AMT方法在地热勘探中的应用——以田湾河大热水地热勘探为例

蒋耀曦 赵学钦 张 刚 牛 毅 吕聪聪 柴沛然

（1.西南科技大学环境与资源学院 四川绵阳 621010；2.中国石油宝鸡石油机械有限责任公司 陕西宝鸡 721002）

随着清洁能源需求的不断增加，地热相关产业蓬勃发展，尤其是在“碳达峰、碳中和”国家战略目标的前提下［1］，加大对地热资源的勘查与开发力度已经成为我国能源战略的一个重要方向［2-4］。研究表明新构造运动形成的盆山构造格局控制着不同类型地热田的展布［5-6］，山区地热资源的形成与断裂构造关系密切，地热资源的分布与断裂构造分布往往存在一致性的特点［7-8］，地热水源的补给、运移、热传导的通道和热水的储集又常与断裂破碎带有关［9］。因此，在山区地热资源勘探中，查明断裂的空间展布特征是地热勘探工作的关键。作为地热资源调查的一种重要手段，地球物理勘探方法在地热勘探中广泛应用，如重磁联合法、测氡法、测温法以及电磁法广泛用于地热资源勘探［10-15］，其中电磁法是最传统的方法之一。比较常见的电磁法有电磁测深法（MT）、音频大地电磁法（AMT）［16］和可控音频大地电磁法（CSAMT）等。AMT方法因具有频谱丰富、不受高阻层屏蔽、对低阻层识别度高、探测深度大、工作效率高等优点［17-20］被广泛使用并取得了较好成果［21-26］。

四川石棉县田湾河流域地热资源丰富，研究区内现已发现药王庙温泉、小热水温泉、汤家坪温泉、大热水温泉、豆芽子沟温泉等多个出露的温泉点（图1）。为了进一步查明该区域地热资源赋存规律，针对性寻找地热优势区，本文在野外地质调查基础上采用AMT方法对大热水温泉区进行地热勘探，分析研究区内地下地层变化、岩性特征、断裂构造和热储层空间分布情况，在此基础上布置地热钻探井，旨在查明研究区地下断裂构造和热储层的分布特征，为该区地热资源的研究和开发利用提供科学依据。

图1 研究区区域地质图Fig.1 Regional geological map of the study area

1 地质概况

研究区位于四川省雅安市石棉县西北部，地处横断山脉东缘，属川西高原与四川盆地的过渡带（图1（a））［27］。区域构造总体格局属川滇经向构造带北端与青藏滇缅印尼巨型“歹”字型构造的头部向中部转折部分［28］，区内主要深大断裂带有NW 向鲜水河断裂带及SN向康滇断裂带，地质构造复杂，发育一系列走向为NW10°～40°的断裂和SN向褶皱。伴随构造运动，有花岗岩的侵入及强烈的区域变质。研究区出露地层比较简单，主要为二叠系地层和第四系全新统地层，岩性以大理岩、变质砂岩、火山岩-玄武岩、碎屑岩为主。第四系全新统地层主要为冲洪积砂、砾石和坡残积砾石、岩屑、砂粒、粉砂土等，分布于河谷、山坡地带及平缓洼地内，局部还有冰水堆积物和化学沉积物。

研究区周围主要有4处出露地表的温泉、2处人工地热井和1处地热异常点（图1（c）），热水水温为20.0～45.0℃，流量为3.0～26.0 L／s。其中大热水温泉泉口位于田湾河右岸山坡坡脚，出露于第四系松散堆积物中，下伏地层为二叠系上统的大理岩、片岩等变质岩，泉口处水温约42℃，流量为26.0 L／s，具备较好的地热异常条件，但开发程度较低，主要用于村民的洗浴。

2 物探数据采集和处理

2.1 数据采集

本次野外采集工作采用具有卫星同步功能的V8多功能电法测量系统。根据工作区地层展布、构造特征及地形地貌，在研究区共布置4条测线，测线上距离20 m布置测点，总计102个测点，按所在位置与起始位置的距离对测点进行编号，记为点号，如图1（d）、表1所示。野外观测使用EH-4连续电导率成像系统进行数据采集，采用“十字”布极方式采集Ex，Ey，Hx和Hy的四分量电磁场数据，主方位与磁南北方向一致，困难地段测点适当旋转方向（角度不超过15°），每个测点采集时间为50 min，以获取10 400～0.35 Hz频率范围的测深曲线。

表1 研究区大地电磁法野外采集数据表Table 1 Field collection data table of magnetotelluric m ethod in the study area

2.2 数据处理

数据预处理：利用IMAGEM软件对数据进行预处理。预处理之前还需对野外数据进行处理。在野外数据采集过程中，研究区内存在村庄、高压输电线等多种人为干扰因素，因此需要对测量数据进行判别，根据数据曲线进行数据截取，选择质量符合要求的数据再进行处理；噪声干扰比较严重的数据，采取多次重复采集或者选干扰少的时段再进行采集。个别测点采集质量无法提高被舍去，避免采集的数据对后期反演解译带来异常信息。

反演处理：预处理后，利用Winglink软件进行AMT二维反演成像，反演方法为渐近线交点近似法（Bostick）。在反演成图以后，结合地质资料对电阻率断面进行综合解译，以获取电学地质断面图（图4-图7）。

3 断裂带的地质特征

区域地质和野外调查显示研究区主要发育两条断裂（图1（c）），分别为草科断裂和猫猫石-草科断裂（F）。草科断裂北起湾东之西，向南分为两支，大致平行延伸至草科东部后合二为一，长度达23 km以上，北段走向近南北，南段走向为北西20°，断裂在二叠纪变质岩层中，断面东倾，倾角70°～80°，断距在500 m以上。猫猫石-草科断裂为本次研究首次发现的断裂，断裂从西到东呈北西西—近东西—北东向弧形向南凸起展布，向南陡倾，倾角为65°～80°。该断裂的地质特征在多个方面均有体现：（1）该断裂在遥感影像和地形地貌上显现清晰（图1（c）），基本上沿田湾河谷和左右两岸延伸；（2）陈家沟沟口对岸和和平村对岸断裂带内与断裂上下盘围岩石英脉有揉皱现象，断裂内透镜体化，泥化发育，岩石破碎，局部岩层近于直立（图2（a）、图2（b））；（3）受到断裂的影响，田湾河左岸（断裂下盘）石英片岩挤压为杆状（图2（d））；（4）该断裂下盘围岩岩体破碎，在坡脚形成大量的崩塌堆积体（图3（a）、图3（b））；（5）田湾河河床两侧基岩多现揉皱现象（图3（c）），（6）田湾河左岸山体因断裂作用而形成陡壁（图3（d））。

图2 猫猫石-草科断裂（F）的地质特征Fig.2 Geological characteristics of Maomaoshi-Caoke fault（F）

图3 猫猫石-草科断裂的地质特征Fig.3 Geological characteristics of Maomaoshi-Caoke fault

4 物探反演和地质解译

根据野外地质资料，对4条AMT测线进行反演和地质解译（图4-图7），结果显示研究区地下地层结构大致可分为第四纪松散堆积物、晚二叠世变质岩层和断裂破碎带3层。第四纪松散堆积物主要为砂、卵、砾石、岩块、碎石层，电阻率一般为几十Ω·m，相对其他地质体表现为低阻，完整的晚二叠世变质岩电阻率一般几百到几千Ω·m，表现为高阻，但构造破碎会使得孔隙度和流体含量增大，电阻率将会下降到几百甚至几十Ω·m而表现为低阻异常。

图4 L1线反演电阻率拟断面图及解译图Fig.4 Pseudo-section diagram and interpretation diagram of inversion resistivity of L1 line

图4为研究区L1线AMT电阻率反演剖面图及地质解译图。从图4可以看出，不同地层之间电阻率差别较大，电阻率范围值介于1～5 000Ω·m之间，局部有明显圈闭异常。测线范围内覆盖层厚度中等，第四系松散堆积物厚度50 m左右，电阻率等值线沿测线展布平缓，部分测点有圈闭异常，整体表现为低阻特征，电阻率一般为10～150Ω·m。标高1 100～1 450 m范围内有高阻体发育，厚度为200～350 m，沿测线向北东方向，高阻异常圈闭较多，厚度逐渐增大，电阻率值为150～5 000Ω·m。反演剖面图标高1 100～1 200 m、点号1000-点号1200间整体表现为低阻异常。点号1100-点号1200，电阻率在垂向上变化突出，整体表现为低-高-低阻交替出现，沿测线方向（北-南）电阻率表现为高-低-高电阻异常，变化畸变严重。在点号1100-点号1300之间，高低阻显示明显差异，有一倾向南、倾角为65°～80°、宽度60 m左右的低阻带发育，推测该低阻带为断裂构造发育的位置，低阻带在深部延伸较大。分析认为该低阻带下部为储热层，与浅部连通性较好，根据野外地质调查成果，结合区域地质情况，该特征反应了猫猫石-草科断裂的浅部特征。

图5为研究区L2线AMT电阻率反演剖面图及地质解译图。从图5可以看出，测线范围内第四纪覆盖层分布不均，在点号2050-点号2250之间30 m深度范围内的电阻率相对较高，约为150～500Ω·m，推测为下伏角闪石英片岩地层。在标高1 100～1 430 m范围内的高阻体推测主要为晚二叠世变质岩，厚度在300 m左右，断面范围内等值线沿测线起伏变化明显，中高阻异常圈闭较多。在反演电阻率剖面图沿测线方向电阻率表现为高-低-高电阻异常，变化畸变严重。在点号2150-点号2300之间，左右高低阻显示明显差异，根据特征可推测为断裂构造带，该断裂具有一定的倾向，与浅部连通性较好，该断裂与L1线反演剖面图推断上的断裂构造带位置、宽度基本一致，说明了推断的可靠性。

图5 L2线反演电阻率拟断面图及解译图Fig.5 Pseudo-section diagram and interpretation diagram of inversion resistivity of L2 line

图6为研究区L3线AMT电阻率反演剖面图及地质解译图。图6显示，测线范围内第四纪覆盖层厚度不均，测线西端第四纪覆盖层厚度为5～10 m，测线东端覆盖层厚度为10～30 m，总体上沿测线（西-东）方向覆盖物厚度逐渐增大。标高1 100～1 450 m范围内的高阻体推测主要为晚二叠世变质岩，厚度在350 m左右，断面范围内等值线沿测线起伏变化明显，电阻率值为200～5 000Ω·m。在标高为1 250～1 350 m、点号4380-点号4460的范围内电阻率范围在15～60Ω·m之间，表现出明显的低阻异常，结合L1，L3测线及点号位置推测此低阻体是猫猫石-草科断裂在西-东方向上的反映。

图6 L3线反演电阻率拟断面图及解译图Fig.6 Pseudo-section diagram and interpretation diagram of inversion resistivity of L3 line

图7 为研究区L4线AMT电阻率反演剖面图及地质解译图。图7显示，测线范围内第四纪覆盖层厚度不均，表现为中间薄东西两端厚的特点，其中测线西端第四纪覆盖层厚度为50～70 m，测线东端覆盖层厚度为5～50 m。从图6和图7可看出，在同一测区大致同一方向的L3线和L4线都在与L1交点点位附近表现出地电剖面形态相似和地质构造类似的特征。在第四系覆盖物以下，标高1 100～1 400 m、点号6000-点号6250范围内电阻率在15～60Ω·m之间，有宽度大约200 m的低阻带发育，低阻分布范围相对较大且向下有较大延伸深度，推测为断裂构造发育的位置，与点号6250-点号6650范围内地层电阻率（200～5 000Ω·m）表现出明显的差异，结合L1，L3和L4测线及点号位置推测此低阻体也是猫猫石-草科断裂在西-东方向上的反映，同时验证了前面的推测。

图7 L4线反演电阻率拟断面图及解译图Fig.7 Pseudo-section diagram and interpretation diagram of inversion resistivity of L4 line

5 结果及钻探验证

根据研究区AMT二维反演结果分析，结合现场地质地貌特征布置了一口地热勘探井（ZK01），地热井位于田湾河左岸，L1测线点号1140点位附近，最终井深为96.2 m。ZK01钻遇地层详情见图8。可以看出此处第四系地层厚度为39.5 m，第四系地层以下主要为二叠系变质岩层，岩性相对比较复杂，钻探揭露至47.4 m时出现涌水现象，涌水量约100 m3／d，水柱高度约9 mm，井口水温44℃。钻探至85.2 m处涌水量突增，现场测定流量为1 225.68 m3／d，井口水温45℃。

结合AMT方法L1线二维反演综合分析，钻井位置以下0～50 m与周围围岩存在明显的电性差异，表现为低阻，电阻率为64～150Ω·m，地表以下80～100 m与周围围岩存在明显电性差异，表现为低阻，电阻率为110～150Ω·m，推断此两层为破碎带含水层，两层之间为高阻层，电阻率为150～500 Ω·m，与ZK01井钻井资料吻合。钻井结果表明AMT解译推断与实际情况基本吻合，AMT方法可以很好识别出破碎带含水低阻区的异常信息，能准确反映研究区内热储层的空间分布。

综合上述反演结果和钻井实际，结合研究区地质资料和野外地质调查，认为研究区内发育一条主断裂（猫猫石-草科断裂），断裂沿田湾河谷呈NWW 近EW-NNE向向南凸起的弧形延伸，长约35 km，宽约60 m，与浅部有比较好的连通性。该断裂不但是控制田湾河两岸一系列温泉、地热井和地热异常的主要控制性断裂，也是地下热水上涌的主要通道。同时推断该断裂下部较深的中心位置有温度比较高的地下热水，浅部的热水主要来自于下部热储层的补给。

6 结论

（1）AMT方法能够获取可靠的电阻率信息进而反映地质体的空间展布特征。在本次利用AMT方法对研究区进行地热探测中，AMT电阻率在断裂破碎带和热储层上均有异常反应。断裂破碎带与周围围岩电阻率有较大差异且呈不连续变化，断裂破碎带整体表现为低阻异常；热储层电阻率部分点位表现为低阻圈闭异常，整体表现为明显的低阻异常。

（2）根据研究区野外地质资料、AMT二维反演及钻探成果表明：研究区存在一条东-西走向的断裂（猫猫石-草科断裂），断裂形成宽度大约60 m的断裂破碎带，断裂在深部延伸较大且与浅部地下水有比较好的连通性；该断裂为研究区地热导水构造，同时控制了研究区地热资源的分布；推断断裂带下部较深位置有温度比较高的地下热水，浅部的热水主要来自于下部热储层的补给。

（3）AMT方法在地热探测中的反演成果与地质实际情况有比较好的吻合，能识别地下断裂破碎带及含水低阻区的异常信息，进而有效识别热储层的分布情况，可在地热资源勘探中推广应用。