可控源音频大地电磁法和天然源面波法在余姚地区地热勘查中的应用

2021-12-20刘泽丞梁洪波王汉卿

西部资源 2021年5期

刘泽丞梁洪波王汉卿

摘要：余姚某地位于区域性昌化—普陀大断裂带附近，丽水—余姚深断裂和温州—镇海大断裂之间，地质条件较为有利，具有良好的地热勘查前景。本文先通过可控源音频大地电磁（CSAMT）法运用视电阻率参数，勘查了浙江省余姚某地区的深层地热资源，查明区内断裂构造分布特征及基地构造形态，推测了研究区内主要的富水有利部位，后运用微动探测利用速度参数对断裂构造进行验证，通过两种不同方法的互相运用验证为地热勘查提供可靠的地球物理依据。

关键词：可控源音频大地电磁测深法；微动；地热

1.引言

地热资源是指地下稳定、清洁、温度≥25℃的热水。它是一种绿色环保，可循环利用，具有良好的社会经济价值。地热资源最大特点之一是其出露位置受控于区域地质构造，资源分布具有地域性，只能就近开发利用，而从以往高温地热钻井资料显示，高温热储与地质构造密切相关[1]。而余姚某地位于区域性昌化—普陀大断裂带附近，丽水—余姚深断裂和温州—镇海大断裂之间，地质条件较为有利。

地球物理勘查是目前勘查地热储层及控热构造的重要方法之一。随着地热资源开发的深度逐步加深（部分已超过2000m），我们需要采用深部的地球物理手段来查明地热储层与断裂构造情况。因具有大深度、轻设备和横向高分辨率的特点[2、3]，可控源音频大地电磁测深（CSAMT）法已成为浙江省地热资源勘查的首选物探方法[4]。随着城市化的推进，电磁法也面临一些挑战，而地震类的微动探测作为一种新兴的物探技术，凭借抗干扰能力强、探测深度大、适用范围广等特点，逐渐广泛应用在地热调查、煤矿采空区探测、城市地质调查等多个领域[5]。

本文在余姚某地的地热资源勘查项目中应用了CSAMT法和微动，利用它们抗干扰能力强和探测深度大的特点，取得了可靠的成果。

2.工区概况

2.1地质概况

研究区位于余姚某地属浙东盆地山区和浙北平原交叉地区，地势南高北低，中间微陷。区内61省道从勘查区南部通过，G92杭州湾环线高速、G15深海高速从勘查区的南侧、东侧通过。区内村庄密布，道路纵横交错。

研究区内主要出露白垩系下统茶湾组（K1c）和第四系残坡积地层，以断裂构造为主，褶皱不发育，岩层产状平缓，仅在断裂附近呈陡倾或形成小褶皱。工区地层见表1。

2.2水文特征

松散岩类孔隙潜水，主要为全新统坡洪积含砾粉质粘土中弱孔隙含水岩组，由粉质粘土和飘石滚石组成，零星分布。

基岩裂隙水，火山沉积岩中形成节理，接受并储存了大气降水，形成裂隙含水岩组。多在沟谷路两侧陡坎处或坡脚以泉的形式排泄。

2.3地球物理特征

在全省重力异常分区上，勘查区位于浙东异常区。浙东异常区表现为不同层次的舌状异常分带，并展现出由南西向北东形态变窄，趋于收敛状态。在勘查区附近北东向梯级带切割了北西西向梯级带，异常等值线从北往南由南北向逐渐变为东西向，反映南北向、近东西向断裂在此交汇。

收集统计了区内地层的物性特征，区内以茶湾组（K1c）电阻率最高（300Ω·m～10000Ω·m），第四系电阻率最小（50Ω·m～200Ω·m）。根据前收集地层信息，茶湾组地层较为完整，电阻率较高，在其中发育的断裂、裂隙等构造由于含水及碎屑物的填充，导致电阻率明显降低，为本次工作开展提供了地球物理前提。

3.基本原理

3.1可控源音频大地电磁法

可控源音频大地电磁法（CSAMT）是一种人工源频率域电磁测深法，其采用的人工场源有电性源和磁性源两种。

由（2）式可知，趋肤深度（δ）随电阻率（ρ）和频率（f）变化而变化。根据这一理论，CSAMT可以通过人工发射不同频率来达到探测地下不同深度的电性结构情况。

3.2天然源面波（微动）法

微动信号来源于地球表面，来源方向不确定，而微动探测是将面波所携带的振幅和形态信息进行统计以平稳随机过程理论为依据的一种探测方法，该方法从微动信号中提取面波的频散曲线，通过对频散曲线的反演，得到地下介质的横波速度结构[6]。

空间自相关法（SPAC法）和频率—波数（F-K法）是目前主流的从微动信号中提取面波频散曲线的两种方法.而空间自相关法是应用最广的一种。如图1，为采用空间自相关法处理的微动数据，从图上可明显看出在1000m附件存在一低速层位。

3.3测线布置

本次物探工作针对区内可能存在的北西向、北东向隐伏断裂布置了6条剖面，剖面总长度8.7km，点距50m。详见测线布置图2。

4.数据采集及处理

4.1数据采集

可控源音频大地电磁测深法野外工作采用的仪器是加拿大凤凰公司生产的V8仪器系统，采用标量测量方式，即布置一个发射场源，在供电电极的赤道区测量电场分量Ex和磁场分量Hy，其中x和y分别沿着测线方向和垂直测线方向。

根据施工现场管理、交通和接地条件等因素，在满足收发距（R）大于5倍勘探深度且接收信號可靠的条件下，本次工作设两个发射偶极，1、2、3、4和7线共用发射源，偶极矩AB为1344m，收发距9.9km～10.65km之间。本次工作采集频率区间选择为0.5Hz～9600Hz，共选定45个频点，避开50Hz及其倍频，频点间隔呈不均匀分布，中频段适度加密。

本次微动探测工作使用合肥国为电子有限公司研制的GN209微动探测系统，连接主频为4.5Hz的垂直分量宽频带拾振器进行数据采集。采用10个采集站布设三重圆台阵，三重圆台阵半径分别为150m～300m～600m，每重圆上布设3个采集站，每个采集站连接一个0.1Hz宽频带检波器。

4.2数据处理

4.2.1可控源音频大地电磁测深

CSAMT法数据处理包含原始数据预处理、反演、成图三个步骤。在室内，首先使用V8预处理软件CMT-Pro对数据进行预处理，剔除个别质量不可靠的畸变点；然后使用CSAMT-SW软件对数据进行电极电位坐标偏差校正、曲线自动圆滑、跳点处理、两端坏频段截断处理、坏测点曲线废弃删除或插值利用处理、近场校正或删除近场频段处理、静态位移校正处理等，然后进行2D带地形反演；最后根据输出文件用surfer绘制断面图。

4.2.2微动探测

首先从各测点时序数据中提取瑞雷波频散曲线，获得其相速度频散曲线，直接绘制相速度等值线图，或者计算视S波速度，再经插值光滑计算获得二维视横波速度剖面，最后结合地质背景对视横波速度结构做出地质解释。

5.资料解释

图5是研究区北东向5条CSAMT剖面反演及推断解释成果图，从断面图上看，视电阻率异常自上而下基本表现为上低下高特征：①各断面浅部电阻率低于100Ω·m，厚度在50m左右，推测为第四系的反映；②各断面在-700m左右，大概电阻率600Ω·m附近有较明显的等值线密集带，推断为茶湾组地层完整与否分界线；③断裂Fw1和Fw2在1线、2线、3线、4线和7线上反应明显，均表现为“V”字形下凹或梯级带等，在7线上Fw1反映尤为明显。

CSAMT推断成果清晰的反映了研究区内的断裂构造情况，本次工作的目标是寻找深层构造裂隙水，综合5条测线2条断裂的异常特征，认为Fw1断裂是区内寻找构造裂隙水的有利部位。

为了判断断裂的可靠性，采用了天然源面波（微动）法对Fw1进行验证。

微动探测是以900/7点为中心，左右各布置两个点。从微动探测成果图（图6）上看，左侧为相速度剖面图，右侧为视横波速度剖面图。微动探测在900/7点下方深度-600m～-2000m左右存在明显的低速异常，推断为断裂反映，其位置与CSAMT所推断的Fw1基本一致。而从微动探测频散曲线（图1）上看，在900m深度有9个频点，且存在一明显的低速异常。因此，从原始频散曲线和成果图上均能佐证Fw1断裂的存在性。

综合CSAMT法的视电阻率特征和微动探测的速度特征，验证了Fw1断裂的可靠性，最终推荐900/7号点进行钻孔验证。目前钻探工作正在论证阶段。