王坤坤, 田成富, 李 彦

(湖北省地质局 地球物理勘探大队,湖北 武汉 430056)

CSAMT法在汤池地热温泉勘探中的应用

王坤坤, 田成富, 李 彦

(湖北省地质局 地球物理勘探大队,湖北 武汉 430056)

以湖北省汤池地热勘查项目作为实例,对CSAMT方法从原理、野外工作方法、数据处理技术等方面进行详细的介绍,并对其找水效果、方法优缺点进行分析评价。与传统找水方法相比,该方法勘探深度大、分辨率高,数据处理后得到的电阻率断面图能真实地反映地下电性结构。特别是勘探区地下含水构造,与围岩有明显的电性差异,CSAMT法勘探结合定性分析可间接为寻找地下热水资源提供靶区。CSAMT方法在地热温泉勘探中具有不可替代的优势，其在汤池地热温泉勘探中的应用经验在类似找水项目中具有示范和推广意义。

温泉;可控源音频大地电磁法;找水效果

地热是一种清洁的资源,温泉中含有对人体有益的多种矿物质,随着经济的增长和旅游业的发展,人们对温泉旅游的消费也在迅速增长。湖北省应城市汤池地区地下热水资源丰富,但因为以前采用传统电法开展勘探工作所取得的效果有限,为合理、有效开发当地热水资源,后期又采用CSAMT方法在指定区域进行了重新勘探,最终取得了满意的找水效果。

在地下热水资源勘探中,因含水构造电阻率的降低,与围岩相比将会产生明显的电性差异,这为物探电法勘探提供了良好的应用前提[1]。在诸多的电法勘探方法中,可控源音频大地电磁法与其它常规电法(如常规电阻率法、高密度电法等)相比,具有一定的优越性。首先,其勘探深度大,可以查明地表以下1～2 km深的地质情况;其次,其工作效率高,受地形影响较小,在复杂地形条件下也可以应用;最后,其横向分辨率高,对横向电性分界反映清晰,定位准确。常规电法虽然也常用于地下热水勘探,但勘探深度一般较浅,受地表电阻率影响较大[2],对深部构造及地下水流向等方面的反映较差,钻孔定位也有一定困难。

1 探测区地质与地球物理特征

1.1 探测区地质特征

工作区位于襄广断裂南侧扬子准地台大巴山—大洪山台缘褶带大洪山台褶束及鄂中褶断区钟祥台褶束与江汉断陷云应凹陷、天门凸起交汇处。各构造单元为断层接触。测区北为云应凹陷,南为天门凸起。

根据钻探资料,地层由新到老依次为第四系、新近系、古近系、震旦系。古近系(E)主要由紫红色—灰绿色粘土质粉砂岩、粉砂岩组成,与下部震旦系灯影组呈不整合或断层接触,受北西向断裂和北东向断裂控制,同一高程面上岩性变化较大,且厚度也不一致,说明两断裂在第三系以来仍有活动,并控制了第三系的沉积。震旦系灯影组(Z2dn)遍布全区,除在西部及西北部零星出露外,其余均埋于第四系、新近系、古近系地层之下,且具有西北、北部埋深浅,东南、南部深的特点,岩溶发育,岩石破碎,方解石充填或钙质胶结,硅化程度高,为主要储热储水层。

工作区地处大洪山褶皱束和江汉断陷两构造体系复合部位东南倾没端,平行北西西轴线有一系列压性断裂。其中心林家寨断裂规模最大,走向北西西,倾向北东,倾角30°,破碎带宽度365～375 m,主动盘向南运动,致使奥陶系地层有两次明显重复,它延伸至汤池被北北西向西河—皂市张扭性断裂切割。西河—皂市张扭性断裂总体走向北北西,倾北东,倾角70°,在汤池呈近南北向展布,由数条平行断裂组成,破碎带宽度175～225 m,其规模大,延伸远,切割深,明显控制了大洪山褶皱束构造的大部分构造成分,并切割了中生代沉积和构造盆地的边界形态,具多期活动特点。此外,北北东向断裂组在汤池也较发育,切错了北西西向构造形迹,呈现先压后张且具多期性活动特点,波及第三系地层,使上第三系地层断距达13 m以上,乃至挽近期仍有活动。正是由于上述两大构造形迹的共同制约,新近系红层断裂和寒武地层次级构造十分发育并共同控制了汤池热水的形成与展布。

1.2 地球物理特征

根据湖北省地质局鄂东北地质大队AB/2=300 m的对称四极法物探工作,电参数测定结果显示,水温60°左右的热水电阻率<5 Ω·m,地表水的电阻率为60～80 Ω·m,两者电性差异大于一个数量级。可见,含丰富矿物离子的地下热水会使围岩电阻率大大降低,特别是受断层作用形成的破碎带或含水的岩溶及其裂隙,电阻率会非常低,物探断面图上会出现低阻异常带。电阻率大小与破碎带含水量的多少呈反比关系。

第四系、新近系、古近系出露地层的岩性为粘土、泥灰岩、泥岩、粘土岩、粉砂岩等,其电阻率约为几十—几百Ω·m;下伏震旦系上统灯影组地层岩性为白云岩,其电阻率约为n×102～n×104Ω·m;若围岩破碎,则电阻率会有所减小,破碎带充水后,其电阻率将大幅度降低,甚至达几Ω·m。这些电阻率上的差异,为本次提供了较好的地球物理勘查前提。

2 应用CSAMT探测地热田方法原理

CSAMT法是可控源音频大地电磁法的简称,它基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程组导出水平电偶源在地面上的电场及磁场公式,然后利用正交的电场Ex和磁场Hy计算卡尼亚视电阻率。

应用CSAMT法探测地热田,一般采用标量法进行探测,其发射端采用人工可控的电偶极源,A、B电极距离为1～2 km,测线与供电AB极连线平行,接收端布置在供电偶极中垂线±30°的扇形面积内,且使测线位于远场区进行数据采集,通过变换供电频率以达到测深的目的(参见图1)。

CSAMT标量勘探是远场区测量正交的电场强度Ex和磁场强度Hy的水平分量,进而求出卡尼亚视电阻率[3-4]:

式中:f为频率。

相位提供了另一个重要参数,称为相位差或阻抗相位:φE=φE-φH。电阻率和相位共同提供了包含地下信息的完整数据,根据这两个参数数据,就能解译出想要的地质信息。

根据理论推导,CSAMT 的勘探深度D与频率f、电阻率ρ之间的关系为:

图1 CSAMT法工作布置图Fig.1 Work layout of CSAMT

3 CSAMT野外工作方法

3.1 野外数据采集

野外生产投入设备为V8多功能电法仪,包括V8接收机、发射机TXU-30、30 kW大功率发电机等其它辅助工具。按规范要求,在仪器投入生产前,对仪器进行了标定,仪器标定合格。对3台接收机进行一致性试验,一致性良好。

工作区布置2条平行剖面,点距50 m,频率参数为1.33～9 600 Hz,发射电流为18 A,A、B供电极距距离长1 200 m,收发距r>7.8 km。

3.2 数据处理

每天野外数据采集完成后,将仪器中数据及时传输到计算机,并进行原始数据预处理,初步判断数据质量和野外地质情况,必要时绘制视电阻率断面图。利用中国地质大学与凤凰地球物理公司合作研发的软件CSAMT-SW V2.0进行反演。

4 资料解译及应用效果

4.1 反演方法选取

为了验证反演软件不同反演方法的适用性,进行了一维(Bostick)反演和二维反演对比(见图2)。可以看出,0～-600 m的范围,一维反演和二维反演在反映断裂及低阻异常带等方面基本一致,构造及地层的反映非常清晰,但-600 m以下,二维反演结果存在垂向拉伸的现象,有些不符合地质规律。经分析,认为二维反演在缺乏地质模型和边界限定条件下,其在叠加及插值运算过程中,会出现不可控的问题,往往会出现极大值、极小值及不符合地质规律的情况,因此,在应用二维反演时,一定要在充分认识地质资料的前提下,建立合适的地球物理模型,并加上边界限定条件,只有这样,才能得出正确的结果;Bostick一维反演,其反演过程中就建立了地球物理理论模型,所以能得到较好的反演结果。经对比Bostick反演结果在本工作区更接近地质情况,具有更好的适用性。

图2 汤池地热勘探2线二维/Bostick反演结果对比图Fig.2 Contrast diagram of two-dinensional inversion results and Bostick inversion results about NO.2 explomtion line of Tangchi

4.2 资料解译

经一维和二维反演的对比,选取一维Bostick法进行反演,并对反演结果进行解译,详见图3。反演断面图上可以看出,从上至下可分为0～-600 m、-600～-1 200 m两层,分别对应为震旦系白云岩及下伏地层,震旦系地层的厚度在剖面上不同位置是变化的,点号1 100～2 500,白云岩厚度呈增大趋势。点号1 100～1 500,0～-600 m,视电阻率约几十Ω·m,认为该段受断层作用,围岩破碎并含水,使得电阻率大大降低,推测点号1500位置存在断层F1;点号1 500～2 100,0～-600 m,视电阻率几十—几百Ω·m,推测点号1 900～2 000之间存在断层F2,受该断层影响,围岩破碎含水,由于不同部位赋存水量大小不一,就造成了断面图上视电阻率高低不一的情况;点号2 100～2 500,0～-600 m,视电阻率几百至1 000Ω·m,视电阻率变化均一,无低阻异常,认为围岩较完整。

断面图上可以较清晰地看出三处视电阻率低于10 Ω·m的低阻异常带,分别是:点号1 100～1 500,深度约-250～-500 m;点号1 500～2 000,深度约-400～-600 m;点号2 000～2 500,深度-600～-1 200 m,陡状向下延伸。三处低阻异常位于震旦系白云岩内部,且视电阻率远远低于白云岩电阻率,认为低阻异常带为含热水破碎带,因含有大量热水,使得视电阻率明显降低。

图3 汤池地热勘探2线CSAMT法成果图Fig.3 Result map of NO.2 exploratin line of Tangchi by CSAMT1.推测灯影组白云岩;2.推测破碎带;3.推测断层;4.验证钻孔。

4.3 应用效果

CSAMT法数据处理、反演及资料解译完成后,经综合研究,认为2线1 400点是最佳位置,经钻探验证,250 m左右见热水,水温>60°,找水效果显著,得到了甲方的一致好评。

该项目成功实施后,在皂市、随州大洪山等地也开展了类似的地热勘探工作。借鉴本次工作取得的经验,经过必要的数据处理工作,也取得了良好的找水效果。这说明CSAMT在找水方面的应用,其优点是不可替代的,有着广阔的应用前景。

5 结论

随着国内经济的快速发展,能源的供需矛盾日益突出。地下热水资源,为无污染的清洁能源。合理开发利用地下热水资源,对工农业经济发展,有着重要的现实意义。CSAMT法在汤池地区勘探地热温泉中,展示了良好的应用效果,由于其勘探深度大、横向分辨率高、工作效率高、抗干扰能力强等优点,CSAMT法在地热找水项目中划分断裂构造、圈定低阻异常区具有非常好的适用性,对其它勘探区类似地寻找地热水具有重要指导和借鉴意义。

同时,CSAMT法也存在一定的缺点:①地表的高阻会产生静态效应,对数据的采集造成影响[5],在数据处理时必须消除静态效应;②CSAMT法对地表的反映较差,原因在于包含地表信息的高频数据较少,若想得到详细的地表信息,需要结合其他物探方法,如高密度电法等,进行综合勘探;③CSAMT法反演软件存在不足,其在处理静态效应、地形校正等方面的算法不相同。尽管如此,差异不会太大。如果差异部分恰好在剖面上的关键位置和深度,则要重新查看原始数据和野外记录班报,在此基础上谨慎选择反演软件,若有其它电法资料或地质资料作参考,那将非常有帮助。对CSAMT法获得的数据进行处理时,二维反演不一定比一维反演更能反映真实地质情况,因为二维反演需要限定条件,一般的反演软件往往是在无限定条件下多次叠代运算得到结果,这种做法很难保证结果的准确性,所以在利用二维反演时,一定要加上边界限定条件。

随着社会建设进程的加快,人文干扰对CSAMT法数据采集的影响越来越大,采集到合格的原始数据显得越来越困难,也越来越重要,所以,如何压制干扰及消除干扰成为CSAMT法勘探的重要课题。本文总结了一种评判数据质量优劣的方法,就是利用频率—视电阻率(或频率—相位)作视电阻率断面图(或相位断面图),在图上直观地判断数据质量优劣及有无干扰。在今后的工作中,将加强有关干扰问题的研究,提高数据采集合格率,探寻数据处理过程中剔除干扰的方法,为地质找水事业提供科学手段。

[1] 朱金华,冒我冬,白锦琳,等.CSAMT法在断层含水性评价中的应用[J].物探与化探,2011,35(4):569-572.

[2] 张作宏,王军成,戴康明.CSAMT在沿海围垦区地热勘查中的应用[J].物探与化探,2014,38(4):680-683.

[3] 汤井田,何继善.可控源音频大地电磁法及其应用[M].长沙:中南大学出版社,2005.

[4] 中国地质调查局.电性可控源音频大地电磁法技术规程(报批稿):DD2009-XX[S].北京:中国地质调查局,2009.

[5] 柳建新,郭振威,郭荣文,等.CSAMT和重力方法在狮子湖温泉深部地球物理勘查中的应用[J].地球物理学进展,2009,24(5):1868-1873.

(责任编辑：陈姣霞)

Application of CSAMT in Tangchi Geothermal Spring Prospecting

WANG Kunkun, TIAN Chengfu, LI Yan

(HubeiBrigadeofGeophysicalExploration,Wuhan,Hubei430056)

Controlled source audio frequency magnetotelluric method (CSAMT) has been widely used in the exploration of geothermal water resources at home and abroad. This article taking TangChi geothermal survey project as an example,introduces the method principle of CSAMT,field working method,data processing technology etc. in detail. analyses the effects of prospecting water,merits and faults of different methods. From the point of view later drilling results,compared with the traditional methods,CSAMT is of great exploration depth,high resolution. Resistivity section after data processing can reflect the true underground electrical structure. Especially there are obvious electric difference between the underground water bearing structure of exploration area and the surrounding rock. This can be done by qualitative analysis,indirectly provide target area for underground water resources. The advantage CSAMT in exploration of geothermal hot springs is irreplaceable. It has demonstration and popularization significance in similar hot spring water survey project.

hot spring; CSAMT; effects of prospecting water; popularization

2015-04-17;改回日期:2015-05-26

王坤坤(1985-),男,工程师,地球物理专业,从事电磁法勘探及找矿工作。E-mail:393216851@qq.com

P631.3+2

A

1671-1211(2016)01-0072-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201601012

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20151217.0912.006.html 数字出版日期:2015-12-17 09:12