可控源音频大地电磁法在新疆峡门子风景区地热勘探中的应用研究

王 君

(新疆地矿局第一水文工程地质大队，新疆 乌鲁木齐 830091)

1 区域概况

峡门子风景区位于乌鲁木齐市米东区铁厂沟镇，距新疆省会乌鲁木齐市中心约23 km，距米东区约12 km。有乌鲁木齐绕城高速公路及S111等其他等级公路相通，交通十分便利，该区域位于准噶尔盆地南缘，天山北麓博格达山山前地带，属低山丘陵区，海拔标高886～1 170 m，高差284 m，总体地势东南高西北低，地形切割不大，细小冲沟极为发育。

1.1 气象水文

该区属中温带半干旱大陆性气候,寒暑变化明显，昼夜温差较大，年平均降水量236 mm，年蒸发量2 010.2～2 441.7 mm，年平均气温6.4℃，极端最高温度42.1℃，极端最低温度-41.5℃。7、8月温度最高，平均气温25.7℃；1月气温最低，平均气温-15.2℃。9月下旬以后气温下降迅速，10月份昼夜温差增大，11月份开始结冻，至翌年3月份解冻，冻土深度1.0～1.2 m。积雪最大厚度380 mm。最大风速18 m/s，多在12月，风向以西北、东南方向居多。乌鲁木齐地表水水质较好，河流均系内陆河，河道短而分散，源于山区，以冰雪融水补给为主，水位季节变化大，河流散失于绿洲或平原水库中。本次工作区仅东侧的铁厂沟河常年有水，月平均流量0.068～0.247 m3/s，最高洪水流量达230 m3/s，最高洪水位标高+844 m。工作区无常年地表水系，沟谷干涸无水，也未见泉水，雨季沟谷内时有水流。

1.2 地下水赋存条件及分布规律

区内第四系覆盖，下为二叠系和三叠系地层，南部有2条断裂北东-南西向穿过，均为倾向南东的逆断层。工作区水文地质条件受地形地貌、气象及构造等因素的控制。根据地下水的赋存特征，将本区地下水类型划分为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水和构造裂隙水三类。

1.2.1 第四系松散岩类孔隙水

分布整个工作区，铁厂沟沟谷位置汇水条件较好，含水层颗粒较粗，结构松散，主要接受基岩裂隙水和雪融水的补给，富水性较好，单井涌水量100～1 000 m3/d，矿化度小于1.0 g/L，水质良好，主要为重碳酸盐钠型水和硫酸盐镁型水。

1.2.2 基岩裂隙水

分布于整个工作区，含水介质主要为二叠系砂岩，其次为少量的灰岩层。由于长期的构造运动，岩石节理、裂隙十分发育，而风化作用又利用和改造了构造节理，形成了风化带含水层。另外二叠系砂岩孔隙发育、灰岩溶洞发育，经地表水和地下水的补给，风化带之下的砂岩和灰岩富水性较好，泉水流量2～10 L/s，最大泉流量120 L/s，矿化度0.6～1.0 g/L，为重碳酸-硫酸-钠型水。

1.2.3 构造裂隙水

构造裂隙水主要分布在断裂带及其两侧，为断裂破碎带及影响带构造裂隙水，区内断裂上盘为二叠系地层，下盘为三叠系地层。断裂面较宽30～40 m，延伸大于40 km，发育深度大，破碎带两侧低序次的构造裂隙发育，形成了断裂储水构造，接受南侧雪融水和大气降水的不给，从区外资料推断，断裂影响带构造裂隙水富水性较好，单孔涌水量一般为100～1 000 m3/d，矿化度小于1 g/L。

1.3 地下水补排条件

勘查区地下水补、径、排条件受地形地貌、自然地理、地质构造所控制。

1.3.1 潜水

第四系孔隙潜水与基岩裂隙潜水均直接接受大气降水入渗补给；从南部高处向北部低洼处径流；潜水排泄方式，向深部基岩裂隙水的渗入排泄，浅井开采排泄和蒸发排泄。

1.3.2 基岩裂隙水

基岩裂隙水主要以侧向径流补给为主，次为上部潜水的渗入补给；顺势由南向北径流；以侧向径流的方式排泄区外，次为人工开采排泄。

1.3.3 构造裂隙水

构造裂隙水主要以大气降水、雪融水和侧向径流补给为主；径流一般由补给较高的位置向低的方向径流；其排泄主要是以侧向径流的方式流向区外，一小部分以泉的形式出露地表补给地表水。

2 可控源音频大地电磁法工作原理及设备

根据勘查设计要求，本次物探工作方法采用可控源音频大地电磁法(CSAMT)进行施测，仪器设备采用美国ZONG公司生产的GDP-32Ⅱ多功能电法工作站进行野外数据采集，其工作原理见图1可控源音频大地电磁法野外数据采集装置示意图。

图1 可控源音频大地电磁法野外数据采集装置示意图

3 勘探目标及具体工作步骤

3.1 工作目标

物探工作采用可控源音频大地电磁法(以下简称CSAMT)开展，勘探深度2 500 m。拟通过物探工作查明勘查区内地层电性特征及空间变化规律，在结合勘查内地质、钻探等资料的基础上，推断地层岩性、构造，划分断裂破碎带位置，为地热地质勘查项目提供基础资料。

3.2 发射源布置

根据物探工作需要，在物探工作正式开展前，对发射源位置、AB极长度，发射距离及电流大小进行了提前部署，发射位置布设详见图2发射源布置图。根据物探工作实际，将发射源布置在勘查区西南方向，发射源AB及方向为135°，与物探测线方向保持一致；根据工作区地质条件，AB极长度为1.35 km，收发距离为8.25～8.65 km，在发射源中心垂线位置30°范围内，符合仪器数据采集及相关规范要求，通过试验发射，发射电流大小范围在2～19.8安培之间，电流大小符合本次工作需要。

3.3 勘探剖面布设

物探工作方法采用可控源音频大地电磁法，要求勘探深度2 500 m。本次物探点定位测量，全部采用广州中海达GPS(RTK)施测。测量时，先启动移动站接收机，然后进行点校正，至少使用两个已知点进行平面和高程校正，最终测量数据出现固定时开始点位测量，最终在勘查区内初步布置CSAMT勘探线4条，勘探线间距200 m，点距40 m，总点数100点，剖面总长度4 km。剖面布设完成情况见表1。

图2 发射源布置图

线号设计实际完成点距/m点数/点剖面长度/m点距/m点数/点剖面长度/m合计完成点数/设计总点数(点)完成工作量占比A4025100040251000B4025100040251000C4025100040251000D4025100040251000100/100100%

4 数据处理及反演计算

4.1 数据处理

(1)做好静态校正处理，地形的急剧变化可导致地电断面的形态变化，将干扰对异常体形态的正确判断。

(2)充分利用低频段信号，确保深部资料的准确性。

(3)本次(CSAMT)数据处理要把干扰异常和地层异常的甄别工作放在首位，在处理过程中，除做好资料处理的基本工作外，重点强调突出异常体地电特征。

(4)通过GDP32II自带的通讯软件及文件转换软件，将野外采集的原始数据导入计算机并将二进制数据转换成十进制数据，转换后数据文件后缀为.raw，该格式文件可用记事本打开及编辑。

(5)对raw原始数据文件进行编辑，将不同测线的原始数据进行分类，并形成每条测线单独的数据文件。

(6)对测线数据文件进行修改，主要是依据GDP32II数据处理要求将原始数据按照一定的要求进行排序，对野外采集过程中形成的作废数据块、数据头文件等进行删除。

(7)依据GDP32II数据处理要求制作坐标控制文件及反演参数控制文件，坐标控制文件后缀为.stn，反演参数控制文件后缀为.mde。

4.2 反演计算

4.2.1 数据平均和编辑

使用shred.exe软件生成.fld文件，执行amtavg.exe文件将形成的.fld文件转换成.avg数据平均文件，在数据平均的过程中同时生成CSAMT测点曲线；使用SCS2D.exe软件对.avg文件进行编辑。编辑的主要内容有干扰频点数据删除；

4.2.2 剖面反演及结果成图

设计数据反演参数进行二维反演，反演结果保存在*.mtm文件中；使用执行modeset.exe程序，打开反演结果文件，设置比例尺、色标、等值线间距等参数后形成电阻率拟断面图，最后将拟断面图结果保存为图像文件和surfer可执行Scripter文件，利用suffer软件的编译软件执行Scripter文件生成剖面Suffer图件，结合地质、钻孔资料对物探剖面数据进行解疑，形成最终的物探成果图件。

5 剖面解释与异常分析

本次物探工作采用CSAMT工作方法采集区内地层电阻率参数，勘探深度达到2 500 m，满足设计要求。由于深部地下水动力条件趋弱，电性特征变化在1 000 m内存在较为明显的变化，1 000 m以下由于数据采样间隔的影响，电性特征变化不明显。本次物探工作以剖面调查为主，反演计算采用的比例尺及成图比例尺均为1：5000。为突出范围较小的线状异常，更好地刻画断裂破碎带的分布状态，采用深度较大的反演方案进行计算。电阻率参数对地下水反应较敏感，相对低阻异常与富水性有关。富水性强的地段，异常强度较大，弱的地段，异常强度较小，通常情况下岩层破碎裂隙发育地段富水性较强，反之较弱，通过研究低阻异常段就可以确定岩层的破碎程度，进而确定断裂构造位置。

5.1 A号剖面解释推断

A号剖面位于勘查区东南部，剖面点距40 m,剖面长度1 km,剖面方向为315°，小号点位于东南方向。结合图3 A号剖面反演成果图对A号剖面电性特征及推断解释地质成果分析如下见图3。

(1)在垂直方向上，剖面特征大致表现为：在东南方向(20-140号点之间)主要表现为低阻-高阻的变化特征，在西北方向(140-260号点之间)主要表现为低阻-高阻-低阻的变化特征，结合勘查区地表岩性出露情况推断为：在剖面浅部0～50 m范围内(20-80号点之间)电阻率变化较大，等值线分布不均匀的区域，推断该处为二叠基岩强风化所致，该处可见基岩明显出露；在剖面浅部0～100 m范围内(80-260号点之间)电阻率较低、等值线较为密集的区域，推断该处存在一定厚度的第四系覆盖层，盖层厚度在0～100 m之间，从东南部山前至铁厂沟河厚度逐渐变大。

图3 A号剖面反演成果图

(2)在水平方向上，剖面电性特征主要表现为低-中-高阻的变化特征(50～100 m深度以下)，东南部(小号点)电阻率值较大，西北部(大号点)电阻率值相对较小，推断为其变化与地层岩性变化有关。

(3)根据电阻率特征在水平方向上的梯度变化情况，结合区域地质资料综合分析，剖面存在2条近似直立，略向东南方向倾斜的断层。该断层分别位于220-240号点及150-180号点之间。

(4)受两条断层错断的影响，在剖面80-180号点、高程范围400～900 m之间，存在一明显的低阻带破碎带。该破碎带为东西向，倾角大致为45°～50°；该低阻带存在一定的深度和宽度，深度在450 m(标高)左右，宽度介于20～80 m范围，推断该位置可能为富水位置。

综上所述，建议在该剖面90号点位置布置一勘探孔，孔深700 m。

5.2 B号剖面解释推断

B号剖面位于勘查区东南部，位于A号剖面西南方向200 m,剖面点距40 m,剖面长度1 km,剖面方向为315°，小号点位于东南方向。结合图4 B号剖面反演成果图对B号剖面电性特征及推断解释结果分析如下：

(1)在垂直方向上，剖面特征大致表现为：在东南方向(20-140号点之间)主要表现为低阻-高阻的变化特征，在西北方向(140-260号点之间)主要表现为低阻特征，结合勘查区地表岩性出露情况推断为：在剖面浅部100～300 m范围内(20-120号点之间)电阻率变化较大，等值线分布不均匀的区域，推断为二叠基岩强风化所致，该处可见基岩明显出露；在剖面浅部0～150 m范围内(120-260号点之间)电阻率较低、等值线较为密集的区域，推断该处存在一定厚度的第四系覆盖层，盖层厚度在0～150 m之间，从东南部山前至铁厂沟河厚度逐渐变大。

(2)在水平方向上，剖面电性特征主要表现为高阻-低阻的变化特征(130～210 m深度以下)，东南部电阻率值较大，西北部电阻率值相对较小，推断为其变化与地层岩性变化有关。

(3)根据电阻率特征在水平方向上的梯度变化情况，结合区域地质资料综合分析，剖面存在2条近似直立，略向东南方向倾斜的断层。该断层分别位于240-260号点及150-160号点之间。

(4)剖面150-260号点之间，在高阻之间存在一处明显的低阻带，可能由断层错断引起，破碎带倾角大致为45°左右;该低阻带存在一定的深度和宽度，深度在500～900 m(标高)左右，宽度介于50～60 m范围，推断该位置可能为富水位置。

图4 B号剖面反演成果图

5.3 C号剖面解释推断

C号剖面位于勘查区B号剖面西南部200 m处,剖面点距40 m,剖面长度1 km,剖面方向为315°，小号点位于东南方向。结合图5 C号剖面反演成果图对C号剖面电性特征及推断解释结果分析如下：

(1)在垂直方向上，剖面特征大致表现为：在东南方向(20-150号点之间)主要表现为高阻，在西北方向(150-260号点之间)主要表现为低阻特征，结合勘查区地表岩性出露情况推断为：在剖面浅部0～100 m范围内(20-130号点之间)电阻率变化较大，等值线分布不均匀的区域，推断为二叠基岩强风化所致，该处可见基岩明显出露；在剖面浅部0～60 m范围内(150-260号点之间)电阻率较低、等值线较为密集的区域，推断该处存在一定厚度的第四系覆盖层，盖层厚度在0～60 m之间，从东南部山前至铁厂沟河厚度逐渐变大。

(2)在水平方向上，剖面电性特征主要表现为低阻-高阻的变化特征，东南部电阻率值较大，西北部电阻率值相对较小，推断为其变化与地层岩性变化有关。

(3)根据电阻率特征在水平方向上的梯度变化情况，结合区域地质资料综合分析，剖面存在2条近似直立，略向东南方向倾斜的断层，该断层分别位于180～200号点及140～150号点之间。

图5 C号剖面反演成果图

5.4 D号剖面解释推断

D号剖面位于勘查区C号剖面西南部200 m处,剖面点距40 m,剖面长度1 km,剖面方向为315°，小号点位于东南方向。结合图6 D号剖面反演成果图对D号剖面电性特征及推断解释结果分析如下：

(1)在垂直方向上，剖面特征大致表现为：在东南方向(20-90号点之间)主要表现为低阻-高阻的变化特征，在西北方向(90-260号点之间)主要表现为低阻特征，结合勘查区地表岩性出露情况推断为：在剖面浅部100～200 m范围内(20-90号点之间)电阻率变化较大，等值线分布不均匀的区域，推断为二叠基岩强风化所致，该处可见基岩明显出露；在剖面浅部0～150 m范围内(90-260号点之间)电阻率较低、等值线较为密集的区域，推断该处存在一定厚度的第四系覆盖层，盖层厚度在0～150 m之间，从东南部山前至铁厂沟河厚度逐渐变大。

(2)在水平方向上，剖面电性特征主要表现为高阻-低阻的变化特征(200～250 m深度以下)，东南部电阻率值较大，西北部电阻率值相对较小，推断为其变化与地层岩性变化有关。

(3)根据电阻率特征在水平方向上的梯度变化情况，结合区域地质资料综合分析，剖面存在2条近似直立，略向东南方向倾斜的断层，该断层分别位于220-240号点及170-180号点之间。

图6 D号剖面反演成果图

6 结语

(1)本次物探工作采用CSAMT方法开展，共完成了勘探点100点，勘探剖面4条，剖面总长4 000 m，实际完成工作量占设计工作量的100%；完成质量检查点6点，质量检查点占实际完成总工作量的6%，计算所得均方相对误差满足规范要求的Ⅰ级精度。

(2)在野外工作开始前完成CSAMT实验工作，通过实验分析对区内干扰水平、发射长源布设及方法有效性进行了初步分析，确定了本次CSAMT数据采集的最佳工作参数。通过二维反演，CSAMT剖面反映电性特征明显，浅部地电变化较大，深部电性层相对完整，通过电阻率梯度变化对断裂破碎带进行了划分。

(3)初步推测区内A号剖面80-160号点之间，在高阻之间存在一明显的低阻异常，推断该处可能存在充水破碎带，倾向为东南向，倾角大致为45°～50°;该低阻异常存在一定的深度和宽度，底部深度在450 m(标高)左右，宽度介于20～80 m范围，推断该位置可能为富水位置。

(4)初步推测区内B号剖面130-220号点之间，在高阻之间存在一处明显的低阻异常带，可能由两侧断层错断引起，异常带倾向为东南向，倾角大致为45°左右;该低阻带存在一定的深度和宽度，深度在500～900 m(标高)左右，宽度介于30～60 m范围，推断该位置可能为富水位置。

[1]新疆地质工程勘察院.新疆乌鲁木齐市米东区铁厂沟镇峡门子风景区天山丽都旅游发展有限公司地热勘探项目物探成果报告[R].2016.9.