大功率电性源时间域电磁法在中深层地热勘探中的应用

刘红卫， 谢兴兵， 徐连三， 周 磊， 严良俊，徐联泽，5， 邹立帆， 徐 杨， 王富强， 周 倩

(1.湖北省地质局 武汉水文地质工程地质大队，湖北 武汉 430051； 2.湖北省地热能研究推广中心，湖北 武汉 430051；3.长江大学 地球物理与石油资源学院，湖北 武汉 430100； 4.油气资源与勘探技术教育部重点实验室，湖北 武汉 430100；5.武汉地质工程勘察院有限公司，湖北 武汉 430051)

地球物理勘探是探寻深地特征、找油气找矿找热的重要手段，电磁法是其中最主要的方法之一[1]。近年来，电磁法勘探理论、技术创新发展迅速，中国在地面电磁法、地空电磁法、海洋电磁法、井中电磁法和航空电磁法等领域的研究取得了突破性进展，研发了一批应用于海陆空不同环境下的大功率、新型成套探测装备和软件系统，并在应用中取得显著成效[2]。在中深层地热勘探方面，随着中深层地热勘探对深度、精度要求的不断增长，频率域电磁法(MT/AMT/CSAMT)、广域电磁法(WFEM)、大功率电性源时间域电磁法(LOTEM)、电性源短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)、时频电磁法(TFEM)等电磁勘探方法得到广泛研发应用，并向大功率、多手段、精细探测与解译方向拓展[3-5]。盛勇等[6]在大别山某谷地采用微动结合放射性氡气(Rn)测量、剖面、高密度电阻率测深、激电测深、瞬变电磁测深(TEM)、音频大地电磁测深(AMT)等7种方法，最终圈定了热储位置并定孔验证，成功打出了热水。曾何胜等[7]利用大功率广域电磁法，在复杂电磁干扰区大深度地热资源勘查中取得良好的效果。谭章坤等[8]结合实例说明了广域电磁法在深部地热勘探中的有效性和优越性。袁刚等[9]利用高精度大地电磁方法在昭通市低温热水泉进行了连续电导率成像法勘探，经钻孔钻探验证，证明了该方法的有效性。

除盆地层状地热外，很多岩浆岩、变质岩、深覆盖碳酸盐岩区地热呈带状或局部层状复合带状方式赋存，地热水储存空间、导流通道为不规则网络型式，同一储水层段、同一条导水导热断裂在横向、纵向上富水性和导流能力差别大，亟需开展精细勘探：既要找到深部富水层段、导水导热通道，又要找到其中的优势渗流通道，以指导地热钻井到达深部有利“甜点”目标靶区。这个精度有时需要达到深度3 000 m以浅、异常块段尺寸为50～100 m，甚至深度更深、异常块段尺寸更小的精度。受经济、技术条件的制约，目前大多数深层地热勘探难以达到该精度，这是地热勘探中值得关注的问题，故利用现有技术和装备，试验探索大深度、厚覆盖、强电磁干扰区地热精细勘探技术，具有较强的实用性和指导意义。

本文结合武汉某地热勘探研究项目，在地质调查、广域电磁探测基础上，采用大功率电性源时间域电磁法(LOTEM)开展中深层地热精细探测技术试验研究，主要对该方法在中深层地热精细探测应用方面的可行性，数据采集、处理和解译等进行试验、分析和讨论，利用地层(地热储、导层段)电阻率和极化率差异，获取研究区试验勘探测线的深度—电阻率剖面和极化率剖面，并进行综合解译，大致勾画出深部地热异常区和优势靶点位置，指导深层地热勘探选区选点和钻探设计。

1 大功率电性源时间域电磁法

大功率电性源时间域电磁法以长接地导线(2～5 km)向地下发送大功率长时窗双极性占空比为1∶1方波，在一次场断电后，采用类地震多次叠加技术观测感应二次场(∂Bz/∂t、Ex、Ey)随时间的衰减，地下感应二次场的强弱、随时间衰减的快慢与地下所要探测的地质异常体的大小、位置、产状和导电性能等因素密切相关。该方法具有穿透高阻层能力强、对低阻灵敏、人工源多次叠加技术能压制随机干扰、大功率长时窗全波形观测勘探深度大(可达5 km)及观测精度高等优点，在辽河油田强干扰区地热勘查、江汉油田潭口油田剩余油检测等项目中应用效果良好[10-12]。大功率电性源时间域电磁法野外勘探布设示意见图1，其发射波形及二次场响应特征见图2。

2 研究区地质、地球物理、地热特征

2.1 地质构造背景

图1 野外勘探布设示意图Fig.1 Schematic diagram of field deployment

a.发射波形;b.高低电阻率的二次场响应衰减曲线图2 发射波形及不同电阻率的二次场响应特征Fig.2 Emission waveform and secondary field response characteristics of different resistivity

区内褶皱主要呈近EW向展布，中部为背斜，向东倾伏;北侧、南侧为向斜。褶皱多被断层错断。

区内断裂主要发育有三个方向：NE、NW和近EW向，断层性质以逆断层、压扭断层为主，断裂规模、性质及组合关系较复杂。

2.2 地球物理特征

根据研究区周边已知地热井主要地层的电阻率及岩性(表1)，建立如图3所示的层状地电模型。

表1 地热井主要地层电阻率及岩性Table 1 Main formation resistivity and lithology of geothermal well

图3 层状地电模型图Fig.3 Layered geoelectric model diagram

研究区及其周边地层三叠系、石炭系、奥陶系上统—寒武系上统以灰岩、白云岩为主，呈高阻，电阻率在500～4 000 Ω·m；泥盆系以石英砂岩、砾岩为主，呈中低阻，电阻率在200～500 Ω·m；志留系、二叠系以砂岩、粉砂岩、泥岩、炭质泥岩、炭质灰岩为主，呈低阻，电阻率在20～200 Ω·m；破碎带电阻率在50～260 Ω·m。推测炭质层和深部含水段极化率较高。

2.3 地热条件

据区域及邻近资料，研究区具备中深层地热赋存条件[14]，地热水的补给源头主要为周边中低山区大气降水，降水入渗后向深部径流，沿断裂、深部岩溶系统运移，并赋存于地下深部岩石、断裂和岩溶空隙(管道)中，最终沿区域深大断裂、盆地排泄。由于研究区及周边大部分地区上部被近千米厚的泥岩等地层覆盖，深部热水不能直接出露地表，需要钻凿深井揭露。

3 可行性分析

根据图3建立的层状地电模型和研究区中深层地热赋存条件，通过Blender和Tetgen软件建立起伏地形地质—地电模型(图4)。其中发射沿着y方向，发射电流100 A，发射偶极矩长2 km，偏移距2～4 km，低阻异常体位于地下-1 400 m且沿着一定的倾向延伸到地下-1 650 m，长约300 m、宽300 m、厚250 m，电阻率为50 Ω·m，并基于非结构矢量有限元法三维正演模拟技术[15]，对该地电模型进行了三维网格剖分和正演模拟(图5)，得到不同偏移距电场响应图(图6)和相对异常响应图(图7)。

图4 三维地电模型图Fig.4 Three-dimensional geoelectric model

图5 三维地电模型网格剖分图Fig.5 Grid division of three-dimensional geoelectric model

根据图6可知，在现有发射条件和地电条件下，不同收发距时电场的二次衰减场值对于层状、连续含水层段的响应明显，但对于含水层段中低阻异常体难以识别，而用电场相对异常响应能清晰地反映低阻异常体的位置(深度)(图7)，说明研究区采集电场分量用于解译和识别地热储层及其中优势渗流通道的空间位置、分布是可行的。

4 数据采集

4.1 测线布置

试验测线(SY01)垂直于主要地质构造走向布设，与先期探测的广域电磁测线(GY01)基本平行，测线长度为2 475 m,观测点点距为50 m(局部加密至25 m)，发射源(与测线垂直)长度为2 400 m，偏移距为1.6～4.0 km(图8)。

(左为无低阻异常体；右为有低阻异常体)图6 不同偏移距电场Ey响应图Fig.6 Electric field Ey response with different offset

图7 不同偏移距低阻异常体电场相对异常响应图Fig.7 Electric field relative anomaly response of low resistance geophysical anomaly with different offset

图8 测线位置示意图Fig.8 Location of measuring line

4.2 数据采集与处理

大功率电性源时间域电磁法数据采集方式如图1所示，采取径向方式，即测线垂直于发射偶极，接收采集正交的Ex、Ey和Bz三个分量，接收点距50 m,核心区点距25 m，接收偶极矩长50 m；发射采用大功率SuperTx-150发射系统，最大发射功率200 kW，最大发射电流100 A，发射波形为占空比1∶1双极性方波(TD50)(周期为4 s)。接收系统采用加拿大凤凰地球物理公司多功能电法采集V8系统，测点定位采用天宝R8高精度GPS测量设备。

大功率电性源时间域电磁法数据处理采用UTMPro软件,UTMPro软件为自主研发的瞬变电磁数据处理软件，主要包括数据管理、处理、绘图、输出等功能模块。数据管理模块主要包括原始时间序列数据的参数和波形浏览、发射和采集参数校正等功能；数据处理模块是UTMPro软件的核心，功能主要包括数据叠前对时和方向校正、切割、滤波、统计功能，数据的多周期叠加、双极性波形的正负叠加功能，数据叠后的滤波、加窗功能，及叠前和叠后数据的傅里叶变换等；数据绘图模块主要包括原始波形的成图、叠加数据的成图、傅里叶频谱成图等；数据输出模块可以自定义,按照不同的格式输出叠前和叠后不同处理阶段的数据。

4.3 野外数据质量

研究区大功率电性源时间域电磁法点位周边有公路、高压电网和变压器、变电站、湖泊、村镇、大型娱乐设施等，由于电磁干扰严重，为了获取合格的野外数据，针对部分测点的环境，采取了延长采集时间、按规范偏移测点位置等措施。测量期间，布设质量检查点3个，各检查点均方相对误差平均值均<5%，满足行业标准要求。

为对比和定性分析每个测点原始衰减曲线的变化情况，绘制了所有测点的蒙太奇图(图9)和拟断面图(图10)。

图9 所有测点归一化电场衰减曲线蒙太奇图Fig.9 Montage diagram of normalized electric field attenuationcurve of all measuring points

由于大功率发射系统SuperTx-150发射一次场信号强(发射电流>100 A)，既保证了接收信号的高信噪比，也保证了后期资料处理的可靠性。通过图9-图10可知，所有测点数据的二次衰减场在500 ms内均达到优秀级别，且具有较好的一致性。

5 资料分析与综合解译

5.1 数据反演

大功率电性源时间域电磁法的反演方法很多[16]，本文采用降维单参数法[17](类同于MT反演方法)。降维单参数法是根据一维正演计算的视电阻率理论(拟合)值与实测值差别依次调整每一个电性层的厚度、埋深和电阻率，循环进行直至“虚拟全区视电阻率”的实测值与正演计算的理论(拟合)值在所有时间点上的拟合总体相对误差小于预先指定的一个很小的数。为了消除浅部地形和不均匀异常体静态偏移的影响，通过研究区时域垂直磁场进行了二次衰减场响应曲线的校正，保证了反演初始数据的可靠性。

依据上述反演步骤和方法，得到研究区一维反演视电阻率剖面(图11)、二维反演视电阻率剖面(图12)、一维反演视极化率剖面(图13)。

图10 所有测点归一化电场衰减拟断面图Fig.10 Quasi section of normalized electric field attenuation of all measuring points

图11 一维反演视电阻率剖面图Fig.11 One-dimensional inversion resistivity profile

图12 二维反演视电阻率剖面图Fig.12 Two-dimensional inversion resistivity profile

图13 一维反演视极化率剖面图Fig.13 One-dimensional inversion polarization profile

5.2 资料分析与解译

综合分析一维、二维反演视电阻率剖面和一维反演视极化率剖面可知：

(1) 图11-图12反演视电阻率剖面均反映浅部(地表以下-600～-1 200 m)电阻率为低阻，电阻率<200 Ω·m;下伏地层在测线南北两端区域表现为中—高阻;测线中部有明显的似“V”形、宽度较大、较陡立的低阻异常带。

(2) 一维反演视电阻率剖面解译结果反映在测线1 700～2 400 m段、深度-500～-800 m范围存在水平状、视电阻率为10 Ω·m的低阻带，推测为志留系底部和龙马溪组炭质页岩(异常①区)；测线1 400～1 900 m段、深度-600～-1 600 m的范围存在一南倾、视电阻率<10 Ω·m的低阻带(异常②区)，推测为破碎带(含水带)，该异常段特征与图10结果基本一致；在该异常段的南侧、测线900～1 400 m段中部及1 800～2 000 m段深部(异常③区)，亦有相对异常反映。

(3) 二维反演视电阻率剖面解译结果反映在测线中部存在一个较大的低阻异常段，总体南倾，异常段由三个异常区组成：中部偏北的异常区规模较小，分布在测线1 500～1 700 m段、深度-1 000～-1 400 m的位置(异常②区)，有向深部延伸的趋势；主异常区位于测线900～1 400 m段、深度-1 400～-1 900 m的位置(异常③区)；中部异常区分布在测线900～1 400 m段、深度-800～-1 400 m的位置(异常④区)，亦呈现低阻、相对破碎特征，异常体总体倾向与北边基本一致，但未直接连通。

(4) 一维和二维解译结果在测线北段深部高电阻率层顶面深度相差较大(相差400～500 m)，且北边异常段的位置、深度亦略有差别。

(5) 视极化率异常主要反映在测线北段1 600～2 450 m(深度-800 m及以下)，推测其中2 100～2 450 m 段(异常①区)高极化为炭质层引起；1 600～2 100 m 段异常区(异常②区)可能为含较高矿化度水所致，该异常总体向南侧深部延伸,与该段一维解译结果北边异常基本吻合，但延伸的深度较难确定。

5.3 地质及地热基本认识

结合地质构造、地层、地热赋存“源、盖、储、导”等要素综合分析，研究区中段具备中深层地热赋存条件，有较好找热前景。

(1) 地质构造。研究区地质构造较为复杂，以褶皱为主，断层较为发育。受多期次地质活动影响，断层以由北向南的逆冲为主，兼具对冲(反冲)特征，同时存在由南向北(早期、深部)和由北向南(后期、浅部)逆冲运动，并受新华夏系剪切走滑运动改造，整体在近EW向主体构造格架下被NE向和NNW向断层切割，浅部发育多条以逆断层性质为主的顺层浅表断层。研究区主体为背斜，南北两侧为向斜，褶皱轴线近EW向，总体向东倾伏，轴面略南倾。测线所处位置基本为背斜核部，据物探结果并结合地质调查分析，推测研究区中部有一条规模较大断层通过，断层走向近EW向，南倾，并与邻近多条规模不等的NNW、NE向断层交会。

(2) 地热赋存条件。从图11-图12反演视电阻率剖面明显看出，剖面中部存在较为复杂的断裂体系，高阻层可解译为灰岩、白云岩层，低阻层应为泥岩、砂岩层和第四系沉积盖层。在测线中段高阻层段中的低阻异常应是断层破碎带的反映，该段电阻率在10～50 Ω·m，异常范围较大，应该是含水(层、带)的体现。分析视极化率剖面，向深部延伸的高极化带含水可能性较大。

从地质构造、地层、地热赋存条件综合分析，浅部-900～-1 200 m深度内主要为三叠系—志留系地层，为全覆盖盖层；-1 000～-2 000 m深度内主要为寒武系—奥陶系灰岩、白云岩，因地处背斜核部，节理裂隙较发育，有利于岩溶、风化作用发育，加之多期次、多方向、不同性质断裂的影响，有利于与外界连接并形成储水、导水空间和网络；研究区恒温带温度为18℃，地温梯度在2℃/100 m左右，推测地下-1 400～-2 000 m深度地温约为46～58℃，总体具备找热条件。

研究区地热赋存条件及地热钻井综合分析见图14，其底图为广域电磁法测线GY01(长度2 700 m)二维解译成果图。从图14上看，广域电磁法测线探查到在测线中部有一宽约600 m、深度在-1 100～-2 000 m、倾向SW的低阻异常区，推测为断裂及受断裂影响富水有利区，但是该异常区范围大，导水、富水主要空间和通道不清晰。综合广域电磁法和大功率电性源时间域电磁法解译成果分析，可以得到较为精细的异常区特征：

① 有利(可靠)区段为异常③区，它位于广域电磁法GY01测线约1 175～1 400 m段(SY01线1 000～1 225 m段)附近，其规模较大、连通性较好、深度及地温适中，兼具钻井施工成本、潜在出水量、出水温度优势。该异常区内深部优势储、导水靶点为B点(点位：测线中部约1 450 m段处，深度约-1 600 m，靶点范围大小约50～100 m、SW倾向)和A点(点位：测线中部约1 225 m段处，深度约-1 800 m，靶点范围大小约100～200 m、SW倾向)。在地面用地、用热、钻探施工作业条件符合时，可考虑布设ZK1、ZK2钻井。实际设计施工时，还可根据地面、钻探揭露地质及地层、抽水水量、水温等情况，设计、施工由B点向A点的定向井。

② 较有利区段为异常②区，它位于广域电磁法GY01测线约1 675～1 875 m段(SY01测线1 500～1 700 m段)附近，其埋深较浅，推测与异常③区有一定连通。该异常区内深部优势储、导水靶点为C点(点位：测线中部约1 750～1 825 m段处，深度-1 200～-1 400 m，靶点范围大小约50～100 m、主体SW倾向)。在地面用地、用热、钻探施工作业条件符合时，可考虑布设ZK3钻井。实际设计施工时，还可根据地面、钻探揭露地质及地层、抽水水量、水温等情况，设计、施工由②区C点向异常③区B、A靶点的定向井。

图14 研究区地热赋存条件及地热钻井综合分析图Fig.14 Geothermal occurrence conditions and comprehensive analysis of geothermal drilling in the study area

6 讨论

由于探测手段、电磁干扰及作业环境、地质及地球物理条件等的影响，在探测试验和解译、综合分析过程中尚存在较多问题需要进一步试验、探讨：

(1) 大功率电性源时间域电磁法解译剖面浅部细节纵横向分辨率不高，分析其原因是因为发射波形为TD50-4s双极性方波，电偶极矩大(2.4 km)，发射功率大，受关断时间的影响，二次衰减场第一个时间点为10 ms，浅部存在约500 m的盲区。

(2) 大功率电性源时间域电磁法测线大偏移距一侧(南侧)解译结果与广域电磁法解译结果存在较大差异，可能与探测时发射源、测线的布置方式有关，因为在平行现实际试验测线的东西两侧，合适的收发距范围内，适宜布设与勘探线平行的电偶极发射源的地方均遇湖水，试验探测时只能将大功率电性源时间域电磁法电偶极发射源方向布设为与测线方向垂直，且该发射场所发射电磁场主方向与主地质构造线方向一致，对结果有影响。建议在具备条件的地方，再采用平行测线布置方式进行探测、对比。

(3) 采用大功率电性源时间域电磁法探测一维、二维解译成果显示，北部异常的位置、深度存在一定差别，产生的原因可能是静态位移的影响。

(4) 本次使用大功率电性源时间域电磁法探测虽然发射电流值较高，但在武汉地区强干扰、浅层为厚层低阻环境下，探测深度似乎仍难超过2 000 m。

(5) 研究区邻近城区和多个变电站，前期电磁环境探测时实测只有在凌晨1:30-3:30时为基本无强干扰物探探测窗口，本次大功率电性源时间域电磁法探测数据采集均为白天进行，对探测结果是否有影响及影响程度大小需要进一步分析并引起注意。

(6) 极化探测可影响深度和极化率解译剖面适用推断深度值得进一步探讨。

(7) 研究区地热赋存条件和特征尚需进一步勘查、验证。

致谢：感谢武汉地质工程勘察院有限公司，中国地质大学(武汉)姚春亮，中南大学李帝铨、朱云起，课题组成员及有关领导、专家对本项目的支持、指导！