大地電磁測深(MT)與土壤氡氣測量在渦陽地區(qū)地熱勘查中的應用

陳大磊,郭朋，劉晨成,于嘉賓,吳碩先,王明章

(1.山東省物化探勘查院，山東 濟南 250013；2.安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，安徽 合肥 230001)

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大地電磁測深(MT)與土壤氡氣測量在渦陽地區(qū)地熱勘查中的應用

陳大磊1,郭朋1，劉晨成1,于嘉賓1,吳碩先1,王明章2

(1.山東省物化探勘查院，山東 濟南 250013；2.安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，安徽 合肥 230001)

為了研究渦陽地區(qū)深部構造和熱源條件，在高爐鎮(zhèn)附近進行了大地電磁測深(MT)測量和土壤氡氣測量工作。通過對大地電磁測深結(jié)果和土壤氡氣濃度異常分布范圍分析和解釋，指導區(qū)內(nèi)地熱勘查工作。通過資料解釋，基本查明區(qū)內(nèi)構造的走向及其垂向延展特征，查明基底起伏變化情況并了解深斷裂的控制性，預測地熱成礦區(qū)有利地段。研究證明，利用MT與土壤氡氣測量對隱伏斷裂位置和地熱異常具有較好的指示意義。

MT與土壤氡氣測量；地熱勘查;渦陽縣

工作區(qū)位于渦陽縣城東南部，主要圍繞岳集大斷裂進行調(diào)查評價，岳集斷裂為該區(qū)的主要控水斷裂，在工作區(qū)北部現(xiàn)已探明驗證，該斷裂帶南延具體走向尚未明確確定，由于研究區(qū)內(nèi)地表基本上被第四系覆蓋，深部構造分布及走向尚未定論。為查明研究區(qū)內(nèi)控水斷裂及其深部延伸特征以及氡氣濃度異常的分布范圍，指導區(qū)內(nèi)地熱勘查工作，根據(jù)以往的資料[1]，采用了MT與土壤氡氣測量在高爐鎮(zhèn)附近進行了聯(lián)合勘探。研究表明：土壤氡氣測量對圈定構造破碎帶具有良好的應用效果；大地電磁測量法在解決斷裂構造破碎帶、蝕變帶以及地層接觸帶等巖性電性變化部位具有良好的反應。

1 地質(zhì)及地球物理概況

1.1 地質(zhì)

工作區(qū)地層屬于華北地層大區(qū)晉冀魯豫地層區(qū)徐淮地層分區(qū)淮北地層小區(qū)。主要發(fā)育有太古代五河群、古生代寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系及新近系和第四系，地表皆為第四系覆蓋。區(qū)域內(nèi)大地構造單元屬中朝準地臺淮河臺坳，次級單元為淮北褶皺斷帶宿州凹斷褶束。宿州凹斷褶束是淮北煤田所在，工作區(qū)位于該區(qū)西南部，發(fā)育有區(qū)域性NNE向岳集斷裂和EW向板橋集斷裂，岳集斷裂兩側(cè)地層錯切，并發(fā)育次級NNE向斷層，板橋斷裂南側(cè)五河群地層與北側(cè)寒武、奧陶紀地層接觸。上覆上新近系、第四系(圖1)。

圖1 勘查區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖(附工作布置)

1.2 地球物理特征

由于影響巖石電阻率的因素眾多，自然環(huán)境下某種巖石的電阻率并非某一特定值，而是隨特定環(huán)境下巖石孔隙中的含水量、溫度、深度壓力及礦物結(jié)構等，在一定的范圍內(nèi)變化。根據(jù)以往的物探及測井資料統(tǒng)計，一般環(huán)境下，第四系和新近系砂巖電阻率一般在10～50Ω·m，二疊紀石英砂巖和泥質(zhì)頁巖電阻率一般為150～1000Ω·m，電性穩(wěn)定；奧陶紀灰?guī)r、寒武紀灰?guī)r，電阻率一般在1000～2000Ω·m，太古代五河群變質(zhì)巖為高阻巖體，電阻率值大于2000Ω·m。但當有斷層存在情況下，巖石破碎且充水，其電阻率明顯降低，電阻率值小于500Ω·m，特別是在溫泉附近，構造充水且被加熱，其電阻率降低更為明顯，在視電阻率斷面等值線圖上呈明顯的低阻梯級帶及低阻“U”字或“V”字形異常[2-3]。

2 工作布置

該次物探工作布置是在前期地質(zhì)調(diào)查的基礎上，地質(zhì)技術人員根據(jù)區(qū)內(nèi)的具體情況，現(xiàn)場布設。共布設MT剖面4條,氡氣測量剖面3條。該次大地電磁測深工作使用的設備是加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V8電法工作站(多功能電法儀)，V8是加拿大鳳凰公司最新一代高科技多功能電法儀，成功地解決了很多過去在實際生產(chǎn)中所遇到的瓶頸問題。V8系統(tǒng)采用的是先進的模塊化技術，包含天然場的大地電磁(MT)和音頻大地電磁(AMT)，以及人工場源的可控源音頻大地電磁(CSAMT)、各種時間域和頻率域電磁功能(TDEM，F(xiàn)DEM)、激發(fā)極化—時間域和頻率域(SIP，IP)、各種電阻率電法勘探測量功能。該次土壤氡氣測量所用的設備儀器為FD-3017測氡儀。FD-3017型RaA測氡儀(土壤測氡儀)是一種新型的瞬時測氡儀器，它利用靜電收集氡衰變的第一代子體-RaA作為測量對象，定量測量土壤，或水中氡濃度。其特點是沒有探測器污染問題，也不存在氡射氣的干擾影響，并且具有較高的靈敏度，操作簡便，現(xiàn)場可獲取結(jié)果(一般需5min,最快3min完成一個點的測試工作，相對國外產(chǎn)品工作效率提高近10倍)，是國內(nèi)土壤氡檢測最先進的測試儀器。

3 資料解釋

通過對MT野外原始數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換處理后，剔除了各種干擾頻點，經(jīng)過專用軟件WinGLink數(shù)據(jù)處理反演，頻率與電阻率對應關系轉(zhuǎn)換為深度與電阻率的對應關系，據(jù)此繪制了4條MT剖面的視電阻率斷面等值線圖(圖2)。氡氣測量判定斷裂的主要依據(jù)是在斷裂構造帶上，由于巖石破碎致使斷裂附近巖石的放射氣性能增強，斷層面附近的放射性元素豐度也往往較大，巖石的射氣系數(shù)也都比較大，因此斷裂破碎帶上的放射性氣體常常出現(xiàn)正異常[4-5]。繪制了3條氡氣測量剖面的氡氣含量曲線圖(圖3)。

圖2 MT剖面視電阻率斷面圖

圖3 氡氣測量曲線圖

根據(jù)MT-1剖面視電阻率資料知，點號2800～4400內(nèi)，視電阻率等值線同步向下彎曲，出現(xiàn)明顯的梯級異常帶，梯級帶兩側(cè)巖性的電性特征有明顯的變化，為典型的斷層異常特征，根據(jù)該剖面的電性特征及該區(qū)的地質(zhì)資料綜合分析知，2800～4400點區(qū)間內(nèi)的高低阻接觸帶，為F1(岳集斷裂)斷層反應，向SE傾，傾角70°左右。同時DQ-1剖面在2350～2650點出現(xiàn)了明顯的氡氣含量高值異常帶，該異常高值點并未出現(xiàn)在斷層正上方，在前期正斷層的測氡剖面上，異常曲線較緩一側(cè)為斷層的傾向，異常最大值不是出現(xiàn)在斷層正上方，而是出現(xiàn)在斷層傾向方向的斜上方，由此可以推測該斷層為正斷層[6]，傾向E，與大地電磁測深成果一致[7]。綜合分析，F(xiàn)1斷層西側(cè)地層破碎較為嚴重，地溫較為異常。

MT-2剖面視電阻率資料在0～500點出現(xiàn)定向延深的低阻帶，電阻率等值線呈明顯的“V”字型反映，兩側(cè)電性層無明顯變化，對應該工作區(qū)的F2中心集斷裂；4400～5000點電阻率等值線出現(xiàn)明顯“V”字型反應，為一小型斷裂；在6000～7500點電阻率斷面圖上出現(xiàn)了明顯的高低阻接觸帶，接觸面對應點號在6000點附近，兩側(cè)巖性分別為巖脈和寒武紀灰?guī)r，該斷裂帶對應MT-1剖面的F1岳集斷裂，低阻值較深較寬，反應斷裂帶灰?guī)r破碎，巖溶發(fā)育充水。同時DQ-2剖面在1100～1900點出現(xiàn)了明顯的氡氣含量高值異常帶，該異常高值點為巖脈位置，2300左右高異常值位于F1岳集斷裂傾向的斜上方，由此可以推測該斷層為正斷層，傾向E，與大地電磁測深成果一致。

MT-3剖面視電阻率資料在200～1000點之間，-1000m以下有一明顯等值線梯級帶，等值線同步向下彎曲，呈現(xiàn)明顯的“V”字型異常，為斷層異常特征反應；在200～1000點之間斷裂帶兩側(cè)巖性出現(xiàn)電性差異，南側(cè)視電阻率值在2000Ω·m以上，北側(cè)電阻率值在1000～2000Ω·m，分別與MT-3剖面的F3板橋斷裂兩側(cè)巖性相對應，推斷該異常為F3板橋斷裂帶。MT-4剖面視電阻率資料在600～1600點；5000～5600點，出現(xiàn)已明顯的等值線梯級帶，等值線同步向下彎曲，呈現(xiàn)明顯的“V”字型異常，為明顯的斷層異常特征。在600～1600點，低阻異常推斷為F3板集斷裂，梯級接觸帶位于700點，斷裂帶N傾，南側(cè)地層為五河群變質(zhì)巖，電阻率大于20000Ω·m，北側(cè)為頁巖、粉砂巖、灰?guī)r，電阻率值在150～1000Ω·m。在5000～5600點處，高低阻接觸帶位于5200點附近，異常推斷為F2中心集斷裂，兩側(cè)巖性電性層有明顯差異，斷裂帶南側(cè)為石炭紀、寒武奧陶紀地層，北側(cè)對應古近紀、二疊紀的泥巖、砂巖。

4 綜合推斷

根據(jù)該次大地電磁測深成果推斷斷裂構造基本標志特征推測工作區(qū)主要斷裂為F1岳集斷裂、F2中心集斷裂帶和F3板橋斷裂。MT-1，MT-2和MT-3三條MT剖面線從北到南跨越F1斷層展布，從其視電阻率斷面顯示，工作區(qū)地面400m以下，電阻率等值線扭曲嚴重，出現(xiàn)明顯的“V”字型電性特征梯度異常帶，電阻率值在50～2000Ω·m之間變化，推測為F1斷裂帶在測點上的異常反映。特別是MT-2剖面在岳集斷裂帶附近小于100Ω·m低阻值深度達1600m以上，說明斷裂帶破碎且充水。F2中心集斷裂是一條“∽”型EW向正斷裂，傾向N。MT-2，MT-3和MT-4三條MT剖面測線分別穿過該斷裂東西兩端，但該次物探測點布置不多，MT-2，MT-4線僅在斷層西端斷層上及兩側(cè)布置了5個測點，從圖2可以看出，視電阻率等值線在該處出現(xiàn)了明顯的等值線梯級帶，小于100Ω·m的視電阻率低阻值深度達1600m以上，說明斷裂帶破碎充水。MT-3剖面線由于受F1深斷裂的影響并未解譯出該斷層。F3板橋斷裂是工作區(qū)物探推測的又一相對較大的斷裂，MT-3和MT-4剖面分別穿過該斷裂東西兩端并與其垂直布設。從MT-3和MT-4視電阻率斷面圖知，工作區(qū)地面900m以深，出現(xiàn)明顯的等值線梯級帶，并且等值線同步向下彎曲，呈現(xiàn)明顯的“V”字型異常，兩者均為明顯的斷層異常特征。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)條件，推斷該異常為F3板橋斷裂帶。該次氡氣測量的DQ-1線和DQ-2線氡氣測量曲線圖(圖3)顯示，氡氣測量異常曲線變化較為明顯，呈跳躍式起伏變化。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，在斷裂帶上面的測點出現(xiàn)明顯的高值異常。根據(jù)氡氣測量出現(xiàn)異常的原因，同時結(jié)合該次的大地電磁測深成果，3條測氡線出現(xiàn)的氡氣含量高值異常帶推斷為F1豐渦斷裂(岳集斷裂)的反應(圖4)[8-10]。

圖4 綜合推斷圖

5 結(jié)論

(1)根據(jù)該次物探資料及工作區(qū)的地質(zhì)綜合分析，研究區(qū)內(nèi)F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，3條構造發(fā)育良好，地勢平緩，補給面積較大，具有良好匯水、富水條件，F(xiàn)1,F2,F3斷裂交會部位，具有良好的成井條件，建議下一步工作將中心集斷裂(F2)以南、岳集深大斷裂(F1)兩側(cè)1.5km以及板橋斷裂(F3)和岳集深大斷裂(F1)交會處西側(cè)200m范圍作為擬勘探靶區(qū)，在圈定的地熱靶區(qū)內(nèi)最有利部位，進行深井鉆探驗證，實行探采結(jié)合。

(2)研究區(qū)第四系覆蓋厚而廣，通過方法應用研究分析認為該區(qū)選擇的物探方法正確、有效,利用大地電磁測深(MT)與土壤氡氣測量查明揭示了區(qū)內(nèi)斷裂構造的分布及產(chǎn)狀，圈定地熱成礦有利靶區(qū)，綜合分析認為，MT和土壤氡氣測量方法組合的利用，在該區(qū)尋找地熱資源是有效可行的。

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CHEN Dalei1, GUO Peng1, LIU Chencheng1, YU Jiabin1, WU Shuoxian1, WANG Mingzhang2

(1. Shandong Geophysical and Geochemical Exploration Institute, Shandong Jinan 250013, China; 2. Anhui Monitoring Station of Geological Environment, Anhui Hefei 230001, China)

In order to study deep structures and heat source conditions in Guoyang area, magnetotelluric sounding (MT) and soil radon measurement have been carried out in Gaolu town. Through analysis and interpretation of magnetotelluric sounding and soil radon concentration anomaly distribution, geothermal exploration work in this area has been carried out. Through data interpretation, direction of the structures in this area, its vertical extension characteristics and the changes of basement relief have been identified, and the controlled ovarian have been understood, and favorable areas of geothermal forming have been predicted. it is showed that it has good guiding for determing the locations of buried faults and geothermal anomaly by using MT and soil radon measurement.

MT and soil radon measurement; geothermal exploration; Guoyang county

2015-04-26；

2016-06-03；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

陳大磊(1988—)，男，山東濰坊人，助理工程師，主要從事地質(zhì)礦產(chǎn)勘查工作；E-mail:cdl2602080210@sina.com

P631.325

A

陳大磊,郭朋，劉晨成,等.大地電磁測深(MT)與土壤氡氣測量在渦陽地區(qū)地熱勘查中的應用[J].山東國土資源，2016,32(10)：61-64.CHEN Dalei, GUO Peng, LIU Chencheng, etc. Application of Magnetotelluric Sounding(MT) and Thesoil Radon Measurement in Geothermal Exploration in Guoyang Area[J].Shandong Land and Resources, 2016,32(10)：61-64.