广域电磁法地热勘探应用效果

谭章坤，古志文，尹雪波，曹莉萍

广域电磁法地热勘探应用效果

谭章坤，古志文，尹雪波，曹莉萍

（四川中成煤田物探工程院有限公司，成都 610000）

目前，深部地热勘探主要依赖于地球物理勘探手段，而深度大于1km地球物理方法较少。从高效、绿色、环保角度出发，一般选择电磁法中的大地电磁法和可控源音频大地电磁法进行深部地热勘探，但在深度和精度上仍然受较大的制约。广域电磁法作为新兴的电磁法，在理论和配套设备上更加完善，极大的解决了深度和精度的问题。本文简要阐述广域电磁法的原理及工作技术方法，通过其在甘肃地区的应用实例，结合重力、钻孔等资料，说明广域电磁法在深部地热勘探中的有效性及优越性。

广域电磁法；地热勘探

广域电磁法问世之前，在深部地热勘探领域应用最广泛的物探方法就是音频大地电磁法（AMT）及可控源音频大地电磁法（CSAMT），这两种物探方法也在1km深度范围内取得了一定的成果。但AMT法及CSAMT法的局限性较为明显（汤井田等，2015），AMT作为天然场电磁法容易受到强电磁干扰；CSAMT由于理论公式省略掉了多次项（何继善，2010），近场效应使得深部数据失真。经过多年对电磁波动方程的精确推导演算，何继善于2006年提出了广域电磁法，并于2010年正式推出自主研发的广域电磁法探测成套装备，探测深度由1.5km增加到8km。广域电磁法是精确推导电磁波动方程后提出的全新电磁探测法（王琴，2014；何继善，2016），适用于广大的区域，打破了过渡区和近区的限制。由于广域电磁法有勘探深度大、抗电磁干扰能力、深部分辨率高、绿色环保等优点，必将在深部地热勘探领域取得显著的地质效果和社会经济效益。

图1 勘查区盆地构造单元划分图

1 工作区概况

1.1 地层

测区地层从上至下依次为第四系中更新统、下更新统，新近系，古近系，白垩系。①第四系：中上更新统不易分开，其成因属洪积相，岩性以卵砾石及砂砾石为主。下更新统（Q1）为冰水堆积层，其岩性为黄褐、桔黄色的砂砾石层，已半胶结成岩，砾石分选性中等，不整合于新近系地层之上。②新近系：岩性主要为土黄色、浅棕红色泥岩、粉砂质泥岩与含砾砂岩不等厚互层，厚度约1200m左右。③古近系：主要地层为白杨河组，视厚度358m，岩性主要为棕红色、紫红色泥岩夹薄层浅棕红色粉砂质泥岩及灰白色、桔红色含砾砂岩；新近系与上覆第四系呈不整合接触，与下伏白垩系呈不整合接触。④白垩系：岩性主要为杂色砾岩及浅棕红色砾状砂岩夹薄层暗红色泥岩，局部夹薄层灰白色粗砂岩，其下为砾状砂岩与泥岩互层，白垩系地层与上覆古近系呈不整合接触。

表1 已知钻孔井测温统计表

1.2 构造

工作区位于张掖—民乐盆地的南部，该盆地受南部的祁连山山前深大断裂和北部的龙首山山前深大断裂控制。张掖—民乐盆地发育于燕山一喜山期，燕山构造旋回是盆地发展的重要阶段。

根据地震、钻井、重磁等资料所确定的盆地基底埋深，各层厚度及分布和断裂等地质特征在平面上的差异，将盆地划分为两坳两凸一隆一斜坡，即西部隆起、中央坳陷、东部斜坡，其中中央坳陷分布有张掖凹陷、朝原寺凹陷、三江闸低凸起和李家寨凸起（图1）。综上所述，勘查区主要处于张掖—民乐盆地中央凹陷的东南部，构造不发育。

表2 工区主要岩性物性统计表

1.3 盖层、储层、热源条件

1）盖层——勘查区第四系厚度600m左右，岩性为砂砾卵石，其下部新近系厚度约1500m，岩性为泥岩、砂岩，第四系和新近系地层构成较好的盖层。

2）热储——勘查区热储类型为层状热储，根据对已有资料的分析研究，古近系下部为白垩系，岩性为砾岩、砂岩，古近系、白垩系地层中含有承压水，水量在100～500m3/d之间，白垩系地层构成了良好的热储。

3）热源——依靠地热增温率，获取热源。

根据已知钻孔井测温资料（表1），计算出勘查区地热增温率。从表1可以看出，至3690m深度时，地温已达85℃，据此推算，地温梯度为2.5℃/100m。

4）热储盖模型。综上，勘查区热储盖模型为：第四系和新近系地层为盖层；以古近系、白垩系地层为层状热储，以地热增温率获取热源。

图2 主测线方向工作布置示意图

1.4 地球物理特征

广域电磁法以视电阻率的差异来区分岩性及构造体，根据视电阻率值的大小以及在地下的展布形式来识别地下地质体的空间分布及其状态和性质。影响电阻率的主要因素有岩石岩性，岩石结构，岩层构造，含水情况等多种因素。根据工区收集的物性资料及以往的经验统计，砂岩、泥岩、石英砂岩、砂砾岩岩性的视电阻率值如下表2。

现在将表2的主要岩石电性特征表述如下：

1）泥岩及砂质泥岩。新近系的泥岩及砂质泥岩电阻率在54～290Ω•m之间，一般值为130Ω•m左右，相对于该工区地层岩性属于中低视电阻率。

2）砂岩。白垩系的砂岩电阻率在122～583Ω•m之间，一般值为309Ω•m左右，相对于该工区地层岩性属于中高视电阻率。

3）石英砂岩、砂砾岩。第四系主要为砂砾岩和石英砂岩，砂岩随着石英含量的增加，视电阻率值增大；砂岩随着砾石含量和孔隙度增加，视电阻率也值增大。石英砂岩和砂砾岩电阻率在508～1867Ω•m之间，一般值为840Ω•m。

可以看到，第四系、新近系、古近系、白垩系主要地层物性差异明显。此外含水地层及含水构造相对于完整地层表现为明显的低阻。因此本工区能够用电性差异区分物性差异较大的岩性，划分含水地层和构造，本工区具备开展广域电磁法的地球物理勘探条件。

2 工作方法简述

广域电磁法为人工源频率域电磁电磁测深法，其工作原理和方法与可控源音频大地电磁法相似。图2、3为广域电磁法工作布置示意图，图中一端发射，一端接收，测线为接收端位置，发射端AB于测线平行。

场源电极（A、B）根据实际地形、地物情况，选择远离了人员聚集地区、水域、高速公路、高压线等干扰源。保证了测线两端与垂直场源中心点垂线夹角均小于25º，保证了AB场源平行于测线方向布设，方位角误差小于2°。

如图2、3所示，本次广域电磁测线为呈井字型网状布设的6条测线，所以要采集主测线和联络线两个方向的电磁场数据，需要在全区布置两个方向的场源分别与主测线和联络线测线方向平行，才能满足野外数据信噪比，达到勘查目的。根据已知地质资料显示，目的层古近系及白垩系的埋藏深度达到3km，为了满足勘探要求，发射端场源布设均满足了信号强度和勘探深度的要求：①主测线方向场源AB=1.01km，收发距在r1在12～15km之间；②联络线方向场源AB=1.12km，收发距在r2在10～11km之间。

图3 联络线方向工作布置示意图

图4 测线布置平面图

3 应用效果

3.1 解释流程

针对地质任务，结合本区的勘探实际情况，确定如下解释流程：

1）地质结构研究。以广域电磁法剖面资料为主，结合已有资料，综合解释研究区地质结构特征。

2）地质-地球物理模型确定。以地表地质、钻井作标定，物性参数作桥梁，6条电法反演断面为依托，建立地质－地球物理模型初始模型。再结合已知成果资料，编制平面成果图件，经平面与剖面反复协调和优化，确定最终的地质模型，制作地质解释剖面图。

3）地层划分。根据各地层的电性特征，以地电对应关系和电性层沿剖面的横向变化趋势进行追索，确定地层分层界线，划分主要的含水地层。

4）划分标准。纵观实测6条剖面的电性剖面及物性资料，可以初步确定本测区广域电磁法视电阻率的划分标准如下：

低视电阻率：1～50Ω·m（100～101.7）；

中视电阻率：50～100Ω·m（101.7～102）；

中高视电阻率：100～630Ω·m（102～102.8）；

高视电阻率：630～1580Ω·m（102.8～103.2）；

比对本次物性资料及反演剖面电性特征，新近系地层电性属于20～100Ω·m（101.3～102）范围，为中低阻视电阻率，该地层也是本次工作重点研究的电性层。

3.2 剖面综合分析

如图4，勘查区共完成6条测线（L1、L2、L3、L4、L5、L6），最终完成了6条测线的广域电磁法反演成果图。以下分别对主测线和联络线各线做简要阐述：

1）主测线解释

如图5—8，分别为L3—L6线的整个电阻率断面，各剖面分层信息清楚，纵向上整体呈现为中高-低-中的电性变化，从物性数据上看，与第四系、新近系、古近系、白垩系四个大层位的地电模型吻合。

图5 L3线反演剖面

图6 L4线反演剖面

图7 L5线反演剖面

图8 L6线反演剖面

L3—L6线反演电性断面均可以细分为八个电性层：2150m至地表的电阻率大于 300Ω·m，表现为中高阻，此为第一电性层；海拔 2050～2150m 的电阻率小于200Ω·m，一般为100Ω·m以下，表现为相对低阻，此为第二电性层；海拔 1700～2050m 的电阻率大于300Ω·m，一般为400Ω·m，显示为相对高阻，此为第三电性层；海拔 1200～1700m 的电阻率小于100Ω·m，一般为100Ω·m 左右，显示为次低阻，此为第四电性层；海拔 700～1200m 的电阻率小于30Ω·m，一般为20Ω·m 左右，显示为低阻，此为第五电性层；海拔 200～700m 的电阻率在30～70Ω·m之间，显示为次低阻，此为第六电性层；海拔 -600～200m 的电阻率D低于20Ω·m，显示为低阻，此为第七电性层；海拔 -600m 以深的电阻率升高，显示为高阻特征，此为第八电性层。

结合已知地质资料和物性测试数据，推断认为第二、五、七电性层含水层。其中，第二电性层推断为第四系的浅表含水层，埋深100～150m；第五、七电性层的明显低于不富水的砂泥岩电性值，推断为强含水层。而第六电性层为次低阻，推断为两含水层之间的泥岩隔水层。

2）联络测线解释

图9、10为L1、L2线的反演剖面图，测点编号由西到东的方向为162°。L1、L2电性断面与主测线电性断面电性分布特征相似，电性值相近。整个电阻率断面电阻率变化梯度大，分层信息清楚，纵向上整体呈现为中高-低-中的电性变化，从物性数据上看，与第四系、新近系、古近系、白垩系四个大层位的地电模型吻合。

L1、L2俩线反演电性断面均可以细分为八个电性层：2150m至地表的电阻率大于 300Ω·m，表现为中高阻，此为第一电性层；海拔 2050～2150m 的电阻率小于200Ω·m，一般为100Ω·m以下，表现为相对低阻，此为第二电性层；海拔 1700～2050m 的电阻率大于300Ω·m，一般为400Ω·m，显示为相对高阻，此为第三电性层；海拔 1200～1700m 的电阻率小于100Ω·m，一般为100Ω·m 左右，显示为次低阻，此为第四电性层；海拔 700～1200m 的电阻率小于30Ω·m，一般为20Ω·m 左右，显示为低阻，此为第五电性层；海拔 200～700m 的电阻率在30～70Ω·m之间，显示为次低阻，此为第六电性层；海拔 -600～200m 的电阻率D低于20Ω·m，显示为低阻，此为第七电性层；海拔 -600m 以深的电阻率升高，显示为高阻特征，此为第八电性层。

结合已知地质资料和物性测试数据，推断认为第二、五、七电性层含水层。其中，第二电性层推断为第四系的浅表含水层，埋深100～150m；第五、七电性层的明显低于不富水的砂泥岩电性值，推断为强含水层。而第六电性层为次低阻，推断为两含水层之间的泥岩隔水层。

3）综合对比解释

通过上述各测线反演剖面的分析解释，有如下解释成果：

①整体规律。各线的反演剖面电性成层性较好，各线反演剖面纵向上“中高-低-高”的电性特征总体上均反映出了以第四系（Q）、新近系（N）、古近系（E）、白垩系（K）四大层序为主的地质模型，相邻电性剖面相似度高。

②八个电性层。根据各剖面电性特征和物性资料，划分了八个电性层：2150m至地表的电阻率大于 300Ω·m，表现为中高阻，此为第一电性层；海拔 2050～2150m 的电阻率小于200Ω·m，一般为100Ω·m以下，表现为相对低阻，此为第二电性层；海拔 1700～2050m 的电阻率大于300Ω·m，一般为400Ω·m，显示为相对高阻，此为第三电性层；海拔 1200～1700m 的电阻率小于100Ω·m，一般为100Ω·m 左右，显示为次低阻，此为第四电性层；海拔 700～1200m 的电阻率小于30Ω·m，一般为20Ω·m 左右，显示为低阻，此为第五电性层；海拔 200～700m 的电阻率在30～70Ω·m之间，显示为次低阻，此为第六电性层；海拔 -600～200m的电阻率D低于20Ω·m，显示为低阻，此为第七电性层；海拔 -600m 以深的电阻率升高，显示为高阻特征，此为第八电性层。

图9 L1线反演剖面

图10 L2线反演剖面

表3 推断含水层统计表

③三层含水层。在八个电性层中，推断解释了三层含水层，分别为第二、五、七电性层含。其中，第二电性层推断为第四系的浅表含水层，埋深100～150m；第五、七电性层的明显低于不富水的砂泥岩电性值，推断为强含水层。而第六电性层为次低阻，推断为两含水层之间的泥岩隔水层。三层含水层推断统计见表3。

④热储推断解释。盖层——勘查区第四系厚度500m左右，岩性为砂砾卵石，其下部新近系厚度约1500m，岩性为砂岩、砾岩、泥灰岩、泥岩，第四系和新近系地层组成良好的盖层。

热储——据上述电性剖面推断，主要含水层为新近系和古近系地层，水类型为承压水，古近系岩性为砾岩、砂岩、泥灰岩，厚度大于400m，古近系地层构成了良好的热储。

4）热源

通过物探剖面未发现明显断层的异常显示，热源通过地层地热增温实现，本次剖面推断古近系含水层异常中心埋深为2500～2600m，按一般值（2.5℃/100m）估算古近系地下热水温度为50～60℃。

图11 地热钻探有利区推断图

①热储模型。勘查区热储模型为：第四系和新近系地层为盖层，厚度2000m；古近系为测区层状地热储层，以地热增温率获取热源。

②地热钻孔有利区。测区地热钻探的目标储层为古近系含水层，根据古近系含水层在各电性剖面上的异常规模和强弱程度，布设地热钻孔的有利段为：L4、L5全段及L1线的3000～4800里程、L2线的2200～4000里程，故钻探布设的有利区为此四条线相交的区域，钻探有利区如图11所示。有利区预计含水层深度：

第一含水层：异常中心埋深150m；

第二含水层：异常中心埋深1300；

第三含水层：异常中心埋深2500～2600m。

4 结论

根据本次物探工作的实施情况，得出如下结论：

1）本次物探工作采用广域电磁法，较为清晰地反映了3000m以浅的勘查区地下电性特征。各线反演剖面均清晰显示了八个电性层，其中一、二、三电性层属第四系，四—六电性层属新近系，第七电性层属古近系，第八电性层属白垩系。

2）参考已知地质资料和物性测试数据，推断划分了三层含水层，分别为第二、五、七电性层含水层。其中，第七电性层即古近系地层推断为热储层，推断与已知钻孔资料吻合。

3）清晰反映了勘查区白垩系基底的起伏形态，基底埋深在L4、L5附近最深，在L3及L6线附近最浅。白垩系基底在勘查区呈凹陷起伏心态，与已知的重力资料吻合。

调查区各物探测线上未发现明显的断点异常显示，测区内未发现明显隐伏断层。

4）测区地热钻探的目标储层为古近系含水层（第七电性层），根据古近系含水层在各电性剖面上的异常规模和强弱程度，布设地热钻孔的有利段为：L4、L5全段及L1线的3000～4800里程、L2线的2200～4000里程，故钻探布设的有利区为此四条线相交的区域，钻探有利区如图11所示。有利区预计含水层深度：第一含水层：异常中心埋深150m；第二含水层：异常中心埋深1300；第三含水层：异常中心埋深2500～2600m。

何继善，2010．广域电磁法和伪随机信号[M]．北京：高等教育出版社．

何继善，2016．广域电磁测深法研究[J]．工程地球物理学报，13(3):285-288．

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

王琴，2014．广域电磁法油气目标识别技术研究与应用[D]．中南大学．

Effect of the Application of Wide-Field Electromagnetic Method in geothermal exploration

TAN Zhangkun GU Zhiwen YIN Xuebo CAO Liping

(Sichuan Zhong Cheng coalfield Geophysical Engineering Institute Co., Ltd, Chengdu610000,China)

At present, the deep geothermal exploration mainly depends on geophysical exploration methods, while the geophysical methods with depth greater than 1km are few.From the perspective of high efficiency, green and environmental protection, magnetotelluric method and controllable source audio frequency magnetotelluric method are generally selected for deep geothermal exploration, but the depth and accuracy are still restricted.As a new electromagnetic method, Wide-Field electromagnetic method is more perfect in theory and supporting equipment, greatly liberating the depth and precision.In this paper, the principle and working technology of wide-Field electromagnetic method are briefly described. Through its application in Gansu Province, combined with gravity, drilling and other data, the effectiveness and superiority of wide area electromagnetic method in deep geothermal exploration are illustrated。

2020-04-03

谭章坤（1986-），男，湖北人，工程师，研究方向：公路隧道、城市地质、油气资源领域的地球物理勘察应用

P314.3

A

1006-0995（2021）01-0116-07

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.01.024