可控源音频大地电磁测深法在地热勘探中的应用.docx

可控源音频大地电磁测深法在地热勘探中的应用柳建新，麻昌英，孙丽影，曹创华（中南大学 有色金属成矿预测教育部重点实验室 ，湖 南 长沙 ；中南大学 地球科学与信息物理学院 ，湖 南 长沙 ；浙江省工程物探勘察院 ，浙 江 杭州 ）摘要：地热作为一种新型的可再生绿色清洁能源 ，越来越受到广泛的重视 。 介绍了可控源音频大地电磁 测深法（）的 工作原理 ，其因采用人工场源的方法而具有抗干扰能力强 、分辨率较高等特点 ，相 对于利用天然场源的方法更适合于受干扰的区域工作。本文以该方法在湖南某地地热勘探中的应用为例 ，研 究可控 源音频大地电磁测深法在地热勘探中的应用效果。介绍了测区基本的地球物理及地质构造背景 ，采 用 型多功能电法探测系统进行数据采集 ，对 数据的可靠性进行了分析 ，分别对四条测线结果做了解释和推 断 ，分析地下水有利聚集空间及圈定有利储热部位 ，效 果显著 ，为进一步开发利用地热资源提供帮助 。关键词：；地 热 ；地 下水勘探中图分类号：文献标识码：收稿日期：，（ ， ，； ， ，；，）：， ， （） ， ， ，基金项目 ：国家自然科学基金项目（）、国 家自然科学基金项目 （）、有色资源与地质灾害探查湖南省重点实验项目 （）联 合资助。作者简介 ：柳 建新（），男 ，湖 南岳阳人 ，博 士 ，教 授 ，主要从事电磁法勘探理论与应用研究工作 。：工程地球物理学报 （）第 卷 ， ：；抗干扰能力强和精度高等特点 ，能适应在受人文 干扰较大的城市周边展开勘探工作。本文作者将 根据实例，分析 可控源音频大地电磁测深法在地 热勘探应用中的效果。引言可控源音频电磁测深法 （）是 在大地电 磁 测 深 法 （）和 音 频 大 地 电 磁 测 深 法（）的基 础上发展起来的一 种 人 工 源 频 率 域 测深法，最 早 由 加 拿 大 多 伦 多 大 学 的 教授和他的学生 于 年提出，它利 用 地面 偶极子或水平线圈 作为人工信号源产生可控的电磁信号 ，通 过接收 不同 频 率 的 电 磁 信 号 达 到 测 深 的 目 的。 目 前， 在广泛应用于地质调查 、工 程勘探、石 油 和金属矿产勘查、水文地质调查等领域。地热作为一种清洁能源 ，对 其合理开 发 利 用 对我国的经济发展将起到促进作用，为 节约 资源和减少二氧化碳排放及环境污染等具有积极 意义。根据地热资源的存在形式可分为水热型与 热干岩型，。近年 来，地热的 开发利用已经逐 渐得到广泛的重视。 我国的地热资源分布广泛， 在城市周边，人们对于温泉的需求日益膨胀 ，很多 城市都在城市的边缘寻找地热资源 ，利 用地下热 水建设温泉，满足人们的需要 。 地热资源多表现 为地下热水，因 此地热勘探集中于地下热水的勘 探，地下水之源多与断裂构造联系在一起 ，物探方 法就是勘探断裂构造以圈定形成地下热水有利的 位置，达到勘探地热的目的 。 可控源音频大地电 磁测深法利用人为控制的发射源作为场源 ，具 有 工作原理在 方法勘探中，往 往研究的是均匀 半空间点电源或磁偶极子在地面上产生的场 ，这 是因为构造电磁法勘探是在地面上进行观测的。 由场论可知，偶 极天线产生的电磁波实际上是向 四面八方辐射的，就波的传播途径可分为天波 、地面波（ 波）和 地层波 （ 波），如 图 所 示。 由 于地面波和地层波的波程差别 ，因此沿地表传播的 地面波和直接在地中传播的地层波在某一时刻 时，会在地面附近形成近于水平的波阵面 ，造成一个几乎垂直向下传播的波 ，即近似的水平极化平 面波（ 波），如图（）所示。 波、 波和 波在传播过程中均与地下地质体发生作用 ，并 把作用结果反映到地面观测点。根据交流 电 磁 场 在 介 质 中 的传播的趋肤效 应，频率不同其穿透深度不同 ，频率高时电磁场分 布于浅层，频率低时电磁场分布在较深范围内 ，所 以改变发射频率，可以研究地下不同深度的 地质情况。在电磁理论中，把 电磁场 （、 ）在 大地中 传播时，其振幅 衰减到 初 始 值 倍 时 的 深 度 定 义为穿透深度或趋肤深度 ，其计算公式为：图电磁波的传播途径 （），；（）第 期柳建新等：可控源音频大地电磁测深法在地热勘探中的应用 花岗岩为主要基底地层 ，电阻率可达数千至 上万欧姆米以上，呈 高阻特征。 地表第四系含水沉积 物电阻率较低，一 般在 左右，在 电 磁法勘探中可能形成显著的升高电磁场。测区内 断裂是赋存温水的主要空间 ，加之地表水渗流，呈 现中低阻特征。测区以单一花岗岩为主要基底地 层，因而围岩与断裂之间物性差相对显著 ，有利于 测区内对断裂的勘探 ，从 而为圈定地下水有利储 藏位置提供依据。测区内构造主要为华夏系构造的主要压性断 裂 及向斜构造，西 翼部存在次级断裂 ，形 成 的状旋钮构造，周边地壳升降运动、断裂构造活 动频繁。测区内及周边的主要构造形迹为北东向 褶皱及断裂等压性结构面。 测区地质特征如图 所示。）压性断裂 出露于测区 中 部 的 次 级 压 性 断 裂 是 工 作 区内的主要构造单元。 走向为北北东方向 ，倾 向 为北西向，倾角 约 ，长 约 。 断裂切割加 里东期侵入的彭公庙花岗岩体 ，在侵入岩体内形 成 一条北北东向的热储带 ，断 裂上盘附近区域为（）槡 式中 为趋肤深度； 为频率，单 位 ； 为电阻率，单 位 ； 为 介 质 磁 导 率。 由 （）式 可知，趋 肤 深 度将 随 电 阻率 和 频率变化而变化。一般来说，在频 率域电磁法中频率较高的数据反 映浅部的电性信息，频率较低的数据反映较深的 电性信息。因此，在一个宽频带 上观测电场和磁 场信息，并由此计算出视电阻率和相位 ，可推断地 下介质的电性分布特征 ，从而研 究研究地下介质 的地质构造情况，这 就是 方法的基本原理。 法勘探中，可根据具体情况选择 电磁 场的频率，在野外能 实时获得的 、 及它们的 相位、，并进行 一维反演和二维电阻率成 象，在室内数据处理后可获得二维正、反演结果。测区地球物理特征及地质构造背景测区位于湖南某市郊区 ，测 区内已有数处温 泉被开发利用（图）。测区地表 以上以图 工区平面地质特征与 测线布置 工程地球物理学报 （）第 卷地热勘探的重点区域。）次级断裂 次级断裂 走向为北北西向，倾 向北东向， 倾角约，长约，断裂切割地层主要为加里 东期侵入的彭公庙花岗岩体。与测作区的主要 构造 在深部相交，形 成地下热水的导水通道，经 过断裂 汇聚的地下水沿 裂隙面流出，在地面 形成天然温泉（见图中 断裂上的温泉）。区的发射源位置，使得在满足勘探要求的情况下 ，尽量供大电流，提高信号信噪比等，为野外数据质 量做好 前 提。 布 极 方 式 为 赤 道 偶 极 装 置 ，采 用 方法的标量测量方式 ，测 量电场分量 的电极 水 平，平 行 于 供 电 极 ，水 平 磁 场 垂直于场 源 布 设。 和 间 的 距 离 （收 发距）为最小；磁棒 与前置放大器距离大于，为了 消除人文因素干扰两个磁 棒 要 埋 在 地 下，保证其平稳；使用罗盘仪定向使 、 两磁 棒相互垂直 且 水 平 ，误 差 控 制 在 以 内；所 有 的工作人员距离磁棒至少 ，尽量选择远离房屋 、 电缆、大 树的地方布置磁棒；施 工当中采用 陷波，布置测线和实际测量时尽量远离干扰源 。在测区做了一定量的质量数据检查 ，在 检 查 点不同时间使用同样参数进行 次重复观测，比 较所得数据的一致性 ，以 分析数据的可靠性。 表 是 测 区 某 检 查 点次 实 测 试 验所得数据的对 保证数据质量措施及数据可靠性分析野外数 据 采 集 使 用 型 多 功 能 电 法探测 系 统 进 行 探 测。 属 美 国 工 程公司的第四代可控源和天然场源电法和电磁法 探测多通道接收机。 在工区进行电场源 、发 射点 及收发距的选择，野外实验选取 最合适的本勘查 表野外某检查点实测数据对比频率原测（卡尼亚视电阻率）复测（卡尼亚视电阻率）差值均方误 差 第 期柳建新等：可控源音频大地电磁测深法在地热勘探中的应用 比。从表 看，均方根误差控制在 以 下，表明数据质量控制较好 ，满足设计及规范要求 。示。线的反演结果及地质解释图如图 所示， 是测区温泉勘探重点区域布置的一条最长剖面， 长。从二维电阻率反演结果 ，明显存在低阻 带，尤其整体 上 可 以认为此条剖 面 为 型 地 层， 浅部低阻带为人文生活及降水等沉积渗透造成， 底部为花岗岩 岩 体，受 断 层 、 的 控 制 使 得 深 部存 在 了 两 个 相 对 封 闭 的 中 低 阻 空 间 异 常 带 ， 倾角较大约为，倾角大致为，两者在深 部交汇处对应中低阻区间为有利储热部位（图）。 资料分析与解释测区内东西向布置 条相互平行的 剖面 、，均近于垂直断裂构造布设 ，测区 岩体单一，深部 基岩和围岩基本上为呈高阻特征 的花岗岩（图）。经过对 视电阻率和频率二维反 演，各线 的二维反演结果及解译如图 图 所图 线 法 反演电阻率及地质解释断面图 线 法 反演电阻率及地质解释断面工程地球物理学报 （）第 卷图 线 法 反演电阻率及地质解释断面 在该测线 号 点 北 边 约 有 多 处 已开发的温泉，根据图圈定的断裂交汇位置（即有 利储热部位） 坐标 上 与 已 有 温 泉 位 置 （图 ）能 很好对应上，这为在 和 线上圈定有利储热部位提供了一定的依据。图为 线 法 反 演 电 阻 率 及 地质解释断面图，图（）为电阻率反演结 果 ，图 （）为物探推 断地质解释图。 根据电阻率等值线 分布情况，整条剖面浅部呈中低阻特征 ， 号点间中低阻特征向下延伸较大 ，推 断为风化第 四系覆盖物及风化花岗岩组成 ，地表风化剥蚀含 水量较高，基 本上电阻率在 以下。 依 据电阻率等值线分布特征及地质资料 ，推 测地表 号 点 附 近 为 主 断 裂 位 置，下 俯 延 伸 约， 倾角变约左 右；推 测地表 号点附 近为次级断裂 位置，倾角变约左右，在 深部与 交汇。在号点附近 海拔约 处 的电阻率等值线密集，并向下突出，其下方为高阻 特征，具有主 断 裂 与 次 级 断 裂 交 合 与 尖 灭位置的特征，在相应位置被圈定为有利储热部位 ，如图所示。图为 线 法 反 演 电 阻 率 及 地质解释断面图，图（）为反演电阻率断 面，图 （）为物探推 断地质解释图。 从二维电阻率反演 结果 分 析，高 低 阻 分 界 线 明 显 ，整 条 剖 面 在 海 拔 以上出现了电 阻 率横向低阻 分层的特 征， 即地表呈低阻特征，系地 表第四系或者花岗岩风 化产生的地表沉积层填充较为充足的水分所致。 海拔 到 之 间 对 应 测 点 号 地 表 点之间 存 在 低 阻 相 对 封 闭 圈 ，且 其 顶 部 有 等值线密集及向上的通道的迹象，推 断 号测点 附近为测区主断裂 位置，倾角推断约。 推断 号 测点附近为测 区 次 级断 裂 位 置，此 断裂深部一直朝主断裂 延伸，直 至交汇于深部 低阻异常部位，倾角约。两条断裂 两边推 断为花岗岩岩体，由于花岗岩体在较早时期 的地 质运动中产生错位 ，为深部储水制造了空间 ，断裂 一直延伸到 海拔深度左右变为尖灭 ，推 断这第 期柳建新等：可控源音频大地电磁测深法在地热勘探中的应用 里为有利储热部位 （图 ）。 在海拔 以 下 至 明显的呈高阻形式存在，推断为花岗岩岩体。 综合三条剖面电阻率反演结果与地质解释分析，测区内 主 要 存 在 两 条 断 裂 构 造 （ 和 ），它 们反向倾斜，在深部 相交。 线、 线和 线 在两断裂相交 处 表 现 为 中 低 阻 异 常 ，其 中 线 和 线上相交部位深度较 线深，推断三维空 间上两条断裂深部相交处的深度在测区内为中间 浅两边深，因此推断 线和 线剖面上的深部 低阻异常区较 线为更有利的储热部位 。大学出版社 ， 许广春 法在实际应用中的若干问题 物 探与化探 ，（）： 文孝贵 可 控源音频大地电磁法勘探在西石门铁矿 的应用金 属矿山 ，（）： 高岩峻 ，董 亮 ，高 建 华 ，等 可控源音频大地电磁法及 在地质勘探中的应用 人 民 长 江 ，（）： ， ， 可 控源音频大地电磁法探测地 下 水 国 外 地 质勘探技术 ，（）： 韩浩亮 ，高 永涛 ，胡 乃 联 ，等 可控源音频大地电磁法 在金属矿山采空区探测中的应用研究 矿 业 研 究 与开发 ，（）： 张作伦 ，曾 庆 栋 ，刘 建 明 ，等 在 深 部 成矿预测中的应用地 质与勘探 ，（）： 龚强 ，詹 应 林 ，李 升 福 ，等 在 复 杂 地 质 结 构 勘探中的应用 工程地球物理学报 ，（）： 刘振华 ，李 世 峰 ，杨 特 波 ，等 综 合 物 探 技 术 在 邯 郸 地热田勘查中的应 用 工程地球物理学报 ， （）： 曾昭发，陈雄，李静，等地热地球物理勘探新进展 地球物理学进展 ，（）： 柳建新 ，郭 振威 ，郭 荣文 ，等 和重力方法在狮子湖温泉深部地球物理勘查中的应用 地 球 物 理学进展 ，（）： 王宇林 ，杨 春 ，李 宪杰 赤 峰 南 部 朝阳地区地热田 成因及地质模式黑龙江科技学院学报 ，（）：结语可控源音频大地电磁测深法理论基 础 完 善，