CSAMT法在安丘市大汶河旅游開發區地熱勘查中的應用

郭國強，鄒安德

(山東省物化探勘查院，山東 濟南 250013)

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CSAMT法在安丘市大汶河旅游開發區地熱勘查中的應用

郭國強，鄒安德

(山東省物化探勘查院，山東 濟南 250013)

在溫泉附近，構造中巖石因破碎充水電阻率會明顯降低，使含水構造和圍巖之間產生明顯的電性差異，如果含水構造同時具備一定的規模，即可利用CSAMT法圈出含水層的位置和埋深情況，可間接為尋找地下熱水資源提供靶區。該文利用CSAMT法在濰坊安丘市大汶河旅游開發區進行地熱(該次指溫泉)資源勘查，在勘查區水文、地熱地質條件基礎上，根據現場實地探勘、并結合反演成果資料，查明了所選靶區斷裂構造的具體位置、產狀及地層結構。根據反演成果資料所設計的鉆孔，在安丘市大汶河旅游開發區成功打出了第一眼溫泉,井深1670m,出水量390t/d,連續抽水72h,水溫達到53℃。該溫泉水富含人體所必需的38種礦物質和化學營養元素，具有較高的開發利用價值。

CSAMT法；地熱；安丘市大汶河

地熱資源是指貯存在地球內部的可再生熱能，目前，我國已查明溫泉2000余處，地熱井近6000眼，地熱資源作為一種新型清潔能源，越來越受到人們關注[1-2]?？辈閰^位于安丘市大汶河旅游開發區，且位于沂沭斷裂帶內，沂沭斷裂帶主干斷裂之一的安丘-莒縣深大斷裂就由附近穿過，因其深達上地幔而具有高溫帶特性[3]。安丘-莒縣斷裂的高溫烘烤，對淺部水體具有循環加熱作用。另外，安丘-莒縣深大斷裂的NW向次級斷裂多為張性斷裂，為地下水入滲和運移提供了良好的通道，由于勘查區位于安丘-莒縣深大斷裂附近，次級斷裂內的水體得以循環加熱，根據其地質特征和構造分析，具備形成地熱的基本條件，地熱成井條件有利。由于常規電法已證明在該區勘探深度較淺，500m以深分辨率較差，效率低，綜合效果不佳，該次在勘查區采用了勘探深度大、工作效率高的CSAMT法進行勘探，最終根據CSAMT成果資料，成功找到了溫泉井，取得了較好的效果。

1 地質及地球物理特征

1.1 地層、構造特征

勘查區位于華北板塊(I級)、魯西斷隆(II級)沂沭斷裂帶(III級)的中南部，由于中生代以來構造運動顯著，斷裂及巖漿活動發育，地質條件較為復雜。周圍出露地層主要有古生代奧陶系，中生代白堊紀萊陽群、青山群以及第四系?？辈閰^位于沂沭斷裂帶中東部，區內構造較為發育，主要構造形式表現為斷裂構造，其次為褶皺構造，韌性剪切帶主要發育在變質地層中或斷裂帶附近，蓋層中發育較少?？辈閰^NW向構造極為發育，規模最大(圖1)。

1—第四系；2—白堊系；3—奧陶系；4—旋回安粗巖；5—地層界 線；6—斷層；7—CSAMT剖面；8—設計鉆孔 圖1 勘查區地質圖(含工作布置)

1.2 地熱地質條件

勘查區地熱屬于復合型地熱，既有深大斷裂導熱增溫，又有深部放射性元素蛻變導熱增溫?？辈閰^地質特征具備形成地熱的4個基本條件：熱儲、蓋層、熱源、熱流通道[4]。

(1)熱儲層條件：不同巖性的地層作為熱傳導介質，其導熱保溫程度差異性較大。不同巖石有不同的熱導率，熱導率越大，導熱性質也越好，越有利于地熱的上升運移[5]。在對勘查區地層和巖石熱導率充分研究的基礎上，把區內地層分為2大類：即熱基底地層和熱蓋層地層。該地區熱儲層為熱基底地層，熱基底地層由奧陶系構成，主要巖性為碳酸鹽巖，其巖石密度較大，質地堅硬，導熱性好，極有利于地熱的上升運移，作為地熱的熱儲層是良好層位。巨厚的奧陶系巖溶裂隙發育，為地下熱水提供了巨大的地下庫容，為地下熱水的形成和賦存提供了較好的熱儲[6-8]。

(2)熱蓋層條件：勘查區熱蓋層地層由白堊系及第四系組成，主要巖性為砂巖、泥巖、碎屑巖、礫巖、及粘土組成。巖石密度較小，質地較軟，導熱性能亦較差，不利于地熱的上升運移，是地熱的不良導體，可作為地熱的保溫蓋層。

(3)熱源、熱流通道條件：深部地幔物質上涌為地熱資源的形成提供了熱源條件。深大斷裂帶作為熱流通道控制了巖漿的侵入和噴發，特別是對基性、超基性巖及深源捕虜體的控制，反映了它深切地殼直達上地幔。由于埋藏較淺的上地幔軟流圈的“烘烤”作用，深部地幔物質上涌，可使地殼中來自下部的傳導熱流份量增大，從而導致斷裂帶高地溫的出現，為地熱資源的形成提供了熱源條件[9-10]。

1.3 地球物理特征

巖(礦)石的電阻率與地質環境密切相關，自然環境下某種巖石的電阻率并非某一特定值，不同環境下巖石孔隙度、濕量、溫度、深度壓力及礦物結構等因素決定電阻率值的大小[11]。

各類巖礦石電阻率的差異，為利用電磁法在該區圈定斷裂、劃分巖性界線奠定了基礎，分析區內地質、巖礦石導電率參數及地球物理場特征，結合該次實測資料及以往同巖性電性特征可得出如下結論：

區內分布的第四紀粘土、泥巖等平均電阻率一般在5～300Ω·m之間。白堊紀砂巖、礫巖、粉砂巖、角礫巖、安山巖等地層，平均電阻率一般在40～800Ω·m之間，如這類巖石破碎充水會使其電阻率低至40Ω·m以下，當含礫巖、角礫巖時視電阻率相對較高，一般可達1000～1200Ω·m。另外，奧陶紀灰巖、豹皮灰巖以及所夾的白云質灰巖其電阻率在該勘查區最高，一般為250～2000Ω·m(表1)。

表1 工作區地層巖性及視電阻率統計

在地熱資源的勘查中，因含水構造電阻率的降低，使其與圍巖相比產生明顯的電性差異，這為電法勘探(該次CSAMT法)提供了良好的地球物理前提[12]。

2 CSAMT法原理及儀器性能

CSAMT法是利用接地水平電偶源為信號源的一種頻率域電磁測深法，可以通過改變發射頻率來改變探測深度。CSAMT法觀測區域布置在以發射偶極A、B形成的60°角的一個梯形面積內[13-18](圖2)。該次地熱勘查所用儀器為加拿大鳳凰公司生產的V8多功能電法工作站，該儀器性能穩定，噪音低，對保證觀測質量，提高勘探精度，提供了設備上的保證。野外采集數據可實時顯示振幅曲線和相位曲線，野外各站點隨時隨地開機即可采集，時間重疊做同步數據相關處理。電腦化操作野外施工極為方便，其先進精確的GPS技術和無線網絡技術的結合使V8電法工作站即使在復雜的山區施工也變的快速簡捷，野外施工無需對鐘，極大地提高了生產效率。

圖2 CSAMT法觀測工作示意圖

3 CSAMT工作技術方法

3.1 參數選擇對比試驗

CSAMT法勘探因采用人工場源，所以在采集數據時需協調收發距R的遠近。若收發距R太小會使觀測區過早進入近場區；若R距離太大會使信噪比太低，難以保證觀測精度。該次選擇2種收發距R進行對比試驗(圖3)，當收發距為6.0km時，電阻率曲線圓滑度相對稍差，說明信噪比較低，過渡及近區場特征反映明顯，在256Hz附近過早進入過渡場區；收發距為8.0km時，數據穩定、單點測深曲線圓滑，說明信噪比較高，在128Hz附近進入過渡場區，進入過度場較收發距為6.0km時晚。根據試驗結果，確定適合該區噪聲地段即保證滿足探測深度要求，又滿足高信噪比的最佳收發距R確定為8.0km。

圖3 不同收發距單點測深對比曲線

發射電源偶極AB距主要考慮要滿足偶極子的條件，因為AB距大時低頻(深部地質體)特性好，AB距小時高頻(淺部地質體)特性好。對于接收偶極MN距來說，MN距選擇過大其分辨率會降低，但測量到的電位差值大，易于觀測，MN距選擇過小，其分辨率會提高，但測到的電位差值會相對變小，不能保證觀測質量。該次選擇2種發射AB距、MN距進行對比試驗。

試驗顯示，發射偶極AB距為1.2km及2.0km時，數據都相對穩定，單點測深曲線都較為圓滑，在700～0.833Hz之間，兩者數據比較接近，因此，在一定范圍內，AB距適當變化，曲線整體形態變化不大(圖4)。該次工作選擇AB距為1.2km，當AB固定時，隨著接收偶極MN的改變，測量曲線變化較明顯，當MN極距為40m時，數據較穩定，單點測深曲線相對圓滑無畸變點,說明信噪比較高，當MN極距為20m時，單點測深曲線有明顯的畸變點，說明信噪比相對較低(圖5)。根據試驗結果，確定適宜于勘查區地段的極距AB=1.2km，MN=40m。

圖4 不同AB極距單點測深對比曲線

圖5 不同MN極距的單點測深對比曲線

3.2 工作布置

該次工作布設CSAMT剖面3條，為南北向等距平行布設，測線北端為奧陶系出露區，南端為白堊系覆蓋區，目的區域位于NE向斷裂F1與NW向斷裂F5的交會部位(圖1)，主要目的是驗證已有斷裂F5空間展布特征及其富水性。野外施工具體參數為：發射電流12A，發射頻率9600～0.125Hz，收發距R=8.0km，發射偶極AB=1.2km,接收點距MN=40m。該參數探測深度可達2000m以上。

3.3 數據處理

通過對CSAMT野外原始數據進行編輯處理后，剔除了各種干擾頻點，經過專用軟件WinGLink數據處理反演，頻率與電阻率對應關系轉換為深度與電阻率的對應關系，據此繪制了各剖面的反演電阻率斷面等值線圖，并予以解釋。

4 資料解譯及應用效果

4.1 資料解譯

圖6中100線、200線、300線3條剖面線位于尚莊水庫的南側，方位0°，平行布設，控制長度都為1200m。

1—推斷斷層；2—地層界線；3—設計鉆孔；4—電阻率等值線及數值 圖6 CSAMT法電阻率等值線斷面圖

(1)地層解釋：從圖6中可以看出，3條剖面電阻率特征基本一致，在縱向整體上主要分為上中下3種電性地層，各剖面線在點位0～1000點淺部電性特征顯示為新生代組成的低阻地層；中部電性特征顯示為中生代白堊系；底部電性特征顯示為古生代基底奧陶系。1000～1200點地表都有奧陶紀馬家溝群灰巖出露。該3條剖面奧陶系頂界面分界線最深處在南端標高-1900m左右，北端奧陶系部分出露地表。其奧陶系頂界面分界線電阻率值一般在250Ω·m左右，如圖6中虛線所示。

(2)構造解釋：從各斷面的橫向電性特征分析，該3條剖面線在1000點附近都有一明顯的電性界面，該界面北側為高電阻，南側為低電阻，兩電性層之間具有明顯的高低阻梯級帶[19]，具備斷層的典型特征，推斷為F5斷層，地表位于該剖面的1100點附近，斷層S傾，傾角60°～75°，上陡下緩,該斷層切割深度大，影響范圍寬，斷距反映明顯，斷層兩側的電性差異較大，推斷斷層兩側的地層巖性不同，有利于地下水的運移和富集。另外根據斷層的電性特征，推斷該3條剖面線另一斷層為F6，該斷層切割較淺，S傾，傾角75°左右。

(3)富水性解釋：通過該次CSAMT成果資料，在工作區內切取了2張不同深度的電阻率平面切片圖，分別為標高-1500m、-2000m。從圖7中可知，北部奧陶紀灰巖出露，電阻率值較大；南部白堊系覆蓋，電阻率值較小。斷裂F5S傾，切割深度較大，其上盤控制的低阻區域電阻率越低富水性越好，并且隨著電阻率的降低，水的溫度會越高。結合圖6斷面圖、圖7平面圖，設計鉆孔ZK1，ZK2位置布置在斷裂F5上盤電阻率值較低處，該處奧陶紀灰巖巖石比較破碎，裂隙比較發育，溫度相對較高，富水條件相對有利。由于斷裂F6切割較淺，規模較小，不再考慮在其所控制的區域設計溫泉鉆孔。

1—斷層；2—電阻率等值線及數值；3—測線及編號；4—見溫泉 鉆孔；5—未施工鉆孔 圖7 CSAMT電阻率等值線平面圖

4.2 應用效果

該次CSAMT法地熱勘查根據成果資料最初設計了2個鉆孔，分別位于100線600點(ZK1孔)、300線820點(ZK2孔)，后經現場勘查并結合工作條件、勘探成本以及專家討論綜合論證，最后確定首先在勘查區300線820點CSAMT圈出的低阻含水構造帶上施以ZK2孔鉆探驗證，該孔設計孔深1800m，直孔。該孔位于NE向斷層F1與NW向斷層的F5的交會部位附近，和以往多數地熱井成功案例相同。最終成井井深1670m,出水量390t/d，連續抽水72h,水溫53℃。該井為安丘大汶河旅游開發區成功打出的第一眼溫泉井。

5 結論

通過CSAMT法進行地熱勘查，結合CSAMT資料解譯及溫泉井的綜合分析取得如下認識：

(1)不同地區不同地質條件，需要的CSAMT施工參數是不一樣的，在新的工作區施工前一般要進行施工參數的選擇試驗。

(2)CSAMT法在安丘地熱勘查中顯示了良好的勘查效果，成功找到一眼溫泉，由于其勘探深度大，頻譜豐富，分辨率高，受地形影響小，高阻層穿透能力強、工作效率高、抗干擾能力強的優點[20-21]，CSAMT法地熱找水中可以查明區內斷裂構造的分布、產狀，地層特征，圈定地熱低阻異常靶區等，具有較好的適用性,是有效可行的，對以后在類似地區進行地熱勘探起到了示范作用。

(3)CSAMT法不是深部勘探的萬能方法，在該次有奧陶紀灰巖出露的高阻區域勘探深度能達到2000m左右，而由于該方法受低阻屏蔽影響較大，使其在低阻體覆蓋較厚的地區勘探深度大大降低，使用該方法做地熱勘探時需要根據實際情況慎重考慮。

[1] 劉健.淺析我國地熱工程管理的現狀、問題與對策[J].經營管理者,2014,19(2):21-28.

[2] 張秀芹,張平平,楊亞賓.山東半島藍色經濟區地熱資源與開發利用區劃[J].山東國土資源,2015,31(7):41-45.

[3] 侯建華,任天龍,朱學強，等.安丘-莒縣斷裂北段構造特征研究[J].山東國土資源,2016,32(6):1-8.

[4] 程秀明.地熱形成條件探索與找熱方法研究[J].山東國土資源,2013,29(9):31-33.

[5] 龔建洛,張金功,惠濤，等.沉積巖熱導率的影響因素研究現狀[J].地下水,2013,35(4):246-249.

[6] 蔡有兄,鐘秀.山東省魯中南地區典型地熱田概述[J].山東國土資源,2015,31(5):24-30.

[7] 李愛軍,張豐,王鵬，等.濟寧市南部地熱資源分析[J].山東國土資源,2015,31(6):31-35.

[8] 徐希強,劉善軍,王偉德，等.山東省地熱資源及勘查開發對策[J].山東國土資源,2015,31(5):31-35.

[9] 莊慶祥.福建省構造體系與深部熱物質上涌通道關系的探討[J].能源與環境,2016,(3):2-3.

[10] 鞏貴仁,唐孟武,逯光明，等.遙感技術在臨沂地區地熱資源勘查中的應用[J].山東國土資源,2008,24(10):17-20.

[11] 李靜,孫忠實,翁愛華，等.巖礦石電阻率值對成礦構造環境的判別——以夏甸金礦為例[J].黃金地質,2008,29(8):15-19.

[12] 王坤坤,天成富,李彥.CSAMT法在湯池地熱溫泉勘探中的應用[J].資源環境與工程,2016,30(1):72-75.

[13] 郭國強,郭朋,張超，等.可控源法在海陽市郭城地區鑫泰金礦床成礦規律中的應用[J].山東國土資源,2014,30(6):77-80.

[14] 張利民,王志榮,靳建市.可控源音頻大地電磁法在地熱勘探中的應用[J].中州煤炭,2011,(6):39-50.

[15] 黃力軍,孟銀生,陸貴福.可控源音頻大地電磁法在地熱勘查中的應用[J].河北地質,2013,(3):43-45.

[16] 韋乖強,趙慧,趙秀玲，等.可控源在隱伏地質構造勘查中的三維可視化應用[J].山東國土資源,2015,31(11):56-58.

[17] 程云濤.CSAMT法在廈門杏林灣尋找深部地熱中的應用[J].工程地球物理學報,2010,7(1):97-100.

[18] 劉宏,劉東琴,楊輪凱，等.CSAMT勘探方法在尋找地熱中的應用[J].物探裝備,2002,12(2):62-63.

[19] 苗景春,阮帥,張悅，等.音頻大地電磁法對正、逆斷層的精細解釋[J].物探與化探,2013,37(4):681-686.

[20] 湯井田,何繼善.可控源音頻大地電磁法及其應用[M].長沙:中南大學出版社,2005.

[21] 石昆法.可控源音頻大地電磁法理論與應用[M].北京:北京科學技術出版社,1999.

Application of CSAMT Method in Geothermal Explorationin Dawenhe River Tourism Development Zone in Anqiu City

GUO Guoqiang,ZOU Ande

(Shandong Geophysical and Geochemical Exploration Institute, Shandong Jinan 250013, China)

Rock structures will significantly reduce the charge rate due to broken water resistance near geothermal springs. Thus, obvious electric differences between water and rock structure will happen. If water structures at the same time have a certain scale, the location and the depth of aquifer can be circled by using CSAMT method. It will provide target areas for searching underground water resources indirectly. Geothermal exploration(refers to the hot springs) has been carried out in Dawenhe River Tourism Development Zone in Anqiu city in Weifang by using CSAMT method. Based on hydrology, geothermal geological conditions, according to the on-site mining, and combining with data inversion results, the specific location, the occurrence and the formation of borehole structure of the selected target faults have been identified. According to the data of the inversion results, a drilling pole has been designed, and the first hot spring in Dawenhe River Tourism Development Zone in Anqiu city has been digged successfully. The depth of the hot well is 1670m, and the capacity is 390t/d. After 72 hours continuous pumping, the water temperature is up to 53℃. The spring water is rich in 38 kinds of minerals and chemical nutrients which are necessary for human body.

CSAMT; geothermal; Dawenhe river in Anqiu city

2017-02-14；

2017-04-14；編輯：王敏

郭國強(1980—)，男，山東金鄉人，工程師，主要從事物探新技術新方法的應用與研究工作；E-mail：gsr211@163.com

P631.4

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郭國強，鄒安德.CSAMT法在安丘市大汶河旅游開發區地熱勘查中的應用[J].山東國土資源，2017,33(8)：40-45. GUO Guoqiang,ZOU Ande. Application of CSAMT Method in Geothermal Explorationin Dawenhe River Tourism Development Zone in Anqiu City[J].Shandong Land and Resources, 2017,33(8)：40-45.