廣域電磁法在襄陽九集地熱資源勘查中的應用

田碧 張維江 王帥君 稅順建

（湖北省地質局第八地質大隊，湖北襄陽 441002）

1 概述

廣域電磁法由中南大學何繼善課題組提出，該方法繼承了CSAMT 使用人工場源克服場源隨機性的優點，采用精確公式通過測量電場計算廣域視電阻率，擴展了觀測適用的范圍，提高了觀測速度、精度和野外效率（何繼善，2010）。

應用廣域電磁法進行深層地熱勘查的優勢在于：（1）廣域電磁法可以在廣大的、不局限于遠區的區域內進行觀測，拓寬了觀測范圍，增大了勘探深度；（2） 相對于CSAMT 法發射電流一般為10A 而言, 廣域電磁法的發射電流超過100A, 信噪比得到了極大的提高,深部熱儲區的電性層分辨率也得到了較大的提高（曹彥榮，2017）。

2 勘查區地質、水文概況

2.1 地質概況

勘查區內大范圍被第四系(Q4)覆蓋，新生界新近系上新統廣華寺組(N1g)粘土巖、古近系漸新統荊河鎮組(E3j)粉砂質頁巖主要分布于工作區外圍。下古生界奧陶系中- 上統寶塔組(O2-3b)灰巖在工作區西北部零星出露（圖1）。

圖1 九集地區地質簡圖

結合已施工鉆孔揭露的地層資料（表1），勘查區內出露的及深部隱伏地層由新到老依次為：新生界第四系全新統，新近系掇刀石組，白堊系跑馬崗組，奧陶系- 寶塔組、牯牛潭組以及大灣組，寒武系上統婁山關組、覃家廟組，寒武系中統石龍洞組以及天河板組，寒武系下統劉家坡組，震旦系上統燈影組、震旦系下統陡山沱組。

2.2 區域水文地質概況

區域上地層的含（隔）水性大致可劃分為巖溶裂隙含水巖組、相對隔水巖組、裂隙水含水巖組、孔隙水含水層四類，分述如下：

（1）巖溶裂隙含水巖組：包括震旦系燈影組及陡山沱組碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層、奧陶系中下統及寒武系中統碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層。

震旦系燈影組及陡山沱組碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層，淺部巖石節理裂隙極發育，巖溶發育，向深部兩者均有不同程度的減弱，其淺部富水性強，深部富水性弱-中等。

奧陶系中下統及寒武系中統碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層，淺部節理裂隙發育、巖溶發育，向深部也均減弱，富水性弱- 中等。

（2）相對隔水巖組：包括寒武系下統泥質灰巖及頁巖相對隔水層、白堊系- 第三系粘土巖、頁巖相對隔水層。

（3）裂隙水含水巖組：主要為白堊系- 第三系砂巖、砂礫巖裂隙含水層。泉流量8.64-103.68m/d，富水性弱。

（4）孔隙水含水層：第四系孔隙水含水層。厚度0-50m，富水性不一。

2.3 地熱地質條件

在前期勘查工作成果的基礎上提出九集地熱四要素如下：

熱源：深大斷裂溝通的深部熱對流和大地熱流。

熱儲層地下熱水通道：深大斷裂及F1、F2 等斷裂。深大斷裂溝通深部熱對流，是控熱、導熱、導水通道。勘查區深部F1、F2 等斷裂溝通深部及淺部的含水層，將深部的地熱流體導入全部含水層，是導熱、導水通道。

熱儲層：熱儲層為震旦系燈影組和寒武系劉家坡組構造裂隙含水層。推測深部有震旦系巖溶裂隙含水層，是溫度更高、富水性更好的熱儲層。

蓋層：包括寒武系婁山關組、天河板組相對隔水層以及寒武系劉家坡組、石牌組相對隔水層。

九集地熱田的形成與南漳地塹地層、構造和區域水文地質條件有關。南漳地塹下陷，勘查區一帶寒武系-震旦系地層深埋，而在勘查區以西隆起；在大氣降水入滲補給后，由于壓差（高程差）向勘查區深部徑流；徑流途中受大地熱流和深大斷裂溝通的熱對流作用，地下水被加熱，補給勘查區深部熱儲層；深部熱儲層地熱流體沿斷裂構造裂隙和地層向上運移，于勘查區深部形成熱儲層和地熱流體（張維江，2019）。

3 地球物理特征

3.1 物性特征

從勘查區各類巖石電性特征來看（表1），灰巖、白云巖電阻率一般在2000Ω·m 以上，表現為高阻；粉砂巖、頁巖一般在300-500Ω·m 上下，表現為中低阻；泥巖以及第四系粘土及亞粘土等為明顯的低阻。

表1 九集地熱勘查區巖石電性參數統計表

值得注意的是寒武系地層中見到的碳質頁巖、含碳白云巖等為低阻- 中低阻，且地下巖石受構造影響較為破碎而充水時也表現為低阻異常。

從地層來看，震旦系陡山沱組、燈影組以灰巖、白云巖為主，總體呈高阻；而寒武系地層電性特征則較為復雜，各地層巖性總體白云巖、細晶白云巖為主，表現為中高阻背景，而含有炭質頁巖的（例如劉家坡組）地層則表現為低阻。奧陶系以灰巖和白云巖為主、夾頁巖、炭質頁巖等，呈高阻及中低阻；古近系、新近系、第四系地層均為低阻。

綜上所述，勘查區的覆蓋層一般表現為中低阻，而下伏的奧陶系、寒武系以及震旦系地層之間的電性特征也存在一定的差異，具備開展廣域電磁法工作的前提。

另一方面由于勘查區內隱伏斷裂構造的影響，斷裂帶附近的巖石較為破碎，充水后可以表現為明顯的中低阻（相較于較完整巖石），在地電斷面上表現為視電阻率等值線的同向扭曲、錯斷或者垂向分布的低阻帶等特征。

3.2 廣域電磁法工作成果

3.2.1 技術參數

廣域電磁法剖面W4 線AB 距1.35km，收發距r=8.74km，測量點距MN=50m，供電電流大于110A。接收機采用1、3、4、5、6、7、8、9、11 共9 個頻組，共采集61 個頻點，頻率范圍8192Hz-3/256Hz。

3.2.2 前期工作成果

九集地熱勘查區工作自2010 年陸續開展，2010-2012 年度開展了地形測繪、地質調查、地質剖面測量、物探、鉆探等工作。物探工作采用了電阻率聯合剖面法、對稱四極測深測量，主要對勘查區淺表（300m 以淺）的構造進行了推測。鉆探工作對勘查區淺表（228.62m 以淺）的地層、構造、含水層進行了揭露。

2018 年完成的淺層測溫工作，圈定了地溫高值異常區（圖1）。

2019 年度在九集勘查區施工了深部驗證鉆孔ZK2，總進尺為1616.58m，孔底溫度38℃左右，未打穿第三相對隔水層。

2020 年度，開展了廣域電磁法測深測量工作，共布設了4 條測線（呈“井”字形）。主要根據W4 線工作成果布設了深部驗證鉆孔ZK3。

3.2.3 廣域電磁法解譯成果

根據廣域電磁法測量成果，大致推測了勘查區內深部地層分布情況：

（1）覆蓋層- 第四系（Q4）、古近系（N1d）地層厚度越靠近基巖出露區（即勘查區西部）越薄，越往東部（或北東部），覆蓋層厚度越厚。以鉆孔施工結果為例，鉆孔ZK3 處，地下11m即見奧陶系灰巖。而位于勘查區南西部的鉆孔ZK2，0～14.3m 為第四系，14.3～115.9m 為古近系地層，115.9～242.82m 為白堊系地層，覆蓋層厚度遠大于ZK3 處。

W4 線二維反演結果清晰的反映了覆蓋層厚度變化特征，南西部表現為中高阻異常（由淺部奧陶系灰巖引起），北東部為中低阻異常（厚約80m）,覆蓋層厚度自南向北，逐漸變厚（圖2）。

（2）下部依次為奧陶系地層、寒武系地層以及震旦系地層。以W4 線為例：標高0m～-200m 奧陶系地層，-200m～-1200m 之間主要表現為中高阻，推測為寒武系婁山關組覃家廟組以及寒武系石龍洞組地層的反映。

標高-1200m～-1600m 之間總體表現為中低阻異常區，推測為寒武系天河板組，石牌組、劉家坡組地層，巖性主要為含碳白云巖、炭質頁巖等。四條廣域剖面的低阻異常帶往往位于這一層，根據鉆孔ZK2、ZK3 施工結果，這一層低阻異常帶于構造裂隙含水帶對應較好。

而標高-2000m 以下基本表現為大面積的高阻異常（大于1000Ω.m），且越往深部視電阻率值越高，推測為震旦系地層的反映。

（3）根據2020 年度廣域電磁法剖面測量成果，結合前人資料，在勘查區內推測了四條斷裂帶，自南向北依次編號為F0、F1、F2、F3（圖2）。

圖2 W4 線廣域電磁法二維反演成果圖

這四條斷裂帶產狀類似，推測受到勘查區北西部團堡寨倒轉復式背斜的影響，在勘查區內形成了一系列北西走向的斷裂帶。團堡寨倒轉復式背斜內發育密集的壓性逆沖斷裂。斷層走向北西(288°-316°)，傾向北東(44°左右)，傾角較陡(60-85°)。

3.3 驗證鉆孔結果

深部驗證鉆孔ZK3 布設于W4 線附近的F1 斷裂傾向延伸部位，終孔進尺2267.05m。根據鉆孔驗證結果，區內熱儲層大體可劃分為兩層。上部熱儲位于寒武系中統碳酸鹽巖中（ZK3 鉆孔見于650m-1452m 段），下部熱儲主要位于震旦系碳酸鹽巖之中（ZK3 鉆孔見于1711.8m-1920.9m 段），平均流量492.08m3/d，孔口出水水溫40.0℃（張維江，2022）。

4 結論

4.1 廣域電磁法在深部地熱資源勘查中具有良好的應用前景。本項目根據廣域電磁法測量成果，大致推測了地表以下3km 內地層分布特征，推測地層界面位置與深部鉆孔所見情況基本吻合。

4.2 根據物探工作成果布設的深部驗證鉆孔ZK3 內見到兩層熱儲層，平均流量492.08m3/d，孔口水溫40.0℃。