广域电磁法在襄阳九集地热资源勘查中的应用

田碧 张维江 王帅君 税顺建

（湖北省地质局第八地质大队，湖北襄阳 441002）

1 概述

广域电磁法由中南大学何继善课题组提出，该方法继承了CSAMT 使用人工场源克服场源随机性的优点，采用精确公式通过测量电场计算广域视电阻率，扩展了观测适用的范围，提高了观测速度、精度和野外效率（何继善，2010）。

应用广域电磁法进行深层地热勘查的优势在于：（1）广域电磁法可以在广大的、不局限于远区的区域内进行观测，拓宽了观测范围，增大了勘探深度；（2） 相对于CSAMT 法发射电流一般为10A 而言, 广域电磁法的发射电流超过100A, 信噪比得到了极大的提高,深部热储区的电性层分辨率也得到了较大的提高（曹彦荣，2017）。

2 勘查区地质、水文概况

2.1 地质概况

勘查区内大范围被第四系(Q4)覆盖，新生界新近系上新统广华寺组(N1g)粘土岩、古近系渐新统荆河镇组(E3j)粉砂质页岩主要分布于工作区外围。下古生界奥陶系中- 上统宝塔组(O2-3b)灰岩在工作区西北部零星出露（图1）。

图1 九集地区地质简图

结合已施工钻孔揭露的地层资料（表1），勘查区内出露的及深部隐伏地层由新到老依次为：新生界第四系全新统，新近系掇刀石组，白垩系跑马岗组，奥陶系- 宝塔组、牯牛潭组以及大湾组，寒武系上统娄山关组、覃家庙组，寒武系中统石龙洞组以及天河板组，寒武系下统刘家坡组，震旦系上统灯影组、震旦系下统陡山沱组。

2.2 区域水文地质概况

区域上地层的含（隔）水性大致可划分为岩溶裂隙含水岩组、相对隔水岩组、裂隙水含水岩组、孔隙水含水层四类，分述如下：

（1）岩溶裂隙含水岩组：包括震旦系灯影组及陡山沱组碳酸盐岩岩溶裂隙含水层、奥陶系中下统及寒武系中统碳酸盐岩岩溶裂隙含水层。

震旦系灯影组及陡山沱组碳酸盐岩岩溶裂隙含水层，浅部岩石节理裂隙极发育，岩溶发育，向深部两者均有不同程度的减弱，其浅部富水性强，深部富水性弱-中等。

奥陶系中下统及寒武系中统碳酸盐岩岩溶裂隙含水层，浅部节理裂隙发育、岩溶发育，向深部也均减弱，富水性弱- 中等。

（2）相对隔水岩组：包括寒武系下统泥质灰岩及页岩相对隔水层、白垩系- 第三系粘土岩、页岩相对隔水层。

（3）裂隙水含水岩组：主要为白垩系- 第三系砂岩、砂砾岩裂隙含水层。泉流量8.64-103.68m/d，富水性弱。

（4）孔隙水含水层：第四系孔隙水含水层。厚度0-50m，富水性不一。

2.3 地热地质条件

在前期勘查工作成果的基础上提出九集地热四要素如下：

热源：深大断裂沟通的深部热对流和大地热流。

热储层地下热水通道：深大断裂及F1、F2 等断裂。深大断裂沟通深部热对流，是控热、导热、导水通道。勘查区深部F1、F2 等断裂沟通深部及浅部的含水层，将深部的地热流体导入全部含水层，是导热、导水通道。

热储层：热储层为震旦系灯影组和寒武系刘家坡组构造裂隙含水层。推测深部有震旦系岩溶裂隙含水层，是温度更高、富水性更好的热储层。

盖层：包括寒武系娄山关组、天河板组相对隔水层以及寒武系刘家坡组、石牌组相对隔水层。

九集地热田的形成与南漳地堑地层、构造和区域水文地质条件有关。南漳地堑下陷，勘查区一带寒武系-震旦系地层深埋，而在勘查区以西隆起；在大气降水入渗补给后，由于压差（高程差）向勘查区深部径流；径流途中受大地热流和深大断裂沟通的热对流作用，地下水被加热，补给勘查区深部热储层；深部热储层地热流体沿断裂构造裂隙和地层向上运移，于勘查区深部形成热储层和地热流体（张维江，2019）。

3 地球物理特征

3.1 物性特征

从勘查区各类岩石电性特征来看（表1），灰岩、白云岩电阻率一般在2000Ω·m 以上，表现为高阻；粉砂岩、页岩一般在300-500Ω·m 上下，表现为中低阻；泥岩以及第四系粘土及亚粘土等为明显的低阻。

表1 九集地热勘查区岩石电性参数统计表

值得注意的是寒武系地层中见到的碳质页岩、含碳白云岩等为低阻- 中低阻，且地下岩石受构造影响较为破碎而充水时也表现为低阻异常。

从地层来看，震旦系陡山沱组、灯影组以灰岩、白云岩为主，总体呈高阻；而寒武系地层电性特征则较为复杂，各地层岩性总体白云岩、细晶白云岩为主，表现为中高阻背景，而含有炭质页岩的（例如刘家坡组）地层则表现为低阻。奥陶系以灰岩和白云岩为主、夹页岩、炭质页岩等，呈高阻及中低阻；古近系、新近系、第四系地层均为低阻。

综上所述，勘查区的覆盖层一般表现为中低阻，而下伏的奥陶系、寒武系以及震旦系地层之间的电性特征也存在一定的差异，具备开展广域电磁法工作的前提。

另一方面由于勘查区内隐伏断裂构造的影响，断裂带附近的岩石较为破碎，充水后可以表现为明显的中低阻（相较于较完整岩石），在地电断面上表现为视电阻率等值线的同向扭曲、错断或者垂向分布的低阻带等特征。

3.2 广域电磁法工作成果

3.2.1 技术参数

广域电磁法剖面W4 线AB 距1.35km，收发距r=8.74km，测量点距MN=50m，供电电流大于110A。接收机采用1、3、4、5、6、7、8、9、11 共9 个频组，共采集61 个频点，频率范围8192Hz-3/256Hz。

3.2.2 前期工作成果

九集地热勘查区工作自2010 年陆续开展，2010-2012 年度开展了地形测绘、地质调查、地质剖面测量、物探、钻探等工作。物探工作采用了电阻率联合剖面法、对称四极测深测量，主要对勘查区浅表（300m 以浅）的构造进行了推测。钻探工作对勘查区浅表（228.62m 以浅）的地层、构造、含水层进行了揭露。

2018 年完成的浅层测温工作，圈定了地温高值异常区（图1）。

2019 年度在九集勘查区施工了深部验证钻孔ZK2，总进尺为1616.58m，孔底温度38℃左右，未打穿第三相对隔水层。

2020 年度，开展了广域电磁法测深测量工作，共布设了4 条测线（呈“井”字形）。主要根据W4 线工作成果布设了深部验证钻孔ZK3。

3.2.3 广域电磁法解译成果

根据广域电磁法测量成果，大致推测了勘查区内深部地层分布情况：

（1）覆盖层- 第四系（Q4）、古近系（N1d）地层厚度越靠近基岩出露区（即勘查区西部）越薄，越往东部（或北东部），覆盖层厚度越厚。以钻孔施工结果为例，钻孔ZK3 处，地下11m即见奥陶系灰岩。而位于勘查区南西部的钻孔ZK2，0～14.3m 为第四系，14.3～115.9m 为古近系地层，115.9～242.82m 为白垩系地层，覆盖层厚度远大于ZK3 处。

W4 线二维反演结果清晰的反映了覆盖层厚度变化特征，南西部表现为中高阻异常（由浅部奥陶系灰岩引起），北东部为中低阻异常（厚约80m）,覆盖层厚度自南向北，逐渐变厚（图2）。

（2）下部依次为奥陶系地层、寒武系地层以及震旦系地层。以W4 线为例：标高0m～-200m 奥陶系地层，-200m～-1200m 之间主要表现为中高阻，推测为寒武系娄山关组覃家庙组以及寒武系石龙洞组地层的反映。

标高-1200m～-1600m 之间总体表现为中低阻异常区，推测为寒武系天河板组，石牌组、刘家坡组地层，岩性主要为含碳白云岩、炭质页岩等。四条广域剖面的低阻异常带往往位于这一层，根据钻孔ZK2、ZK3 施工结果，这一层低阻异常带于构造裂隙含水带对应较好。

而标高-2000m 以下基本表现为大面积的高阻异常（大于1000Ω.m），且越往深部视电阻率值越高，推测为震旦系地层的反映。

（3）根据2020 年度广域电磁法剖面测量成果，结合前人资料，在勘查区内推测了四条断裂带，自南向北依次编号为F0、F1、F2、F3（图2）。

图2 W4 线广域电磁法二维反演成果图

这四条断裂带产状类似，推测受到勘查区北西部团堡寨倒转复式背斜的影响，在勘查区内形成了一系列北西走向的断裂带。团堡寨倒转复式背斜内发育密集的压性逆冲断裂。断层走向北西(288°-316°)，倾向北东(44°左右)，倾角较陡(60-85°)。

3.3 验证钻孔结果

深部验证钻孔ZK3 布设于W4 线附近的F1 断裂倾向延伸部位，终孔进尺2267.05m。根据钻孔验证结果，区内热储层大体可划分为两层。上部热储位于寒武系中统碳酸盐岩中（ZK3 钻孔见于650m-1452m 段），下部热储主要位于震旦系碳酸盐岩之中（ZK3 钻孔见于1711.8m-1920.9m 段），平均流量492.08m3/d，孔口出水水温40.0℃（张维江，2022）。

4 结论

4.1 广域电磁法在深部地热资源勘查中具有良好的应用前景。本项目根据广域电磁法测量成果，大致推测了地表以下3km 内地层分布特征，推测地层界面位置与深部钻孔所见情况基本吻合。

4.2 根据物探工作成果布设的深部验证钻孔ZK3 内见到两层热储层，平均流量492.08m3/d，孔口水温40.0℃。