CSAMT在碎屑巖地區(qū)地?zé)峥辈橹械膽?yīng)用

尚通曉，關(guān)藝曉，閔 望，劉曉瑜，梅 榮

（1. 國(guó)土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210046； 2. 江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，南京 210046）

CSAMT在碎屑巖地區(qū)地?zé)峥辈橹械膽?yīng)用

尚通曉1,2，關(guān)藝曉1，2，閔 望1,2，劉曉瑜1，2，梅 榮1，2

（1. 國(guó)土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210046； 2. 江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，南京 210046）

碎屑巖因質(zhì)軟，導(dǎo)水、儲(chǔ)水條件不良，通常作為地?zé)嵊欣厣w層，而碎屑巖電阻率普遍低，厚度大的情況下形成低阻屏蔽層，勘探下伏有利儲(chǔ)層難度極大,尋找碎屑巖中構(gòu)造裂隙水是最佳的選擇。但碎屑巖中的儲(chǔ)水構(gòu)造與圍巖電阻率差異小，構(gòu)造跡象微弱，因此在碎屑巖地區(qū)找地?zé)峒夹g(shù)含量較高。茅山鎮(zhèn)位于句容盆地東緣茅山西側(cè)，沉積了厚度超過(guò)1800m的白堊系碎屑巖，水文地質(zhì)條件較差，本文應(yīng)用CSAMT大范圍普查、小范圍精細(xì)查證布置方式，采用磁場(chǎng)插值校正的技術(shù)手段、收發(fā)距選取優(yōu)先保證信噪比的思路，控制白堊系碎屑巖中儲(chǔ)水?dāng)嗔褬?gòu)造，克服低阻的碎屑巖地區(qū)構(gòu)造異常微弱的難點(diǎn)。鉆探驗(yàn)證結(jié)果表明，CSAMT可以經(jīng)濟(jì)有效地應(yīng)用于碎屑巖地區(qū)地?zé)峥辈椤?/p>

地?zé)?CSAMT;碎屑巖;靜態(tài)效應(yīng);白堊系

0 前言

地?zé)豳Y源勘查工作不僅與地?zé)岬刭|(zhì)條件有關(guān)，還受限于開發(fā)者的用地位置和整體規(guī)劃利用。因此，地?zé)峥辈橐巡辉倬窒抻诘責(zé)岬刭|(zhì)條件較好的地區(qū)，往往不得不在熱儲(chǔ)條件差的地區(qū)開展工作。碎屑巖地區(qū)在下伏有利儲(chǔ)層埋深很大的情況下，開采的成本和風(fēng)險(xiǎn)明顯增大，碎屑巖富水性較差，但在斷裂帶及附近，砂礫巖、砂巖尤其是鈣質(zhì)砂礫巖中具有裂隙發(fā)育條件。因此，尋找深部斷裂裂隙型地?zé)崴亲罴训倪x擇。

碎屑巖地區(qū)尋找構(gòu)造的難點(diǎn)在于富水性相對(duì)差，整體電阻率低，因此構(gòu)造異常跡象不明顯，熱儲(chǔ)信息弱，尤其在低阻覆蓋、斷裂構(gòu)造規(guī)模不大的情況下。常規(guī)的直流電法勘探、核磁共振等方法在地質(zhì)條件較差的貧水地區(qū)找水，已取得一定的效果[1～2]，但這些方法勘探深度有限，尤其在低阻覆蓋地區(qū)。天然場(chǎng)源的音頻大地電磁測(cè)深勘探[3]、大地電場(chǎng)巖性測(cè)深技術(shù)[4]深度大、施工便利，但地?zé)豳Y源開發(fā)區(qū)往往位于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人文干擾嚴(yán)重的地區(qū)，天然場(chǎng)源的探測(cè)方法抗干擾能力差[5]，難以得到高質(zhì)量數(shù)據(jù)，熱儲(chǔ)信息容易被干擾所掩蓋。

可控源音頻大地電磁測(cè)深法[6～7]（簡(jiǎn)稱CSAMT），探測(cè)深度大，具有較高的縱向和橫向分辨率，對(duì)低阻體位置、寬度定位較準(zhǔn)，特別適合具有良導(dǎo)特性的斷層破碎帶的探測(cè)[8]，廣泛應(yīng)用于地?zé)豳Y源勘查鉆探孔位布置[9～10]。

1 地質(zhì)背景

調(diào)查區(qū)大地構(gòu)造上位于下?lián)P子地塊東段，句容盆地東緣，茅西斷裂帶西側(cè)，區(qū)內(nèi)被厚約3m的第四系覆蓋，第四系之下沉積了厚層白堊系浦口組(K2p)和葛村組(K1g)，根據(jù)ZK12鉆孔，推測(cè)區(qū)內(nèi)白堊系厚度超過(guò)1800m（圖1）。

浦口組(K2p)上段為紫紅色砂礫巖、鈣質(zhì)巖屑砂巖，粉砂巖，鈣質(zhì)粉砂質(zhì)粘土巖、粘土巖夾薄層泥灰?guī)r組成不等厚向上變細(xì)的半韻律旋回，下段為紫紅色復(fù)成分巖塊角礫巖、礫巖夾火山角礫—集塊巖、巖屑砂巖；葛村組(K1g)巖性為暗紫紅、暗棕、灰綠、黑色泥巖，粉砂質(zhì)泥巖或?yàn)榛?，其下部為灰白色砂巖及礫巖，見(jiàn)鈣質(zhì)結(jié)核和鈣質(zhì)膠結(jié)，礫巖厚度較大，代表斷陷初期以沖積扇相為主的山間盆地沉積，不整合于大王山組安山角礫凝灰?guī)r、安山凝灰?guī)r之上[11]。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)圖(含剖面位置)

調(diào)查區(qū)位于茅山推凸茅西斷裂帶西側(cè)。區(qū)域性構(gòu)造有北東向茅山斷裂、北西向南京—溧陽(yáng)斷裂和北西西向薛埠斷裂。新構(gòu)造活動(dòng)較為活躍，以差異升降和斷裂活動(dòng)為主[12]。新構(gòu)造活動(dòng)與地?zé)嵊兄芮械年P(guān)系，它們控制著有關(guān)地?zé)岙惓５姆植?，是重要的控?zé)峥厮畼?gòu)造。

本區(qū)巖石圈厚度100km左右，居里面（560℃）深度約35km，大地?zé)崃髦?2mw/m2，白堊系（K）地層中地溫梯度為30.5℃/km。區(qū)內(nèi)地下熱水的熱源主要來(lái)自地下深處，地?zé)嶂饕ㄟ^(guò)自然增溫形成，熱儲(chǔ)含水層埋藏越深，水溫越高。因此，要開發(fā)一定溫度的地?zé)崴?，熱?chǔ)含水層需要有一定的深度，按3.05℃/100m的地溫梯度計(jì)算，理論上本區(qū)含水層埋深1000m時(shí)，地?zé)崴疁囟瓤蛇_(dá)45℃左右，含水層埋深1500m時(shí)，地?zé)崴疁囟瓤蛇_(dá)60°左右。

2 CSAMT原理

可控源音頻大地電磁測(cè)深（CSAMT）通過(guò)分析地面觀測(cè)到的由人工可控制的電磁波信號(hào)在地球介質(zhì)中激發(fā)的電磁波場(chǎng)來(lái)達(dá)到勘探地球內(nèi)部導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的目的，工作頻率一般0.125～10kHZ，勘探深度通常在3000m以內(nèi)，由于該方法采用了人工信號(hào)源，能壓制干擾，提高信噪比，采集高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

CSAMT基本原理基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組，由此導(dǎo)出電磁波的趨膚深度δ=503√ρ?f，式中ρ為均勻大地電阻率，f為頻率。電磁波的傳播深度（或探測(cè)深度）與頻率成反比。高頻時(shí)，探測(cè)深度??；低頻時(shí)，探測(cè)深度大。通過(guò)改變發(fā)射頻率來(lái)改變探測(cè)深度，從而達(dá)到變頻測(cè)深。

卡尼亞電阻率ρs的表達(dá)式[6]：

式中，Ex為電場(chǎng)水平分量，Hy為與之垂直的磁場(chǎng)水平分量，f為頻率。

在地面上觀測(cè)到這兩個(gè)正交的水平電磁場(chǎng)(Ex和Hy)就可獲得觀測(cè)點(diǎn)卡尼亞電阻率。對(duì)觀測(cè)的視電阻率進(jìn)行反演就可獲得探測(cè)深度范圍內(nèi)的電性結(jié)構(gòu)。

CSAMT的主要優(yōu)勢(shì)在于：①使用可控制的人工場(chǎng)源，信號(hào)強(qiáng)度比天然場(chǎng)要大得多，因此，可以在干擾的城鎮(zhèn)區(qū)開展工作；②由于是比值測(cè)量，可減少外來(lái)的隨機(jī)干擾，并減少地形的影響；③基于電磁波的趨膚深度原理，利用改變頻率而不是幾何尺寸進(jìn)行不同深度的電測(cè)深，提高了工作效率；④橫向分辨率高，可靈敏地識(shí)別構(gòu)造和目的層[13]。

CSAMT以電性差異為基礎(chǔ)，判斷斷裂構(gòu)造帶的存在通常以中間低兩側(cè)高，或者高低阻接觸面為異常特征[9]。當(dāng)圍巖電阻率較高的時(shí)候，斷裂構(gòu)造帶因充水產(chǎn)生的低阻異常與圍巖差異明顯，可以產(chǎn)生明顯的異常特征，而白堊系碎屑巖電阻率本身較低，斷裂構(gòu)造產(chǎn)生的低阻異常與圍巖差異小，即使深部存在斷裂構(gòu)造，地表觀測(cè)到的異常幅度也不大。

CSAMT本身又有靜態(tài)效應(yīng)和人文干擾的影響，降低斷裂構(gòu)造解譯的可靠性，使本來(lái)就弱的裂隙熱儲(chǔ)信息容易被假異常所掩蓋。CSAMT中靜態(tài)效應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí)，在推斷深度時(shí)會(huì)引起較大的誤差，并使構(gòu)造的解譯復(fù)雜化，CSAMT資料的解釋剖面上，因靜態(tài)偏移的影響往往出現(xiàn)虛假的陡立深大斷裂或垂向大延深的異常體[7]。人文干擾使CSAMT原始數(shù)據(jù)畸變，引起的假異常幅值常常大于由斷裂構(gòu)造引起的異常。因此，碎屑巖地層中尋找斷裂構(gòu)造的難度，風(fēng)險(xiǎn)高，關(guān)鍵在于準(zhǔn)確確定構(gòu)造異常的位置和可靠性。

3 工作布置

3.1 測(cè)線布置方案

首先在工作區(qū)布置長(zhǎng)度9km的普查剖面，方位為近南北向，點(diǎn)距50m，目的是初步圈定北西向和北東向斷裂構(gòu)造位置。隨后在有構(gòu)造跡象的異常部位布置加密測(cè)線，對(duì)異常進(jìn)行評(píng)價(jià)，判斷是否由斷裂構(gòu)造引起。

3.2 儀器設(shè)備和工作裝置

本次工作使用的儀器設(shè)備為美國(guó)Zonge公司研制的GDP-32Ⅱ電法工作站，TM測(cè)量模式，赤道裝置，每7個(gè)電場(chǎng)共用1個(gè)磁場(chǎng)，點(diǎn)距50m，AB=1.5km，頻率范圍0.25～8192HZ，高頻電流在3A以上，中低頻電流23A以上。

3.3 確定目標(biāo)勘探深度

通常根據(jù)目標(biāo)勘探深度確定收發(fā)距，而在本區(qū)應(yīng)通過(guò)收發(fā)距確定目標(biāo)勘探深度。

收發(fā)距是勘探深度和信噪比的折衷，根據(jù)所探測(cè)目標(biāo)的規(guī)模和深度，通常選取通常3～6倍的目標(biāo)勘探深度作為最小收發(fā)距[14]，在信噪比可以滿足勘探精度的前提下，盡可能增大收發(fā)距，以減小近場(chǎng)效應(yīng)，即根據(jù)目標(biāo)勘探深度確定收發(fā)距。

由于白堊系碎屑巖熱儲(chǔ)信息弱，即便是干擾引起的視電阻率曲線小幅畸變，都會(huì)使假異常掩蓋真實(shí)的熱儲(chǔ)構(gòu)造，收發(fā)距的選取優(yōu)先考慮信噪比。通過(guò)收發(fā)距的對(duì)比試驗(yàn)（圖2）選取4.8km左右作為本區(qū)收發(fā)距，以保證原始數(shù)據(jù)質(zhì)量，而后根據(jù)收發(fā)距確定目標(biāo)熱儲(chǔ)構(gòu)造深度和設(shè)計(jì)鉆孔深度為1.6km左右，即根據(jù)收發(fā)距確定目標(biāo)勘探深度。

3.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理流程見(jiàn)圖3。

普查剖面長(zhǎng)度為8km，而供電極距為1.5km，偏離供電極中垂線的測(cè)點(diǎn)磁場(chǎng)均勻性差[15]，而本次CSAMT工作裝置采用每7個(gè)電場(chǎng)共用1磁場(chǎng)，共用的磁場(chǎng)不能代表遠(yuǎn)離磁棒的測(cè)點(diǎn)，需要對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)進(jìn)行校正，防止在相鄰排列連接處出現(xiàn)假異常。磁場(chǎng)校正的方法為，根據(jù)相鄰兩個(gè)排列的磁場(chǎng)，按照距離將磁場(chǎng)的變化分配到這兩個(gè)磁場(chǎng)之間的測(cè)點(diǎn)，使磁場(chǎng)在相鄰測(cè)點(diǎn)之間均勻變化（圖4）。

圖2 收發(fā)距試驗(yàn)

圖3 數(shù)據(jù)處理流程圖

圖4 磁場(chǎng)校正對(duì)比圖

完整的CSAMT數(shù)據(jù)通常包含了遠(yuǎn)區(qū)、過(guò)渡區(qū)與部分近區(qū)的數(shù)據(jù)，過(guò)渡區(qū)數(shù)據(jù)仍具有頻率測(cè)深能力，可以有效擴(kuò)展CSAMT最大探測(cè)深度。帶場(chǎng)源的CSAMT一維反演技術(shù)[14,16]更有效地消除非平面波效應(yīng)影響，充分利用過(guò)渡區(qū)頻點(diǎn)數(shù)據(jù)。

4 成果資料與解譯

圖5為普查剖面（L1）處理結(jié)果，由圖可見(jiàn)，區(qū)內(nèi)電阻率整體分為4個(gè)電性層，按照電阻率的相對(duì)高低自上而下依次為：低阻—次高阻—低阻—高阻。結(jié)合地質(zhì)資料自上而下推測(cè)為：浦口組(K2p)上段粉砂巖、泥巖（0～100m），浦口組(K2p)下段礫巖（100～700m左右），葛村組(K1g)上段泥巖、粉砂巖（700～1400m左右），葛村組（K1g)下段砂礫巖（1400m～探測(cè)深度范圍）。

相對(duì)高阻的浦口組下段和葛村組下段砂礫巖是本區(qū)相對(duì)較好的地?zé)醿?chǔ)層，為保證一定的水溫，深部的葛村組下段是最佳的選擇。圖5中深部電阻率有多處橫向不連續(xù)，2800點(diǎn)、3800點(diǎn)、5200點(diǎn)、5600點(diǎn)、6100點(diǎn)均出現(xiàn)的構(gòu)造異常跡象，表現(xiàn)為電阻率在深部的臺(tái)階式變化或“V”字形低阻異常。尤其是6100點(diǎn)附近，100～700m深度的次高阻層缺失，而深部高阻層出現(xiàn)“V”字形低阻異常，作為本區(qū)重點(diǎn)驗(yàn)證位置。

圖5 普查剖面(L1)反演結(jié)果圖

為對(duì)已發(fā)現(xiàn)的異常進(jìn)行評(píng)價(jià)和驗(yàn)證，在普查剖面東側(cè)100m處布置一系列長(zhǎng)度在1～2km驗(yàn)證剖面。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證大部分的異常在驗(yàn)證剖面上沒(méi)有延續(xù)性，例如L9線，異常位置和形態(tài)與普查剖面難以對(duì)應(yīng)，如圖6所示。而6100點(diǎn)附近的異常經(jīng)多個(gè)驗(yàn)證剖面查證，在多條平行的測(cè)線上均有異常反映（圖7），推斷為斷裂構(gòu)造。

為進(jìn)一步查證異常的可靠性，排除場(chǎng)源效應(yīng)的影響，布置東西向測(cè)線兩條。在南北向測(cè)線2、3、5、7推斷構(gòu)造的相應(yīng)位置，10線和20線也存在電阻率異常（圖8）。經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證，確定了普查剖面6100號(hào)測(cè)點(diǎn)深部的斷裂構(gòu)造。

本區(qū)位于茅山斷裂帶附近，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，活動(dòng)的斷裂是溝通深部熱源的良好通道。斷裂構(gòu)造既是地下熱水導(dǎo)水通道，也容易在含鈣質(zhì)地層中產(chǎn)生裂隙巖溶熱儲(chǔ)。根據(jù)電阻率縱向變化特征，1200m以深為相對(duì)高阻層，推測(cè)為葛村組下段。高阻地層通常巖性硬脆，泥質(zhì)含量相對(duì)低，在斷裂構(gòu)造位置裂隙相對(duì)發(fā)育。同時(shí)，葛村組下段含鈣質(zhì)結(jié)核和鈣質(zhì)膠結(jié)，在斷裂構(gòu)造部位可能發(fā)育巖溶。推測(cè)的斷裂位置在深部也反映相對(duì)低阻異常特征，如推斷正確該構(gòu)造是本區(qū)良好的控?zé)醿?chǔ)水構(gòu)造。

圖6 2500～4200異常驗(yàn)證剖面（L9）結(jié)果圖

圖7 6100點(diǎn)異常南北向驗(yàn)證剖面結(jié)果圖

圖8 6100點(diǎn)異常東西向驗(yàn)證剖面結(jié)果圖

根據(jù)上述分析，結(jié)合施工條件，布設(shè)驗(yàn)證孔位于3線6200點(diǎn)，設(shè)計(jì)孔深1500m。本井揭露地層為第四系、白堊系浦口組、葛村組，根據(jù)測(cè)井及巖屑、巖芯資料，其特征如下：①第四系 (Q)，由褐黃色、雜色、灰色粉質(zhì)粘土、粘土組成，呈不等厚互層，結(jié)構(gòu)松散，底界深度約10m。②白堊系浦口組(K2p)，紫紅色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，局部夾灰色、灰褐色塊狀礫巖夾含礫砂巖，底界埋深495m。③白堊系葛村組（K1g），灰、灰紫、紫紅色砂巖、粉砂巖等陸相碎屑巖，局部夾沉火山角礫、沉角礫凝灰?guī)r。在孔深300～495m、800～1400m段有破碎現(xiàn)象，為含水儲(chǔ)層。通過(guò)洗井、抽水試驗(yàn)，獲得井口水溫48℃、出水量500m3/d的地下熱水。

5 結(jié)論

采用大功率CSAMT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，選取合適的收發(fā)距，獲取高質(zhì)量數(shù)據(jù)，克服低阻屏蔽和人文干擾。

低阻區(qū)熱儲(chǔ)信息弱的條件下，以數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)先的原則，根據(jù)收發(fā)距確定勘探深度，避免了盲目增大勘探深度帶來(lái)的假異常。

根據(jù)測(cè)區(qū)地質(zhì)條件，放棄傳統(tǒng)的多條平行測(cè)線來(lái)控制斷裂構(gòu)造的布置方式。采用長(zhǎng)剖面大范圍普查，小范圍多測(cè)線多方位查證異常的方式，控制已發(fā)現(xiàn)的異常，提高了工作效率，保證了斷裂構(gòu)造的準(zhǔn)確性。

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Application of CSAMT to Geothermal Exploration in the Clastic Rocks

SHANG Tongxiao1.2, GUAN Yixiao1.2, MIN Wang1.2, LIU Xiaoyu1.2, MEI Rong1.2
(1. Key Laboratory of Earth Fissures Geological Disaster, Ministry of Land and Resources, Nanjing 210046; 2. Jiangsu Geological Survey, Nanjing 210046)

Clastic rocks may be formed as the favorable geothermal heat cap, because they have such characteristics as lower conductivity and storage of water, and soft texture. However, the lower electronic resistivity of clastic rocks is easy to form the lower resistivity shielding layer under a large thickness. In this case, it is diffi cult to prospect the favorable geothermal reservoir underlain in the massive clastic rocks, and it is necessary to fi nd structural fi ssure water in clastic rocks. However, structural signs are not so obvious because of small resistivity difference between the structure of the storage water and surrounding rocks. So it needs utilizing the high-tech to fi nd geothermal resources in the clastic rock area. The investigation area is located in Maoshan town, on the west of Maoshan Mountains, belongs to the eastern margin of the Jurong-Basin. According to the borehole data, it estimates that there are more than 1800-meter thick layer of Cretaceous clastic rocks deposited in the investigation area with the poor hydrogeological conditions. We used the CSAMT to survey generally in wide range, and to check accurately in small range. In addition, we adopted the magnetic fi eld interpolation correction techniques, and guaranteed fi rstly the noise-signal ratio in the selection of transmit-receive distance. By these methods, we have found out the water-bearing fault structure, and overcome the exploring problems in the clastic rocks with low resistivity. The drilling results also show that the CSAMT is economic and effective in the geothermal exploration of clastic rocks .

Geothermal exploration；CSAMT；Clastic rocks；Static effect；Cretaceous System

P314；P631.3

A

1007-1903（2015）03-0077-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2015.04.015

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局“江蘇省地?zé)豳Y源現(xiàn)狀調(diào)查評(píng)價(jià)與區(qū)劃”（12120113077300）

尚通曉(1984- )，男，碩士，工程師，主要從事電磁法生產(chǎn)和研究工作。E-mail：tongxiao_shang@163.com

關(guān)藝曉(1983- )，女，碩士，工程師，主要從事物探研究工作。E-mail：yixiaohehe@qq.com