激电测深和CSAMT法在陕西石泉地热勘查中的综合探测

许 力， 马润勇， 潘爱芳， 魏萌初， 张 璠

（1.长安大学地质工程与测绘学院，西安 710054； 2.长安大学地球科学与资源学院，西安 710054）

当前，能源问题已经成为影响经济社会可持续发展的重要因素. 尤其是进入新世纪以来，可持续发展、绿色环保的理念日益深入人心. 作为一种清洁可再生的新兴能源，地热能具有低碳、可开发周期长、开采得当可实现取之不尽用之不竭的突出优点，越来越受到人们的重视. 地球是一个热库，其内部蕴含巨量的热能，在温度差的作用下，深部热能不断向浅部辐射传导［1］. 为维护国家能源安全，实现社会经济的可持续发展，研究地热资源形成机制及其赋存特征具有极其重要的理论意义和现实意义.

断裂构造是地热资源勘查中重要的指示性构造，在地热资源的形成中主要起导热通道和热储区的作用［2］. 因此，确定断裂构造的走向、延伸以及展布特征是进行地热资源勘查开发的前提条件. 石泉县位于扬子板块北缘与南秦岭褶皱系交汇地带，受扬子板块向北的俯冲作用，致使扬子板块北缘晚三叠至中侏罗的前陆盆地被推覆和改造［3～5］，强烈的地壳运动使得研究区发育密集的断裂带，成为地下热源向上传导的通道，在研究区形成地表温度异常区（图1）. 有研究表明，在研究区邻区的旬阳北部发现大量的热水相沉积物，表明该构造单元曾经发生过频繁的火山活动［4］，间接证明研究区存在生热蕴热的构造前提.

图1 研究区浅层土壤温度图Fig.1 Temperature map of shallow soil in the study area

热环境对岩矿石的物性会造成明显的改变，有研究结果表明，持续的热作用会导致岩矿石电阻率降低［6］；由于地下水的存在，会导致富水区形成相对低阻异常，因此低阻异常带成为地热勘查中的重要目标. 可控源音频大地电磁测深法（Controlled source audio-frequency magnetotellurics，CSAMT）是一种通过测量正交的电、磁场分量来计算卡尼亚视电阻率进而推断隐伏构造的一种地球物理电法勘探方法，具有抗干扰能力强、横向分辨率高、探测深度大等优点，在深部隐伏矿产探测、地热资源勘查、水文-工程地质勘查方面取得了较好的探测效果［7-10］. 激电测深法是一种以不同地层、含水区激电效应差异为物质基础，通过研究观测到的激电场的分布规律，探查地下地质情况的地球物理勘探方法，在油气勘查、地下水位探测等方面发挥着重要的作用［10-13］. 为了查明石泉县地热勘查区的断裂构造分布、产状、延伸等特征以及裂隙水的分布情况，为进一步布设钻孔孔位提供设计依据，本文遵循由总体至局部、由浅部至深部的勘探依据，在目标区布设7条CASMT测线，接着在CSAMT资料解释的基础上再进行激电测深.

1 研究区概况

1.1 地层岩性特征

勘查区地层由老至新可分为青白口系耀岭河组(Qny)，震旦-寒武系陡山沱组、灯影组并层(Z2-∈2d-dn)，寒武系鲁家坪组、箭竹坝组并层(∈1-31-j)以及奥陶系-志留系斑鸠管组、梅子垭组并层(O2-S2b-m). 其中Qny主要分布于勘查区东南侧，该层主要出露细粒-微晶灰质白云岩、绢云母泥质片岩，控制厚度可达226 m（图2）. Z2-∈2d-dnz 主要分布在勘查区西南侧的山峦之间，出露岩性有硅质板岩、绢云母泥质板岩和灰质白云岩，该层控制厚度为401 m. ∈1-31-j 分布在勘查区正断层的上盘位置，层岩性出露灰质白云岩、云母片岩、白云岩、绢云母泥质片岩、黑云母片岩，控制厚度可达1450 m. O2-S2b-m广泛分布在饶峰河两岸的广大地区，出露岩性为绢云母泥质片岩、含砾中粒砂岩，含石榴子石云母片岩、绢云母粉砂质板岩，岩层厚度可达2150 m. 这些地层中发育有密集的褶皱、节理等构造，这些构造特征为热量的传导和热水的储存提供了良好条件.

图2 研究区区域地质、勘查范围以及测线布置图Fig.2 Regional geology，survey scope and survey layout in the study area

1.2 构造特征

受扬子板块与华北地块碰撞挤压的作用，研究区在早震旦世发育大规模的岩浆活动，其中喷出岩以酸性、中基性为主，侵入岩以基性、超基性为主［14］. 新生代以来，受安康-月河断裂控制，研究区形成了南断、北起的箕状断陷盆地［15］；随着研究区北部的隆起，第三系沉积盖层南移，形成了三个不整合亚层，地表沉积了褐红色的黏土质碎屑［5］，不整合地覆盖于断陷盆地之上.

1.3 地球物理特征

地层岩石物性特征表明，地表出露的片岩的电阻率相对较低，白云岩则表现出相对的高电阻率特性（表1）；由于多期构造的作用，埋深更大基岩发育有密集的断裂、节理等构造，这些裂隙的发育导致断面电阻率变化较大，围岩表现位相对的高阻，而裂隙由于充水、充泥会出现低阻异常. 岩层与储层之间的电性差异使得综合使用电法勘探进行深部构造划分提供了物性基础. 本次应用CSAMT法来寻找勘查区隐伏的表现为相对低阻状态异常特征的断裂延伸带，并在重点部位施加激电测深，探测地下深埋的隐伏的既有低阻特征的充水断裂破碎带.

2 工作方法技术

勘查区地球物理测量建立在地表土壤温度测量之后（图1），根据实际地质调查情况，结合地表温度异常分布状况确定测线布置的位置. 通过地球物理测量进一步了解勘查区实测正断层垂向拓展深度、产状特征以及次级断层的发育状况，赋水区的形态、物性特征等参数. 在已知地表温度异常区布设7条CSAMT测线，设计点距为100 m，测线方位角67°. 选择CSAMT电阻率继面图中异常明显位置处设计激电测深测点23个，分别沿300、350、400线平行布设，设计点距200 m，测线方位角63°（图2）.

CSAMT 法投入使用的仪器为美国Zonge 公司的GDP-32Π多功能电法站. 为确保数据测量质量，在实测工作之前对磁探头进行了定标，并对仪器进行了自动校准和检测，仪器各项指标均符合要求. 针对勘查区的实际情况，CSAMT点距设置为100 m，为获得更好的观测效果，对频率进行了 2 加密，实际频率范围为0.01～8192 Hz（表2）. 为保证足够的信噪比，在300线进行了收发距实验，根据实际观测结果，收发距选定为7 km.本次测量获得可控元音频大地电磁测深测点76点，检查其中的7个点，占总观测点数的11.84%，检查点的总均方相对误差低于9%. 考虑到测量过程中人工设施、车辆活动等造成的误差，在数据反演之前需要完成畸变剔除、静态校正用以消除场源效应和静态效应［16-18］. 之后结合地质资料，采用二维地形法获取研究区地层岩性的电性特征已经构造的集合特征，根据反演成果，推断目标构造的分布、产状以及延伸等特征.借助于SCS2D电磁反演软件，完成了本次数据处理.

表2 CSAMT工作频率Tab.2 Working frequency list of CSAMT

激电测深法所使用的仪器为重庆奔腾数控技术研究所研制的WDFZ-20T大功率发射机和WDJS-2A型激电接收机. 测量开始之前，分别在测区进行单台仪器定标和多台仪器一致性测试. 在CSAMT资料初步解释的成果基础上，选取300、350、400线布近平行设测线. 测量采取对称四极测深装置，沿测线方向布极，方位角63°. AB/2最大为1000 m，设置供电时间为8 s，通断比1∶1，断电延时200 ms，采样宽度40 ms. 在实际测量工作中，对所有测点采取复测，若相对误差小于10%，则取平均值作为终测结果，若大于10%，则采取多次观测，按1∶3取舍原则，剔除误差较大者.

3 反演断面分析

3.1 CSAMT电阻率剖面综合解释

图3是由勘查区所布设的7条CSAMT测线所反演的视电阻率断面图，其中横轴为地面测点，对应水平距离，剖面的方向为N67°E，纵轴所反映的是测深，图中红色实线为推测断裂构造.

根据100线可控元音频大地电磁测深电阻率剖面图（图3）可以看出，断面内电阻率变化幅度比较大，推断在此范围内地层分布比较复杂. 本断面中电阻率总体呈现两端高阻包围中间低阻的特征，按照视电阻率的相对高低，可划分为两个高阻异常带（GZ-1，GZ-2）和两个低阻异常带（ZG-1，DZ-2）；其中，DZ-1联通地表与深部，低阻带宽约600 m，垂向伸展可达2000 m，推断其为断裂带F1在垂向上的展布，在GZ-1低阻带的末端，出现了低阻区范围水平延伸的现象，其位置为水平点260到300之间，埋深在-1500～-2000 m之间，垂向上此低阻带将上部高阻带截断，推断其应该为F1断裂的水平向发育的次级裂缝. 两侧的高阻带（GZ-1、GZ-2）推断应为片岩和砂岩.

图3 可控源测线视电阻率断面Fig.3 Section of apparent resistivity of CSAMT line

200线电阻率剖面表现两端高阻（GZ-1、GZ-2）而中间低阻（DZ-1、DZ-2）的现象. DZ-1低阻带出现在点175～240之间，异常宽度达到650 m左右，延伸产状陡倾，贯穿地表和深部，推断为断裂带F1的反映. 测点225～298点之间，埋深在-1500～-2100 m之间出现与DZ-1连接的DZ-2低阻带，其大致处于DZ-1的北东侧，推断断裂带的水平向延伸的次级裂缝，并在此处产生了地下水的富集. 两端的高阻异常带应该为砂岩和片岩的反映.

300 线视电阻率断面呈现两端高阻（GZ-1、GZ-2）夹中间低阻（DZ-1）的现象，中部低阻带DZ-1 出现的185～275点之间，异常宽度约为900 m，深度在-200～-1400 m之间，推断其应该为贯穿勘查区的断裂带F1的反映，在-400～600 m深度范围内出现了低阻区扩大的现象，推断其为地下水在该位置汇聚所致. 两侧的高阻带其视电阻率远远高于其余部位，应该为砂岩和片岩.

340线剖面的CSAMT异常反演图表现为两端高阻（GZ-1、GZ-2）、中间低阻（DZ-1、DZ-2）的特征. 低阻带DZ-1出现在水平位置200～280点之间，宽约800 m，贯穿深度在地表以下-200～-800 m之间，其应该为断裂带F1在断面的反映. 低阻带DZ-2出现在-600～-1500 m深度范围内，其异常区横向宽度大于DZ-1，并在横向上向两端延伸，推断其为断裂带在横向上的刺激断裂. 两侧高阻应该为砂岩和板岩的反映.

350线的断面视电阻率反演图与240线特征相同，低阻带DZ-1出现水平位置为200～280点之间，异常宽度约为800 m，异常埋深出现在地表下-200～-1000 m之间，产状陡倾，推断其为断裂带F1在垂向上的延伸，低阻带DZ-2出现在DZ-1北东侧，在-900 m位置与之联通，推断其为赋水区. 高阻带GZ-1根据其视电阻率特征，判断为砂岩和板岩的反映.

360线的视电阻率断面图整体呈现两端高阻（GZ-1、GZ-2）中间低阻（DZ-1、DZ-2）的特征. 低阻带DZ-1出现在水平位置210～280点之间，异常宽度达800 m，异常出现在0～-800 m深度范围内，产状近直立，推断其为断裂带F1的反映. 低阻带DZ-2在-900 m处与DZ-1相贯通，在深部向两端延伸，呈开放状态，推断该处应该为含水层. 高阻异常区应该为片岩或者板岩的反映.

400线的视电阻率断面图总体呈两端低阻夹中间高阻的特征，中部低阻带自浅部与深部相贯通，平面范围为235～305点之间，异常宽度约700 m，低阻带浅部窄而深部宽，推断为断裂带F1的反映. 低阻带DZ-2平面范围为305～345点，并在-1000～-2000 m之间向两端水平向延伸，可能为断裂带的水平向次级裂缝，大面积的低阻区应该为地下水富集所致. 两端高阻带为砂岩和片岩的反映.

3.2 激电测深反演成果解释

为进一步确定低阻带的异常区范围以及所产生的原因，在CSAMT的300、350、400线同向布设激电测深剖面，点距设置为200 m，共计23点. 图4为所反演的视极化率、视电阻率断面图，其中浅色表示低值异常，深色表示高值异常.

图4 激电测深反演断面图Fig.4 Cross-sectional view of IP sounding

300线激电测深的视极化率等值线断面可以看出在小号方向（南西向）存在一个高极化体，其视极化率做高可达12%，极化体形态完整，激电强度比较高，横向宽度约为600 m，纵向基本呈封闭状态（AB/2最大为1000 m），经过实际野外地质调查及露头电性测量，推断其出现与含炭质片岩有关. 在视电阻率断面图中，可见两侧电阻率呈高阻异常，低阻带（50 Ω·m）处于中间，在水平1500～1600 m之间. 视电阻率呈现陡直密集，说明该处物性处于急剧变化状态，推断应该为断裂构造，其位置与CSAMT视电阻率断面低阻区位置高度重合，其应该为断裂带F1的反映；在水平1900～2600 m之间，视极化率和视电阻率断面图均存在低值封闭圈，说明此处富水性良好.

350线的视极化率断面等值线图中可以看出，小号方向存在一个高极化体，极化率最大可达8%，极化体在纵向上延伸较好，深部基本封闭. 在视电阻率断面图中可见，水平位置1700～1900间电阻率等值线陡倾密集，反映了在该处岩石电性发生剧烈变化，综合对比350线的CSAMT视电阻率拟断面的位置可以推断其为断裂带F1的反映. 视电阻率在1900～2700中间处呈现低阻异常，且同位置的视极化率亦呈现出低值封闭，推断该位置富水性良好.

400线激电测深断面图异常形态相似于300、350线，在剖面小号区存在高极化体，视极化率可达10%，横向上向小号方向延伸，纵向上向深部延伸，但并未形成封闭的极化体，说明此处极化体埋深较大. 视电阻率低阻带出现在断面大号方向，在2300位置处电阻率变化剧烈，等值线呈现陡倾，应该是断裂带F1的反映.

4 结果讨论

勘查区内主要发育有北西向的石泉-饶峰正断层，该断裂是地下热向上传导的导热通道，在断裂带附近形成了一系列成规模的热异常区（图1）. 通过对CSAMT视电阻率拟断面图与激电测深断面进行分析，勘查区低阻带延伸至地表以下1500～2000 m；通过综合对比实测断裂与视电阻率拟断面图推断的构造位置相对关系，确定F1为石泉—饶峰正断层在垂向上的延伸，并确定了该断层的性质和产状（图3），该断裂整体上呈北西走向，倾角40°～65°，断层向下深切，垂向破裂扩展深度可达2000 m左右，并在地下1000～1500 m之间形成一系列小次级断裂，构成富水导热构造. 上述特征说明，该区导热、生热、储热条件优越，且浅层土壤热异常明显，是地热资源赋存条件优秀的区域.

联合图3和图4的视电阻率断面图可知，DZ-1异常区位置基本分布于各断面中间位置，北东侧与南西侧高阻异常明显. 其中200线的低阻异常区范围最大，异常宽度在650 m左右，埋深-1600～-2100 m之间，为地下热水最可能赋存区域，建议在200线的235（坐标：239 213，3 664 005）-255（坐标：239 394，3 664 087）点之间选择合适位置布设钻孔进行验证，设计孔深2200 m.

5 结论

1）通过CSAMT法和激电测深法综合探测推断得出石泉—饶峰断裂向深部延伸达1500～2000 m，为深大断裂，是勘查区主要的导水导热构造.

2）根据CSAMT视电阻率断面图可以划分两个低阻异常区，其中DZ-1低阻带范围最大，延伸最深，为本区赋水有利区，同样也是地热赋存优势区，建议在200线235～355点之间选择合适位置布设钻孔以验证，设计孔深2200 m.

3）通过分析，认为CSAMT和激电测深法具有很好的互补性；CSAMT法在实际探测中对深层信息的捕捉能力不够，因此，在低阻区进行激电测深是有必要的，可以在很大程度上弥补探测深度有限带来的解释误差.

4）本文通过实际探测，验证了CSAMT法和激电测深法在石泉地热勘查中应用的有效性，为断陷盆地地热资源勘查工作提供一定的借鉴；多种物探方法综合探测，可以显著增强勘查效果，结合地质调查，有减少商业开发地热资源的风险.