应用CSAMT于西宁盆地拉脊山前地热资源勘查

陈海波，李立亮，刘九龙

（天津地热勘查开发设计院，天津 300250）

西宁盆地是印支末期构造运动形成的断陷盆地。工区位于西宁承压自流水盆地的南部，中、新生代碎屑岩沉积颗粒具有由粗到细的韵律性质变化规律，开采层位主要埋藏在地下850m以下的下白垩—上侏罗统碎屑岩孔隙裂隙中，为承压水。因此判断本区有地热存在的可能性，可进行进一步勘查论证。通过可控源音频大地电磁测深对地质条件，特别是对构造条件进行解译，推断地质构造，判断是否具有地热资源形成的条件[1]。

1 区域地质构造及地球物理特征

1.1 构造

工区位于西宁盆地南侧的拉脊山北麓河谷平原地带，区域构造行迹主要为北西向、北西西向褶皱、压性断裂，其次为南北向（近南北向）、北东向褶皱和张性断裂。西宁盆地是印支末期构造运动的断陷盆地。南北边界受拉脊山北麓和达板山南麓北西向和北西西方向展布的深大断裂的控制[1]。东西边界受红崖子沟、坡家营至千户营南北向断裂及坡家营至五十乡西北缘断裂的控制。盆地基底由元古界及下古生界地层组成。盆地中沉积着厚达千米至三千余米的中、新生界碎屑岩地层，组成了盆地的盖层。区内大部分地区被第四系和第三系地层复盖，盆地中的断层多为隐伏断层，仅在盆地周边山区有所出露。

1.2 地层

工区内出露的主要地层自老至新主要有震旦系、寒武系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系等。本区的热储层岩性为白垩系、侏罗系砂岩、砂砾岩、泥质砂岩、砂质泥岩及泥岩等。

1.3 水文地质

本次主要是寻找碎屑岩类裂隙孔隙承压水，西宁盆地内沉积着千米至三千余米厚的中生界侏罗系、白垩系、新生界上、下第三系泥岩、砂岩、砂砾岩等碎屑岩地层。地层岩相的水平变化由盆地边缘到盆地中心岩性颗粒由粗变细，在垂向上有粗细的相变和迭置，这些粗颗粒的砂岩、砂砾岩以及它们的褶皱断裂构造裂隙为裂隙孔隙水的储存提供了空间条件，构成了承压自流盆地。

1.4 地球物理条件

地层、岩石物性是物探解释的依据和基础，根据以往西宁盆地大量物探资料统计结果对盆地物性层划分如下：

（1）第四系表层风化黄土、砂砾卵石、砾卵石层，电性变化很大，且电阻率较高，在75～412Ω·m之间，其含水时，电阻率较低。

（2）新近系岩性较单一，以泥岩、粉砂岩为主，电阻率最低，是区内良好的热储盖层。

（3）古近系、白垩系及侏罗系均表现为具类似的两个电性层结构。其中，泥岩、泥质粉砂岩电阻率较低，在10～15Ω·m之间；另一个次低阻电性层，由泥灰岩、砂岩、砂砾岩、砾岩组成，电阻率在45～55Ω·m之间，与泥岩互层组成大套低阻层，当含高矿化度热水时，电阻率更低，在0到几Ω·m间，是划分热储层的标志。

（4）三叠系及其以下地层，包括变质岩及岩体，为区内基底高阻电性层，电阻率 110～600 Ω·m[3]。

由岩石电性统计结果可见，区内老基底埋深及地下热储层的分布具有较好的物性条件，不同时期岩石间存在一定的电阻率差异，为在本区采用电磁法勘探提供了一定的地球物理前提。

2 勘探方法

2.1 方法原理及仪器设备

本次野外工作使用美国Zonge公司生产的GDP-32II多功能电法仪。该仪器系统在国内已有几十家单位使用，其性能已得到普遍认可。在本项目中使用这种仪器系统采集野外数据，为数据质量提供了保障。该仪器有八个接收通道，能够完成时域激发极化（TDIP）、频域激发极化（RPIP）、复电阻率法（CR）、瞬变电磁法（TEM）、可控源音频大地电磁测深法（CSAMT）测量，其性能指标为工作频率0.125 Hz～8192 Hz，工作温度-20℃～60℃，工作湿度 5%～100%，时钟稳定度＜5×10～10/24 h，输入阻抗10MΩ/DC，动态范围190 dB，最小检测信号电0.03μv、相位±0.1 mard（毫弧度），最大输入信号电压±32V，自动补偿电压±2.25V（自动），增益增益 1/8-65536（自动）[2]。

图1 CSAMT测量野外装置示意图

2.2 野外测线布设及实物工作量

工区范围内地处第四系覆盖，根据西宁盆地构造特征本次工作的可控源测量测线以北西向为轴线，L1、L2、L3、L4测线在北大超低频电磁方法测线的基础进行适当偏移，达到两种方法的相互验证。L5、L6测线为了确定地热异常区边界和盆地边缘分布情况。实测点位见图2。

结合盆地地质发育情况选择可控源音频大地电磁测深作为本次主要勘探方法，可控源音频大地电磁测深是上世纪90年代以来延续至今的先进方法，利用人工场源探测地下3000m以内地热地质构造的电磁法，其工作频率为0.125 Hz～8192 Hz。物探的布线原则是测线近似垂直构造走向，本次物探工作采用剖面测量方式，结合现场实际情况，共布设7条剖面。测量点距为40m，测点数255个，测线长度10.2 km。野外测量全部使用高精度GPS定位。本次发射机的最低工作频率为0.125 Hz。鉴于避免产生静态效应，影响数据质量，因而收发距R至少应不小于5000m。本次的L1、L2线采用一个发射点，L1收发距为8700m、L2收发距为 7100m；L3为 7870m；L4-1、L4-2为一个发射点收发距为8100m，L5为7630m，L6为6550m。

2.3 结果分析

（1）L1线电性特征

图2 CSAMT测点分布基岩图

电性解释：如图3，从纵向上看二维反演图，可将剖面分为三个电性层，且电阻率等值线整体呈左低右高的态势。从地表至约200 m深度为第一电性层，电阻率高低分布不均，局部存在小的高阻或低阻圈闭；从200m深向下至600～1200m深可分为第二电性层，等值线呈两边高中间低的形式，电阻率值整体相对较低，范围大致在200Ω·m以下，中部存在一个较大的低阻圈闭；再向下为第三电性层，整体电阻率值较高，范围大致在200～1000Ω·m。

（2）L2线电性特征

电性解释：如图3，从纵向上看二维反演图，可将剖面分为三个电性层，且电阻率等值线整体呈左低右高的态势。从地表至约200 m深度为第一电性层，电阻率高低分布不均，局部存在小的高阻或低阻圈闭；从200m深向下至1200m深为第二电性层，电阻率值整体相对较低，范围大致在500～1000Ω·m，而左侧存在一个高阻异常，可能与电性干扰有关；1200m深向下为第三电性层，整体电阻率值较高，范围大于1000Ω·m，且等值线横向连续性较好。

图3 西宁盆地CSAMT测线综合图（L1、L2线）

（3）L1和L2地质解释

从反演图上曲线形态可以看出，L1曲线形态0-34号测点呈现出盆地形态，盆地内电阻率等值线出现梯度变化，推测可能是断裂F1所致，倾角在60°左右，断距100 m左右，Q+E+K埋深在850～1100m左右，下伏J地层电阻率等值线呈现层状，等值线向大号点呈现上升状态，地层埋深随的大号点逐渐变浅，J下伏T，电阻率较上覆地层大，T沉积较稳定。L2曲线形态呈现从小号点向大号点上升，大号点较小号点地层埋深浅，浅部1000m以内电阻率等值线出现右半圆形，推测断裂所致，倾角在55°左右，断距50m左右，Q+E+K埋深在800～1050m左右，随深度加深，下伏J地层大号点较小号点地层埋深差别不大，充分体验盆地地质构造特征。

3 地热地质条件综合分析

3.1 测区地热地质概况

工区位于总寨—大堡子凹陷区（Ⅲ），该区位于西宁地热区的西南一带，从整个亚区看，凹陷中心为总寨西一带，沉积厚度约3200m，热储顶板埋深700～1000m，热储厚度2200～2500m，岩性为白垩系、侏罗系砂岩、砂砾岩、泥质砂岩、砂质泥岩及泥岩等，平均砂岩厚约600 m左右，砂厚比值为24.52%，按地热梯度4.43℃/100m推算热储温度区间值31~142℃[4]。

3.2 综合解释及勘探孔位置的确定

通过本次野外调查和物探工作，结合区域地质资料。物探CSAMT勘查3条断裂均为新发现断裂，本次发现断裂位于祁吕贺兰山字型构造体系的一系列次级断裂。建议勘探井布置在断裂较脆的一盘，以增加水量，从该区所处地貌部位看，热储的补给条件较好，富水性应属中等，水质亦相对较好，因此在该区的河谷地段打2000m左右的深井，可能会取到理想的水量，较好水质的中低温地下热水[1]。

图4 西宁盆地地热物探勘查综合解释平面成果图

考虑到工区位置是盆地中的总寨凹陷，打井深度可能有所加深，建议勘探井位于凹陷中隆起位置，以降低勘探深度，降低施工成本。综合分析确定勘探孔位于L1测线13号点WGS84：36°32′31.90″；101°40′3.84″，孔深 2000m，遇到断裂破碎带终孔。

4 结论

赋存热水破碎带的电性表现为低阻，围岩则表现为相对高阻，根据地下高阻介质中低阻层的存在可有效推断断裂及热储层的位置[4]。

CSAMT法对于寻找低阻体赋存部位、划分深部地质构造具有明显的优势,充分发挥这些优势以勘查地下水资源状态及生储地热的有利部位,不失为勘查地下水资源乃至地热资源的一种理想手段[5]。

根据CSAMT法成果资料部署了地热钻井，地热井正在钻进中，据最新钻孔资料显示，钻孔所揭露层位与CSAMT法解释资料相符，目前已钻探至古近系湖泊相的细砂岩、泥质砂岩、砂质泥岩、泥岩、石膏岩细粒沉积物。通过CSAMT法勘探,基本查清了盆地构造和地层分布特征，为钻探工程的部署提供了第一手资料[5]。

[1]天津地热勘查开发设计院，青海省西宁盆地拉脊山前地热资源调查评价可控源音频大地电磁测深成果报告[R].2013.

[2]陈乐寿.王光锷.大地电磁测深法[M].北京：地质出版社，1990：10-41.

[3]汤井田，何继善.可控源音频大地电磁法及其应用[M].长沙：中南工业大学出版社，2005．

[4]丁雷.地热资源勘探方法技术的应用与展望[J].吉林地质，2005，（3）

[5]王遂政.我国深层地热资源勘探的基本现状及对策[J].河北建筑科技学院学报，2002，（3）.