地面電法在地熱探測中的應(yīng)用

薛 永 軍

(山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西 晉中 030620)

地面電法在地熱探測中的應(yīng)用

薛 永 軍

(山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西 晉中 030620)

結(jié)合山西榆次區(qū)地熱探測實例，通過對該地區(qū)地質(zhì)特征、地質(zhì)構(gòu)造及地電場特征的分析研究，選擇采用地面物探電法可控源音頻大地電磁法及直流電測深法對該地區(qū)地熱資源進行了勘測，實踐表明地面電法在地熱勘查方面有著明顯效果，值得推廣應(yīng)用。

地熱資源，勘測，地面電法

0 引言

地下熱水是一種新型的環(huán)保能源，與煤炭資源相比，不僅環(huán)保、清潔、污染小，而且又是一種可再生能源。近年來，隨著人們生活水平的提高，生活質(zhì)量和生存觀念的改變，地熱能源愈來愈受各國人民所喜愛，地熱開發(fā)后，集醫(yī)療與保健(洗浴)、供暖、旅游度假與房地產(chǎn)開發(fā)于一體，具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益，應(yīng)用前景廣闊。隨著經(jīng)濟飛速發(fā)展，對地熱資源的開發(fā)力度不斷加大，各地紛紛開展地熱資源勘測工作，地面物探電法可控源音頻大地電磁法和直流電測深法在勘查工作中發(fā)揮了其不可替代的作用。通過對山西省榆次區(qū)地熱探測的實例證明，此兩種方法在地熱勘查方面有著明顯的效果。

依據(jù)以往地層、地質(zhì)、構(gòu)造等資料，山西晉中榆次區(qū)輝舉村一帶有儲藏地下熱水的可能，為今后地熱資源的開發(fā)利用，我單位對該區(qū)域的地熱資源進行勘查。為進一步確定地下熱水的賦存狀況，本院接受委托后在充分收集、整理、分析以往地熱勘查成果的基礎(chǔ)上，最終確定采用地面物探電法可控源音頻大地電磁法(Controlled Source Audio-frequency Magnetotellurics，簡稱CSAMT)及直流垂向視電阻率測深法(對稱四級裝置)對本區(qū)進行了探測。

1 地質(zhì)特征

勘查區(qū)位于山西省晉中盆地東北部，地勢東高西低，北高南低，總體向盆地和瀟河方向傾斜，低山和丘陵多于平川。山區(qū)基巖裸露，山坡平緩，海拔標高在1 100 m～1 300 m，最高峰為五里山，海拔1 388 m。西部張慶鄉(xiāng)和西河堡、小張義一帶，海拔769 m～772 m。丘陵區(qū)多分布于山前地帶，地形坡度為5°～8°傾向盆地和瀟河河谷，溝谷發(fā)育，多呈“V”形谷，海拔標高850 m～1 100 m，瀟河河床寬50 m～300 m。

測區(qū)表層為新生界第四系全新統(tǒng)地層，附近鉆孔揭露下伏地層依次為第四系厚度36 m，三疊系二馬營組厚度294 m、下統(tǒng)和尚溝組及劉家溝組地層厚度576 m、二疊系上石盒子組厚度295 m、下石盒子組厚度120 m，石炭系山西組厚度70 m、太原組厚度155 m、晉祠組厚度42 m，奧陶系峰峰組厚度163 m、上馬家溝組厚度140 m。

2 地質(zhì)構(gòu)造

榆次區(qū)在區(qū)域構(gòu)造上位于祁呂山字形構(gòu)造東翼，山西多字形構(gòu)造晉中挽近槽地的東北側(cè)，區(qū)內(nèi)從古生代到新生代經(jīng)歷了多次構(gòu)造變動，在長期不同應(yīng)力作用下，形成了一系列不同時代及不同形態(tài)的褶皺、斷裂等構(gòu)造形跡。

晉中斷陷盆地是第三紀末喜山運動造成的內(nèi)陸性沉積斷陷盆地。自第三紀以來，盆地區(qū)邊山大斷裂及一些隱伏性質(zhì)不明斷階仍在繼續(xù)活動，蘊藏著不同構(gòu)造發(fā)育特征的熱儲地層，導(dǎo)致熱異常頻繁出現(xiàn)。盆地區(qū)地熱資源溫度一般屬于“低溫地熱資源”，水溫介于25 ℃～90 ℃之間。斷陷盆地是控制地熱形成與賦存的一級斷裂；沿邊山大斷裂可溝通盆地深部地熱資源；盆地淺埋型—深埋藏的隱伏斷階、斷凹、斷凸及邊山次一級斷裂是控制地熱異常熱儲層，儲存、蘊藏、熱儲富集規(guī)律，地熱流體發(fā)育富水性及地熱水溫度的基礎(chǔ)性先行條件，在盆地區(qū)尋找地熱，首先要查清基底構(gòu)造分布特征及基巖頂板埋深等地質(zhì)形跡。

3 地電場特征

1)地下熱水的電性異常特征。

巖石和水的電阻率均與溫度有密切的關(guān)系，當水的溫度高或巖石孔隙、裂隙中充填有熱水時，它們的電阻率將會明顯降低，溫度越高，視電阻率越低；水的礦化度不同，電阻率也不同，礦化度越高，電阻率越低，地下熱水的礦化度往往比普通水要高，這就造成了普通水和地下熱水不同的電阻率差異。

經(jīng)以往我們對地深井熱水和普通冷水分別進行了不同溫度時的電阻率測試，其結(jié)果基本符合上述情況，隨著溫度的升高，電阻率明顯下降，在相同溫度時，兩種水的電阻率也有一定差異。在相同巖性的巖體中，由于深部的熱傳導(dǎo)或斷層影響，同樣可產(chǎn)生低阻異常，所以在本區(qū)采用可控源音頻大地電磁測深法和視電阻率測深法圈定低阻地熱異常范圍，是具備較好的地球物理前提條件的，能夠取得預(yù)期的地質(zhì)效果。

2)地質(zhì)構(gòu)造電性異常特征。

本工區(qū)地層橫向有層狀分布特點，不同巖層具有不同的導(dǎo)電性，在橫向上導(dǎo)電性相對均一。地層均勻連續(xù)時，相應(yīng)的地電斷面上視電阻率等值線均勻平滑，縱向有斷層等構(gòu)造分布時，橫向上視電阻率的均勻變化規(guī)律遭到破壞，電阻率等值線在橫向上表現(xiàn)出明顯的錯斷，這就是本次探測的地球物理前提。

本勘探區(qū)地表為剝蝕～堆積的丘陵～丘間地貌。地表土石混雜。地表地層橫向變化大，要求所選擇方法能夠很好地克服靜態(tài)偏移的影響，應(yīng)特別注意發(fā)射和接收部分的地表接地條件，以及大深度探測對觀測數(shù)據(jù)的影響。

由于本區(qū)這種電場強度的差異，在本區(qū)進行電法勘測，是具備其地球物理前提條件的。

4 野外工作方法

根據(jù)本次工作的目的任務(wù)，測區(qū)的地形地質(zhì)條件、地球物理條件，為了更好地完成本次工作的地質(zhì)任務(wù)，確定本次勘探采用地面物探可控源音頻大地電磁測深法(CSAMT)及直流垂向視電阻率測深法進行探測。

1)可控源音頻大地電磁法。本次可控源探測工作采用GDP-32Ⅱ型多功能電法探測系統(tǒng)進行探測。GDP-32Ⅱ?qū)倜绹鳽onge工程公司的第四代可控源和天然場源電法及電磁法探測多通道接收機?？煽卦匆纛l大地電磁法(簡稱CSAMT)是在音頻大地電磁法(AMT)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種人工場源頻率測深法，它用地面偶極子或水平線圈作為人工信號源產(chǎn)生可控的電磁信號，通過接收不同頻率的電磁信號達到測深的目的。

在CSAMT方法勘探中，往往研究的是均勻半空間點電源或磁偶極子在地面上產(chǎn)生的場，這是因為構(gòu)造電磁法勘探是在地面上進行觀測的。由場論可知，偶極天線產(chǎn)生的電磁波實際上是向四面八方輻射的，就波的傳播途徑可分為天波、地面波和地層波。電磁波在空氣中的波長為c/f(c為光速；f為頻率)，地中的波長為(107/fσ1)1/2。可見電磁波在地下的波長遠小于空氣中的波長，這樣一來沿地表傳播的地面波(用S0表示)和直接在地中傳播的地層波(用S1表示)在某一時刻t時，由于波程差，就會在地面附近形成近于水平的波陣面，造成一個幾乎是垂直向下傳播的S*波，即近似的水平極化平面波。S0波、S1波和S*波在傳播過程中均與地下地質(zhì)體發(fā)生作用，并把作用結(jié)果反映到地面觀測點。根據(jù)交流電的趨膚效應(yīng)，頻率不同其穿透深度不同，頻率高時電磁場分布于淺層，頻率低時電磁場分布在較深范圍內(nèi)，所以改變發(fā)射頻率，可以研究不同深度上的地質(zhì)情況。

2)直流垂向電測深法。采用垂向四極對稱視電阻率測深法，使用的儀器是JJ-3A型積分式激發(fā)電位儀。

裝置形式是梯度裝置，即測量電極距選擇在AB/30≤MN≤AB/3，最大測量電極距(MN/2)max=150 m，最小測量電極距(MN/2)min=3 m，最大供電電極距(AB/2)max=1 500 m，最小供電電極距(AB/2)min=30 m，供電電源為雙鹿牌1號高能鐵殼電池裝入JJ-116型電池箱，串、并聯(lián)供電，最大供電電壓Umax=12.8 V，最大供電電流Imax=2 500 MA。

儀器原始觀測參數(shù)有：電位差ΔV1、電流I，經(jīng)計算求出視電阻率ρs=K·ΔV1/I(Ωm)。

5 結(jié)語

根據(jù)本區(qū)地層、構(gòu)造及水文地質(zhì)條件綜合分析，本區(qū)的主要裂隙承壓水的補給來源為盆地北部邊山區(qū)基巖裸露區(qū)降水入滲通過邊山斷裂導(dǎo)水深循環(huán)補給，地下水徑流滯緩，水力交替弱，該含水層巖組受地熱影響較大，本次勘查的主要目的就是尋找該層水。

根據(jù)勘探的目的和任務(wù)，本次勘探著重尋找地質(zhì)構(gòu)造中可能形成的導(dǎo)水裂隙帶。層狀賦存的地層電性均勻，橫向上差異不大，一旦出現(xiàn)構(gòu)造破壞了這種地層的連續(xù)性，會在地電斷面上表現(xiàn)出明顯的電性差異，視電阻率等值線斷面上表現(xiàn)出等值線起伏較大，橫向電阻率不連續(xù)。

可控源探測的結(jié)果與直流電測深探測結(jié)果電阻率異常形態(tài)基本相同，兩者地面異常對應(yīng)情況也較好。

此次物探勘查工作取得了一定的成果，推斷出兩條斷層，發(fā)現(xiàn)了存在地熱異常的位置，推斷出了導(dǎo)熱構(gòu)造帶，熱源由深大斷裂產(chǎn)生，通過熱儲層傳導(dǎo)，蓋層保溫，解釋認為本區(qū)斷層為導(dǎo)熱構(gòu)造。

Application of electrical surface prospecting method in geothermal survey

XUE Yong-jun

(Shanxi 3rd Geology Engineering Survey Institute, Jinzhong 030620, China)

Combining with Yuci geothermal survey example in Shanxi province, the paper analyzes its geological features, geological structure and electric field features, surveys its geothermal resources with electrical surface prospecting method, which can control audio frequency electromagnetism method and direct current electric testing method. Practice proves that: electrical surface prospecting method has great effect in geothermal resources survey. Thus, it is worth promoting.

geothermal resources, survey, electrical surface prospecting method

1009-6825(2014)36-0037-02

2014-10-17

薛永軍(1972- )，男，工程師

P314.3

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