CSAMT在火山巖盆地地熱勘查中的應用

尚通曉，徐雪球，關藝曉，左麗瓊，閔 望

（1. 國土資源部地裂縫地質災害重點實驗室，南京 210046； 2. 江蘇省地質調查研究院，南京 210046）

0 前言

隨著地熱資源開發利用需求的日益增長，越來越多的地熱資源勘查工作不能局限在已知地熱地質條件較好的地區。在傳統的火山巖盆地地熱勘查中，目標儲層通常為下伏的碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層，但在某些下伏儲層埋深很大、淺表存在低阻覆蓋層的火山巖盆地，巖溶裂隙儲層開采的成本和風險明顯增大。火山巖本身富水性差，但巖石堅硬、性脆，在斷裂帶及附近具有裂隙發育條件。為確保一定的水量和水溫，并降低勘探風險，尋找火山巖深部構造裂隙型地熱水是最佳的選擇。火山巖盆地中判斷構造難點在于火山巖電阻率低，富水性相對差，異常跡象不明顯，熱儲信息弱，尤其在低阻覆蓋、斷裂構造規模不大的情況下。

常規的直流電法勘探、核磁共振等方法在地質條件較差的貧水地區找水，已取得一定的效果，但這些方法勘探深度有限，尤其在低阻覆蓋層厚度較大的地區。天然場源的音頻大地電磁測深勘探深度大、施工便利，但地熱資源開發區往往位于經濟發達，人文干擾嚴重的地區，音頻大地電磁測深抗干擾能力差，難以得到高質量數據，熱儲信息容易被干擾所掩蓋。

可控源音頻大地電磁測深法（簡稱CSAMT）（湯井田等，2005），探測深度大，具有較高的縱向和橫向分辨率，對低阻體位置、寬度定位較準，特別適合具有良導特性的斷層破碎帶、巖溶發育帶、高低阻接觸面的探測（甘伏平等，2012），廣泛應用于地熱資源勘查鉆探孔位布置（金永念等，2006）。

CSAMT判斷斷裂構造帶的存在以中間低兩側高，或者高低阻接觸面為異常特征（吳璐蘋等，1996）。但是，火山巖局部非均勻性較強，電阻率差異大，靜態效應和反演分辨率影響斷裂構造解譯的可靠性，使本來就弱的裂隙熱儲信息容易被假異常所掩蓋。電阻率、阻抗相位以及多測線對比的聯合解譯手段有助于克服靜態效應和反演多解性。

1 地質背景

調查區處于中生代盆地，在區域構造上位于揚子陸塊的下揚子地塊東段。中生代的燕山運動對該區的地層、構造發育演化起著重要的作用。中侏羅世末，強烈的構造變動，使本區地層褶皺隆起，晚白堊世經歷了大規模的斷裂與快速沉陷，形成拗陷盆地。

區域上隆凹相間構造是中生代以來上地幔熱動力作用的結果，是尋找地熱資源的有利構造條件，隆凹相間構造與深切斷裂關系密切，凹陷盆地邊緣及內部存在一系列平行于盆地邊界的深斷裂，是深部熱源上導的主要通道。區域性斷裂幕府山-焦山斷裂和姚橋-西來橋隱伏斷裂，活動于燕山晚期—喜馬拉雅早期，新近紀以來仍有繼承性活動。

幕府山-焦山斷裂（圖1-①）為沿江斷裂的一部分，呈近東西-北東東向展布，是寧鎮隆起與儀征中新生代凹陷的分界斷裂，重力和航磁推斷該斷裂向北陡傾，斷裂性質為正斷層，深可達巖石圈，明顯控制白堊系上統沉積，并具有多次活動的特點。

姚橋-西來橋隱伏斷裂（圖1-②）呈北西走向，是白堊系上統與埤城地區中生界火山巖及震旦系的分界斷裂，新近紀以來斷裂以北繼續沉降，以南繼續隆升。該斷裂為隱伏斷裂，位置主要依據物探資料確定，在重力異常圖上反映為梯級帶邊界；在航磁圖上表現為升高磁異常的間斷，且線性異常較明顯。

圖1 勘查區基巖地質圖（含剖面位置）Fig.1 Geological map of bed rocks of the study area(include the location of the profile)

區內地表均被第四系覆蓋，據部分鉆孔揭露和物探資料推斷，第四系及新近系厚度小于200m。3500m以淺地層自上而下依次為第四系、白堊系、侏羅系和三疊系，三疊系頂界深度較大，在2500m以上。本次地熱勘查的目的是確定姚橋-西來橋隱伏斷裂的派生斷裂系統，尋找火山巖中的構造裂隙型地熱水。

2 地球物理特征

勘查區火山巖地球物理特征系統性的研究較少，本文引用其他區域相對詳細的電性特征研究成果，忽略地區差異，給出不同巖相火山巖的相對差異。

火山巖電阻率變化非常大，是巖石礦物組分、熱液蝕變、孔隙發育程度的綜合反映，致密巖石電阻率最高，當有裂隙時，電阻率有所降低，如果含氣孔，電阻率可能更低（張立偉等，2009）。吳曉智等（2011）用測井標定了火山巖巖性的主要電性指標為，玄武巖：電阻率中等到高值20～1000，安山巖：電阻率中等到高值30～800 ，英安巖：30～2000，流紋巖：電阻率中等到高值30～500，角礫巖：電阻率中等50～300 ，凝灰巖：電阻率低值10～70 。

張立偉等（2009）根據不同巖相、巖性的測井電阻率響應平均值總結：不同巖相的火山巖差異大，即使是相同的巖相，不同亞相也有大的差異，火山通道相、溢流相、侵出相的火山巖成巖方式為熔結作用，電阻率較高，如玄武巖、安山巖、英安巖，而爆發相、沉積相的火山巖成巖方式為壓實作用，電阻率較低。

近火山口爆發相帶中的火山角礫巖、火山集塊巖、角礫熔巖和溢流相、侵出相、火山通道相的火山巖電阻率高，相對性脆，受應力作用易產生裂隙，是構造裂隙水的有利儲層。爆發相的凝灰巖、沉積相的火山碎屑巖等電阻率低、質軟，在深部地層應力的作用下，即使存在斷裂構造，裂隙也不容易發育。因此火山巖地區熱儲層應是電阻率相對較高的火山熔巖和火山角礫巖，有利異常是高阻層中的相對低阻帶。

3 工作方法技術

3.1 野外工作方法

本次工作使用的儀器設備為美國Zonge公司研制的GDP-32Ⅱ電法工作站，TM測量模式，赤道裝置，每7個電場共用1個磁場，平行布置北東向剖面3條，長度約2.5km，線距700m左右，點距50m，三條剖面收發距分別為7～8.4km，AB距1.5km，頻率范圍0.125～8192HZ，高頻電流在3A以上，中低頻電流24A以上。

3.2 數據處理

CSAMT中靜態效應是較為麻煩的問題，強度可達兩個數量級，在推斷深度時會引起較大的誤差，并使構造的解譯復雜化，靜態效應主要有地表或地表附近的小的三維不均勻體引起，較深的不均勻體也能引起靜態效應，但淺部的不均勻體是最麻煩的（湯井田等，2005）。CSAMT資料的解釋剖面上，因靜態偏移的影響往往出現虛假的陡立深大斷裂或垂向大延深的異常體。

電磁法的縱向分辨率隨深度的增加減小，且目前常用的模型約束反演進一步降低了縱向分辨率，深部不均勻火山巖在縱向上被“拉長”，進一步使解譯復雜化。

阻抗相位不受靜態效應的影響，既可以做靜態效應的校正（周晉國等，1991；石顯新等，2011），也可以作為常規的資料解譯參數（劉明等，2012）。相位參數與電阻率參數特征相反，高阻地層對應低相位，低阻地層對應高相位，在CSAMT反演電阻率的基礎上使用相位參數定性解釋，結合面積性工作布置，可以有效地減小靜態效應和反演技術引起的多解性，提高地熱勘查成功率，降低鉆探風險。

視電阻率數據處理分為預處理和解釋處理，預處理為相鄰測點曲線對比編輯、手動圓滑，剔除干擾嚴重的、連續頻點畸變的測點，解釋處理為一維全資料光滑模型反演。

相位數據處理方法為剔除干擾大的相位頻點和擬斷面成圖。在資料的定性分析中應盡量去掉不客觀的因素，保留最能確定的因素。為避免誤差較大的相位頻點對相位剖面圖的影響，刪除離差大、相位曲線上突跳的相位頻點。

16～0.125 HZ為過渡區和近場相位，在相位剖面成圖中做了截斷處理。剖面成圖方式以便于與電阻率反演結果對比為原則，x為測點實際距離，y為頻率對數乘以成圖校正系數，該系數與反演電阻率最大深度有關，本例中選取1000為縱坐標校正系數。

平面切片圖反映各測線剖面異常的平面對應關系，直觀地對面積性CSAMT推斷構造。電阻率平面切片圖選取1800m深度，相位平面圖采用各測點離差均較小的128HZ相位。

圖2 揚中北部CSAMT反演電阻率與相位等值線圖Fig.2 Contour map showing CSAMT inversion resistivity and phase in northern Yangzhong

4 成果解釋與驗證

圖2為20線、40線、60線一維反演結果剖面和相位剖面，圖3為測區1800m深度反演電阻率切片圖，圖4為測區128HZ相位平面等值線圖。

從電阻率反演結果看，各剖面在縱向上分層由淺到深均為低—次低—低—高的電性結構，根據物性及周邊鉆孔資料，淺部低阻層推測為第四系與白堊系赤山組、浦口組，深部高阻層推測為侏羅系火山巖。深部高阻層在橫向上均有多處橫向不連續，表現為“U”型相對低阻帶或兩側電阻率差異形成的陡立等值線。

受相位數據質量影響，相位剖面成層性相對較差，但仍有層狀分布的特點，除電阻率反演結果的淺部低阻未反映外，相位剖面低—高—低與電阻率反演結果的次高—低—高相對應；橫向上有幾處明顯的相位界限，分別是20線3400點，40線1450、2600、3600點，60線1600、 3000、 3800點。

綜合考慮相位與反演電阻率，結合平面位置對應關系，僅將電阻率和相位異常同時存在并在平面上呈線狀分布的位置推測為斷裂構造，由此推測了兩條斷裂構造，編號分別為F1和F2。其中，推測構造F2的相位和電阻率異常均反映明顯，特別是相位出現明顯的橫向突變，且在3條測線均有反映，在本區的推測斷裂構造中最為可靠。

圖3和圖4平面圖還反映出由NW—N的構造帶F3，由于測線間距大，NW向數據密度低，僅能給出該構造大致位置，受施工條件制約，未做東西向剖面的驗證工作。

根據推斷構造F2和F3，設計鉆探孔位于20線3400點，設計孔深2200m，該點位為推測構造F2位置，相位和反演電阻率均有明顯的反映，同時與F3和F2交叉位置距離最小。

經鉆孔驗證，鉆遇地層自上而下為第四系、白堊系、侏羅系。1200m以下為火山角礫巖，1268～2028m層段經測井顯示發育多層構造裂隙，具有較好的蓄水性，抽水試驗結果：出水量1391m3/d，出水溫度62°C。

圖3 揚中北部CSAMT反演電阻率1800m深度平面等值線圖Fig.3 Contour map showing CSAMT inversion resistivity at a depth of 1800m in northern Yangzhong

圖4 揚中北部CSAMT阻抗相位128HZ平面等值線圖Fig.4 Contour map showing CSAMT phase at128 in northern Yangzhong

5 結語

CSAMT勘探深度大，橫向分辨率高，可以靈敏地發現斷層，是構造裂隙型地熱水勘查的首選方法。火山巖地區地熱勘查難點是火山巖富水性差，構造異常反應不明顯，局部不均勻性強，電阻率差異大，受靜態效應和反演技術手段的制約，容易出現假異常。阻抗相位有很好的定性特征，實際資料的反演結果應與阻抗相位的定性分析對照。電阻率定量和相位定性聯合解譯，以及面積性的多測線對比手段，可以有效降低地熱勘探風險。