廣域電磁法地?zé)峥碧綉?yīng)用效果

譚章坤，古志文，尹雪波，曹莉萍

廣域電磁法地?zé)峥碧綉?yīng)用效果

譚章坤，古志文，尹雪波，曹莉萍

（四川中成煤田物探工程院有限公司，成都 610000）

目前，深部地?zé)峥碧街饕蕾?lài)于地球物理勘探手段，而深度大于1km地球物理方法較少。從高效、綠色、環(huán)保角度出發(fā)，一般選擇電磁法中的大地電磁法和可控源音頻大地電磁法進(jìn)行深部地?zé)峥碧?，但在深度和精度上仍然受較大的制約。廣域電磁法作為新興的電磁法，在理論和配套設(shè)備上更加完善，極大的解決了深度和精度的問(wèn)題。本文簡(jiǎn)要闡述廣域電磁法的原理及工作技術(shù)方法，通過(guò)其在甘肅地區(qū)的應(yīng)用實(shí)例，結(jié)合重力、鉆孔等資料，說(shuō)明廣域電磁法在深部地?zé)峥碧街械挠行约皟?yōu)越性。

廣域電磁法；地?zé)峥碧?/p>

廣域電磁法問(wèn)世之前，在深部地?zé)峥碧筋I(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的物探方法就是音頻大地電磁法（AMT）及可控源音頻大地電磁法（CSAMT），這兩種物探方法也在1km深度范圍內(nèi)取得了一定的成果。但AMT法及CSAMT法的局限性較為明顯（湯井田等，2015），AMT作為天然場(chǎng)電磁法容易受到強(qiáng)電磁干擾；CSAMT由于理論公式省略掉了多次項(xiàng)（何繼善，2010），近場(chǎng)效應(yīng)使得深部數(shù)據(jù)失真。經(jīng)過(guò)多年對(duì)電磁波動(dòng)方程的精確推導(dǎo)演算，何繼善于2006年提出了廣域電磁法，并于2010年正式推出自主研發(fā)的廣域電磁法探測(cè)成套裝備，探測(cè)深度由1.5km增加到8km。廣域電磁法是精確推導(dǎo)電磁波動(dòng)方程后提出的全新電磁探測(cè)法（王琴，2014；何繼善，2016），適用于廣大的區(qū)域，打破了過(guò)渡區(qū)和近區(qū)的限制。由于廣域電磁法有勘探深度大、抗電磁干擾能力、深部分辨率高、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，必將在深部地?zé)峥碧筋I(lǐng)域取得顯著的地質(zhì)效果和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 勘查區(qū)盆地構(gòu)造單元?jiǎng)澐謭D

1 工作區(qū)概況

1.1 地層

測(cè)區(qū)地層從上至下依次為第四系中更新統(tǒng)、下更新統(tǒng)，新近系，古近系，白堊系。①第四系：中上更新統(tǒng)不易分開(kāi)，其成因?qū)俸榉e相，巖性以卵礫石及砂礫石為主。下更新統(tǒng)（Q1）為冰水堆積層，其巖性為黃褐、桔黃色的砂礫石層，已半膠結(jié)成巖，礫石分選性中等，不整合于新近系地層之上。②新近系：巖性主要為土黃色、淺棕紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖與含礫砂巖不等厚互層，厚度約1200m左右。③古近系：主要地層為白楊河組，視厚度358m，巖性主要為棕紅色、紫紅色泥巖夾薄層淺棕紅色粉砂質(zhì)泥巖及灰白色、桔紅色含礫砂巖；新近系與上覆第四系呈不整合接觸，與下伏白堊系呈不整合接觸。④白堊系：巖性主要為雜色礫巖及淺棕紅色礫狀砂巖夾薄層暗紅色泥巖，局部夾薄層灰白色粗砂巖，其下為礫狀砂巖與泥巖互層，白堊系地層與上覆古近系呈不整合接觸。

表1 已知鉆孔井測(cè)溫統(tǒng)計(jì)表

1.2 構(gòu)造

工作區(qū)位于張掖—民樂(lè)盆地的南部，該盆地受南部的祁連山山前深大斷裂和北部的龍首山山前深大斷裂控制。張掖—民樂(lè)盆地發(fā)育于燕山一喜山期，燕山構(gòu)造旋回是盆地發(fā)展的重要階段。

根據(jù)地震、鉆井、重磁等資料所確定的盆地基底埋深，各層厚度及分布和斷裂等地質(zhì)特征在平面上的差異，將盆地劃分為兩坳兩凸一隆一斜坡，即西部隆起、中央坳陷、東部斜坡，其中中央坳陷分布有張掖凹陷、朝原寺凹陷、三江閘低凸起和李家寨凸起（圖1）。綜上所述，勘查區(qū)主要處于張掖—民樂(lè)盆地中央凹陷的東南部，構(gòu)造不發(fā)育。

表2 工區(qū)主要巖性物性統(tǒng)計(jì)表

1.3 蓋層、儲(chǔ)層、熱源條件

1）蓋層——勘查區(qū)第四系厚度600m左右，巖性為砂礫卵石，其下部新近系厚度約1500m，巖性為泥巖、砂巖，第四系和新近系地層構(gòu)成較好的蓋層。

2）熱儲(chǔ)——勘查區(qū)熱儲(chǔ)類(lèi)型為層狀熱儲(chǔ)，根據(jù)對(duì)已有資料的分析研究，古近系下部為白堊系，巖性為礫巖、砂巖，古近系、白堊系地層中含有承壓水，水量在100～500m3/d之間，白堊系地層構(gòu)成了良好的熱儲(chǔ)。

3）熱源——依靠地?zé)嵩鰷芈?，獲取熱源。

根據(jù)已知鉆孔井測(cè)溫資料（表1），計(jì)算出勘查區(qū)地?zé)嵩鰷芈?。從?可以看出，至3690m深度時(shí)，地溫已達(dá)85℃，據(jù)此推算，地溫梯度為2.5℃/100m。

4）熱儲(chǔ)蓋模型。綜上，勘查區(qū)熱儲(chǔ)蓋模型為：第四系和新近系地層為蓋層；以古近系、白堊系地層為層狀熱儲(chǔ)，以地?zé)嵩鰷芈诗@取熱源。

圖2 主測(cè)線方向工作布置示意圖

1.4 地球物理特征

廣域電磁法以視電阻率的差異來(lái)區(qū)分巖性及構(gòu)造體，根據(jù)視電阻率值的大小以及在地下的展布形式來(lái)識(shí)別地下地質(zhì)體的空間分布及其狀態(tài)和性質(zhì)。影響電阻率的主要因素有巖石巖性，巖石結(jié)構(gòu)，巖層構(gòu)造，含水情況等多種因素。根據(jù)工區(qū)收集的物性資料及以往的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，砂巖、泥巖、石英砂巖、砂礫巖巖性的視電阻率值如下表2。

現(xiàn)在將表2的主要巖石電性特征表述如下：

1）泥巖及砂質(zhì)泥巖。新近系的泥巖及砂質(zhì)泥巖電阻率在54～290Ω?m之間，一般值為130Ω?m左右，相對(duì)于該工區(qū)地層巖性屬于中低視電阻率。

2）砂巖。白堊系的砂巖電阻率在122～583Ω?m之間，一般值為309Ω?m左右，相對(duì)于該工區(qū)地層巖性屬于中高視電阻率。

3）石英砂巖、砂礫巖。第四系主要為砂礫巖和石英砂巖，砂巖隨著石英含量的增加，視電阻率值增大；砂巖隨著礫石含量和孔隙度增加，視電阻率也值增大。石英砂巖和砂礫巖電阻率在508～1867Ω?m之間，一般值為840Ω?m。

可以看到，第四系、新近系、古近系、白堊系主要地層物性差異明顯。此外含水地層及含水構(gòu)造相對(duì)于完整地層表現(xiàn)為明顯的低阻。因此本工區(qū)能夠用電性差異區(qū)分物性差異較大的巖性，劃分含水地層和構(gòu)造，本工區(qū)具備開(kāi)展廣域電磁法的地球物理勘探條件。

2 工作方法簡(jiǎn)述

廣域電磁法為人工源頻率域電磁電磁測(cè)深法，其工作原理和方法與可控源音頻大地電磁法相似。圖2、3為廣域電磁法工作布置示意圖，圖中一端發(fā)射，一端接收，測(cè)線為接收端位置，發(fā)射端AB于測(cè)線平行。

場(chǎng)源電極（A、B）根據(jù)實(shí)際地形、地物情況，選擇遠(yuǎn)離了人員聚集地區(qū)、水域、高速公路、高壓線等干擾源。保證了測(cè)線兩端與垂直場(chǎng)源中心點(diǎn)垂線夾角均小于25o，保證了AB場(chǎng)源平行于測(cè)線方向布設(shè)，方位角誤差小于2°。

如圖2、3所示，本次廣域電磁測(cè)線為呈井字型網(wǎng)狀布設(shè)的6條測(cè)線，所以要采集主測(cè)線和聯(lián)絡(luò)線兩個(gè)方向的電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，需要在全區(qū)布置兩個(gè)方向的場(chǎng)源分別與主測(cè)線和聯(lián)絡(luò)線測(cè)線方向平行，才能滿足野外數(shù)據(jù)信噪比，達(dá)到勘查目的。根據(jù)已知地質(zhì)資料顯示，目的層古近系及白堊系的埋藏深度達(dá)到3km，為了滿足勘探要求，發(fā)射端場(chǎng)源布設(shè)均滿足了信號(hào)強(qiáng)度和勘探深度的要求：①主測(cè)線方向場(chǎng)源AB=1.01km，收發(fā)距在r1在12～15km之間；②聯(lián)絡(luò)線方向場(chǎng)源AB=1.12km，收發(fā)距在r2在10～11km之間。

圖3 聯(lián)絡(luò)線方向工作布置示意圖

圖4 測(cè)線布置平面圖

3 應(yīng)用效果

3.1 解釋流程

針對(duì)地質(zhì)任務(wù)，結(jié)合本區(qū)的勘探實(shí)際情況，確定如下解釋流程：

1）地質(zhì)結(jié)構(gòu)研究。以廣域電磁法剖面資料為主，結(jié)合已有資料，綜合解釋研究區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征。

2）地質(zhì)-地球物理模型確定。以地表地質(zhì)、鉆井作標(biāo)定，物性參數(shù)作橋梁，6條電法反演斷面為依托，建立地質(zhì)－地球物理模型初始模型。再結(jié)合已知成果資料，編制平面成果圖件，經(jīng)平面與剖面反復(fù)協(xié)調(diào)和優(yōu)化，確定最終的地質(zhì)模型，制作地質(zhì)解釋剖面圖。

3）地層劃分。根據(jù)各地層的電性特征，以地電對(duì)應(yīng)關(guān)系和電性層沿剖面的橫向變化趨勢(shì)進(jìn)行追索，確定地層分層界線，劃分主要的含水地層。

4）劃分標(biāo)準(zhǔn)?？v觀實(shí)測(cè)6條剖面的電性剖面及物性資料，可以初步確定本測(cè)區(qū)廣域電磁法視電阻率的劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：

低視電阻率：1～50Ω·m（100～101.7）；

中視電阻率：50～100Ω·m（101.7～102）；

中高視電阻率：100～630Ω·m（102～102.8）；

高視電阻率：630～1580Ω·m（102.8～103.2）；

比對(duì)本次物性資料及反演剖面電性特征，新近系地層電性屬于20～100Ω·m（101.3～102）范圍，為中低阻視電阻率，該地層也是本次工作重點(diǎn)研究的電性層。

3.2 剖面綜合分析

如圖4，勘查區(qū)共完成6條測(cè)線（L1、L2、L3、L4、L5、L6），最終完成了6條測(cè)線的廣域電磁法反演成果圖。以下分別對(duì)主測(cè)線和聯(lián)絡(luò)線各線做簡(jiǎn)要闡述：

1）主測(cè)線解釋

如圖5—8，分別為L(zhǎng)3—L6線的整個(gè)電阻率斷面，各剖面分層信息清楚，縱向上整體呈現(xiàn)為中高-低-中的電性變化，從物性數(shù)據(jù)上看，與第四系、新近系、古近系、白堊系四個(gè)大層位的地電模型吻合。

圖5 L3線反演剖面

圖6 L4線反演剖面

圖7 L5線反演剖面

圖8 L6線反演剖面

L3—L6線反演電性斷面均可以細(xì)分為八個(gè)電性層：2150m至地表的電阻率大于 300Ω·m，表現(xiàn)為中高阻，此為第一電性層；海拔 2050～2150m 的電阻率小于200Ω·m，一般為100Ω·m以下，表現(xiàn)為相對(duì)低阻，此為第二電性層；海拔 1700～2050m 的電阻率大于300Ω·m，一般為400Ω·m，顯示為相對(duì)高阻，此為第三電性層；海拔 1200～1700m 的電阻率小于100Ω·m，一般為100Ω·m 左右，顯示為次低阻，此為第四電性層；海拔 700～1200m 的電阻率小于30Ω·m，一般為20Ω·m 左右，顯示為低阻，此為第五電性層；海拔 200～700m 的電阻率在30～70Ω·m之間，顯示為次低阻，此為第六電性層；海拔 -600～200m 的電阻率D低于20Ω·m，顯示為低阻，此為第七電性層；海拔 -600m 以深的電阻率升高，顯示為高阻特征，此為第八電性層。

結(jié)合已知地質(zhì)資料和物性測(cè)試數(shù)據(jù)，推斷認(rèn)為第二、五、七電性層含水層。其中，第二電性層推斷為第四系的淺表含水層，埋深100～150m；第五、七電性層的明顯低于不富水的砂泥巖電性值，推斷為強(qiáng)含水層。而第六電性層為次低阻，推斷為兩含水層之間的泥巖隔水層。

2）聯(lián)絡(luò)測(cè)線解釋

圖9、10為L(zhǎng)1、L2線的反演剖面圖，測(cè)點(diǎn)編號(hào)由西到東的方向?yàn)?62°。L1、L2電性斷面與主測(cè)線電性斷面電性分布特征相似，電性值相近。整個(gè)電阻率斷面電阻率變化梯度大，分層信息清楚，縱向上整體呈現(xiàn)為中高-低-中的電性變化，從物性數(shù)據(jù)上看，與第四系、新近系、古近系、白堊系四個(gè)大層位的地電模型吻合。

L1、L2倆線反演電性斷面均可以細(xì)分為八個(gè)電性層：2150m至地表的電阻率大于 300Ω·m，表現(xiàn)為中高阻，此為第一電性層；海拔 2050～2150m 的電阻率小于200Ω·m，一般為100Ω·m以下，表現(xiàn)為相對(duì)低阻，此為第二電性層；海拔 1700～2050m 的電阻率大于300Ω·m，一般為400Ω·m，顯示為相對(duì)高阻，此為第三電性層；海拔 1200～1700m 的電阻率小于100Ω·m，一般為100Ω·m 左右，顯示為次低阻，此為第四電性層；海拔 700～1200m 的電阻率小于30Ω·m，一般為20Ω·m 左右，顯示為低阻，此為第五電性層；海拔 200～700m 的電阻率在30～70Ω·m之間，顯示為次低阻，此為第六電性層；海拔 -600～200m 的電阻率D低于20Ω·m，顯示為低阻，此為第七電性層；海拔 -600m 以深的電阻率升高，顯示為高阻特征，此為第八電性層。

結(jié)合已知地質(zhì)資料和物性測(cè)試數(shù)據(jù)，推斷認(rèn)為第二、五、七電性層含水層。其中，第二電性層推斷為第四系的淺表含水層，埋深100～150m；第五、七電性層的明顯低于不富水的砂泥巖電性值，推斷為強(qiáng)含水層。而第六電性層為次低阻，推斷為兩含水層之間的泥巖隔水層。

3）綜合對(duì)比解釋

通過(guò)上述各測(cè)線反演剖面的分析解釋?zhuān)腥缦陆忉尦晒?/p>

①整體規(guī)律。各線的反演剖面電性成層性較好，各線反演剖面縱向上“中高-低-高”的電性特征總體上均反映出了以第四系（Q）、新近系（N）、古近系（E）、白堊系（K）四大層序?yàn)橹鞯牡刭|(zhì)模型，相鄰電性剖面相似度高。

②八個(gè)電性層。根據(jù)各剖面電性特征和物性資料，劃分了八個(gè)電性層：2150m至地表的電阻率大于 300Ω·m，表現(xiàn)為中高阻，此為第一電性層；海拔 2050～2150m 的電阻率小于200Ω·m，一般為100Ω·m以下，表現(xiàn)為相對(duì)低阻，此為第二電性層；海拔 1700～2050m 的電阻率大于300Ω·m，一般為400Ω·m，顯示為相對(duì)高阻，此為第三電性層；海拔 1200～1700m 的電阻率小于100Ω·m，一般為100Ω·m 左右，顯示為次低阻，此為第四電性層；海拔 700～1200m 的電阻率小于30Ω·m，一般為20Ω·m 左右，顯示為低阻，此為第五電性層；海拔 200～700m 的電阻率在30～70Ω·m之間，顯示為次低阻，此為第六電性層；海拔 -600～200m的電阻率D低于20Ω·m，顯示為低阻，此為第七電性層；海拔 -600m 以深的電阻率升高，顯示為高阻特征，此為第八電性層。

圖9 L1線反演剖面

圖10 L2線反演剖面

表3 推斷含水層統(tǒng)計(jì)表

③三層含水層。在八個(gè)電性層中，推斷解釋了三層含水層，分別為第二、五、七電性層含。其中，第二電性層推斷為第四系的淺表含水層，埋深100～150m；第五、七電性層的明顯低于不富水的砂泥巖電性值，推斷為強(qiáng)含水層。而第六電性層為次低阻，推斷為兩含水層之間的泥巖隔水層。三層含水層推斷統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

④熱儲(chǔ)推斷解釋。蓋層——勘查區(qū)第四系厚度500m左右，巖性為砂礫卵石，其下部新近系厚度約1500m，巖性為砂巖、礫巖、泥灰?guī)r、泥巖，第四系和新近系地層組成良好的蓋層。

熱儲(chǔ)——據(jù)上述電性剖面推斷，主要含水層為新近系和古近系地層，水類(lèi)型為承壓水，古近系巖性為礫巖、砂巖、泥灰?guī)r，厚度大于400m，古近系地層構(gòu)成了良好的熱儲(chǔ)。

4）熱源

通過(guò)物探剖面未發(fā)現(xiàn)明顯斷層的異常顯示，熱源通過(guò)地層地?zé)嵩鰷貙?shí)現(xiàn)，本次剖面推斷古近系含水層異常中心埋深為2500～2600m，按一般值（2.5℃/100m）估算古近系地下熱水溫度為50～60℃。

圖11 地?zé)徙@探有利區(qū)推斷圖

①熱儲(chǔ)模型?？辈閰^(qū)熱儲(chǔ)模型為：第四系和新近系地層為蓋層，厚度2000m；古近系為測(cè)區(qū)層狀地?zé)醿?chǔ)層，以地?zé)嵩鰷芈诗@取熱源。

②地?zé)徙@孔有利區(qū)。測(cè)區(qū)地?zé)徙@探的目標(biāo)儲(chǔ)層為古近系含水層，根據(jù)古近系含水層在各電性剖面上的異常規(guī)模和強(qiáng)弱程度，布設(shè)地?zé)徙@孔的有利段為：L4、L5全段及L1線的3000～4800里程、L2線的2200～4000里程，故鉆探布設(shè)的有利區(qū)為此四條線相交的區(qū)域，鉆探有利區(qū)如圖11所示。有利區(qū)預(yù)計(jì)含水層深度：

第一含水層：異常中心埋深150m；

第二含水層：異常中心埋深1300；

第三含水層：異常中心埋深2500～2600m。

4 結(jié)論

根據(jù)本次物探工作的實(shí)施情況，得出如下結(jié)論：

1）本次物探工作采用廣域電磁法，較為清晰地反映了3000m以淺的勘查區(qū)地下電性特征。各線反演剖面均清晰顯示了八個(gè)電性層，其中一、二、三電性層屬第四系，四—六電性層屬新近系，第七電性層屬古近系，第八電性層屬白堊系。

2）參考已知地質(zhì)資料和物性測(cè)試數(shù)據(jù)，推斷劃分了三層含水層，分別為第二、五、七電性層含水層。其中，第七電性層即古近系地層推斷為熱儲(chǔ)層，推斷與已知鉆孔資料吻合。

3）清晰反映了勘查區(qū)白堊系基底的起伏形態(tài)，基底埋深在L4、L5附近最深，在L3及L6線附近最淺。白堊系基底在勘查區(qū)呈凹陷起伏心態(tài)，與已知的重力資料吻合。

調(diào)查區(qū)各物探測(cè)線上未發(fā)現(xiàn)明顯的斷點(diǎn)異常顯示，測(cè)區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯隱伏斷層。

4）測(cè)區(qū)地?zé)徙@探的目標(biāo)儲(chǔ)層為古近系含水層（第七電性層），根據(jù)古近系含水層在各電性剖面上的異常規(guī)模和強(qiáng)弱程度，布設(shè)地?zé)徙@孔的有利段為：L4、L5全段及L1線的3000～4800里程、L2線的2200～4000里程，故鉆探布設(shè)的有利區(qū)為此四條線相交的區(qū)域，鉆探有利區(qū)如圖11所示。有利區(qū)預(yù)計(jì)含水層深度：第一含水層：異常中心埋深150m；第二含水層：異常中心埋深1300；第三含水層：異常中心埋深2500～2600m。

何繼善，2010．廣域電磁法和偽隨機(jī)信號(hào)[M]．北京：高等教育出版社．

何繼善，2016．廣域電磁測(cè)深法研究[J]．工程地球物理學(xué)報(bào)，13(3):285-288．

湯井田，何繼善．2005．可控源音頻大地電磁法及其應(yīng)用[M]．長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社．

王琴，2014．廣域電磁法油氣目標(biāo)識(shí)別技術(shù)研究與應(yīng)用[D]．中南大學(xué)．

Effect of the Application of Wide-Field Electromagnetic Method in geothermal exploration

TAN Zhangkun GU Zhiwen YIN Xuebo CAO Liping

(Sichuan Zhong Cheng coalfield Geophysical Engineering Institute Co., Ltd, Chengdu610000,China)

At present, the deep geothermal exploration mainly depends on geophysical exploration methods, while the geophysical methods with depth greater than 1km are few.From the perspective of high efficiency, green and environmental protection, magnetotelluric method and controllable source audio frequency magnetotelluric method are generally selected for deep geothermal exploration, but the depth and accuracy are still restricted.As a new electromagnetic method, Wide-Field electromagnetic method is more perfect in theory and supporting equipment, greatly liberating the depth and precision.In this paper, the principle and working technology of wide-Field electromagnetic method are briefly described. Through its application in Gansu Province, combined with gravity, drilling and other data, the effectiveness and superiority of wide area electromagnetic method in deep geothermal exploration are illustrated。

2020-04-03

譚章坤（1986-），男，湖北人，工程師，研究方向：公路隧道、城市地質(zhì)、油氣資源領(lǐng)域的地球物理勘察應(yīng)用

P314.3

A

1006-0995（2021）01-0116-07

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.01.024