可控源音頻大地電磁法在地?zé)豳Y源勘查中的應(yīng)用

摘要：地?zé)豳Y源作為一種新型的清潔能源，被廣泛應(yīng)用于發(fā)電、供暖、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等多種領(lǐng)域。該文主要介紹采用可控源音頻大地電磁法（CSAMT）對(duì)調(diào)查區(qū)內(nèi)主要深大斷裂進(jìn)行測(cè)量，了解其賦存位置及斷裂帶特征，評(píng)價(jià)構(gòu)造等因素與地?zé)豳Y源賦存的關(guān)系，分析成熱地質(zhì)條件，為后期開發(fā)利用地?zé)崮埽Χǖ責(zé)豳Y源開采靶區(qū)，擬定地?zé)峋硐刖惶峁﹨⒖家罁?jù)。

關(guān)鍵詞：可控源音頻大地電磁法（CSAMT）??地?zé)豳Y源勘查??深大斷裂??視電阻率

中圖分類號(hào)：P314文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???文章編號(hào)：1672-3791（2021）05（b）-0000-00

作者簡(jiǎn)介：蔡會(huì)梅（1986—），女，本科，工程師，研究方向?yàn)榭煽卦匆纛l大地電磁法在地?zé)豳Y源勘查中的應(yīng)用。

1 ?背景和意義

隨著冬奧會(huì)的申辦成功，張家口地區(qū)迎來跨越式發(fā)展的機(jī)遇，開發(fā)利用地?zé)豳Y源對(duì)推動(dòng)當(dāng)?shù)乜稍偕茉词痉秴^(qū)建設(shè)具有重要意義。為系統(tǒng)化研究確定冬奧會(huì)場(chǎng)館及周邊地區(qū)的地?zé)豳Y源開發(fā)前景，地質(zhì)隊(duì)在崇禮區(qū)冬奧會(huì)場(chǎng)館及周邊地區(qū)開展了地?zé)豳Y源調(diào)查。

2 ?地質(zhì)概況

2.1 ?地層

調(diào)查區(qū)位于河北省張家口市境內(nèi)，大部分屬于崇禮區(qū)，小部分屬于赤城縣。調(diào)查區(qū)及周邊地區(qū)出露的地層主要有中太古界、古元古界、中元古界、中生界及新生界第四系。

2.2 ?構(gòu)造

調(diào)查區(qū)位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)燕山臺(tái)褶帶與冀北隆起帶交界部位，祁呂系東翼反射弧北東東向構(gòu)造帶以西，屬于陰山緯向構(gòu)造帶燕山段西部的一部分。陰山緯向構(gòu)造除受有南北方向的擠壓外，還受到反時(shí)針向的力偶直線扭動(dòng)，形成陰山緯向構(gòu)造的派生產(chǎn)物—北西向構(gòu)造。調(diào)查區(qū)附近斷裂構(gòu)造按其走向主要可劃分為3組。

2.2.1 ?東西向斷裂構(gòu)造

主要為橫貫于調(diào)查區(qū)中部的尚義—平泉深大斷裂，主要由密集、平行排列的高角度逆斷層、傍側(cè)逆掩斷層和擠壓破碎帶組成。受其構(gòu)造應(yīng)力影響，在斷裂帶兩側(cè)派生了一系列次級(jí)斷裂，同時(shí)也控制了區(qū)內(nèi)巖漿巖和礦產(chǎn)資源的分布。

2.2.2 ?北西向斷裂構(gòu)造

發(fā)育于調(diào)查區(qū)外西南部的牧場(chǎng)溝—谷嘴子、郭家窯—門頭營(yíng)及上歐陽(yáng)村—西四道溝一帶，規(guī)模大小不等，正斷層、逆斷層均有發(fā)育，與東西向斷裂構(gòu)造組成“入字型”構(gòu)造形式。

2.2.3 ?南北向斷裂

在鎮(zhèn)寧堡—黃土梁以東、金家莊—艾家溝一帶及四臺(tái)嘴一帶發(fā)育，為尚義—平泉深大斷裂的伴生張性斷裂，張開程度較大，破碎物較疏松，孔隙發(fā)育，透水性和含水性較強(qiáng)。

2.3 ?巖漿巖

調(diào)查區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)十分強(qiáng)烈，火山活動(dòng)最終形成區(qū)內(nèi)中生代白堊系上統(tǒng)張家口組一套酸性火山巖，主要分布于調(diào)查區(qū)的西北部和中南部，東北部零星出露，總面積約為48 km。區(qū)內(nèi)巖漿侵入活動(dòng)較火山活動(dòng)更為強(qiáng)烈。巖漿侵入活動(dòng)構(gòu)成橫貫調(diào)查區(qū)東西向巖漿巖帶，總面積約380 km。

3 ?儀器設(shè)備及工作原理

3.1 ?儀器設(shè)備

此次物探工作采用加拿大PHOENIX公司生產(chǎn)的V8系統(tǒng)，包括V8-6R主機(jī)、RXU-3ER輔助數(shù)據(jù)采集單元、TXU-30多功能大功率發(fā)射機(jī)、TDK27000TE發(fā)電機(jī)及相關(guān)配套設(shè)備。測(cè)線布設(shè)及測(cè)點(diǎn)定位采用GPS完成。

通過試驗(yàn)，最終確定本區(qū)野外生產(chǎn)參數(shù)：（1）發(fā)射偶電極距AB：≥1.8 km（2）供電電流：高頻段≥3 A，中低頻段≥9 A;（3）收發(fā)距R距：≥15 km;（4）發(fā)射頻率范圍為：7 680～0.25 Hz，31個(gè)頻點(diǎn);（5）疊加次數(shù)：≥60。

3.2 ?工作原理

可控源音頻大地電磁法（CSAMT）是通過一個(gè)大功率的發(fā)射源（可以控制的人工場(chǎng)源）以獲得更佳探測(cè)效果的電磁測(cè)深法。它具有抗干擾，效率高，勘探深度大，連續(xù)剖面觀測(cè)及對(duì)橫向構(gòu)造有較好分辨能力等優(yōu)點(diǎn)。目前生產(chǎn)領(lǐng)域主流是使用遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)平面波理論進(jìn)行解釋，大部分觀測(cè)采用電極沿測(cè)線布設(shè)的標(biāo)量觀測(cè)系統(tǒng)，將測(cè)線垂直于構(gòu)造方向布設(shè)。觀測(cè)與場(chǎng)源平行的電場(chǎng)水平分量EX和與之正交的磁場(chǎng)水平分量HY振幅和相位，進(jìn)而計(jì)算卡尼亞視電阻率和阻抗相位。兩者聯(lián)合反演計(jì)算反演電阻率，利用反演電阻率進(jìn)行地質(zhì)解釋和推斷。

4 ?成果解釋及地?zé)釛l件分析

4.1 ?反演電阻率斷面圖解釋

電法資料的處理工作最終獲得測(cè)線反演電阻率斷面圖：以測(cè)樁—標(biāo)高為橫—縱坐標(biāo)，以藍(lán)、綠、黃、紅等系列顏色填充其中，并標(biāo)注電阻率等值線大小，直觀反映地層電阻率變化規(guī)律。一般情況下，在地層沉積穩(wěn)定時(shí)，巖層電阻率在縱向上連續(xù)性較好，橫向上變化平緩，無(wú)明顯畸變。斷裂發(fā)育處，巖石破碎，裂隙發(fā)育，巖層導(dǎo)電性能變好，電阻率值會(huì)與圍巖有較明顯區(qū)別。反映在電阻率斷面圖上，斷裂發(fā)育處表現(xiàn)為低阻電性層向深部延伸，或電阻率等值線排列雜亂，出現(xiàn)上下貫穿現(xiàn)象。

圖1為DF5線反演電阻率斷面圖。DF5線是此次勘查工作連續(xù)觀測(cè)最長(zhǎng)的一條測(cè)線，沿線測(cè)點(diǎn)高程1 650～2 045 m，相對(duì)高差395 m，但地形變化較緩慢，測(cè)量電極間高差符合設(shè)計(jì)要求。DF5線依次跨越調(diào)查區(qū)的幾條主要斷裂，有助于分析調(diào)查區(qū)中部地區(qū)地層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造產(chǎn)狀及巖漿巖體分布范圍。近地表200 m以淺，為較低阻電性層，電阻率反映值≤500 Ω·m，局部斷續(xù)分布電阻率值≤200 Ω·m的低阻電性層，應(yīng)為第四系沉積，厚度0～150 m不等，大部分為出露基巖經(jīng)受風(fēng)化，裂隙發(fā)育，充水致導(dǎo)電性增大。斷面圖顯示，在較低阻的電性層之下，即深度200 m之下，地層電阻率迅速增大，電阻率值從500 Ω·m躍升至幾千歐姆·米，深部地層電阻率高達(dá)數(shù)萬(wàn)歐姆·米以上，反映了古老巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，或火山巖體導(dǎo)電性差的物性特征。斷面圖上的局部地帶，深度300～500 m范圍，有低電阻率值閉合圈出現(xiàn)，推測(cè)為高導(dǎo)電性礦體賦存或裂隙破碎帶發(fā)育。

在17#～18#測(cè)點(diǎn)（樁號(hào)1825～1875之間）位置，電阻率等值線下沉，低阻電性層貫穿深部，推斷為F2斷裂發(fā)育處。在34#測(cè)點(diǎn)（樁號(hào)2675）位置，59#測(cè)點(diǎn)（樁號(hào)3925）位置、117#測(cè)點(diǎn)（樁號(hào)6825）位置、225#～226#測(cè)點(diǎn)（樁號(hào)12225～12275）之間，推斷依次為斷裂F4、F30、F32、F7發(fā)育位置處。從測(cè)點(diǎn)186#（樁號(hào)10275）位置開始向大號(hào)測(cè)點(diǎn)方向延伸，平距600 m，深度大于2 000 m范圍內(nèi)，推斷為F1深大斷裂發(fā)育部位，傾向大號(hào)測(cè)點(diǎn)方向，為逆斷層顯示。

4.2 ?斷裂構(gòu)造解釋推斷

調(diào)查區(qū)地處壩上高原與冀西北山間盆地過渡區(qū)，位于燕山斷褶帶西段，華北陸塊北緣，在地史進(jìn)程中，歷經(jīng)長(zhǎng)期地質(zhì)演變，構(gòu)造變動(dòng)強(qiáng)烈，褶皺和斷層極發(fā)育。在電性斷面上，地層因受到斷層構(gòu)造影響，其電阻率值在橫向上的分布特征被破壞，使得其電性反應(yīng)出現(xiàn)一定程度畸變。將各電法測(cè)線解譯斷層繪制在平面圖上分析，電阻率等值線出現(xiàn)密集并扭曲時(shí)，一般為斷層的反映或地下電性界面的反映。

此次電法工作對(duì)區(qū)內(nèi)發(fā)育主要斷裂進(jìn)行了測(cè)定。在運(yùn)用可控源音頻大地電磁測(cè)深對(duì)發(fā)育斷裂進(jìn)行劃定后，進(jìn)行氡氣測(cè)量驗(yàn)證。此次主要測(cè)定了東西走向的尚義—平泉深大斷裂（崇禮—赤城段）（F1）、近東西向發(fā)育的F2、F4斷裂，及其與它們伴生、次生各斷裂、斷層的位置，并分析其產(chǎn)狀。

4.3 ?地?zé)釛l件分析

據(jù)以往地?zé)岬刭|(zhì)資料，調(diào)查區(qū)熱流值范圍在35～39 MW/m，處于山區(qū)熱流值變化范圍的頂部，在山區(qū)屬較好的地溫場(chǎng)反映區(qū)。且調(diào)查區(qū)內(nèi)巖漿巖巖體的放射性生熱對(duì)地?zé)嵝纬捎休^大貢獻(xiàn)，可以作為熱源。

調(diào)查區(qū)位于冀北山地地下熱水區(qū)和冀西北山間盆地地下熱水區(qū)的交匯部位。而山地或山間盆地中形成的地?zé)崽锒喟l(fā)育在構(gòu)造斷裂復(fù)合交匯處，斷裂發(fā)育，巖石破碎的部位可以為地下熱水的上升和運(yùn)移提供通道。該區(qū)以尚義—平泉深大斷裂的主體斷裂（F1）和六間房村東—湯泉斷裂（F2）為主的近EW向斷裂破碎帶內(nèi)部裂隙都可以形成良好的熱儲(chǔ)空間。區(qū)內(nèi)NE向斷裂與近SN向斷裂規(guī)模小，切割深度較淺，推測(cè)在與近EW向斷裂交匯處可以作為地下水補(bǔ)給通道。斷裂破碎帶上部巨厚片麻巖或巖漿巖放射性生熱對(duì)破碎帶中地?zé)崴鸬筋愃粕w層的保溫作用。這些都為區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源的形成提供了良好的熱力條件。

5 ?結(jié)論及存在問題

5.1 ?結(jié)論

通過此次電法工作可以看出，可控源音頻大地電磁法對(duì)尋找斷裂構(gòu)造，推測(cè)地層結(jié)構(gòu)，研究高低阻電性層分布情況具體很好的效果，視電阻率等值線的變化可以較好地反映出斷裂所在的位置及地下熱儲(chǔ)的空間分布狀態(tài)。為圈定地?zé)崴_采靶區(qū)，擬定地?zé)峋恢?，提供了有利的依?jù)。

（1）物探解釋的綜合剖面圖反映出沿線地層的組合格局，對(duì)高低阻電性層的分布趨勢(shì)和范圍做出概略劃分。近地表，在深度0～250 m不等，斷續(xù)分布電阻率值≤200 Ω·m的低阻電性層，推斷為第四系堆積物及基巖風(fēng)化后所致;低阻電性層之下，地層電阻率迅速增大，電阻率值從200 Ω·m迅速躍升至數(shù)千歐姆·米。在地層深部，電阻率值可達(dá)數(shù)萬(wàn)歐姆·米以上，反映了古老的太古宇巖層及巖漿巖體導(dǎo)電性差的物性特征。

（2）針對(duì)東西向發(fā)育斷裂及其次生、衍生斷層進(jìn)行測(cè)定，驗(yàn)證了尚義—平泉深大斷裂的賦存位置，對(duì)各斷裂構(gòu)造的產(chǎn)狀進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

（3）在調(diào)查區(qū)范圍發(fā)育斷裂斷距均較大，斷裂帶切割高阻的太古宙巖系向更深部延伸，幾條主要斷裂均在1 500 m以下深度仍有顯示，影響范圍較廣，是傳導(dǎo)深部熱流的良好通道。發(fā)育斷裂基本為向北陡傾，傾角≥60o，僅局部有南傾斷裂發(fā)育。斷裂破碎帶較寬，一般在100～500 m，影響帶最大可達(dá)1 km以上。

（4）該區(qū)巖層普遍為太古宙變質(zhì)巖系賦存，除構(gòu)造破碎帶外儲(chǔ)水條件較差。

5.2 ?存在問題

（1）調(diào)查區(qū)地形復(fù)雜，公路、高鐵、電力設(shè)施、施工作業(yè)區(qū)較多，對(duì)數(shù)據(jù)采集質(zhì)量有一定影響。為達(dá)到地質(zhì)目的，只能調(diào)整測(cè)量路線，造成部分測(cè)線段與原設(shè)計(jì)測(cè)線出現(xiàn)偏差。

（2）該區(qū)地質(zhì)體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以往開展工作較少，缺乏參考資料，給成果解釋分析造成一定影響。

（3）該區(qū)除去第四系覆蓋層，基本為太古宙變質(zhì)巖系，各組段之間電性差異較小，且古老變質(zhì)巖與巖漿巖系同為高電阻率物性反映，二者電性差異較小，造成電法解釋時(shí)物性把握不準(zhǔn)確，一定程度上影響巖漿巖體與古老巖層界面劃分。

（4）由于體積效應(yīng)的存在，隨深度增加，低頻段數(shù)據(jù)受上部地層電性值的影響會(huì)增大，會(huì)造成低阻目標(biāo)體反應(yīng)深度偏深，一定程度影響提交成果的準(zhǔn)確性。

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