CSAMT法確定江蘇寶應(yīng)地區(qū)地?zé)徙@井井位

季克其， 徐 曉

(1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，南京 210018； 2.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211100)

0 引言

地?zé)崴Y源蘊(yùn)藏豐富，是集“熱、礦、水”于一體的清潔可再生能源，具有巨大的開發(fā)潛力。已頒布施行的《可再生能源法》中鼓勵開發(fā)利用地?zé)岬瓤稍偕那鍧嵞茉矗責(zé)豳Y源的開發(fā)能夠減輕對化石燃料的依賴，對優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和緩解生態(tài)壓力均具有十分重要的現(xiàn)實意義[1]。地?zé)豳Y源的分布嚴(yán)格受區(qū)域性地質(zhì)構(gòu)造格局控制[2-3]，因此在地?zé)豳Y源的勘查中查明地?zé)崴畠游恢眉暗刭|(zhì)構(gòu)造規(guī)模展布情況是主要目的[4]，一般運(yùn)用的物探手段包括電法、重力、磁法、人工地震、電磁法、微動測深及測井等[5]。盡管不同的物探方法所獲取的數(shù)據(jù)都對地下成層結(jié)構(gòu)有較好的認(rèn)識，但由于各方法受探測深度和精度的限制，致使深層地質(zhì)問題得不到很好的解決。CSAMT(可控源音頻大地電磁測深法)法以其勘探深度深可靈活調(diào)節(jié)、范圍大、分辨率高、低阻靈敏性、場源影響小等特點，在深部地?zé)豳Y源勘查中得到廣泛應(yīng)用[6-8]。

本次研究在系統(tǒng)分析寶應(yīng)地區(qū)區(qū)域地質(zhì)和地?zé)岬刭|(zhì)條件的基礎(chǔ)上，圈定重點研究區(qū)，并布置5條CSAMT剖面線，剖面走向均為近南北向?；贑SAMT法測量解譯，查明了研究區(qū)地?zé)崴畠蛹捌涓凰當(dāng)嗔褞У姆植继卣?，確定了一處地?zé)峋患捌溷@井的深度。經(jīng)后期鉆探驗證，效果良好。

1 選址區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)背景特征

寶應(yīng)縣地處江蘇省中部，夾于江淮之間，是揚(yáng)州市的“北大門”。據(jù)有關(guān)地質(zhì)資料，寶應(yīng)地區(qū)地表為第四系覆蓋，第四系及新近系厚度在800m左右。3 000 m以淺地層自上而下依次為第四系、新近系、古近系、白堊系和奧陶-寒武系。該地區(qū)隸屬于揚(yáng)子陸塊下?lián)P子地塊之蘇北坳陷，南北兩側(cè)分別為蘇南隆起和建湖隆起。坳陷中發(fā)育了一系列以北東走向為主的凸起與凹陷，研究區(qū)位于金湖凹陷之中，北側(cè)臨近建湖隆起。區(qū)域性北西向斷裂丁嘴-涇河斷裂(圖1)經(jīng)過本區(qū)，有利于深部熱源向上運(yùn)移，利用物探手段精準(zhǔn)定位該斷裂或次級斷裂位置成為本次選址的關(guān)鍵。

圖1 區(qū)域基巖地質(zhì)圖Figure 1 Regional bedrock geological map

圖2 大地?zé)崃鞯戎稻€圖Figure 2 Isogram of telluric heat flow

研究區(qū)位于中國東部沿海的高熱流地?zé)岙惓７植紟?，大地?zé)崃髦凳墙橛?0～74mW/m2(圖2)，地溫梯度為33℃/km。本區(qū)沒有附加熱源，溫度靠偏高的區(qū)域大地?zé)崃髁抗岷途S持，大氣降水是地下水補(bǔ)給來源，其沿斷裂破碎帶向下滲透達(dá)到一定深度，并駐存于沿斷裂帶發(fā)育的構(gòu)造裂隙中，不斷吸收圍巖熱量成為地下熱水。隆凹相間構(gòu)造是尋找地?zé)豳Y源的有利控水構(gòu)造部位[9]。研究區(qū)位于金湖凹陷之中，北側(cè)為建湖隆起，且臨近切割建湖隆起的北西向斷裂，有利于熱流的上導(dǎo)在淺部匯聚，使地層溫度增高[10]，具有較好的熱源通道條件。

地?zé)崴畠訛閵W陶-寒武紀(jì)碳酸鹽巖地層。碳酸鹽巖巖溶裂隙較為發(fā)育，富含地?zé)崴?，水量大，是理想的地?zé)崴畠?。地?zé)嵘w層主要為第四系、新近系、古近系及白堊系，厚度約2 200m，巖性主要為泥巖、粉細(xì)砂巖，熱導(dǎo)率相對較低，有利于地?zé)崴畠拥男顭嵩鰷?，?gòu)成良好的地?zé)嵘w層。

2 原理方法

CSAMT法利用發(fā)射電偶極AB向地下發(fā)送不同頻率的交變電流，形成交變電磁場，在距離場源足夠遠(yuǎn)的地方通過測量相互垂直的電場信號Ex和磁場信號Hy，計算地下視電阻率(ρs)：

(1)

式中f為頻率，Hz；ρs為視電阻率，Ω·m；Ex為X方向的電場強(qiáng)度，V/m；Hy為Y方向的磁場強(qiáng)度，A/m。由(1)式可見，只要在地面上能觀測到兩個正交的水平電、磁場(Ex，Hy)就可獲得地下的視電阻率ρs。

根據(jù)電磁波的趨膚效應(yīng)理論，可計算趨膚深度：

(2)

式中H為探測深度，m；ρ為電阻率，Ω·m；f為頻率，Hz。

由(2)式可以看出當(dāng)電阻率ρ一定時，探測深度與頻率f是成反比關(guān)系的，基于此關(guān)系，可以通過改變探測頻率來探測不同深度的目的層位巖性。

根據(jù)勘查深度要求和地電分布情況，設(shè)備測量參數(shù)選擇如下。

大功率發(fā)射機(jī)為30kW；供電電流：512Hz以上>3.5A，512Hz以下23A±；供電偶極距(AB)為1 045m；接收電極距(MN)為50m；可測扇區(qū)的夾角(θ)≤60°；工作頻率范圍f=0.125～8 192Hz；疊加次數(shù)10次；收發(fā)距(r)=6 000～6 950m(圖3)。

3 CSAMT測線布置及解譯

為更深入查明北西向斷裂構(gòu)造特征和地?zé)崴畠游恢?，以寶?yīng)縣開發(fā)區(qū)七里村地區(qū)為重點區(qū)段，布設(shè)5條CSAMT測深剖面線(圖4)，5條剖面均為南北走向。

采集原始資料數(shù)據(jù)之后，選用二維圓滑模型可控源反演軟件(SCS2D)和瞬變電磁反演軟件(SCSINV)進(jìn)行解譯。SCS2D軟件是一個二維反演軟件，反演所用的數(shù)據(jù)文件包括：預(yù)處理得到的平均數(shù)據(jù)文件(.AVG文件)、站點文件(.STN文件)和模式文件(.MDE文件)。SCSINV軟件反演時要考慮上下5個頻點與周邊5個測點的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于擬二維反演。

圖5為20線二次解譯的成果圖，在解譯斷面圖橫向上電阻率突變，或縱向上出現(xiàn)陡立低阻異常，均被認(rèn)為是斷層存在的主要標(biāo)志，即反演電阻率斷面圖存在電阻率橫向突變帶，推斷為斷層的反映[11-12]。

由圖5a、圖5b二次解譯結(jié)果可知，二者較一致， 可見解譯的可信度較高。SCS2D軟件是一種比較成熟的有源音頻大地電磁測量數(shù)據(jù)處理程序，該程序為數(shù)據(jù)處理自動設(shè)計了默認(rèn)優(yōu)化反演參數(shù)， 但由于實際地電模型的復(fù)雜多樣性以及地球物理反演中的非唯一性，故增加 SCSINV軟件進(jìn)行解譯，對特定地質(zhì)模擬反演的補(bǔ)充和進(jìn)行相互驗證。在20線CSAMT勘查反演斷面圖1450點，深度1 800～3 000m存在一相對低阻帶，推測為富水?dāng)嗔哑扑閹Х从?。綜合各剖面線解譯結(jié)果推斷F1斷裂的位置及特征(圖6)。該斷裂走向北西，傾向南西。北西向斷裂F1與區(qū)域性北西向丁嘴-涇河斷裂的性質(zhì)一致，有利于深部熱源向上運(yùn)移。

(a)第1次解譯 (b)第2次解譯圖5 CSAMT勘查20線反演電阻率及地質(zhì)解譯斷面Figure 5 CSAMT line No.20 inversion resistivity and geological interpretation section

反演電阻率斷面圖上反映在F1斷裂附近3 000m以淺大致可分為四個大的電性層。第一電性層的解譯深度在0～800m，電阻率的分布較不均勻，低阻層位中間有橢圓形高阻圈閉，電阻率為5～80Ω·m，推斷為第四紀(jì)-新近紀(jì)地層；第二電性層解譯深度在800～1 500m，是相對低阻層位，電阻率5～20Ω·m，推斷為古近紀(jì)三垛組、阜寧組地層；第三電性層解譯深度在1 500～2 250m，顯示出電阻率升高層，電阻率的值從20Ω·m升高至40Ω·m左右，推斷為白堊紀(jì)浦口組地層；第四電性層的解譯深度位于2 250m以下，是高阻層位，電阻率的值在50～100Ω·m，推斷為奧陶-寒武系。

(a)第1次解譯 (b)第2次解譯圖6 CSAMT反演電阻率及地質(zhì)解譯斷面Figure 6 CSAMT inversion resistivity and geological interpretation section

4 地?zé)徙@井井位確定

根據(jù)圖6推斷F1斷裂位于丁嘴-涇河區(qū)域斷裂北側(cè)附近，為正斷層，走向北西西，傾向南西。該區(qū)丁嘴-涇河斷裂為北西向的張性斷裂，其錯斷深部北東向斷裂，為深部循環(huán)地?zé)崴嫌縿?chuàng)造了條件。因F1斷裂的性質(zhì)和展布規(guī)律與丁嘴-涇河斷裂帶基本相吻合。其為地?zé)崴娜Χㄌ峁┝艘罁?jù)。根據(jù)地質(zhì)資料，地?zé)崴畠訛閵W陶-寒武系，埋深2 250m。該地層經(jīng)F1斷裂切割，位于上盤的部分埋深增大，因此地?zé)峋桡@入F1斷裂切割奧陶-寒武系形成的富水破碎帶內(nèi)。在F1斷裂附近確定低阻異常區(qū)成為鉆井選址的最終目標(biāo)。根據(jù)圖5確定的低阻異常區(qū)在F1斷裂上盤選定了地?zé)峋籖BQ1，平面位置在CSAMT勘查20線剖面1 450點處(圖4)。根據(jù)物探解譯的F1斷裂在垂向上的發(fā)育特征，結(jié)合地?zé)崴畠勇裆睿@井深度應(yīng)在2 200m以上。由地溫梯度33℃/km計算可得2 200m、3 000m深度處的地下熱水溫度分別為72.6℃、99℃。

RBQ1地?zé)峋畬嶋H鉆遇地層0～217m為第四系，217～1 541m為新近系與古近系，1 541～2 330m為白堊系，2 330～3 028m為奧陶系與寒武系。地?zé)峋畬嶋H出水段在2 488～3 003.1m，出水量為1 505m3/d，水溫93℃，CSAMT解譯結(jié)果與實際鉆探結(jié)果相吻合。

5 結(jié)論

CSAMT法確定的江蘇寶應(yīng)地區(qū)地?zé)徙@井井位和鉆井深度與實際鉆探結(jié)果吻合較好。該方法用于確定深部地?zé)峋患般@井深度，具有較高的精度。