V8在地下熱水勘查中的應(yīng)用

于勁勇，劉基超

（1.丹東市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 ，遼寧 丹東 118003；2.遼寧省地質(zhì)勘查院，遼寧 大連 116100）

V8在地下熱水勘查中的應(yīng)用

于勁勇1，劉基超2

（1.丹東市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 ，遼寧 丹東 118003；2.遼寧省地質(zhì)勘查院，遼寧 大連 116100）

V8 即 網(wǎng) 絡(luò) 化 多 功 能 電 法 儀 V8（ MAINPRODUCTS） ， 是 匯 集 當(dāng) 代 最 新 物 探 科 技 成 就于一身的一代多功能電法儀，成功地解決了很多過去在實(shí)際生產(chǎn)中所遇到的瓶頸問題。 本文通過對(duì) V8儀器的技術(shù)原理與先進(jìn)測(cè)試方法的闡述， 通過其在地下熱水勘查中的應(yīng)用以及達(dá)到的效果，說明 V8 儀器的優(yōu)越性及廣闊的應(yīng)用前景。

V8；地下熱水；勘查

1 V8簡(jiǎn)介

V8即網(wǎng)絡(luò)化多功能電法儀V8（MAINPRODUCTS)采用的是先進(jìn)的模塊化設(shè)計(jì)，包含天然場(chǎng)的遠(yuǎn)參考大地電磁(MT)和音頻大地電磁(AMT)以及人工場(chǎng)源的可控源聲頻大地電磁(CSAMT)、各種時(shí)域和頻域電磁功能(TDEM、FDEM)、激發(fā)極化——時(shí)間域和頻率域、相位和譜 IP(IP)、各種電阻率功能、(偶極法、斯倫貝謝法、或溫法)(Resistivity)。V8 和其他 V5-2000SSMT 采集站(MTU-5、MTU-2E，…采集單元)兼容，可以做多站大面積同步采集。第 i個(gè) A/D 采樣和格林硬漢時(shí)間同步，野外作業(yè)各站點(diǎn)隨時(shí)隨地開機(jī)即可采集，時(shí)間重疊做同步數(shù)據(jù)相關(guān)處理。

其先進(jìn)精確的 GPS技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合使V8即使在復(fù)雜的山區(qū)施工也變的如履平川；野外施工無需對(duì)鐘，極大地提高了生產(chǎn)效率；大功率 TXU-30 發(fā)射機(jī)的問世讓用戶擺脫了發(fā)電機(jī)必須原配所帶來的售后服務(wù)不能及時(shí)提供和及時(shí)維護(hù)的問題，同時(shí)也大大節(jié)約了購置成本；系統(tǒng)采樣頻點(diǎn)的無限加密，使分辨率得到了大幅提高；而且V8野外采集數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)顯示為振幅曲線和相位曲線，數(shù)據(jù)資料質(zhì)量一目了然。

1.1 V8 主要技術(shù)指標(biāo)

V8多功能電法工作站接收系統(tǒng)： 有3個(gè)接收通道，可與 RXU-3 采集單元實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊。可做時(shí)域、頻域激發(fā)極化（TDIP，RPIP），時(shí)域、頻域電磁法（TDEM，F(xiàn)DEM）、可控源音頻大地電磁測(cè)深法（CSAMT）、天然源大地電磁法（MT）和音頻大地電磁法（AMT） 測(cè)量以及各種裝置的電阻率測(cè)量。其工作頻率為 0.00005～10000Hz，工作溫度-20～+50 ℃，接收單元與發(fā)射單元之間及不同接收單元之間采用 GPS通訊。與 V8配套的大功率穩(wěn)流發(fā)射機(jī) TXU-30，最大可輸出功率 20kW，輸出電壓 25～1000V，輸出電流 0.5～40A。工作環(huán)境溫度-20～+45 ℃。

1.2 V8 工作原理

可控源音頻大地電磁測(cè)深法（簡(jiǎn)稱 CSAMT法）是以有限長(zhǎng)接地電偶極子為場(chǎng)源，在距偶極中心一定距離處同時(shí)觀測(cè)電、磁場(chǎng)參數(shù)的一種電磁測(cè)深方法。同時(shí)觀測(cè)與場(chǎng)源平行的電場(chǎng)水平分量Ex 和與場(chǎng)源正交的磁場(chǎng)水平分量 Hy。然后利用電場(chǎng)振幅 Ex 和磁場(chǎng)振幅 Hy 計(jì)算卡尼亞電阻率 ρs。觀測(cè)電場(chǎng)相位 Ep 和磁場(chǎng) Hp，用以計(jì)算阻抗相位φ。用卡尼亞電阻率和阻抗相位聯(lián)合反演計(jì)算可控源反演電阻率參數(shù)，最后利用反演的電阻率進(jìn)行地質(zhì)推斷解釋。

CSAMT 法標(biāo)量測(cè)量方式是用電偶極源供電，觀測(cè)點(diǎn)位于電偶源中垂線兩側(cè)各角組成的扇形區(qū)域內(nèi)。當(dāng)接收點(diǎn)距發(fā)射偶極源足夠遠(yuǎn)時(shí)（r＞3δ），測(cè)點(diǎn)處電磁場(chǎng)可近似于平面波，由于電磁波在地下傳播時(shí)，其能量隨傳播距離的增加逐漸被吸收，當(dāng)電磁波振幅減小到地表振幅的 1/e 時(shí)，其傳播的距離稱為趨膚深度（δ），即電磁法理論勘探深度。實(shí)際工作中，探測(cè)深度（d）和趨膚深度存在一定差距，這是因?yàn)樘綔y(cè)深度是指某種測(cè)深方法的體積平均探測(cè)深度，其經(jīng)驗(yàn)公式為：

由此可見,探測(cè)深度與頻率成反比，可以通過改變發(fā)射頻率來達(dá)到測(cè)深的目的。在實(shí)際勘查作業(yè)中，由于發(fā)射功率總是有限的，要保證有足夠的信噪比，收發(fā)距就不能太大。這樣往往不可能滿足遠(yuǎn)區(qū)的條件，一部分頻點(diǎn)可能處于過渡區(qū)。這時(shí)就要進(jìn)行過渡區(qū)改正。在進(jìn)行過渡區(qū)改正的前提下，要求 rmin＞0.5δ。

2 工程實(shí)例與分析

在大連金海國(guó)際花園地?zé)豳Y源開發(fā)項(xiàng)目勘查中，首次在大連地區(qū)的地?zé)峥辈橹惺褂镁W(wǎng)絡(luò)化多功能電法儀 V8，采用可控源音頻大地電磁法（CSAMT）。查明地表以下 3000m 范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造情況，提供地?zé)徼従?1～2 個(gè)，為該區(qū)域下一步鑿井尋找地?zé)豳Y源提供詳實(shí)的依據(jù)。

工區(qū)所屬區(qū)域位于大連市金州區(qū)西北部，西臨渤海金洲灣。地貌屬丘陵，海拔在 60～319m 之間，山脈呈北西向延伸，地勢(shì)北東高，南西低。相對(duì)高差在 50～100m 之間。

2.1 儀器試驗(yàn)

此次工作投入一個(gè) V8 主機(jī)，編號(hào)為 2442 及 2個(gè) RXU-3E 輔助采集單元，編號(hào)分別為2098，2103進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在正式投產(chǎn)前，首先對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行了標(biāo)定及 RXU-3E 進(jìn)行了一致性試驗(yàn)，主機(jī)及不同RXU-3輔助采集單元在同一點(diǎn)所測(cè)取的視電阻率曲線的一致性試驗(yàn)均方相對(duì)誤差小于 5%，符合規(guī)范要求。

2.2 數(shù)據(jù)采集

CSAMT 法采用赤道偶極標(biāo)量裝置進(jìn)行觀測(cè)，同時(shí)測(cè)量 9 個(gè) Ex 和 1 個(gè) Hy。為了保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，野外工作過程中主要采取了以下技術(shù)措施。

1）測(cè)量電極布極與磁棒布置：電極方位、磁探頭方位用地質(zhì)羅盤儀定向，點(diǎn)位由導(dǎo)航 GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)測(cè)定；在測(cè)量電極四周墊土，周圍澆鹽水降低接地電阻，確保電極接地電阻小于 2kΩ；水平磁棒埋入土中，入土深度不小于 20cm，并確保圓水泡居中使磁棒水平，方位誤差小于 1°； 極聯(lián)線、磁棒聯(lián)線及接入儀器的電纜均不能懸空，每隔一定距離需用土或石塊壓實(shí)，防止晃動(dòng)。

2）觀測(cè)方法：測(cè)量前首先對(duì)儀器進(jìn)行檢查，以確保儀器狀態(tài)良好，其次檢查電道的接地電阻及磁道的連通情況，接地電阻達(dá)到測(cè)量規(guī)范要求后，通知發(fā)射人員開啟發(fā)射裝置，開始進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)從低頻 0.125Hz 到高頻 7600Hz（共 35 個(gè)）頻點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量過程中對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的離差及測(cè)深曲線形態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為了提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，測(cè)量采用多次疊加技術(shù)，并在干擾嚴(yán)重的區(qū)段進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)。

CSAMT 野外數(shù)據(jù)采集流程：儀器校準(zhǔn)→系統(tǒng)檢查→采集→參數(shù)設(shè)定→按頻率數(shù)據(jù)采集→數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

2.3 質(zhì)量檢查方法及要求

CSAMT 勘查工作參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5772-2002《可控源聲頻大地電磁法勘探技術(shù)規(guī)程》相關(guān)技術(shù)規(guī)定執(zhí)行。重復(fù)檢查點(diǎn)卡尼亞電阻率均方相對(duì)誤差計(jì)算公式：

式中：m 表示均方相對(duì)誤差；i為頻點(diǎn)號(hào)；Ai為第 i個(gè)頻點(diǎn)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)值；A′i為第 i個(gè)頻點(diǎn)檢查觀測(cè)數(shù)據(jù)值；n為參加統(tǒng)計(jì)計(jì)算的總頻點(diǎn)數(shù)。要求單點(diǎn)的視電阻率均方相對(duì)誤差小于±5%。

2.4 數(shù)據(jù)處理

CSAMT 法 數(shù) 據(jù) 處 理 采 用 加 拿 大 鳳 凰（Phoenix）地球物理公司的與 V8 多功能電法儀系統(tǒng)配 套 的系 列 商業(yè) 數(shù) 據(jù)預(yù) 處 理 與 Zonge 公 司SCS2D 的反演軟件，選擇出具有最高信噪比的數(shù)據(jù)，經(jīng)過編輯整理、濾波及各項(xiàng)校正后，采用二維（2D）反演獲取相應(yīng)的反演電阻率斷面圖。通過數(shù)據(jù)處理剔除、壓制或校正 CSAMT 數(shù)據(jù)中的各種噪聲的影響，如儀器噪聲、天然電磁噪聲、人文噪聲、地質(zhì)噪聲以及非平面波引起的曲線畸變等。處理方法包括：數(shù)據(jù)編輯、濾波、靜位移校正、過渡區(qū)校正等。具體數(shù)據(jù)處理流程：畸變點(diǎn)剔除、去干擾、靜態(tài)校正、過渡區(qū)校正、高程校正、一、二維反演、成果輸出。

2.5 異常解釋

2.5.1 反演電阻率分布特征

1）1 線，2 線

1線與2線的反演電阻率縱向上都整體表現(xiàn)為由“低→高→低”的趨勢(shì)。電阻率值由近地表的n×10 Ω·m，向深部逐漸增高到近 10000 Ω·m。按電阻率值變化情況和分布特征，可分為兩個(gè)電性層。淺層深度約 20m 以淺的區(qū)域，電阻率多小于20 Ω·m，且橫向上連續(xù)性亦較好；自此層向下電阻率由約 20 Ω·m 升高到近 10000 Ω·m，在橫向上，可見該層南側(cè)電阻率低值區(qū)，北側(cè)為電阻率高值區(qū)。

2）3線

該線反演電阻率縱向上整體表現(xiàn)由低逐漸升高的趨勢(shì)。電阻率值由近地表的 n Ω·m，向深部逐漸增高到近 1000 Ω·m。按電阻率值變化情況和分布特征，可分為兩個(gè)電性層。淺層深度約 20m以淺的區(qū)域，電阻率多小于 6 Ω·m，且橫向上連續(xù)性亦較好；自此層向下電阻率由約 6 Ω·m 升高到近 1000 Ω·m，并在橫向上，可見該層南側(cè)電阻率低值區(qū)，北側(cè)為電阻率高值區(qū)。

整體上看，1，2 線和 3 線三者的視電阻率無論其斷面展布特征，還是其變化特點(diǎn)，均呈現(xiàn)出較好的相似性。但在電阻率數(shù)值上，3 線要比 1，2 線低一個(gè)數(shù)量級(jí)，推斷可能是由于3線距離高鐵高架橋較近，相當(dāng)于增加了一個(gè)場(chǎng)源，使磁道數(shù)據(jù)加強(qiáng)，從而導(dǎo)致電阻率的降低。

2.5.2 推斷解釋

根據(jù)前述的電性特征，由于地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)和組成成分不同，使不同時(shí)代地層間存在電阻率。斷層使兩側(cè)地層錯(cuò)動(dòng)并形成斷裂破碎帶，致使斷裂帶附近電阻率較低與其兩側(cè)地層的電阻率在斷面圖上呈現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象或出現(xiàn)差異。

實(shí)際上影響電阻率變化因素較多，如溫度、壓力和含水程度不同，即使同一地層間也存在較大的電阻率差異，所以需要結(jié)合其它物探資料、區(qū)域地質(zhì)和已知鉆孔資料進(jìn)行綜合解釋推斷地層的深度和時(shí)代。

1）1線

1 線位于渤海金州灣邊上，第四系（Q）為沖海積層（Q42al+m），巖性主要為砂層夾礫石及粉砂質(zhì)淤泥；由現(xiàn)場(chǎng)可知，金海國(guó)際花園項(xiàng)目用地，有部分地段是通過砂石土填海而來的，由此可知淺層電阻率橫向上連續(xù)性較好，在近地表處（第一層即第四系）電阻率一般在 2～20 Ω·m；第二層應(yīng)為震旦系（Z）的地層，巖性主要為灰?guī)r，在構(gòu)造發(fā)育區(qū)因裂隙發(fā)育，巖石完整性變差，破碎程度較高，為地下（熱）水的儲(chǔ)存提供了較大的空間，由于地下（熱）水的電阻率較低，因此在電阻率斷面圖中，在構(gòu)造發(fā)育區(qū)就會(huì)呈現(xiàn)出相對(duì)低阻的特征，這也是應(yīng)用電阻率資料圈定含水?dāng)嗔哑扑閹У幕疽罁?jù)；而在巖石裂隙不發(fā)育區(qū)段，巖石完整性較好，地?zé)崴膬?chǔ)存空間亦相對(duì)較小，在電阻率斷面圖中，則呈現(xiàn)高阻特征。而且根據(jù)鉆孔資料可知，3 條測(cè)線的北端均出現(xiàn)侵入的輝綠巖（βμ），這與電阻率斷面北段的高阻特征一致。在3條測(cè)線反演電阻率的南端均呈現(xiàn)低阻特征，推斷在1至 3線的點(diǎn)1350，1225 和 1600 應(yīng)有斷裂帶 F1 通過，根據(jù)電阻率的變化特征推測(cè)斷裂 F1 向南傾，傾角約。

2）2，3線

2，3 線的斷面電性特征與 1 線類同，依據(jù)斷面電性特征，2，3 線推斷的斷裂 F1 應(yīng)與 1 線的 F1 為同一條斷裂。

另外，此次 CSAMT 勘探區(qū)位于興民村逆斷裂帶附近，由前述地質(zhì)特征可知，該斷裂帶該斷裂北西起于龍王廟海邊，破碎帶寬 50m，斷裂走向305°，傾向南西，傾角 50°，因此推斷 F1 斷裂應(yīng)為興民村逆斷裂。該工作區(qū)處于復(fù)州—大連凹陷（IV級(jí)構(gòu)造單元）中，地表為近期人工回填，基巖推斷為震旦系上部石英砂巖、粉砂巖、頁巖及粉晶灰?guī)r，輝綠巖，地層產(chǎn)狀 285∠30—40°，震旦系上部的粘土質(zhì)頁巖對(duì)下部?jī)?chǔ)熱起到了較好的隔熱保溫作用。“金海國(guó)際花園”及附近地段地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，是褶皺構(gòu)造倒轉(zhuǎn)端，又是是北西向斷裂構(gòu)造發(fā)育處，深部灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r性脆，受構(gòu)造活動(dòng)影響易破碎，形成裂隙及溶洞或構(gòu)造破碎帶，利于地下水的徑流和儲(chǔ)存，是較好的地下水儲(chǔ)集地層（地段）。在斷裂賦存地段深部巖石，導(dǎo)水性，賦水性均較好，是地?zé)峋┕さ牧己梦恢谩?/p>

2.6 成井情況

2.6.1 成井預(yù)測(cè)

“金海國(guó)際花園”附近地段，近年來先后鑿有數(shù)口溫泉井，這些井所處的大地構(gòu)造位置，均為復(fù)州-大連凹陷帶內(nèi)。參考周邊已知溫泉井的深度、水溫、水量資料可知，“金海國(guó)際花園”及附近地段沒有地?zé)岙惓?，亦沒有溫泉出露，說明“金海國(guó)際花園”及附近地段為地?zé)嵴^(qū)，地下水屬低溫?zé)岬V水（20~40 ℃）。根據(jù)此次可控源音頻大地電磁測(cè)深（CSAMT）資料解釋結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料的綜合分析，選擇上元古界震旦系甘井子組、營(yíng)城子組灰?guī)r為熱儲(chǔ)目的層，汲取該層中的構(gòu)造裂隙水，震旦系頂部碎屑巖中夾有多層頁巖，它們對(duì)深部的含水段能起到很好的隔熱保溫作用。一般井深 1500~ 3000m 范圍內(nèi)水溫度可達(dá) 20~40 ℃，地溫梯度為1 ℃/100m 左右。預(yù)測(cè)擬鉆井井深分別為 1600m和 2600m。推測(cè)“金海國(guó)際花園”地?zé)峋鏊疁囟?5～40 ℃。

2.6.2 井口溫度及涌水量

成井后，經(jīng)過對(duì)深度、水溫、水量等資料回訪，井深 1860m，水溫度達(dá) 32.5 ℃左右，地溫梯度為0.85 ℃/100m 左右，500~700m 范圍為主要儲(chǔ)水層，厚度可達(dá) 200 余 m，測(cè)定涌水量可達(dá) 560m3/d左右。結(jié)果說明，工作成果與實(shí)際情況基本相符，達(dá)到了預(yù)期目的。

3 結(jié)語

V8的出現(xiàn)，將把電法探測(cè)帶入一個(gè)全新意義上的新紀(jì)元，開創(chuàng)真正的電法三維或四維觀察新階段。與常規(guī)物探方法相比，采用 V8 可不同程度地降低工程造價(jià)，具有工期短，精度高，受限條件少，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展將起到積極的作用。整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于天然場(chǎng)MT數(shù)據(jù)采集技術(shù)要求做為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)儀器的低噪聲。的硬件要求已接近目前電子技術(shù)的極限。

通過 V8設(shè)備與相關(guān)技術(shù)在地下熱水勘查中的應(yīng)用及取得的成果，該系統(tǒng)還可為油煤田、鐵路系統(tǒng)、國(guó)土資源部、國(guó)家地震局、有色系統(tǒng)、大專院校、工程部門及環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于油氣儲(chǔ)量的調(diào)查、地殼及地震的研究、活斷層的研究以及金屬礦產(chǎn)調(diào)查、環(huán)境工程調(diào)查、連續(xù)性或長(zhǎng)周期的監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］林清湲，等.工程與環(huán)境物探教程［M］.北京：地質(zhì)出版社，1999.

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