综合物探方法在火成岩区寻找地热资源的探讨——以山西省某地区地热勘查为例

高博涵，敬荣中，赵 毅，黄理善

(1.桂林理工大学 地球科学学院，广西 桂林 541006；2.中国有色桂林矿产地质研究院有限公司，广西 桂林 541004)

0 引言

地热资源是一种绿色低碳的清洁能源，可广泛应用于各行各业[1]。地热埋藏深度一般较大，最具开发价值的热岩主要埋深在地下3000～5000 m[2]，为查明其赋存深度及位置，除了进行详细的地质调查外，还需选择有效的勘查技术方法。地球物理方法在地热资源勘查中，技术的应用、结合地质条件进行资料解释等都较为成熟，是非常有效的地热勘查手段[3-19]。

可控源音频大地电磁测深法[20-22](CSAMT)具有勘探深度大、不受高阻屏蔽的优点，是目前地热勘查中应用较多的物探方法之一。不过，瞬变电磁法(TEM)[22]在浅层探测分辨能力、对低阻异常体的探测效果比CSAMT法更有效，因此，在CSAMT的基础上进行TEM可提高地热勘查精度，更准确地确定地质构造特征。大地电场岩性探测[23]的垂向分辨率更高，针对异常明显区可进行单点观测，可与CSAMT与TEM的探测结果相互印证。本文选择以CSAMT为主，TEM和大地电场岩性探测为辅的综合物探法[3]在山西某地地热勘查中，取得了较为理想的勘探效果，为进一步开发地热资源提供了重要依据。

1 测区地球物理特征

电法勘探依据岩石(岩层)电阻率差异进行岩性划分和地层解释。据以往地质及地球物理勘查资料，区内存在断层构造，深部基底为玄武岩和变质岩。喷出型火成岩(例如玄武岩、流纹岩等)电阻率一般低于侵入型火成岩电阻率(例如花岗岩)，但火成岩与变质岩的电阻率一般均大于沉积围岩。因此，可以通过物探方法来测量火成岩及变质岩与沉积围岩的电阻率值差异，以判断火成岩及变质岩位置，进而寻找地热资源[24-26]。测区内主要岩性及电阻率值见表1。

表1 岩石电阻率统计

本区位于桑干河新裂陷之次级构造——怀仁凹陷和黄花梁陷隆单元间，测区范围内已基本具备地热系统的水循环基本要素：测区上覆松散层接受大气降水通过地层裂隙及断层破碎带渗入至深部火成岩及变质岩地层，玄武岩等火成岩位于地下深部，温度较高，并且玄武岩和变质岩一般具有杏仁状气孔结构，可起到储存地下热水的作用。

区内断层可导通上下地层之间的水力联系，当地下水的温度越高或岩石裂隙中充填有热水时，视电阻率将会明显降低[4]，使断层附近形成与断层倾角接近的电阻率低阻异常区。该类低阻异常在电阻率断面图上一般表现较为陡立，通过寻找陡立的电阻率低阻异常，便可以反映断层存在[26]，此为利用综合物探方法在本区开展地热勘查的地球物理基础。

2 基本原理及特点

根据多位学者[4-12]研究可以看出，利用单一的物探方法进行地热勘查时，总会存在一些局限性，测量结果可信度低，为克服单一方法的不足，采用以CSAMT为主，TEM、大地电场岩性测量为辅的综合物探方法，在火成岩地区进行地热勘查，各种方法相互补充，可取得较为理想的勘探效果。

CSAMT[20-21]采用人工接地电极发射一定频率的电磁信号，在远端接收电场的水平分量Ex和磁场水平分量Hy，并以此来计算视电阻率，通过观测视电阻率的变化来推测地下地质结构。作为在地热勘查中应用较为广泛的物探方法之一，CSAMT勘探深度大、穿透高阻的能力强。又因CSAMT采用人工源发射，其场源稳定性较好，抗干扰能力相较于其他电法占优。不过，CSAMT对激发场源和接收场源的收发距存在一定要求，在浅层分辨率较低，横向分辨率有限。针对CSAMT在近区、浅层存在的局限性，选取了TEM和大地电场岩性测量加以补充。

TEM[22]属于时间域电磁感应方法，利用不接地回线向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率。TEM相对于CSAMT对低阻体和浅部地层的分辨能力更强，在探测低阻异常体及浅部地层方面更具优势。图1展示了接地线源和回线源激发的地下电流分布情况，可以看出，采用接地电极作为发射源的CSAMT进行地热勘查时，可同时产生水平电流和垂直电流，当发射较低频率信号，可对高阻基底地层进行探测，而TEM利用回线圈作为发射源，在激发时不产生垂直电流，仅产生水平电流，使TEM在寻找低阻异常时效果显著。研究发现，TEM对于CSAMT在火成岩地区寻找低阻的地热资源有良好的补充作用。

图1 均匀半空间下接地线源与回线源激发的地下电流分布对比

另外，TEM作为一种时间域电磁勘探方法，可通过控制采样时间来提高浅部地层的分辨率，避免了CSAMT在浅部地表存在的“静态位移”影响。而且，在一些不满足CSAMT发射条件地区，也可采用TEM代替测量。

大地电场岩性探测是利用太阳风形成的电磁波作为激发场源[23，26]，利用平行板电容器接收反射信息，压制空气中辐射电场，最大限度突出了上行电场分量，以此提取地下岩性特征及地质信息，判断不同深度下岩性、储层性质的变化，实现对测量区的探测与评价。大地电场岩性探测属于电测深类物探法(图2)，通常在其他物探方法探测后针对异常较明显地区进行单点观测，区别于CSAMT与TEM的是，大地电场岩性探测垂向分辨率较CSAMT与TEM相比更高，可更准确判断异常体的深度。CYT曲线除显示地下岩性特征外，在地下地热异常区也会展现出不同的曲线特征，此为将其应用于地热勘查的重要原因。

图2 CYT探测原理简图

因此，CSAMT与TEM、大地电场岩性探测方法的结合，可以相互补充，在综合解释上各有所长，进一步提升火成岩地区地热勘查的准确性。应用CSAMT为主，TEM、大地电场岩性探测方法为辅的综合物探方法在山西某火成岩地区地热资源勘探中，取得了较好的探测效果。

3 工程实例

3.1 工程概况

本区处于大同盆地桑干河新裂陷中部西侧隆起带，自西向东横跨怀仁凹陷和黄花梁陷隆两个构造单元[26](图3)，区内地层主要有五台群中深变质岩、寒武系、下奥陶统、石炭系、二叠系及新生代(Q+N)地层，局部有太古代花岗岩和新近纪玄武岩侵入，其中玄武岩及五台群深变质岩是地下热水的良好储存体。

本区横跨桑干河新裂陷之次级构造怀仁凹陷和黄花梁陷隆两个构造单元，区内发育一系列走向NE的断裂构造，为地下各含水层提供了较好的联系通道。

图3 桑干河新裂陷地质构造剖面示意图

如图4所示，在勘探区内布置了4条CSAMT测线。

图4 工程布置图

CSAMT探测中，所采用的仪器为GDP32Ⅱ多功能电法工作站。发射极距AB为1500 m，发射电流能电法工作站。发射极距AB为1500 m，发射电流为14～16 A，收发距为6 km；59线和64线的接收点距为50 m，10线和60线的接收点距为100 m，信号的频带范围为 0.125～8192 Hz。

TEM探测中，所采用的仪器也为GDP32Ⅱ多功能电法工作站，采用中心回线装置进行测量。发射线框为600 m×600 m单匝回线，采用发电机进行供电，发射源基频为16 Hz，发射电流15 A；测点之间的点距为50 m。

CSAMT测量完成后，在CSAMT电阻率异常较为明显的60线附近布置了TEM测线，用于较准确地圈定低阻断裂带，并结合CSAMT、TEM成果，在60线3350点附近布置了大地电场岩性测量。

3.2 实测结果及验证

在实测数据的处理中，首先利用数据采集系统

GDP32Ⅱ所配套的数据预处理软件对所采集到的数据进行数据整理和坏点剔除，然后利用基于OCCAM算法的CSAMT-2D反演软件和TEM-1D反演软件对数据进行反演。将反演后的结果绘制成CSAMT及TEM视电阻率(ρs)断面图(图5)。总体上，CSAMT与TEM视电阻率断面图形态基本一致，均表现为视电阻率在中浅层为中—低阻并随着深度增加视电阻率逐渐增大，至深部基底表现为高阻。

对比CSAMT与TEM的探测效果(图5)的不同之处：

1)在地表深度较浅处的探测效果，TEM优于CSAMT。CSAMT受到地形影响、第四系泥质砂土及黏土层的低阻屏蔽干扰较大，表现为中阻异常，视电阻率曲线呈现为扭曲变化等特征，在一定程度上降低了浅层的分辨率；而TEM虽然存在深度约为100 m的盲区，但在地表浅层受到的低阻屏蔽层干扰较小，视电阻率值在地表浅层处表现出明显的规律性，与实际地质特征相符。

2)在深度较大处的探测效果，CSAMT优于TEM。4500点至10 000点区段，CSAMT在深部的数据分层性较好，而TEM在这一区段视电阻率曲线稍显混乱，且TEM在9000点至9500点区段出现了视电阻率曲线的圈闭状高阻异常值，这一高阻异常值应为干扰引起的假异常，TEM晚期测道的二次场电位在此段跳动也较大，缺乏规律性，说明了CSAMT抗干扰能力优于TEM。

3)对导水断层构造的探测效果，TEM与CSAMT各有优势。由于TEM的纯TE场模式，尤其对低阻目标体敏感，这一点在F1断层的反映上体现较为明显。CSAMT在浅部对低阻区域的F1断层几乎没有反映，但是在TEM剖面上却存在明显的低阻异常。从TEM二次场电位多测道图(图5b)上也看出，该区域存在明显的二次场电位高值异常。CSAMT对断层探测的优势，主要体现在对于深部高阻基底中断层的探测上。在5000～5700 m、9500～10 000 m区段，推断第四系、新近系松散堆积物埋深约为500 m，其下部为火成岩基底，视电阻率反映为高阻特征。CSAMT视电阻率断面图(图5a)中，这两个区段表现为陡立的梯度带，推断为F2、F3断层，可以较为直观地分辨断层的上下盘。

4)对火成岩基底的探测效果，CSAMT优于TEM。在5800～9300 m区段，CSAMT对火成岩基底有十分明显的高阻反应，而TEM在这一位置高阻反应并不明显，未突出火成岩基底。

图5 60线CSAMT与TEM视电阻率断面图

在CSAMT和TEM法初步解译的基础上，针对异常较为明显的3350点附近进行了大地电场岩性探测。大地电场岩性探测后形成的CYT曲线(图6)上，地下热水储存有利段或富水地段频率一般较低，且曲线较圆滑，一般表现右偏，且峰值较高。

由CYT曲线特征图(图6)可知，在1230 m、1270 m深度附近右侧峰值较高，可判定为温度异常；1850～1900 m层段和1220～1300 m层段，曲线频率低(稀疏)，向右偏的峰值明显，推断为含水层。由此可见，CYT曲线在解译含水层深度及温度方面的特征较为明显，是对CSATM、TEM探测结果的有效补充。

图6 60线3350点CYT曲线特征图

根据实测结果，在3350点进行了钻探验证，该钻孔在1610 m处钻遇到了地下热水。随后又进行了抽水试验，根据抽水试验结果，本区地下热水单位产量为233 m3/d，水温58℃。这一结果证实了断层及五台群火成岩地层地下热水的赋存特征。

综上，CSAMT与TEM、大地电场岩性探测的结合在本测区地热勘查中取得了非常好的效果，采用多种方法综合的勘探手段，在不同深度处的探测精度、对断层构造和火成岩基底的探测效果等方面，可以进行相互佐证和补充，提高了勘探精度及推断解释的准确性。

4 结论

1)本次研究采用综合物探法，根据实测结果推断勘查区内存在F1、F2、F3三条断裂，对F1断裂3350点进行钻探验证成功获取地下热水。

2)选择以CSAMT为主、TEM和大地电场岩性探测为辅的综合物探方法在火成岩地区地热勘查中是行之有效的。

3)物探方法技术都有其应用的前提条件，因此，根据不同的地质条件和需解决的具体地质问题，选择不同的地球物理方法及多种方法技术的综合应用是取得好的勘查效果的关键。