音频大地电磁法在地热勘查中的应用——以福建省宁化县黄泥桥地区为例

王佳龙，邸兵叶，张宝松，赵东东

(中国地质调查局 南京地质调查中心，江苏 南京 210016)

0 引言

地热是指来自地球内部的热能量，一般以热水或水汽形式埋藏于地下或出露地表，被广泛用于电力、医用治疗和采暖供热等多个领域，是继煤、石油、天然气等之后又一开发前景极为广阔的天然环保清洁能源，在未来经济发展和环境保护相互协调的可持续发展战略中占有重要的地位[1]。地热勘查方法有很多种，如测温法、化探方法、重磁联合法及电阻率法等，一般都是寻找热储构造、运移通道和盖层等有利构造，进而间接判断热储层的位置、大小等空间特征。其中，电阻率法是进行地热田勘查的传统方法之一，常用的电阻率方法有电测深法、音频大地电磁法(AMT)及可控源音频大地电磁法(CSAMT)等[2-6]。由于地热温度较高，地下水密度和粘滞性减小，溶解能力增强，随之水矿化度增高，离子活性增加，电阻率降低，因此会与周边地层形成显著的电性差异，具备了物探前提。音频大地电磁法具有勘探深度大、受高阻层屏蔽影响小、受地形影响小、对低阻层识别度高、分辨率高、成本低、工作效率高等诸多优点，是地热勘查主要方法之一[7-10]。

福建省宁化县黄泥桥地区有天然温泉点出露，自流出水量约为203 m3/d,平均水温 40.3 ℃。该区进行过地质、水文地质填图、区域重力调查、测温法、简易地球化学调查等工作，基本圈定了地热异常区的范围、热储规模和热储温度[11-12]，但对该区整体断裂构造分布和热储区的关系、热储层的空间分布特征等研究较少。本次在综合利用前人研究成果的基础上，综合考虑地质背景、目标层埋深、施工条件、勘探方法技术选取等因素，优选AMT方法进行地热勘查，在研究区部署了13条AMT测线，共计272个测点，旨在进一步深化对黄泥桥地区地热形成有利构造的认识，查明区内断裂构造分布和热储层空间位置关系，为该地区地热资源的进一步开发利用提供指导。

1 地质与地球物理特征

研究区位于福建省三明市宁化县黄泥桥地区，宁化盆地边缘。区内出露地层较简单，主要为加里东期花岗岩(ηγ3)和少量第四系(Q)(图1)。大面积出露的肉红色似斑状粗粒黑云母二长花岗岩为加里东期产物[11]。第四系地层主要为坡积粉质黏土、角砾、碎石和冲洪积粉质黏土、砂、卵砾石等，分布于沟谷低洼处及山坡地带，坡积层厚度一般小于3 m。区内的深大断裂带有NNE向光泽—武平断裂带和NW向宁化—南平构造岩浆岩带，这些网格状构造控制着区内温泉分布构架，出露泉点多沿NE向断裂展布[12]。

图1 黄泥桥地区地质概况及AMT测线分布[11]Fig.1 Geological map and AMT survey line distribution of the Huangniqiao area[11]

按照水热传输方式分类，地热主要分为对流型和传导型两类[13-16]。对流型地热是指地下深部的热熔岩浆沿断裂侵入到地壳浅部，断裂带内的地下水被热熔岩浆加热上升到地壳浅部并和地表冷水混合形成对流；传导型地热田是指深部热能通过岩石的热传导作用将热量传递到地层浅部并将地下水加热形成地热。研究区热储层受构造断裂控制，水源主要是赋存于花岗岩构造破碎带中的裂隙承压水，热源可能为深部岩浆加热围岩或放射性物质衰变产生热能，热能以高压热蒸汽的形式通过深部构造裂隙向上运移，盖层中渗入补给的冷水遇到由深部热源产生的热能或热流体被加热形成热水，沿构造运移并赋存于构造破碎带及裂隙密集带中，故黄泥桥地区推断为对流型地热资源[12]。

为查明区内地层电性特征，收集了区内标本进行电阻率测定，结果见表1。区内地层结构简单，表层的第四系黏土层表现为水平层状低阻或低阻带，黏土层以下为宁化岩体，岩性为肉红色似斑状粗粒黑云母二长花岗岩，电性表现为高阻；区内断裂较发育且充水，其电性特征表现为低阻，成团状或条带状，与围岩电阻率存在明显的电性差异，这些高阻中的条带状或团状低阻带是本次研究的重点。

2 数据采集与处理

本次工作中利用V8多功能电法仪采集音频大地电磁测深数据，点距50 m，线距100 m，采用张量观测方式，单点观测1 h以上，有效观测频率范围在0.35～10 400 Hz，有效探测深度>1 km。

音频大地电磁测量原始数据使用SSMT2000软件和MTeditor软件进行数据预处理、编辑，生成反演格式点文件(edi)。利用MTPioneer软件[17]进行AMT数据二维反演成像，反演方法为非线性共轭梯度法(NLCG)[18-19]。NLCG既有较快的反演速度，又有较好的稳定性和可靠性，对地下层位有较好的响应，分辨率高，反演效果较好。从图2中可以看出：各条电阻率剖面地表30～50 m以下均表现为高阻，且多条剖面出现明显的低阻闭合圈，与研究区地热地质特征相吻合，反映了地下构造信息。

表1 黄泥桥地区岩石电性参数统计Table 1 Statistical table of electrical parameters of rocks in Huangniqiao area

3 钻探验证与综合地质解释

根据研究区AMT二维反演成果，并结合已有地质资料，划定了地热优选靶区——控温断裂(F1)和导水断裂(F2)交汇带，从兼顾商业价值和生态效益角度提出了拟开发的井位方案，部署了地热勘查井DR01井(见图1)。DR01井的编录结果见表2。可以看出：该处第四系厚度为5.75m，主要为黏土层，往下为花岗岩岩体，并存在多处破碎带含水层。

3.1 钻探验证

DR01井位于L106测线214点上，井深501.05 m，井底 498.00 m 处温度为43.74 ℃，距离井口3 m处温度为 40.72 ℃。DR01井地下深入至5.75 m遇花岗岩岩体，在岩体中共遇9层破碎带(图3)，其中有3层(246.90～248.70 m、256.92～259.55 m和474.50～475.98 m)破碎带长源距伽马曲线幅度变大，声波曲线幅值变大，中子孔隙度变大，侧向电阻率分别为124.47～292.56 Ω·m、204.94～350.51 Ω·m和219.77～430.49 Ω·m，相对围岩表现为低阻；同时井壁破碎扩径现象明显，因此，推断此3层破碎带为出水层段。钻井中段260.10～376.38 m岩心连续性较好，未有破碎带发现，为密实花岗岩和辉绿岩互层[20]。

根据音频大地电磁测深(AMT)L106线二维反演结果综合分析，在214测点地表以下150～250 m与周围存在明显电性差异，反演电阻率为10～300 Ω·m，表现为低电阻异常，地表以下350～500 m与周围存在明显电性差异，反演电阻率为10～300 Ω·m，表现为低电阻异常，推断此2层为含水层，两低阻层之间呈现相对高阻层，反演电阻率为300～600 Ω·m，与DR01井资料吻合较好。

图2 研究区AMT测线二维非线性共轭梯度反演三维剖面Fig.2 Three-dimensional profile of AMT line in study area by two-dimensional nonlinear conjugate gradient inversion

表2 DR01井侧向电阻率结果[20]Table 2 The apparent resistivity logging results of Well DR01[20]

图3 L106线钻探验证对比Fig.3 Comparison diagram of drilling verification of line 106

验证结果表明AMT方法可以成功地识别花岗岩岩体破碎带富水低阻层，能有效反映区内热储层分布和埋深情况，为下一步进行全区断裂系统的构建、地热优选区圈定和综合地质解释奠定基础。

3.2 综合地质解释

本文以研究区地质和钻井资料为基础，以音频大地电磁测深(AMT)资料反演结果为主要依据，对研究区进行综合地质推断解释。从图2可以看出区内同一方向各条测线的反演电阻率剖面具有地电剖面形态相似性和反映地质构造类似性特征，故研究区NW向以104线为例，NNE向以214线为例开展综合地质剖面推断解释(图4)。

根据AMT反演结果，结合研究区地质资料及钻井电性特征分析电性异常与地层的对应关系。推断剖面最上部显示的层状低阻体为第四系及强、中风化层的综合反应，主要岩性为粉质黏土、角砾、碎石和冲洪积粉质黏土，厚度为0～50 m，电阻率为n×10 Ω·m；下部似层状高阻体为志留纪岩体，岩性主要为花岗岩，电阻率为n×103Ω·m。

根据AMT反演剖面的电阻率值相对大小、不连续、低阻异常带等特征，并结合研究区区域地质资料，初步推断了3条断裂F1、F2和F3，发现了1条已知断裂F5。

F1在区内位于NW向测线西侧(图4b)，正断层，倾向SE，倾角约70°，为宁化盆地边缘断裂。该断裂在所经过的10条NW向测线上均有低阻异常带和电阻率值不连续特征反应，在地质上表现为控制区域内温泉分布构架的主断裂。

F2在区内位于NNE向测线中部(图4c)，正断层，倾向NE，倾角约80°，在区内沿沟谷NW向展布。该断裂在所经过的3条NNE向测线上均有电阻率值不连续特征反应，推断为导水型构造断裂。

F3在区内位于NW向测线东侧(图4b)，正断层，倾向SE，倾角约70°。该断裂在所经过的2条长的NW向测线上均有低阻异常带和电阻率值不连续特征反应，推断为导水型构造断裂。

研究区地热形成受控温断裂和导水断裂的控制，大气降水通过导水断裂F2、F3补给深部地下水，深部地下水被深部岩浆加热围岩或放射性物质衰变产生热能加热，通过控温断裂F1、F5向上传递，在断裂交汇带形成地热富集区，而这些控温断裂和导水断裂构建了全区断裂系统。断裂系统对热储的圈定具有重要指导意义。区内热储构造主要赋存于构造破碎带，沿NNE向控温断裂展布，位于构造F1与F2、F3与F5交汇带附近，呈条带状分布，结合AMT二维反演结果(图2)显示的低阻异常，共圈定了5处断裂型热储区，其中1处为已验证的花岗岩、辉绿岩互层断裂破碎带热储区，另外4处为推断潜在断裂型热储区(图4a)。

图4 黄泥桥地区综合地质推断解释成果Fig.4 Comprehensive geological inference and interpretation results in Huangniqiao area

4 结论

1) 根据研究区AMT法二维反演成果，并结合已有地质资料和钻井资料，构建了研究区断裂构造系统，推断NNE向F1断裂、F5断裂为控制区内热源断裂，近EW向F2断裂和NW向F3断裂为导水断裂。区内共圈定了5处断裂型热储区，其中1处为已验证的花岗岩、辉绿岩互层断裂破碎带热储区，位于F1断裂与F2断裂交汇带；另外4处为推断潜在断裂型热储区，3处位于F1断裂与F2断裂交汇带附近，1处位于F5断裂与F3断裂交汇带。

2) 黄泥桥地区地热勘查研究工作表明：AMT方法反演成果与钻探资料吻合较好，可以有效识别花岗岩体断裂破碎带富水表现的低阻异常信息，在查明热储埋深和断裂构造分布中取得了较好的效果，进一步说明AMT方法在断裂型地热勘查方面的可行性和有效性，也为今后在其他类似地区开展地热勘查工作提供借鉴。