高頻大地電磁法與電測深法結合在廣東地區找熱水的應用

朱偉國,韓 雪

(廣東省地質物探工程勘察院，廣州 510800)

高頻大地電磁法與電測深法結合在廣東地區找熱水的應用

朱偉國,韓 雪

(廣東省地質物探工程勘察院，廣州 510800)

為了提高應用地球物理方法指導地熱資源開發的準確性，提出了將高頻大地電磁法與電測深法結合，高頻大地電磁法反映中深部地質為主(為主要方法)，電測深法反映中淺部地質為主(為輔助方法)。將反映淺部和深部的物探方法相結合進行勘探，可以彌補不同方法各自的缺陷，減少多解性的風險，以達到更精確地指導孔位的效果。運用該組合方法在廣東省清遠市地熱資源項目開展野外試驗，利用野外實踐成果直接指導鉆孔的布置，通過實際鉆孔驗證表明該組合方法是有效可行的，在生產實踐中值得推廣。

地熱資源； AMT法； 三極垂直電測深法； 綜合物探； 電阻率

0 引言

廣東省地下蘊藏有十分豐富的地熱資源，僅天然溫泉出露就有300多處，僅次于西藏和云南，位居全國第三[1]。隨著已知天然出露溫泉的開發與利用，新一輪地熱勘察的主攻方向將是深淺結合的隱伏地熱資源。因此，進一步總結當前物探方法在尋找隱伏地下熱水的實踐思路，具有十分重要的研究意義。一般儲熱地層由于含水會使得電阻率降低，低阻異常是尋找地下熱水的重要依據，所以在隱伏地熱資源勘察中，電阻率法占據主要地位。由于常規電法存在探測深度小、工作效率低等問題，在使用中受到較大限制，而目前地熱資源開發的深度越來越深，已超過500 m，此時仍用常規電法作為主要手段很難達到預期的效果。高頻大地電磁法在識別深部地層整體構造、判斷地層變化的連續性、查找斷層或裂隙帶的位置等方面具有優勢[2-4]，當裂隙含水或熱水時，效果更為顯著。然而在多次實踐后總結出AMT法反演解釋成果中,低阻異常存在一定的區域性，難以精確地指導孔位，為了進一步降低地球物理方法反演多解性帶來的影響，提出將反映中深部地質的音頻大地電磁法與反映中淺部地質的直流電測深法相結合進行勘探，可實現二者優勢互補。筆者應用上述深淺結合的物探技術方法進行野外勘察，在廣東尋找地下熱水的試驗中取得了成功。

1 方法原理

1.1 高頻大地電磁法

高頻大地電磁測深法(AMT)是以大地電磁測深法為基礎，通過研究其特定的頻率范圍而發展起來的一種天然源頻率域電磁測深法[5-6]，它是利用趨膚深度隨頻率小而增大的原理，通過改變接收頻率的方法來逐步加大勘測深度的。相比于常規電法，AMT法不受高阻層屏蔽的影響，并且對低阻層的探測精度高。AMT法是通過觀測由遠程天電引起的天然平面電磁波信號以確定地下的電阻率值的方法，它通過研究地電斷面來達到了解地質構造、找礦、找水等地質目的。

AMT法觀測天然場源的頻率變化范圍為中高頻段(1 Hz～100 kHz)，由式(1)可知，要確認地下介質的電阻率值，需測量地表水平電場分量Ex以及正交的水平磁場分量Hy。

(1)

其中：f為頻率(Hz)；ρa為視電阻率(Ω.m)；E為電場強度(mv/km)；H為磁場強度(nT)。

在電磁法的基本理論中，電磁波在大地介質中傳播，當其振幅衰減到原始值1/e時的深度，定為趨膚深度(δ)如式(2)所示。

(2)

從式(2)可知，趨膚深度受電阻率ρ和頻率f的影響。在假設其中兩個參數不變的前提下，高頻數據能夠反映地下淺部區域的電性特征，低頻數據能夠反映地下深部的電性特征。因此，在一個頻率帶上觀測電場和磁場信息，就能計算出視電阻率值及相位。

1.2 三極垂直電測深法

電阻率測深法是使用相應的地球物理儀器采集數據、接收工區的電性參數，并以巖體、構造與圍巖的物性差異為依據，綜合工作區域的地質條件進行分析，做出地質解釋，從而推斷探測目標埋深、大小及反映相關物性特征的物理量[7-9]。

如圖1所示，電測深法是在地表以測深點O(即MN的中點)為中心，不斷加大供電電極AB，從而得到同一測點、不同極距下視電阻率ρs的值，由此得出測深點O在不同深度的地質斷面。三極電測深法，與對稱四極測深法的最大區別在于，把供電電極的一端A放置在沿垂直于測線方向大于5倍OB的地方。三極裝置由于其非對稱性，野外布極相對靈活、具有對局部電性異常響應幅度大、對地形變化適應性強等特點，適用于探測三維地電異常體[10]。

圖1 直流電測深裝置Fig.1 VES layout

2 野外工作布置

2.1 AMT法

本次AMT法使用的是加拿大鳳凰公司生產的V8電法工作站，在世界屬于技術領先的電磁法勘探設備之一。系統由V8主機、3E輔助接收機、磁棒、不極化電極等組成該系統的硬件部分，并配有GPS和網絡通訊系統(圖2)。

圖2 AMT 工作布置圖Fig.2 AMT working layout

2.2 三極直流電測深

三極測深剖面屬較常用的裝置，一般只作單向三極測深：A-MN或MN-B，也作雙向三極電測深。圖3為MN-B單向三極電測深剖面的布極示意。測線上多個測深點①、②、③…⑤…共用一個供電極，外移極測量。如6個測深點間距20 m，剖面長度100 m，B極到①的供電極距序列OB=20 m、40 m、100 m、160 m、200 m、220 m、340 m、400 m、500 m、600 m、700 m。

圖3 三極測深的跑極方式Fig.3 Working way of tri-electrode sounding method

3 研究區試驗

研究區位于廣東省四會市，坐落于灰巖與花崗巖交接的分布區，地形比較平坦，第四系覆蓋為30 m～80 m，勘探區巖石類型主要有第四系礫石、沙石及粘土、燕山三期黑云母花崗巖、古生代泥盆系灰巖。由于受多次構造運動的影響，測區所在區域存在一條規模較大的斷裂——吳川—四會深大斷裂帶，附近有著名的三坑溫泉[11-12]，斷裂延伸范圍廣，走向基本為北東方向，裂隙基本被風化物或黏土充填。根據研究區的水文地質調查結果，區內的地下水十分豐富，由于第四系覆蓋層的存在，很難從地表判斷出斷層的具體位置，更不能直接確定孔位，為此有必要進行地球物理工作以了解測區的電性特征。

地球物理特征是衡量工區是否具備地球物理勘查前提的重要標志，參數測定的準確與否，直接影響到對原始資料的解釋和定性判斷。通過工區小四極測試結果，得到測區主要巖石的電性參數如表1所示。

表1 工區巖石電性參數統計表

Tab.1 Statistics of l rock electrical parameters

地層名稱巖性電阻率/Ω·mQDyJ3r第四系泥盆統楊溪組灰巖燕山三期黑云母花崗巖20～400230～18002000～10000

從表1可知，三種地層對應的巖石有較明顯的電性差異，利用AMT法及電測深法能進行有效分辨。當基巖比較破碎時，在裂隙、破碎帶中因含有地下水，呈現出較強的導電性，相對于視電阻率較高的圍巖而言，在電性上表現為相對低電阻率區域，視電阻率一般在100 Ω.m以下。由此可見，在勘查區內開展電法勘查工作，探測地下的裂隙、構造破碎帶等地質情況，有著較好的地球物理條件。勘查區范圍根據實測地形圖圈定，根據前期地質填圖工作結果，勘查區范圍內共布置4條近東南向的AMT測線(圖4中的 L1～L4)此次地球物理工作的基本思路是:先用高頻大地電磁法進行快速掃面工作，圈定可靠異常區；然后在異常區域進行三極直流電測深法，從而較準確地判定富水地段。

3.1 AMT資料處理

AMT法資料處理分為兩部分：①預處理；②后續處理。野外資料預處理，是指野外原始資料預處理采用V8觀測系統配備的處理軟件SSMT2000進行，先將從儀器中傳出的時間序列文件進行傅立葉變換，結合標定文件求取阻抗功率譜文件，然后提取視電阻率及阻抗相位；資料后續處理是采用中國地質大學的大地電磁法處理軟件CSAMT-SWV 2.0對資料進行處理，先對視電阻率曲線及相位曲線進行剔除跳變點、去噪聲和靜態位移校正等處理，最后再進行反演成像，具體處理流程如圖5所示。

3.2 AMT成果解釋推斷

從圖6可以看出，四條斷面圖在形態上都較為相似，表明勘探區域的電性結構相對簡單，也側面反映出本次野外采集的數據一致性較好。從4條測線的反演結果可知，在各測線的300號點附近均出現了電阻率等值線從西至東方向電阻率值由高值向低值的突變，結合工區地表調查和實際地質資料的分析，推測在異常變化區域可能存在一個泥盆統楊溪組灰巖與燕山三期黑云母花崗巖分界面。該分界面的西邊巖層電阻率值較高，均大于1 000 Ω·m，推測為較為完整的花崗巖；東部巖層電阻率較低，從100 Ω·m至1 000 Ω·m不等，推測為灰巖基巖。電阻率低至100 Ω·m的區域，淺部推測為第四系的粘土或全風化層，深部則為裂隙發育區。

圖4 工區布置圖Fig.4 Working area layout

圖5 AMT法資料處理流程框圖Fig.5 Diagram of AMT method data processing

3.3 三極電測深成果解釋推斷

從圖6可以看出，AMT法的反演剖面一致性良好，但是均出現了局部的片狀低阻區域，不利于準確地解釋地下的低阻異常，因此，在上述的推斷基礎上，有必要對可靠的低阻異常區域進行三極電測深法，進一步驗證低阻異常的存在。

結合水文地質資料分析AMT法處理成果后，在測線L1、L3有利區域開展三極電測深法，相應的電測深剖面圖如圖7、圖8所示。

在圖7中，180號點下部明顯的等值線畸變，形成封閉和半封閉的低阻異常，低值約300 Ω.m～400Ω·m，對應的AB/2分別為340 m和750 m。根據經驗推測對應的深度大約在110 m和250 m兩個深度段，有繼續往深部延伸的趨勢。地表未見明顯的地質標志，推測由斷裂破碎帶引起。這與相應區域的AMT反演斷面圖，其附近存在非常明顯的高低阻交接異常，且兩者位置基本吻合，三極測深結果反映該區域深部存在低阻地質體。

圖6 AMT剖面反演圖Fig.6 AMT inversion section(a) L1線電阻率反演斷面; (b) L2線電阻率反演斷面; (c) L3線電阻率反演斷面; (d) L4線電阻率反演斷面

由圖8可知，電阻率從淺到深的變化呈低-高-低的趨勢。在280號～340號存在明顯的等值畸變，呈現封閉的高阻異常，在260號～280號處，有約100 Ω.m～200 Ω.m的相對低阻異常，對應的AB/2為200 m深，并有往西邊小號點傾斜的趨勢。根據經驗推測對應的深度大約在50 m以下的深度段，且低阻異常并沒有閉合有繼續往深部延伸的趨勢。經過實地考察在測線平行的地質調查區域發現的斷裂，推測異常為斷裂破碎帶引起。

圖7 L1線電測深剖面Fig.7 VES section of L1

圖8 L3線電測深剖面Fig.8 VES section of L3

3.4 鉆孔成果驗證

通過地質物探的綜合解釋成果，推測出L1線180號點、L3線280號點2處低阻異常區域作為尋找地熱資源的有利部位，并且布置相應鉆孔來驗證物探異常。根據實際鉆孔的驗證，兩個鉆孔分別在280 m、180 m處見熱水，鉆探結果令人滿意，表明此次物探組合方法的有效性。

4 結論

從理論分析到實踐應用表明：AMT法對斷裂破碎區域的反映比較有效，但是其反演結果往往呈現區域性，難以對區域異常進行細分；此時，在AMT異常區域輔助以電測深方法來細分淺部異常，可以有效減少多解性的風險，以達到更準確地指導孔位的效果。最后，通過野外實踐應用表明本次物探試驗方法是切實可行的，值得在野外實踐中進行推廣。

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The application of auto-frequency magnetotelluric method and electric sounding method using for hot spring in Guangdong area

ZHU Wei-guo，HAN Xue

(Geological & Geophysical Engineering Exploration Institute of Guangdong Province,Guangzhou 510800,China)

In order to improve the accuracy of the application of geophysical methods to guide the development of geothermal resources,this paper presents a method that combines audio frequency magnetotelluric with electric sounding methods.The former reflects deep geological based,as the main exploration method,the latter one reflect in the shallow geological,as the auxiliary method.Using the geophysical methods that indicate shallow and deep regional at the same time,can make up the disadvantage of each method,reduce the multiplicity,to guide the holes more accurately.This paper presents a combinatorial method in the field test to carry out the geothermal resources in Qing yuan city Guangdong province.Using the field practice results to direct guide the drill hole layout.Through the actual holes verification proves that the combined method is feasible and effective,and it is worth popularizing in practice.

geothermal resources; AMT method; tri-electrode vertical sounding method; comprehensive geophysi-cal prospecting; resistivity

2015-09-16 改回日期：2015-10-30

朱偉國(1987-)，男，碩士，從事地球物理勘查工作，E-mail：zwg0820@163.com。

1001-1749(2016)06-0734-06

P 631.3