朱偉國(guó),韓 雪

(廣東省地質(zhì)物探工程勘察院，廣州 510800)

高頻大地電磁法與電測(cè)深法結(jié)合在廣東地區(qū)找熱水的應(yīng)用

朱偉國(guó),韓 雪

(廣東省地質(zhì)物探工程勘察院，廣州 510800)

為了提高應(yīng)用地球物理方法指導(dǎo)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)的準(zhǔn)確性，提出了將高頻大地電磁法與電測(cè)深法結(jié)合，高頻大地電磁法反映中深部地質(zhì)為主(為主要方法)，電測(cè)深法反映中淺部地質(zhì)為主(為輔助方法)。將反映淺部和深部的物探方法相結(jié)合進(jìn)行勘探，可以彌補(bǔ)不同方法各自的缺陷，減少多解性的風(fēng)險(xiǎn)，以達(dá)到更精確地指導(dǎo)孔位的效果。運(yùn)用該組合方法在廣東省清遠(yuǎn)市地?zé)豳Y源項(xiàng)目開(kāi)展野外試驗(yàn)，利用野外實(shí)踐成果直接指導(dǎo)鉆孔的布置，通過(guò)實(shí)際鉆孔驗(yàn)證表明該組合方法是有效可行的，在生產(chǎn)實(shí)踐中值得推廣。

地?zé)豳Y源； AMT法； 三極垂直電測(cè)深法； 綜合物探； 電阻率

0 引言

廣東省地下蘊(yùn)藏有十分豐富的地?zé)豳Y源，僅天然溫泉出露就有300多處，僅次于西藏和云南，位居全國(guó)第三[1]。隨著已知天然出露溫泉的開(kāi)發(fā)與利用，新一輪地?zé)峥辈斓闹鞴シ较驅(qū)⑹巧顪\結(jié)合的隱伏地?zé)豳Y源。因此，進(jìn)一步總結(jié)當(dāng)前物探方法在尋找隱伏地下熱水的實(shí)踐思路，具有十分重要的研究意義。一般儲(chǔ)熱地層由于含水會(huì)使得電阻率降低，低阻異常是尋找地下熱水的重要依據(jù)，所以在隱伏地?zé)豳Y源勘察中，電阻率法占據(jù)主要地位。由于常規(guī)電法存在探測(cè)深度小、工作效率低等問(wèn)題，在使用中受到較大限制，而目前地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)的深度越來(lái)越深，已超過(guò)500 m，此時(shí)仍用常規(guī)電法作為主要手段很難達(dá)到預(yù)期的效果。高頻大地電磁法在識(shí)別深部地層整體構(gòu)造、判斷地層變化的連續(xù)性、查找斷層或裂隙帶的位置等方面具有優(yōu)勢(shì)[2-4]，當(dāng)裂隙含水或熱水時(shí)，效果更為顯著。然而在多次實(shí)踐后總結(jié)出AMT法反演解釋成果中,低阻異常存在一定的區(qū)域性，難以精確地指導(dǎo)孔位，為了進(jìn)一步降低地球物理方法反演多解性帶來(lái)的影響，提出將反映中深部地質(zhì)的音頻大地電磁法與反映中淺部地質(zhì)的直流電測(cè)深法相結(jié)合進(jìn)行勘探，可實(shí)現(xiàn)二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。筆者應(yīng)用上述深淺結(jié)合的物探技術(shù)方法進(jìn)行野外勘察，在廣東尋找地下熱水的試驗(yàn)中取得了成功。

1 方法原理

1.1 高頻大地電磁法

高頻大地電磁測(cè)深法(AMT)是以大地電磁測(cè)深法為基礎(chǔ)，通過(guò)研究其特定的頻率范圍而發(fā)展起來(lái)的一種天然源頻率域電磁測(cè)深法[5-6]，它是利用趨膚深度隨頻率小而增大的原理，通過(guò)改變接收頻率的方法來(lái)逐步加大勘測(cè)深度的。相比于常規(guī)電法，AMT法不受高阻層屏蔽的影響，并且對(duì)低阻層的探測(cè)精度高。AMT法是通過(guò)觀(guān)測(cè)由遠(yuǎn)程天電引起的天然平面電磁波信號(hào)以確定地下的電阻率值的方法，它通過(guò)研究地電斷面來(lái)達(dá)到了解地質(zhì)構(gòu)造、找礦、找水等地質(zhì)目的。

AMT法觀(guān)測(cè)天然場(chǎng)源的頻率變化范圍為中高頻段(1 Hz～100 kHz)，由式(1)可知，要確認(rèn)地下介質(zhì)的電阻率值，需測(cè)量地表水平電場(chǎng)分量Ex以及正交的水平磁場(chǎng)分量Hy。

(1)

其中：f為頻率(Hz)；ρa(bǔ)為視電阻率(Ω.m)；E為電場(chǎng)強(qiáng)度(mv/km)；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度(nT)。

在電磁法的基本理論中，電磁波在大地介質(zhì)中傳播，當(dāng)其振幅衰減到原始值1/e時(shí)的深度，定為趨膚深度(δ)如式(2)所示。

(2)

從式(2)可知，趨膚深度受電阻率ρ和頻率f的影響。在假設(shè)其中兩個(gè)參數(shù)不變的前提下，高頻數(shù)據(jù)能夠反映地下淺部區(qū)域的電性特征，低頻數(shù)據(jù)能夠反映地下深部的電性特征。因此，在一個(gè)頻率帶上觀(guān)測(cè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)信息，就能計(jì)算出視電阻率值及相位。

1.2 三極垂直電測(cè)深法

電阻率測(cè)深法是使用相應(yīng)的地球物理儀器采集數(shù)據(jù)、接收工區(qū)的電性參數(shù)，并以巖體、構(gòu)造與圍巖的物性差異為依據(jù)，綜合工作區(qū)域的地質(zhì)條件進(jìn)行分析，做出地質(zhì)解釋?zhuān)瑥亩茢嗵綔y(cè)目標(biāo)埋深、大小及反映相關(guān)物性特征的物理量[7-9]。

如圖1所示，電測(cè)深法是在地表以測(cè)深點(diǎn)O(即MN的中點(diǎn))為中心，不斷加大供電電極AB，從而得到同一測(cè)點(diǎn)、不同極距下視電阻率ρs的值，由此得出測(cè)深點(diǎn)O在不同深度的地質(zhì)斷面。三極電測(cè)深法，與對(duì)稱(chēng)四極測(cè)深法的最大區(qū)別在于，把供電電極的一端A放置在沿垂直于測(cè)線(xiàn)方向大于5倍OB的地方。三極裝置由于其非對(duì)稱(chēng)性，野外布極相對(duì)靈活、具有對(duì)局部電性異常響應(yīng)幅度大、對(duì)地形變化適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于探測(cè)三維地電異常體[10]。

圖1 直流電測(cè)深裝置Fig.1 VES layout

2 野外工作布置

2.1 AMT法

本次AMT法使用的是加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V8電法工作站，在世界屬于技術(shù)領(lǐng)先的電磁法勘探設(shè)備之一。系統(tǒng)由V8主機(jī)、3E輔助接收機(jī)、磁棒、不極化電極等組成該系統(tǒng)的硬件部分，并配有GPS和網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)(圖2)。

圖2 AMT 工作布置圖Fig.2 AMT working layout

2.2 三極直流電測(cè)深

三極測(cè)深剖面屬較常用的裝置，一般只作單向三極測(cè)深：A-MN或MN-B，也作雙向三極電測(cè)深。圖3為MN-B單向三極電測(cè)深剖面的布極示意。測(cè)線(xiàn)上多個(gè)測(cè)深點(diǎn)①、②、③…⑤…共用一個(gè)供電極，外移極測(cè)量。如6個(gè)測(cè)深點(diǎn)間距20 m，剖面長(zhǎng)度100 m，B極到①的供電極距序列OB=20 m、40 m、100 m、160 m、200 m、220 m、340 m、400 m、500 m、600 m、700 m。

圖3 三極測(cè)深的跑極方式Fig.3 Working way of tri-electrode sounding method

3 研究區(qū)試驗(yàn)

研究區(qū)位于廣東省四會(huì)市，坐落于灰?guī)r與花崗巖交接的分布區(qū)，地形比較平坦，第四系覆蓋為30 m～80 m，勘探區(qū)巖石類(lèi)型主要有第四系礫石、沙石及粘土、燕山三期黑云母花崗巖、古生代泥盆系灰?guī)r。由于受多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，測(cè)區(qū)所在區(qū)域存在一條規(guī)模較大的斷裂——吳川—四會(huì)深大斷裂帶，附近有著名的三坑溫泉[11-12]，斷裂延伸范圍廣，走向基本為北東方向，裂隙基本被風(fēng)化物或黏土充填。根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，區(qū)內(nèi)的地下水十分豐富，由于第四系覆蓋層的存在，很難從地表判斷出斷層的具體位置，更不能直接確定孔位，為此有必要進(jìn)行地球物理工作以了解測(cè)區(qū)的電性特征。

地球物理特征是衡量工區(qū)是否具備地球物理勘查前提的重要標(biāo)志，參數(shù)測(cè)定的準(zhǔn)確與否，直接影響到對(duì)原始資料的解釋和定性判斷。通過(guò)工區(qū)小四極測(cè)試結(jié)果，得到測(cè)區(qū)主要巖石的電性參數(shù)如表1所示。

表1 工區(qū)巖石電性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

Tab.1 Statistics of l rock electrical parameters

地層名稱(chēng)巖性電阻率/Ω·mQDyJ3r第四系泥盆統(tǒng)楊溪組灰?guī)r燕山三期黑云母花崗巖20～400230～18002000～10000

從表1可知，三種地層對(duì)應(yīng)的巖石有較明顯的電性差異，利用AMT法及電測(cè)深法能進(jìn)行有效分辨。當(dāng)基巖比較破碎時(shí)，在裂隙、破碎帶中因含有地下水，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的導(dǎo)電性，相對(duì)于視電阻率較高的圍巖而言，在電性上表現(xiàn)為相對(duì)低電阻率區(qū)域，視電阻率一般在100 Ω.m以下。由此可見(jiàn)，在勘查區(qū)內(nèi)開(kāi)展電法勘查工作，探測(cè)地下的裂隙、構(gòu)造破碎帶等地質(zhì)情況，有著較好的地球物理?xiàng)l件?？辈閰^(qū)范圍根據(jù)實(shí)測(cè)地形圖圈定，根據(jù)前期地質(zhì)填圖工作結(jié)果，勘查區(qū)范圍內(nèi)共布置4條近東南向的AMT測(cè)線(xiàn)(圖4中的 L1～L4)此次地球物理工作的基本思路是:先用高頻大地電磁法進(jìn)行快速掃面工作，圈定可靠異常區(qū)；然后在異常區(qū)域進(jìn)行三極直流電測(cè)深法，從而較準(zhǔn)確地判定富水地段。

3.1 AMT資料處理

AMT法資料處理分為兩部分：①預(yù)處理；②后續(xù)處理。野外資料預(yù)處理，是指野外原始資料預(yù)處理采用V8觀(guān)測(cè)系統(tǒng)配備的處理軟件SSMT2000進(jìn)行，先將從儀器中傳出的時(shí)間序列文件進(jìn)行傅立葉變換，結(jié)合標(biāo)定文件求取阻抗功率譜文件，然后提取視電阻率及阻抗相位；資料后續(xù)處理是采用中國(guó)地質(zhì)大學(xué)的大地電磁法處理軟件CSAMT-SWV 2.0對(duì)資料進(jìn)行處理，先對(duì)視電阻率曲線(xiàn)及相位曲線(xiàn)進(jìn)行剔除跳變點(diǎn)、去噪聲和靜態(tài)位移校正等處理，最后再進(jìn)行反演成像，具體處理流程如圖5所示。

3.2 AMT成果解釋推斷

從圖6可以看出，四條斷面圖在形態(tài)上都較為相似，表明勘探區(qū)域的電性結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，也側(cè)面反映出本次野外采集的數(shù)據(jù)一致性較好。從4條測(cè)線(xiàn)的反演結(jié)果可知，在各測(cè)線(xiàn)的300號(hào)點(diǎn)附近均出現(xiàn)了電阻率等值線(xiàn)從西至東方向電阻率值由高值向低值的突變，結(jié)合工區(qū)地表調(diào)查和實(shí)際地質(zhì)資料的分析，推測(cè)在異常變化區(qū)域可能存在一個(gè)泥盆統(tǒng)楊溪組灰?guī)r與燕山三期黑云母花崗巖分界面。該分界面的西邊巖層電阻率值較高，均大于1 000 Ω·m，推測(cè)為較為完整的花崗巖；東部巖層電阻率較低，從100 Ω·m至1 000 Ω·m不等，推測(cè)為灰?guī)r基巖。電阻率低至100 Ω·m的區(qū)域，淺部推測(cè)為第四系的粘土或全風(fēng)化層，深部則為裂隙發(fā)育區(qū)。

圖4 工區(qū)布置圖Fig.4 Working area layout

圖5 AMT法資料處理流程框圖Fig.5 Diagram of AMT method data processing

3.3 三極電測(cè)深成果解釋推斷

從圖6可以看出，AMT法的反演剖面一致性良好，但是均出現(xiàn)了局部的片狀低阻區(qū)域，不利于準(zhǔn)確地解釋地下的低阻異常，因此，在上述的推斷基礎(chǔ)上，有必要對(duì)可靠的低阻異常區(qū)域進(jìn)行三極電測(cè)深法，進(jìn)一步驗(yàn)證低阻異常的存在。

結(jié)合水文地質(zhì)資料分析AMT法處理成果后，在測(cè)線(xiàn)L1、L3有利區(qū)域開(kāi)展三極電測(cè)深法，相應(yīng)的電測(cè)深剖面圖如圖7、圖8所示。

在圖7中，180號(hào)點(diǎn)下部明顯的等值線(xiàn)畸變，形成封閉和半封閉的低阻異常，低值約300 Ω.m～400Ω·m，對(duì)應(yīng)的AB/2分別為340 m和750 m。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)推測(cè)對(duì)應(yīng)的深度大約在110 m和250 m兩個(gè)深度段，有繼續(xù)往深部延伸的趨勢(shì)。地表未見(jiàn)明顯的地質(zhì)標(biāo)志，推測(cè)由斷裂破碎帶引起。這與相應(yīng)區(qū)域的AMT反演斷面圖，其附近存在非常明顯的高低阻交接異常，且兩者位置基本吻合，三極測(cè)深結(jié)果反映該區(qū)域深部存在低阻地質(zhì)體。

圖6 AMT剖面反演圖Fig.6 AMT inversion section(a) L1線(xiàn)電阻率反演斷面; (b) L2線(xiàn)電阻率反演斷面; (c) L3線(xiàn)電阻率反演斷面; (d) L4線(xiàn)電阻率反演斷面

由圖8可知，電阻率從淺到深的變化呈低-高-低的趨勢(shì)。在280號(hào)～340號(hào)存在明顯的等值畸變，呈現(xiàn)封閉的高阻異常，在260號(hào)～280號(hào)處，有約100 Ω.m～200 Ω.m的相對(duì)低阻異常，對(duì)應(yīng)的AB/2為200 m深，并有往西邊小號(hào)點(diǎn)傾斜的趨勢(shì)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)推測(cè)對(duì)應(yīng)的深度大約在50 m以下的深度段，且低阻異常并沒(méi)有閉合有繼續(xù)往深部延伸的趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)實(shí)地考察在測(cè)線(xiàn)平行的地質(zhì)調(diào)查區(qū)域發(fā)現(xiàn)的斷裂，推測(cè)異常為斷裂破碎帶引起。

圖7 L1線(xiàn)電測(cè)深剖面Fig.7 VES section of L1

圖8 L3線(xiàn)電測(cè)深剖面Fig.8 VES section of L3

3.4 鉆孔成果驗(yàn)證

通過(guò)地質(zhì)物探的綜合解釋成果，推測(cè)出L1線(xiàn)180號(hào)點(diǎn)、L3線(xiàn)280號(hào)點(diǎn)2處低阻異常區(qū)域作為尋找地?zé)豳Y源的有利部位，并且布置相應(yīng)鉆孔來(lái)驗(yàn)證物探異常。根據(jù)實(shí)際鉆孔的驗(yàn)證，兩個(gè)鉆孔分別在280 m、180 m處見(jiàn)熱水，鉆探結(jié)果令人滿(mǎn)意，表明此次物探組合方法的有效性。

4 結(jié)論

從理論分析到實(shí)踐應(yīng)用表明：AMT法對(duì)斷裂破碎區(qū)域的反映比較有效，但是其反演結(jié)果往往呈現(xiàn)區(qū)域性，難以對(duì)區(qū)域異常進(jìn)行細(xì)分；此時(shí)，在AMT異常區(qū)域輔助以電測(cè)深方法來(lái)細(xì)分淺部異常，可以有效減少多解性的風(fēng)險(xiǎn)，以達(dá)到更準(zhǔn)確地指導(dǎo)孔位的效果。最后，通過(guò)野外實(shí)踐應(yīng)用表明本次物探試驗(yàn)方法是切實(shí)可行的，值得在野外實(shí)踐中進(jìn)行推廣。

[1]鄧高.廣東省中深部隱伏帶狀熱儲(chǔ)勘查方法的研究[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2012(13)：11-12.DENG G.Research about deep concealed strip geothermal reservoir exploration methods in Guangdong Province[J].China New Technologies and Products,2012(13)：11-12.(In Chinese)

[2]于向前,趙義平,王明新,等.音頻大地電磁法與核磁共振法結(jié)合劃分含水層的試驗(yàn)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：地球科學(xué)版,2014,44(1):350-358.YU X Q,ZHAO Y P,WANG M X,et al.Combination of audio magnetote1luric and nuclear magnetic resonance used to aquifer division[J]．Journal of Jilin University(Earth Science Edition),2014,44(1):350-358.(In Chinese)

[3]李國(guó)占,孫銀行.地下水地球物理勘查技術(shù)模式[J].物探與化探,2010,34(2):202-204.LI G Z,SUN Y H.A tentative discussion on a technological model for groundwater geophysical exploration[J].Geoph-ysical and Geochemical Exploration,2010,34(2):202-204.(In Chinese)

[4]應(yīng)勇,何蘭芳,楊輪凱,等.綜合物探在J地區(qū)地?zé)崴碧街械膽?yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2006,3(4):251-256.YING Y,HE L F,YANG L K,et al.Application of comprehensive geophysical prospecting to the geothermal survey of J county.Chinese Journal of Engineering Geophysics,2006,3(4):251-256.(In Chinese)

[5]考夫曼A A,凱勒G V.頻率域與時(shí)間域電磁測(cè)深[M].王建謀譯.北京:地質(zhì)出版社,1987.KAUFMAN A A ,KELLER G V.Frequency and transient soundings[M].WANG J M translate.Beijing:Geological Publishing House,1987.(In Chinese)

[6]石應(yīng)俊,劉國(guó)棟,吳廣耀,等.大地電磁測(cè)深法教程[M].北京:地震出版社,1985.SHI Y J,LIU G D,WU G Y,et al.Magnetotelluric sounding method tutorial[M].Beijing:Seismological Publishing House,1985.(In Chinese)

[7]陳燦華,陳紹求.電測(cè)深法在巖溶探測(cè)中的應(yīng)用[J].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2000,31(1):9-12.CHEN C H,CHEN S Q.Application of resistivity sounding method to exploring krast:an example in a section of Ning Heng highway[J].Journal of Central South University of Technology:Nature Science,2000,31(1):9-12.(In Chinese)

[8]沈陽(yáng),吳雙紅,馮磊,等.三極電測(cè)深法在黃土洞穴探測(cè)中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2013,2(10):186-189.SHEN Y,WU S H,FENG L,et al.The application of tri—electrode sounding method to loess cave detection[J].Chinese Journal of Engineering Geophysics,2013,2(10):186-189.(In Chinese)

[9]李金銘.地電場(chǎng)與電法勘探[M].北京:地質(zhì)出版社,2005.LI J M.Geoelectric field and electrical exploration[M].Beijing:Geological Publishing House,2005.(In Chinese)

[10]郭桂柱.三極垂直電測(cè)深法在復(fù)雜地形中的應(yīng)用[J].能源技術(shù)與管理，2012(4):13-14.GUO G Z.The application of tri—electrode sounding method In complex terrain[J].Energy Technology and Management，2012(4):13-14.(In Chinese)

[11]葉聞文.廣東三坑地?zé)崽镄纬蓷l件及開(kāi)發(fā)潛力分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2000(3):16-18.YE W W.Analysis of the geothermal field formation conditions and development potential in Sanken area of Guangdong province [J].Hydrogeology and Engineering Geology,2000(3):16-18.(In Chinese)

[12]劉俊洪,陳斌,何振邦.廣東省清新縣三坑地?zé)崽锏目辈榘l(fā)現(xiàn)與開(kāi)發(fā)前景[J].地質(zhì)與勘探,2004,40(增刊):45-48.LIU J H,CHEN B,HE Z B.Discovery and prospective of the Sankeng geothermal fields in Qingxin county of Guangdong province[J].Geology and Prospecting,2004,40(S):45-48.(In Chinese)

The application of auto-frequency magnetotelluric method and electric sounding method using for hot spring in Guangdong area

ZHU Wei-guo，HAN Xue

(Geological & Geophysical Engineering Exploration Institute of Guangdong Province,Guangzhou 510800,China)

In order to improve the accuracy of the application of geophysical methods to guide the development of geothermal resources,this paper presents a method that combines audio frequency magnetotelluric with electric sounding methods.The former reflects deep geological based,as the main exploration method,the latter one reflect in the shallow geological,as the auxiliary method.Using the geophysical methods that indicate shallow and deep regional at the same time,can make up the disadvantage of each method,reduce the multiplicity,to guide the holes more accurately.This paper presents a combinatorial method in the field test to carry out the geothermal resources in Qing yuan city Guangdong province.Using the field practice results to direct guide the drill hole layout.Through the actual holes verification proves that the combined method is feasible and effective,and it is worth popularizing in practice.

geothermal resources; AMT method; tri-electrode vertical sounding method; comprehensive geophysi-cal prospecting; resistivity

2015-09-16 改回日期：2015-10-30

朱偉國(guó)(1987-)，男，碩士，從事地球物理勘查工作，E-mail：zwg0820@163.com。

1001-1749(2016)06-0734-06

P 631.3