CSAMT方法在北京西集地区地热资源勘查中的适用性探讨

孙振添, 石涵静

(北京市地热研究院,北京 100143)

CSAMT方法在北京西集地区地热资源勘查中的适用性探讨

孙振添, 石涵静

(北京市地热研究院,北京 100143)

简要介绍了CSAMT方法在北京市西集地区地热资源勘查中的应用，并对其结果进行分析。结果显示，CSAMT方法推断的夏垫断裂位置与前人资料所提供的位置向东偏移了约800 m，且推断的地层情况与实钻结果相差较大。鉴于以上原因，对CSAMT方法在该地区地热资源勘查中的适用性进行了探讨，初步认为可能是由于该地区内第三系地层较厚，且电阻率较低等原因，使得CSAMT测量过程中电流无法穿透该地层，进而造成对地层和断裂的划分出现较大的差异。同时，建议在该地区开展MT 或AMT方法的试验，以达到综合分析该地区周边地质构造的目的。

CSAMT方法； 地热资源勘查； 夏垫断裂； 适用性

0 前言

北京地下蕴藏有丰富的地热资源，地热勘探已有几十年的历史[1]。截止目前，利用CSAMT法及其他常规的物探手段，在北京地区已经成功地为多个地热田的开发进行了前期论证工作[2]，并取得了较好的效果。但是随着地热资源开发的深度越来越大，深部地热资源的开发成为了北京地热资源勘探开发利用的主流方向[3-4]。从北京市地下热水资源来看，一般都埋藏在2 000 m以下蓟县系雾迷山组地层中[5]，针对这种深层地下热水探测，找寻一种深层地球物理勘测方法已成为人们研究的热点。

CSAMT 方法是一种利用人工场源进行频率域深部勘探的地球物理方法，具有工作效率高，探测深度大，抗干扰性能强等特点[6-7]，是强干扰区深层地热探查的首选方法。笔者依托北京市西集地区地热勘查示范工程项目，通过地热前期CSAMT勘查工作，推断了勘查区内基岩基底起伏及断裂构造的空间展布情况，并在此基础上确定了相应的勘探井位。但对比前人资料发现，本次CSAMT方法推断的夏垫断裂[8]位置与前人结果相距较远，且在钻探过程中实际钻遇的地层与CSAMT方法推断的地层埋深相差较大。

据此，笔者对CSAMT方法在该地区地热资源勘查中的适用性进行了探讨，并给出了相应解释及建议。

1 区域地质概况

勘查区大地构造位置处于华北断拗(Ⅱ级构造单元)内冀中坳陷内的大厂新断陷(Ⅲ级构造单元)和大兴迭隆起(Ⅲ级构造单元)两个构造单元交汇处的中部[9](图1)，其所处Ⅳ级构造单元为觅子店新凹陷和牛堡屯-大孙各庄迭凹陷。

图1 构造示意图Fig.1 Structure schematic diagram

勘查区内主要断裂构造为北东向的夏垫断裂，该断裂走向NNE，倾向ES，倾角大于65°，是控制区内地层分布的断裂。多种资料显示，该断裂至今仍为活动性大断裂，是区域内主要的导热、导水通道，故查明该断裂发育特征显得尤为重要。

区内沉积地层由新到老发育了第四系、新近系、古近系、寒武-奥陶系、青白口系和蓟县系。由于夏垫断裂的存在，导致其两侧的地层分布差异较大，使得区内断裂带两侧地热资源储盖层组合差异大。断裂北西盘地层分布有第四系，古近系底板埋深约700 m左右，古近系之下分别有寒武系、青白口系和蓟县系。断裂南东盘地层下沉，古近系厚度大，古近系底板埋深超过2 500 m，最深达4 000 m，古近系之下钻孔能够揭示的地层为寒武系，按正常沉积层序考虑下部有青白口系、蓟县系等。

本次工作的主要目的：①探测地热储层，即蓟县系雾迷山组白云岩地层的埋深；②探寻夏垫断裂的具体位置。

2 地球物理特征

根据北京市地质矿产局物探队上世纪80-90年代在北京市平原区南部开展的区域物探工作成果，查明勘查区各岩层的电阻率有所差异，结果见表1。第四系表层松散沉积物平均电阻率为一般小于100 Ω·m；新近系和古近系的泥岩、粉砂岩和砾岩层电阻率一般为9.1 Ω·m～13.9 Ω·m；下古生界奥陶系灰岩的电阻率较高，一般为800 Ω·m ～1 500 Ω·m；寒武系地层的电阻率为254 Ω·m～608 Ω·m；上元古界青白口系地层中的砂页岩夹碳酸盐岩的电阻率一般为136 Ω·m～248 Ω·m；中元古界蓟县系地层中的碳酸盐岩夹页岩电阻率一般为540 Ω·m～1 000 Ω·m；长城系的白云岩、泥灰岩和页岩等的电阻率也在600 Ω·m以上。可以看出，不同岩层的电阻率差异明显，可分为高阻、中阻、低阻三种类型。高阻地层有奥陶系、蓟县系、长城系、太古界片麻岩及侵入岩等；中阻地层有寒武系和青白口系；低阻地层有第四系、新近系、古近系。

综合以上物性特征，可以看出：

1)第四系、新近系、古近系与高、中阻基岩之间有明显的电性差异，另外，本区不存在低阻基岩，这是探测基岩埋深的有利条件。

2)针对基岩电阻率，高、中、低阻间各地层一般均有一定的电性差异，这是划分不同地层的有利条件，但高、中、低各组内地层因电性差异不明显，从而在电性上不易区分。需要结合波速数据或其它物探资料界定。总之，勘查区具备了开展可控源音频大地电磁测深的地球物理前提条件。

表1 北京地区岩石物性特征

3 数据采集及反演解释

3.1 工作布置及数据采集

野外数据采集按图2所示测线位置进行，由于部分地段因实际地形、地理条件的限制无法通过，根据勘查目的的要求，在合理范围内进行了调整。

本次工作使用美国ZONGE公司生产的GDP-32Ⅱ多功能电法仪进行标量测量。工作中用了4处场源，供电电极距AB约为1 km，方位角分别为134°及129°，收发距r为7 500 m～8 000 m，测量点距为50 m，数据采集频点范围为0.125 Hz～8 192 Hz，有效探测深度约为3 000 m。

图2 CSAMT工作布置图Fig.2 Layout of CSAMT work

3.2 数据处理及反演方法

有铁路、公路和高压输电线经过，干扰较为严重。通过数据处理剔除压制或校正CSAMT数据中的各种噪声的影响，处理方法包括：数据编辑、静位移校正、地形校正及过渡区校正等。

预处理后的数据结合收集到的本区地质等资料，对卡尼亚电阻率和阻抗相位异常的性质、规模及起因进行定性分析判定[10-12]。再通过建立反演初始模型运用一维、二维反演的方法求取电性体的物性参数和几何参数(埋深、形态及产状)。结合本区地质结构特征，将电测解释成果转变成推断的地质目标体，最终确定地质目标体的性质、形态及产状等。

3.3 反演结果及推断解释

由图3可以看出，纵向上，反演电阻率曲线总体呈HA型分布。浅部400 m～500 m厚度以内，电阻率等值线存在多处低阻圈闭，局部存在高阻圈闭，是地层岩性不均一的表现，推断为第四系。第四系之下视电阻率值略低，纵向梯度变小，应是新近系、古近系的反映。新近系、古近系之下存在厚度800 m～900 m左右的中低阻层，视电阻率纵向梯度变化更小，结合地质资料，推断是奥陶系、寒武系地层，其中较低的电阻率可能是与岩溶破碎、富水有关。奥陶系、寒武系之下视电阻率值逐渐升高，但垂向分层界面不明显，依据该地区正常地层层序及通热-18井[13]地层资料，推断为青白口系，并依此推断蓟县系顶板埋深在1 600 m～2 600 m之间。横向上看，浅部在246号点，深部在270号点区间，视电阻率等值线出现较大扭曲，水平方向梯度较大，说明其两侧地层不同，推断为夏垫断裂，与前人资料相比，本次推断的位置向东移动了800 m。

图4与图3相似，在纵向上，均反映出了第四系、新近系、古近系、奥陶-寒武系、青白口系和蓟县系地层。横向上，浅部在322号点，深部在346号点区间，视电阻率等值线陡降，横向变化较大，在剖面右部中低阻层厚度加大，其形态特征与K1剖面246号～270号点区间相似，同样为夏垫断裂的反映。

综合分析本次CSAMT测深成果，勘查区地层自上而下发育有第四系、新近系、古近系、奥陶系、寒武系、青白口系和蓟县系，其中第四系厚度范围在400 m～500 m之间，新近系、古近系厚度范围在200 m～1 200 m，奥陶系-寒武系厚度范围在800 m～900 m，青白口系厚度范围在200 m～300m之间，蓟县系3 500 m深度以内厚度范围在900 m～1 800 m之间。

勘查区主要控热构造为夏垫断裂，CSAMT测深成果显示，断裂穿过K1剖面的246号点和K2剖面的322号点，相比以往1∶10 000比例尺的基岩地质图[14]和1∶10 000比例尺的区域重力资料[15]，本次推断断裂向东移位150 m～800 m。断裂走向近北东，倾向南东，以蓟县系顶板埋深推测，断裂断距约1 000 m。。

此外，在K1、K2剖面的右侧，深部等值线均显示自左至右的抬起，显示了深部基岩地层埋深的逐渐变浅，这与前人重力资料的负异常[15]相反，究其原因，值得我们深思。

4 实钻结果对比分析

结合本次CSAMT勘查成果，在夏垫断裂的下降盘，即通热-18井[13]东南约972 m处(可控源K2线402号点)确定了一眼地热井，并参考邻近已知井的地层界定数据，为该井设计了井孔结构图(图5)。该井设计深度3 500 m，设计出水量为600 m3/d ～800 m3/d，出水温度为60℃。其中，第四系厚度为400 m，新近系、古近系厚度为1 050 m，奥陶系厚约400 m，寒武系厚度约450 m，青白口系厚约250 m，蓟县系在3 500 m以内未穿透。

在实钻过程中，该井实钻井深为3 588.88 m，第四系厚度为420 m，第三系底板埋深为2 817 m，寒武系厚度为363 m，蓟县系雾迷山组408 m未揭穿。据此可知，该井实钻地层与设计地层差异较大，尤其是基岩顶面埋深，与设计地层相差1 367 m，误差达94%。结合后期收集到的地震资料[16]，推断在通热-18井[13]与拟钻井之间存在一个断距较大的断裂，但在CSAMT结果中并没有显示出该断裂的存在。

针对CSAMT方法在该地区失效的原因进行了分析，我们认为主要可能是由于该地区第三系地层较厚，且地层内泥岩、砂岩、粉砂岩和砾岩等电阻率较低，使得CSAMT测量过程中电流无法穿透该地层，进而造成对地层和断裂的划分出现较大的差异。

5 结论

工作区新生界地层较厚，对电法信号衰减作用明显，CSAMT法探测深度受到一定限制，垂向分层不明显，考虑到项目探测深度及准确性的要求，在后续工作中可以尝试用AMT或MT方法开展工作，但野外施工过程中应注意周围人工电磁场及周边环境的影响，保证测量的一致性和稳定性。

图5 拟钻井井孔结构图Fig.5 Structure map of proposed drilling hole

同时，建议进一步收集该区的地震资料，如果条件允许的情况下，可考虑使用人工地震方法，以达到综合分析该地区周边地质构造的目的。

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第39卷 第2期2017年3月物探化探计算技术COMPUTING TECHNIQUES FOR GEOPHYSICAL AND GEOCHEMICAL EXPLORATIONVol.39 No.2Mar. 2017

Discussion on applicability of the CSAMT method in the exploration of geothermal resources in Xiji area in Beijing

SUN Zhentian, SHI Hanjing

(Beijing Geotherm Research Institute,Beijing 100143， China)

This paper briefly introduced the application of CSAMT method in the exploration of geothermal resources in Xiji area in Beijing, and analyzed the results. The results show that the position of Xiadian Fault which inferred by CSAMT method is diverged 800 meters from the previous data, and the inferred stratum have a large difference with the real drilling result. In view of these reasons, this paper discussed the applicability of the CSAMT method in the exploration of geothermal resources in this area, and preliminary thought it may be due to the thick tertiary stratum, where exist a large number of low resistivity rocks. This caused the electric current not to penetrate this stratum, and then caused big deviation of stratum and fault in the process of inferences.

CSAMT method; geothermal resources exploration; Xiadian fault; applicability

2016-03-03 改回日期：2016-03-23

孙振添(1988-),男，硕士，工程师，主要从事水文地热及地球物理勘探研究工作， E-mail：szt06106116@126.com。

1001-1749(2017)02-0195-09

P 631.3

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.02.07