多種電磁法在地?zé)豳Y源勘查中的應(yīng)用

萇云，黃江華，陳衛(wèi)營(yíng)，王國(guó)群

(1.安徽省地勘局第一水文工程地質(zhì)勘查院，安徽 蚌埠 233000； 2.陜西地礦第二綜合物探大隊(duì)，陜西 西安 710016)

1 前 言

地下熱水資源是清潔無(wú)污染的綠色能源，尤其在當(dāng)今環(huán)境問題趨于嚴(yán)重和能源短缺問題的困擾下，大力開發(fā)地?zé)豳Y源對(duì)保護(hù)和改善自然環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。為充分利用深部地?zé)豳Y源，查明淮南市焦崗湖生態(tài)區(qū)的熱儲(chǔ)情況，根據(jù)本區(qū)的地質(zhì)條件和電磁法勘探的特點(diǎn)，采用多種電磁法(可控源音頻大地電磁法、瞬變電磁法和大地電場(chǎng)探測(cè)法)綜合實(shí)施的思路和方案，確定出3個(gè)鉆孔位置及地?zé)豳Y源的深度在 1 500 m～2 000 m范圍內(nèi)。ZK01號(hào)鉆孔成井后，1 500 m深的終井溫度為36℃，單井出水量大于30.7 t/h，該工作方案為類似地區(qū)尋找熱水提供了較好的經(jīng)驗(yàn)。

2 地質(zhì)概況

生態(tài)度假村位于淮南市西南部，淮河與西淝河的交匯處，是典型的河湖漫灘和河間平地。地表大部分地區(qū)為第四系覆蓋，僅在淮河?xùn)|岸的丘陵區(qū)出露元古界和古生界為主的基巖。大地構(gòu)造位置處于中朝準(zhǔn)地臺(tái)南緣，以潁上—定遠(yuǎn)斷裂為界，以北為淮河臺(tái)地坳陷的淮南凹陷褶斷帶，以南屬合肥斷陷盆地。區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，以近東西走向的潁上—定遠(yuǎn)斷層為主，先壓扭性、后為張性斷裂，傾向南西，是區(qū)域性深大斷裂，控制著兩個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元。斷層北側(cè)出露上太古界霍邱群地層，南側(cè)出露中生界白堊系地層，既是合肥紅層盆地北邊界，也是焦崗湖北東側(cè)的邊界。焦崗湖南西側(cè)可能分布有與潁上—定遠(yuǎn)斷層平行的次級(jí)斷層。此外，北北東向斷裂隱伏于焦崗湖的西邊，是燕山后期斷層，錯(cuò)切近東西向斷層和霍邱群地層。這些斷裂的發(fā)育是深部熱源達(dá)到淺層的通道，為熱儲(chǔ)的形成創(chuàng)造了有利條件，在其附近可形成熱田。根據(jù)前人研究成果，本區(qū)地下水有松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水、變質(zhì)巖類裂隙水三大類。第一類主要是在現(xiàn)有條件下接受大氣降水的補(bǔ)給及上游的側(cè)向徑流補(bǔ)給；后兩類則是孔隙水越流補(bǔ)給和地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給。區(qū)內(nèi)地下水主要來源于裸露在盆地周邊的可直接受大氣降水滲入、基巖裂隙水、斷裂帶水補(bǔ)給的粗粒碎屑巖層。當(dāng)?shù)叵滤刂畲髷嗔蜒h(huán)運(yùn)移至地下深處的中低溫?zé)醿?chǔ)構(gòu)造后，形成熱水[1]，該運(yùn)移與斷裂分布有著密切的關(guān)系，因此測(cè)區(qū)的水文地質(zhì)條件具有地?zé)崴纬傻幕A(chǔ)。

測(cè)區(qū)地層主要是第四系、白堊系張橋組和上太古界霍邱群。第四系巖性為黏土、中細(xì)砂層等，張橋組巖性主要是礫巖、砂巖、粉砂巖等，霍邱群巖性主要為混合巖，夾少量黑云角閃斜長(zhǎng)片麻巖等，其電性特征如表1所示。這些巖石地層存在一定程度的電性差異，為電法勘探工作的開展提供了地球物理基礎(chǔ)。

區(qū)內(nèi)地層的電性特征 表1

3 方法應(yīng)用及成果分析

根據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)，地?zé)嵯到y(tǒng)內(nèi)溫度升高使離子遷移率增大，巖石電阻率降低，造成熱儲(chǔ)部位電阻率降低，因此低阻異常是識(shí)別地?zé)豳Y源的重要標(biāo)志，特別是熱儲(chǔ)范圍較大時(shí)，電阻率異?？梢悦黠@反映出熱儲(chǔ)的空間分布。結(jié)合工作區(qū)的地質(zhì)條件，采用了三種電磁勘探方法循序漸進(jìn)開展地?zé)峥辈?。首先利用瞬變電磁法可以穿透高阻層發(fā)現(xiàn)低阻層的特點(diǎn)[2，3]，在發(fā)現(xiàn)瞬變電磁異常信息基礎(chǔ)上，再利用可控源音頻大地電磁資料可探測(cè)深層信息的特點(diǎn)，反演分層得到各時(shí)代地層的頂、底面埋深和區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育情況，及根據(jù)大地電場(chǎng)巖性探測(cè)可反映出地下不同深度巖石巖性和儲(chǔ)層流體信息的特點(diǎn)，并以剖面和斷面異常相結(jié)合的綜合分析方法最終確定出區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育、地層空間展布等情況，進(jìn)而確定含熱水層系的存在與埋深，消除物探異常的多解性。

由于工作區(qū)地處淮河流域，人工溝渠水網(wǎng)密布，縱橫交錯(cuò)，野外工作布置比較困難。在綜合考慮減小干擾、方便施工及構(gòu)造地質(zhì)等因素后，布置了4條勘探測(cè)線(如圖1所示)。其中TEM測(cè)線測(cè)點(diǎn)間距為 10 m；CSAMT測(cè)線的測(cè)點(diǎn)間距為 20 m；大地電場(chǎng)巖性探測(cè)法(CYT)2個(gè)點(diǎn)，采集深度間隔為 1 m。野外施工前進(jìn)行了磁棒標(biāo)定，對(duì)各道各頻率的12個(gè)增益也進(jìn)行了標(biāo)定，最終根據(jù)信噪比的情況選擇了最佳信噪比的增益。

圖1物探點(diǎn)工程布置及勘探成果圖

3.1 瞬變電磁法(TEM)

TEM法是通過回線向地下發(fā)射電流脈沖方波后接收反射回來的二次磁場(chǎng)的變化來揭示地下地質(zhì)體的電性分布情況的一種方法。當(dāng)?shù)叵虏淮嬖诹紝?dǎo)體時(shí)，二次磁場(chǎng)隨時(shí)間衰減的特性曲線會(huì)快速下降，當(dāng)存在良導(dǎo)體時(shí)，在電源切斷的瞬間，導(dǎo)體內(nèi)部將產(chǎn)生渦流以維持一次場(chǎng)的切斷，觀測(cè)到的衰減過程會(huì)變慢，從而發(fā)現(xiàn)地下導(dǎo)體的存在。本次工作使用加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V8電法工作站，配備GPS和網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，獲得實(shí)時(shí)觀測(cè)電阻率和相位曲線。采用大回線源和探頭接收、同點(diǎn)裝置工作，這種裝置具有與目標(biāo)體耦合最佳、異常幅值大、形態(tài)簡(jiǎn)單、受旁側(cè)地質(zhì)體影響小的特點(diǎn)。

野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過小波變換去噪、S變換去噪等處理，將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換為視電阻率，以s、hs為參數(shù)繪制各測(cè)線視電阻率(s)綜合剖面圖，然后研判出沿測(cè)線剖面方向上的視電阻率及電性分布特性。

3.2 可控源大地電磁法(CSAMT)

主要原理是利用人工場(chǎng)源激發(fā)地下巖石，根據(jù)不同巖石的電導(dǎo)率差異觀測(cè)記錄一次場(chǎng)電位和磁場(chǎng)強(qiáng)度變化，具有抗干擾能力強(qiáng)、勘探深度大、能穿透高阻層的特點(diǎn)。儀器同樣使用V8電法工作站。

外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了去噪、靜態(tài)校正、近場(chǎng)校正、測(cè)點(diǎn)間距校正，再進(jìn)行二維地形正演模擬計(jì)算出地形影響值，剔除地形影響后，進(jìn)一步反演計(jì)算出斷面圖的電阻率異常。

3.3 CYT型大地電場(chǎng)巖性探測(cè)

該方法屬于點(diǎn)測(cè)深法，在地表可探測(cè)到地下深度 0 m～10 000 m范圍。主要是根據(jù)太陽(yáng)風(fēng)產(chǎn)生的電磁脈沖垂直向下穿透地層后，不同深度的巖性分界面脈沖電磁波的頻率會(huì)發(fā)生變化，且層間電磁場(chǎng)經(jīng)過疊加后，反射向地面會(huì)形成與不同深度巖性對(duì)應(yīng)的電磁場(chǎng)，從而判斷出地表以下的巖性變化情況。由于地下熱儲(chǔ)層中的熱水一般富含溶解離子，且溫度較高，巖石受熱變質(zhì)而黏土化，導(dǎo)致含水破碎帶具有局部低電阻率特征，通常含水層在大地電場(chǎng)巖性曲線中表現(xiàn)為寬帶大振幅高低峰值交替中的最低值區(qū)。

3.4 成果分析

根據(jù)前述地質(zhì)和巖石地層的電性特征，測(cè)區(qū)淺地表以第四系黏土等沉積物為主，視電阻率值較高；其下為白堊系張橋組，巖性主要為礫巖、砂巖等，視電阻率值較低；底部為上太古霍邱群，主要為混合巖、片麻巖等變質(zhì)巖類，視電阻率相對(duì)較高。通常在無(wú)斷裂帶或其他地質(zhì)構(gòu)造影響下，視電阻率橫向變化平緩，能夠很好地反映地層近層狀分布的特點(diǎn)?？v觀測(cè)區(qū)各測(cè)線斷面圖，視電阻率由淺至深大體上呈高阻—低阻—高阻的H型斷面變化特征，與實(shí)際地質(zhì)巖層的電性分布規(guī)律一致，呈現(xiàn)出第四系地層高電阻率、白堊系地層低電阻率和上太古地層高電阻率的分層性。若發(fā)育斷裂，斷層內(nèi)的巖石破碎會(huì)成為賦存地下水的良好儲(chǔ)體，導(dǎo)致電阻率降低，斷面圖的視電阻率會(huì)出現(xiàn)橫向突變。如圖2顯示，3號(hào)測(cè)線TEM剖面南端出現(xiàn)低阻異常，斷面圖中發(fā)現(xiàn)剖面南端(150點(diǎn)號(hào)附近)和中南段(450點(diǎn)號(hào)附近)視電阻率發(fā)生突變，明顯是斷層分布的電性特征，推測(cè)其為斷裂破碎帶。對(duì)比1號(hào)、4號(hào)等其他測(cè)線同樣發(fā)現(xiàn)在其南段-中南段也有低阻和高阻突變帶，因此推測(cè)測(cè)區(qū)存在至少兩條近東西走向的斷裂構(gòu)造裂隙帶，其中一條與地質(zhì)斷裂潁上-定遠(yuǎn)斷裂基本吻合。此外電性圖顯示區(qū)內(nèi)沒有低阻巖體干擾。

圖2 3號(hào)測(cè)線TEM視電阻率等值線斷面圖(虛線—推測(cè)斷層)

圖3 4號(hào)測(cè)線CSAMT視電阻率等值線斷面圖(虛線—推測(cè)斷層)

依據(jù)趨膚效應(yīng)，可控源(CSAMT)探測(cè)深度大于TEM探測(cè)深度，特別是當(dāng)深度大于 1 000 m時(shí)，CSAMT測(cè)深所反映的地層情況更加明顯，如圖3所示，4號(hào)測(cè)線CSAMT斷面圖出現(xiàn)多處視電阻率的橫向突變現(xiàn)象，特別是在300/4—500/4點(diǎn)號(hào)之間清晰顯示出電阻率較大的變化，從地表一直延伸至深部 2 000 m以下，顯然這種較大的電性變化現(xiàn)象只有深大斷裂破碎帶才能引起。其他測(cè)線如1號(hào)和3號(hào)測(cè)線南段也存在低阻異常區(qū)，向北轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦鑵^(qū)，印證了TEM法在測(cè)區(qū)南段發(fā)現(xiàn)電阻率突變現(xiàn)象的觀測(cè)結(jié)果，因此推測(cè)在測(cè)區(qū)中南部至少發(fā)育兩條近東西走向的斷裂或構(gòu)造裂隙帶。此外，CSAMT斷面也顯示出自深而淺大致呈高、低、高電阻率的電性分布狀態(tài)，反映出測(cè)區(qū)地層的垂向分布情況，與第四系、白堊系和上太古界地層基本一致。

為進(jìn)一步了解測(cè)區(qū)地層深部電性結(jié)構(gòu)的橫向變化，分別截取了4條測(cè)線的 800 m、1 200 m和 1 500 m深度的視電阻率異常進(jìn)行綜合分析。從 1 500 m深度的視電阻率平面圖可以明顯看出(如圖4所示)，測(cè)區(qū)電阻率自北向南逐漸降低，中部存在高阻區(qū)，南部低阻區(qū)域范圍較大，并延伸至測(cè)區(qū)之外，與CSAMT和TEM測(cè)深剖面的斷面異常結(jié)果一致。總之，測(cè)區(qū)在橫向和縱向都存在明顯的電性異常，充分反映出南部低阻區(qū)域是斷裂帶充水所致。

圖4 1 500 m深度CSAMT視電阻率等值線平面圖

綜合瞬變電磁、可控源大地電磁的剖面和平面結(jié)果及已知地質(zhì)資料，推斷測(cè)區(qū)南部至少發(fā)育兩條近東西走向的斷裂，自西向東橫穿測(cè)區(qū)。根據(jù)測(cè)區(qū)低阻區(qū)的分布特征，確定出3處宜井鉆孔。為進(jìn)一步確定預(yù)定鉆孔處的地層、溫度、含水層、熱儲(chǔ)層等情況，在預(yù)定鉆孔ZK01、ZK02位置實(shí)施了大地電場(chǎng)巖性勘測(cè)，勘測(cè)曲線顯示了測(cè)區(qū)地層電阻率大小的相對(duì)變化特征。根據(jù)曲線變化特點(diǎn)如曲線高低值交替表示巖性不均勻，窄帶代表薄互層，寬帶代表厚層，地層界面處曲線峰值突變等，在鉆孔ZK01圈出有效儲(chǔ)集層3段，第一段位于0 m～1 000 m，厚度計(jì) 16 m；第二段位于 1 000 m～2 400 m，有效儲(chǔ)集層厚度計(jì) 39 m；第三段位于2400 m～3000 m，有效儲(chǔ)集層厚度計(jì) 20 m。鉆孔ZK02圈出有效儲(chǔ)集層計(jì) 37 m，如表1、表2所示。

鉆孔ZK01的井段有效層位統(tǒng)計(jì)表(單位/m) 表1

鉆孔ZK02的井段有效層位統(tǒng)計(jì)表(單位/m) 表2

2015年在鉆孔ZK01位置處開鉆，井深達(dá)到 1 501.78 m。經(jīng)測(cè)井資料分析，鉆遇新生界地層厚 400 m、白堊系埋深 400 m～1014 m，厚 614 m；上太古霍邱群埋深 1014 m～1 501.78 m，該井揭露 487.78 m，可以鉆采深 620 m以下的地下熱水資源，主要含水層厚度為 275 m。最終該井出水量大于 30.71 m3/h，井口出水溫度為36℃，屬于低溫地?zé)豳Y源熱水[4]。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過利用CSAMT、TEM和CYT三種電磁勘探方法對(duì)測(cè)區(qū)不同深度的地質(zhì)體進(jìn)行探測(cè)，其視電阻率異常有效反映了地層深處的巖性變化、斷層及地下熱儲(chǔ)等信息，效果顯著。綜合分析平面和剖面的勘測(cè)結(jié)果，基本查明了生態(tài)區(qū)的地?zé)岱植记闆r。經(jīng)鉆井施工，在預(yù)定的宜井處打出36℃、出水量為 30.7 m3/h的低溫?zé)崴?，說明了綜合方法的有效性。因此對(duì)于尋找一定深度的地下熱水資源需要采用綜合電磁法勘探，依據(jù)每種電法勘探的特點(diǎn)達(dá)到有針對(duì)性的解決不同地質(zhì)任務(wù)的目的，互相印證減少多解性，以取得更好的地質(zhì)效果。

[1] Rybach L L，Muffler J P. 北京大學(xué)地質(zhì)系地?zé)嵫芯渴易g.地?zé)嵯到y(tǒng)[M]. 北京：地質(zhì)出版社，1981.

[2] 黃力軍，陸桂福，劉瑞德等. 電磁測(cè)深方法在深部地?zé)豳Y源調(diào)查中的應(yīng)用[J]. 物探與化探，2004，28(6).

[3] 吳小潔，張前，陳長(zhǎng)亮等. 綜合電法勘探在五指山地區(qū)找熱礦水中的應(yīng)用[J]. 工程地球物理學(xué)報(bào)，2015，12(3).

[4] 水文地質(zhì)工程地質(zhì)研究所. 地下熱水普查勘探方法[M]. 北京：地質(zhì)出版社，1973.