ＣＳＡＭＴ在镜泊湖玄武岩覆盖区深部地热勘查中的应用

  １ 引 言

 

  地热资源的利用具有显著的经济效益和社会效益。近年来随着勘查深度的不断加大，地表的热异常显示极其微弱，具有较大探测深度的物探方法得到了广泛应用。目前应用于地热资源勘查的物探方法包括重磁、地震、电磁测深及大地电场岩性探测ＣＹＴ等多种，其中以探测地下介质电性差异为基础的频率域电磁方法应用最为广泛。

 

  工区镜泊小镇位于镜泊盆地南部，具备一定的热储条件。已开展的地热普查工作也取得了良好效果，推动了当地旅游经济的发展。为寻找并确定地质构造及热封闭条件均具备的地热井位，开展了本次可控源音频大地电磁剖面勘探工作。

 

  ２ 测区地质、地热条件及物性特征

 

  ２．１ 地质概况

 

  工区位于兴凯湖－布列亚山地块区之张广财岭－太平岭边缘隆起带海浪凹陷南部，敦化－密山岩石圈断裂通过工区西部。该断裂走向北东，自古生代以来多次活动，具有挤压特征，它控制了区内大多数次级断裂，而次级断裂又控制了岩浆及火山活动。岩浆岩具有多期次特点，主要以早期华力西期花岗岩（γ３４）和晚期为燕山期花岗岩（γ２５）为主。工区地表大部覆盖第四系全新统玄武岩（βＱ１４），局部出露二叠纪花岗闪长岩和侏罗纪二长花岗岩。

 

  ２．２ 地热地质条件及物性特征

 

  从生储条件上看，本区位于地堑式断裂带的边

 

  缘带，由于区域地壳变薄形成地温梯度较高的地温场，地热资源属构造隆起区的地热增温型热藏，地温梯度变化范围２．６２９℃／１００ｍ～２．９℃／１００ｍ。

 

  此外，工区处于元古代花岗岩带，不同期次的酸性岩浆形成的花岗岩中的放射性物质也会产生大量热量，两者共同构成了地热的能量来源。工区深部沉积了巨厚的白垩系、古近系及新近系，其中白垩系下统猴石沟组（Ｋ１ｈ）、上统海浪组（Ｋ２ｈｌ）及受断裂控制的花岗岩破碎带，均是本区主要的热储层［１３］。此外，新近系中－上新统具有一定的厚度和低空隙度、低渗透率，是主要的盖层。上述断裂构造、岩浆活动及地层共同提供了在本区内形成地下热储资源的地质条件。

 

  物性特征（表１）表明出露地表的玄武岩电阻

 

  率值较低，下伏新近系玄武岩电阻率略高；埋深更大的白垩系由于经历多期侵入作用，裂隙发育导致电阻率差异较大，两期侵入花岗岩层整体为高阻（大于２ ０００Ω·ｍ），但花岗岩体的风化带、断层破碎带及岩石裂隙由于充水、充泥会出现低阻异常。地层与储层的电性差异使应用电磁测深成果进行地层划分具备了前提。根据地层电性特征可以划分电性层，结合岩石特征、地层与电性层的相互关系实现地质分层。本次应用ＣＳＭＡＴ 方法进行深部地热勘查就是在高阻花岗岩基底背景中寻找隐伏的、深埋的、表现为相对低阻的异常特征的充水断裂破碎带。

 

  ３ ＣＳＡＭＴ方法及数据处理

 

  ３．１ 方法原理

 

  可控源音频大地电磁法（ＣＳＡＭＴ）是利用布设于地表的人工场源发射变频电磁信号，在远区测量相互正交的电场和磁场的水平分量，通过波阻抗Ｚ 计算获得大地视电阻率的电磁测深方法。由于采用能量较大的人工场源并可控制发射频率，相对于天然源的电磁方法具有更强的抗干扰能力和更高的纵向分辨率。

 

  该方法利用不同频率成分的电磁波在地下介质中传播具有不同趋肤深度的特性，通过改变频率的方式实现了对不同深度上介质电阻率的测量。观测结果对表征储热层特征的低阻地层的反应灵敏，是目前地热资源勘查中一项重要的物探方法。

 

  ３．２ 数据采集及处理

 

  共布置四条测线。数据采集使用了加拿大凤凰地球物理Ｖ８电磁观测系统和ＴＸＵ－３０ｋＷ车载发射系统。根据工区特点、干扰条件及工作目的制定了施工方案，采用赤道偶极观测装置（图２ｂ），工作技术参数具体为：供电偶极距２ｋｍ，收发距１２～１３ｋｍ，点距４５ｍ，频率范围７ ６８０～１Ｈｚ（４０个频率），最大发射电流１７Ａ，最大探测有效深度２ ０００ｍ。

 

  数据处理及反演：首先预处理消除实测测深频谱曲线中记录的干扰信息，考虑到民电、车辆等人文电磁影响及方法存在的场源效应、静态效应等，进行畸变频点剔除、静态校正、近场校正等处理，提高数据质量。之后结合地质、钻井资料建立反演初始模型、运用二维反演的方法求取电性体的物性参数和几何参数（埋深、形态及产状）。

 

  结合本区地质结构特征，由电测解释成果确定地质目标体的性质、深度、形态及产状等。借助ＣＭＴ－ｐｒｏ、ＭＴｓｏｆｔ２Ｄ等工具软件，实现了本次数据处理，二维反演使用了ＮＬＣＧ方法。

 

  ４ 地热勘查效果

 

  ４．１ 电性特征

 

  从测深曲线类型上看，电阻率频谱曲线大致具有Ａ型曲线的特征，即电阻率随深度增加而增大，定性反应了工区垂向地层分布特征。

 

  首支的低阻段反应了地表玄武岩盖层，深部高阻证实深部为花岗岩体。中低频段部分曲线存在低值则是局部岩层电阻率变低引起，部分测点的低频段阻抗相位快速向０值靠近表明观测正逐步接近过渡场。

 

  ４．２ 异常推断解释

 

  从电阻率断面图（图４）上可见，间隔５００ｍ平行布设东西向的ＣＭ０１、ＣＭ０２及ＣＭ０３剖面反映的电性特征一致性较好，地下电阻率分布均为浅低深高的二元结构特征，以２５０Ω·ｍ 等值线为界，浅部低阻层厚约３００ｍ，深部是反映侵入白垩系的花岗岩层的高阻体，高阻体内局部电阻率存在较大变化，电阻率等值线的陡立和不连续带的低阻异常部位是构造破碎带等地热储层的反映。据此对工区垂向地层及构造进行了划分，推断了与地热储层有关的断层构造并划分了地层。

 

  以ＣＭＴ０２剖面（图５）为例，图中横轴为测点位置，纵轴为深度，颜色代表电阻率值。可以看出，浅部低阻带电阻率大小一般为５０～１５０Ω·ｍ，推断为第四系玄武岩层，厚度小于８０ｍ，向深部电阻率变高为黑色玄武岩层，两层层状特征明显。在３５０～４００ｍ深度可见等值线梯度变化带，为一明显电性分界。据钻探资料该段为空隙发育的白垩系风化层。深部整体电阻率大于２ ５００Ω·ｍ，是白垩系致密砂岩和侵入的花岗岩体的特征，高阻体发育多层小规模裂缝导致电性不均。

 

  桩号３８～４８深部存在垂向条带状低阻异常，相邻剖面也可见该异常，推断为断层Ｆ１导致岩石破碎充水所致，断层走向北北东１０°，倾向西。

 

  受该断层控制的破碎带石容水构造和运移通道。

 

  综上推断工区深部存在多层裂缝和破碎带热储层，断层破碎带位置是最有利的热储部位。

 

  以本次勘探异常解释成果为基础，结合本区水文地质资料，确定井位在剖面４６号桩位置。钻井资料与可控源音频大地电磁法的推断基本吻合，第四系全新统玄武岩该层厚５５ｍ，３３８ｍ 见花岗岩，１ ５７０ｍ处钻遇含热水破碎带，出水温度２７℃，出水量２２０ｍ３／ｄ，为一低温地热井，分析原因主要为断裂构造发育导致了地下水倒灌降低了水温。

 

  ５ 结 语

 

  １）在分析镜泊湖玄武岩覆盖区地热地质特征及物性差异前提的基础上，制定了可控源音频大地电磁法勘查方案，经过数据处理，结合已知的地质、水文条件和钻探资料推断解释了工区内的地层及断裂构造，推断结果得到了钻孔的验证。

 

  ２）本区地表玄武覆盖厚度为５０～１００ｍ，白垩系顶部风化带埋深２００～３５０ｍ，深部大部为花岗岩侵入层。

 

  ３）本区地热资源受北东向断裂控制，深度超过１ ５００ｍ。热源主要来源为地温场增温，构造断裂发育导致整体水温不高，为中低温地热田，储层为白垩统及断层破碎带。

 

  综上所述，本次利用可控源音频大地电磁法进行玄武岩覆盖区的地热勘查取得了预期效果。

 

  此外，物探方法存在多解性，采用综合勘查方法、引入先进的数据处理方法以提高工作精度是今后地热勘查的发展方向。