可控源音頻大地電磁法和天然源面波法在余姚地區地熱勘查中的應用

劉澤丞 梁洪波 王漢卿

摘要：余姚某地位于區域性昌化—普陀大斷裂帶附近，麗水—余姚深斷裂和溫州—鎮海大斷裂之間，地質條件較為有利，具有良好的地熱勘查前景。本文先通過可控源音頻大地電磁（CSAMT）法運用視電阻率參數，勘查了浙江省余姚某地區的深層地熱資源，查明區內斷裂構造分布特征及基地構造形態，推測了研究區內主要的富水有利部位，后運用微動探測利用速度參數對斷裂構造進行驗證，通過兩種不同方法的互相運用驗證為地熱勘查提供可靠的地球物理依據。

關鍵詞：可控源音頻大地電磁測深法；微動；地熱

1.引言

地熱資源是指地下穩定、清潔、溫度≥25℃的熱水。它是一種綠色環保，可循環利用，具有良好的社會經濟價值。地熱資源最大特點之一是其出露位置受控于區域地質構造，資源分布具有地域性，只能就近開發利用，而從以往高溫地熱鉆井資料顯示，高溫熱儲與地質構造密切相關[1]。而余姚某地位于區域性昌化—普陀大斷裂帶附近，麗水—余姚深斷裂和溫州—鎮海大斷裂之間，地質條件較為有利。

地球物理勘查是目前勘查地熱儲層及控熱構造的重要方法之一。隨著地熱資源開發的深度逐步加深（部分已超過2000m），我們需要采用深部的地球物理手段來查明地熱儲層與斷裂構造情況。因具有大深度、輕設備和橫向高分辨率的特點[2、3]，可控源音頻大地電磁測深（CSAMT）法已成為浙江省地熱資源勘查的首選物探方法[4]。隨著城市化的推進，電磁法也面臨一些挑戰，而地震類的微動探測作為一種新興的物探技術，憑借抗干擾能力強、探測深度大、適用范圍廣等特點，逐漸廣泛應用在地熱調查、煤礦采空區探測、城市地質調查等多個領域[5]。

本文在余姚某地的地熱資源勘查項目中應用了CSAMT法和微動，利用它們抗干擾能力強和探測深度大的特點，取得了可靠的成果。

2.工區概況

2.1地質概況

研究區位于余姚某地屬浙東盆地山區和浙北平原交叉地區，地勢南高北低，中間微陷。區內61省道從勘查區南部通過，G92杭州灣環線高速、G15深海高速從勘查區的南側、東側通過。區內村莊密布，道路縱橫交錯。

研究區內主要出露白堊系下統茶灣組（K1c）和第四系殘坡積地層，以斷裂構造為主，褶皺不發育，巖層產狀平緩，僅在斷裂附近呈陡傾或形成小褶皺。工區地層見表1。

2.2水文特征

松散巖類孔隙潛水，主要為全新統坡洪積含礫粉質粘土中弱孔隙含水巖組，由粉質粘土和飄石滾石組成，零星分布。

基巖裂隙水，火山沉積巖中形成節理，接受并儲存了大氣降水，形成裂隙含水巖組。多在溝谷路兩側陡坎處或坡腳以泉的形式排泄。

2.3地球物理特征

在全省重力異常分區上，勘查區位于浙東異常區。浙東異常區表現為不同層次的舌狀異常分帶，并展現出由南西向北東形態變窄，趨于收斂狀態。在勘查區附近北東向梯級帶切割了北西西向梯級帶，異常等值線從北往南由南北向逐漸變為東西向，反映南北向、近東西向斷裂在此交匯。

收集統計了區內地層的物性特征，區內以茶灣組（K1c）電阻率最高（300Ω·m～10000Ω·m），第四系電阻率最小（50Ω·m～200Ω·m）。根據前收集地層信息，茶灣組地層較為完整，電阻率較高，在其中發育的斷裂、裂隙等構造由于含水及碎屑物的填充，導致電阻率明顯降低，為本次工作開展提供了地球物理前提。

3.基本原理

3.1可控源音頻大地電磁法

可控源音頻大地電磁法（CSAMT）是一種人工源頻率域電磁測深法，其采用的人工場源有電性源和磁性源兩種。

由（2）式可知，趨膚深度（δ）隨電阻率（ρ）和頻率（f）變化而變化。根據這一理論，CSAMT可以通過人工發射不同頻率來達到探測地下不同深度的電性結構情況。

3.2天然源面波（微動）法

微動信號來源于地球表面，來源方向不確定，而微動探測是將面波所攜帶的振幅和形態信息進行統計以平穩隨機過程理論為依據的一種探測方法，該方法從微動信號中提取面波的頻散曲線，通過對頻散曲線的反演，得到地下介質的橫波速度結構[6]。

空間自相關法（SPAC法）和頻率—波數（F-K法）是目前主流的從微動信號中提取面波頻散曲線的兩種方法.而空間自相關法是應用最廣的一種。如圖1，為采用空間自相關法處理的微動數據，從圖上可明顯看出在1000m附件存在一低速層位。

3.3測線布置

本次物探工作針對區內可能存在的北西向、北東向隱伏斷裂布置了6條剖面，剖面總長度8.7km，點距50m。詳見測線布置圖2。

4.數據采集及處理

4.1數據采集

可控源音頻大地電磁測深法野外工作采用的儀器是加拿大鳳凰公司生產的V8儀器系統，采用標量測量方式，即布置一個發射場源，在供電電極的赤道區測量電場分量Ex和磁場分量Hy，其中x和y分別沿著測線方向和垂直測線方向。

根據施工現場管理、交通和接地條件等因素，在滿足收發距（R）大于5倍勘探深度且接收信號可靠的條件下，本次工作設兩個發射偶極，1、2、3、4和7線共用發射源，偶極矩AB為1344m，收發距9.9km～10.65km之間。本次工作采集頻率區間選擇為0.5Hz～9600Hz，共選定45個頻點，避開50Hz及其倍頻，頻點間隔呈不均勻分布，中頻段適度加密。

本次微動探測工作使用合肥國為電子有限公司研制的GN209微動探測系統，連接主頻為4.5Hz的垂直分量寬頻帶拾振器進行數據采集。采用10個采集站布設三重圓臺陣，三重圓臺陣半徑分別為150m～300m～600m，每重圓上布設3個采集站，每個采集站連接一個0.1Hz寬頻帶檢波器。

4.2數據處理

4.2.1可控源音頻大地電磁測深

CSAMT法數據處理包含原始數據預處理、反演、成圖三個步驟。在室內，首先使用V8預處理軟件CMT-Pro對數據進行預處理，剔除個別質量不可靠的畸變點；然后使用CSAMT-SW軟件對數據進行電極電位坐標偏差校正、曲線自動圓滑、跳點處理、兩端壞頻段截斷處理、壞測點曲線廢棄刪除或插值利用處理、近場校正或刪除近場頻段處理、靜態位移校正處理等，然后進行2D帶地形反演；最后根據輸出文件用surfer繪制斷面圖。

4.2.2微動探測

首先從各測點時序數據中提取瑞雷波頻散曲線，獲得其相速度頻散曲線，直接繪制相速度等值線圖，或者計算視S波速度，再經插值光滑計算獲得二維視橫波速度剖面，最后結合地質背景對視橫波速度結構做出地質解釋。

5.資料解釋

圖5是研究區北東向5條CSAMT剖面反演及推斷解釋成果圖，從斷面圖上看，視電阻率異常自上而下基本表現為上低下高特征：①各斷面淺部電阻率低于100Ω·m，厚度在50m左右，推測為第四系的反映；②各斷面在-700m左右，大概電阻率600Ω·m附近有較明顯的等值線密集帶，推斷為茶灣組地層完整與否分界線；③斷裂Fw1和Fw2在1線、2線、3線、4線和7線上反應明顯，均表現為“V”字形下凹或梯級帶等，在7線上Fw1反映尤為明顯。

CSAMT推斷成果清晰的反映了研究區內的斷裂構造情況，本次工作的目標是尋找深層構造裂隙水，綜合5條測線2條斷裂的異常特征，認為Fw1斷裂是區內尋找構造裂隙水的有利部位。

為了判斷斷裂的可靠性，采用了天然源面波（微動）法對Fw1進行驗證。

微動探測是以900/7點為中心，左右各布置兩個點。從微動探測成果圖（圖6）上看，左側為相速度剖面圖，右側為視橫波速度剖面圖。微動探測在900/7點下方深度-600m～-2000m左右存在明顯的低速異常，推斷為斷裂反映，其位置與CSAMT所推斷的Fw1基本一致。而從微動探測頻散曲線（圖1）上看，在900m深度有9個頻點，且存在一明顯的低速異常。因此，從原始頻散曲線和成果圖上均能佐證Fw1斷裂的存在性。

綜合CSAMT法的視電阻率特征和微動探測的速度特征，驗證了Fw1斷裂的可靠性，最終推薦900/7號點進行鉆孔驗證。目前鉆探工作正在論證階段。

6.結論

本次運用可控源音頻大地電磁法和微動探測對余姚某地區地熱資源進行勘查，有效查明區內斷裂構造位置及熱儲層的埋深及空間分布。

（1）可控源音頻大地電磁法在深層地熱資源勘查中，具有獲得細節豐富、可信度高和數據質量佳的特點，是一種有效的深層地熱資源勘查地球物理方法。

（2）微動探測是一種新興的地震類技術方法，在深層地熱資源勘查中對于斷裂構造反應敏感，具有勘探深度大、數據質量高的特點，受制于野外施工的不便性，不利于開展面積性工作。但其有望成為電磁法的補充勘查方法。

（3）兩種方法互相印證，利用各自特點，得出了可靠的結論，避免了單一方法的盲目性和多解性，為今后深層地熱資源勘查提供了新的思路。

（4）微動探測作為近年來主推的一種地震類方法，其主要應用于工程類，本項目是浙江省內第一次將新興的微動勘探與傳統的CSAMT法相結合，取得了從面到點的進步。

參考文獻：

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