CSAMT和APS方法技术在河北涞源县城区地热勘查中的应用.docx
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CSAMT和APS方法技术在河北涞源县城区地热勘查中的应用
CSAMT和APS方法技术在河北涞源县城区地热勘查中的应用
雷振英雷达
（美达地球物理新技术有限公司；中国地质科学院物化探研究所）
一、前言
为开发河北省涞源县的地热资源，受北京地热工程院的委托，利用可控源音频大地电磁测深法（CSAMT）和阵列岩性电磁频谱测深法（APS），对河北省涞源县城区办事处联合关村工区进行了勘查探测工作。
工作目的是查明工区地下地层岩性及其厚度分布情况；探测附近断裂构造的准确位置和深部赋水状况；并确定热储地层的埋深。
根据工作任务要求，在开展了CSAMT野外探测以后，根据CSAMT初步推断出的F1、F2和F3断层及其位置和初步推断的A1、A2、A3和A4低阻异常的位置，为了进一步佐证F1、F2和F3断层及其位置和特征；重点查明CSAMT初步推断的A1、A2、A3和A4低阻异常的位置和埋深，特别是查明2000米至5000米深度内的低阻体异常，布置了阵列岩性频谱测深工作。
二、区域地质构造背景
工区位于河北省涞源县城区东面联合关村。
涞源盆地处在燕辽沉降带的西边缘，处于地质上燕山运动后期东西向构造体系中的燕山隆起带和近南北向的新华夏构造体系中的太行山隆起带的交汇处。
地质构造、地层分布和岩浆活动、尤其是新构造运动比较复杂。
燕山运动时期，岩浆侵入活动对上覆地层的顶托力量非常之巨大，可以顶起大山，可以掀斜巨厚地层，可以把上覆地层顶碎。
上面说的两次海浸沉积的厚达3500米的坚硬沉积岩，就被这次侵入活动抬高、掀斜，甚至被拱的支离破碎。
岩浆侵入形成的花岗岩在涞源有多处，但有两个面积较大，一个是司各庄岩体，面积200多平方公里，一个是王安镇岩体，面积466平方公里。
受岩浆侵入活动的挤压，形成了褶皱和一些与褶皱轴相平行的压扭性断裂，工区东北28公里处有北李庄大断裂、上黄旗—乌龙沟深断裂和军都山岩浆岩带。
涞源县分布有三大岩类，且都具有一定规模。
太古界的片麻岩分布在县城西南部，约占全县面积的25%；岩浆岩呈长条状分布于县域的东部及东南部，面积也占全县面积的25%；沉积岩主要分布在县域的中部和北部，面积约占全县面积的40%，工区附近见到燧石条带白云岩，其余的10%是盆地及沟谷中的第四纪地层和零星分布的火山喷发岩。
三、工作物性前提
通过收集到工区地质资料，对工区物性条件做以下估计：
第四系：
以砂质粘土、砂砾岩为主，低阻，电阻率为10～50欧姆·米
蓟县系：
一般以巨厚碳酸岩沉积为主，为燧石条带白云岩，电阻率为330～550欧姆·米，呈中高阻。
长城系:
以灰岩为主，电阻率为90～300欧姆·米，呈中阻。
太古界：
以片麻岩为主，电阻率为大于700欧姆·米，呈高阻。
综上所述，各地层间电性有明显差异，可用CSAMT和APS法进行勘探。
四、CSAMT勘查
（一）任务完成情况和工作量
本次工作的测网是在满足地质任务要求的基础上，涞源测区勘探剖面完成测线3条，测线L1测点29个，测线L2测点27个，测线L3测点27个，共完成测线剖面长度4公里，83个物理点。
测区工作布置实际材料图见图1。
（二）CSAMT方法原理与方法技术
1、方法原理和解释原理
可控源音频大地电磁测深法（CSAMT）是针对大地测深法（MT）的场源随机性信号微弱和观测困难的弱点，改用人工控制场源以获得更好探测效果的一种频率域电磁测深法。
该方法用电偶极源布置接地导线（AB=1～3km）向地下供入某一音频范围的谐变电流，在距AB一定的距离处进行观测，一般要求收发距r大于3～5倍的趋肤深度δ（δ=503
），在平行AB方向上，AB中垂线两边张角各30°的扇形区域内，沿x方向测线逐点观测电场分量Ex和与之正交的水平磁场分量Hy的振幅和相位（见图2）。
在这个范围内观测时电磁场视为平面波，
这样可获得卡尼亚视电阻率
和阻抗相位
。
式中f为频率，在音频段内（n×10-1～n×10-3Hz）逐次改变发射和接收的频率，便可得到ρs和φz随频率变化的值，达到频率测深观测的目的。
在实际观测中，特别当点距较小时，通常利用多道仪器同时沿测线布置6～7个测量电极，同时观测相邻测量电极间的Ex和位于该组测量电极中部的一个磁探头的Hy，用Hy近似代表整个排列各测点的正交磁场多分量值来计算卡尼亚电阻率和阻抗相位，这样一次测量可同时获得6～7个点的值，大大提高了工作效率。
图2CSAMT标量测量示意图
在实际工作中，利用各测点对应频率的阻抗电阻率和阻抗相位反演其层电阻率及层厚度，并进行地质解释。
根据测区地形起伏较大、构造发育的特点，在本测区数据反演中使用了带起伏地形的二维反演软件。
在设置初始模型时，给初始模型设置为同一数值，对视电阻率和相位进行迭代反演，避免了人为参与，反演结果能较客观地反映地下地电情况。
由二维反演求取的不同深度的电阻率值，绘制反演模型断面图，结合地质资料便可进行地质解释和构制推断地质断面．
2、野外方法技术
本次野外工作使用的仪器为美国Zonge公司生产的GDP-16多功能接收机和GGT-30发射机。
仪器的性能如下：
GGT-30发射机及ZMG-30发电机组：
ZMG-30发电机组的输出功率为30KW，输出电压为110V、400Hz三相交流电；GGT-30发射机，最高输出电压1000V，最大输出电流25A，最大输出功率为25KW，可输出占空比50%和100%两种波形；发射频率从DC-8192Hz。
采用稳流输出，输出电流的变化不超过0.1%。
GDP-32多功能接收机：
工作环境为温度-40°～+45℃，湿度5%～100%（可在雨天工作），动态范围为190dB，最小检测电压0.03μV，自电自动补偿调节±2.25V。
野外工作参数为发射场源偶极长度AB=1200m，接收电偶极长度MN=50m，收发距r＝6500～7600m，工作频率f＝0.125～8192Hz，测点点距为50m。
（三）工作结果与异常解释推断
在本次试验CSAMT数据反演中使用了美国Zonge公司的二维反演软件（SCS2D.EXE），CSAMT电磁测深反演解释成果，如图3~图5所示。
推断解释结果见图6。
1．测线CSAMT数据反演
1线CSAMT数据反演结果
由1线的CSAMT反演电阻率断面图（图3中下图）可以看出，地下由浅到深大致可划分为二个电性层：
即低阻层－中阻层。
在浅部100米处的低电阻率等值线有明显的不连续处：
32点和39点，可能是断裂构造带的反应；剖面南段（0～32点），电阻率电性层向南倾覆，剖面北段（39～52点），电阻率电性层向北倾覆。
在测线32～39点处的中高阻电性层表现为隆起形态。
2线CSAMT数据反演结果
由2线的CSAMT反演电阻率断面图（图4中下图）可以看出，在测区范围内地下随深度变化大致可划分为二种电性层：
低阻层－中阻层。
在浅部100米处的低电阻率等值线有明显的不连续处：
30点和42点，可能是断裂构造带的反应；剖面南段（0～32点），电阻率电性层向南倾覆，42点以北，电阻率电性层向北倾覆。
在测线32～42点处的中高阻电性层表现为隆起形态。
3线CSAMT数据反演结果
由3线的CSAMT反演电阻率断面图（图5中下图）可以看出，在测区范围内地下随深度变化大致可划分为二种电性层：
低阻层－中阻层。
在浅部为高电阻率，其等值线有明显的不连续处：
20点、36点和48点，可能是断裂构造带的反应，20点、36点和48点分别对应推断的F1、F2和F3断层；在深部的低阻异常，其形态为由浅向北倾覆。
2．推断解释
（1）电性层推断
根据CSAMT二维反演电阻率断面图中电阻率的特征，工区勘探剖面以内纵向分布可划分为以下2个电性层。
地层分为近地表的第四系和蓟县系地层。
第一电性层厚度为50～300米，第二电性层厚度为2000米左右。
（2）断层推断
经过对CSAMT二维反演结果分析，初步推断在本测区范围内有3处断层，其中F1断层走向北东，倾向北西，断层宽度约180米；F2断层走向北东，倾向南东；F3断层走向北东，倾向北西。
（3）下覆低阻异常
在L3线上有3处低阻异常，分别为A1、A2、A3，其中A1异常中心位于24号点，A2异常中心位于32号点,A3异常中心位于44号点。
在L1线上的低阻异常为A4，其异常中心位于46号点。
在L2线深部可能存在低阻异常为A4，其异常中心位于46号点。
（四）对下一步工作的建议
依据反演解释结果，建议开展APS法和其它物探方法工作，进一步佐证F1、F2和F3断层及其位置和特征。
为此,建议布置如下测点的工作：
在L1线F3断层和A4低阻异常上布置38、42、44、46和50号测点；在L2线F3断层和A5低阻异常上布置40、44、46和50号测点；在L3线F1断层、F2断层、F3断层和A1、A2和A3低阻异常上布置8、12、16、20、22、24、26、30、32、34、38、42、44、48和52号测点。
五、APS勘查
（一）任务完成情况和工作量
本次阵列岩性频谱测深工作是根据可控源音频大地电磁测深探测的结果进行布置的。
根据CSAMT初步推断出的F1、F2和F3断层及其位置和初步推断的A1、A2、A3和A4低阻异常的位置，为了进一步佐证F1、F2和F3断层及其位置和特征；重点查明CSAMT初步推断的A1、A2、A3和A4低阻异常的位置和埋深，特别是查明2000米至5000米深度内的低阻体异常，布置了阵列岩性频谱测深工作。
在L1线布置40、42、44和48号测点；在L2线上布置38、40、42、44、46、48、50和52号测点；在L3线上布置14、16、18、22、28、30、32、36、42、44、46和50号测点。
工作布置见图6。
（二）APS方法原理与成果解释原则
1、APS方法原理
阵列岩性频谱测深方法（简称APS）是利用天然电场进行测深的一种新物探方法，探测在天然电磁场作用下，在近地表形成的综合电场的垂直分量，根据其频谱的局部变化反映岩层电阻率与埋藏深度的关系[1]，进而对地下岩层的性质和分布特征作出合理的分析和判断。
它与通常方法（如CSAMT、MT、TEM等）属综合积分效应类方法不同，属于精细微分效应类方法。
它是利用太阳风辐射到地球上的等离子流，与地球磁场发生作用所形成的一系列复杂的电磁波垂直投向地球表面，产生的大地电磁场。
电磁脉冲在向地下传播的过程中，与不同岩性的地层界面作用时，形成反辐射脉冲垂直向上传播。
这种反辐射脉冲带有地下岩层的岩性及成分信息，并且它的反射频率是对应岩层界面深度的函数。
大地对电磁波传播具有低频窗口性质。
因此，应用低频窗口的理论，在地面上用仪器探测这个带有地下岩层界面深度和岩性信息反射到地面的二次电场，从而达到探测地下岩层和构造的目的。
采用APS-5仪器系统。
系统具有4个测量通道，采样频率为7Hz－8000Hz可程控选择，其低频细化频段为0.001～3.5Hz。
2、APS曲线的解释原则
APS曲线峰值高低相对于地层电阻率较高或较低是APS法解释的基本原则。
峰值高低反映了地层相对电阻率的大小，地层界面处曲线峰值突变。
APS曲线性态变异也与岩性相关。
圆滑宽缓表示岩性均匀，高低峰交替表示岩性不太均匀，窄带代表薄互层，宽带代表厚层。
地下热储层中的热水一般富含溶解离子，而且是高温的，岩石受热变质而粘土化，因此含水破碎带具有局部低电阻率的特征。
所以将宽带大振幅高低峰交替（不规则锯齿状）中最低值部位解释为含水层。
（三）工作成果与推断解释
对联合关村工区共完成测线三条，测点24个。
对APS数据采用振幅均衡、微分处理和归一化振幅处理，得到电场分量随频率和介质电性参数变化的无量纲量，归一化振幅最大为10。
解释APS曲线可区分电性层的电性相对高低，即区分相对的高阻层及低阻层，在一定条件下也可推断地层的岩性特征，即区分砂泥岩地层或灰岩地层等等。
阵列岩性电磁测深断面图如图7-图12所示。
解释结果见表1-表17。
1、电性层推断
由1线、2线和3线测点的APS曲线特征分析结果（见图7-图12）推断，纵向分布可划分为以下4个电性层，地层分为近地表的第四系地层、蓟县系地层、长城系地层和太古界地层。
第一电性层：
APS曲线为低值，相对为低阻层，其值在1～4左右。
此层应为第四系冲洪积沉积层。
该层厚度变化为50～300米。
第二电性层：
此层的电性层特征表现为中高阻，其值在2～8左右，它为蓟县系雾迷山组地层，为白云岩。
此层厚度约为2200～2300米。
第三电性层：
下伏于第二电性层的APS值为2～6中值，相对电阻率为中阻，可能为长城系地层。
此层厚度约为1100～1300米。
第四电性层：
此层下伏于第三电性层，其APS值为3～10高值，相对电阻率为高阻，由电性特征可推断该层为太古界地层。
各测点处地层底界面的推断埋藏深度见表1-表6。
表1L1线测点处地层底界面推断深度（米）
地层
名称
地层
代号
40
42
44
48
第四系
Q
75
100
250
250
蓟县系
雾迷山组
Jxw
2610
2620
2620
2660
长城系
高于庄组
Chg
3640
3640
3650
3670
太古界
Ar
表2L2线测点处地层底界面推断深度（米）
地层
名称
地层
代号
38
40
42
44
第四系
Q
100
100
200
300
蓟县系
雾迷山组
Jxw
2680
2700
2730
2800
长城系
高于庄组
Chg
3670
3700
3710
3740
太古界
Ar
表3L2线测点处地层底界面推断深度（米）
地层
名称
地层
代号
46
48
50
52
第四系
Q
300
300
400
450
蓟县系
雾迷山组
Jxw
2870
2900
2910
2950
长城系
高于庄组
Chg
3780
3780
3800
3820
太古界
Ar
表4L3线测点处地层底界面推断深度（米）
地层
名称
地层
代号
14
16
18
22
第四系
Q
60
50
120
170
蓟县系
雾迷山组
Jxw
2680
2680
2680
2680
长城系
高于庄组
Chg
3750
3760
3770
3780
太古界
Ar
表5L3线测点处地层底界面推断深度（米）
地层
名称
地层
代号
28
30
32
36
第四系
Q
50
70
90
200
蓟县系
雾迷山组
Jxw
2750
2750
2750
2720
长城系
高于庄组
Chg
3800
3820
3830
3850
太古界
Ar
表6L3线测点处地层底界面推断深度（米）
地层
名称
地层
代号
42
44
46
50
第四系
Q
70
80
100
150
蓟县系
雾迷山组
Jxw
2720
2760
2780
2790
长城系
高于庄组
Chg
3900
3960
3970
3980
太古界
Ar
2、断层推断
断层在APS曲线上的特征是APS值由高-低-高突变，形成低凹异常。
经过对APS曲线特征分析结果分析，推断在本测区范围内有3处断层，其中F1断层走向北东，倾向北西，断层线在L3的28号点断点为450米，30号点为500米，32号点为600米，36号点为750米（图10）；F2断层走向北东，倾向南东，断层线在L3的14号点断点为950米，16号点为850米，18号点为650米，28号点为400米，30号点为300米，32号点为200米，36号点为150米（图11-12）；F3断层走向北东，倾向北西，断层线在L2线的40号点断点为50米，42号点为250米，44号点为450米，46号点为500米，48号点为550米，50号点为700米，52号点为800米（图8-9）。
断层线在L1线、L2线和L3线测点处断点推断深度见表7-表10。
表7断层线在L1线测点处断点推断深度（米）
断层
40
42
44
48
F1
F2
F3
120
200
350
600
表8断层线在L2线测点处断点推断深度（米）
断层
38
40
42
44
46
48
50
52
F1
F2
F3
100
300
450
500
600
700
800
表9断层线在L3线测点处断点推断深度（米）
断层
14
16
18
22
28
30
F1
450
500
F2
950
850
800
650
350
300
F3
表10断层线在L3线测点处断点推断深度（米）
断层
32
36
42
44
46
50
F1
600
750
1150
1300
1400
1600
F2
200
150
F3
3、蓟县系和长城系地层中含水层推断
蓟县系雾迷山组地层为第一热储层，长城系高于庄组地层为第二热储层。
含水破碎带具有局部低电阻率的特征，所以将宽带大振幅高低峰交替（不规则锯齿状）中APS曲线最低值部位解释为含水层。
热储层中含水破碎带推断见表11-16。
在L1线上纵向分布有：
Jxw中有4-8处低阻异常，Chg中有2-3处低阻异常。
在L2线断面上，Jxw中有3-8处低阻异常，Chg中有2-3处低阻异常。
在L3线深部存在低阻异常为Jxw中有3-9处低
阻异常，Chg中有2-4处低阻异常。
低阻异常中含水破碎带推断见表11-表16。
表11L1线测点处含水破碎带推断深度（米）
地层
40
42
44
48
Jxw
420-460
780-820
1360-1400
2040-2060
2430-2460
430-460
1040-1070
1760-1780
2000-2020
420-440
590-610
850-860
1040-1050
1320-1340
1740-1760
1980-2010
2380-2410
440-470
550-570
860-880
1010-1020
1180-1190
1430-1450
1740-1750
2070-2080
2430-2450
Chg
3060-3080
3170-3180
2800-2810
3500-3510
2840-2850
3230-3250
3510-3520
2980-3010
3150-3160
3550-3570
表12L2线测点处含水破碎带推断深度（米）
地层
38
40
42
44
Jxw
230-250
440-460
1480-1510
370-410
560-570
760-790
1520-1540
1880-1910
2260-2280
400-420
580-610
840-860
1120-1150
1550-1570
1830-1840
2220-2240
2650-2670
420-440
830-850
1480-1510
1880-1900
2150-2160
2740-2760
Chg
3030-3050
3550-3570
2950-2970
3410-3430
2880-3000
3180-3200
3460-3470
3440-3520
3680-3700
表13L2线测点处含水破碎带推断深度（米）
地层
46
48
50
52
Jxw
540-560
1210-1230
1800-1820
2200-2220
730-750
1050-1070
1170-1200
1400-1410
1550-1560
1680-1700
2140-2150
2300-2320
600-620
1310-1350
1780-1810
2180-2210
610-660
1230-1250
2350-2370
Chg
3060-3080
3180-3200
2950-2970
3200-3220
3700-3720
3180-3210
3500-3520
表14L3线测点处含水破碎带推断深度（米）
地层
14
16
18
22
Jxw
530-560
1070-1100
280-310
1920-1950
270-310
580-610
750-770
900-920
1370-1400
1950-1970
2160-2190
280-310
650-670
800-830
1230-1240
1430-1450
1930-1950
2080-2110
Chg
2940-960
3050-3070
2720-2740
3100-3130
3340-3350
3450-3470
2780-2800
3020-3040
3350-3370
3540-3550
表15L3线测点处含水破碎带推断深度（米）
地层
28
30
32
36
Jxw
450-470
730-750
950-970
1350-1360
1480-1510
1700-1720
1980-2000
2300-2320
440-460
600-630
960-980
1540-1560
1950-1970
2300-2320
410-430
580-610
930-950
1070-1100
1730-1760
2200-2220
2500-2520
340-360
850-880
1130-1150
1320-1340
1590-1610
2220-2240
Chg
2980-3000
3340-3350
2850-2870
3340-3350
2950-2970
3140-3160
3370-3380
3500-3600
2840-2860
3100-3120
3350-3370
3640-3660
表16L3线测点处含水破碎带推断深度（米）
地层
42
44
46
50
Jxw
650-680
1050-1070
1470-1490
1870-1890
2200-2220
660-680
1060-1070
1490-1500
1610-1630
1870-1880
2230-224
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