汪 琪，趙志鵬，尹秉喜，胡伏生

(1.北京市水利規(guī)劃設計研究院 地質(zhì)所，北京 100048；2.寧夏回族自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，寧夏 銀川 750021；3.中國地質(zhì)大學 水資源與環(huán)境學院，北京 100083)

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電磁測深MT法在平原深部地熱調(diào)查中的應用

汪 琪1，趙志鵬2，尹秉喜2，胡伏生3

(1.北京市水利規(guī)劃設計研究院 地質(zhì)所，北京 100048；2.寧夏回族自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，寧夏 銀川 750021；3.中國地質(zhì)大學 水資源與環(huán)境學院，北京 100083)

地熱資源的埋藏性和地下空間的復雜性，使得地熱調(diào)查技術(shù)的選取顯得尤為重要。介紹了電磁測深在地熱調(diào)查中的應用現(xiàn)狀，針對MT法在深部平原埋藏型地熱探尋中的缺口，以銀川盆地地熱調(diào)查為例，利用電磁測深MT技術(shù)解譯銀川盆地熱儲范圍，并結(jié)合蓋層溫度、控熱斷裂給予分析，結(jié)果顯示，利用電磁測深MT法可以較好地圈定銀川平原深部熱儲范圍。說明了電磁測深MT技術(shù)在平原區(qū)深部埋藏型地熱調(diào)查中是適用的。

熱儲范圍；電磁測深；銀川平原；深部地熱

1 引 言

地熱調(diào)查主要是尋找地熱異常區(qū)并圈定熱儲范圍，電法在地熱遠景區(qū)的圈定上起到了重要的作用。常用的電法主要有MT-寬頻大地電磁測深法、AMT-音頻大地電磁測深法、CSAMT-可控源音頻大地電磁法、TEM-瞬變電磁法、點測深法、聯(lián)合剖面法、激發(fā)極化法等[1-3]。MT在我國的應用實例很多，實際應用分析基于視電阻率ρs，影響巖石ρs的因素主要有巖石本身的成分、巖性，巖石水溶液的礦化度、壓力、溫度等。實際上，在巖石的導電率很大程度上取決于巖石孔隙或裂隙中的水溶液，故而低電阻率成為地下流體存在的一個指標，常常反映出地下巖石結(jié)構(gòu)疏松、濕度大、水溶液通過存在的空隙連通性好的特點[1]。以下為電磁測深技術(shù)MT在我國地熱調(diào)查中的應用現(xiàn)狀。

MT法對地殼的地熱事件很敏感，地熱調(diào)查中的應用主要是查明深部地質(zhì)特征和地下流體分布，從而圈定地熱遠景區(qū)。遼河凹陷西部運用MT法[4]對地層進行了電性分層，并結(jié)合電測井資料對埋深2 000～3 000 m的低阻電性層確定巖性，定位潛在熱儲層，通過實際鉆孔數(shù)據(jù)得到了很好地驗證。黑龍江湯原斷陷地區(qū)利用MT法結(jié)合井測溫資料劃定18～25 Ω·m的電性層為地熱遠景區(qū)，并在后期工作中得到很好地驗證[5]。羊八井是我國唯一的一個地熱城，從1974年起，對羊八井地熱進行了全面的物探調(diào)查，以電阻率法為主，輔以電磁法、重力法，該調(diào)查利用垂向電阻率法(垂向電測深法)，以30 Ω·m圈定了羊八井地熱田范圍，并依據(jù)鉆孔揭露地層資料和垂向電阻率曲線劃分了蓋層、熱儲層、基巖埋深，用量板法勾勒了熱儲層空間形態(tài)；并利用復合聯(lián)合剖面法推測了地熱田基巖斷裂構(gòu)造[6]。

雖然MT法在地熱方面應用較好，但在適用效果方面，存在一些需要注意的地方，研究中發(fā)現(xiàn)：MT法對深大斷裂反應較好，對于基巖頂部的小斷裂顯示不清；對上下的電性差異較大的地層且地層連續(xù)分布的反映很好，但對于古生界地層，由于電性很近，解譯結(jié)果與實際差距大[7]。TM法的特點是勘探深度大，對低阻靈敏度高，但由于測量時利用的是天然場源，存在對城區(qū)噪聲抗干擾能力弱的缺點，為避免誤差，需要延長測量時間，進行多次迭代分析[8]。

MT、AMT和CSAMT 適用性有所不同。CSAMT法較之于MT法，在天津的地熱研究中發(fā)現(xiàn)，由于海相沉積地層中存在鹽堿層，導致人工場源的電場無法穿透，而MT法的電場來自天然場源，可較好地顯示斷裂位置和富水低阻區(qū)的分布[9]。MT和AMT都利用的是天然場源，MT法較之AMT法，就地熱勘查過程中的應用效果而言，AMT法對埋深小于1 000 m的地層解譯清楚，MT主要反映1 000 m以下的深部的地質(zhì)構(gòu)造和斷裂分布，能較好地推測地熱流體存在的位置[10]。

電磁測深技術(shù)MT在尋找熱儲方面已積累了豐富的經(jīng)驗，但仍在平原區(qū)深部地熱探尋方面仍然缺少驗證。本文以銀川盆地為例，利用電磁測深MT法尋找銀川平原深部2 000～4 000 m左右地熱儲分布區(qū)，并驗證其適用性。

2 銀川盆地概況

銀川盆地位于寧夏北部，西靠賀蘭山，東倚鄂爾多斯臺地，南起青銅峽峽口沖積扇，北至石嘴山，黃河自南沿東邊界而過。南北長165 km，東西寬42～60 km，面積7 790 km2。盆地中斷裂發(fā)育，凹陷隆起構(gòu)造相間分布，基底構(gòu)造復雜。東面以黃河斷裂F4與鄂爾多斯地塊相連；西邊為賀蘭山東麓斷裂F1與山體相連，賀蘭山呈持續(xù)抬升態(tài)勢，山勢陡峭，主體走向NE10°；南界斷裂 F6西北走向，位于牛首山東北麓；北緣被石嘴山南一組隱伏斷裂F5所控制(圖1)。區(qū)內(nèi)第四系沉積厚度較大，盆地中心最厚處可達1 200 m。下部為新近系和古近系的砂巖夾泥巖互層結(jié)構(gòu)，其中蓋層砂泥比小于0.5，砂層砂泥比大于0.5，砂層厚度遠大于蓋層。很厚的第四系可以起到很好的保溫作用，地下水的主要補給是賀蘭山的降水，降水從西向東緩慢滲透，經(jīng)斷裂儲存在新近系和古近系砂巖層中，故新近系和古近系是銀川盆地良好的深部含水層，具有很厚的第四系保溫層。

3 MT解譯熱儲范圍

本次研究利用銀川盆地寬頻大地電磁(MT)資料，三條大地電磁測深剖面E、G、F分布位置見圖2。此次MT測量采用加拿大鳳凰(Phoenix)公司V8及V5多功能電法儀，頻率響應范圍為400 Hz到0.000 2 Hz，采用張量測量方式，平均點距為2 km，具有較高的分辨率，每個有效測點觀測時間均大于10 h，勘探深度在30 km以上。 以垂向電阻率20Ω·m圈定熱儲， 考慮地溫深度范圍2 000～5 000 m。大地電磁解譯的各個剖面地熱儲區(qū)域具體解釋如下。

圖1 銀川平原構(gòu)造Fig.1 The geology structure of the Yinchuan plain

圖2 銀川斷陷盆地及周緣實測大地電磁剖面位置Fig.2 The section location of the MT in Yinchuan rift plain and its surrounding

3.1 E剖面可能地熱儲區(qū)域

E剖面自西向東呈現(xiàn)出賀蘭山褶斷帶與銀川斷陷盆地高—低阻電性分區(qū)，大范圍的低阻高導區(qū)基本都分布在銀川盆地內(nèi)，推測地熱儲區(qū)域位于銀川盆地的低阻高導區(qū)，地層從上往下依次為第四系、新近系、古近系清水營組。E剖面的地質(zhì)構(gòu)造解譯，電性結(jié)構(gòu)[11]以及可能存在的地熱儲區(qū)域見圖3。

銀川平原的控制斷裂主要是盧花臺斷裂(F4)和黃河斷裂(F6)，剖面上表現(xiàn)為向東傾斜的正斷層特征，屬張拉斷裂，是深部地熱向上傳導的有利通道，深大斷裂可以很好地將深部地熱帶到淺層地殼，加熱淺層地下水。

此外銀川斷陷盆地縱向上表現(xiàn)為低—高—低電性結(jié)構(gòu)特征， 上部分布大面積的厚大的低阻地層，低阻高導區(qū)一般富水；中部高阻地層為古生代或更早地層的綜合反映；下部為低阻地層，并被銀川斷裂貫穿，地下水沿斷裂進入到深部地層，被加熱，熱水順著相交斷裂運移到上部地層中。這種結(jié)構(gòu)也能很好地為深部地熱水起到供熱—保溫作用，銀川平原是地熱儲存在的極有利區(qū)域。

圖3 大地電磁E剖面推測地熱儲區(qū)域Fig.3 The area of geothermal reservoir speculated from MT profile E

3.2 G剖面可能地熱儲區(qū)域

G剖面自西向東呈現(xiàn)出賀蘭山褶斷帶與銀川斷陷盆地高—低阻電性分區(qū)及陶樂—彭陽沖斷帶中高阻電性分區(qū)。大范圍的低阻高導區(qū)基本都分布在銀川盆地內(nèi)，推測地熱儲區(qū)域位于銀川盆地的低阻高導區(qū)，地層從上往下依次為第四系、新近系、古近系清水營組。G剖面的地質(zhì)構(gòu)造解譯，電性結(jié)構(gòu)以及可能存在的地熱儲區(qū)域見圖4。

E剖面與G剖面整體具有相似性，經(jīng)對比分析，斷層在地表中低電阻覆蓋層厚度與范圍方面存在差異性，G剖面斷裂更深，更為復雜，說明斷層在E剖面與G剖面上的形成時間存在差異性，推測銀川斷陷盆地在G剖面的斷陷時間早于在E剖面上的斷陷時間，G剖面上覆蓋第四系細砂、粉砂巖(中低阻電阻率特征)厚度更大，很厚的第四系覆蓋可以對深部地熱起到很好的保溫作用。

圖4 大地電磁G剖面推測地熱儲區(qū)域Fig.4 The area of geothermal reservoir speculated from MT profile G

3.3 F剖面深部電性結(jié)構(gòu)特征

F剖面位于銀川斷陷盆地的南部，橫跨銀川斷陷盆地與陶樂—彭陽沖斷帶兩個構(gòu)造單元。從圖5看，電性剖面自西向東呈現(xiàn)兩個明顯的電性差異帶：銀川斷陷盆地深部表現(xiàn)為橫向與縱向都非均勻分布的電性結(jié)構(gòu)特征；陶樂—彭陽沖斷帶表現(xiàn)為縱向分層橫向穩(wěn)定的電性結(jié)構(gòu)特征。F剖面銀川斷陷盆地控制主要斷裂有盧花臺斷裂(F4)、銀川斷裂(F5)、黃河斷裂(F6)。盧花臺斷裂(F4)和銀川斷裂(F5)均表現(xiàn)為傾向東南的正斷層特征；黃河斷裂(F6)表現(xiàn)為傾向西北的正斷層。盧花臺斷裂(F4)一直向東延伸與銀川斷裂在3 km左右的深度交匯，與黃河斷裂在6 km左右的深度相交匯。

地表新生帶低阻沉積地層厚度在2.5 km左右；低阻地層之下為古生代或更老地層的綜合反映，電阻率表現(xiàn)為中高阻的特征，但是在中高阻地層中間發(fā)育兩條傾70°左右的低阻帶，低阻帶向上分別與蘆花臺斷裂的分支及黃河斷裂相接，銀川隱伏斷裂也對下面的中高阻地層形成了一定的破壞，故而該構(gòu)造單元深部發(fā)育多條隱伏斷裂，與銀川斷陷盆地中段的構(gòu)造地質(zhì)背景不同。該剖面的地熱儲推測分布在銀川盆地下方的低阻高導區(qū)，但是該熱儲厚度較小，深部熱儲儲存條件也不理想，比較E、G剖面，地熱儲條件較差。

圖5 大地電磁F剖面推測地熱儲區(qū)域Fig.5 The area of geothermal reservoir speculated from MT profile F

所以，根據(jù)大地電磁資料推測出的銀川斷陷盆地地熱賦存條件較好，尤其是G剖面存在大面積的低阻高導區(qū)，并且張拉正斷層廣泛分布，是極好的地熱水賦存區(qū)域。由大地電磁測深綜合推測的熱儲平面分布位置見圖7(藍線表示地磁測深解譯的地熱位置)。

4 蓋層地溫梯度等值線

蓋層溫度梯度等值線也是劃定熱儲分布范圍的有效方法，一般蓋層地溫梯度>2.5 ℃/100 m的區(qū)域作為熱儲區(qū)域。蓋層地溫梯度的獲得通過測溫數(shù)據(jù)、恒溫層深度和溫度野外測量獲取。銀川盆地的蓋層地溫梯度等值線見圖6，圖上地溫梯度大的地方與電磁測深解譯位置吻合。

圖6 蓋層地溫梯度等值線Fig.6 The isoline of geothermal gradient in cover layer

5 控熱斷裂

控熱斷裂對熱儲的圈定具有重要意義。地熱系統(tǒng)的形成多受深大斷裂控制，深大斷裂控制地熱水的補給來源和流通。銀川盆地廣泛發(fā)育張拉正斷層，屬于新構(gòu)造以來的構(gòu)造活動，北北東走向的F1賀蘭山斷裂、F2蘆花臺斷裂、F3銀川斷裂、F4黃河斷裂均是此類斷裂，斷裂長80～130 km不等，斷裂兩側(cè)地形高差懸殊，形成了銀川平原“階梯式”的斷陷盆地。賀蘭山上的大氣降水通過賀蘭山斷裂補給深部地下水，深部地下水在滲流過程中吸收周圍巖石中的熱量并通過其他斷裂將熱量向上傳遞，這些斷裂都是熱水向上傳遞的良好通道，遇到黃河斷裂下方的剛性巖體，熱水沿斷裂向上儲存在砂巖層中，故賀蘭山斷裂和黃河斷裂屬控熱斷裂，前人常利用控熱斷裂來劃定熱儲邊界，銀川盆地控熱斷裂分布見圖7(斷層)，這與電磁測深解譯的邊界位置基本吻合。

圖7 銀川盆地熱儲分布范圍Fig.7 The distribution range of geothermal reservoir in Yinchuan plain

綜上，電磁測深解譯的熱儲位置和蓋層地溫、控熱斷裂分析結(jié)果基本吻合，確定的熱儲范圍區(qū)如圖7所示。研究區(qū)熱儲主要分布在銀川平原的中部地區(qū)，且位于東西向二級階梯構(gòu)造的中間地塹部位。打三口深井，深度都在3 000 m左右，一口是盆地北邊沙湖的NSR-1，出水量最大為1 770 m3/d、水溫可達80 ℃以上；一口是Y3井，井口出水溫度55 ℃，單井出水量1 430.0 m3/d；另一口Y1井，井口出水溫度67.5 ℃，單井出水量在400.8 m3/d。這三口地熱井都在圈定的熱儲分布范圍內(nèi)，水溫較高，水量較好，屬中低溫地熱資源。

6 結(jié) 論

電磁測深技術(shù)MT法在平原深部地熱調(diào)查中是適用的，這對于缺少資料地區(qū)的地熱調(diào)查具有重要意義。銀川平原熱儲主要分布在平原的中部地區(qū)，且位于東西向二級階梯構(gòu)造的中間地塹部位，熱儲埋藏在3 000 m左右，熱水的形成、賦存、徑流受深大斷裂控制，屬中低溫地熱資源。

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The Application of Magnetotelluric Sounding (MT) Method to Deep Geothermal Investigation in Plain

Wang Qi1，Zhao Zhipeng2，Yin Bingxi2，Hu Fusheng3

(1.GeologyDepartment,BeijingWaterResourcesPlanningandDesignInstitute,Beijing100048,China;2.NingxiaGeologicalSurveyInstitute,YinchuanNingxia750021,China;3.WaterResourcesandEnvironmentInstitute,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China)

Due to the buried geothermal resources and the complexity of underground space,the selection of geothermal survey technology is particularly important. In this paper,there is an introduction to the application of magnetotelluric sounding method to geothermal investigation,aiming at the gap of MT method in exploring buried geothermal resources in deep plain. The geothermal survey of Yinchuan plain was taken as an example to determine the geothermal range by magnetotelluric sounding technology(MT),which is combined with caprock temperature and the fracture of heat controller to analyze. The result shows that using the magnetotelluric sounding (MT) method can well delineate the scope of deep geothermal reservoir in the Yinchuan plain and it illustrates that the magnetotelluric sounding technology (MT) is proper to explore buried geothermal resources in deep plain.

range of geothermal reservoir; magnetotelluric sounding; Yinchuan plain; deep geothermal

1672—7940(2016)06—0782—06

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.06.015

汪 琪(1988-)，女，主要從事地下水與環(huán)境影響方面的咨詢科研工作。E-mail：angel_1101@126.com

P631.3

A

2016-07-11