大地电磁测深法与可控源音频大地电磁测深法在某区寻找地热中的应用

■陈全

（四川省地质工程勘察院四川成都610072）

大地电磁测深法与可控源音频大地电磁测深法在某区寻找地热中的应用

■陈全

（四川省地质工程勘察院四川成都610072）

本文介绍了大地电磁测深（MT）法与可控源音频大地电磁测深（CSAMT）法的工作原理,并以两种方法在某地地热勘探中的应用为例，分析两种方法在地热勘探中的应用效果。经过数据处理，分别对两条测线探测结果做了解释和推断，分析有利于地下热水聚集的地质条件，圈定储热空间，并为验证钻孔的孔位与孔深提供参考意见,钻探结果表明两种方法的推断结果与实际情况比较吻合。

MT CSAMT 地热 储热空间

0　前言

作为一种新型的可再生清洁能源，地热具有广阔开发前景，除了用于发电之外，也可直接用于采暖、医疗洗浴和各种形式的工农业用热，以及水产养殖等，尤其在大气污染日益严重的今天，利用地热资源，无疑可以在一定程度上降低我国经济对于煤炭消耗的过分依赖，是减轻大气污染，保护环境，建立发展集约型环保型经济的重要方式。

地热资源的现代含义包括地热过程的全部产物，如天然蒸汽、热水和热卤水等[1]。我国的地热资源分布广泛，在城市周边，人们对于温泉的需求日益增高，很多城市都在城市的边缘寻找地热资源，利用地下的热水建设温泉，满足人们的生产生活需要，其主要目标集中于地下热水的勘探，而地下热水来源多与断裂构造联系在一起，物探方法就是勘探断裂构造以圈定形成地下热水有利的位置，达到勘探地热的目的[2]。根据前人的经验，大地电磁测深法与可控源音频大地电磁测深法作为深部构造与金属矿产勘探中常用的物探方法，被广泛用于地热资源的勘探，并拥有较多的成功应用实例。本文将这两种方法用于研究某区的地热资源。根据调查区的热储地层和地质构造的分布关系，确定该区的地热资源的空间分布情况。

1　方法原理

本次勘探仪器使用的是加拿大凤凰地球物理公司生产的最新一代多功能电法仪V8，是一种先进的四维地球物理数据观测系统，已广泛应用于油气勘探、地热勘查、地下水调查、活断层研究以及矿产调查等领域。

常规的大地电磁法是采用天然场源的一种勘探方法，以电磁场理论为基础，通过研究介质的介电常数、磁导率与电导率的差异解决不同的地质问题。其观测的基本参数是地表上相互正交的电场分量(Ex，Ey)和磁场分量(Hx，Hy)，通过式（1）与（2）即可确定测点下方不同频率对应的深度上介质的视电阻率[3-6]。

式中f为频率（Hz），ρ是电阻率(Ω·m)；E是电场强度(mV/ km);H是磁场强度(nT)。此处的E与H，应理解为一次场和感应场的空间张量叠加后的综合场，简称总场[7]。

在电磁理论中，把电磁场在大地中传播时，振幅衰减到初始值1/e时的深度，定义为穿透深度或趋肤深度（δ）[8]，即

由式（3）可知，趋肤深度(δ)随频率f的降低而增大。根据趋肤效应，大地电磁场的变化周期越长，电磁场能量在传播过程中损耗越小，因而穿透得越深。在实践中，不同周期的大地电磁场的变化，反映了不同深度范围内的电阻率信息，因此，通过观测不同频率的电磁信号，即可获得不同深度的电性信息，结合已知地质资料和地层情况，即可推断地下介质的电性分布特征。[1]

可控源音频大地电磁测深（CSAMT）法是电磁方法的一个分支，其主要特点是用人工控制的点电源或磁偶极子在地面上产生的电磁场作为场源进行大地电磁测深。采用人工场源可以克服MT法中天然场源信号微弱、信噪比低的缺点，但是波的非平面特性增加了处理资料时的复杂性。当发射距达到探测深度的3-5倍，高频时非平面波可以近似的看作平面波，而低频时会出现近场效应，因此必须做进场校正，校正后的数据可以看成是平面波产生的结果，然后再用MT法的分析方法进行数据分析。所以MT法的反演方法原则上都可以用于近场校正后的CSAMT法的反演，若不做近场校正，只能取远场的值，而忽略近场或过渡区的数据，显然会造成数据的浪费。

表1　工区主要岩性的电阻率

2　工区地质背景与地球物理特征

工作区在区域构造上，处于我国新华夏系第三沉降带——四川盆地西缘的龙门山隆起褶带的西南缘展布方向为北东35°～45°左右，区域历次重大变动均对其有重大影响。印支运动使之自成体系以来，新第三系末期的喜山运动使之活动十分剧烈，进一步使原复合冲断层再度强烈活动。现代地貌亦表明，构造上升剥蚀作用一直在不断进行。

勘查工作区主要构造有压性及扭压性断层F和向斜S，其构造特征简述如下：

（1）压性及扭压性断层F：该断层沿低序次低级别背斜轴部出露，走向北30—35°东，长约9km，断距很小，断面倾向北西，倾角44°，两盘岩层牵引明显，下盘岩层倒转，断层性质属压及压扭性。

（2）向斜S：长约30km，东缘被第四系覆盖出露不全，轴线呈缓“S”形，灌口一带约为北东20度，往南渐次西偏至北东45度，之后经大同至中兴场转往南偏。直至王尔坝附近南北向扬起。向斜核部出露为大片白垩系灌口组，仅南段出露少量第三系“大邑砾岩”，均为3°～5°倾角开展远布，于灌口东南，沿大邑—半边街一线以北，相当向斜南东翼核部灌口组内，发育一系列次级背、向斜褶皱，其轴线均依山麓与平原交接线呈舒缓弧形凸向南东。

本次物性调查工作采用基岩露头小四极法测定，测定参数为岩体的视电阻率。为了测试的准确性,AB/2和MN/2尽可能大且采用多组极距读数。实际测试时，AB/2一般取1.0m～15.0m，MN/2为0.3m～0.5m。

岩性露头的选择一般根据地质人员的调查来确定,也可根据在有疑惑的成果资料所在测线进行地质调查，寻找露头进而测定视电阻率参数。在野外测试中一般同一岩性选择2个或2个以上点进行测试，获得观测结果求取算术平均值作为最终物性参数。经过测定，工区主要岩性的电阻率参数如表1所示。

由表1可见工区各种岩性之间存在岩性差异，并且工区内背、向斜强烈发育，背、向斜、断裂带和较完整岩性之间存在着电性差异。因此工区具备开展大地电磁法的地球物理勘探前提条件。

3　实测工作量与数据可靠性分析

本次勘探工作共完成两条测线的数据采集，测线方向与地质调查中向斜构造的走向垂直，并且横跨该地质构造。其中测线1分别采用两种方法观测以对比二者的勘探效果，测线2只采用MT法进行观测。此外，为了保证数据质量，在测区做了一定量的质量数据检查，检查点占实际工作量的比例为5%，在检查点上不同时间使用同样参数进行两次重复观测，比较所得数据的一致性，以分析数据的可靠性。表2是测区某些检查点2次实测所得数据的视电阻率与相位的误差统计。从表2可以看出，检查点最大均方相对误差控制在4%以下，小于规范要求的5%，因此可以判定野外资料采集质量较好，数据可靠。

表2　检查点数据误差统计

图1　工区视电阻率曲线主要类型（a）HK型；（b）A型

4　资料处理及解释

本次物探解释软件采用EMSoft2D大地电磁二维处理和解释软件。

定量反演解释是在定性和半定量解释基础上进行的，任务是给出实测曲线所对应的地电断面参数，提出工区的地球物理模型。定量解释包括一维反演和二维反演两步。一维反演是二维反演的基础，它一般给出一个用于二维反演的初始模型，而二维反演结果，便是最终的地球物理模型。

本项目的研究思路为：在充分理解和掌握现有方法的基础上，逐一研究和试验一些新的反演方法，对工区内有代表性的几条测线进行试验，然后从中优选出最佳的方法或方法系列，最后采用优选的方法对全区的CSAMT和MT资料进行处理。

通过数据处理可知，工区视电阻率曲线类型整体上为KH、A等型（图）。曲线前支为第四系堆积物或风化破碎岩体的反映，中部段多呈平直或下凹状，为破碎岩体的电性反映，曲线尾支为较完整岩体的电性反映。

基于工作区实际地质情况、物性资料和二维反演剖面的整体电阻率剖面来确定划分地层、构造及低阻异常体的标准，根据不同岩体中的电性特征圈定低阻异常体范围。划分标准如下：

（1）局部破碎岩体：大地电磁测深曲线表现为局部相对下凹、缓平或相位曲线陡变，在视电阻率断面图上显示为团块状或片状低阻异常；

（2）构造破碎带：曲线上表现为横向突变、不连续，在视电阻率断面图上多表现为成条带状或串珠状低阻异常，等值线梯度变化最大处对应破碎带的边缘；

（3）岩性接触带：在曲线上表现为横向突变，在视电阻率断面图上表现为等值线梯度带两侧视电阻率值的明显差异或高、低阻团块状相间的过渡带。

图2，图3，图4分别为实测数据处理后得到的深度视电阻率等值线图。由视电阻率等值线图可以看出：该区总体上从浅到深表现为低阻、高阻结构，浅部低阻对应地层为第四系堆积物、强风化破碎岩体，深部高阻为完整岩体的反映，局部低阻为岩体内裂隙发育、局部破碎造成。

结合地质资料对各测线分析如下：

（1）测线1

测线剖面方位角为300°。同时采用CSAMT和MT两种方法进行探测。根据地质调查资料、物性测试成果和反演成果等值线形态划分该区的岩性界限。结合地质资料该区岩性主要有砂质泥岩、泥岩、砂岩、石英砂岩和砾岩等。

由图2和图3可见，该测线从纵向上看在深度140～350米以内视电阻率值一般为10～100Ω.m。为砂质泥岩层，其下伏泥岩夹石英砂岩厚度为470米，视电阻率值一般为10～40Ω.m。再其下为砂岩含砾砂岩层，其厚度为1300米，视电阻率值一般为40～250Ω. m，最后下伏砂岩、砾岩，其视电阻率值一般为100～500Ω.m。从横向上看，在同一水平面上表现为两边高中间低，电性层位向下凹的型态，物探推断其为向斜的视电阻率表现。且在里程1850米处有一向右下方向倾斜的低阻带其视电阻率为50～120Ω.m比同一层位的岩层视电阻率低了100Ω.m左右,深度可达2.5km,物探推断为向斜构造的核部所在。

（2）测线2

测线剖面方位角为300°。MT方法均进行了施测。根据地质调查资料、物性测试成果和反演成果等值线形态划分该区的岩性界限。结合地质资料该区岩性主要有砂质泥岩、泥岩、砂岩、石英砂岩和砾岩等。

由图4可见，该测线从纵向上看在深度180～480米以内视电阻率值一般为10～100Ω.m。为砂质泥岩层，其下伏泥岩夹石英砂岩厚度为340米，视电阻率值一般为40～120Ω.m。再其下为砂岩含砾砂岩层，其厚度为1400米，视电阻率值一般为30～200Ω.m，最底层为下伏砂岩、砾岩，其视电阻率值一般为80～400Ω.m。从横向上看，在同一水平面上表现为两边高中间低，电性层位向下凹的型态，且在里程在2000米处有一向右下方向倾斜的低阻带其视电阻率为30～60Ω.m比同一层位的岩层视电阻率低了140Ω.m左右。深度直达2.5km。物探推断为向斜构造核部所在。

图3　测线1可控源音频大地电磁（CSAMT）法电阻率反演断面

图4　测线2大地电磁（MT）法电阻率反演断面

5　应用效果分析

物探成果结合区域地质资料推断此向斜构造，其核部，岩体裂隙发育强烈，低阻破碎带较多，影响范围大，成为地下热水运移的良好通道。由于岩体有一定厚度砾岩存在，主要分布在J2、J3、K1地层中，有良好的储水、储热空间，另外向斜上部表现为压性，下部表现为张性，因此富水层位主要在深部地段。通过将两条测线反应的视电阻率剖面在垂直于测线的空间上进行投影，可以得到各电阻率异常区在工区内的分布情况以及向斜构造S的走向，结果表明向斜构造的走向大致与地质上的推断吻合。结合地质资料沿2000m异常埋深的平面位置布设3个验证孔供，孔深设计2100m。钻孔验证结果表明：MT法与CSAMT法推断的地质构造走向与岩层的分布情况与地质钻探显示的结果基本吻合，说以上两种方法在地热勘探中的有效性。

[1]花蕾.CSAMT与MT在寻找地热资源中的应用--以嘉荫地区为例 [D].吉林大学. 2012.12.

[2]柳建新，麻昌英，孙丽影等.可控源音频大地电磁测深法在地热勘探中的应用 [J].工程地球物理学报.2014.05.11(3):319-325.

[3]武斌，曹俊兴，邹俊等.音频大地电磁测深法在康定小热水地热勘查研究中应用[J],物探化探计算技术.2011.09.33(5):507-510.

[4]李茂,杜建农,余水泉.CSAMT法在松辽盆地四平地区铀矿勘查中的应用 [J].物探与化探.2006(04).

[5]黄兆辉,底青云,侯胜利.CSAMT的静态效应校正及应用 [J].地球物理学进展.2006 (04).

[6]尹曜田,魏文博,叶高峰,金胜,董浩.基于遗传算法的大地电磁阻抗张量分解方法研究[J].地球物理学报,2012,02:671-682.

[7]刘建利,申安斌,陈小龙.大地电磁测深方法在内蒙古西部银根-额济纳旗盆地石炭系-二叠系油气地质调查中的应用 [J].地质通报,2011,06:993-1000.

[8]雷宛,肖宏跃,邓一谦编.工程与环境物探教程 [M].地质出版社,2006.

[9]徐新学.大地电磁测深法在深部矿产资源调查中的应用 [J].物探与化探,2011,01: 17-19+23.

P318.6+3[文献码]B

1000-405X（2016）-7-213-3

陈全，男，工程师，研究方向为工程地质、水文地质以及环境地质。