瞬變電磁法在地?zé)豳Y源勘查中的應(yīng)用

摘 要：【目的】為調(diào)查烏蘇市深部地?zé)豳Y源分布情況，用地球物理方法對(duì)此區(qū)域開(kāi)展物探工作。【方法】本研究運(yùn)用瞬變電磁法，對(duì)烏蘇市阿拉山地區(qū)進(jìn)行地?zé)豳Y源勘探，并通過(guò)實(shí)例對(duì)瞬變電磁法在地?zé)豳Y源勘探的應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證。【結(jié)果】在對(duì)瞬變電磁法的5條物探剖面初步解譯后，確定勘查區(qū)分布有6條斷裂，并計(jì)算出含水構(gòu)造的深度與層厚。【結(jié)論】物探結(jié)果與地質(zhì)調(diào)查及鉆探驗(yàn)證結(jié)果吻合，證明運(yùn)用瞬變電磁法確定地?zé)豳Y源分布是一種可靠的物探測(cè)量方式，也為該地區(qū)的地?zé)豳Y源勘查與開(kāi)發(fā)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地?zé)豳Y源；瞬變電磁法；鉆探驗(yàn)證

中圖分類(lèi)號(hào)：P314" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2023）21-0049-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.21.011

The Application of Transient Electromagnetic Method in Geothermal Resource Exploration

—Taking the Alashan Area as an Example

QI Zhilong 1 XI Ying 1 LU Jianguo 1 WANG Yalu 2

（1.The First Hydrogeological Engineering Geological Brigade of Xinjiang Geological and Mineral Exploration and Development Bureau， Urumqi 830000，China; 2.Xinjiang Geological Engineering Co.， Ltd.， Urumqi 830000，China）

Abstract： [Purposes] To investigate the distribution of deep geothermal resources in Wusu City， geophysical methods were used to conduct geophysical exploration work in this area. [Methods] This study uses transient electromagnetic method to explore geothermal resources in the Alashan area of Wusu City， and verifies the application effect of transient electromagnetic method in geothermal resource exploration through examples. [Findings] In the preliminary interpretation of 5 geophysical profiles using transient electromagnetic method， it was determined that there are 6 faults distributed in the exploration area， and the depth and layer thickness of water-bearing structures were calculated. [Conclusions] The geophysical results are consistent with the geological survey and drilling verification results， which provides that using transient electromagnetic method to determine the distribution of geothermal resources is a reliable geophysical measurement method，which provides a basis for the calculation and development of geothermal resources in the region.

Keywords： geothermal resources; transient electromagnetic method; drilling verification

0 引言

地?zé)豳Y源是一種清潔能源，由于熱源是地球內(nèi)部放射性物質(zhì)的衰變，故地?zé)豳Y源具有可再生的特性，對(duì)地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)與利用也是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的需要^［1］。新疆阿拉山地區(qū)位于天山北麓，區(qū)域上受準(zhǔn)噶爾—哈薩克斯坦古板塊與塔里木古板塊的擠壓，在其接觸部位往往斷裂構(gòu)造發(fā)育，構(gòu)造活動(dòng)劇烈，地震頻繁，地表溫泉分布密度小，水溫不高，多為中低溫地?zé)豳Y源^［2］。因此，為調(diào)查烏蘇市深部地?zé)豳Y源分布，通過(guò)在阿拉山地區(qū)開(kāi)展瞬變電磁法工作，初步探明阿拉山地區(qū)的斷裂構(gòu)造，推斷含熱水構(gòu)造與儲(chǔ)水層。根據(jù)鉆探驗(yàn)證，在井深70～140 m范圍內(nèi)有裂隙含水層61.2 m。這一應(yīng)用效果證明了瞬變電磁法在地?zé)豳Y源勘查中的有效性，對(duì)瞬變電磁法在地?zé)豳Y源勘查中的普及和推廣起到一定的促進(jìn)作用。

1 勘探區(qū)概況

勘探區(qū)位于天山北麓、準(zhǔn)噶爾盆地南緣，總體地勢(shì)南高北低，海拔高程1 600～1 850 m。地貌形態(tài)類(lèi)型為中山地貌，山體陡峻，地形波狀起伏，山頂多為渾圓狀或長(zhǎng)梁狀，比高小于100 m。勘探區(qū)沖溝較發(fā)育，由3個(gè)相對(duì)較大的沖溝組成，由于人類(lèi)工程活動(dòng)主要集中在中間的溫泉溝內(nèi)，對(duì)原始地形有一定的破壞，溫泉溝地表植被稀疏，而兩側(cè)溝內(nèi)植被發(fā)育，是良好的天然牧草地。該區(qū)域巖漿巖主要為華力西期花崗巖，主要沿天山山脈東西向或北東向構(gòu)造線(xiàn)，以及活躍時(shí)間較久的斷裂帶展布。

勘查區(qū)出露的地層由老到新如圖1所示，具體為：①石炭系（C），分布于林場(chǎng)至烏蘇溫泉療養(yǎng)院南部中高部山區(qū)，巖性為灰色—深灰色及灰綠色中厚層粉砂巖、砂礫巖灰?guī)r互層、長(zhǎng)石石英砂巖，與上下地層呈斷層接觸；②侏羅系（J），主要分布于林場(chǎng)至烏蘇溫泉療養(yǎng)院北部中低部山區(qū)，呈東西向條帶狀分布，為河湖相—湖相的含煤巖系，地層發(fā)育齊全；③白堊系（K），分布于夏爾蘇木喇嘛廟以北，呈東西向條帶狀分布，巖性主要為雜色具條帶狀構(gòu)造的含砂泥巖與泥巖，與下伏侏羅系含煤巖系呈不整合接觸；④下第三系（E）和上第三系（N），主要分布在區(qū)域北部，呈條帶狀分布，與下伏白堊系地層呈不整合接觸，巖性為砂質(zhì)頁(yè)巖（有灰色、紅色、褐黃色）、粗砂巖細(xì)礫巖互層、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖；⑤第四系（Q），主要分布于烏蘇溫泉療養(yǎng)院以北的廣大地區(qū)，巖性主要為漂石、洪積砂礫石等。

勘探區(qū)侵入巖主要分布于南部中高部山區(qū)，呈東西向分布，主要為華力西晚期花崗閃長(zhǎng)巖，侵入石炭系凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖中，巖石呈肉紅色、灰色，中～細(xì)粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。

從收集到的資料來(lái)看，本區(qū)電性特征表述僅依據(jù)此次物探工作進(jìn)行總結(jié)為：華力西晚期（γ43c）的花崗閃長(zhǎng)巖，ρS =100～3 000 Ωm；第四系松散層，ρS ≤100 Ωm。由于水等低阻物質(zhì)填充在巖石與碎屑物之間，會(huì)造成巖石與破碎帶具有明顯的電阻差異，為在此區(qū)域開(kāi)展電法勘探提供了物質(zhì)條件。

2 方法綜述

瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Method，簡(jiǎn)稱(chēng)TEM）以地殼巖礦之間的導(dǎo)電性差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)不接地回線(xiàn)或者導(dǎo)線(xiàn)接通階躍電流向地下巖礦體發(fā)射電磁場(chǎng)，再利用線(xiàn)圈接收，巖礦體內(nèi)產(chǎn)生渦旋的交變電磁場(chǎng)。通過(guò)研究瞬變電磁場(chǎng)隨時(shí)間變化的規(guī)律，可以探測(cè)出不同導(dǎo)電性的巖礦地層，或者具有較大規(guī)模的良導(dǎo)體。該方法自20世紀(jì)30年代被提出以來(lái)已取得廣泛應(yīng)用。李丹^［3］運(yùn)用此方法推斷斷層構(gòu)造；劉軍強(qiáng)、劉偉等^［4-5］用此方法進(jìn)行地?zé)嵴{(diào)查；彭莉紅等^［6］利用此方法進(jìn)行金屬礦產(chǎn)勘查；李正、黃海昆等^［7-8］用此方法進(jìn)行采空區(qū)、老窯水勘查；許波、嚴(yán)廣義、張子強(qiáng)等^［9-11］用此方法進(jìn)行隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

瞬變電磁法的工作裝置根據(jù)收發(fā)排列的不同，可分為偶極裝置、中心回線(xiàn)裝置、定源回線(xiàn)裝置和重疊回線(xiàn)裝置。由于瞬變電磁法的工作裝置具有多種形式、多儀器操作簡(jiǎn)便的特性，所以可以解決多種地質(zhì)、工程問(wèn)題，并且具有寬廣的作業(yè)領(lǐng)域。根據(jù)不同的作業(yè)目的選擇合適的裝置，可以讓數(shù)據(jù)與勘探目標(biāo)耦合緊密，取得更強(qiáng)的異常響應(yīng)，提高探測(cè)精度。根據(jù)裝置形式不同，TEM方法可分為磁性源TEM和電性源TEM^［12］。

本次勘探根據(jù)地勘資料對(duì)可能的地?zé)豳Y源分布情況進(jìn)行分析，考慮地形及周?chē)ㄖ锏葘?dǎo)電性物體影響，共布設(shè)5條測(cè)線(xiàn)，累計(jì)長(zhǎng)920 m，物理點(diǎn)114個(gè)。野外工作使用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所研制的WTEM—1Q型瞬變電磁儀，既能達(dá)到預(yù)定勘查深度，又能探索斷裂構(gòu)造。根據(jù)《地面磁性源瞬變電磁法技術(shù)規(guī)程》（DZ/T 0187—2016）^［13］，設(shè)置測(cè)線(xiàn)間距20 m，沿測(cè)線(xiàn)點(diǎn)距10 m。利用WTEM-1瞬變電磁勘探系統(tǒng)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，用軟件計(jì)算視電阻率并且生成視電阻率斷面圖，對(duì)各剖面異常進(jìn)行識(shí)別，尋找低阻異常。

3 成果分析

在對(duì)瞬變電磁法（TEM）的5條物探剖面初步解譯后，基本確定了勘查區(qū)分布有6條斷裂，編號(hào)為F2、F3、F4、F5、F6、F7，如圖2所示。根據(jù)物探剖面推測(cè)得出以下結(jié)論。

①在3號(hào)剖面劃分和推斷了F2、F4、F6和F7斷層，其中F2、F4和F7斷層的延深較小，均小于150 m，傾向基本北西向傾斜，傾角較大，基本近似于直立；而F6斷層具有較大的規(guī)模，延深在150 m以上，圈定了3號(hào)和5號(hào)剖面可能存在的含水部位，是本區(qū)尋找地下熱源的有利地段。

②4號(hào)剖面劃分和推斷F3、F7及F5三條斷層，除F7向西傾斜外，其余兩條斷層均向東傾斜，產(chǎn)狀近似于直立，F(xiàn)3和F7斷層的規(guī)模相對(duì)較小，F(xiàn)5斷層延深都是本區(qū)最大的。該斷層通過(guò)了1號(hào)剖面，于F6斷層相交，向東傾斜，產(chǎn)狀在80°以上。

③利用3號(hào)和5號(hào)剖面的TEM成果推斷F6斷層的位置、產(chǎn)狀及延深等，通過(guò)分析該斷層在本區(qū)尋找地下熱源的重要性，在兩條剖面的相交部位初步推斷了一個(gè)可能存在的儲(chǔ)水地段。初步計(jì)算含水構(gòu)造的深度為120～130 m，長(zhǎng)約30 m，寬約20 m，含水層厚度在20 m左右。

④5號(hào)剖面反映的高阻體由南向北深度遞增較快，劃分的F3斷層深部位置與已有鉆孔成果較為吻合。

⑤通過(guò)已有資料分析，判定3號(hào)和5號(hào)剖面的交匯部位是本區(qū)的重要靶區(qū)之一。

通過(guò)對(duì)瞬變電磁法測(cè)量成果的分析，初步闡釋了勘探區(qū)的地?zé)豳Y源分布與斷裂構(gòu)造密切相關(guān)。通過(guò)對(duì)斷層具體位置的推斷，確定了斷層對(duì)地?zé)崃黧w分布的控制，為本區(qū)地?zé)豳Y源的進(jìn)一步詳細(xì)勘探與資源開(kāi)發(fā)提供了依據(jù)。

4 鉆探驗(yàn)證

為了驗(yàn)證異常，在F3斷裂與F4斷裂復(fù)合部位布置了WQ01鉆井。根據(jù)探采結(jié)合孔的施工，在井深70～140 m范圍內(nèi)有含水層61.2 m，鉆孔層位與物探成果一致性較好。

勘查區(qū)溫泉地?zé)崴腟O42－含量192.1 mg/L，占陰離子總數(shù)的64.4%，Na+含量為127.6 mg/L，占陽(yáng)離子總數(shù)的89.4%，礦化度為460.5 mg/L，pH值為9.8，屬于SO4－Na型低溫地?zé)崴３删筮M(jìn)行的涌水試驗(yàn)測(cè)得穩(wěn)定熱儲(chǔ)自流量為440 m3/d，水溫為45.5 ℃。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述實(shí)例證明了瞬變電磁法在地?zé)峥碧街械膽?yīng)用取得了比較好的效果。許多由斷裂控制的地?zé)崃黧w呈低阻反應(yīng)，瞬變電磁法對(duì)低阻體的探測(cè)更加靈敏，相較于其他物探方法具備操作較簡(jiǎn)便、探測(cè)時(shí)間短、對(duì)工區(qū)干擾小等特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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收稿日期：2023-05-04

作者簡(jiǎn)介：齊志龍（1978—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：地?zé)岬刭|(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害等。