综合电磁法在广德荷花岗地热资源勘查中的应用效果

苌云，黄江华，张燕，王国群

(1.安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院，安徽 蚌埠 233000； 2.陕西地矿第二综合物探大队，陕西 西安 710016)

1 前 言

地热水作为一种环保和可再生资源越来越受到重视并得以开发利用，但其埋深一般具有较大的深度和较厚的盖层，单一地球物理方法往往受复杂地质因素和多解性的影响效果欠佳，因而采用综合地球物理勘探手段已成为共识[1]。我们在荷花岗地区实施了地热勘探，布置6条剖面进行可控源音频大地电磁测深、大功率激电法、瞬变电磁测深三种电法工作，其中CSAMT主要用于了解山前地段深部电性结构特征，TEM法用于进一步确定电性异常的可靠性，TDIP法用于评价电性异常段的富水性[2，3，4]。充分考虑到三种方法各自的优势特点，最大程度的减少勘探中的多解性，最终获得了工作区地层结构、断裂构造展布及地热异常的分布范围和热储特征等信息。同时研究区的地质条件基本符合我国典型的中低温对流型地热系统[5]的形成要素，也为获得中低温热水提供了地质前提，经实钻在这一地区获得了地热井，是较为成功的勘探案例。

2 地质概况及地球物理特征

2.1 地质概况

工作区处于下扬子地台皖南断褶带，被北东和北西断裂围限的白垩纪断陷盆地内，周边地层发育齐全，岩浆活动较强[6]，分布燕山早期花岗岩和喜马拉雅期基性岩脉(如图1所示)。工作区及周边主要断裂有3条正断层，其中近东西向断层、北西向断层是区域性江南深断裂的次级断裂，沿断层有石英岩脉侵入，且被北东走向断层错断，并形成了低山丘陵和河谷平原。工作区出露刘村岩体，主要岩性为似斑状二长花岗岩，呈岩基和岩株分布，属于燕山晚期白垩纪花岗岩侵入体[7]。断裂的长期活动和岩浆侵入活动，为工作区地热资源的形成和不同深度的地热水层间对流循环提供了通道，也构成了工作区内的热源、控热和导热条件。

图1 工作区构造简要地质图[6]

区内出露地层主要是白垩系赤山组和志留系地层霞乡组、河沥溪组和康山组，主要岩性为泥质砂岩、粉砂岩、页岩及砂岩和页岩互层、厚层长石石英砂岩等。区域资料显示工作区第四系为浅部含水岩组，直接受大气降水和地表水补给，山前河谷平原的单井涌水量为 5 m3/d～20 m3/d[7]。志留系和白垩系地层中的砂岩是碎屑岩类孔隙水的含水层，主要分布在丘陵地区，特别是断层发育地区，赋水性较好；燕山期侵入花岗岩是基岩裂隙水的赋存体，主要赋存于风化裂隙和构造裂隙中，水量小但水质好。地下水的补给主要接受大气降水，通过深大断裂或者构造裂隙等不断的补给深部地下水。

上述地层岩性、构造等地质条件符合“基本出现在断裂破碎带或两组不同方向断裂的交汇部位，岩体渗透性差，主要靠裂隙及破碎带导水，在地形高差影响下和相应水力压差作用下形成地下热水环流系统”的中低温对流型地热系统的定义[5]，对找到中低温的地热水具有很好的地质前提。

2.2 地球物理特征

资料显示，碎屑岩地层和岩浆岩体存在一定的电性差异，成岩地层电阻率高于疏松层。工作区第四系黏土和含砾亚黏土的电阻率为低阻；向下岩性逐渐稳定，直至志留系下统的细粒砂岩受含水影响后电阻率为中低阻，若是致密砂岩，则为中高阻。当发生断裂破碎或裂隙充水后，岩层电阻率大大降低，在断面图中表现为明显的垂向低阻圈闭区或低阻条带。上述地层的电性特征表明工作区具备使用电磁勘探的物理前提，电阻率呈低值异常形态的构造破碎带或者裂隙带是本次地热勘探的目标区域。

3 工作布置

工作区地处盆地，村庄较多，野外施工时干扰较多，在综合考虑地质、人文等各方因素后采用可控源音频大地电磁(CSAMT)、瞬变电磁法(TEM)和大功率激电剖面(TDIP)三种组合方法，测线方向以近南北向为主(垂直于近东西和北西向断裂)。由于工作区地球物理资料粗略，为提高勘探经济效益，采取了先在工作区边部、中部布置了1号、2号、3号测线进行控制，继而在电性异常区加密测线进行勘探，进一步圈定有利异常区的方案。其中CSAMT剖面长 5.25 km，点距为 50 m，5条测线；TEM法针对异常区进行复核，剖面长度为 5.88 km，点距 20 m，6条测线；TDIP方法用于评价异常区的赋水情况，剖面长 4.14 km，点距 20 m，5条测线。

4 方法应用成果

4.1 可控源音频大地电磁测深(CSAMT)

可控源音频大地电磁法是一种利用人工场源激发地下岩石产生一次场后，接收不同岩石导电率差异导致的一次场电位和磁场强度变化的勘探方法[2，3，8，9]，应用较广。其特点是信号强度比天然电磁场大，抗干扰能力强，能有效探测 3 000 m以内地质体的电性差异，且能穿透高阻层。工作区地表以下地层主要是志留系粉砂岩、细砂岩等，电阻率较高，发生破碎、裂隙或断裂充水后电阻率降低，利用CSAMT方法的曲线异常、断面异常和平面异常的电性分布信息可以有效查明深部电性结构和深部地热存储情况。

工作区位于地层结构相对稳定的盆地，因而测深点的异常曲线类型基本一致，均为KHK型曲线。我们以4线325号测深点为例(如图2所示)，根据频点和反演深度的关系，自地表向深部电阻率呈中低阻-高阻-低阻-高阻-次高阻变化，呈现5个电性层。综合前述地层岩性的电性特点和定量反演计算，在一定深度范围内划分出了储热位置及其大致深度(如表1所示)。

图2 4线325点CSAMT测深曲线分析

地层电性结构划分表 表1

4测线CSAMT视电阻率断面图清晰显示了电阻率的横向和纵向变化特点(如图3(a)、(b)所示)。剖面自南向北存在多个明显低阻带，向下延伸较大，低阻带宽度不一，很明显它们是不同规模断裂的反映。如剖面北段925点处延伸较深的低阻异常应是较大断裂而致，深部区域属控热部位，而剖面南段525点处高阻异常和低阻异常交替出现，范围较大、低阻异常带延展深度有限，是次级断裂发育的特征，推测为非控热区域，仅为断层充水所致。据此认为工作区存在两条断裂F1、F2，分别穿过4线剖面，均为正断层(如图3(c)所示)。

图3 4线CSAMT视电阻率等值线断面图

图4 4线TEM视电阻率等值线断面图

4.2 瞬变电磁测深(TEM)

TEM测深是时间域电磁感应方法，通过回线向地下发射电流脉冲方波后接收反射回来的二次磁场的变化来揭示地下地质体电性分布情况的一种方法[2，4]。当地下不存在良导体时，二次磁场随时间衰减的特性曲线会快速下降，当存在良导体时，在电源切断的一瞬间导体内部将产生涡流以维持一次场的切断，观测到的衰减过程会变慢，从而发现地下导体的存在。由于在时间上一次场和二次场是分开的，分辨率较高。可以在近区观测，弥补了CSAMT法只在远区观测的缺陷。

为便于对比分析TEM和CSAMT两种方法的结果，同样以4线TEM视电阻率断面图为例说明。如图4所示，剖面自南向北在横向和纵向上存在明显的电性差异，显示工作区地层具有不同的分层及多条断裂。特别是在600点和850点～1 000点附近电阻率发生突变，且深部出现明显的较大范围的低阻区域，显然根据这两处的电性变化可以判断F1、F2两条断裂穿过4线剖面，延伸较深，控制着深部热源的上升流动，是工作区的控热和导热断层。

4.3 大功率激电剖面(TDIP)

TDIP很早就应用于查找低阻和高极化地质体，特点是可利用其断面图确定极化体的分布和产状，特别是在极化效应较弱下也有可能发现较小的地质目标[3]。因此在各测线上实施了TDIP法，用于评价CSAMT和TEM结果中异常段的富水性。根据极化率等值线图(如图5所示)，各剖面的中部偏北段出现了较大范围的高极化区域，与南北两端的低极化率形成对比，进一步证实了F1和F2断裂的存在。两条断层基本平行展布，呈北西走向，且延伸超过了 1 000 m，具备很好的控热和控水能力，从而造成了两条断层之间高极化异常现象。

(红色：高极化率，蓝色：低极化率，阴影圈闭：异常区)图5 大功率激电极化率等值线图

综合上述分析解译，三种方法的探测结果明确显示工作区存在F1和F2两条正断层，断层之间出现多个低电阻率和高极化的地热富水区域。依据测深曲线形态的分析，沿两条断裂及其附近的低阻异常区是最佳的勘探井位置，预设了3个钻孔位置(如图5所示)，设计井深 1 200 m。考虑到工作区及周边广布的燕山期岩浆岩体和喜马拉雅期岩脉，预计热储层温度大于30℃。经过钻探，在设计孔1(4线600点附近)钻成地热井，井深 2 120 m，并进行了数字测井工作，结果显示工作区的含水层是裂隙性含水层，破碎带位于 1 000 m深度以下，取水段为两个层段，分别在地下 1 400 m和 2 089 m。地下1 400 m的水温达到了53℃，而井底水温则高达71.3℃。

5 结 语

通过可控源音频大地电磁测深、瞬变电磁测深和大功率激电剖面综合勘探和分析解译，明晰了工作区的地质结构、热储层分布范围及埋藏深度，可沿断层布置钻孔。结合工作区的地形、所处断裂构造位置等地质特征，荷花岗地区的热水属于典型的中低温对流型地热系统[5]，而岩浆岩的多期活动为中温水提供了热源。实钻后显示井底(2 100 m深)水温达到71.3℃，验证了前期的推断解译。

从广德荷花岗地热勘探结果来看，可控源音频大地电磁测深可以有效查明断陷盆地内 1 000 m～2 000 m深的地层分层和断裂分布等地质结构，圈定出深部电性异常区域；大功率激电法预测了地下水富水区域；瞬变电磁测深则进一步验证了电性异常区的可靠性，有效减少了多解性和解译结果的不确定性。因此多种电磁法的合理的综合使用和先控制后加密勘探的工作方案较大地提高了地热勘探的效果和经济效益。

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