大地电磁测深法在地热勘探开发中的应用

范存章FAN Cun-zhang

（河北省邢台地质局第二地质队，邢台 054000）

0 引言

地球内部蕴藏着巨大的能量，该能量能通过热能的方式传播热量至地壳上层[1]。因此，地热资源已成为“双碳目标”背景下不可或缺的新能源之一，其开发利用日益受到重视。勘探区域位于河北张家口西北部，由于缺乏该区域详细的地热资源勘查资料，需要通过地球物理手段查明查明工作区热储层埋深等情况[2]。因此，先进的物探技术查成为寻找地热资源的重要手段。根据现有的资料查明含热储层电阻率比非储层低，可以将地下岩层低阻异常作为地热资源判别的重要标志，大地电磁法成为常用的地热资源勘查手段，是一种简捷、有效并且直观的地球物理勘探方法，在地热勘查中得到了广泛的应用[3，4]。

1 大地电磁测探法原理及理论依据

大地电磁测深法一种利用天然场源的电磁勘探方法。基于高频电磁波向地下穿透深度小，低频电磁波穿透深度大的原理，通过在地面一点主要观测频率范围为的大地电磁脉动信号，并经数据处理和分析，求得反映该点不同深度电性分布的大地电磁测深视电阻率曲线，以及计算出阻抗张量，进而做出地质解释。主要用于研究地壳上地幔的电性结构，如地壳内和上地幔高导层的发现对构造动力学提供了依据；还广泛用于油气田、地热田等的普查与勘探，具有探测高阻覆盖层以下的地质构造优势[5，6]。本次大地电磁测深野外数据采集采用张量测量法，观测天然电磁场的4 个水平分量（Ex、Ey、Hx、Hy），布极方式为“十”型，电极距为60m，用手持GPS 量取距离，误差不超过1m，布极方向由森林罗盘仪精确定位，偏差不超过1 度。

2 区域地质概况

研究区位于河北省西北部的宣化区，地处张家口市经济隆起带“黄金岛”中心位置，是连接北京、张家口的通道，东与北京市相交，北邻内蒙古，南部为保定市，是沟通京、津与冀、晋、蒙西部地区物资贸易和流通的枢纽城市，境内公路、铁路运输通畅、便利。根据张家口市宣化区拟设地热调查区块规划，本次大地电磁测深工作在河子西区块展开。河子西区块位于宣化区中北部，面积约1.5km2。比邻宣化市区，110 国道和112 国道在区内交汇，京张高速从该区块北部穿过，张石高速从该区块西南部穿过，又有铁路干线，路网四通八达，交通极为便利。

2.1 地层 工作区内地层大部被第四系覆盖，局部有基岩出露，根据地表出露及邻区钻孔资料，调查区发育的地层由老至新分别为：新太古界桑干岩群（Ar3S）、中元古界蓟县系铁岭组（Jxt）、新元古界青白口系下马岭组（Qnx）、中生界侏罗系下统南大岭组（J1n）、中统下花园组（J2x）、九龙山组（J2j）、髫髻山组（J2t）、上统土城子组（J3t）及第四系（Q）。从大地电磁测深综合剖面图中得出，工作区自西南至西北，地层由新到老、由厚变薄，倾角由小变大。

2.2 岩浆岩 工作区仅在侏罗系地层中有一套含火山碎屑的河流相沉积建造。主要岩性为火山角砾岩、凝灰岩等。

2.3 构造 工作区大地构造位置处于中朝准地台（Ⅰ）、燕山台褶带（Ⅱ）、冀西陷褶断束（Ⅲ），宣龙复向斜（Ⅳ）、宣后向斜（Ⅴ）的中央部位。工作区位于宣后向斜的西北翼。宣后向斜以其宽缓的褶皱和四周太古界及元古界地层大片出露为特征，并被其外围的水泉-洗马林断裂、黄羊山-鸡鸣山逆掩断层带和怀安-宣化断裂所围割。

3 地球物理特征

工区内各地层的物性参数主要是导电性等资料综合分析得出，相关资料统计见表1。

表1 物性统计表

4 野外工作及资料解释

4.1 野外工作 本次测量工作所选用的测量仪器主要是银河6 双频GPS 接收机（南方测绘公司），接收机标称精度为2.5mm+1ppm。本次测量时间周期为2 天，共完成大地电磁测深点51 个，质量检查点2 个。在收集、分析已有地质、遥感、储层特征等方面工作成果资料的基础上，推断分析重点区内大致地质环境、地形地貌和构造基本情况。在大致垂直于区内地层或构造走向的方向布置测线，展开大地电磁测深工作，在通过资料处理、解译，大致了热储层、断裂构造分布情况，结合区域资料分析深部地热场的成因机制。

4.2 探测资料处理解释 通过野外工作，实时监测数据变化，并对各项试验数据和各区测点数据误差进行统计，绘制各项试验曲线及单支曲线并对曲线质量进行评级。为了获得更高质量的资料处理结果，在室内对每个MT 点的时间序列原始数据进行了再处理，并采用多种方法突出有用信号，抑制干扰，提高资料的性噪比。

根据测深工作以野外实测数据，充分借鉴前人的地质、物探工作经验和研究成果，以及研究区地球物理场的分布规律及特征，大体划分了盖层与热储目的层的界面。从地电断面可知，3 条测线断面都有纵向分层，2 条测线断面有横向分块的特点，这一特点反映了区内隐伏地层及构造的特征。盖层总体以低阻为主（模型电阻率范围1～100Ω·m），热储层则总体以相对高阻（电阻率范围100～300Ω·m）为主。隐伏断裂则表现为电性梯级带、等值线出现扭曲变形或不连续。

MT1 剖面（图1），测点21 个，剖面方向45°，点号由西南至东北递增。图1 为MT1 线大地电磁测深综合剖面图。总体来看，电阻率电性层倾角较大，成西南低阻东北高阻。根据电性断面形态结合地质资料推测存在3 条断裂，编号为HF1、HF2、HF3，其中HF1 断层与遥感解译断层位置比较吻合。

图1 MT1 线综合剖面图

HF1 断层位于工作区北部山前，断裂上断点位于MT1-17 和MT1-18 之间，物探解释为张性正断层，倾向西南，倾角约70°，断距约200m。

HF2 断层的上断点位于MT1-14 和MT1-15 点之间，电阻率显示带状低阻，物探解译为张性正断层，倾向西南，倾角约65°。

HF3 断层的上断点位于MT1-7 点附近，电阻率显示低阻漏斗区，物探解译为张性正断层，倾向西南，倾角约65°；受HF1 断裂影响，断层两侧均出现电阻率梯级带及扭曲等特点。

MT2 剖面（图2），测点6 个，剖面方向45°，点号由西南至东北递增。图2 为MT2 线大地电磁测深综合剖面图。总体来看，电阻率电性层倾角平缓。断面图未出现电阻率梯级带及扭曲等特点。

图2 MT2 线综合剖面图

MT3 剖面（图3），测点21 个，剖面方向45°，点号由西南至东北递增。图3 为MT3 线大地电磁测深综合剖面图。总体来看，电阻率电性层倾角较大，成西南低阻东北高阻。受HF1 断裂影响，断层两侧均出现电阻率梯级带及扭曲等特点。MT3-8 和MT3-10 之间出现低阻漏斗，推断为高铁、高压线影响所致。

综合分析，重点区盖层主要为侏罗系和第四系，厚度约700m，岩性主要为泥岩、页岩、砂岩、砂砾岩，其中泥岩占比不大，隔水和保温效果一般。

HF1 断裂带沿蓟县系和青白口系地层界限展布，为工作区影响最深的断层，成为主要的导水通道，浅层地下水或地表水通过断层破碎带运移至热储层或更深的地层中，形成较好水源补充。雾谜山组白云岩地层裂隙较发育，均未较好的导水通道。

重点工作区地热成因属于层状地热增温型+断裂导热型。因蓟县系雾谜山组白云岩岩溶裂隙较发育，且存在较好的导水构造，推断热储水量较丰富。重点区热储盖层约700m，且隔水保温效果一般。

5 结论

①本文从研究区的地层、构造等地质资料为出发点，介绍了大地电磁法在张家口地热资源勘查中的应用情况，由反演电阻率剖面图推断区内的断裂及储热层的埋深及厚度，经钻孔验证证明大地的磁法勘查在张家口寻找地热资源方面是可行的。②通过本次物探工作，推断断层3 条，即HF1、HF2 和HF3，其中HF1 断层规模较大，影响范围较广，为工作区主要断裂带。并对各个断层属性进行了分析。