时频电磁法在金牛湖地区深部地热资源勘查中的应用

2024-01-25杨志成陈海宏周玲玲

工程地球物理学报 2024年1期

杨志成，陈海宏，周玲玲，鲁杏

(1.安徽省勘查技术院(安徽省地矿局能源勘查中心),安徽合肥 230031;2.江苏省地质矿产局第一地质大队,江苏南京 210041)

1 引言

目前,国内主要的地热勘查技术方法有重力、磁法、二维地震、测氡法、微动、电磁法[1-3]。其中,电磁法是最主要的地热勘查技术手段。可控源音频大地电磁测深法(Controlled Source Audio-frequency Magnetotelluric Sounding Method,CSAMT)是Goldteint提出的有源的勘查技术方法[4-5],在中浅部地热资源勘查中得到了广泛的应用[6]。长偏移距电磁法(Long Offset Transient Elec-tromagnetic Sounding,LOTEM)是导线源时间域电磁勘查方法,可以弥补回线瞬变电磁法勘查深度小的问题。为了进一步提高探测精度并克服频率域和时间域各自的不足,何展翔等[7-10]提出了时频电磁(Time-Frequency Electromagnetic Method ,TFEM)法,并将该方法推广应用到油气、天然气、干热岩、深部地热资源的勘查[11-15]。宋涛等[16]在低阻厚覆盖、电磁强干扰地区的盆地型地热资源勘查中采用时频电磁法,取得了信噪比较高的原始数据,结合水文地质条件布设钻孔,最终获得优质地热资源。程正璞等[17]在电磁强干扰区的碳酸盐岩型地热资源勘查中采用时频电磁法,获得了高信噪比数据,采用电阻率约束反演,精确刻画了地层结构,圈定了有利地热区4处,为后续地热资源的开发利用提供了重要的基础资料和支撑。

南京金牛湖地区地质构造复杂、低阻覆盖层较厚、电磁干扰较强,主要寻找中深层的地热资源。针对这个特点,结合以往地热资源勘查经验,采用大功率时频电磁法(TFEM)进行深部地热资源的勘查工作。通过大功率发射,可以有效穿透低阻覆盖层、提高采集数据的信噪比,为反演提供高质量的原始数据。通过时间域与频率域数据同时采集,精确提取反映地下深部电性结构的电阻率信息,提高了深部地热勘查的成功率。

2 方法原理

时频电磁法是一种人工源时间频率电磁测深方法,野外工作方式与电性源CSAMT法类似,采用的装置类型主要为赤道偶极装置。工作方式见图1。

时频电磁法通过一次采集,能够同时获得时间域和频率域电磁数据;时频电磁勘探仪器系统经测试和应用,可适用于深部地热、油气、矿产等资源勘探[18-23]。时频电磁法工作方式与常规可控源音频大地电磁法(CSAMT)或长偏移距瞬变电磁法(LOTEM)类似,利用两个接地电极A和B连接长导线进行大功率的电脉冲方波激发,在一定距离处接收电磁场[10]。

AB场源电极(A、B)应根据实际地形、地物情况,在一定范围内选择合适的场地进行布设,长度在几公里到十几公里,激发方式采用过零或不过零方波。

接收测站由电采集站和磁采集站组成,包括2个电磁分量,即1个垂直磁场：Hz,1个水平电场：Ex。

在室内对采集到的时间序列信号进行滤波、去噪等处理,分别提取时间域数据和频率域数据。对时间域数据进行分析处理,获得电性信息,得到电阻率参数;对频率域数据进行分析处理,获得极化率参数。

该方法具有如下特点：①使用人工场源信噪比高,纵向分辨率高,无静态位移影响;②同时测量电分量和磁分量,弥补了只观测磁场对高阻薄层分辨率低的不足;③可同时计算电阻率和极化率等多个参数。

图1 时频电磁法工作示意图Fig.1 Working diagram of time-frequency electromagnetic method

3 勘查区概况及工作布置

3.1 地质概况

3.1.1 地层

勘查区位于低山丘陵区,区内第四系广泛覆盖,仅在部分地区出露震旦纪灯影组、陡山沱组,寒武纪幕府山组,侏罗纪红花桥组,白垩纪浦口组,新近纪六合组、桂五组地层。

1)第四系(Q)～白垩系(K)：地层岩性以砂岩、粉砂岩为主;

2)侏罗系(J)：地层岩性以安山岩、安山质角砾熔岩为主;

3.1.2 构造

勘查区在区域构造位置上位于扬子陆块之下扬子地块,郯庐断裂带以东,天长-南京-镇江隆起区之次级江浦-天长隆起。郯庐断裂带在新生代期间,由于岩层拉张伸展并伴随强烈玄武岩喷发,造成区域地质构造复杂。发育的主要褶皱构造为冶山复背斜。区内断裂构造发育,除了区域性的金牛断裂、冶山断裂组(G4)、九头山断裂斜贯勘查区,勘查区内还发育一系列的次级断裂构造。

3.1.3 岩浆岩

勘查区内发育的岩浆岩有金牛山岩体、冶山岩体,主要出露在金牛山、冶山附近,岩性为闪长岩、花岗闪长岩。

3.1.4 地热地质条件

根据地热地质条件可知,地热区必须具备“源、通、储、盖”四个基本条件,即深部具有热源及水源供给,下部具有热水通道,中间有较好的储水条件,上部有较好的覆盖层。现从以上四个方面来叙述勘查区的地热地质条件：

1)源：江苏地下热水的“热”主要来源于向地下深处按一定地温梯度逐步增加的累积温度,并且深度越大,温度越高。现有钻孔资料证实,江苏4 500 m深度地温可达115～150 ℃。水源主要为大气降水,不同的地区因地质环境的差异,其补给的范围和时间也有很大的区别,勘查区的自然环境决定了降水的补给十分充裕。热水中各种化学成分,是地下热水在深循环过程中不断吸取地壳中围岩成分所致。

2)流通条件：勘查区位于金牛水库岸边,地表为第四系所覆盖。主要接受冶山、金牛山地区各类基岩裂隙水和一、二级阶地松散堆积物中孔隙水及大气水的补给,地下水沿地形以陡坡降向山前沟谷及向水库流动。

1-第四系全新统;2-第四系上更新统;3-上第三系桂五组;4-上第三系六合组;5-白垩系浦口组;6-震旦系灯影组;7-燕山期晚期闪长岩类;8-实测、推测岩层界线;9-实测不整合岩层界线;10-推测断裂及编号;11-探矿权范围;12-河流;13-地名;14-TFEM测线及编号;15-温泉点;16-设计钻孔图2 区域地质图Fig.2 Regional geological map

勘查区构造发育,形成一系列的断裂和破碎带,同时也形成了良好的储水空间和深循环条件,加强了与深部热源的沟通,是深部热源上导的主要通道,成为地下热水上涌或下渗的构造通道。

3)储水条件：其下的寒武系、震旦系碳酸盐岩在长期地质演化过程中经历多次断裂活动、抬升剥蚀等作用,成为良好的裂隙-岩溶含水储热层,是本区地下热水勘查最重要的目标层位。

4)盖层条件：勘查区覆盖层及白垩系、侏罗系埋深数百米,地层发育厚度达百米以上,该地层热导率低,且普遍不含水,是一个理想的地热盖层。

综上所述,调查区具备地热储积的“热源和通道”,“热储和盖层”水文地质条件较好,具有一定的地热资源勘查前景。

3.2 工作布置

通过区域内主要构造断裂F7,布设TFEM勘查线2条,线号分别为TFEM-1、TFEM-2,具体位置见图2。TFEM-1测线发射源在测线的西南方,收发距为8.386 km;TFEM-2测线发射源在测线的东南方,收发距为7.476 km。发射采用占空比1∶1的不过零方波,工作频率范围0.024～20 s,点距50 m,MN极距100 m,供电电流50 A,可以有效压制工作区内的人文干扰。共计完成106个TFEM物理点,取得了信噪比较高的原始数据。

4 数据处理

4.1 时频电磁法数据预处理

时频电磁勘探包含了时间域资料和频率域资料,因此,资料的处理主要为时间域资料的处理和频率域资料的处理。时间域处理主要为求取综合地电参数、电阻率反演。频率域处理主要为求取双频振幅异常、双频相位异常、极化率反演。

4.1.1 时间序列信号回放和合并

通过数据回放显示,可以了解野外记录的数据品质和噪声水平。分析主要干扰,选择有用信号,通过叠加可以压制随机干扰,增加信噪比。

4.1.2 频率域提取振幅和相位信息

对频率域信号,提取振幅信息是采用点通滤波和叠加的方法,并且可以通过对比激发源来获取相位。它是分频率点一个一个进行的。

最后所得到的谱数据为振幅和相位。若为多分量观测,可以有电场X和Y方向的分量和磁场X、Y方向的分量等多分量场值数据。

4.1.3 时间域阶跃信号的处理

对时间域信号,提取振幅是采用叠加、滤波、静偏校正等方法。它是分波形一个一个进行的。

分析流程是：①信号回放;②发射端信息的提取;③叠前处理。

最后所得到的时间数据为衰减曲线。若为多分量观测,可以有电场X和Y方向的分量和磁场X、Y方向的分量等多分量场值数据。

4.1.4 计算全区和全期视电阻率

4.1.4.1 频率域视电阻率的定义和计算

1)水平电场

根据电磁理论,在均匀半无限空间,其场值已有解析表达式,可进行全频率段视电阻率ρω(即响应函数)的定义。

(1)

式中,

(2)

频率域水平方向电场强度Ex(ω)为水平电场的全频率段视电阻率响应函数,V;ρω为全频率段视电阻率,Ω·m;I为供电电流强度振幅,A;L为发射电偶极子AB长度,m;φ为发射电偶极子方向与电偶极子中心点与接收点联线之夹角;r为收发距(偏移距),m;ω为角频率,rad/s;μ为介质磁导率,H/m。

解的求取均采用二分法双精度计算。

2)垂直磁场

根据电磁理论,在均匀半无限空间,其场值已有解析表达式,可进行全频率段视电阻率ρω(即响应函数)的定义。

(3)

式中,k由式(2)计算;频率域垂直方向磁场强度Hz(ω)为垂直磁场的全频率段视电阻率响应函数,A/m。

Hz(ω)是单调的函数,有确定的唯一解。解的求取采用二分法双精度计算。

对比水平电场和垂直磁场的响应,可以看出：电场分量在低频率段趋近于几何测深值,特别是在收发距较小的情况下。但电场分量对高电阻率反映比磁场灵敏,而磁场分量对低电阻率的反映又比电场灵敏,所以联合电磁场多分量对提高电性分辨能力是重要的。

4.1.4.2 时间域视电阻率的定义和计算

1)水平电场

根据电磁理论,在均匀半无限空间,其场值已有解析表达式,可进行全时间段视电阻率ρa(即响应函数)的定义(假若在上阶跃激发的情况下)。

(4)

式中,

(5)

时间域水平方向电场强度Ex(t)为水平电场的全时间段视电阻率响应函数,V;ρa为全时间段视电阻率,Ω·m;t为时间,s;μ0为真空磁导率,为4π×10-7N/A。

解的求取均采用中值搜索逼近法双精度计算。

2)垂直磁场

根据电磁理论,在均匀半无限空间,其场值已有解析表达式,可进行全频率段视电阻率ρa(即响应函数)的定义。

(6)

式中,x由式(5)计算;时间域垂直磁方向磁场强度ε(t)为垂直磁场的全频率段视电阻率响应函数,A/m。

ε(t)是双值函数,有两个解。解的求取采用二分法双精度计算。解出两个解后要排除一个非正常解。

通常广义的时频电磁法有六套数据体(频率域电场Ex分量视电阻率和相位、频率域磁场Hz分量视电阻率和相位,时间域电场Ex分量视电阻率、时间域磁场ε分量视电阻率)。视电阻率被用于联合反演出电阻率和深度,相位则用于提取极化率。本次工作主要使用视电阻率参数计算二维电阻率剖面,反应工作区电性结构特征,指示含水低阻破碎带。

4.2 时频电磁法二维反演

针对时频电磁法的特点,研究合适的时频电磁信号反演技术,结合其它资料对实际电磁数据进行计算分析,形成电阻率深度剖面。

时频电磁法的二维反演中采用“降维逼近法”做二维精确反演。时频电磁法的降维逼近法二维反演,是将每次二维反演迭代分解为一次二维正演和每个测点的精确一维反演两个过程。这样在算法过程中避免了偏导数矩阵求解和大型反演方程组求逆两大难题,同时,每次迭代只需一次二维正演,从而加快了反演速度。

获得工区视电阻率以后,对获得的视电阻率进行反演。时间域和频率域的视电阻率反演方法均采用降维逼近法(Dimension-Reduction Approaching Method,DRAM)。降维逼近法的反演原理是对初始模型进行2D/3D正演,结合实测的视电阻率获取类一维视电阻率,再对类一维视电阻率作一维形式化反演,形成新的模型,继续进行下一轮迭代。

所设计的“降维逼近法”二维反演的基本步骤如下：

1)第一步：沿剖面对各测点的实测视电阻率曲线ρa作“形式化一维反演”,组合成二维剖面,将其作为初始二维反演剖面;

2)第二步：对初始二维反演剖面作二维正演,得到各测点上正演拟合视电阻率ρaT;

3)第三步：比较各测点上实测视电阻率ρa和二维正演所得拟合视电阻率ρaT,根据其差异修正实测视电阻率,得到“类一维视电阻率”近似值ρa1d,表达式为

(7)

(8)

从式(8)的形式上看,“降维逼近”反演类似于采用CT成像中重构算法的最大熵方法。不同的是,这里所涉及的是对非线性问题的直接反演。

7)第七步：回到第四、五、六步进行循环迭代。直至一条测线所有测点的实测视电阻率和二维正演拟合视电阻率的总体均方根误差小于预先指定的一个很小的数ε0。

(9)

式中,i=1,2…N;j=1,2…M;N是单个测点观测周期点(或频率点)数;M是测线上的总测点数。

对实测数据的反演而言,判断迭代是否收敛的唯一标志是看总体均方根误差是否越来越小。迭代完成后,获得二维反演的电阻率深度剖面,结合工作区地质资料,对电性剖面进行综合解释。

5 综合解释和钻井验证

图3 TFEM-1线电阻率剖面及综合地质解释Fig.3 Resistivity profile and comprehensive geological interpretation of line TFEM-1

5.1 剖面综合解释

5.1.1 TFEM-1线时频电磁法剖面综合解释

TFEM-1线时频电磁法反演电阻率及综合解释见图3,由电阻率等值线变化特征可以看出,纵向上具有明显的分层特征,横向上具有明显的分带特征。

纵向上,自上而下明显分成四个电性层,具体如下：

1)第一电性层深度自地表至-400～-600 m左右,为相对低阻层,电阻率值相对较低,且分布较均匀,电阻率值在400 Ω·m以下,推断为第四系(Q)～侏罗系(J)地层,岩性以砂质黏土、石英砂岩、粉砂质泥岩为主。该层厚度在400～600 m左右,总体地层连续,变化不大。

2)第二电性层深度自上覆地层底部一直延伸至-1 000～-1 200 m左右,为相对高阻层,电阻率值在数百Ω·m左右,最高可达上千Ω·m。古生界寒武系()和新元古界震旦系(Z)的白云岩、灰岩,地层电阻率值相对较大。受断裂F7、F1影响,部分地层破碎含水,电阻率降低。

3)第三电性层深度自上覆地层底部一直延伸至-1 800～-2 800 m左右,为相对低阻层,电阻率值在数百Ω·m及以下。推断为古生界寒武系()和新元古界震旦系(Z)的白云岩、灰岩受断裂F7、F1破碎引起,表现为低阻破碎带,低阻层不连续。

4)第四电性层深度自上覆地层底部一直延伸至剖面底部,为相对高阻层,电阻率值在数千Ω·m电及以上。推断为基岩基底。

横向上,由北西向南东明显分成3个电性变化带,具体如下：

1)F1断裂以北,-1 200 m以浅电阻率整体较高,推测高阻层为寒武系()～震旦系(Z)的白云岩、灰岩;下部为相对低阻层,推测为寒武-震旦系地层受断裂F1影响,地层较为破碎;深部高阻推断为基岩。

2)F1断裂以南,F7断裂以北,浅部低阻层为第四系(Q)-侏罗系(J)地层;高阻层为寒武系()～震旦系(Z)的白云岩、灰岩,深部相对低阻层推测为断裂F1、F7造成的白云岩、灰岩破碎;深部高阻推断为基岩。

3)F7断裂以南,浅部低阻层为第四系(Q)-侏罗系(J)地层;高阻层为寒武系()～震旦系(Z)的白云岩、灰岩,深部相对低阻层推测为断裂F1、F7造成的白云岩、灰岩破碎;深部相对高阻推断为基岩。

5.1.2 TFEM-2线时频电磁法剖面综合解释

TFEM-2线时频电磁法反演电阻率及综合解释见图4,由电阻率等值线变化特征可以看出,纵向上具有明显的分层特征,横向上具有明显的分带特征。

纵向上,自上而下明显分成四个电性层,具体如下：

1)第一电性层深度自地表至-400～-600 m左右,为相对低阻层,电阻率值相对较低,且分布较均匀,电阻率值在400 Ω·m以下,推断为第四系(Q)-侏罗系(J)地层,岩性以砂质黏土、石英砂岩、粉砂质泥岩为主。该层厚度在400～600 m左右,总体地层连续,变化不大。

2)第二电性层深度自上覆地层底部一直延伸至-1 000～-1 200 m左右为相对高阻层,电阻率值在数百Ω·m左右,最高可达上千Ω·m。古生界寒武系()和新元古界震旦系(Z)的白云岩、灰岩,地层电阻率值相对较大。受断裂F7、F1影响,部分地层破碎含水,电阻率降低。

3)第三电性层深度自上覆地层底部一直延伸至-1 800～-2 800 m左右为相对低阻层,电阻率值在数百Ω·m及以下。推断为古生界寒武系()和新元古界震旦系(Z)的白云岩、灰岩受断裂F7、F1破碎引起,表现为低阻破碎带,低阻层不连续。

4)第四电性层深度自上覆地层底部一直延伸至剖面底部,为相对高阻层,电阻率值在数千Ω·m及以上。推断为基岩基底。

横向上,由北西向南东明显分成3个电性变化带,具体如下：

1)F7断裂南西,浅部低阻层为第四系(Q)～侏罗系(J)地层;相对高阻层为寒武～震旦系的白云岩、灰岩,深部受九头山断裂及F7断裂影响,-1 400～-2 800 m出现明显的低阻破碎带;深部高阻推断为基岩。

2)F7断裂北东,F1断裂南西,浅部低阻层为第四系(Q)～侏罗系(J)地层;相对高阻层为寒武～震旦系的白云岩、灰岩,因受断裂F7及断裂F1影响,岩层相对破碎,电阻率降低;深部高阻推断为基岩。

3)F1断裂北东,整体电阻率较高,主要为寒武～震旦系的白云岩、灰岩,受断裂F1影响,电性差异变小,地层结构相对完整。

图4 TFEM-2线电阻率剖面及综合地质解释Fig.4 Resistivity profile and comprehensive geological interpretation map of line TFEM-2

5.1.3 综合推断解释

TFEM-1线时频电磁法剖面与TFEM-2线时频电磁法剖面大角度斜交,通过二维电阻率反演结果对比,说明深部-1 400～-2 600 m之间存在明显的低阻带,低阻带不连续。推断的断裂在时频电磁法电阻率反演剖面上均有明显的反映,尤其是F7断裂,综合分析推断该断裂走向北西,倾向南西,倾角约70°,为埋藏较深的隐伏断裂,推测该断裂为较好的深部地热的导热构造。

综合两条时频电磁法电阻率剖面综合地质解释结果,推断了1 400～1 600 m埋深的断裂破碎带含水可能性较大,因此在推断F7断裂位置设计验证钻孔JNH-1井。