萇云，黃江華，陳衛(wèi)營，王國群

(1.安徽省地勘局第一水文工程地質(zhì)勘查院，安徽 蚌埠 233000； 2.陜西地礦第二綜合物探大隊，陜西 西安 710016)

1 前 言

地下熱水資源是清潔無污染的綠色能源，尤其在當(dāng)今環(huán)境問題趨于嚴(yán)重和能源短缺問題的困擾下，大力開發(fā)地?zé)豳Y源對保護和改善自然環(huán)境具有重要的現(xiàn)實意義。為充分利用深部地?zé)豳Y源，查明淮南市焦崗湖生態(tài)區(qū)的熱儲情況，根據(jù)本區(qū)的地質(zhì)條件和電磁法勘探的特點，采用多種電磁法(可控源音頻大地電磁法、瞬變電磁法和大地電場探測法)綜合實施的思路和方案，確定出3個鉆孔位置及地?zé)豳Y源的深度在 1 500 m～2 000 m范圍內(nèi)。ZK01號鉆孔成井后，1 500 m深的終井溫度為36℃，單井出水量大于30.7 t/h，該工作方案為類似地區(qū)尋找熱水提供了較好的經(jīng)驗。

2 地質(zhì)概況

生態(tài)度假村位于淮南市西南部，淮河與西淝河的交匯處，是典型的河湖漫灘和河間平地。地表大部分地區(qū)為第四系覆蓋，僅在淮河?xùn)|岸的丘陵區(qū)出露元古界和古生界為主的基巖。大地構(gòu)造位置處于中朝準(zhǔn)地臺南緣，以潁上—定遠斷裂為界，以北為淮河臺地坳陷的淮南凹陷褶斷帶，以南屬合肥斷陷盆地。區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，以近東西走向的潁上—定遠斷層為主，先壓扭性、后為張性斷裂，傾向南西，是區(qū)域性深大斷裂，控制著兩個次級構(gòu)造單元。斷層北側(cè)出露上太古界霍邱群地層，南側(cè)出露中生界白堊系地層，既是合肥紅層盆地北邊界，也是焦崗湖北東側(cè)的邊界。焦崗湖南西側(cè)可能分布有與潁上—定遠斷層平行的次級斷層。此外，北北東向斷裂隱伏于焦崗湖的西邊，是燕山后期斷層，錯切近東西向斷層和霍邱群地層。這些斷裂的發(fā)育是深部熱源達到淺層的通道，為熱儲的形成創(chuàng)造了有利條件，在其附近可形成熱田。根據(jù)前人研究成果，本區(qū)地下水有松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水、變質(zhì)巖類裂隙水三大類。第一類主要是在現(xiàn)有條件下接受大氣降水的補給及上游的側(cè)向徑流補給；后兩類則是孔隙水越流補給和地下水側(cè)向徑流補給。區(qū)內(nèi)地下水主要來源于裸露在盆地周邊的可直接受大氣降水滲入、基巖裂隙水、斷裂帶水補給的粗粒碎屑巖層。當(dāng)?shù)叵滤刂畲髷嗔蜒h(huán)運移至地下深處的中低溫?zé)醿?gòu)造后，形成熱水[1]，該運移與斷裂分布有著密切的關(guān)系，因此測區(qū)的水文地質(zhì)條件具有地?zé)崴纬傻幕A(chǔ)。

測區(qū)地層主要是第四系、白堊系張橋組和上太古界霍邱群。第四系巖性為黏土、中細砂層等，張橋組巖性主要是礫巖、砂巖、粉砂巖等，霍邱群巖性主要為混合巖，夾少量黑云角閃斜長片麻巖等，其電性特征如表1所示。這些巖石地層存在一定程度的電性差異，為電法勘探工作的開展提供了地球物理基礎(chǔ)。

區(qū)內(nèi)地層的電性特征 表1

3 方法應(yīng)用及成果分析

根據(jù)以往工作經(jīng)驗，地?zé)嵯到y(tǒng)內(nèi)溫度升高使離子遷移率增大，巖石電阻率降低，造成熱儲部位電阻率降低，因此低阻異常是識別地?zé)豳Y源的重要標(biāo)志，特別是熱儲范圍較大時，電阻率異?？梢悦黠@反映出熱儲的空間分布。結(jié)合工作區(qū)的地質(zhì)條件，采用了三種電磁勘探方法循序漸進開展地?zé)峥辈?。首先利用瞬變電磁法可以穿透高阻層發(fā)現(xiàn)低阻層的特點[2，3]，在發(fā)現(xiàn)瞬變電磁異常信息基礎(chǔ)上，再利用可控源音頻大地電磁資料可探測深層信息的特點，反演分層得到各時代地層的頂、底面埋深和區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育情況，及根據(jù)大地電場巖性探測可反映出地下不同深度巖石巖性和儲層流體信息的特點，并以剖面和斷面異常相結(jié)合的綜合分析方法最終確定出區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育、地層空間展布等情況，進而確定含熱水層系的存在與埋深，消除物探異常的多解性。

由于工作區(qū)地處淮河流域，人工溝渠水網(wǎng)密布，縱橫交錯，野外工作布置比較困難。在綜合考慮減小干擾、方便施工及構(gòu)造地質(zhì)等因素后，布置了4條勘探測線(如圖1所示)。其中TEM測線測點間距為 10 m；CSAMT測線的測點間距為 20 m；大地電場巖性探測法(CYT)2個點，采集深度間隔為 1 m。野外施工前進行了磁棒標(biāo)定，對各道各頻率的12個增益也進行了標(biāo)定，最終根據(jù)信噪比的情況選擇了最佳信噪比的增益。

圖1物探點工程布置及勘探成果圖

3.1 瞬變電磁法(TEM)

TEM法是通過回線向地下發(fā)射電流脈沖方波后接收反射回來的二次磁場的變化來揭示地下地質(zhì)體的電性分布情況的一種方法。當(dāng)?shù)叵虏淮嬖诹紝?dǎo)體時，二次磁場隨時間衰減的特性曲線會快速下降，當(dāng)存在良導(dǎo)體時，在電源切斷的瞬間，導(dǎo)體內(nèi)部將產(chǎn)生渦流以維持一次場的切斷，觀測到的衰減過程會變慢，從而發(fā)現(xiàn)地下導(dǎo)體的存在。本次工作使用加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V8電法工作站，配備GPS和網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，獲得實時觀測電阻率和相位曲線。采用大回線源和探頭接收、同點裝置工作，這種裝置具有與目標(biāo)體耦合最佳、異常幅值大、形態(tài)簡單、受旁側(cè)地質(zhì)體影響小的特點。

野外實測數(shù)據(jù)經(jīng)過小波變換去噪、S變換去噪等處理，將感應(yīng)電動勢轉(zhuǎn)換為視電阻率，以s、hs為參數(shù)繪制各測線視電阻率(s)綜合剖面圖，然后研判出沿測線剖面方向上的視電阻率及電性分布特性。

3.2 可控源大地電磁法(CSAMT)

主要原理是利用人工場源激發(fā)地下巖石，根據(jù)不同巖石的電導(dǎo)率差異觀測記錄一次場電位和磁場強度變化，具有抗干擾能力強、勘探深度大、能穿透高阻層的特點。儀器同樣使用V8電法工作站。

外業(yè)實測數(shù)據(jù)進行了去噪、靜態(tài)校正、近場校正、測點間距校正，再進行二維地形正演模擬計算出地形影響值，剔除地形影響后，進一步反演計算出斷面圖的電阻率異常。

3.3 CYT型大地電場巖性探測

該方法屬于點測深法，在地表可探測到地下深度 0 m～10 000 m范圍。主要是根據(jù)太陽風(fēng)產(chǎn)生的電磁脈沖垂直向下穿透地層后，不同深度的巖性分界面脈沖電磁波的頻率會發(fā)生變化，且層間電磁場經(jīng)過疊加后，反射向地面會形成與不同深度巖性對應(yīng)的電磁場，從而判斷出地表以下的巖性變化情況。由于地下熱儲層中的熱水一般富含溶解離子，且溫度較高，巖石受熱變質(zhì)而黏土化，導(dǎo)致含水破碎帶具有局部低電阻率特征，通常含水層在大地電場巖性曲線中表現(xiàn)為寬帶大振幅高低峰值交替中的最低值區(qū)。

3.4 成果分析

根據(jù)前述地質(zhì)和巖石地層的電性特征，測區(qū)淺地表以第四系黏土等沉積物為主，視電阻率值較高；其下為白堊系張橋組，巖性主要為礫巖、砂巖等，視電阻率值較低；底部為上太古霍邱群，主要為混合巖、片麻巖等變質(zhì)巖類，視電阻率相對較高。通常在無斷裂帶或其他地質(zhì)構(gòu)造影響下，視電阻率橫向變化平緩，能夠很好地反映地層近層狀分布的特點?？v觀測區(qū)各測線斷面圖，視電阻率由淺至深大體上呈高阻—低阻—高阻的H型斷面變化特征，與實際地質(zhì)巖層的電性分布規(guī)律一致，呈現(xiàn)出第四系地層高電阻率、白堊系地層低電阻率和上太古地層高電阻率的分層性。若發(fā)育斷裂，斷層內(nèi)的巖石破碎會成為賦存地下水的良好儲體，導(dǎo)致電阻率降低，斷面圖的視電阻率會出現(xiàn)橫向突變。如圖2顯示，3號測線TEM剖面南端出現(xiàn)低阻異常，斷面圖中發(fā)現(xiàn)剖面南端(150點號附近)和中南段(450點號附近)視電阻率發(fā)生突變，明顯是斷層分布的電性特征，推測其為斷裂破碎帶。對比1號、4號等其他測線同樣發(fā)現(xiàn)在其南段-中南段也有低阻和高阻突變帶，因此推測測區(qū)存在至少兩條近東西走向的斷裂構(gòu)造裂隙帶，其中一條與地質(zhì)斷裂潁上-定遠斷裂基本吻合。此外電性圖顯示區(qū)內(nèi)沒有低阻巖體干擾。

圖2 3號測線TEM視電阻率等值線斷面圖(虛線—推測斷層)

圖3 4號測線CSAMT視電阻率等值線斷面圖(虛線—推測斷層)

依據(jù)趨膚效應(yīng)，可控源(CSAMT)探測深度大于TEM探測深度，特別是當(dāng)深度大于 1 000 m時，CSAMT測深所反映的地層情況更加明顯，如圖3所示，4號測線CSAMT斷面圖出現(xiàn)多處視電阻率的橫向突變現(xiàn)象，特別是在300/4—500/4點號之間清晰顯示出電阻率較大的變化，從地表一直延伸至深部 2 000 m以下，顯然這種較大的電性變化現(xiàn)象只有深大斷裂破碎帶才能引起。其他測線如1號和3號測線南段也存在低阻異常區(qū)，向北轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦鑵^(qū)，印證了TEM法在測區(qū)南段發(fā)現(xiàn)電阻率突變現(xiàn)象的觀測結(jié)果，因此推測在測區(qū)中南部至少發(fā)育兩條近東西走向的斷裂或構(gòu)造裂隙帶。此外，CSAMT斷面也顯示出自深而淺大致呈高、低、高電阻率的電性分布狀態(tài)，反映出測區(qū)地層的垂向分布情況，與第四系、白堊系和上太古界地層基本一致。

為進一步了解測區(qū)地層深部電性結(jié)構(gòu)的橫向變化，分別截取了4條測線的 800 m、1 200 m和 1 500 m深度的視電阻率異常進行綜合分析。從 1 500 m深度的視電阻率平面圖可以明顯看出(如圖4所示)，測區(qū)電阻率自北向南逐漸降低，中部存在高阻區(qū)，南部低阻區(qū)域范圍較大，并延伸至測區(qū)之外，與CSAMT和TEM測深剖面的斷面異常結(jié)果一致?？傊?，測區(qū)在橫向和縱向都存在明顯的電性異常，充分反映出南部低阻區(qū)域是斷裂帶充水所致。

圖4 1 500 m深度CSAMT視電阻率等值線平面圖

綜合瞬變電磁、可控源大地電磁的剖面和平面結(jié)果及已知地質(zhì)資料，推斷測區(qū)南部至少發(fā)育兩條近東西走向的斷裂，自西向東橫穿測區(qū)。根據(jù)測區(qū)低阻區(qū)的分布特征，確定出3處宜井鉆孔。為進一步確定預(yù)定鉆孔處的地層、溫度、含水層、熱儲層等情況，在預(yù)定鉆孔ZK01、ZK02位置實施了大地電場巖性勘測，勘測曲線顯示了測區(qū)地層電阻率大小的相對變化特征。根據(jù)曲線變化特點如曲線高低值交替表示巖性不均勻，窄帶代表薄互層，寬帶代表厚層，地層界面處曲線峰值突變等，在鉆孔ZK01圈出有效儲集層3段，第一段位于0 m～1 000 m，厚度計 16 m；第二段位于 1 000 m～2 400 m，有效儲集層厚度計 39 m；第三段位于2400 m～3000 m，有效儲集層厚度計 20 m。鉆孔ZK02圈出有效儲集層計 37 m，如表1、表2所示。

鉆孔ZK01的井段有效層位統(tǒng)計表(單位/m) 表1

鉆孔ZK02的井段有效層位統(tǒng)計表(單位/m) 表2

2015年在鉆孔ZK01位置處開鉆，井深達到 1 501.78 m。經(jīng)測井資料分析，鉆遇新生界地層厚 400 m、白堊系埋深 400 m～1014 m，厚 614 m；上太古霍邱群埋深 1014 m～1 501.78 m，該井揭露 487.78 m，可以鉆采深 620 m以下的地下熱水資源，主要含水層厚度為 275 m。最終該井出水量大于 30.71 m3/h，井口出水溫度為36℃，屬于低溫地?zé)豳Y源熱水[4]。

4 結(jié) 語

通過利用CSAMT、TEM和CYT三種電磁勘探方法對測區(qū)不同深度的地質(zhì)體進行探測，其視電阻率異常有效反映了地層深處的巖性變化、斷層及地下熱儲等信息，效果顯著。綜合分析平面和剖面的勘測結(jié)果，基本查明了生態(tài)區(qū)的地?zé)岱植记闆r。經(jīng)鉆井施工，在預(yù)定的宜井處打出36℃、出水量為 30.7 m3/h的低溫?zé)崴f明了綜合方法的有效性。因此對于尋找一定深度的地下熱水資源需要采用綜合電磁法勘探，依據(jù)每種電法勘探的特點達到有針對性的解決不同地質(zhì)任務(wù)的目的，互相印證減少多解性，以取得更好的地質(zhì)效果。

[1] Rybach L L，Muffler J P. 北京大學(xué)地質(zhì)系地?zé)嵫芯渴易g.地?zé)嵯到y(tǒng)[M]. 北京：地質(zhì)出版社，1981.

[2] 黃力軍，陸桂福，劉瑞德等. 電磁測深方法在深部地?zé)豳Y源調(diào)查中的應(yīng)用[J]. 物探與化探，2004，28(6).

[3] 吳小潔，張前，陳長亮等. 綜合電法勘探在五指山地區(qū)找熱礦水中的應(yīng)用[J]. 工程地球物理學(xué)報，2015，12(3).

[4] 水文地質(zhì)工程地質(zhì)研究所. 地下熱水普查勘探方法[M]. 北京：地質(zhì)出版社，1973.