浅析瞬变电磁测深法在地热资源勘查中的应用

2021-05-24章新荣徐成华颜世明

山西建筑 2021年10期

章新荣徐成华顾问颜世明丁伟

(江苏省地质矿产局第一地质大队，江苏南京 210041)

地热资源属于清洁能源，开发利用地热资源可以减少燃煤消耗，改善生态环境，缓解能源压力。物探是水文地质工作的重要手段之一，以被探测地质体与围岩的物性差异为基础，探测、识别地质体。近年来，随着地热资源开发的深度越来越大，有些深度已超过2 000 m，地表观测深部地层的电阻率、磁性等物理性质差异越来越小，单一的勘探方法已不能满足工作要求。为减小多解性，提高工作精确性，可从不同地球物理特性识别地质体，达到相互验证的目的。

1 项目概况

苏州市某镇紧邻太湖，旅游资源丰富，为更好的发展旅游资源，拟开发利用地热资源。工作区附近已成功开凿出一眼井深2 000 m左右的地热井，为本次勘查工作提供了参考依据。考虑2 000 m深左右的地热井投资较大，本区虽有成功案例，但在本区开发地热资源还是有一定的风险，详细的地热地质前期勘查工作可以提高选址准确性、降低风险。本项目共采用了可控源音频大地电磁探测、瞬变电磁探测、微动测量法三种勘查手段。

本项目可控源音频大地电磁探测共布置6条测线，202个测点，测线总长10 450 m。主要成果：F1断裂走向北东，倾向东南，其切割深度大于3 000 m；F2断裂走向东南，倾向北东，其切割深度大于3 000 m；均属于大型断裂，对深层地热水起到控制作用。

2 工作区地形地貌

工作区位于太湖东侧，镇域内仅浦庄有一座海拔191 m的低山，其余均为湖积平原，地形平坦，地势略呈东北向西南倾斜。

3 工作区地质概况

以湖(州)—苏(州)断裂为界，西侧为东山—西山推覆体，东侧为吴江断块，本区位于东山—西山推覆体东缘。区域构造以北东向褶皱及北东—北北东向展布推覆构造为主，北东、北西向断裂发育，局部发育近南北向断裂；本区断裂发育带多表现为低阻特征。

本区地层属扬子地层区。区内分布地层由老至新主要有志留系中统茅山组，泥盆系上统—石炭系下统五通群及上统黄龙组、船山组，二叠系栖霞组、孤峰组、龙潭组、长兴组，三叠系下统青龙组，侏罗系上统黄尖组，白垩系上统浦口组和赤山组，第四系海门组、启东组、昆山组、滆湖组和如东组。

据邻区资料，二叠系长兴组大理岩，龙潭组砂岩、粉砂岩、泥岩等均无磁性，其中含磁黄铁矿时显示弱磁性；花岗岩为无磁—微磁，仅铁锌矿具强磁性。

据钻孔揭露，白垩纪地层之下发育火山岩地层，主要形成于晚侏罗世，岩性主要为安山质火山角砾岩、安山岩、角砾状安山质凝灰岩，受湖—苏断裂控制，具裂隙式喷发特点，从岩浆演化特征分析，其岩浆源区相对较深。

4 方法原理

4.1 原理

瞬变电磁测深法(简称TEM法)是一种时间域电磁法，是以地质体的导电性差异为物理基础，以脉冲电流作为场源，利用接地导线或不接地回线向地下发射一次脉冲磁场，在脉冲间隙测量二次场随时间变化的响应，达到了解地质体电性变化情况的目的。观测时，通过多次正反向电流激励，瞬变响应多次叠加，达到良好的结果。

良性导电地质体产生的感应二次场与地质体的电阻率密切相关，电阻率越低、低电阻地质体规模越大，感应二次场越高、二次场衰减越慢(见图1)。

4.2 技术特点

1)观测纯二次场，受地形起伏影响小。

2)观测方式采用同点组合(同一回线、重叠回线、中心回线)与勘探目标耦合紧，异常响应明显，形态简单，分层能力强。点位、方位或收发距要求不严，工作简单，工效高。

3)通过多次脉冲激发、增大功率，可增强二次场信号、提高信噪比和观测精度、增加探测深度，有穿透低阻的能力。

4)剖面测量和测深工作同时完成，提供更多的有用信息，减少多解性。

5)磁源发射不需要接地，适用于地表干燥区开展工作。

4.3 应用条件

1)被测体相对规模较大，且相对周边介质呈低阻，其上方没有极低阻屏蔽层，没有外来电磁干扰。

2)被测体的规模、埋深、与围岩的电性差异，应保证所测的异常完整性及周围有一定范围的正常背景场。

4.4 应用范围

1)探测岩溶及地下洞穴的位置、埋深和大小。

2)探测覆盖层的厚度，划分第四纪含水层。

3)探测隐伏断层破碎带的位置、宽度、基岩风化层厚度，确定含水层。

4)确定不同岩性接触带；划分咸淡水。

5 工作概况

澳大利亚生产的瞬变电磁勘探仪器(TerraTEM)具有不用考虑其他电磁方法而牺牲瞬变电磁勘探的优势。

瞬变电磁测深有多种工作装置，常用的有偶极—偶极装置、大定回线源装置、同点装置，大定回线源多用于精测剖面测量(没有测深工效)，同点装置具有测深测量和剖面测量的双重工效及占地面积小等优点。

由于工作区地形复杂，本次选择同点工作装置的中心回线形式工作(包括重叠回线和中心回线两种形式)，使用多匝回线进行发射和接收，该装置探测岩层的富水性特别敏感。通过试验选择了10匝2 m边长的线圈发射和20匝1 m边长的线圈接收，参数如下：

增益：32；叠加次数：256；供电周期：80 ms；测量窗口范围：1～30；最大测量时间：35.025 ms；测量延时：100 μs。

工作区内已布置了6条北西—西走向的可控源音频大地电磁探测线和3个微动探测点，查明了工作区地质构造形态及位置，查清了岩性分布及岩性特征、地层赋水情况等。本次采用地面瞬变电磁测深法验证已有物探成果，减小多解性，查明工作区地质构造形态及位置，查明地层含水情况，确定地热井位置、井深、水温和水量等。共布置了4条北西—西走向的测线，线上物理点202个，检查物理点21个，瞬变电磁总物理点223个，测线总长度10 km。

6 资料处理与解释

瞬变电磁测深资料的解释主要依据各条测线感应电压多测道断面图和视电阻率拟断面图。多测道曲线描述的是二次感应电压不同延时沿测点的变化，均匀平缓变化说明电阻率的变化较小，存在电性异常体的可能性小。含水异常多测道曲线的解释原则是二次感应电压表现为中间低两侧高的“U”形或者“V”形特征，富水性越强，中间低与两侧高的变化幅度越大。瞬变电磁视电阻率拟断面图作为含水异常的辅助解释图，含水地质体的同点装置瞬变电磁异常反映为电阻率高或者电阻率等值线的绕曲。通过本次瞬变勘探解释(见图2～图4)，经综合研究，其主要成果如下：

区内构造解释是在剖面解释的基础上进行的，首先对测量的4条剖面进行层位解释、断点标注，作为初步解释成果，然后结合标定层位的分布起伏，数字化后得到每个目标层的海拔标高，再从反演数据体上求取相应位置的电阻率值，得到目标层全区的电阻率值，成图后得到目标层顺层电阻率切片图，根据剖面上断点的投影和顺层电阻率切片图，综合组合出区内的构造展布。

通过瞬变电磁测深解译成果，工作区内发现了2条断裂，即F1和F2。该2条断裂切割地层深度大于3 000 m，切割深度较深，属于大型断裂，对深层地热水起到控制作用，与已有的可控源音频大地电磁测深解译成果基本一致。

7 成果

本次勘查基本查明工作区的地质构造，地层层序，共推测了2条断裂构造和3个低阻异常点，初步选定了3个拟定井位，建议优先钻井的成井深度2 200 m。工作区在2 000 m以上沉积有石炭—二叠系地层，该地层岩性主要为灰岩，受断裂构造F1和F2影响，发育有导水裂隙，构成地热水的主要载体。经地热钻井验证，探采结合井井深2 300.58 m，抽水试验最大出水量可达1 258 m3/d，出水温度68 ℃，出水量和水温均达到同类地区较高水平。