孫振添, 石涵靜

(北京市地熱研究院,北京 100143)

CSAMT方法在北京西集地區(qū)地熱資源勘查中的適用性探討

孫振添, 石涵靜

(北京市地熱研究院,北京 100143)

簡要介紹了CSAMT方法在北京市西集地區(qū)地熱資源勘查中的應用，并對其結(jié)果進行分析。結(jié)果顯示，CSAMT方法推斷的夏墊斷裂位置與前人資料所提供的位置向東偏移了約800 m，且推斷的地層情況與實鉆結(jié)果相差較大。鑒于以上原因，對CSAMT方法在該地區(qū)地熱資源勘查中的適用性進行了探討，初步認為可能是由于該地區(qū)內(nèi)第三系地層較厚，且電阻率較低等原因，使得CSAMT測量過程中電流無法穿透該地層，進而造成對地層和斷裂的劃分出現(xiàn)較大的差異。同時，建議在該地區(qū)開展MT 或AMT方法的試驗，以達到綜合分析該地區(qū)周邊地質(zhì)構(gòu)造的目的。

CSAMT方法； 地熱資源勘查； 夏墊斷裂； 適用性

0 前言

北京地下蘊藏有豐富的地熱資源，地熱勘探已有幾十年的歷史[1]。截止目前，利用CSAMT法及其他常規(guī)的物探手段，在北京地區(qū)已經(jīng)成功地為多個地熱田的開發(fā)進行了前期論證工作[2]，并取得了較好的效果。但是隨著地熱資源開發(fā)的深度越來越大，深部地熱資源的開發(fā)成為了北京地熱資源勘探開發(fā)利用的主流方向[3-4]。從北京市地下熱水資源來看，一般都埋藏在2 000 m以下薊縣系霧迷山組地層中[5]，針對這種深層地下熱水探測，找尋一種深層地球物理勘測方法已成為人們研究的熱點。

CSAMT 方法是一種利用人工場源進行頻率域深部勘探的地球物理方法，具有工作效率高，探測深度大，抗干擾性能強等特點[6-7]，是強干擾區(qū)深層地熱探查的首選方法。筆者依托北京市西集地區(qū)地熱勘查示范工程項目，通過地熱前期CSAMT勘查工作，推斷了勘查區(qū)內(nèi)基巖基底起伏及斷裂構(gòu)造的空間展布情況，并在此基礎(chǔ)上確定了相應的勘探井位。但對比前人資料發(fā)現(xiàn)，本次CSAMT方法推斷的夏墊斷裂[8]位置與前人結(jié)果相距較遠，且在鉆探過程中實際鉆遇的地層與CSAMT方法推斷的地層埋深相差較大。

據(jù)此，筆者對CSAMT方法在該地區(qū)地熱資源勘查中的適用性進行了探討，并給出了相應解釋及建議。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

勘查區(qū)大地構(gòu)造位置處于華北斷拗(Ⅱ級構(gòu)造單元)內(nèi)冀中坳陷內(nèi)的大廠新斷陷(Ⅲ級構(gòu)造單元)和大興迭隆起(Ⅲ級構(gòu)造單元)兩個構(gòu)造單元交匯處的中部[9](圖1)，其所處Ⅳ級構(gòu)造單元為覓子店新凹陷和牛堡屯-大孫各莊迭凹陷。

圖1 構(gòu)造示意圖Fig.1 Structure schematic diagram

勘查區(qū)內(nèi)主要斷裂構(gòu)造為北東向的夏墊斷裂，該斷裂走向NNE，傾向ES，傾角大于65°，是控制區(qū)內(nèi)地層分布的斷裂。多種資料顯示，該斷裂至今仍為活動性大斷裂，是區(qū)域內(nèi)主要的導熱、導水通道，故查明該斷裂發(fā)育特征顯得尤為重要。

區(qū)內(nèi)沉積地層由新到老發(fā)育了第四系、新近系、古近系、寒武-奧陶系、青白口系和薊縣系。由于夏墊斷裂的存在，導致其兩側(cè)的地層分布差異較大，使得區(qū)內(nèi)斷裂帶兩側(cè)地熱資源儲蓋層組合差異大。斷裂北西盤地層分布有第四系，古近系底板埋深約700 m左右，古近系之下分別有寒武系、青白口系和薊縣系。斷裂南東盤地層下沉，古近系厚度大，古近系底板埋深超過2 500 m，最深達4 000 m，古近系之下鉆孔能夠揭示的地層為寒武系，按正常沉積層序考慮下部有青白口系、薊縣系等。

本次工作的主要目的：①探測地熱儲層，即薊縣系霧迷山組白云巖地層的埋深；②探尋夏墊斷裂的具體位置。

2 地球物理特征

根據(jù)北京市地質(zhì)礦產(chǎn)局物探隊上世紀80-90年代在北京市平原區(qū)南部開展的區(qū)域物探工作成果，查明勘查區(qū)各巖層的電阻率有所差異，結(jié)果見表1。第四系表層松散沉積物平均電阻率為一般小于100 Ω·m；新近系和古近系的泥巖、粉砂巖和礫巖層電阻率一般為9.1 Ω·m～13.9 Ω·m；下古生界奧陶系灰?guī)r的電阻率較高，一般為800 Ω·m ～1 500 Ω·m；寒武系地層的電阻率為254 Ω·m～608 Ω·m；上元古界青白口系地層中的砂頁巖夾碳酸鹽巖的電阻率一般為136 Ω·m～248 Ω·m；中元古界薊縣系地層中的碳酸鹽巖夾頁巖電阻率一般為540 Ω·m～1 000 Ω·m；長城系的白云巖、泥灰?guī)r和頁巖等的電阻率也在600 Ω·m以上?？梢钥闯?，不同巖層的電阻率差異明顯，可分為高阻、中阻、低阻三種類型。高阻地層有奧陶系、薊縣系、長城系、太古界片麻巖及侵入巖等；中阻地層有寒武系和青白口系；低阻地層有第四系、新近系、古近系。

綜合以上物性特征，可以看出：

1)第四系、新近系、古近系與高、中阻基巖之間有明顯的電性差異，另外，本區(qū)不存在低阻基巖，這是探測基巖埋深的有利條件。

2)針對基巖電阻率，高、中、低阻間各地層一般均有一定的電性差異，這是劃分不同地層的有利條件，但高、中、低各組內(nèi)地層因電性差異不明顯，從而在電性上不易區(qū)分。需要結(jié)合波速數(shù)據(jù)或其它物探資料界定?？傊辈閰^(qū)具備了開展可控源音頻大地電磁測深的地球物理前提條件。

表1 北京地區(qū)巖石物性特征

3 數(shù)據(jù)采集及反演解釋

3.1 工作布置及數(shù)據(jù)采集

野外數(shù)據(jù)采集按圖2所示測線位置進行，由于部分地段因?qū)嶋H地形、地理條件的限制無法通過，根據(jù)勘查目的的要求，在合理范圍內(nèi)進行了調(diào)整。

本次工作使用美國ZONGE公司生產(chǎn)的GDP-32Ⅱ多功能電法儀進行標量測量。工作中用了4處場源，供電電極距AB約為1 km，方位角分別為134°及129°，收發(fā)距r為7 500 m～8 000 m，測量點距為50 m，數(shù)據(jù)采集頻點范圍為0.125 Hz～8 192 Hz，有效探測深度約為3 000 m。

圖2 CSAMT工作布置圖Fig.2 Layout of CSAMT work

3.2 數(shù)據(jù)處理及反演方法

有鐵路、公路和高壓輸電線經(jīng)過，干擾較為嚴重。通過數(shù)據(jù)處理剔除壓制或校正CSAMT數(shù)據(jù)中的各種噪聲的影響，處理方法包括：數(shù)據(jù)編輯、靜位移校正、地形校正及過渡區(qū)校正等。

預處理后的數(shù)據(jù)結(jié)合收集到的本區(qū)地質(zhì)等資料，對卡尼亞電阻率和阻抗相位異常的性質(zhì)、規(guī)模及起因進行定性分析判定[10-12]。再通過建立反演初始模型運用一維、二維反演的方法求取電性體的物性參數(shù)和幾何參數(shù)(埋深、形態(tài)及產(chǎn)狀)。結(jié)合本區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，將電測解釋成果轉(zhuǎn)變成推斷的地質(zhì)目標體，最終確定地質(zhì)目標體的性質(zhì)、形態(tài)及產(chǎn)狀等。

3.3 反演結(jié)果及推斷解釋

由圖3可以看出，縱向上，反演電阻率曲線總體呈HA型分布。淺部400 m～500 m厚度以內(nèi)，電阻率等值線存在多處低阻圈閉，局部存在高阻圈閉，是地層巖性不均一的表現(xiàn)，推斷為第四系。第四系之下視電阻率值略低，縱向梯度變小，應是新近系、古近系的反映。新近系、古近系之下存在厚度800 m～900 m左右的中低阻層，視電阻率縱向梯度變化更小，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷是奧陶系、寒武系地層，其中較低的電阻率可能是與巖溶破碎、富水有關(guān)。奧陶系、寒武系之下視電阻率值逐漸升高，但垂向分層界面不明顯，依據(jù)該地區(qū)正常地層層序及通熱-18井[13]地層資料，推斷為青白口系，并依此推斷薊縣系頂板埋深在1 600 m～2 600 m之間。橫向上看，淺部在246號點，深部在270號點區(qū)間，視電阻率等值線出現(xiàn)較大扭曲，水平方向梯度較大，說明其兩側(cè)地層不同，推斷為夏墊斷裂，與前人資料相比，本次推斷的位置向東移動了800 m。

圖4與圖3相似，在縱向上，均反映出了第四系、新近系、古近系、奧陶-寒武系、青白口系和薊縣系地層。橫向上，淺部在322號點，深部在346號點區(qū)間，視電阻率等值線陡降，橫向變化較大，在剖面右部中低阻層厚度加大，其形態(tài)特征與K1剖面246號～270號點區(qū)間相似，同樣為夏墊斷裂的反映。

綜合分析本次CSAMT測深成果，勘查區(qū)地層自上而下發(fā)育有第四系、新近系、古近系、奧陶系、寒武系、青白口系和薊縣系，其中第四系厚度范圍在400 m～500 m之間，新近系、古近系厚度范圍在200 m～1 200 m，奧陶系-寒武系厚度范圍在800 m～900 m，青白口系厚度范圍在200 m～300m之間，薊縣系3 500 m深度以內(nèi)厚度范圍在900 m～1 800 m之間。

勘查區(qū)主要控熱構(gòu)造為夏墊斷裂，CSAMT測深成果顯示，斷裂穿過K1剖面的246號點和K2剖面的322號點，相比以往1∶10 000比例尺的基巖地質(zhì)圖[14]和1∶10 000比例尺的區(qū)域重力資料[15]，本次推斷斷裂向東移位150 m～800 m。斷裂走向近北東，傾向南東，以薊縣系頂板埋深推測，斷裂斷距約1 000 m。。

此外，在K1、K2剖面的右側(cè)，深部等值線均顯示自左至右的抬起，顯示了深部基巖地層埋深的逐漸變淺，這與前人重力資料的負異常[15]相反，究其原因，值得我們深思。

4 實鉆結(jié)果對比分析

結(jié)合本次CSAMT勘查成果，在夏墊斷裂的下降盤，即通熱-18井[13]東南約972 m處(可控源K2線402號點)確定了一眼地熱井，并參考鄰近已知井的地層界定數(shù)據(jù)，為該井設(shè)計了井孔結(jié)構(gòu)圖(圖5)。該井設(shè)計深度3 500 m，設(shè)計出水量為600 m3/d ～800 m3/d，出水溫度為60℃。其中，第四系厚度為400 m，新近系、古近系厚度為1 050 m，奧陶系厚約400 m，寒武系厚度約450 m，青白口系厚約250 m，薊縣系在3 500 m以內(nèi)未穿透。

在實鉆過程中，該井實鉆井深為3 588.88 m，第四系厚度為420 m，第三系底板埋深為2 817 m，寒武系厚度為363 m，薊縣系霧迷山組408 m未揭穿。據(jù)此可知，該井實鉆地層與設(shè)計地層差異較大，尤其是基巖頂面埋深，與設(shè)計地層相差1 367 m，誤差達94%。結(jié)合后期收集到的地震資料[16]，推斷在通熱-18井[13]與擬鉆井之間存在一個斷距較大的斷裂，但在CSAMT結(jié)果中并沒有顯示出該斷裂的存在。

針對CSAMT方法在該地區(qū)失效的原因進行了分析，我們認為主要可能是由于該地區(qū)第三系地層較厚，且地層內(nèi)泥巖、砂巖、粉砂巖和礫巖等電阻率較低，使得CSAMT測量過程中電流無法穿透該地層，進而造成對地層和斷裂的劃分出現(xiàn)較大的差異。

5 結(jié)論

工作區(qū)新生界地層較厚，對電法信號衰減作用明顯，CSAMT法探測深度受到一定限制，垂向分層不明顯，考慮到項目探測深度及準確性的要求，在后續(xù)工作中可以嘗試用AMT或MT方法開展工作，但野外施工過程中應注意周圍人工電磁場及周邊環(huán)境的影響，保證測量的一致性和穩(wěn)定性。

圖5 擬鉆井井孔結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure map of proposed drilling hole

同時，建議進一步收集該區(qū)的地震資料，如果條件允許的情況下，可考慮使用人工地震方法，以達到綜合分析該地區(qū)周邊地質(zhì)構(gòu)造的目的。

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第39卷 第2期2017年3月物探化探計算技術(shù)COMPUTING TECHNIQUES FOR GEOPHYSICAL AND GEOCHEMICAL EXPLORATIONVol.39 No.2Mar. 2017

Discussion on applicability of the CSAMT method in the exploration of geothermal resources in Xiji area in Beijing

SUN Zhentian, SHI Hanjing

(Beijing Geotherm Research Institute,Beijing 100143， China)

This paper briefly introduced the application of CSAMT method in the exploration of geothermal resources in Xiji area in Beijing, and analyzed the results. The results show that the position of Xiadian Fault which inferred by CSAMT method is diverged 800 meters from the previous data, and the inferred stratum have a large difference with the real drilling result. In view of these reasons, this paper discussed the applicability of the CSAMT method in the exploration of geothermal resources in this area, and preliminary thought it may be due to the thick tertiary stratum, where exist a large number of low resistivity rocks. This caused the electric current not to penetrate this stratum, and then caused big deviation of stratum and fault in the process of inferences.

CSAMT method; geothermal resources exploration; Xiadian fault; applicability

2016-03-03 改回日期：2016-03-23

孫振添(1988-),男，碩士，工程師，主要從事水文地熱及地球物理勘探研究工作， E-mail：szt06106116@126.com。

1001-1749(2017)02-0195-09

P 631.3

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.02.07