楊志成，陳海宏，周玲玲，魯 杏

(1.安徽省勘查技術院(安徽省地礦局能源勘查中心),安徽 合肥 230031;2.江蘇省地質礦產(chǎn)局 第一地質大隊,江蘇 南京 210041)

1 引言

目前,國內(nèi)主要的地熱勘查技術方法有重力、磁法、二維地震、測氡法、微動、電磁法[1-3]。其中,電磁法是最主要的地熱勘查技術手段?？煽卦匆纛l大地電磁測深法(Controlled Source Audio-frequency Magnetotelluric Sounding Method,CSAMT)是Goldteint提出的有源的勘查技術方法[4-5],在中淺部地熱資源勘查中得到了廣泛的應用[6]。長偏移距電磁法(Long Offset Transient Elec-tromagnetic Sounding,LOTEM)是導線源時間域電磁勘查方法,可以彌補回線瞬變電磁法勘查深度小的問題。為了進一步提高探測精度并克服頻率域和時間域各自的不足,何展翔等[7-10]提出了時頻電磁(Time-Frequency Electromagnetic Method ,TFEM)法,并將該方法推廣應用到油氣、天然氣、干熱巖、深部地熱資源的勘查[11-15]。宋濤等[16]在低阻厚覆蓋、電磁強干擾地區(qū)的盆地型地熱資源勘查中采用時頻電磁法,取得了信噪比較高的原始數(shù)據(jù),結合水文地質條件布設鉆孔,最終獲得優(yōu)質地熱資源。程正璞等[17]在電磁強干擾區(qū)的碳酸鹽巖型地熱資源勘查中采用時頻電磁法,獲得了高信噪比數(shù)據(jù),采用電阻率約束反演,精確刻畫了地層結構,圈定了有利地熱區(qū)4處,為后續(xù)地熱資源的開發(fā)利用提供了重要的基礎資料和支撐。

南京金牛湖地區(qū)地質構造復雜、低阻覆蓋層較厚、電磁干擾較強,主要尋找中深層的地熱資源。針對這個特點,結合以往地熱資源勘查經(jīng)驗,采用大功率時頻電磁法(TFEM)進行深部地熱資源的勘查工作。通過大功率發(fā)射,可以有效穿透低阻覆蓋層、提高采集數(shù)據(jù)的信噪比,為反演提供高質量的原始數(shù)據(jù)。通過時間域與頻率域數(shù)據(jù)同時采集,精確提取反映地下深部電性結構的電阻率信息,提高了深部地熱勘查的成功率。

2 方法原理

時頻電磁法是一種人工源時間頻率電磁測深方法,野外工作方式與電性源CSAMT法類似,采用的裝置類型主要為赤道偶極裝置。工作方式見圖1。

時頻電磁法通過一次采集,能夠同時獲得時間域和頻率域電磁數(shù)據(jù);時頻電磁勘探儀器系統(tǒng)經(jīng)測試和應用,可適用于深部地熱、油氣、礦產(chǎn)等資源勘探[18-23]。時頻電磁法工作方式與常規(guī)可控源音頻大地電磁法(CSAMT)或長偏移距瞬變電磁法(LOTEM)類似,利用兩個接地電極A和B連接長導線進行大功率的電脈沖方波激發(fā),在一定距離處接收電磁場[10]。

AB場源電極(A、B)應根據(jù)實際地形、地物情況,在一定范圍內(nèi)選擇合適的場地進行布設,長度在幾公里到十幾公里,激發(fā)方式采用過零或不過零方波。

接收測站由電采集站和磁采集站組成,包括2個電磁分量,即1個垂直磁場：Hz,1個水平電場：Ex。

在室內(nèi)對采集到的時間序列信號進行濾波、去噪等處理,分別提取時間域數(shù)據(jù)和頻率域數(shù)據(jù)。對時間域數(shù)據(jù)進行分析處理,獲得電性信息,得到電阻率參數(shù);對頻率域數(shù)據(jù)進行分析處理,獲得極化率參數(shù)。

該方法具有如下特點：①使用人工場源信噪比高,縱向分辨率高,無靜態(tài)位移影響;②同時測量電分量和磁分量,彌補了只觀測磁場對高阻薄層分辨率低的不足;③可同時計算電阻率和極化率等多個參數(shù)。

圖1 時頻電磁法工作示意圖Fig.1 Working diagram of time-frequency electromagnetic method

3 勘查區(qū)概況及工作布置

3.1 地質概況

3.1.1 地層

勘查區(qū)位于低山丘陵區(qū),區(qū)內(nèi)第四系廣泛覆蓋,僅在部分地區(qū)出露震旦紀燈影組、陡山沱組,寒武紀幕府山組,侏羅紀紅花橋組,白堊紀浦口組,新近紀六合組、桂五組地層。

1)第四系(Q)～白堊系(K)：地層巖性以砂巖、粉砂巖為主;

2)侏羅系(J)：地層巖性以安山巖、安山質角礫熔巖為主;

3.1.2 構造

勘查區(qū)在區(qū)域構造位置上位于揚子陸塊之下?lián)P子地塊,郯廬斷裂帶以東,天長-南京-鎮(zhèn)江隆起區(qū)之次級江浦-天長隆起。郯廬斷裂帶在新生代期間,由于巖層拉張伸展并伴隨強烈玄武巖噴發(fā),造成區(qū)域地質構造復雜。發(fā)育的主要褶皺構造為冶山復背斜。區(qū)內(nèi)斷裂構造發(fā)育,除了區(qū)域性的金牛斷裂、冶山斷裂組(G4)、九頭山斷裂斜貫勘查區(qū),勘查區(qū)內(nèi)還發(fā)育一系列的次級斷裂構造。

3.1.3 巖漿巖

勘查區(qū)內(nèi)發(fā)育的巖漿巖有金牛山巖體、冶山巖體,主要出露在金牛山、冶山附近,巖性為閃長巖、花崗閃長巖。

3.1.4 地熱地質條件

根據(jù)地熱地質條件可知,地熱區(qū)必須具備“源、通、儲、蓋”四個基本條件,即深部具有熱源及水源供給,下部具有熱水通道,中間有較好的儲水條件,上部有較好的覆蓋層?，F(xiàn)從以上四個方面來敘述勘查區(qū)的地熱地質條件：

1)源：江蘇地下熱水的“熱”主要來源于向地下深處按一定地溫梯度逐步增加的累積溫度,并且深度越大,溫度越高。現(xiàn)有鉆孔資料證實,江蘇4 500 m深度地溫可達115～150 ℃。水源主要為大氣降水,不同的地區(qū)因地質環(huán)境的差異,其補給的范圍和時間也有很大的區(qū)別,勘查區(qū)的自然環(huán)境決定了降水的補給十分充裕。熱水中各種化學成分,是地下熱水在深循環(huán)過程中不斷吸取地殼中圍巖成分所致。

2)流通條件：勘查區(qū)位于金牛水庫岸邊,地表為第四系所覆蓋。主要接受冶山、金牛山地區(qū)各類基巖裂隙水和一、二級階地松散堆積物中孔隙水及大氣水的補給,地下水沿地形以陡坡降向山前溝谷及向水庫流動。

1-第四系全新統(tǒng);2-第四系上更新統(tǒng);3-上第三系桂五組;4-上第三系六合組;5-白堊系浦口組;6-震旦系燈影組;7-燕山期晚期閃長巖類;8-實測、推測巖層界線;9-實測不整合巖層界線;10-推測斷裂及編號;11-探礦權范圍;12-河流;13-地名;14-TFEM測線及編號;15-溫泉點;16-設計鉆孔圖2 區(qū)域地質圖Fig.2 Regional geological map

勘查區(qū)構造發(fā)育,形成一系列的斷裂和破碎帶,同時也形成了良好的儲水空間和深循環(huán)條件,加強了與深部熱源的溝通,是深部熱源上導的主要通道,成為地下熱水上涌或下滲的構造通道。

3)儲水條件：其下的寒武系、震旦系碳酸鹽巖在長期地質演化過程中經(jīng)歷多次斷裂活動、抬升剝蝕等作用,成為良好的裂隙-巖溶含水儲熱層,是本區(qū)地下熱水勘查最重要的目標層位。

4)蓋層條件：勘查區(qū)覆蓋層及白堊系、侏羅系埋深數(shù)百米,地層發(fā)育厚度達百米以上,該地層熱導率低,且普遍不含水,是一個理想的地熱蓋層。

綜上所述,調(diào)查區(qū)具備地熱儲積的“熱源和通道”,“熱儲和蓋層”水文地質條件較好,具有一定的地熱資源勘查前景。

3.2 工作布置

通過區(qū)域內(nèi)主要構造斷裂F7,布設TFEM勘查線2條,線號分別為TFEM-1、TFEM-2,具體位置見圖2。TFEM-1測線發(fā)射源在測線的西南方,收發(fā)距為8.386 km;TFEM-2測線發(fā)射源在測線的東南方,收發(fā)距為7.476 km。發(fā)射采用占空比1∶1的不過零方波,工作頻率范圍0.024～20 s,點距50 m,MN極距100 m,供電電流50 A,可以有效壓制工作區(qū)內(nèi)的人文干擾。共計完成106個TFEM物理點,取得了信噪比較高的原始數(shù)據(jù)。

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 時頻電磁法數(shù)據(jù)預處理

時頻電磁勘探包含了時間域資料和頻率域資料,因此,資料的處理主要為時間域資料的處理和頻率域資料的處理。時間域處理主要為求取綜合地電參數(shù)、電阻率反演。頻率域處理主要為求取雙頻振幅異常、雙頻相位異常、極化率反演。

4.1.1 時間序列信號回放和合并

通過數(shù)據(jù)回放顯示,可以了解野外記錄的數(shù)據(jù)品質和噪聲水平。分析主要干擾,選擇有用信號,通過疊加可以壓制隨機干擾,增加信噪比。

4.1.2 頻率域提取振幅和相位信息

對頻率域信號,提取振幅信息是采用點通濾波和疊加的方法,并且可以通過對比激發(fā)源來獲取相位。它是分頻率點一個一個進行的。

最后所得到的譜數(shù)據(jù)為振幅和相位。若為多分量觀測,可以有電場X和Y方向的分量和磁場X、Y方向的分量等多分量場值數(shù)據(jù)。

4.1.3 時間域階躍信號的處理

對時間域信號,提取振幅是采用疊加、濾波、靜偏校正等方法。它是分波形一個一個進行的。

分析流程是：①信號回放;②發(fā)射端信息的提取;③疊前處理。

最后所得到的時間數(shù)據(jù)為衰減曲線。若為多分量觀測,可以有電場X和Y方向的分量和磁場X、Y方向的分量等多分量場值數(shù)據(jù)。

4.1.4 計算全區(qū)和全期視電阻率

4.1.4.1 頻率域視電阻率的定義和計算

1)水平電場

根據(jù)電磁理論,在均勻半無限空間,其場值已有解析表達式,可進行全頻率段視電阻率ρω(即響應函數(shù))的定義。

(1)

式中,

(2)

頻率域水平方向電場強度Ex(ω)為水平電場的全頻率段視電阻率響應函數(shù),V;ρω為全頻率段視電阻率,Ω·m;I為供電電流強度振幅,A;L為發(fā)射電偶極子AB長度,m;φ為發(fā)射電偶極子方向與電偶極子中心點與接收點聯(lián)線之夾角;r為收發(fā)距(偏移距),m;ω為角頻率,rad/s;μ為介質磁導率,H/m。

解的求取均采用二分法雙精度計算。

2)垂直磁場

根據(jù)電磁理論,在均勻半無限空間,其場值已有解析表達式,可進行全頻率段視電阻率ρω(即響應函數(shù))的定義。

(3)

式中,k由式(2)計算;頻率域垂直方向磁場強度Hz(ω)為垂直磁場的全頻率段視電阻率響應函數(shù),A/m。

Hz(ω)是單調(diào)的函數(shù),有確定的唯一解。解的求取采用二分法雙精度計算。

對比水平電場和垂直磁場的響應,可以看出：電場分量在低頻率段趨近于幾何測深值,特別是在收發(fā)距較小的情況下。但電場分量對高電阻率反映比磁場靈敏,而磁場分量對低電阻率的反映又比電場靈敏,所以聯(lián)合電磁場多分量對提高電性分辨能力是重要的。

4.1.4.2 時間域視電阻率的定義和計算

1)水平電場

根據(jù)電磁理論,在均勻半無限空間,其場值已有解析表達式,可進行全時間段視電阻率ρa(即響應函數(shù))的定義(假若在上階躍激發(fā)的情況下)。

(4)

式中,

(5)

時間域水平方向電場強度Ex(t)為水平電場的全時間段視電阻率響應函數(shù),V;ρa為全時間段視電阻率,Ω·m;t為時間,s;μ0為真空磁導率,為4π×10-7N/A。

解的求取均采用中值搜索逼近法雙精度計算。

2)垂直磁場

根據(jù)電磁理論,在均勻半無限空間,其場值已有解析表達式,可進行全頻率段視電阻率ρa(即響應函數(shù))的定義。

(6)

式中,x由式(5)計算;時間域垂直磁方向磁場強度ε(t)為垂直磁場的全頻率段視電阻率響應函數(shù),A/m。

ε(t)是雙值函數(shù),有兩個解。解的求取采用二分法雙精度計算。解出兩個解后要排除一個非正常解。

通常廣義的時頻電磁法有六套數(shù)據(jù)體(頻率域電場Ex分量視電阻率和相位、頻率域磁場Hz分量視電阻率和相位,時間域電場Ex分量視電阻率、時間域磁場ε分量視電阻率)。視電阻率被用于聯(lián)合反演出電阻率和深度,相位則用于提取極化率。本次工作主要使用視電阻率參數(shù)計算二維電阻率剖面,反應工作區(qū)電性結構特征,指示含水低阻破碎帶。

4.2 時頻電磁法二維反演

針對時頻電磁法的特點,研究合適的時頻電磁信號反演技術,結合其它資料對實際電磁數(shù)據(jù)進行計算分析,形成電阻率深度剖面。

時頻電磁法的二維反演中采用“降維逼近法”做二維精確反演。時頻電磁法的降維逼近法二維反演,是將每次二維反演迭代分解為一次二維正演和每個測點的精確一維反演兩個過程。這樣在算法過程中避免了偏導數(shù)矩陣求解和大型反演方程組求逆兩大難題,同時,每次迭代只需一次二維正演,從而加快了反演速度。

獲得工區(qū)視電阻率以后,對獲得的視電阻率進行反演。時間域和頻率域的視電阻率反演方法均采用降維逼近法(Dimension-Reduction Approaching Method,DRAM)。降維逼近法的反演原理是對初始模型進行2D/3D正演,結合實測的視電阻率獲取類一維視電阻率,再對類一維視電阻率作一維形式化反演,形成新的模型,繼續(xù)進行下一輪迭代。

所設計的“降維逼近法”二維反演的基本步驟如下：

1)第一步：沿剖面對各測點的實測視電阻率曲線ρa作“形式化一維反演”,組合成二維剖面,將其作為初始二維反演剖面;

2)第二步：對初始二維反演剖面作二維正演,得到各測點上正演擬合視電阻率ρaT;

3)第三步：比較各測點上實測視電阻率ρa和二維正演所得擬合視電阻率ρaT,根據(jù)其差異修正實測視電阻率,得到“類一維視電阻率”近似值ρa1d,表達式為

(7)

(8)

從式(8)的形式上看,“降維逼近”反演類似于采用CT成像中重構算法的最大熵方法。不同的是,這里所涉及的是對非線性問題的直接反演。

7)第七步：回到第四、五、六步進行循環(huán)迭代。直至一條測線所有測點的實測視電阻率和二維正演擬合視電阻率的總體均方根誤差小于預先指定的一個很小的數(shù)ε0。

(9)

式中,i=1,2…N;j=1,2…M;N是單個測點觀測周期點(或頻率點)數(shù);M是測線上的總測點數(shù)。

對實測數(shù)據(jù)的反演而言,判斷迭代是否收斂的唯一標志是看總體均方根誤差是否越來越小。迭代完成后,獲得二維反演的電阻率深度剖面,結合工作區(qū)地質資料,對電性剖面進行綜合解釋。

5 綜合解釋和鉆井驗證

圖3 TFEM-1線電阻率剖面及綜合地質解釋Fig.3 Resistivity profile and comprehensive geological interpretation of line TFEM-1

5.1 剖面綜合解釋

5.1.1 TFEM-1線時頻電磁法剖面綜合解釋

TFEM-1線時頻電磁法反演電阻率及綜合解釋見圖3,由電阻率等值線變化特征可以看出,縱向上具有明顯的分層特征,橫向上具有明顯的分帶特征。

縱向上,自上而下明顯分成四個電性層,具體如下：

1)第一電性層深度自地表至-400～-600 m左右,為相對低阻層,電阻率值相對較低,且分布較均勻,電阻率值在400 Ω·m以下,推斷為第四系(Q)～侏羅系(J)地層,巖性以砂質黏土、石英砂巖、粉砂質泥巖為主。該層厚度在400～600 m左右,總體地層連續(xù),變化不大。

2)第二電性層深度自上覆地層底部一直延伸至-1 000～-1 200 m左右,為相對高阻層,電阻率值在數(shù)百Ω·m左右,最高可達上千Ω·m。古生界寒武系()和新元古界震旦系(Z)的白云巖、灰?guī)r,地層電阻率值相對較大。受斷裂F7、F1影響,部分地層破碎含水,電阻率降低。

3)第三電性層深度自上覆地層底部一直延伸至-1 800～-2 800 m左右,為相對低阻層,電阻率值在數(shù)百Ω·m及以下。推斷為古生界寒武系()和新元古界震旦系(Z)的白云巖、灰?guī)r受斷裂F7、F1破碎引起,表現(xiàn)為低阻破碎帶,低阻層不連續(xù)。

4)第四電性層深度自上覆地層底部一直延伸至剖面底部,為相對高阻層,電阻率值在數(shù)千Ω·m電及以上。推斷為基巖基底。

橫向上,由北西向南東明顯分成3個電性變化帶,具體如下：

1)F1斷裂以北,-1 200 m以淺電阻率整體較高,推測高阻層為寒武系()～震旦系(Z)的白云巖、灰?guī)r;下部為相對低阻層,推測為寒武-震旦系地層受斷裂F1影響,地層較為破碎;深部高阻推斷為基巖。

2)F1斷裂以南,F7斷裂以北,淺部低阻層為第四系(Q)-侏羅系(J)地層;高阻層為寒武系()～震旦系(Z)的白云巖、灰?guī)r,深部相對低阻層推測為斷裂F1、F7造成的白云巖、灰?guī)r破碎;深部高阻推斷為基巖。

3)F7斷裂以南,淺部低阻層為第四系(Q)-侏羅系(J)地層;高阻層為寒武系()～震旦系(Z)的白云巖、灰?guī)r,深部相對低阻層推測為斷裂F1、F7造成的白云巖、灰?guī)r破碎;深部相對高阻推斷為基巖。

5.1.2 TFEM-2線時頻電磁法剖面綜合解釋

TFEM-2線時頻電磁法反演電阻率及綜合解釋見圖4,由電阻率等值線變化特征可以看出,縱向上具有明顯的分層特征,橫向上具有明顯的分帶特征。

縱向上,自上而下明顯分成四個電性層,具體如下：

1)第一電性層深度自地表至-400～-600 m左右,為相對低阻層,電阻率值相對較低,且分布較均勻,電阻率值在400 Ω·m以下,推斷為第四系(Q)-侏羅系(J)地層,巖性以砂質黏土、石英砂巖、粉砂質泥巖為主。該層厚度在400～600 m左右,總體地層連續(xù),變化不大。

2)第二電性層深度自上覆地層底部一直延伸至-1 000～-1 200 m左右為相對高阻層,電阻率值在數(shù)百Ω·m左右,最高可達上千Ω·m。古生界寒武系()和新元古界震旦系(Z)的白云巖、灰?guī)r,地層電阻率值相對較大。受斷裂F7、F1影響,部分地層破碎含水,電阻率降低。

3)第三電性層深度自上覆地層底部一直延伸至-1 800～-2 800 m左右為相對低阻層,電阻率值在數(shù)百Ω·m及以下。推斷為古生界寒武系()和新元古界震旦系(Z)的白云巖、灰?guī)r受斷裂F7、F1破碎引起,表現(xiàn)為低阻破碎帶,低阻層不連續(xù)。

4)第四電性層深度自上覆地層底部一直延伸至剖面底部,為相對高阻層,電阻率值在數(shù)千Ω·m及以上。推斷為基巖基底。

橫向上,由北西向南東明顯分成3個電性變化帶,具體如下：

1)F7斷裂南西,淺部低阻層為第四系(Q)～侏羅系(J)地層;相對高阻層為寒武～震旦系的白云巖、灰?guī)r,深部受九頭山斷裂及F7斷裂影響,-1 400～-2 800 m出現(xiàn)明顯的低阻破碎帶;深部高阻推斷為基巖。

2)F7斷裂北東,F1斷裂南西,淺部低阻層為第四系(Q)～侏羅系(J)地層;相對高阻層為寒武～震旦系的白云巖、灰?guī)r,因受斷裂F7及斷裂F1影響,巖層相對破碎,電阻率降低;深部高阻推斷為基巖。

3)F1斷裂北東,整體電阻率較高,主要為寒武～震旦系的白云巖、灰?guī)r,受斷裂F1影響,電性差異變小,地層結構相對完整。

圖4 TFEM-2線電阻率剖面及綜合地質解釋Fig.4 Resistivity profile and comprehensive geological interpretation map of line TFEM-2

5.1.3 綜合推斷解釋

TFEM-1線時頻電磁法剖面與TFEM-2線時頻電磁法剖面大角度斜交,通過二維電阻率反演結果對比,說明深部-1 400～-2 600 m之間存在明顯的低阻帶,低阻帶不連續(xù)。推斷的斷裂在時頻電磁法電阻率反演剖面上均有明顯的反映,尤其是F7斷裂,綜合分析推斷該斷裂走向北西,傾向南西,傾角約70°,為埋藏較深的隱伏斷裂,推測該斷裂為較好的深部地熱的導熱構造。

綜合兩條時頻電磁法電阻率剖面綜合地質解釋結果,推斷了1 400～1 600 m埋深的斷裂破碎帶含水可能性較大,因此在推斷F7斷裂位置設計驗證鉆孔JNH-1井。

5.2 鉆井驗證結果

F7斷裂在時頻電磁法二維反演電阻率剖面上有明顯的反映,根據(jù)物探結果布設鉆孔JNH-1井進行了驗證。鉆遇各地層深度與設計鉆井預測結果基本一致,鉆孔柱狀圖見圖5。

推測地層與實際鉆探基本吻合,在1 600 m鉆遇斷裂,終孔深度2 800 m,經(jīng)后期抽水試驗確定,日出水量大于500 m3,鉆井井口水溫51 ℃。鉆孔結果表明：時頻電磁法在金牛湖地區(qū)深部地熱勘查中的效果較好,該方法在強磁干擾、低阻厚覆蓋的火成巖地區(qū)可以獲得較好的深部地熱勘查效果。

圖5 鉆孔柱狀圖Fig.5 Drill hole column diagram

6 結論

1)采用時頻電磁法對工作區(qū)的地層展布和斷裂構造進行控制,在低阻厚覆蓋層的火山巖地區(qū)進行深部地熱資源勘查,推斷目標地熱儲層的斷裂破碎特征可靠,可以為最終地熱鉆孔選擇提供比較可靠的地球物理數(shù)據(jù)支撐。

2)碳酸鹽巖型地熱資源分布廣泛,難點在于精確圈定中深部火山巖范圍。時頻電磁法基于電阻率空間變化特征,結合地層與火山巖不同物性特征,有效刻畫了中深部火山巖分布范圍,為中深部地熱靶區(qū)的優(yōu)選提供了依據(jù)。

3)結合時頻電磁法電阻率成果與工作區(qū)地熱地質條件綜合分析研究,選擇火山巖地區(qū)張性斷層及深部低阻破碎帶作為有利區(qū)布設地熱鉆井,并根據(jù)鉆遇地熱儲層深度、范圍對地熱資源進行預測,提高了深部地熱資源勘查的成功率。

4)火成巖地區(qū)地熱地質條件較為復雜,并且地熱資源埋藏深度較大,一般的地球物理方法難以達到有效探測深度及空間定位要求。而時頻電磁法采集數(shù)據(jù)的信噪比較高,縱橫向分辨率較高,尤其對低阻異常反應較好,且勘探深度大于4 km,可以推廣應用到深部地熱資源勘查。