許 力， 馬潤(rùn)勇， 潘愛芳， 魏萌初， 張 璠

（1.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安 710054； 2.長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，西安 710054）

當(dāng)前，能源問題已經(jīng)成為影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素. 尤其是進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，可持續(xù)發(fā)展、綠色環(huán)保的理念日益深入人心. 作為一種清潔可再生的新興能源，地?zé)崮芫哂械吞?、可開發(fā)周期長(zhǎng)、開采得當(dāng)可實(shí)現(xiàn)取之不盡用之不竭的突出優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的重視. 地球是一個(gè)熱庫(kù)，其內(nèi)部蘊(yùn)含巨量的熱能，在溫度差的作用下，深部熱能不斷向淺部輻射傳導(dǎo)［1］. 為維護(hù)國(guó)家能源安全，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，研究地?zé)豳Y源形成機(jī)制及其賦存特征具有極其重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義.

斷裂構(gòu)造是地?zé)豳Y源勘查中重要的指示性構(gòu)造，在地?zé)豳Y源的形成中主要起導(dǎo)熱通道和熱儲(chǔ)區(qū)的作用［2］. 因此，確定斷裂構(gòu)造的走向、延伸以及展布特征是進(jìn)行地?zé)豳Y源勘查開發(fā)的前提條件. 石泉縣位于揚(yáng)子板塊北緣與南秦嶺褶皺系交匯地帶，受揚(yáng)子板塊向北的俯沖作用，致使揚(yáng)子板塊北緣晚三疊至中侏羅的前陸盆地被推覆和改造［3～5］，強(qiáng)烈的地殼運(yùn)動(dòng)使得研究區(qū)發(fā)育密集的斷裂帶，成為地下熱源向上傳導(dǎo)的通道，在研究區(qū)形成地表溫度異常區(qū)（圖1）. 有研究表明，在研究區(qū)鄰區(qū)的旬陽(yáng)北部發(fā)現(xiàn)大量的熱水相沉積物，表明該構(gòu)造單元曾經(jīng)發(fā)生過(guò)頻繁的火山活動(dòng)［4］，間接證明研究區(qū)存在生熱蘊(yùn)熱的構(gòu)造前提.

圖1 研究區(qū)淺層土壤溫度圖Fig.1 Temperature map of shallow soil in the study area

熱環(huán)境對(duì)巖礦石的物性會(huì)造成明顯的改變，有研究結(jié)果表明，持續(xù)的熱作用會(huì)導(dǎo)致巖礦石電阻率降低［6］；由于地下水的存在，會(huì)導(dǎo)致富水區(qū)形成相對(duì)低阻異常，因此低阻異常帶成為地?zé)峥辈橹械闹匾繕?biāo). 可控源音頻大地電磁測(cè)深法（Controlled source audio-frequency magnetotellurics，CSAMT）是一種通過(guò)測(cè)量正交的電、磁場(chǎng)分量來(lái)計(jì)算卡尼亞視電阻率進(jìn)而推斷隱伏構(gòu)造的一種地球物理電法勘探方法，具有抗干擾能力強(qiáng)、橫向分辨率高、探測(cè)深度大等優(yōu)點(diǎn)，在深部隱伏礦產(chǎn)探測(cè)、地?zé)豳Y源勘查、水文-工程地質(zhì)勘查方面取得了較好的探測(cè)效果［7-10］. 激電測(cè)深法是一種以不同地層、含水區(qū)激電效應(yīng)差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過(guò)研究觀測(cè)到的激電場(chǎng)的分布規(guī)律，探查地下地質(zhì)情況的地球物理勘探方法，在油氣勘查、地下水位探測(cè)等方面發(fā)揮著重要的作用［10-13］. 為了查明石泉縣地?zé)峥辈閰^(qū)的斷裂構(gòu)造分布、產(chǎn)狀、延伸等特征以及裂隙水的分布情況，為進(jìn)一步布設(shè)鉆孔孔位提供設(shè)計(jì)依據(jù)，本文遵循由總體至局部、由淺部至深部的勘探依據(jù)，在目標(biāo)區(qū)布設(shè)7條CASMT測(cè)線，接著在CSAMT資料解釋的基礎(chǔ)上再進(jìn)行激電測(cè)深.

1 研究區(qū)概況

1.1 地層巖性特征

勘查區(qū)地層由老至新可分為青白口系耀嶺河組(Qny)，震旦-寒武系陡山沱組、燈影組并層(Z2-∈2d-dn)，寒武系魯家坪組、箭竹壩組并層(∈1-31-j)以及奧陶系-志留系斑鳩管組、梅子埡組并層(O2-S2b-m). 其中Qny主要分布于勘查區(qū)東南側(cè)，該層主要出露細(xì)粒-微晶灰質(zhì)白云巖、絹云母泥質(zhì)片巖，控制厚度可達(dá)226 m（圖2）. Z2-∈2d-dnz 主要分布在勘查區(qū)西南側(cè)的山巒之間，出露巖性有硅質(zhì)板巖、絹云母泥質(zhì)板巖和灰質(zhì)白云巖，該層控制厚度為401 m. ∈1-31-j 分布在勘查區(qū)正斷層的上盤位置，層巖性出露灰質(zhì)白云巖、云母片巖、白云巖、絹云母泥質(zhì)片巖、黑云母片巖，控制厚度可達(dá)1450 m. O2-S2b-m廣泛分布在饒峰河兩岸的廣大地區(qū)，出露巖性為絹云母泥質(zhì)片巖、含礫中粒砂巖，含石榴子石云母片巖、絹云母粉砂質(zhì)板巖，巖層厚度可達(dá)2150 m. 這些地層中發(fā)育有密集的褶皺、節(jié)理等構(gòu)造，這些構(gòu)造特征為熱量的傳導(dǎo)和熱水的儲(chǔ)存提供了良好條件.

圖2 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)、勘查范圍以及測(cè)線布置圖Fig.2 Regional geology，survey scope and survey layout in the study area

1.2 構(gòu)造特征

受揚(yáng)子板塊與華北地塊碰撞擠壓的作用，研究區(qū)在早震旦世發(fā)育大規(guī)模的巖漿活動(dòng)，其中噴出巖以酸性、中基性為主，侵入巖以基性、超基性為主［14］. 新生代以來(lái)，受安康-月河斷裂控制，研究區(qū)形成了南斷、北起的箕狀斷陷盆地［15］；隨著研究區(qū)北部的隆起，第三系沉積蓋層南移，形成了三個(gè)不整合亞層，地表沉積了褐紅色的黏土質(zhì)碎屑［5］，不整合地覆蓋于斷陷盆地之上.

1.3 地球物理特征

地層巖石物性特征表明，地表出露的片巖的電阻率相對(duì)較低，白云巖則表現(xiàn)出相對(duì)的高電阻率特性（表1）；由于多期構(gòu)造的作用，埋深更大基巖發(fā)育有密集的斷裂、節(jié)理等構(gòu)造，這些裂隙的發(fā)育導(dǎo)致斷面電阻率變化較大，圍巖表現(xiàn)位相對(duì)的高阻，而裂隙由于充水、充泥會(huì)出現(xiàn)低阻異常. 巖層與儲(chǔ)層之間的電性差異使得綜合使用電法勘探進(jìn)行深部構(gòu)造劃分提供了物性基礎(chǔ). 本次應(yīng)用CSAMT法來(lái)尋找勘查區(qū)隱伏的表現(xiàn)為相對(duì)低阻狀態(tài)異常特征的斷裂延伸帶，并在重點(diǎn)部位施加激電測(cè)深，探測(cè)地下深埋的隱伏的既有低阻特征的充水?dāng)嗔哑扑閹?

2 工作方法技術(shù)

勘查區(qū)地球物理測(cè)量建立在地表土壤溫度測(cè)量之后（圖1），根據(jù)實(shí)際地質(zhì)調(diào)查情況，結(jié)合地表溫度異常分布狀況確定測(cè)線布置的位置. 通過(guò)地球物理測(cè)量進(jìn)一步了解勘查區(qū)實(shí)測(cè)正斷層垂向拓展深度、產(chǎn)狀特征以及次級(jí)斷層的發(fā)育狀況，賦水區(qū)的形態(tài)、物性特征等參數(shù). 在已知地表溫度異常區(qū)布設(shè)7條CSAMT測(cè)線，設(shè)計(jì)點(diǎn)距為100 m，測(cè)線方位角67°. 選擇CSAMT電阻率繼面圖中異常明顯位置處設(shè)計(jì)激電測(cè)深測(cè)點(diǎn)23個(gè)，分別沿300、350、400線平行布設(shè)，設(shè)計(jì)點(diǎn)距200 m，測(cè)線方位角63°（圖2）.

CSAMT 法投入使用的儀器為美國(guó)Zonge 公司的GDP-32Π多功能電法站. 為確保數(shù)據(jù)測(cè)量質(zhì)量，在實(shí)測(cè)工作之前對(duì)磁探頭進(jìn)行了定標(biāo)，并對(duì)儀器進(jìn)行了自動(dòng)校準(zhǔn)和檢測(cè)，儀器各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求. 針對(duì)勘查區(qū)的實(shí)際情況，CSAMT點(diǎn)距設(shè)置為100 m，為獲得更好的觀測(cè)效果，對(duì)頻率進(jìn)行了 2 加密，實(shí)際頻率范圍為0.01～8192 Hz（表2）. 為保證足夠的信噪比，在300線進(jìn)行了收發(fā)距實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際觀測(cè)結(jié)果，收發(fā)距選定為7 km.本次測(cè)量獲得可控元音頻大地電磁測(cè)深測(cè)點(diǎn)76點(diǎn)，檢查其中的7個(gè)點(diǎn)，占總觀測(cè)點(diǎn)數(shù)的11.84%，檢查點(diǎn)的總均方相對(duì)誤差低于9%. 考慮到測(cè)量過(guò)程中人工設(shè)施、車輛活動(dòng)等造成的誤差，在數(shù)據(jù)反演之前需要完成畸變剔除、靜態(tài)校正用以消除場(chǎng)源效應(yīng)和靜態(tài)效應(yīng)［16-18］. 之后結(jié)合地質(zhì)資料，采用二維地形法獲取研究區(qū)地層巖性的電性特征已經(jīng)構(gòu)造的集合特征，根據(jù)反演成果，推斷目標(biāo)構(gòu)造的分布、產(chǎn)狀以及延伸等特征.借助于SCS2D電磁反演軟件，完成了本次數(shù)據(jù)處理.

表2 CSAMT工作頻率Tab.2 Working frequency list of CSAMT

激電測(cè)深法所使用的儀器為重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所研制的WDFZ-20T大功率發(fā)射機(jī)和WDJS-2A型激電接收機(jī). 測(cè)量開始之前，分別在測(cè)區(qū)進(jìn)行單臺(tái)儀器定標(biāo)和多臺(tái)儀器一致性測(cè)試. 在CSAMT資料初步解釋的成果基礎(chǔ)上，選取300、350、400線布近平行設(shè)測(cè)線. 測(cè)量采取對(duì)稱四極測(cè)深裝置，沿測(cè)線方向布極，方位角63°. AB/2最大為1000 m，設(shè)置供電時(shí)間為8 s，通斷比1∶1，斷電延時(shí)200 ms，采樣寬度40 ms. 在實(shí)際測(cè)量工作中，對(duì)所有測(cè)點(diǎn)采取復(fù)測(cè)，若相對(duì)誤差小于10%，則取平均值作為終測(cè)結(jié)果，若大于10%，則采取多次觀測(cè)，按1∶3取舍原則，剔除誤差較大者.

3 反演斷面分析

3.1 CSAMT電阻率剖面綜合解釋

圖3是由勘查區(qū)所布設(shè)的7條CSAMT測(cè)線所反演的視電阻率斷面圖，其中橫軸為地面測(cè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)水平距離，剖面的方向?yàn)镹67°E，縱軸所反映的是測(cè)深，圖中紅色實(shí)線為推測(cè)斷裂構(gòu)造.

根據(jù)100線可控元音頻大地電磁測(cè)深電阻率剖面圖（圖3）可以看出，斷面內(nèi)電阻率變化幅度比較大，推斷在此范圍內(nèi)地層分布比較復(fù)雜. 本斷面中電阻率總體呈現(xiàn)兩端高阻包圍中間低阻的特征，按照視電阻率的相對(duì)高低，可劃分為兩個(gè)高阻異常帶（GZ-1，GZ-2）和兩個(gè)低阻異常帶（ZG-1，DZ-2）；其中，DZ-1聯(lián)通地表與深部，低阻帶寬約600 m，垂向伸展可達(dá)2000 m，推斷其為斷裂帶F1在垂向上的展布，在GZ-1低阻帶的末端，出現(xiàn)了低阻區(qū)范圍水平延伸的現(xiàn)象，其位置為水平點(diǎn)260到300之間，埋深在-1500～-2000 m之間，垂向上此低阻帶將上部高阻帶截?cái)?，推斷其?yīng)該為F1斷裂的水平向發(fā)育的次級(jí)裂縫. 兩側(cè)的高阻帶（GZ-1、GZ-2）推斷應(yīng)為片巖和砂巖.

圖3 可控源測(cè)線視電阻率斷面Fig.3 Section of apparent resistivity of CSAMT line

200線電阻率剖面表現(xiàn)兩端高阻（GZ-1、GZ-2）而中間低阻（DZ-1、DZ-2）的現(xiàn)象. DZ-1低阻帶出現(xiàn)在點(diǎn)175～240之間，異常寬度達(dá)到650 m左右，延伸產(chǎn)狀陡傾，貫穿地表和深部，推斷為斷裂帶F1的反映. 測(cè)點(diǎn)225～298點(diǎn)之間，埋深在-1500～-2100 m之間出現(xiàn)與DZ-1連接的DZ-2低阻帶，其大致處于DZ-1的北東側(cè)，推斷斷裂帶的水平向延伸的次級(jí)裂縫，并在此處產(chǎn)生了地下水的富集. 兩端的高阻異常帶應(yīng)該為砂巖和片巖的反映.

300 線視電阻率斷面呈現(xiàn)兩端高阻（GZ-1、GZ-2）夾中間低阻（DZ-1）的現(xiàn)象，中部低阻帶DZ-1 出現(xiàn)的185～275點(diǎn)之間，異常寬度約為900 m，深度在-200～-1400 m之間，推斷其應(yīng)該為貫穿勘查區(qū)的斷裂帶F1的反映，在-400～600 m深度范圍內(nèi)出現(xiàn)了低阻區(qū)擴(kuò)大的現(xiàn)象，推斷其為地下水在該位置匯聚所致. 兩側(cè)的高阻帶其視電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其余部位，應(yīng)該為砂巖和片巖.

340線剖面的CSAMT異常反演圖表現(xiàn)為兩端高阻（GZ-1、GZ-2）、中間低阻（DZ-1、DZ-2）的特征. 低阻帶DZ-1出現(xiàn)在水平位置200～280點(diǎn)之間，寬約800 m，貫穿深度在地表以下-200～-800 m之間，其應(yīng)該為斷裂帶F1在斷面的反映. 低阻帶DZ-2出現(xiàn)在-600～-1500 m深度范圍內(nèi)，其異常區(qū)橫向?qū)挾却笥贒Z-1，并在橫向上向兩端延伸，推斷其為斷裂帶在橫向上的刺激斷裂. 兩側(cè)高阻應(yīng)該為砂巖和板巖的反映.

350線的斷面視電阻率反演圖與240線特征相同，低阻帶DZ-1出現(xiàn)水平位置為200～280點(diǎn)之間，異常寬度約為800 m，異常埋深出現(xiàn)在地表下-200～-1000 m之間，產(chǎn)狀陡傾，推斷其為斷裂帶F1在垂向上的延伸，低阻帶DZ-2出現(xiàn)在DZ-1北東側(cè)，在-900 m位置與之聯(lián)通，推斷其為賦水區(qū). 高阻帶GZ-1根據(jù)其視電阻率特征，判斷為砂巖和板巖的反映.

360線的視電阻率斷面圖整體呈現(xiàn)兩端高阻（GZ-1、GZ-2）中間低阻（DZ-1、DZ-2）的特征. 低阻帶DZ-1出現(xiàn)在水平位置210～280點(diǎn)之間，異常寬度達(dá)800 m，異常出現(xiàn)在0～-800 m深度范圍內(nèi)，產(chǎn)狀近直立，推斷其為斷裂帶F1的反映. 低阻帶DZ-2在-900 m處與DZ-1相貫通，在深部向兩端延伸，呈開放狀態(tài)，推斷該處應(yīng)該為含水層. 高阻異常區(qū)應(yīng)該為片巖或者板巖的反映.

400線的視電阻率斷面圖總體呈兩端低阻夾中間高阻的特征，中部低阻帶自淺部與深部相貫通，平面范圍為235～305點(diǎn)之間，異常寬度約700 m，低阻帶淺部窄而深部寬，推斷為斷裂帶F1的反映. 低阻帶DZ-2平面范圍為305～345點(diǎn)，并在-1000～-2000 m之間向兩端水平向延伸，可能為斷裂帶的水平向次級(jí)裂縫，大面積的低阻區(qū)應(yīng)該為地下水富集所致. 兩端高阻帶為砂巖和片巖的反映.

3.2 激電測(cè)深反演成果解釋

為進(jìn)一步確定低阻帶的異常區(qū)范圍以及所產(chǎn)生的原因，在CSAMT的300、350、400線同向布設(shè)激電測(cè)深剖面，點(diǎn)距設(shè)置為200 m，共計(jì)23點(diǎn). 圖4為所反演的視極化率、視電阻率斷面圖，其中淺色表示低值異常，深色表示高值異常.

圖4 激電測(cè)深反演斷面圖Fig.4 Cross-sectional view of IP sounding

300線激電測(cè)深的視極化率等值線斷面可以看出在小號(hào)方向（南西向）存在一個(gè)高極化體，其視極化率做高可達(dá)12%，極化體形態(tài)完整，激電強(qiáng)度比較高，橫向?qū)挾燃s為600 m，縱向基本呈封閉狀態(tài)（AB/2最大為1000 m），經(jīng)過(guò)實(shí)際野外地質(zhì)調(diào)查及露頭電性測(cè)量，推斷其出現(xiàn)與含炭質(zhì)片巖有關(guān). 在視電阻率斷面圖中，可見兩側(cè)電阻率呈高阻異常，低阻帶（50 Ω·m）處于中間，在水平1500～1600 m之間. 視電阻率呈現(xiàn)陡直密集，說(shuō)明該處物性處于急劇變化狀態(tài)，推斷應(yīng)該為斷裂構(gòu)造，其位置與CSAMT視電阻率斷面低阻區(qū)位置高度重合，其應(yīng)該為斷裂帶F1的反映；在水平1900～2600 m之間，視極化率和視電阻率斷面圖均存在低值封閉圈，說(shuō)明此處富水性良好.

350線的視極化率斷面等值線圖中可以看出，小號(hào)方向存在一個(gè)高極化體，極化率最大可達(dá)8%，極化體在縱向上延伸較好，深部基本封閉. 在視電阻率斷面圖中可見，水平位置1700～1900間電阻率等值線陡傾密集，反映了在該處巖石電性發(fā)生劇烈變化，綜合對(duì)比350線的CSAMT視電阻率擬斷面的位置可以推斷其為斷裂帶F1的反映. 視電阻率在1900～2700中間處呈現(xiàn)低阻異常，且同位置的視極化率亦呈現(xiàn)出低值封閉，推斷該位置富水性良好.

400線激電測(cè)深斷面圖異常形態(tài)相似于300、350線，在剖面小號(hào)區(qū)存在高極化體，視極化率可達(dá)10%，橫向上向小號(hào)方向延伸，縱向上向深部延伸，但并未形成封閉的極化體，說(shuō)明此處極化體埋深較大. 視電阻率低阻帶出現(xiàn)在斷面大號(hào)方向，在2300位置處電阻率變化劇烈，等值線呈現(xiàn)陡傾，應(yīng)該是斷裂帶F1的反映.

4 結(jié)果討論

勘查區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有北西向的石泉-饒峰正斷層，該斷裂是地下熱向上傳導(dǎo)的導(dǎo)熱通道，在斷裂帶附近形成了一系列成規(guī)模的熱異常區(qū)（圖1）. 通過(guò)對(duì)CSAMT視電阻率擬斷面圖與激電測(cè)深斷面進(jìn)行分析，勘查區(qū)低阻帶延伸至地表以下1500～2000 m；通過(guò)綜合對(duì)比實(shí)測(cè)斷裂與視電阻率擬斷面圖推斷的構(gòu)造位置相對(duì)關(guān)系，確定F1為石泉—饒峰正斷層在垂向上的延伸，并確定了該斷層的性質(zhì)和產(chǎn)狀（圖3），該斷裂整體上呈北西走向，傾角40°～65°，斷層向下深切，垂向破裂擴(kuò)展深度可達(dá)2000 m左右，并在地下1000～1500 m之間形成一系列小次級(jí)斷裂，構(gòu)成富水導(dǎo)熱構(gòu)造. 上述特征說(shuō)明，該區(qū)導(dǎo)熱、生熱、儲(chǔ)熱條件優(yōu)越，且淺層土壤熱異常明顯，是地?zé)豳Y源賦存條件優(yōu)秀的區(qū)域.

聯(lián)合圖3和圖4的視電阻率斷面圖可知，DZ-1異常區(qū)位置基本分布于各斷面中間位置，北東側(cè)與南西側(cè)高阻異常明顯. 其中200線的低阻異常區(qū)范圍最大，異常寬度在650 m左右，埋深-1600～-2100 m之間，為地下熱水最可能賦存區(qū)域，建議在200線的235（坐標(biāo)：239 213，3 664 005）-255（坐標(biāo)：239 394，3 664 087）點(diǎn)之間選擇合適位置布設(shè)鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)計(jì)孔深2200 m.

5 結(jié)論

1）通過(guò)CSAMT法和激電測(cè)深法綜合探測(cè)推斷得出石泉—饒峰斷裂向深部延伸達(dá)1500～2000 m，為深大斷裂，是勘查區(qū)主要的導(dǎo)水導(dǎo)熱構(gòu)造.

2）根據(jù)CSAMT視電阻率斷面圖可以劃分兩個(gè)低阻異常區(qū)，其中DZ-1低阻帶范圍最大，延伸最深，為本區(qū)賦水有利區(qū)，同樣也是地?zé)豳x存優(yōu)勢(shì)區(qū)，建議在200線235～355點(diǎn)之間選擇合適位置布設(shè)鉆孔以驗(yàn)證，設(shè)計(jì)孔深2200 m.

3）通過(guò)分析，認(rèn)為CSAMT和激電測(cè)深法具有很好的互補(bǔ)性；CSAMT法在實(shí)際探測(cè)中對(duì)深層信息的捕捉能力不夠，因此，在低阻區(qū)進(jìn)行激電測(cè)深是有必要的，可以在很大程度上彌補(bǔ)探測(cè)深度有限帶來(lái)的解釋誤差.

4）本文通過(guò)實(shí)際探測(cè)，驗(yàn)證了CSAMT法和激電測(cè)深法在石泉地?zé)峥辈橹袘?yīng)用的有效性，為斷陷盆地地?zé)豳Y源勘查工作提供一定的借鑒；多種物探方法綜合探測(cè)，可以顯著增強(qiáng)勘查效果，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查，有減少商業(yè)開發(fā)地?zé)豳Y源的風(fēng)險(xiǎn).