氡氣測量與CSAMT聯(lián)合探測在阿爾山市白狼鎮(zhèn)地熱資源勘查中的應用

王迪　霍建華　王福義

摘要：在阿爾山市白狼鎮(zhèn)地熱資源勘查中，運用了氡氣測量和CSAMT法相結合的物探方法，有效地克服了工作區(qū)山高林密的困難，避免了單種物探方法的多解性和不確定性，獲得了較好的勘探成果，說明氡氣測量和CSAMT相結合是尋找地熱資源的一種有效手段。

地下熱水的形成必須具備一定的地熱地質(zhì)條件，主要為儲熱層、蓋層、熱源和熱流通道。其中斷裂構造對于帶狀熱儲的形成尤其重要，它既起到導水增溫的作用，又可以使深部熱儲在地下水動力作用下運移至地表，所以帶狀熱儲勘查的主要任務是確定儲熱斷裂構造。

放射性元素Rn在形成和衰變過程中產(chǎn)生的儀輻射是氡氣測量的物理基礎，在構造帶中，Rn不僅易溶于水，而且能吸附于固體表面，隨著地下水的升降活動，Rn不斷地從地下被搬運到地表富集，形成局部的氡氣高異常區(qū)。巖石破碎、孔隙度增大、地溫增高將促使Rn的遷移速度加快，可在地表借助氡氣測量就可以探測到數(shù)百米深的斷裂構造，因此氡氣測量被大量用于探測基巖裂隙水和斷裂構造。

可控源音頻大地電磁法簡稱CSAMT法，是人工激發(fā)交變電磁場，利用兩端接地的有限長導線作為發(fā)射源向地下供電，在波區(qū)測量相互正交的電、磁場切向分量，并計算卡尼壓電阻率和阻抗相位，來達到勘探地球內(nèi)部電性結構的一種方法。該方法具有工作效率高、探測深度大（可達3000m）、橫向分辨率高和受地形影響相對較小等優(yōu)點。在礦產(chǎn)勘查、地質(zhì)構造調(diào)查和尋找地下熱水等領域應用效果顯著，為國內(nèi)地熱勘查的主要物探方法。

雖然利用氡氣測量尋找斷裂構造具有直接、方便、省時和價廉等優(yōu)點，但無法確定斷裂寬度、下延深度和傾向等構造特征，而結合CSAMT法可很好地彌補氡氣測量的不足。在阿爾山市白狼鎮(zhèn)地熱地質(zhì)調(diào)查中，采用氡氣測量法和CSAMT法組合探測地下的地質(zhì)結構和構造，在物性探測原理上優(yōu)勢互補，從綜合解譯上達到互為印證、各取優(yōu)點的目的，取得了很好的地質(zhì)應用效果。最終在兩種物探方法共同反應的地熱異常區(qū)成功的鉆探了一眼基巖區(qū)地熱井，水量為206m³/d，水溫40℃，除氟離子含量超標外，偏硅酸、鋅、鋰和鍶均達到了天然飲用礦泉水標準。本文結合白狼鎮(zhèn)地熱資源勘查實例，說明這種組合探測模式的合理性和有效性，其特點、經(jīng)驗對解決類似的地質(zhì)問題具有一定的參考意義。

1.測區(qū)地質(zhì)概況

工作區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東部，地處大興安嶺中段嶺脊南側，是洮兒河的發(fā)源地，區(qū)內(nèi)主要為中低山和河谷洼地地貌，植被覆蓋率高，為興安盟阿爾山市白狼鎮(zhèn)管轄。工作區(qū)范圍為東經(jīng)120°04′09″～120°12′20″、北緯46°58′39″～47°04′19″。

1.1地層及巖性

工作區(qū)出露的主要為火山巖地層，僅在南部出露少量二疊系砂巖和侏羅系中酸性侵入巖，大面積分布侏羅系安山巖和凝灰?guī)r，部分地區(qū)上覆新近系玄武巖和安山巖（圖1）；工作區(qū)西部零星出露第四系玄武巖，溝谷內(nèi)第四系沖洪積物較薄。

1.2斷裂構造

受大地構造發(fā)展的影響，本區(qū)構造變動強烈，褶皺和斷裂構造發(fā)育，褶皺構造以軸向北東或北北東向的緊密線型復式背向斜為主，斷裂構造以北東向壓扭性斷裂為主，其次為北北東向壓性、北西向張性和東西向張性三組斷裂。白狼侏羅紀火山構造洼地出露面積約為200km2，大體呈WE向展布。洼地內(nèi)充填白音高老組火山碎屑巖，并發(fā)育幾個破火山口。南部被五岔溝組玄武巖覆蓋，白狼侏羅紀火山構造洼地可能主要受NE向斷層控制。太陽溝西部有個較大的破火山口，面積約2km2，環(huán)繞破火山口周圍為溝谷與巖脈——為環(huán)狀斷裂，環(huán)狀斷裂外圍有溝谷與推測斷層向外輻射（見圖1），屬張性，為本區(qū)地下水的賦存和運移提供了良好通道，局部斷裂構造為壓扭性構造，在區(qū)內(nèi)起阻水阻熱作用。

2.物探方法及數(shù)據(jù)分析

工作區(qū)處在大興安嶺林區(qū)，山高林密，山體坡度一般大于45°，物探工作僅限于山間溝谷內(nèi)，溝谷最寬處不足2km且谷內(nèi)多為濕地，所以物探方法采用較靈活的氡氣測量和CSAMT法，兩種物探測線布置較密且基本重合，測點基本呈面狀。

2.1氡氣測量和數(shù)據(jù)處理

氡氣測量不受電（磁）特性等的干擾，測量簡單、快速，可實現(xiàn)面積測量，對異常進行整體評價。對所有測量數(shù)據(jù)進行分析，計算背景值、閥值，確定異常峰值形態(tài)，判斷地下構造的位置、寬度和傾斜方向等，是該方法解釋的基本流程。但也應注意到覆蓋層的厚度、土壤含水量會直接影響測量數(shù)值的大小，因此必須記錄場地地質(zhì)特征，正確判斷數(shù)據(jù)的真實性。另外高于閥值的異常位置也并不一定與地下構造一一對應，進行資料解釋時宜與其他方法綜合判定。

野外氡氣測量儀器為核工業(yè)北京地質(zhì)研究院生產(chǎn)的FD-216型環(huán)境氡測量儀，該儀器全自動計算土壤中的氡含量，單位為Bq/m3，點距為20m。資料整理包括數(shù)據(jù)復核和檢查點誤差評價等。文獻資料顯示，處理氡氣測量數(shù)據(jù)還沒有統(tǒng)一的方法，本次數(shù)據(jù)分析主要依據(jù)數(shù)理統(tǒng)計的方法評價較為合理，數(shù)據(jù)處理步驟如下。

（1）計算所有測點數(shù)據(jù)的平均值x，標準偏差為a。

（2）將（x-3aX+3a）區(qū)間定為測量數(shù)據(jù)的合理變化范圍，超出此范圍者則舍棄；同時，在測量過程中發(fā)現(xiàn)本儀器軟管漏氣導致測量失敗時，儀器數(shù)據(jù)均為300Bq/m³，故同時舍棄≤300Bq/m³的數(shù)據(jù)。

（3）舍棄不合理的數(shù)據(jù)點，重新計算平均值和標準偏差，分別另計為x1和a1。

（4）此時的平均值x1就定義為背景值RnB，閥值為RnF=X1+1.50al。

（5）繪制剖面氡氣幅值變化曲線，并標繪背景值RnB和異常閥值RnF。

（6）超過異常閥值（背景值的1.5倍標準差的測值）的則作為存在的地球化學異常值。

2.2 CSAMT測量和數(shù)據(jù)處理

CSAMT法基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組導出的水平電偶極源在地面上的正交坐標系下電場及磁場公式，通過人工場源激發(fā)電磁波，只要在地面上觀測到兩個正交的水平電磁場（Ex，Hy）就可獲得地下的視電阻率r，也稱為卡尼亞電阻率。該方法具有抗干擾能力強、靈活便捷、橫向分辨率高和探測深度大的優(yōu)點。

儀器采用加拿大鳳凰公司研制開發(fā)的第八代V8多功能電磁法儀，V8有3個磁通道和3個電通道，磁通道既可以連接標準的磁棒也可以和1到3個軸向的TDEM探頭連接。v8既可以單機工作（通常用來做AMT和MT），也可以作為輔助的2個電通道數(shù)據(jù)采集的局域網(wǎng)絡中心。所有的記錄單元均通過GPS時間（±0.2微秒）保持同步，發(fā)射機也是通過GPS時間保持同步。無論是網(wǎng)絡化的記錄單元之間，還是接收機和發(fā)射機之間均可以通過無線方式保持通訊。V8系統(tǒng)具有時間域的常規(guī)電斷面、電測深、高密度、激電、瞬變電磁測量功能，具備頻率域的大地電磁測深（MT）、音頻大地電磁測深（AMT）、可控源音頻大地電磁測深（CSAMT）及頻譜激電（SIP）電法勘查測量功能。儀器工作頻率范圍為0.125Hz～9600Hz，共32個頻點。

測得的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過初步格式轉換、剔除廢點和數(shù)據(jù)濾波處理后，進行專業(yè)處理，處理流程基本為：剔除飛電、去噪、圓滑、靜態(tài)校正、地形改正、1D&2D反演和地質(zhì)解釋，最終得到了各測線反演后的電阻率斷面圖，電阻率用分等級的彩色顯示。

2.3綜合研究分析

將工作區(qū)21條氡氣測量線，共計1375個測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，計算得平均值x為26415.7Bq/m³，標準偏差a為23761.97Bq/m3，計算得300-97701.61Bq/m3區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。10號線氡氣測量點總數(shù)80個，其中13號點數(shù)據(jù)為113247Bq/m3，19號點數(shù)據(jù)為244826Bq/m3，47號點數(shù)據(jù)為142943Bq/m3，將這3個點數(shù)據(jù)舍棄后，重新計算得平均值x1（背景值RnB）為24051.8Bq/m3，標準偏差al為13996.37Bq/m3，閥值RnF為45046.34Bq/m3。據(jù)此繪制了氡氣幅值變化曲線（圖2-上）。

林區(qū)植被茂密，地表潮濕，含水量大，不利于氡氣的運移和聚集，同時受地下2m左右島狀凍土層的影響，圖2一上測氡曲線整體上數(shù)值較小，且偏離較大。從曲線上大致看出兩個峰值，分別位于點號7～22和36～58間，同時3個高異常點也都位于這兩個區(qū)間內(nèi)，從該曲線圖單獨分析，推斷這兩個峰值區(qū)間可能是深部斷層同地表的溝通區(qū)。

雖然CSAMT法受地下凍土層影響較大，但是最終電阻率斷面圖效果較好（圖2-中），很好的反映出深部地質(zhì)構造情況。根據(jù)工作區(qū)不同巖性的電性差異，反映出紅色（電阻率大于5000Ω·m）部分為完整的花崗巖侵入體，受斷裂的控制，花崗巖西部沉積了厚層侏羅系凝

灰?guī)r，其電阻率一般小于3000Ω·m，電阻率3000～5000Ω·m區(qū)域則受侵入接觸帶及斷裂破碎帶共同影響。由于地表松散層較薄，基本不超過20m，在CSAMT斷面上難以反應。

對比CSAMT斷面圖同氡氣測量曲線重疊部分，CSAMT反應的兩條斷層上部正好位于氡氣測量峰值區(qū)，且吻合度非常好，兩種物探方法優(yōu)勢互補又相互驗證，確定了主要斷裂的傾向和下延深度，據(jù)此繪制了10號線綜合地質(zhì)解譯剖面（圖2-下）。在此基礎上確定了孔位和孔深，最終在預計深度范圍內(nèi)鉆遇了斷裂破碎帶且鉆探出了優(yōu)質(zhì)地熱水，更證實了上述分析的準確性。

3.結論

（1）氡氣測量具有簡便、靈活和快速的特點，但在確定深部斷裂構造位置、寬度和下延深度等方面較為困難。土壤的含水性、厚度和土壤類型是影響氡氣測量的主要因素。通常情況下，經(jīng)過數(shù)理統(tǒng)計可以大致確定一個地區(qū)的背景值和閥值，氡氣曲線上高于背景值的單峰或多峰異常往往與地下地質(zhì)構造相關。經(jīng)統(tǒng)計，工作xE～壤氡背景值為2405 1.8Bq/m3，閥值為45046.34Bq/m3。

（2）CSAMT法受地形限制較小，探測深度大，有較高的水平和垂向分辨率，可以較好地反映深部地質(zhì)構造情況，尤其是對有良導特性的斷裂破碎帶和低高阻接觸面，有明顯的反應，但是受環(huán)境電磁干擾影響嚴重，且對低阻體定性較差。通過解譯出的斷面圖，分析電阻率的異常變化，可初步確定深部地質(zhì)構造特征。

（3）在阿爾山白狼鎮(zhèn)地區(qū)，山高林密，選用較靈活的氡氣測量和CSAMT相結合的物探方法來探測地下深部地質(zhì)構造的方法是可行的。兩種方法優(yōu)勢互補、相互驗證，CsAMT反應的兩條斷層上部正好位于氡值高異常區(qū)，共同確定了工作區(qū)斷裂構造的傾向、傾角和下延深度等，清晰反映出了花崗巖基底同上部巖體的接觸面，為孔位的選定和成功出水奠定了地質(zhì)基礎。