薛 永 军
(山西省第三地质工程勘察院，山西 晋中 030620)
地面电法在地热探测中的应用
薛 永 军
(山西省第三地质工程勘察院，山西 晋中 030620)
结合山西榆次区地热探测实例，通过对该地区地质特征、地质构造及地电场特征的分析研究，选择采用地面物探电法可控源音频大地电磁法及直流电测深法对该地区地热资源进行了勘测，实践表明地面电法在地热勘查方面有着明显效果，值得推广应用。
地热资源，勘测，地面电法
0 引言
地下热水是一种新型的环保能源，与煤炭资源相比，不仅环保、清洁、污染小，而且又是一种可再生能源。近年来，随着人们生活水平的提高，生活质量和生存观念的改变，地热能源愈来愈受各国人民所喜爱，地热开发后，集医疗与保健(洗浴)、供暖、旅游度假与房地产开发于一体，具有良好的社会效益和经济效益，应用前景广阔。随着经济飞速发展，对地热资源的开发力度不断加大，各地纷纷开展地热资源勘测工作，地面物探电法可控源音频大地电磁法和直流电测深法在勘查工作中发挥了其不可替代的作用。通过对山西省榆次区地热探测的实例证明，此两种方法在地热勘查方面有着明显的效果。
依据以往地层、地质、构造等资料，山西晋中榆次区辉举村一带有储藏地下热水的可能，为今后地热资源的开发利用，我单位对该区域的地热资源进行勘查。为进一步确定地下热水的赋存状况，本院接受委托后在充分收集、整理、分析以往地热勘查成果的基础上，最终确定采用地面物探电法可控源音频大地电磁法(Controlled Source Audio-frequency Magnetotellurics，简称CSAMT)及直流垂向视电阻率测深法(对称四级装置)对本区进行了探测。
1 地质特征
勘查区位于山西省晋中盆地东北部，地势东高西低，北高南低，总体向盆地和潇河方向倾斜，低山和丘陵多于平川。山区基岩裸露，山坡平缓，海拔标高在1 100 m～1 300 m，最高峰为五里山，海拔1 388 m。西部张庆乡和西河堡、小张义一带，海拔769 m～772 m。丘陵区多分布于山前地带，地形坡度为5°～8°倾向盆地和潇河河谷，沟谷发育，多呈“V”形谷，海拔标高850 m～1 100 m，潇河河床宽50 m～300 m。
测区表层为新生界第四系全新统地层，附近钻孔揭露下伏地层依次为第四系厚度36 m，三叠系二马营组厚度294 m、下统和尚沟组及刘家沟组地层厚度576 m、二叠系上石盒子组厚度295 m、下石盒子组厚度120 m，石炭系山西组厚度70 m、太原组厚度155 m、晋祠组厚度42 m，奥陶系峰峰组厚度163 m、上马家沟组厚度140 m。
2 地质构造
榆次区在区域构造上位于祁吕山字形构造东翼，山西多字形构造晋中挽近槽地的东北侧，区内从古生代到新生代经历了多次构造变动，在长期不同应力作用下，形成了一系列不同时代及不同形态的褶皱、断裂等构造形迹。
晋中断陷盆地是第三纪末喜山运动造成的内陆性沉积断陷盆地。自第三纪以来，盆地区边山大断裂及一些隐伏性质不明断阶仍在继续活动，蕴藏着不同构造发育特征的热储地层，导致热异常频繁出现。盆地区地热资源温度一般属于“低温地热资源”，水温介于25 ℃～90 ℃之间。断陷盆地是控制地热形成与赋存的一级断裂；沿边山大断裂可沟通盆地深部地热资源；盆地浅埋型—深埋藏的隐伏断阶、断凹、断凸及边山次一级断裂是控制地热异常热储层，储存、蕴藏、热储富集规律，地热流体发育富水性及地热水温度的基础性先行条件，在盆地区寻找地热，首先要查清基底构造分布特征及基岩顶板埋深等地质形迹。
3 地电场特征
1)地下热水的电性异常特征。
岩石和水的电阻率均与温度有密切的关系，当水的温度高或岩石孔隙、裂隙中充填有热水时，它们的电阻率将会明显降低，温度越高，视电阻率越低；水的矿化度不同，电阻率也不同，矿化度越高，电阻率越低，地下热水的矿化度往往比普通水要高，这就造成了普通水和地下热水不同的电阻率差异。
经以往我们对地深井热水和普通冷水分别进行了不同温度时的电阻率测试，其结果基本符合上述情况，随着温度的升高，电阻率明显下降，在相同温度时，两种水的电阻率也有一定差异。在相同岩性的岩体中，由于深部的热传导或断层影响，同样可产生低阻异常，所以在本区采用可控源音频大地电磁测深法和视电阻率测深法圈定低阻地热异常范围，是具备较好的地球物理前提条件的，能够取得预期的地质效果。
2)地质构造电性异常特征。
本工区地层横向有层状分布特点，不同岩层具有不同的导电性，在横向上导电性相对均一。地层均匀连续时，相应的地电断面上视电阻率等值线均匀平滑，纵向有断层等构造分布时，横向上视电阻率的均匀变化规律遭到破坏，电阻率等值线在横向上表现出明显的错断，这就是本次探测的地球物理前提。
本勘探区地表为剥蚀～堆积的丘陵～丘间地貌。地表土石混杂。地表地层横向变化大，要求所选择方法能够很好地克服静态偏移的影响，应特别注意发射和接收部分的地表接地条件，以及大深度探测对观测数据的影响。
由于本区这种电场强度的差异，在本区进行电法勘测，是具备其地球物理前提条件的。
4 野外工作方法
根据本次工作的目的任务，测区的地形地质条件、地球物理条件，为了更好地完成本次工作的地质任务，确定本次勘探采用地面物探可控源音频大地电磁测深法(CSAMT)及直流垂向视电阻率测深法进行探测。
1)可控源音频大地电磁法。本次可控源探测工作采用GDP-32Ⅱ型多功能电法探测系统进行探测。GDP-32Ⅱ属美国Zonge工程公司的第四代可控源和天然场源电法及电磁法探测多通道接收机。可控源音频大地电磁法(简称CSAMT)是在音频大地电磁法(AMT)的基础上发展起来的一种人工场源频率测深法，它用地面偶极子或水平线圈作为人工信号源产生可控的电磁信号，通过接收不同频率的电磁信号达到测深的目的。
在CSAMT方法勘探中，往往研究的是均匀半空间点电源或磁偶极子在地面上产生的场，这是因为构造电磁法勘探是在地面上进行观测的。由场论可知，偶极天线产生的电磁波实际上是向四面八方辐射的，就波的传播途径可分为天波、地面波和地层波。电磁波在空气中的波长为c/f(c为光速；f为频率)，地中的波长为(107/fσ1)1/2。可见电磁波在地下的波长远小于空气中的波长，这样一来沿地表传播的地面波(用S0表示)和直接在地中传播的地层波(用S1表示)在某一时刻t时，由于波程差，就会在地面附近形成近于水平的波阵面，造成一个几乎是垂直向下传播的S*波，即近似的水平极化平面波。S0波、S1波和S*波在传播过程中均与地下地质体发生作用，并把作用结果反映到地面观测点。根据交流电的趋肤效应，频率不同其穿透深度不同，频率高时电磁场分布于浅层，频率低时电磁场分布在较深范围内，所以改变发射频率，可以研究不同深度上的地质情况。
2)直流垂向电测深法。采用垂向四极对称视电阻率测深法，使用的仪器是JJ-3A型积分式激发电位仪。
装置形式是梯度装置，即测量电极距选择在AB/30≤MN≤AB/3，最大测量电极距(MN/2)max=150 m，最小测量电极距(MN/2)min=3 m，最大供电电极距(AB/2)max=1 500 m，最小供电电极距(AB/2)min=30 m，供电电源为双鹿牌1号高能铁壳电池装入JJ-116型电池箱，串、并联供电，最大供电电压Umax=12.8 V，最大供电电流Imax=2 500 MA。
仪器原始观测参数有：电位差ΔV1、电流I，经计算求出视电阻率ρs=K·ΔV1/I(Ωm)。
5 结语
根据本区地层、构造及水文地质条件综合分析，本区的主要裂隙承压水的补给来源为盆地北部边山区基岩裸露区降水入渗通过边山断裂导水深循环补给，地下水径流滞缓，水力交替弱，该含水层岩组受地热影响较大，本次勘查的主要目的就是寻找该层水。
根据勘探的目的和任务，本次勘探着重寻找地质构造中可能形成的导水裂隙带。层状赋存的地层电性均匀，横向上差异不大，一旦出现构造破坏了这种地层的连续性，会在地电断面上表现出明显的电性差异，视电阻率等值线断面上表现出等值线起伏较大，横向电阻率不连续。
可控源探测的结果与直流电测深探测结果电阻率异常形态基本相同，两者地面异常对应情况也较好。
此次物探勘查工作取得了一定的成果，推断出两条断层，发现了存在地热异常的位置，推断出了导热构造带，热源由深大断裂产生，通过热储层传导，盖层保温，解释认为本区断层为导热构造。
Application of electrical surface prospecting method in geothermal survey
XUE Yong-jun
(Shanxi 3rd Geology Engineering Survey Institute, Jinzhong 030620, China)
Combining with Yuci geothermal survey example in Shanxi province, the paper analyzes its geological features, geological structure and electric field features, surveys its geothermal resources with electrical surface prospecting method, which can control audio frequency electromagnetism method and direct current electric testing method. Practice proves that: electrical surface prospecting method has great effect in geothermal resources survey. Thus, it is worth promoting.
geothermal resources, survey, electrical surface prospecting method
1009-6825(2014)36-0037-02
2014-10-17
薛永军(1972- )，男，工程师
P314.3
A
