氡气测量与CSAMT测量在张北地热勘查中的应用

韩冀春，杨殿宝

（河北省地球物理勘查院，河北廊坊065000）

地热资源作为新兴的清洁能源，具有高回报、长期受益、符合低碳经济的发展战略等优势。张北地区地热资源为基岩热储型，影响因素认为主要包括地质构造、岩石导热性、盖层及水文地质条件等。地质构造是储热空间及循环通道是形成地热资源的首要条件。区内相关工作程度较低，对一些深大断裂以外的次生构造了解程度较差。

测区覆盖相对松散，适合氡气测量工作，该方法操作简单、装备轻便、效率直观；CSAMT测量则具有勘探深度大、分辨率高的特点，能较准确地反映地质体产状特征。先进行氡气测量工作，对区内隐伏断裂构造分布初步了解，在此基础上布设CSAMT剖面，做到有的放矢，提高工作效率。

1 调查区地质概况

调查区位于张北县境内尚未进行过系统的地热资源调查评价工作，潜在资源优势尚未得到发挥。通过对区域已有资料的分析，认为该区具有形成地热资源的有利区域地质环境，同时发现了具有指示意义的地热异常显示。

1.1 地层及岩性

调查区内地形平坦，地表基本为第四系覆盖，以残坡积物、冲洪积物和风积物为主；局部零星出露汉诺坝组（N1h）灰、灰黑色拉斑玄武岩或橄榄玄武岩。已有地质资料显示地表以下存在中新统开地坊组（N1k），岩性主要有紫红色砾岩、砂砾岩、泥岩；深部为新太古界红旗营子群（Ar3h）变粒岩、片麻岩、大理岩等以及侵入其中的中元古界蒙古营子组变质岩（Pt2m）。

1.2 断裂构造

调查区及附近存在北东向二级线性构造和2条近南北向转北东向的三级线性构造，呈张性或张扭性，具有规模大、切割深的特点。新生代断裂构造以继承性差异升降为主，产生的新构造与上述断裂构造交汇部位易形成大量构造破碎带和裂隙带，为基岩裂隙型热储的形成和地下热水的运移上涌提供了有利条件。

2 岩石的电性特征

由本次工作采集电性标本测定，本区主要岩石电性统计见表1。

由表1可见，本区不同地质体之间的电阻率值差异较大：

（1）第四系松散盖层（Q）在区内分布广泛，其电阻率值一般在（10～100）nΩ·m之间，为明显低阻层，往往形成层状低阻异常，但一般厚度不大；

（2）区内第三系（N1k）也为明显低阻层，电阻率值一般n×102Ω·m数量级，一般形成较低的电阻率异常。

汉诺坝组玄武岩（N1h）在区内分布广泛，一般隐伏与第四系之下，分为致密状和气孔状。致密状玄武岩的电阻率值较高，均值为2035Ω·m，为较高阻地质体。而气孔状玄武岩为明显的低阻特征，电阻率均值为88Ω·m。

汉诺坝组玄武岩为层状分布，厚度一般不大于300m，形成横向分布高低不连续的层状异常。

（3）区内中元古界蒙古营子组（Pt2m）主要见花岗岩、花岗闪长岩，其电阻率均值分别为2074Ω·m、4024Ω·m，为高阻特征。上述为本区基底总体形成明显的高阻异常。

表1 测区岩石标本电性测定统计表

（4）在较高阻的地质体分布区域，具有一定规模的断裂构造（带），由于岩石破碎或两盘错动往往形成线性展布的低阻异常、高低异常分界线（梯级带），而在低阻地质体分布区域断裂构造的异常特征可能不明显，需利用相邻地段资料进行综合判断。

以上为推断解释CSAMT工作资料提供了依据。

3 工作方法及数据处理

3.1 氡气测量工作

氡作为一种稳定的示踪元素，通过断裂构造顶部及其附近羽状节理和裂隙向上运移并向周围扩散衰减，形成以断裂上氡气浓度相对较高、四周浓度较低的异常特征。通过对氡气含量曲线分析确定覆盖层下深部构造在近地表的位置。

正式生产前对仪器进行标定，保证仪器性能稳定，数据可靠。测点布设相对干燥，点距50m。采用长80cm的专用钢钎打孔，成孔后将取样器快速放入孔中，对采样孔进行密闭处理，避免抽气过程中空气渗入。对测量结果现场记录，对可能的影响因素备注。

室内对数据进行整理，对所有数据计算平均值（Xˉ0）及标准离差（σ0），舍弃（Xˉ-3σ，Xˉ+3σ）范围以外的测量数据，认定剩余测量数据在合理变化范围并再次计算平均值（Xˉ1）及标准离差（σ1），定义Xˉ1为背景值RnB，阈值RnF=Xˉ1+1.5σ1。在上述工作基础上绘制氡气测量异常曲线，超出异常阈值部分定义为异常段。

3.2 CSAMT测量工作

CSAMT测量通过人工激发交变电磁场源，测站主要观测电场和磁场2个分量，测量与场源平行的电场及与之垂直的磁场，观测测站上的电场和磁场的变化情况，计算卡尼亚电阻率和阻抗相位，达到探测深部地质特征的目的。该方法以介质电性差异为前提，对深部地质结构具有较好的横、纵向分辨率，能较清晰地划分地层，解释构造宽度、倾向、延伸等特征。

本次CSAMT测量工作使用的仪器设备为美国Zong公司生产的GDP－32Ⅱ多功能电法工作站，由Zong公司生产的GDP－32Ⅱ专业软件反演计算剖面的断面电性结构。供电极距AB=1～3km之间，测量在AB中垂线向两边张角各30°的扇形区域内沿平行AB的x方向布置测线，收发距r大于3～5倍的趋肤深度。工作频率0.25～8192Hz，局部频点进行加密设置，以保证探测深度不小于1500m。

对原始数据进行编辑整理并保存、备份，以利于数据的查阅和调用，对由仪器噪声、风噪声、天然电磁噪声和人文噪声引起的明显畸变进行处理。曲线出现严重畸变，经过处理后仍不能使用的物理点剔除。结合测区已知资料消除近地表局部导电性不均匀体引起的静态位移效应进行校正。根据解释工作需要，对过渡区数据进行校正，从而提取出过渡区数据中“隐藏”的有用频率测深信息，使其得到有效利用。

4 资料解释与推断

调查区共完成氡气、CSAMT综合剖面5条，以4剖面为例（见图1）解释如下：

该剖面长6km，南北向布设。氡气测量、CSAMT测量点距均为50m。剖面620～700测点段为Pt2m基岩出露区，其余地段为第四系覆盖。据调查区内农田水井钻遇情况，部分地段第四系盖层较薄，下伏不连续汉诺坝组玄武岩（N1h），厚度100～200m。

测区内蔬菜种植广泛，局部地表较潮湿，不利于氡气的运移、富集，测量幅值相对较低。该剖面氡气测量参与计算数据117个，算得氡气异常背景值RnB为3082Bq/m3，阈值RnF为6471Bq/m3，据此绘制了氡气含量曲线异常图（图1）。异常曲线形态整体高低错落锯齿状展布，异常高低分明。在320～530测点段形成连续强异常特征，推断该段深部存在宽大的断裂构造带；同时在164、260及620测点处存在氡气含量弱高异常，可能为深部断裂构造的反映。

图1 氡气测量及CSAMT测量综合解释推断图

由CSAMT反演电阻率等值线断面图（图1），依曲线的水平密集带为界，划分为浅部低—高阻层为新近系汉诺坝组，厚度100m左右，其下为开地坊组低阻地层，厚度200～500m左右。深部的中高阻层为中元古代变质侵入岩（Pt2m）及风化带，厚度大于1000m，该层电阻率等值线横向变化较大，出现多组等值线的横向梯级带，在测点180点、260测点、370测点、530测点和610测点依次推断了断层F14、F5、F1、F4及F2，其中F5、F1、F4断层间形成了宽度较大的断陷构造带。

对比2种测量结果：整体上构造位置对应关系较好，个别氡气测量显示的构造位置如F14与CSAMT测量结果在地表位置有一定偏移，分析认为氡气运移过程中不能很好地穿透近地表层状致密地质体（玄武岩），从而在邻近区域的裂隙或中断位置形成氡异常。其它测量剖面同样具有很好的勘查效果。

5 结论

（1）氡气测量对深部地质构造在异常曲线反映直观，通过CSAMT测量成果的对比，本次氡气测量具有非常良好效果。氡气测量受近地表层状致密地质体的影响，在CSAMT测量推断的断陷构造带、断裂上方形成的氡气异常存在一定位移，可作为半定性解释的依据。

（2）CSAMT测量具有横纵分辨率高的特点，能较好地解释深部地层的顶底板深度，判断构造的宽度、倾向及延伸深度等特征。但易受人为电磁干扰等影响。

（3）在张北覆盖区进行地热勘查，采用氡气测量与CSAMT测量结合进行深部构造探测，优势互补，解释相互约束，为地热勘查有利区域的选定提供了地球物体的重要依据。

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