可控源音频大地电磁测深法在中低温对流型地热田勘查中的应用

黄力军

(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)

1 引 言

中低温对流型地热资源在自然界分布广泛，从地热开发角度来看，中低温对流型地热资源[1，2]是一种比较理想的可利用资源。正常或者偏高区域热流从深部向上供热，大气降水在补给区地形高点通过断层或者断裂破碎带向下渗透后进行深循环，地下水在泾流过程中不断吸收围岩热量成为温度不等的热水，在适当构造部位出露地表形成中低温温泉或者热泉。对流型地热资源有如下特点：主要靠断裂破碎带或者裂隙导水和蓄水，在地形高差影响和相应水力压差作用下形成地下热水环流系统。这类地热系统中的地下水必须有足够的水量和地下循环深度，才能在地下泾流中将分散在岩体中的热量“收集”起来，形成中低温热水。在热背景一定条件下，热水循环深度越大，热水温度越高。

如果这个地下循环系统循环出现不畅，导致温泉出水温度过低或者出水量相对较小，无法满足人们需求时，则需要对该系统进行地热地质调查，用以确定地质构造、热储空间分布以及地热循环系统等情况，为进一步地热资源开发提供可靠依据。

可控源音频大地电磁测深法(Controlled Source Audio-frequency Magnetotelluric Sounding Method,简称CSAMT法)采用定源观测、具有勘探深度大、横向分辨率高等优点，一直是深部地质构造、水文地质和地热资源勘查的有效手段[3-6]。可控源音频大地电磁测深以观测地下电阻率差异为勘查基础，低阻异常一直是寻找地下热储的重要标识[7]。根据实测电阻率结果推断热储层位及控热地质构造空间分布情况，是目前可控源音频大地电磁测深地热资源勘查主要的工作任务[8-11]。辽宁省是我国地热资源利用大省，地热资源类型较为齐全，自然温泉出露相对较多，投入的地热勘查项目也相对较多[12，13]。以辽宁三处典型地热田实际勘查结果为例，介绍了中低温对流型地热田可控源音频大地电磁测深的勘查成果。

2 勘查方法

野外数据采集使用美国Zonge公司生产的GDP-32Ⅱ多功能电法仪，可控源音频大地电磁测深采用赤道偶极装置进行标量测量，供电极距AB=1 000 m，收发距r≥5 000 m，测量电极距MN=50 m，测点距=50 m。数据反演采用一维圆滑模型反演解释方法[14]，利用反演电阻率断面进行地质解释。

3 勘查实例

3.1 岫岩沟汤温泉

沟汤温泉位于太古界向斜轴部，温泉区出露有辽河群盖县组(Ptlgx)片岩、变粒岩和结晶灰岩。外围两翼由里至外见有辽河群大石桥组(Ptld)片岩、大理岩和变粒岩；辽河群高家峪组(Ptlg)片岩、片麻岩和角闪岩；辽河群里尔峪组(Ptllr)变粒岩、变质火山岩、片岩和大理岩。温泉区西部出露有黄岭子闪长岩、二长花岗岩岩体。构造以断裂构造为主，主要有北东向的大营子-草河口深断裂，长130 km，宽1～3 km；北西向的析木城-岫岩断裂，全长150 km。温泉出露标高为174 m，地热类型为对流型； 温泉出水水温平均在45～51 ℃，出水量超过2 000 m3/d。

区内第四系很薄，对实测电阻率影响相对较小；辽河群为高阻岩层，电阻率应大于5 000 Ω·m，如果在剖面通过地段的一定深度出现相对低阻，可以认定出现电阻率异常。

图1是在沟汤温泉进行可控源音频大地电磁测深勘查得到的综合剖面图，x=750 m附近为温泉出露位置。由图1可见，剖面内整体电阻率(平均大于n×100 Ω·m)很高，推断整条剖面测深范围内应为辽河群；因为区内辽河群各组段岩石电阻率相近，无法对其进行进一步的分层。剖面地表出现一高阻层，高阻层下面为一相对低阻层，低阻层厚度约100 m，从剖面起点至剖面末端，低阻层由深变浅。在x=750 m处低阻层埋深变小，为温泉出露点。根据实测电阻率推断，从剖面起点至x=1 000 m处，浅部低阻层由浅部热储产生；从x=1 000 m 至剖面末端，浅部低阻由地层泥质含量增加产生。

图1 沟汤温泉CSAMT勘查综合剖面Fig.1 The comprehensive cross section of CSAMT exploration in Goutang hot spring

分别在x=150 m、950 m和1 400 m附近出现明显纵向低阻带，推断这些纵向低阻带由断裂构造(分别编号F1、F2和F3)产生，编号F2断裂为热水上升通道，两侧断裂(编号F1和F3)为大气降水补给通道。

这条剖面具有典型对流型地热田电阻率剖面异常特征，剖面内浅部存在明显具有高阻盖层的低阻热储层，在高阻盖层最薄处出露有温泉；剖面深部相对低阻区为深部热储，断裂构造形成的热源上升通道与浅部热储相通，对浅部热源形成有效补给；从地形地貌上推断两侧断裂应为大气水下降通道。这个实例结果清楚地表明，可控源音频大地电磁测深结果可以形象地描绘出这类地热田热储空间展布及与之相关热循环系统的分布情况。

3.2 凤城东沟温泉

东沟温泉区构造主要是断裂构造，以北东向为主，产状总体走向30～60°，倾角80°左右，倾向北西。次一级构造走向为北西向或近南北向，并与主断裂构造相交。地下热水赋存在北东向的构造带中，已完工钻探结果已证明该构造带的存在。

区内岩性主要为硬脆性花岗岩，在上述各层次断裂影响下，节理、裂隙十分发育。区内出露温泉最高水温达78 ℃，流量小于500 m3/d。从温泉点位排列位置上看，温泉位于断裂带上。地热属于对流型，地下热水来源于大气降水和地表径流的补给，地表水沿构造裂隙垂直渗入地下，经过深循环，在地热场的作用下，水被升温，沿张开裂隙或断裂上涌至地表形成地热异常带。

剖面通过的温泉出露于河流岸边的一级阶地上，泉水由第四系砂砾石层之下的燕山期花岗岩近东西向裂隙中涌出，在砂砾石层中形成一长约300 m、宽约100 m、厚约3 m的次生热储层。水温70 ℃，井内可达76 ℃，矿化度0.461 g/l,重碳酸硫酸钠型，含偏硅酸98.0 mg/l。

图2是通过东沟温泉可控源音频大地电磁测深勘查得到的综合剖面图。由图2可见，剖面通过地段整体电阻率很高，x=500～700 m处的浅部低阻区应由浅部热储产生。忽略浅部热储产生的相对低阻，剖面内浅部低阻层很薄，可以确定第四系很薄，对实测电阻率影响很小；第四系以下应为岩体，岩体电阻率应大于5 000 Ω·m。剖面内x=200～700 m 之间出现纵向相对低阻带，这个低阻带应由编号F1和F2断裂及影响带产生。h=-1 400 m 以下，x=400～700 m之间的相对低阻应为深部热储，编号F1和F2断裂构造应为热水上升通道。

图2 东沟温泉CSAMT勘查综合剖面Fig.2 The comprehensive cross section of CSAMT exploration in Donggou hot spriing

这个实例描绘了另外一个类型的中低温热储空间分布状态，地下深部热水以断裂构造为通道直接进入地表形成热储层。虽然热储层很薄，从可控源音频大地电磁测深结果可以看出剖面内的断裂构造展布、浅部和深部的热储赋存空间以及深部热水上升通道等情况。

3.3 海城西荒地地热田

地热田区地表为第四系所覆盖，已完工钻孔揭露的结果表明，第四系下部为花岗岩体，局部地段第四系下部残存有新近系。第四系(Q)主要为黏土、亚黏土、砂和砾石层；新近系(N)岩性主要为砂岩和砂砾岩；花岗岩(γ)为中侏罗期侵入的花岗岩体，岩体内穿插有闪长岩脉。统计结果表明，区内第四系电阻率10～20 Ω·m，平均厚度100 m； 新近系电阻率30 Ω·m左右，厚度0～70 m； 花岗岩电阻率大于2 000 Ω·m。

实际资料表明，花岗岩体内断裂和裂隙是区内地下热水的主要赋存部位[15]。由于第四系覆盖层相对较厚，地表无法确定地下岩体的构造展布和延伸情况。区内已经完成瞬变电磁测深、直流电阻率测深和磁法等物探工作，并施工完成多口勘探钻井。由于地质构造相对复杂、断裂构造产生的电阻率差异相对较小，根据已经完成的工作结果无法正确判断出地下地质的构造展布情况。

根据实际情况，采用CSAMT[16-23]在区内进行面积性测量。根据可控源音频大地电磁测深的实测结果，推测实测区内断裂、地层分布和花岗岩顶部埋深情况。

图3是在西荒地地热田进行CSAMT勘查得到的综合剖面图，已有钻孔揭露编号F2断裂构造中的热水，钻孔深度不到300 m， 出水温度超过90 ℃。从可控源音频大地电磁测深反演电阻率剖面结果可以看出，小于20 Ω·m 的低阻层比较稳定，厚100 m左右，对应由第四系产生；x=300～800m范围内，h=-100 ～-200 m深度之间电阻率纵向梯度变化相对较小，出现明显水平相对低阻带，这处相对低阻带应由新近系产生，下部高阻层界面应为花岗岩顶界面。在x=650 m和x=900 m附近出现相对纵向低阻带，推断这些纵向低阻带由断裂构造(分别编号F2和F3)产生，推断在x=500 m和x=1 100 m 之间h=-1 600 m以下相对低阻区为深部热储。

图3 西荒地地热田CSAMT勘查综合剖面Fig.3 The comprehensive corss section of CSAMT exploration in Xihuangdi geothermal field

这也是一个典型中低温对流型地热田勘查结果，由于覆盖层很厚，没有温泉出露；浅部热储位于断裂构造带中，浅部热储没有出现明显低阻区。可控源音频大地电磁测深勘查结果明显地展示出地热田热储盖层、深部热储和地下热水通道等空间分布情况，能够为进一步的地热开发提供可靠依据。

4 结 论

文中给出三个非常典型的对流型中低温地热资源可控源音频大地电磁测深勘查实例。三个地热田共同之处是地下深部热水通过断裂构造进入浅部(或地表)，这也是对流型地热田的共同特征。三个实例不同点分别是：岫岩沟汤温泉浅部热储具有明显的热储盖层，地下热水在盖层最薄处出露地表形成温泉；凤城东沟温泉地下热水通过断裂构造进入第四系形成没有盖层的浅部热储，在适当位置出露地表形成温泉；由于盖层很厚且赋水性相对较差，海城西荒地地热田浅部热水赋存于浅部断裂构造之中，没有出露地表。上述典型中低温对流型地热资源勘查结果表明，在地质条件适当的情况下，采用可控源音频大地电磁测深勘查，根据实测电阻率剖面结果可以推断出深部和浅部热储、热储盖层、热水上升通道等空间分布情况，可为地热资源的进一步开发提供可靠依据，能够完成中低温对流型地热资源勘查的工作任务。已有勘查实例表明，可控源音频大地电磁测深同样可以完成高温对流型地热资源勘查的工作任务。