CSAMT法在安丘市大汶河旅游开发区地热勘查中的应用

郭国强，邹安德

(山东省物化探勘查院，山东 济南 250013)



CSAMT法在安丘市大汶河旅游开发区地热勘查中的应用

郭国强，邹安德

(山东省物化探勘查院，山东 济南 250013)

在温泉附近，构造中岩石因破碎充水电阻率会明显降低，使含水构造和围岩之间产生明显的电性差异，如果含水构造同时具备一定的规模，即可利用CSAMT法圈出含水层的位置和埋深情况，可间接为寻找地下热水资源提供靶区。该文利用CSAMT法在潍坊安丘市大汶河旅游开发区进行地热(该次指温泉)资源勘查，在勘查区水文、地热地质条件基础上，根据现场实地探勘、并结合反演成果资料，查明了所选靶区断裂构造的具体位置、产状及地层结构。根据反演成果资料所设计的钻孔，在安丘市大汶河旅游开发区成功打出了第一眼温泉,井深1670m,出水量390t/d,连续抽水72h,水温达到53℃。该温泉水富含人体所必需的38种矿物质和化学营养元素，具有较高的开发利用价值。

CSAMT法；地热；安丘市大汶河

地热资源是指贮存在地球内部的可再生热能，目前，我国已查明温泉2000余处，地热井近6000眼，地热资源作为一种新型清洁能源，越来越受到人们关注[1-2]。勘查区位于安丘市大汶河旅游开发区，且位于沂沭断裂带内，沂沭断裂带主干断裂之一的安丘-莒县深大断裂就由附近穿过，因其深达上地幔而具有高温带特性[3]。安丘-莒县断裂的高温烘烤，对浅部水体具有循环加热作用。另外，安丘-莒县深大断裂的NW向次级断裂多为张性断裂，为地下水入渗和运移提供了良好的通道，由于勘查区位于安丘-莒县深大断裂附近，次级断裂内的水体得以循环加热，根据其地质特征和构造分析，具备形成地热的基本条件，地热成井条件有利。由于常规电法已证明在该区勘探深度较浅，500m以深分辨率较差，效率低，综合效果不佳，该次在勘查区采用了勘探深度大、工作效率高的CSAMT法进行勘探，最终根据CSAMT成果资料，成功找到了温泉井，取得了较好的效果。

1 地质及地球物理特征

1.1 地层、构造特征

勘查区位于华北板块(I级)、鲁西断隆(II级)沂沭断裂带(III级)的中南部，由于中生代以来构造运动显著，断裂及岩浆活动发育，地质条件较为复杂。周围出露地层主要有古生代奥陶系，中生代白垩纪莱阳群、青山群以及第四系。勘查区位于沂沭断裂带中东部，区内构造较为发育，主要构造形式表现为断裂构造，其次为褶皱构造，韧性剪切带主要发育在变质地层中或断裂带附近，盖层中发育较少。勘查区NW向构造极为发育，规模最大(图1)。

1—第四系；2—白垩系；3—奥陶系；4—旋回安粗岩；5—地层界 线；6—断层；7—CSAMT剖面；8—设计钻孔 图1 勘查区地质图(含工作布置)

1.2 地热地质条件

勘查区地热属于复合型地热，既有深大断裂导热增温，又有深部放射性元素蜕变导热增温。勘查区地质特征具备形成地热的4个基本条件：热储、盖层、热源、热流通道[4]。

(1)热储层条件：不同岩性的地层作为热传导介质，其导热保温程度差异性较大。不同岩石有不同的热导率，热导率越大，导热性质也越好，越有利于地热的上升运移[5]。在对勘查区地层和岩石热导率充分研究的基础上，把区内地层分为2大类：即热基底地层和热盖层地层。该地区热储层为热基底地层，热基底地层由奥陶系构成，主要岩性为碳酸盐岩，其岩石密度较大，质地坚硬，导热性好，极有利于地热的上升运移，作为地热的热储层是良好层位。巨厚的奥陶系岩溶裂隙发育，为地下热水提供了巨大的地下库容，为地下热水的形成和赋存提供了较好的热储[6-8]。

(2)热盖层条件：勘查区热盖层地层由白垩系及第四系组成，主要岩性为砂岩、泥岩、碎屑岩、砾岩、及粘土组成。岩石密度较小，质地较软，导热性能亦较差，不利于地热的上升运移，是地热的不良导体，可作为地热的保温盖层。

(3)热源、热流通道条件：深部地幔物质上涌为地热资源的形成提供了热源条件。深大断裂带作为热流通道控制了岩浆的侵入和喷发，特别是对基性、超基性岩及深源捕虏体的控制，反映了它深切地壳直达上地幔。由于埋藏较浅的上地幔软流圈的“烘烤”作用，深部地幔物质上涌，可使地壳中来自下部的传导热流份量增大，从而导致断裂带高地温的出现，为地热资源的形成提供了热源条件[9-10]。

1.3 地球物理特征

岩(矿)石的电阻率与地质环境密切相关，自然环境下某种岩石的电阻率并非某一特定值，不同环境下岩石孔隙度、湿量、温度、深度压力及矿物结构等因素决定电阻率值的大小[11]。

各类岩矿石电阻率的差异，为利用电磁法在该区圈定断裂、划分岩性界线奠定了基础，分析区内地质、岩矿石导电率参数及地球物理场特征，结合该次实测资料及以往同岩性电性特征可得出如下结论：

区内分布的第四纪粘土、泥岩等平均电阻率一般在5～300Ω·m之间。白垩纪砂岩、砾岩、粉砂岩、角砾岩、安山岩等地层，平均电阻率一般在40～800Ω·m之间，如这类岩石破碎充水会使其电阻率低至40Ω·m以下，当含砾岩、角砾岩时视电阻率相对较高，一般可达1000～1200Ω·m。另外，奥陶纪灰岩、豹皮灰岩以及所夹的白云质灰岩其电阻率在该勘查区最高，一般为250～2000Ω·m(表1)。

表1 工作区地层岩性及视电阻率统计

在地热资源的勘查中，因含水构造电阻率的降低，使其与围岩相比产生明显的电性差异，这为电法勘探(该次CSAMT法)提供了良好的地球物理前提[12]。

2 CSAMT法原理及仪器性能

CSAMT法是利用接地水平电偶源为信号源的一种频率域电磁测深法，可以通过改变发射频率来改变探测深度。CSAMT法观测区域布置在以发射偶极A、B形成的60°角的一个梯形面积内[13-18](图2)。该次地热勘查所用仪器为加拿大凤凰公司生产的V8多功能电法工作站，该仪器性能稳定，噪音低，对保证观测质量，提高勘探精度，提供了设备上的保证。野外采集数据可实时显示振幅曲线和相位曲线，野外各站点随时随地开机即可采集，时间重叠做同步数据相关处理。电脑化操作野外施工极为方便，其先进精确的GPS技术和无线网络技术的结合使V8电法工作站即使在复杂的山区施工也变的快速简捷，野外施工无需对钟，极大地提高了生产效率。

图2 CSAMT法观测工作示意图

3 CSAMT工作技术方法

3.1 参数选择对比试验

CSAMT法勘探因采用人工场源，所以在采集数据时需协调收发距R的远近。若收发距R太小会使观测区过早进入近场区；若R距离太大会使信噪比太低，难以保证观测精度。该次选择2种收发距R进行对比试验(图3)，当收发距为6.0km时，电阻率曲线圆滑度相对稍差，说明信噪比较低，过渡及近区场特征反映明显，在256Hz附近过早进入过渡场区；收发距为8.0km时，数据稳定、单点测深曲线圆滑，说明信噪比较高，在128Hz附近进入过渡场区，进入过度场较收发距为6.0km时晚。根据试验结果，确定适合该区噪声地段即保证满足探测深度要求，又满足高信噪比的最佳收发距R确定为8.0km。

图3 不同收发距单点测深对比曲线

发射电源偶极AB距主要考虑要满足偶极子的条件，因为AB距大时低频(深部地质体)特性好，AB距小时高频(浅部地质体)特性好。对于接收偶极MN距来说，MN距选择过大其分辨率会降低，但测量到的电位差值大，易于观测，MN距选择过小，其分辨率会提高，但测到的电位差值会相对变小，不能保证观测质量。该次选择2种发射AB距、MN距进行对比试验。

试验显示，发射偶极AB距为1.2km及2.0km时，数据都相对稳定，单点测深曲线都较为圆滑，在700～0.833Hz之间，两者数据比较接近，因此，在一定范围内，AB距适当变化，曲线整体形态变化不大(图4)。该次工作选择AB距为1.2km，当AB固定时，随着接收偶极MN的改变，测量曲线变化较明显，当MN极距为40m时，数据较稳定，单点测深曲线相对圆滑无畸变点,说明信噪比较高，当MN极距为20m时，单点测深曲线有明显的畸变点，说明信噪比相对较低(图5)。根据试验结果，确定适宜于勘查区地段的极距AB=1.2km，MN=40m。

图4 不同AB极距单点测深对比曲线

图5 不同MN极距的单点测深对比曲线

3.2 工作布置

该次工作布设CSAMT剖面3条，为南北向等距平行布设，测线北端为奥陶系出露区，南端为白垩系覆盖区，目的区域位于NE向断裂F1与NW向断裂F5的交会部位(图1)，主要目的是验证已有断裂F5空间展布特征及其富水性。野外施工具体参数为：发射电流12A，发射频率9600～0.125Hz，收发距R=8.0km，发射偶极AB=1.2km,接收点距MN=40m。该参数探测深度可达2000m以上。

3.3 数据处理

通过对CSAMT野外原始数据进行编辑处理后，剔除了各种干扰频点，经过专用软件WinGLink数据处理反演，频率与电阻率对应关系转换为深度与电阻率的对应关系，据此绘制了各剖面的反演电阻率断面等值线图，并予以解释。

4 资料解译及应用效果

4.1 资料解译

图6中100线、200线、300线3条剖面线位于尚庄水库的南侧，方位0°，平行布设，控制长度都为1200m。

1—推断断层；2—地层界线；3—设计钻孔；4—电阻率等值线及数值 图6 CSAMT法电阻率等值线断面图

(1)地层解释：从图6中可以看出，3条剖面电阻率特征基本一致，在纵向整体上主要分为上中下3种电性地层，各剖面线在点位0～1000点浅部电性特征显示为新生代组成的低阻地层；中部电性特征显示为中生代白垩系；底部电性特征显示为古生代基底奥陶系。1000～1200点地表都有奥陶纪马家沟群灰岩出露。该3条剖面奥陶系顶界面分界线最深处在南端标高-1900m左右，北端奥陶系部分出露地表。其奥陶系顶界面分界线电阻率值一般在250Ω·m左右，如图6中虚线所示。

(2)构造解释：从各断面的横向电性特征分析，该3条剖面线在1000点附近都有一明显的电性界面，该界面北侧为高电阻，南侧为低电阻，两电性层之间具有明显的高低阻梯级带[19]，具备断层的典型特征，推断为F5断层，地表位于该剖面的1100点附近，断层S倾，倾角60°～75°，上陡下缓,该断层切割深度大，影响范围宽，断距反映明显，断层两侧的电性差异较大，推断断层两侧的地层岩性不同，有利于地下水的运移和富集。另外根据断层的电性特征，推断该3条剖面线另一断层为F6，该断层切割较浅，S倾，倾角75°左右。

(3)富水性解释：通过该次CSAMT成果资料，在工作区内切取了2张不同深度的电阻率平面切片图，分别为标高-1500m、-2000m。从图7中可知，北部奥陶纪灰岩出露，电阻率值较大；南部白垩系覆盖，电阻率值较小。断裂F5S倾，切割深度较大，其上盘控制的低阻区域电阻率越低富水性越好，并且随着电阻率的降低，水的温度会越高。结合图6断面图、图7平面图，设计钻孔ZK1，ZK2位置布置在断裂F5上盘电阻率值较低处，该处奥陶纪灰岩岩石比较破碎，裂隙比较发育，温度相对较高，富水条件相对有利。由于断裂F6切割较浅，规模较小，不再考虑在其所控制的区域设计温泉钻孔。

1—断层；2—电阻率等值线及数值；3—测线及编号；4—见温泉 钻孔；5—未施工钻孔 图7 CSAMT电阻率等值线平面图

4.2 应用效果

该次CSAMT法地热勘查根据成果资料最初设计了2个钻孔，分别位于100线600点(ZK1孔)、300线820点(ZK2孔)，后经现场勘查并结合工作条件、勘探成本以及专家讨论综合论证，最后确定首先在勘查区300线820点CSAMT圈出的低阻含水构造带上施以ZK2孔钻探验证，该孔设计孔深1800m，直孔。该孔位于NE向断层F1与NW向断层的F5的交会部位附近，和以往多数地热井成功案例相同。最终成井井深1670m,出水量390t/d，连续抽水72h,水温53℃。该井为安丘大汶河旅游开发区成功打出的第一眼温泉井。

5 结论

通过CSAMT法进行地热勘查，结合CSAMT资料解译及温泉井的综合分析取得如下认识：

(1)不同地区不同地质条件，需要的CSAMT施工参数是不一样的，在新的工作区施工前一般要进行施工参数的选择试验。

(2)CSAMT法在安丘地热勘查中显示了良好的勘查效果，成功找到一眼温泉，由于其勘探深度大，频谱丰富，分辨率高，受地形影响小，高阻层穿透能力强、工作效率高、抗干扰能力强的优点[20-21]，CSAMT法地热找水中可以查明区内断裂构造的分布、产状，地层特征，圈定地热低阻异常靶区等，具有较好的适用性,是有效可行的，对以后在类似地区进行地热勘探起到了示范作用。

(3)CSAMT法不是深部勘探的万能方法，在该次有奥陶纪灰岩出露的高阻区域勘探深度能达到2000m左右，而由于该方法受低阻屏蔽影响较大，使其在低阻体覆盖较厚的地区勘探深度大大降低，使用该方法做地热勘探时需要根据实际情况慎重考虑。

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Application of CSAMT Method in Geothermal Explorationin Dawenhe River Tourism Development Zone in Anqiu City

GUO Guoqiang,ZOU Ande

(Shandong Geophysical and Geochemical Exploration Institute, Shandong Jinan 250013, China)

Rock structures will significantly reduce the charge rate due to broken water resistance near geothermal springs. Thus, obvious electric differences between water and rock structure will happen. If water structures at the same time have a certain scale, the location and the depth of aquifer can be circled by using CSAMT method. It will provide target areas for searching underground water resources indirectly. Geothermal exploration(refers to the hot springs) has been carried out in Dawenhe River Tourism Development Zone in Anqiu city in Weifang by using CSAMT method. Based on hydrology, geothermal geological conditions, according to the on-site mining, and combining with data inversion results, the specific location, the occurrence and the formation of borehole structure of the selected target faults have been identified. According to the data of the inversion results, a drilling pole has been designed, and the first hot spring in Dawenhe River Tourism Development Zone in Anqiu city has been digged successfully. The depth of the hot well is 1670m, and the capacity is 390t/d. After 72 hours continuous pumping, the water temperature is up to 53℃. The spring water is rich in 38 kinds of minerals and chemical nutrients which are necessary for human body.

CSAMT; geothermal; Dawenhe river in Anqiu city

2017-02-14；

2017-04-14；编辑：王敏

郭国强(1980—)，男，山东金乡人，工程师，主要从事物探新技术新方法的应用与研究工作；E-mail：gsr211@163.com

P631.4

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郭国强，邹安德.CSAMT法在安丘市大汶河旅游开发区地热勘查中的应用[J].山东国土资源，2017,33(8)：40-45. GUO Guoqiang,ZOU Ande. Application of CSAMT Method in Geothermal Explorationin Dawenhe River Tourism Development Zone in Anqiu City[J].Shandong Land and Resources, 2017,33(8)：40-45.