CSAMT在碎屑岩地区地热勘查中的应用

尚通晓，关艺晓，闵 望，刘晓瑜，梅 荣

（1. 国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室，南京 210046； 2. 江苏省地质调查研究院，南京 210046）

CSAMT在碎屑岩地区地热勘查中的应用

尚通晓1,2，关艺晓1，2，闵 望1,2，刘晓瑜1，2，梅 荣1，2

（1. 国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室，南京 210046； 2. 江苏省地质调查研究院，南京 210046）

碎屑岩因质软，导水、储水条件不良，通常作为地热有利保温盖层，而碎屑岩电阻率普遍低，厚度大的情况下形成低阻屏蔽层，勘探下伏有利储层难度极大,寻找碎屑岩中构造裂隙水是最佳的选择。但碎屑岩中的储水构造与围岩电阻率差异小，构造迹象微弱，因此在碎屑岩地区找地热技术含量较高。茅山镇位于句容盆地东缘茅山西侧，沉积了厚度超过1800m的白垩系碎屑岩，水文地质条件较差，本文应用CSAMT大范围普查、小范围精细查证布置方式，采用磁场插值校正的技术手段、收发距选取优先保证信噪比的思路，控制白垩系碎屑岩中储水断裂构造，克服低阻的碎屑岩地区构造异常微弱的难点。钻探验证结果表明，CSAMT可以经济有效地应用于碎屑岩地区地热勘查。

地热;CSAMT;碎屑岩;静态效应;白垩系

0 前言

地热资源勘查工作不仅与地热地质条件有关，还受限于开发者的用地位置和整体规划利用。因此，地热勘查已不再局限于地热地质条件较好的地区，往往不得不在热储条件差的地区开展工作。碎屑岩地区在下伏有利储层埋深很大的情况下，开采的成本和风险明显增大，碎屑岩富水性较差，但在断裂带及附近，砂砾岩、砂岩尤其是钙质砂砾岩中具有裂隙发育条件。因此，寻找深部断裂裂隙型地热水是最佳的选择。

碎屑岩地区寻找构造的难点在于富水性相对差，整体电阻率低，因此构造异常迹象不明显，热储信息弱，尤其在低阻覆盖、断裂构造规模不大的情况下。常规的直流电法勘探、核磁共振等方法在地质条件较差的贫水地区找水，已取得一定的效果[1～2]，但这些方法勘探深度有限，尤其在低阻覆盖地区。天然场源的音频大地电磁测深勘探[3]、大地电场岩性测深技术[4]深度大、施工便利，但地热资源开发区往往位于经济发达，人文干扰严重的地区，天然场源的探测方法抗干扰能力差[5]，难以得到高质量数据，热储信息容易被干扰所掩盖。

可控源音频大地电磁测深法[6～7]（简称CSAMT），探测深度大，具有较高的纵向和横向分辨率，对低阻体位置、宽度定位较准，特别适合具有良导特性的断层破碎带的探测[8]，广泛应用于地热资源勘查钻探孔位布置[9～10]。

1 地质背景

调查区大地构造上位于下扬子地块东段，句容盆地东缘，茅西断裂带西侧，区内被厚约3m的第四系覆盖，第四系之下沉积了厚层白垩系浦口组(K2p)和葛村组(K1g)，根据ZK12钻孔，推测区内白垩系厚度超过1800m（图1）。

浦口组(K2p)上段为紫红色砂砾岩、钙质岩屑砂岩，粉砂岩，钙质粉砂质粘土岩、粘土岩夹薄层泥灰岩组成不等厚向上变细的半韵律旋回，下段为紫红色复成分岩块角砾岩、砾岩夹火山角砾—集块岩、岩屑砂岩；葛村组(K1g)岩性为暗紫红、暗棕、灰绿、黑色泥岩，粉砂质泥岩或为互层，其下部为灰白色砂岩及砾岩，见钙质结核和钙质胶结，砾岩厚度较大，代表断陷初期以冲积扇相为主的山间盆地沉积，不整合于大王山组安山角砾凝灰岩、安山凝灰岩之上[11]。

图1 研究区地质图(含剖面位置)

调查区位于茅山推凸茅西断裂带西侧。区域性构造有北东向茅山断裂、北西向南京—溧阳断裂和北西西向薛埠断裂。新构造活动较为活跃，以差异升降和断裂活动为主[12]。新构造活动与地热有着密切的关系，它们控制着有关地热异常的分布，是重要的控热控水构造。

本区岩石圈厚度100km左右，居里面（560℃）深度约35km，大地热流值62mw/m2，白垩系（K）地层中地温梯度为30.5℃/km。区内地下热水的热源主要来自地下深处，地热主要通过自然增温形成，热储含水层埋藏越深，水温越高。因此，要开发一定温度的地热水，热储含水层需要有一定的深度，按3.05℃/100m的地温梯度计算，理论上本区含水层埋深1000m时，地热水温度可达45℃左右，含水层埋深1500m时，地热水温度可达60°左右。

2 CSAMT原理

可控源音频大地电磁测深（CSAMT）通过分析地面观测到的由人工可控制的电磁波信号在地球介质中激发的电磁波场来达到勘探地球内部导电结构的目的，工作频率一般0.125～10kHZ，勘探深度通常在3000m以内，由于该方法采用了人工信号源，能压制干扰，提高信噪比，采集高质量数据。

CSAMT基本原理基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程组，由此导出电磁波的趋肤深度δ=503√ρ☒f，式中ρ为均匀大地电阻率，f为频率。电磁波的传播深度（或探测深度）与频率成反比。高频时，探测深度小；低频时，探测深度大。通过改变发射频率来改变探测深度，从而达到变频测深。

卡尼亚电阻率ρs的表达式[6]：

式中，Ex为电场水平分量，Hy为与之垂直的磁场水平分量，f为频率。

在地面上观测到这两个正交的水平电磁场(Ex和Hy)就可获得观测点卡尼亚电阻率。对观测的视电阻率进行反演就可获得探测深度范围内的电性结构。

CSAMT的主要优势在于：①使用可控制的人工场源，信号强度比天然场要大得多，因此，可以在干扰的城镇区开展工作；②由于是比值测量，可减少外来的随机干扰，并减少地形的影响；③基于电磁波的趋肤深度原理，利用改变频率而不是几何尺寸进行不同深度的电测深，提高了工作效率；④横向分辨率高，可灵敏地识别构造和目的层[13]。

CSAMT以电性差异为基础，判断断裂构造带的存在通常以中间低两侧高，或者高低阻接触面为异常特征[9]。当围岩电阻率较高的时候，断裂构造带因充水产生的低阻异常与围岩差异明显，可以产生明显的异常特征，而白垩系碎屑岩电阻率本身较低，断裂构造产生的低阻异常与围岩差异小，即使深部存在断裂构造，地表观测到的异常幅度也不大。

CSAMT本身又有静态效应和人文干扰的影响，降低断裂构造解译的可靠性，使本来就弱的裂隙热储信息容易被假异常所掩盖。CSAMT中静态效应强度可达两个数量级，在推断深度时会引起较大的误差，并使构造的解译复杂化，CSAMT资料的解释剖面上，因静态偏移的影响往往出现虚假的陡立深大断裂或垂向大延深的异常体[7]。人文干扰使CSAMT原始数据畸变，引起的假异常幅值常常大于由断裂构造引起的异常。因此，碎屑岩地层中寻找断裂构造的难度，风险高，关键在于准确确定构造异常的位置和可靠性。

3 工作布置

3.1 测线布置方案

首先在工作区布置长度9km的普查剖面，方位为近南北向，点距50m，目的是初步圈定北西向和北东向断裂构造位置。随后在有构造迹象的异常部位布置加密测线，对异常进行评价，判断是否由断裂构造引起。

3.2 仪器设备和工作装置

本次工作使用的仪器设备为美国Zonge公司研制的GDP-32Ⅱ电法工作站，TM测量模式，赤道装置，每7个电场共用1个磁场，点距50m，AB=1.5km，频率范围0.25～8192HZ，高频电流在3A以上，中低频电流23A以上。

3.3 确定目标勘探深度

通常根据目标勘探深度确定收发距，而在本区应通过收发距确定目标勘探深度。

收发距是勘探深度和信噪比的折衷，根据所探测目标的规模和深度，通常选取通常3～6倍的目标勘探深度作为最小收发距[14]，在信噪比可以满足勘探精度的前提下，尽可能增大收发距，以减小近场效应，即根据目标勘探深度确定收发距。

由于白垩系碎屑岩热储信息弱，即便是干扰引起的视电阻率曲线小幅畸变，都会使假异常掩盖真实的热储构造，收发距的选取优先考虑信噪比。通过收发距的对比试验（图2）选取4.8km左右作为本区收发距，以保证原始数据质量，而后根据收发距确定目标热储构造深度和设计钻孔深度为1.6km左右，即根据收发距确定目标勘探深度。

3.4 数据处理

数据处理流程见图3。

普查剖面长度为8km，而供电极距为1.5km，偏离供电极中垂线的测点磁场均匀性差[15]，而本次CSAMT工作装置采用每7个电场共用1磁场，共用的磁场不能代表远离磁棒的测点，需要对每个测点的磁场进行校正，防止在相邻排列连接处出现假异常。磁场校正的方法为，根据相邻两个排列的磁场，按照距离将磁场的变化分配到这两个磁场之间的测点，使磁场在相邻测点之间均匀变化（图4）。

图2 收发距试验

图3 数据处理流程图

图4 磁场校正对比图

完整的CSAMT数据通常包含了远区、过渡区与部分近区的数据，过渡区数据仍具有频率测深能力，可以有效扩展CSAMT最大探测深度。带场源的CSAMT一维反演技术[14,16]更有效地消除非平面波效应影响，充分利用过渡区频点数据。

4 成果资料与解译

图5为普查剖面（L1）处理结果，由图可见，区内电阻率整体分为4个电性层，按照电阻率的相对高低自上而下依次为：低阻—次高阻—低阻—高阻。结合地质资料自上而下推测为：浦口组(K2p)上段粉砂岩、泥岩（0～100m），浦口组(K2p)下段砾岩（100～700m左右），葛村组(K1g)上段泥岩、粉砂岩（700～1400m左右），葛村组（K1g)下段砂砾岩（1400m～探测深度范围）。

相对高阻的浦口组下段和葛村组下段砂砾岩是本区相对较好的地热储层，为保证一定的水温，深部的葛村组下段是最佳的选择。图5中深部电阻率有多处横向不连续，2800点、3800点、5200点、5600点、6100点均出现的构造异常迹象，表现为电阻率在深部的台阶式变化或“V”字形低阻异常。尤其是6100点附近，100～700m深度的次高阻层缺失，而深部高阻层出现“V”字形低阻异常，作为本区重点验证位置。

图5 普查剖面(L1)反演结果图

为对已发现的异常进行评价和验证，在普查剖面东侧100m处布置一系列长度在1～2km验证剖面。经过验证大部分的异常在验证剖面上没有延续性，例如L9线，异常位置和形态与普查剖面难以对应，如图6所示。而6100点附近的异常经多个验证剖面查证，在多条平行的测线上均有异常反映（图7），推断为断裂构造。

为进一步查证异常的可靠性，排除场源效应的影响，布置东西向测线两条。在南北向测线2、3、5、7推断构造的相应位置，10线和20线也存在电阻率异常（图8）。经过反复验证，确定了普查剖面6100号测点深部的断裂构造。

本区位于茅山断裂带附近，新构造运动活跃，活动的断裂是沟通深部热源的良好通道。断裂构造既是地下热水导水通道，也容易在含钙质地层中产生裂隙岩溶热储。根据电阻率纵向变化特征，1200m以深为相对高阻层，推测为葛村组下段。高阻地层通常岩性硬脆，泥质含量相对低，在断裂构造位置裂隙相对发育。同时，葛村组下段含钙质结核和钙质胶结，在断裂构造部位可能发育岩溶。推测的断裂位置在深部也反映相对低阻异常特征，如推断正确该构造是本区良好的控热储水构造。

图6 2500～4200异常验证剖面（L9）结果图

图7 6100点异常南北向验证剖面结果图

图8 6100点异常东西向验证剖面结果图

根据上述分析，结合施工条件，布设验证孔位于3线6200点，设计孔深1500m。本井揭露地层为第四系、白垩系浦口组、葛村组，根据测井及岩屑、岩芯资料，其特征如下：①第四系 (Q)，由褐黄色、杂色、灰色粉质粘土、粘土组成，呈不等厚互层，结构松散，底界深度约10m。②白垩系浦口组(K2p)，紫红色粉砂岩、泥质粉砂岩，局部夹灰色、灰褐色块状砾岩夹含砾砂岩，底界埋深495m。③白垩系葛村组（K1g），灰、灰紫、紫红色砂岩、粉砂岩等陆相碎屑岩，局部夹沉火山角砾、沉角砾凝灰岩。在孔深300～495m、800～1400m段有破碎现象，为含水储层。通过洗井、抽水试验，获得井口水温48℃、出水量500m3/d的地下热水。

5 结论

采用大功率CSAMT数据采集系统，选取合适的收发距，获取高质量数据，克服低阻屏蔽和人文干扰。

低阻区热储信息弱的条件下，以数据质量优先的原则，根据收发距确定勘探深度，避免了盲目增大勘探深度带来的假异常。

根据测区地质条件，放弃传统的多条平行测线来控制断裂构造的布置方式。采用长剖面大范围普查，小范围多测线多方位查证异常的方式，控制已发现的异常，提高了工作效率，保证了断裂构造的准确性。

[1]刘 伟，李泽坤. 饮水困难区地下水勘察新技术的应用[J]. 地质与勘探，2010，46(1)：147～152.

[2]龚育龄，王良书. 直流电法在地下热水勘查中的应用——以资溪法水温泉为例[J]. 高校地质学报，2002，8(1)：79～85.

[3]武 毅，罗延钟. 鄂尔多斯白垩系盆地地下水电磁法勘查[J]. 石油地球物理勘探，2004，39(S1)：85～89.

[4]王多义，杨庆锦. 大地电场岩性测深技术在绵竹地区地热资源勘查中的应用[J]. 地质与勘探，2004，40(增刊)：53～56.

[5]黄明景，刘 松. AMT与CSAMT在地热勘查中的应用探讨——以贵州省平塘县平里河地热勘查为例[J]. 工程地球物理报，2013，10(3)：351～356.

[6]石昆法. 可控源音频大地电磁法理论与应用[M]. 北京：科学出版社，1999.

[7]汤井田，何继善. 可控源音频大地电磁法及其应用[M].长沙：中南大学出版社，2005.

[8]甘伏平，吕 勇，喻立平，等. 氡气测量与CSAMT联合探测地下地质构造——以滇西潞西地区帕连、法帕剖面探测为例[J]. 地质通报，2012，31(2～3)：389～395.

[9]吴璐苹，石昆法，李荫槐，等. 可控音频大地电磁法在地下水勘查中的应用研究[J]. 地球物理学报，1996，39(5)：712～720.

[10]黄力军，陆桂福，刘瑞德，等. 电磁测深方法在深部地热资源调查中的应用[J]. 物探与化探，2004，28(6)：493～495.

[11]岳文浙，丁保良．江苏白垩纪陆相层序地层研究[J]．火山地质与矿产，1999，20(4)：287～344．

[12]胡连英. 茅山断裂带新构造与现代构造运动特征[J].地震学刊，1989，9(3)：34～40.

[13]程 辉，李帝铨，底青云，等. 基于CSAMT法的地基基础评价[J]. 中南大学学报(自然科学版)，2010，41(4)：1561～1568.

[14]底青云，王 若. 可控源音频大地电磁数据正反演及方法应用[M]. 科学出版社，2008：39～48.

[15]尚通晓，关艺晓，朱首峰，等. 中小收发距CSAMT在浅层地球物理勘查中的应用[J]. 物探与化探， 2015，39(2)：425～431.

[16] Routh P S, Oldenburg D W. Inversion of cont rolled source audio frequency magnetoteluric data for a horizontal layered earth[J]. Geophysics, 1999，64(6)：1689～1697.

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

中国地质调查局“江苏省地热资源现状调查评价与区划”（12120113077300）

尚通晓(1984- )，男，硕士，工程师，主要从事电磁法生产和研究工作。E-mail：tongxiao_shang@163.com

关艺晓(1983- )，女，硕士，工程师，主要从事物探研究工作。E-mail：yixiaohehe@qq.com