等时差异常，反应该段岩体完整且结构较均匀致密，钻孔编录验证了该推测；标高-420m以深，测井曲线呈剧烈变化的锯齿状特征，侧向电阻率1×102～104Ω·m，单程时差在150～250μs/m，局部位置呈现明显低阻异常特征，解释其为破碎带反应。

1.Vx剖面及解释图；2.视电阻率剖面及解释图；3.二长花岗岩；4.花岗闪长岩；5.第四系；6.花岗岩；7.破碎带；8.辉绿岩脉；9.已竣工钻孔；10.侧向电阻率曲线；11.单程时差曲线；12.物探推测断层 ；13.物探异常边界；14.钻孔与物探工程相对位置图4 综合物探剖面及钻孔柱状成果比对图Figure 4 Comparison of results from integrated geophysical prospecting section and borehole columnar section

从微动视S波速综合剖面看，标高-75m左右存在一明显的速度分层，对应二长花岗岩、花岗岩、花岗闪长岩的接触带；-75～-225m区间见似串珠状相对低速异常，推测为陡倾断裂F3在视S波速剖面上的反应，另在该区间见明显的速度差异，对应花岗闪长岩与花岗岩体接触带；-225～-350m见呈高速异常，形态规整，推测为花岗岩体引起；-350～-420m见明显低速异常，推测为地质上揭露的破碎带在视S波速剖面上的反应，该低速异常与实际地质揭露的破碎带在深度上存在一定的差异；-420m以深呈高速异常，推测为岩体引起。

从CSAMT法综合剖面上看，标高-75m存在一明显等值线突变带；-100～-300m见高阻异常；-350m附近见局部低阻异常；结合图3的1号剖面，-400～-600m为平稳的中阻异常反应；-600m以深见大面积低阻反应；上述异常均能与地质、微动视S波速以及测井曲线进行较好的对应，但在反演深度上各物探成果存在较明显的差异。

5 结论

1)随着勘探区域逐步靠近城市乡镇等干扰严重区域，单一物探方法造成的信息单一和多解性已无法满足当下市场日益追求的高精度勘探要求，而通过选择不同物探方法进行组合，可达到优势互补，相互佐证，减少多解性的效果，从而在提高解译精度的同时较好的解决地质问题，达到勘探目的。

2)本次勘探工作发现CSAMT法对地层电性的横向变化反映较明显，但纵向变化受体积效应影响较大不能反映各地层的真实分布，只能大体上把握各地层的电性分布；微动在本次勘探中通过对已知钻孔ZK1、ZK2(钻孔深度均<100m)上标定后对视S波速度剖面进行了分层及解译，在纵向分辨率上较CSAMT法有明显优势，特别是在浅部地层的划分上，表现尤为突出，但在深部解译上仍受标定模型、解算方法等限制，在深度划分上存在出入。

3)通过CSAMT法联合微动测深法进行野外勘探和成果的综合分析，在第四系和人工填土覆盖地区成功圈定了地热资源有利区，划分出隐伏控矿断裂和储热盖层，在综合物探异常位置成功定孔成井，水量超出勘探预期。

4)通过对钻孔ZK01柱状图、测井曲线和地面物探剖面进行综合分析，对该矿区及周边地区的物探反演剖面在深度上的划分及储热控水构造上的识别具有很好的参考意义。