可控源音频大地电磁法在地热资源勘查中的应用

摘要：地热资源作为一种新型的清洁能源，被广泛应用于发电、供暖、农业、医疗等多种领域。该文主要介绍采用可控源音频大地电磁法（CSAMT）对调查区内主要深大断裂进行测量，了解其赋存位置及断裂带特征，评价构造等因素与地热资源赋存的关系，分析成热地质条件，为后期开发利用地热能，圈定地热资源开采靶区，拟定地热井理想井位提供参考依据。

关键词：可控源音频大地电磁法（CSAMT）  地热资源勘查  深大断裂  视电阻率

中图分类号：P314文献标识码：A   文章编号：1672-3791（2021）05（b）-0000-00

作者简介：蔡会梅（1986—），女，本科，工程师，研究方向为可控源音频大地电磁法在地热资源勘查中的应用。

1  背景和意义

随着冬奥会的申办成功，张家口地区迎来跨越式发展的机遇，开发利用地热资源对推动当地可再生能源示范区建设具有重要意义。为系统化研究确定冬奥会场馆及周边地区的地热资源开发前景，地质队在崇礼区冬奥会场馆及周边地区开展了地热资源调查。

2  地质概况

2.1  地层

调查区位于河北省张家口市境内，大部分属于崇礼区，小部分属于赤城县。调查区及周边地区出露的地层主要有中太古界、古元古界、中元古界、中生界及新生界第四系。

2.2  构造

调查区位于中朝准地台燕山台褶带与冀北隆起带交界部位，祁吕系东翼反射弧北东东向构造带以西，属于阴山纬向构造带燕山段西部的一部分。阴山纬向构造除受有南北方向的挤压外，还受到反时针向的力偶直线扭动，形成阴山纬向构造的派生产物—北西向构造。调查区附近断裂构造按其走向主要可划分为3组。

2.2.1  东西向断裂构造

主要为横贯于调查区中部的尚义—平泉深大断裂，主要由密集、平行排列的高角度逆断层、傍侧逆掩断层和挤压破碎带组成。受其构造应力影响，在断裂带两侧派生了一系列次级断裂，同时也控制了区内岩浆岩和矿产资源的分布。

2.2.2  北西向断裂构造

发育于调查区外西南部的牧场沟—谷嘴子、郭家窑—门头营及上欧阳村—西四道沟一带，规模大小不等，正断层、逆断层均有发育，与东西向断裂构造组成“入字型”构造形式。

2.2.3  南北向断裂

在鎮宁堡—黄土梁以东、金家庄—艾家沟一带及四台嘴一带发育，为尚义—平泉深大断裂的伴生张性断裂，张开程度较大，破碎物较疏松，孔隙发育，透水性和含水性较强。

2.3  岩浆岩

调查区内岩浆活动十分强烈，火山活动最终形成区内中生代白垩系上统张家口组一套酸性火山岩，主要分布于调查区的西北部和中南部，东北部零星出露，总面积约为48 km。区内岩浆侵入活动较火山活动更为强烈。岩浆侵入活动构成横贯调查区东西向岩浆岩带，总面积约380 km。

3  仪器设备及工作原理

3.1  仪器设备

此次物探工作采用加拿大PHOENIX公司生产的V8系统，包括V8-6R主机、RXU-3ER辅助数据采集单元、TXU-30多功能大功率发射机、TDK27000TE发电机及相关配套设备。测线布设及测点定位采用GPS完成。

通过试验，最终确定本区野外生产参数：（1）发射偶电极距AB：≥1.8 km（2）供电电流：高频段≥3 A，中低频段≥9 A;（3）收发距R距：≥15 km;（4）发射频率范围为：7 680～0.25 Hz，31个频点;（5）叠加次数：≥60。

3.2  工作原理

可控源音频大地电磁法（CSAMT）是通过一个大功率的发射源（可以控制的人工场源）以获得更佳探测效果的电磁测深法。它具有抗干扰，效率高，勘探深度大，连续剖面观测及对横向构造有较好分辨能力等优点。目前生产领域主流是使用远场区平面波理论进行解释，大部分观测采用电极沿测线布设的标量观测系统，将测线垂直于构造方向布设。观测与场源平行的电场水平分量EX和与之正交的磁场水平分量HY振幅和相位，进而计算卡尼亚视电阻率和阻抗相位。两者联合反演计算反演电阻率，利用反演电阻率进行地质解释和推断。

4  成果解释及地热条件分析

4.1  反演电阻率断面图解释

电法资料的处理工作最终获得测线反演电阻率断面图：以测桩—标高为横—纵坐标，以蓝、绿、黄、红等系列颜色填充其中，并标注电阻率等值线大小，直观反映地层电阻率变化规律。一般情况下，在地层沉积稳定时，岩层电阻率在纵向上连续性较好，横向上变化平缓，无明显畸变。断裂发育处，岩石破碎，裂隙发育，岩层导电性能变好，电阻率值会与围岩有较明显区别。反映在电阻率断面图上，断裂发育处表现为低阻电性层向深部延伸，或电阻率等值线排列杂乱，出现上下贯穿现象。

图1为DF5线反演电阻率断面图。DF5线是此次勘查工作连续观测最长的一条测线，沿线测点高程1 650～2 045 m，相对高差395 m，但地形变化较缓慢，测量电极间高差符合设计要求。DF5线依次跨越调查区的几条主要断裂，有助于分析调查区中部地区地层结构、构造产状及岩浆岩体分布范围。近地表200 m以浅，为较低阻电性层，电阻率反映值≤500 Ω·m，局部断续分布电阻率值≤200 Ω·m的低阻电性层，应为第四系沉积，厚度0～150 m不等，大部分为出露基岩经受风化，裂隙发育，充水致导电性增大。断面图显示，在较低阻的电性层之下，即深度200 m之下，地层电阻率迅速增大，电阻率值从500 Ω·m跃升至几千欧姆·米，深部地层电阻率高达数万欧姆·米以上，反映了古老岩层结构稳定，或火山岩体导电性差的物性特征。断面图上的局部地带，深度300～500 m范围，有低电阻率值闭合圈出现，推测为高导电性矿体赋存或裂隙破碎带发育。

在17#～18#测点（桩号1825～1875之间）位置，电阻率等值线下沉，低阻电性层贯穿深部，推断为F2断裂发育处。在34#测点（桩号2675）位置，59#测点（桩号3925）位置、117#测点（桩号6825）位置、225#～226#测点（桩号12225～12275）之间，推断依次为断裂F4、F30、F32、F7发育位置处。从测点186#（桩号10275）位置开始向大号测点方向延伸，平距600 m，深度大于2 000 m范围内，推断为F1深大断裂发育部位，倾向大号测点方向，为逆断层显示。

4.2  断裂构造解释推断

调查区地处坝上高原与冀西北山间盆地过渡区，位于燕山断褶带西段，华北陆块北缘，在地史进程中，历经长期地质演变，构造变动强烈，褶皱和断层极发育。在电性断面上，地层因受到断层构造影响，其电阻率值在横向上的分布特征被破坏，使得其电性反应出现一定程度畸变。将各电法测线解译断层绘制在平面图上分析，电阻率等值线出现密集并扭曲时，一般为断层的反映或地下电性界面的反映。

此次电法工作对区内发育主要断裂进行了测定。在运用可控源音频大地电磁测深对发育断裂进行划定后，进行氡气测量验证。此次主要测定了东西走向的尚义—平泉深大斷裂（崇礼—赤城段）（F1）、近东西向发育的F2、F4断裂，及其与它们伴生、次生各断裂、断层的位置，并分析其产状。

4.3  地热条件分析

据以往地热地质资料，调查区热流值范围在35～39 MW/m，处于山区热流值变化范围的顶部，在山区属较好的地温场反映区。且调查区内岩浆岩岩体的放射性生热对地热形成有较大贡献，可以作为热源。

调查区位于冀北山地地下热水区和冀西北山间盆地地下热水区的交汇部位。而山地或山间盆地中形成的地热田多发育在构造断裂复合交汇处，断裂发育，岩石破碎的部位可以为地下热水的上升和运移提供通道。该区以尚义—平泉深大断裂的主体断裂（F1）和六间房村东—汤泉断裂（F2）为主的近EW向断裂破碎带内部裂隙都可以形成良好的热储空间。区内NE向断裂与近SN向断裂规模小，切割深度较浅，推测在与近EW向断裂交汇处可以作为地下水补给通道。断裂破碎带上部巨厚片麻岩或岩浆岩放射性生热对破碎带中地热水起到类似盖层的保温作用。这些都为区内地热资源的形成提供了良好的热力条件。

5  结论及存在问题

5.1  结论

通过此次电法工作可以看出，可控源音频大地电磁法对寻找断裂构造，推测地层结构，研究高低阻电性层分布情况具体很好的效果，视电阻率等值线的变化可以较好地反映出断裂所在的位置及地下热储的空间分布状态。为圈定地热水开采靶区，拟定地热井位置，提供了有利的依据。

（1）物探解释的综合剖面图反映出沿线地层的组合格局，对高低阻电性层的分布趋势和范围做出概略划分。近地表，在深度0～250 m不等，断续分布电阻率值≤200 Ω·m的低阻电性层，推断为第四系堆积物及基岩风化后所致;低阻电性层之下，地层电阻率迅速增大，电阻率值从200 Ω·m迅速跃升至数千欧姆·米。在地层深部，电阻率值可达数万欧姆·米以上，反映了古老的太古宇岩层及岩浆岩体导电性差的物性特征。

（2）针对东西向发育断裂及其次生、衍生断层进行测定，验证了尚义—平泉深大断裂的赋存位置，对各断裂构造的产状进行了评价。

（3）在调查区范围发育断裂断距均较大，断裂带切割高阻的太古宙岩系向更深部延伸，几条主要断裂均在1 500 m以下深度仍有显示，影响范围较广，是传导深部热流的良好通道。发育断裂基本为向北陡倾，倾角≥60º，仅局部有南倾断裂发育。断裂破碎带较宽，一般在100～500 m，影响带最大可达1 km以上。

（4）该区岩层普遍为太古宙变质岩系赋存，除构造破碎带外储水条件较差。

5.2  存在问题

（1）调查区地形复杂，公路、高铁、电力设施、施工作业区较多，对数据采集质量有一定影响。为达到地质目的，只能调整测量路线，造成部分测线段与原设计测线出现偏差。

（2）该区地质体结构复杂，以往开展工作较少，缺乏参考资料，给成果解释分析造成一定影响。

（3）该区除去第四系覆盖层，基本为太古宙变质岩系，各组段之间电性差异较小，且古老变质岩与岩浆岩系同为高电阻率物性反映，二者电性差异较小，造成电法解释时物性把握不准确，一定程度上影响岩浆岩体与古老岩层界面划分。

（4）由于体积效应的存在，随深度增加，低频段数据受上部地层电性值的影响会增大，会造成低阻目标体反应深度偏深，一定程度影响提交成果的准确性。

参考文献

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