0引言

地?zé)崮?/a>是一種清潔、安全的能源,但在我們生活中以及國家能源建設(shè)和利用方面還是少之又少,國家能源局的目標(biāo)是到2025年全國建立起基本的地?zé)豳Y源開發(fā)利用實(shí)際方案,各地地?zé)豳Y源的充分利用信息匯總,以及監(jiān)測系統(tǒng)基本完整,利用地?zé)峁┡?/a>或者制冷面積達(dá)到相較2020年遞增一半,在地?zé)豳Y源自然狀況好的地區(qū),先進(jìn)行一批地?zé)?/a>資源充分利用的示范項(xiàng)目。 項(xiàng)目旨在識(shí)別傳導(dǎo)型地?zé)?/a>的地球物理特征,揭示地層分布、地下水分布和地下溫度場的分布,客觀地對(duì)區(qū)域地?zé)衢_發(fā)潛力做出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

本區(qū)及周邊地區(qū)已經(jīng)打有較多地?zé)峋?/a>,均表明工區(qū)內(nèi)具有較好的熱儲(chǔ)條件。1970年在市區(qū)國營133廠進(jìn)行千米井地?zé)豳Y源勘察,探測到溫度達(dá)47℃的地?zé)醿?chǔ)層。1973到1974年間在市區(qū)近400 km2范圍內(nèi),由省地礦部門進(jìn)行了地?zé)?/a>資源調(diào)查,調(diào)查結(jié)論是地?zé)豳Y源豐富。

1方法原理簡述

1.1音頻大地電磁測深法

音頻大地電磁法(AMT)的基本原理:利用太陽黑子活動(dòng)產(chǎn)生的天然電磁場源,對(duì)探測物體的作用產(chǎn)生二次場,我們?cè)诒惶綔y地下物體對(duì)應(yīng)的地表,布置相應(yīng)裝置同時(shí)記錄相互垂直的電場量值和磁場量值,然后計(jì)算視電阻率,計(jì)算公式一般采用卡尼亞的視電阻率公式計(jì)算。依據(jù)大地電磁場的基本理論,在大地介質(zhì)中傳輸?shù)碾姶挪ㄆ浯┩负穸扰c電磁波頻率的關(guān)系為反比例關(guān)系,當(dāng)電磁波在大地介質(zhì)中傳輸時(shí),傳輸區(qū)地質(zhì)體電性結(jié)構(gòu)不變時(shí),電磁波傳輸中的主頻頻率越低,其穿透厚度越厚,通過傳輸中的主頻頻率變化反映出地層深部的地質(zhì)體與電性特征的關(guān)系;傳輸中的主頻頻率越高,則其穿透深度越小,通過傳輸中的主頻頻率變化反映出地下地層淺部地質(zhì)體與電性特征的關(guān)系。利用傳輸中的主頻頻率變化,可得到地下地層不同深度與不同主頻間的地電信息,進(jìn)而達(dá)到采用頻率測試地質(zhì)結(jié)構(gòu)體形態(tài)及深度的目的。

音頻大地電磁測深工作方法與常規(guī)大地電磁測深 (MT)相同,只是觀測的頻率范圍不同,頻率范圍從零點(diǎn)幾赫茲到數(shù)萬赫茲。該方法以天然交變電磁場為場源,并且天然電磁場的能量大,頻譜信息豐富,穿透能力強(qiáng),不受低阻層的屏蔽影響,勘探深度可達(dá)到幾千米深。因此,AMT方法被廣泛應(yīng)用到含水層識(shí)別、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等方面。

1.2可控源音頻大地電磁測深法

可控源音頻大地電磁(CSAMT)測深法。由于CSAMT法采用人工源,具有較強(qiáng)的抗干擾能力,更容易獲得對(duì)地電變化較靈敏的相位信息,并可以按勘探目標(biāo)層埋深設(shè)置頻率組合,保證垂向分層有很高的分辨率。此外,CSAMT法還具有野外采集數(shù)據(jù)質(zhì)量高、重復(fù)性好、解釋剖面橫向分辨率高、勘探深度較大且工作效率高、高阻層屏蔽作用小等優(yōu)點(diǎn),適用于人文干擾較強(qiáng)的地區(qū)開展地?zé)豳Y源勘查。

CSAMT法利用一個(gè)偶極發(fā)射,在測量中,如圖1 所示,可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)法,是在野外沿某一方向布置的(假定為X方向)與大地相連的導(dǎo)線AB,從這根導(dǎo)線的兩端,持續(xù)地往地下供入音頻諧變電流,且供入的諧變電流是固定的。在導(dǎo)線AB 形成的測線兩側(cè)以60°的扇形夾角區(qū)域范圍內(nèi),再沿導(dǎo)線AB平行方向形成的測線,同時(shí)觀測沿測線產(chǎn)生的 AB間的電場水平值分量Ex,并且同時(shí)進(jìn)行與測線AB 方向產(chǎn)生的正交場源水平磁場分量Hy。

利用大功率發(fā)電機(jī)通過A,B電極向地下供交變電流,供電頻率在0.1 Hz~9 600 Hz范圍內(nèi)變化。根據(jù)接收點(diǎn)相距發(fā)射源的遠(yuǎn)近可以將接受區(qū)域分為近區(qū)、過渡區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)。遠(yuǎn)區(qū)指的是距離發(fā)射源AB相當(dāng)遠(yuǎn)的地方,所謂“相當(dāng)遠(yuǎn)”的地方是指發(fā)射的電磁波接近于平面波的地方,這一區(qū)域的電磁場與天然場十分相似。場值是電阻率和頻率的函數(shù)。在直角坐標(biāo)系中,設(shè)x軸平行于AB,z軸垂直向下,我們利用電場的振幅Ex和磁場的振幅H y可以計(jì)算卡尼亞阻抗電阻率。

通過電場的相位和磁場的相位來計(jì)算卡尼亞阻抗相位:φz=φ Ex -φHy。最后再用視電阻率和阻抗相位進(jìn)行聯(lián)合反演來計(jì)算反演電阻率參數(shù),再用反演得到的電阻率進(jìn)行對(duì)應(yīng)的地質(zhì)推斷解釋。

2工程應(yīng)用

2.1工程概況

以某區(qū)域地?zé)豳Y源為主要目標(biāo),進(jìn)行地球物理勘探工作。基于CSAMT和AMT數(shù)據(jù)二維反演獲得勘查區(qū)3 000 m以淺的精細(xì)電性結(jié)構(gòu)。旨在識(shí)別傳導(dǎo)型地?zé)?/a>的地球物理特征,揭示地層分布、地下水分布和地下溫度場的分布,客觀地對(duì)區(qū)域地?zé)衢_發(fā)潛力做出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

初步查明勘查區(qū)地層空間分布特征,刻畫基底深度,劃分熱儲(chǔ)層,厘清區(qū)域控?zé)嵋氐牡厍蛭锢硖卣? 結(jié)合以往地質(zhì)、地球物理資料,客觀評(píng)價(jià)區(qū)域地?zé)?a href="http://www.guititou.com.cn/t/開發(fā).html" >開發(fā)潛力。

2.2工作布置

考慮工區(qū)內(nèi)已有樓房、公路等分布情況以及區(qū)域構(gòu)造特征,設(shè)計(jì)布設(shè)6條近東西向測線,測線總長度為 10 km,其中AMT法測量設(shè)計(jì)點(diǎn)距為100 m,共100個(gè)物理點(diǎn);CSAMT法測量設(shè)計(jì)點(diǎn)距為50 m,共200個(gè)物理點(diǎn)。現(xiàn)場布置見圖2。

3數(shù)據(jù)處理

3.1 AMT數(shù)據(jù)處理

當(dāng)我們從外業(yè)得到音頻大地電磁(AMT)的有效數(shù)據(jù)后,需要對(duì)這些有效的測深數(shù)據(jù)處理,再進(jìn)行軟件成圖,這樣就可以對(duì)構(gòu)造和走向進(jìn)行判斷分析,從而確定通過剖面測量得到的區(qū)域構(gòu)造和通過多剖面確定的構(gòu)造走向。這里我們是運(yùn)用GB分解再進(jìn)行阻抗分析方法,對(duì)所得到剖面外業(yè)有效實(shí)測數(shù)據(jù)軟件成圖后得到區(qū)域構(gòu)造特征和通過多剖面走向判斷。圖3為Line1不同頻段的電性主軸方位玫瑰圖, 綜合不同頻段結(jié)果,主要指示北東45°和135°的主軸方向。因?yàn)橥ㄟ^阻抗張量的分解所確定構(gòu)造主軸的方向存在90°的模糊性,在應(yīng)用張量阻抗分解前提下,考慮到所探測區(qū)域構(gòu)造主要是以北東方向?yàn)橹? 最后結(jié)合實(shí)際情況確定的剖面反映的構(gòu)造主體走向?yàn)?5°。通過上述論證,先把外業(yè)得到的有效數(shù)據(jù)阻抗數(shù)據(jù)從初始位置旋轉(zhuǎn)到北東45°理論論證的主軸方向,再通過TE的電場矢量模式和TM的磁場矢量模式把視電阻率及相位曲線分別辨識(shí)出來,最后用軟件進(jìn)行反演。

3.2 CSAMT數(shù)據(jù)處理

可控源音頻大地電磁的數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)編輯、 近場校正、靜態(tài)校正、模型設(shè)計(jì)及反演計(jì)算等。

從外業(yè)CSAMT得到有效的數(shù)據(jù),把有效數(shù)據(jù)資料進(jìn)行預(yù)處理,來壓制CSAMT外業(yè)有效數(shù)據(jù)中包含各種干擾噪聲,如:儀器噪聲、宇宙射線產(chǎn)生的電磁噪聲、人文活動(dòng)噪聲,有時(shí)也需要進(jìn)行地質(zhì)噪聲(包括靜態(tài)位移以及地形影響)校正及其非平面波帶來的過渡區(qū)畸變校正。另外為了接下來的解釋,還需要從迭重場中分離開更突顯和增強(qiáng)所要探查地下地質(zhì)體包含的電磁場信息和曲線趨勢。CSAMT法外業(yè)測量采集記錄的原始數(shù)據(jù)是電道的相位和電位差幅值,以及磁道的相位和幅值,應(yīng)用以下公式來計(jì)算目標(biāo)地質(zhì)體的視電阻率和相位。

總體來看,進(jìn)行CSAMT外業(yè)采集的數(shù)據(jù)預(yù)處理包括:曲線圓滑、校正(包括地形、場源、磁場)以及為了突出某些有用信息而作的特殊處理等。

4數(shù)據(jù)反演

4.1 AMT數(shù)據(jù)二維反演計(jì)算

對(duì)于音頻大地電磁測深數(shù)據(jù),選擇背景電阻率等于100Ω·m的均勻半無限空間作為反演初始模型, 在TE+TM模式中,取值電場矢量視電阻率的相對(duì)誤差級(jí)數(shù)為80%,取電場矢量的相位相對(duì)誤差級(jí)數(shù)為 10%,設(shè)置磁場矢量視電阻率相對(duì)誤差級(jí)數(shù)10%,磁場矢量相位相對(duì)誤差級(jí)數(shù)5%,橫縱光滑比因子α=1, 正則化因子τ=10。數(shù)據(jù)反演過程中,數(shù)據(jù)和模型擬合情況達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)的誤差范圍,現(xiàn)將Line1測線取三個(gè)測點(diǎn)展示數(shù)據(jù)擬合情況(見圖4)

從圖4中可以看出Line1測線隨機(jī)選取的數(shù)據(jù)擬合情況均較好,能夠擬合實(shí)測數(shù)據(jù)的基本形態(tài),證明反演結(jié)果是有效的。

4.2 CSAMT數(shù)據(jù)二維反演計(jì)算

對(duì)于可控源音頻大地電磁數(shù)據(jù),選擇背景電阻率為100Ω·m的均勻半空間作為本次反演初始模型, 在TM模式中,設(shè)置磁場矢量TM視電阻率相對(duì)誤差級(jí)數(shù)10%,磁場矢量TM相位相對(duì)誤差級(jí)數(shù)5%,光滑比橫縱因子α=1,并且取正則化因子τ=3。數(shù)據(jù)反演過程中,數(shù)據(jù)和模型擬合情況達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)的誤差范圍,現(xiàn)將Line1測線取三個(gè)測點(diǎn)展示數(shù)據(jù)擬合情況。

從圖5中可以看出每條測線隨機(jī)選取的數(shù)據(jù)擬合情況均較好,能夠擬合實(shí)測數(shù)據(jù)的基本形態(tài),證明反演結(jié)果是有效的。

5成果分析

5.1物探成果分析與地質(zhì)解釋

Line1線位于工區(qū)中部(見圖2),測線沿近東西布設(shè),線長約為2 500 m,AMT數(shù)據(jù)反演結(jié)果顯示了地下 3 000 m以淺的電性結(jié)構(gòu),CSAMT數(shù)據(jù)反演結(jié)果顯示了

地下2 000 m以淺的電性結(jié)構(gòu),圖6,圖7分別為Line1 線TE模式、TM模式電阻率模型及相應(yīng)地質(zhì)解譯。

Line1線反演結(jié)果整體表現(xiàn)為顯著的層狀特征,淺部主要為一層較厚的低阻層,電阻率約為10Ω·m以下,自西向東厚度逐漸變大,厚度為50 m~100 m。低阻層的下伏中低阻結(jié)構(gòu)則對(duì)應(yīng)了白堊系砂巖、粉砂巖、 泥巖、凝灰?guī)r等巖性特征,質(zhì)地相對(duì)致密,該中低阻層電阻率在100Ω·m左右,厚度約500 m。中低阻層下方為一層中高阻結(jié)構(gòu),厚度相對(duì)均勻,厚度約為200 m, 自西向東埋深逐漸增大,電阻率為100Ω·m~ 300Ω·m,結(jié)合區(qū)域地層特征,工區(qū)內(nèi)雖三疊系缺失，但侏羅系發(fā)育良好,巖石組成同時(shí)包括砂巖和安山巖, 因此電阻率稍高。最下方為完整的相對(duì)高阻結(jié)構(gòu),電阻率在500Ω·m左右,代表了上古生界(二疊系)的基底巖石,由于多見火成巖和變質(zhì)巖,因此具有相對(duì)較高的電阻率特征,基底頂界面埋深為1 300 m~ 1 600 m,且自西向東基底深度逐漸加深,表現(xiàn)出東深西淺的特征(見圖8)。

5.2溫度場計(jì)算

工區(qū)地溫分布曲線溫度均隨深度增加而增加,具有傳導(dǎo)型地溫曲線特征。根據(jù)莫里青地區(qū)地溫梯度在2.8℃/100 m~4.4℃/100 m,平均為3.3℃/100 m,總體具有相對(duì)較高的地溫梯度。

某市年平均氣溫為4.6℃,恒溫帶溫度一般采用比多年地面平均溫度高1℃~3℃,恒溫帶溫度范圍為5.3℃~7.3℃,本次計(jì)算采用恒溫帶溫度為6℃,恒溫帶深度采用平均恒溫帶深度,一般為20 m(見圖9)。

計(jì)算公式:T=T0+ΔT×(H-H 0 )/100。

其中,T為井底溫度,℃;T0為恒溫帶溫度,取 7℃;ΔT為地溫梯度,3.3℃/100 m;H為井底深度,m; H0為恒溫帶深度,取20 m。

經(jīng)過計(jì)算,項(xiàng)目區(qū)鉆探深度為2 500 m時(shí),地層溫度為88.84℃。

5.3地層控?zé)釛l件

工區(qū)內(nèi)6條測線、兩種地球物理方法的電性結(jié)構(gòu)相似,均表現(xiàn)為4層結(jié)構(gòu)特征,其中結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料,淺部為新生界第四系和第三系砂泥巖,厚度在 50 m~100 m,由于具有較好的富水性,表現(xiàn)為明顯的低阻特征,低阻層下伏為中低阻的白堊系砂巖、泥巖、 凝灰?guī)r,已有地質(zhì)資料揭示該白堊系中致密、低滲泥巖為良好的蓋層,砂巖層為熱儲(chǔ)層,該熱儲(chǔ)層最大溫度可達(dá)50℃;深部中高阻和高阻結(jié)構(gòu)分別對(duì)應(yīng)侏羅系砂巖、安山巖和上古生界(二疊系)火成巖、變質(zhì)巖基底,基底埋深表現(xiàn)為“西淺東深”的特征,其中由于火成巖具有放射性生熱的特性,可能為良好的熱源, 且溫度場計(jì)算結(jié)果顯示在基底內(nèi)部,2 500 m埋深處,溫度可達(dá)到65℃以上。因此,勘查區(qū)具有較高的地?zé)釢摿Α?o:p>

6結(jié)論

1)本次物探工作采用“CSAMT+AMT”“深淺兼顧”的精細(xì)探測體系,數(shù)據(jù)質(zhì)量良好且頻率范圍合理,為揭示工區(qū)3 000 m以淺結(jié)構(gòu)提供了保障。保證了本次探測的數(shù)據(jù)質(zhì)量與探測效果。

2)基于電性模型以及以往地質(zhì)資料,建立了工區(qū) 3 000 m以淺的地質(zhì)模型,其主要表現(xiàn)為4層結(jié)構(gòu):淺部第四系和第三系電阻率較低,厚度為50 m~100 m; 下伏白堊系為中低阻特征;深部分別為侏羅系和上古生界(二疊系)基底,頂界面埋深約為1 500 m。

3)基于電性結(jié)構(gòu)模型及以往地質(zhì)認(rèn)識(shí),開展了溫度場計(jì)算,獲得了工區(qū)內(nèi)3 000 m以淺的溫度模型,根據(jù)溫度模型結(jié)果顯示,在工區(qū)內(nèi)地下2 500 m溫度可達(dá)到65℃以上,滿足后續(xù)地?zé)峋?/a>施工前提。