基于大地电磁测深法探查干热岩的参数选择和应用研究

基于大地电磁测深法探查干热岩的参数选择和应用研究

项 望

河北煤田地质局 物测地质队，河北 邢台 054000

摘要：干热岩作为能源新星，以热岩体的形式赋存于地下，地热异常与地质构造的大背景以及深大断裂构造有关，大地电磁测深法是地球物理勘查的一种技术手段。本次研究在沧州献县研究区进行大地电磁勘查，工作开展之前通过详细的实验比对选用合适的参数，将接收的大地电磁测深数据进行反演处理解释，分析本次勘查目的层的电性模型，对比已知地质资料，选择干热岩有利的钻探孔位。

关键词：干热岩；大地电磁；参数；选孔

0 引言

干热岩作为清洁能源，具有较高的研究价值和开发前景，目前，怎么利用好干热岩资源受到了全世界的关注，干热岩地热资源开发将迎来革命性机遇发展^[1]。干热岩所处的地热系统为增强型的系统，一般指埋深数千米，温度在150～650℃之间，内部仅有少量或完全不存在流体的高温岩体。我国干热岩储量丰富，分布广泛，但干热岩的提出和利用尚属于起步和探索阶段，在此阶段，干热岩资源调查与评价、勘查和选址，开发和环评^[2]等技术方法领域都急需加大研究力度。现阶段，受一些因素影响，干热岩资源一般指温度高埋深浅的具有一定开发价值的热岩体，一般温度大于180℃。

地球物理方法较早应用于地热探测，形成了一套完备的探测技术和数据处理、解释方法^[3-7]。大地电磁法是探查较深层电性特征与构造的一类物探技术，此次选用该方法在沧州献县进行干热岩资源勘查，通过细致和详尽的试验，选择适合的施工参数；对采集结果进行处理解释；绘制目的层的电性构造反演模型，为钻探选孔提供依据。

1 区域地质概况

研究区地层由老到新为中元古界长城系、蓟县系；上元古界青白口系；古生界寒武系、奥陶系地层，新生界第三系、第四系地层。研究区处于中朝准地台（Ⅰ级）、华北断坳（Ⅱ级）、沧县台拱（Ⅲ）构造单元内，其西部为冀中坳陷，东部为黄骅坳陷，南部为临清台陷。预查区基底构造分区图。区内又发育有大城凸起、里坦凹陷、献县凸起、阜城凹陷、兴济凸起等次一级的坳陷、凸起。其中沧东断裂是平原地区的一条重要的隐伏断裂，北起丰润与唐山之间，向南经过天津、沧州、德州、大名延至河南，总体走向为NE30°，倾向SE，倾角30°，垂直断距为3-5km，属一正断层，中生代产生，并伴随有频繁的火山活动。据地震测深资料证实，断裂属硅镁层断裂，已经切穿整个地壳。断裂两盘的新生界发育程度差异较为明显。据航磁与地震资料分析，结合钻探资料，西侧第三系直接覆盖在古生界或中-上元古界上，中间有下第三系和中生界缺失，东侧则隐伏着巨厚的下第三系。该断裂是控制沧县台拱和黄骅台陷的构造分界线。献县断裂为继承性断裂，自太古代至新生代都在活动，具有延伸长、断距大的特点，断层西侧的饶阳凹陷基岩埋深3km左右，东侧的献县凸起基岩埋深1300m左右，献县断裂两侧基岩埋深差超过1km。

2 试验参数选择

不同工区、不同目的层埋深、不同的地质任务应在施工前进行充分的试验工作，从而选择合理的施工参数，这样才能够采集到高质量的第一手数据，才能够为资料的处理和解释打下牢固的基础。本次大地电磁测深工作生产前我们选择了对电极距、观测时间和固定增益等参数进行了试验和参数选择。

2.1电极距试验

根据本区地质任务要求，电极距选择了60m、90m两个数值进行试验，所测曲线如图1、2。

图1 电极距60m所测曲线

图2 电极距90m所测曲线

信号强度随电极距增大而增强，干扰信号也同样被增强。从图1、图2两条曲线可以看出：电极距60m时，曲线尾枝明显好于电极距90m时。因此选择电极距60m。

2.2观测时间试验

根据本区地质任务要求，本区探测深度为5000m左右，我们在测线某测点处用MTU-5大地电磁仪连续观测24小时，然后对测量的时间序列进行分段裁剪，确定最佳观测时间。分段曲线如下：

图3 24小时观测曲线

图4 12小时观测曲线

图5 8小时观测曲线

图6 6小时观测曲线

通过对比分析24小时、12小时、8小时和6小时的观测曲线，连续观测24小时曲线较为平滑，所以本区选择观测时间为24小时。

2.3固定增益的试验

对于固定增益的选择，强噪音干扰区，高增益易产生饱和记录。因此技术要求在保证不产生饱和记录的情况下酌情提高增益。项目组分别选用Low Gain(低增益)和Normal Gain(中增益），观测测线如下：

图7 低增益观测曲线

图8 中增益观测曲线

中增益测线跳动较明显，而低增益相对平滑，项目组决定选择Low Gain(低增益)。

3 采集数据的处理与解释

3.1资料处理

资料处理是重要的一步，把野外采集到的时间序列的数据经过多种方法的处理得到反演成果图，为下一步解释工作铺垫。大地电磁测深处理的流程一般可分为四步：数据预处理、资料处理、定性分析、定量解释

^[8]。

（1）人工选择时间序列技术

人为选择时间序列是通过人员手工操作完成提取并删除近场干扰、人文干扰、电磁干扰和随机噪声干扰的较好技术，需要操作者有丰富的工作经验和理论知识。

（2）自适应相干度门坎值选择技术

选择相对合适的相干度，以达到门坎值的固定非常必要。如果选择的值过小，某些强烈畸变的谱矩阵会参与计算；如果值过大，大量的谱矩阵就会被过滤掉不参与计算。这两种情况都是不科学的，为了避免这两种情况，我们设置了相干度门坎值的自设技术，这样就能根据频段不同设置不同相干度因子，从而得到更为科学的结果。

（3）Robust

目前，大地电磁测深法资料的处理方法很多，如互功率谱法、Robust法、窄带滤波法、最小二乘法、拟地震法等。^[9]本次大地电磁测深资料处理应用了Robust法。这种方法主要是解决原始资料非高斯噪声污染的问题，用来提高信噪比的效果。

Robust（相干因子）是水平电场和全部磁场的全局相干因子，只处理相干因子最大（信号一致性最强）的那些数据。Robust（电阻率离差）是将利用相干因子比较选出的电场和磁场值计算视电阻率，并挑选出相干因子最大的。经过Robust算法处理的数据质量可以大大提高，得到的阻抗张量元素更可靠。

（4）反演

反演采用基于非线性共轭梯度算法^[10]的软件，反演过程中试算了不同反演模式的多个结果，最终选定模型参数。L1，L2和L3三条测线的反演结果可对比性强，一致性良好。

3.2 资料解释

通过二维反演得到电性结构模型，本文选取了L2线的反演模型，见图9。

图9 L2线大地电磁测深法综合解释断面图

L2测线共布设13个测点，点距1000m，剖面长度12000m。从已知的区域地质平面图可知L2线位于第四系覆盖区。结合反演电阻率断面图分析，新生界地层在图上表现为蓝色及浅蓝色区域，视电阻率值小于200Ω·m。根据B线6、7号点之间已知钻孔“献1”揭露地层信息显示，该钻孔位置新生界底界面埋深约1032m，结合反演电阻率断面图，1032m以浅为蓝色区域及部分浅蓝色区域，与钻孔揭露相符。根据L2线9、10号点之间已知钻孔“XX14”揭露地层信息显示，新生界底界面埋深大于1300m，与反演电阻率断面图中显示的蓝色区域及浅蓝色区域相符，该已知钻孔终孔于1300m，未打穿新生界，结合反演电阻率断面图，“XX14”终孔位置未达到黄色区域，与钻孔实际揭露地层信息相符。总览L2线反演电阻率断面图，通过已知钻孔资料和大地电磁测深资料综合分析，推断蓟县系地层为无穷大电性标志层，无穷大电性标志层的地层分界线即反演电阻率断面图上视电阻率值表现为800Ω·m的黄色区域与绿色区域分界线，分界线在推断地质剖面图中用红色分割线表示。深红色区域与褐色区域分界线推断为中元古界的蓟县系与长城系分界线，即视电阻率值为2000Ω·m的红色分割线。无穷大电性标志层于1号点埋深约1500m左右，自西北向东南埋深逐渐变浅，至7号点处埋深约1100m左右，自8号点向东南埋深逐渐变深，在9、10号点之间视电阻率等值线变密变陡，推测该处有断层存在，即断层F。本次施工钻孔GRY1孔拟布设在L2线4号点与5号点之间，依据上述解释，L2线的4号点到5号点之间蓟县系地层埋深相对较浅，地层连续性较好，设计孔位合理。新生界直接覆盖在蓟县系之上，蓟县系埋深根据综合剖面图所示，推断约为1350m，长城系埋深推断为3700m。

4 结语

沧县干热岩体的形成与该地区较高的地热流值及两条深大断裂构造有关，两条断裂纵向切割深，能够传导深部热源，为本地区丰富的干热岩资源创造了良好条件。大地电磁法在本区探查时，通过多参数的试验工作，详细比对，选择了最适合与本区域的施工参数，同时进行了严谨而完整的数据处理和资料解释流程。绘制出了本区域目的层电性构造模型，选取了干热岩钻探施工孔位，后经钻探验证，孔底温度达到设计要求，不仅验证了该地区深部热源赋存条件，也为下一步地热梯度利用提供了基础。

参考文献

1. 殷秀兰.2008.干热岩地热资源利用前景无限[N].中国矿业报，（B04）.

2. 冉恒谦，冯启赠.我国干热岩勘查的有关技术问题[J].探矿工程，2011（3）:3-8

3. 王晓星，吴能友，苏正，等.2012.增强型地热系统开发技术研究进展[J].地球物理学进展，27（1）:355-362，doi:10，6038/j.issn.1004-2903.2012.01.041.

4. 秦其明，李百寿，崔容菠，等.地热井的天然源超低频电磁探测影响因素分析[J].地球物理学报，2010,53（3）:685-694.

5. FITTERMAN D V，石精华，俄勒冈州Newberry火山区的地壳结构及地热潜力综述[J].地球物理学进展，1989（1）:111.

6. 周厚芳，刘闯，石昆法，地热资源探测方法研究进展[J].地球物理学进展，2003，18（4）:656-661.

7. 柳建新，郭振威，郭荣文.等.CSAMT和重力方法在狮子湖温泉深部地球物理勘查中的应用[J].地球物理学进展，2009,24（5）:1868-1873.

8. 柳建新，童孝忠，郭荣文，等.大地电磁测深法勘探-资料处理、反演与解释[M].北京:科学出版社，2012.

9. EGBERT G D,BOOKER J R.Robust estimation of geomagnetic transfer functions[J].Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society,1986,87（1）:173-194。

10. RODI W，MACKIE R L.Nonlinear conjugate gradients -algorithmfor 2-D magnetotelluric inversion [J]. Geophysics, 2001(1):174-187.

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