可控源音频大地电磁测深法在地热勘探中的应用

李 鹏，刘丽丛

(1.天津地热勘查开发设计院，天津 300250；2.内蒙古自治区地质环境监测院，内蒙古 呼和浩特 010020)

放射性物质衰变在地球内部产生巨大热能，热能通过多种方式向地表传播热量至人工可以采集到的地壳上层，地热资源就是指够借助于某种媒介有效地采集和利用的地热能。目前，可以利用的地热资源主要包括天然出露的温泉、浅层地热能、人工钻井开采利用的地热流体以及干热岩体中的地热资源[1-6]。

作为新能源，地热资源已成为不可或缺的重要资源之一，其开发利用日益受到重视。工区位于内蒙古西部，由于尚未系统开展过地热资源勘查，需要通过地球物理手段查明地下2 000 m以上地层特征，尤其是盖层及热储层的时代、岩性、厚度及埋深，并查明区域断裂特征及产状，寻找地热资源有利远景区。

由于地热资源的形成需要地层具备特殊的地质条件以及稳定的热储层，导致地热资源与周围地层存在不同的地球物理异常。因此，地球物理勘查成为寻找地热资源的重要手段[7-13]。常用的地球物理方法主要包括重力、磁力、电磁、地震等。根据前人研究，含热储层电阻率比非储层低，可以将地下岩层低阻异常作为地热资源判别的重要标志，电磁法成为常用的地热资源勘查手段。而音频大地电磁测深法是通过观测天然电磁场在地下的分布特征，研究地下矿石电阻率分布规律的一种地球物理勘探方法[14-19]，工作效率高、探测深度大且抗干扰能力较强，是一种简捷、有效并且直观的地球物理勘探方法，在地热勘查中得到了广泛的应用。

1 区域地质概况

河套盆地主要是受区域构造应力作用形成的中新生代断陷盆地，断裂带活跃，左右着盆地的演化，导致区域内地质构造复杂，为区域内地热资源的发育提供了重要的热源，受一系列构造运动影响，区域内主要发育沉积型地热。

1.1 地层

河套盆地位于内蒙地轴南侧，鄂尔多斯地块北部，在中生代之前一直受到长期的剥蚀。在晚侏罗世末期由于区域构造运动同时受到北东—西南方向的拉伸，形成了近东西向展布的断陷盆地，开始具备更多的沉积空间，接受湖相沉积。

工作区南部划属华北地层区，北部乌拉山属阴山地层区。华北地层区内的河套盆地三湖河平原主要出露为第四系，阴山地层区的乌拉山主要出露太古界中深变质岩系。在盆地内有少数钻孔揭露新近系上新统、下白垩统及太古界。结合区域地质、水文地质资料，盆地内的热储类型主要包括大理岩热储层、白垩系热储层及新近系、古近系热储层。工作区地质简图如图1所示。

图1 工作区地质简图

1.2 岩浆岩

工作区北部乌拉山局部有岩浆岩出露，受山前断裂的影响，山前盆地内可能有分布。主要岩性为太古代晚期混合花岗岩及印支期花岗岩。

1.3 构造

工作区大地构造位置属于华北地台一级构造单元，在纵向上跨越2个二级构造内蒙台隆和鄂尔多斯台坳。河套断陷盆地位于工作区南部，基底主要为太古界变质岩系，上覆元古界、下白垩系及新生界沉积物，岩相厚度变化大，构造复杂。工作区北部为大青山隆起，第四纪以来构造运动强烈，新老断裂活动频繁。

2 地球物理特征

从区域重力资料和航磁资料来看，由于该盆地为中新生界盆地，在布格重力异常图上主要表现为重力低异常，呈窄条带状展布。在工作区重力低异常北侧呈线形密集状展布，南侧重力异常呈过渡型，推断工区内中生界盆地为箕状，其南侧为超覆界线，北部受同沉积断层乌拉山及大青山山前断裂控制。

图2 工作区周边布格重力异常平面等值线

从区域航磁资料分析盆地基底主要呈弱磁异常，结合区域物性资料特点，基底岩性主要为白云质大理岩。

图3 工作区周边航磁异常ΔT(化极)平面等值线

基于前期大量的电测深和地震等地球物理勘查工作，盆地在早白垩世和新生代构造运动频繁，发生强烈坳陷。其中，古近系、新近系的沉积厚度为4～5 km。

3 地热资源勘查

3.1 可控源音频大地电磁法原理

可控源音频大地电磁法是在大地电磁测深法和音频大地电磁测深法的基础上发展起来的一种频率域测深方法[4]。采用可控制人工场源激发地下岩石，在距偶极中心一定距离处，利用不同岩石的电导率差异测量一次场电位和磁场强度变化的一种电磁勘探方法[5]。

CSAMT法以有限长接地导线为场源，信号强度大，勘探深度可达2～3 km，与其他频率域电磁法相比，对压制干扰有较好效果。由于测量的是卡尼亚电阻率(电场与磁场之比)，抗干扰能力强，受地形影响较小。随着越来越多的地热资源被开发利用，开采深度越来越大，可控源音频大地电磁测深作为一种探测深度较大的电磁探测方法，在深部地热勘查中得到越来越广泛的应用[6]。

3.2 工作方法

CSAMT法根据使用的场源数目和观测的场分量多少，分为4种测量方式(张量、矢量、面积性标量和标量法)。其中，面积性标量方式只需观测1个场源的2个正交的切向分量，方法简便、快速、经济，在一般地质情况下可以取得良好的应用效果，在地热勘查中得到广泛的应用。

对于可控源音频大地电磁法，为了获得尽可能大深度范围内的地电信息，此次勘探选用GDP32II仪器系统，采用面积性标量观测方式进行野外数据采集，在每个测点测量沿测线方向的电场和垂直测线方向的磁场分量。

(1)收发距的选择。工区内地层电阻率值整体较低，发射机的最低工作频率为1 Hz，设置收发距最小为7 200 m。

(2)剖面部署和测点布设。乌拉山山前断裂是工作区内发育最长、切割深度最深的断裂，是工作区周边最为重要的构造，呈近东西向展布，工作区内断裂也多呈近东西向展布，因此测线垂直断裂布置，共布置了6条南北向的可控源音频大地电磁测深剖面。

3.3 数据处理

数据处理决定了后续成像和资料解释的质量，通过采集数据进行预处理、数据点选择、模型选择等相关处理，结合区域已知物性资料，绘制地质断面图，推测地下地热覆盖层厚度和热源位置，形成最终地质解释成果[7]。

(1)预处理。原始数据中存在随机干扰信号，在数据处理线对实测数据进行编辑，剔除明显的干扰点或错误点，并对原始数据重排及磁场振幅进行3点滑动滤波处理，减少随机干扰，提高数据质量。

(2)远区数据频点的选择。为使电场接近平面波，野外测量时尽量选择在远区进行CSAMT测量，但在实际中由于条件限制使得某些频率无法满足远区勘查要求。因此，在 2D数据反演中需要对远区数据进行改正。

(3)反演初始模型选择。其直接影响反演电阻率断面图的准确性，进而影响地质综合解释的可靠性。根据区域地质情况及测井资料，选择原始数据的滑动平均模型作为反演初始模型。

(4)圆滑系数的选择。主要为Ressmth的选择，影响反演模型数据拟合度与模型粗糙度。如果Ressmth过大，会导致数据拟合度较小，断面图等值线比较圆滑，但同时可能湮没一些地质信息；而选择Ressmth过小，数据拟合度较高，但模型较粗糙，浅部出现电阻率等值线团块，反演电阻率也出现异常大或小，又可能引入假的地质信息。通过对不同的Remsmth值反演试验，最终确定反演参数Ressmth=0.5、水平圆滑系数为10、垂直圆滑系数为1。

(5)二维反演。此次工作区内数据处理采用二维共轭梯度反演法，实用性较强、效果较好。

数据处理过程中通过对原始资料剔除无效及随机干扰信号、对电场数据、磁场数据做圆滑处理，最后通过反演得到电阻率断面图。通过反演剖面分析电阻率异常特征，同时结合区域地质资料，地热地质资料以及其他勘查资料，判断地层界面及断层位置、产状，在定性分析认识的基础上，通过反演对定性成果定量化，使得反演结果尽可能接近地质真实情况。

3.4 资料分析

工作区位于盆地内，盆地内各时代地层电阻率具有一定差异，为该区开展电法勘查提供了较好的物理前提，其中新生代第四系地层电阻率具有中高阻特征，第三系地层中的泥岩具有低电阻率特征，大理岩具有高阻特征，而白垩系地层中的砂岩相对新生代地层具有高阻特征，与大理岩有电阻率差异。

(1)电性特征。K1—K5测线每条测线共布设测点52个，剖面长度约10.2 km，K6测线共布设测点44个，剖面长度约9.6 km。依据工作区电性结构特征，并结合6条测线二维反演电阻率剖面图可以看出，剖面的电性特征总体相似，表现为在纵向上分层、横向上连续的沉积地层特征(图4)。

图4 K1—K3测线二维反演剖面图及地质解释

剖面横向上整体上以中低阻值为主，局部存在高低阻异常，主要是受铁路上输电线与地下光缆的电磁干扰反映。横向连续性较好，整体上测线后段电阻率明显增大，对应工作区北部靠近山坡一段，剖面纵向上呈现出阻值上高下低的趋势，据此可分为2层结构。分层界面定性为第四系中更新统(Q2)底板，在第四系中更新统(Q2)接近底板处电阻率变小。第一电性层整体为相对的中高阻层，视电阻率范围在10～200 Ω·m，地层为第四系中上更新统及全新统(Q2+Q3+Q4)，综合判断第四系中更新统(Q2)底板埋深为500～1 400 m。第二电性层是从第一电性层底面向下延伸至剖面底部，整体为低阻层，视电阻率小于10 Ω·m，为第四系(Q1)及新近系(N)地层，综合分析该套地层厚度较大，整体厚度900～1 800 m。

图5 物探断裂解译成果

在各条剖面反演成果基础上，绘制出工作区不同深度(500、1 000、1 500、2 000 m)下的水平切片图(图6)。

图6 综合水平切片

综上分析，6条剖面共推断断裂18条，投射到平面图上可归纳为7条断裂，通过可控源音频大地电磁测深反演剖面的综合解译分析，推断工作区有7条断裂。其中，6条断裂F1、F2、F4、F5、F6、F7为近东西向的正断层，倾角均较大，70°～80°，呈现出阶梯状断裂特点，通过综合水平切片图并结合三号线反演剖面图特征，推断F3断裂为一北东向的正断层。

3.5 井位设计

(1)在盆地形成过程、地质特征、地热地质条件研究基础上，结合可控源音频大地电磁测深的成果，工作区为地热增温型地热田。

(2)区内断裂比较发育，东西及北东向断层构造为深部热源向浅部传导提供了通道。

(3)区内第四系地层厚度达1 800～2 000 m，形成很好的热储盖层；新近系地层厚度约500 m，热储层厚度大。

(4)工作区内砂岩电阻率高于泥岩，因而赋水对于砂岩的电阻率影响不大，应寻找相对中高阻值区。

综上所述，可根据可控源勘查成果开展钻井勘查，新近系热储层作为目的层，建议布设2个地热勘探孔ZK1和 ZK2，建议成井深度为2 500 m；建议在二开钻至2 000 m时进行测井，依据测井资料分析2 000 m以上的水温、水量，结合实际需求确定是否继续钻进至设计井深，以减少钻井风险，节约勘查成本。

4 结论

通过在工作区内可控源音频大地电磁测深勘查工作，在保证野外数据采集质量的前提下，将地质、物探、水文等多方面资料进行综合分析、解释，相互对比、相互印证。

(1)随着地热资源开采深度越来越大，可控源勘探深度大，分辨率高，结合地质、地球物理特征可以解决工作区内深层构造及断裂产状问题。

(2)确定地热井位要远离山前混杂、赋水条件差的堆积区，考虑为深部热源向浅部传导提供通道的断裂带等因素。另外，工作区属于盆地层状热储，在确定井位时，要考虑热储层的形成条件应大于断裂构造控制的影响，结合地热特征和地球物理特征确定井位。