2023, Vol. 32
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2. 江苏华东814地球物理勘查有限公司, 江苏 南京 210007
2. Jiangsu Eastern China No. 814 Geophysical Exploration Co., Ltd., Nanjing 210007, China
地热资源作为一种绿色、可持续再生的清洁能源，因其具有分布范围广、资源量巨大等特点，一直以来，受到全世界的广泛关注[1-3]. 同时，地热资源的开发利用对实现“碳达峰、碳中和”目标、调整能源产业结构、实现清洁低碳发展都具有十分重要的意义[3-4]. 经过多年的勘探开发，浅层地热资源已经勘查完毕，深层地热能受到储层埋深大、地表条件复杂、传统勘探手段难以发挥作用的制约，一直影响着勘查的效率.
地球物理方法具有无损、高效、成本低等优势，在地热资源勘查中扮演着越来越重要的角色，其中基于电性参数的勘探手段应用最为广泛. 随着地下温度的升高，储层的电阻率会发生很大的变化，与围岩形成较为明显的电性差异，这就为通过电性参数研究地热资源的分布提供了重要的前提条件[4]. 电法勘探可以查明与地下热水有关的断裂构造信息，圈定热水储层的分布范围，确定盖层的厚度等，是最直接、最有效的勘探手段[5]. 常用的方法包括直流电测深法、时间域激发极化法、瞬变电磁法、可控源音频大地电磁测深法、大地电磁测深法等[6-9]. 直流电测深法和时间域激发极化法，在早期浅层地热勘探工作中发挥了重要的作用，通过对施加直流电作用下地下传导电流的分布规律，以及不同深度极化率、半衰时、衰减度等参数的研究，可以有效地查明浅层地下水的分布情况[10-13]；瞬变电磁法是利用接地线源或不接地线圈，向地下发射电磁脉冲，并在断电的瞬间接收由一次场引起的感应二次场信号，对研究地下低阻体的分布效果较好[14-15]；可控源音频大地电磁测深法和大地电磁测深法都属于频率域电磁法范畴，以人工或天然电磁场信号作为场源，在地面观测电场信号和磁场信号，根据频率的高低来获取地下不同深度的电性分布情况[16-22]. 以上方法在地热资源勘探中都发挥了重要的作用，也积累了大量的成功案例，但这些方法也有一定的局限性. 直流电测深法和时间域激发极化法仅适用于浅层勘探，且施工效率偏低，直流供电的电流小，抗干扰能力差；瞬变电磁法所接收的感应二次场信号弱，受关断时间的影响，浅部盲区较大；大地电磁测深法是利用天然场信号，在城镇周边等电磁干扰较严重的地区难以发挥作用；可控源音频大地电磁测深法在施工时需要电磁场满足远区的要求，收发距要达到探测深度的3~6倍，使得该方法的有效观测范围受到很大程度的限制，并且在计算卡尼亚视电阻率时，要求较为准确的电场与磁场信息，因此在强干扰地区，当磁场信号波动较大时，卡尼亚视电阻率计算结果误差偏大，也直接影响了反演结果的精度和可靠性[23-24].
近年来快速发展起来的广域电磁法，是由何继善院士相对于传统可控源音频大地电磁法(CSAMT)和磁偶源频率测深法(MELOS)提出来的[25]. 该方法摒弃了CSAMT方法远区信号微弱的劣势，扩展了观测范围，也摒弃了MELOS方法的校正方法，保留了计算公式中的高次项，既不是沿用卡尼亚视电阻率计算公式，也不是把非远区校正到远区，而是用适合全域的公式计算电阻率，拓展了人工源电磁法的测量范围，加大了勘探深度[24, 26-27]. E-EX装置只测量电信号，在一定程度上提高了方法的抗干扰性. 经过这些年的应用实践，如曹彦荣等[26]、李麒麟等[28]在深层地热勘探，朱云起等[29]在共和盆地干热岩勘探，曾何胜等[30]在电磁强干扰环境下的城市地热勘探，田红军等[31]在扬子准地台黔北台隆区地热勘探，危志峰等[32]在宜春某地对流型地热水资源勘探中，广域电磁法均取得了较好的应用效果. 本文以江苏苏北盆地的沉积盆地型地热资源勘查和钻探验证成果为例，探讨广域电磁法在盆地厚覆盖区的勘探效果.
1 研究区地质与地球物理特征 1.1 地质特征研究区位于江苏省扬州市东北部，勘探面积约6 km2，人文干扰大. 构造位置属苏北盆地高邮凹陷，地表为第四系覆盖，下伏古近系和新近系地层，厚度巨大，从老到新分别为古近系古新统泰州组(E1t)和阜宁组(E1f)、始新统戴南组(E2d)和始新统-渐新统三垛组(E2-3s)、新近系盐城组(N1-2y)等陆相碎屑岩[33]. 无大规模岩浆岩发育(图 1).
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图 1 研究区基岩地质图 Fig.1 Geological map of bedrocks in the study area 1—三垛组(Sanduo fm.)；2—阜宁组(Funing fm.)；3—泰州组(Taizhou fm.)；4—浦口组(Pukou fm.)；5—侏罗系(Jurassic)；6—研究区范围(study area)；7—断层(fault) |
高邮凹陷的三垛组一段(E2-3s1)下部和戴南组二段(E2d2)上部的陆相碎屑岩类砂岩为最佳热储层. 其主要热储特征是：埋深大于1 800 m，砂岩厚度50~100 m，岩石孔隙度一般在16%~32.4%之间，平均孔隙度为20.4%，平均渗透率186.4×10-3 μm2. 物性有向下变差的趋势.
在高邮凹陷深凹带内，E2-3s1下部和E2d2上部地温梯度值相近，为2.72~2.91 ℃/hm. 研究区所处的苏北盆地地表大地热流值为65.5~76.0 mW/m2 [34]，为中度值，其中地幔热流占76%，地表内放射性物质生热占24%.
E2-3s1下部热储层中水质组分分析结果显示，Cl-含量为7 157~15 208 mg/L，总矿化度为16 306~28 254 mg/L，水化学类型有Na2SO4、NaHCO3型.
E2d2上部热储层中水质组分分析结果显示，Cl-含量为5 382~15 034 mg/L，总矿化度为8 574~28 857 mg/L，水化学类型有NaHCO3、Na2SO4型.
据真3、真158井地温测试，E2-3s1下部热储层中实测地温为81 ℃，井口水温64~74 ℃，正常生产时井筒热损7 ℃. E2-3s1下部单试和E2-3s1下部+E2d2上部合试全层位产水量可达1 000 m3/d以上.
1.3 地球物理特征苏北盆地地表第四系覆盖层较厚，研究区周边无露头出露. 通过在附近的一口钻井ZK1布置广域电磁测点，进行井旁测深反演，经数据统计分析，获得了地层的电性参数特征，如表 1所示. 其中热储层E2-3s1和E2d2以砂岩为主，孔隙较为发育，在富水情况下表现为低阻和中阻的特征，同时，随着水的矿化度增高，地层的电阻率呈线性减小，与上部地层盐城组(中阻)和下伏地层戴南组(中高阻)有明显的电性差异，这为应用电法探寻热储层奠定了基础.
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表 1 研究区地层及电性分层 Table 1 Lithological and electrical stratification in study area |
经前期现场勘查，研究区内各类干扰源具有分布广、类型多、强度大的特点，因此选用广域电磁法开展工作. 野外工作布置如图 2所示，广域电磁法测线共4条，点距50 m，总长度10 km，共计205个测点. 同时，为了更好地对物探成果进行解译，延长测线Y2到钻井ZK1处，布设连井的物探剖面起到标定的作用.
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图 2 野外工作布置图 Fig.2 Layout map of field work 1—广域电磁测线及测点(WFEM survey line and point); 2—已知钻孔(existed borehole); 3—广域电磁发射源(WFEM emission source); 4—道路(road); 5—河流(river) |
本研究广域电磁法施工，采用E-EX工作模式，供电方式为偶极供电，测量水平电场分量EX. 经理论计算和野外现场试验结果，最终确定供电极距长度为1 km，收发距为10~13 km，其中发射源A1-B1控制Y1线，发射源A2-B2控制Y2、Y3、Y4线. 工作频率选取11频组、9频组、7频组、5频组、3频组和1频组，频率范围为0.0117~8192 Hz，频点数为40个. 发射端采用大功率发电机，最大供电电流为110 A. 经仪器自带的处理软件(JSGY-2)计算，得到了单点的频率-广域电阻率曲线(图 3).
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图 3 单点电场、广域电阻率曲线 Fig.3 Electric field and wide field resistivity curves of single point 1—电场(electric field)；2—广域电阻率(wide field resistivity) |
文中的数据处理采用GMES_3DI重磁电震三维反演成像解释一体化系统中的WFEM模块，应用带地形的非线性共轭梯度法反演，通过调节正则化参数来控制反演结果的光滑程度和分辨率，并结合区域地质资料和电性资料，最终建立研究区的地电模型. 处理过程主要包括频点编辑、滤波去噪、定性分析等，并在此基础上，开展一维或二维连续介质反演，得到电阻率断面图. 在反演过程中，多次反复，逐渐修正模型，减少反演拟合误差. 图 4为二维连续介质反演结果的三维视图.
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图 4 广域电磁法二维反演断面的三维视图 Fig.4 3D representation of 2D inversion section by WFEM |
广域电磁剖面成果的综合地质解释按照“从已知到未知”的原则，结合地层的电性参数特征，在二维反演剖面上划分地层.
首先开展经过已知钻井ZK1的广域电磁Y2线的解释工作，根据已知钻井分层情况划分广域电磁剖面上地层展布.
从二维连续介质反演结果的三维展示图看，研究区各剖面交叉处电性结构基本一致. 因此，将Y2线解释成果作为标定剖面，各剖面交叉处地层分层深度一致，做到整体解释成果闭合，完成其他各剖面的综合解释工作.
3.1 过已知钻井剖面解释Y2线168点附近为已知钻井ZK1，其钻探成果划分地层与Y2线电性结构吻合. ZK1成果显示：地表至-3 500 m可划分为Qd、N1-2y、E2-3s2、E2-3s1、E2d2、E2d1、E1f七套地层，对照地层的电性参数特征，Qd为低阻层，N1-2yn为中阻层(高低变化)，E2-3s2、E2-3s1为低阻层，E2d2为中阻层，E2d1为中高阻层、E1f为高阻层. ZK1地层界线深度与Y2线反演剖面不同电性层分层深度基本吻合(图 5).
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图 5 Y2线物探勘查成果图 Fig.5 Geophysical exploration result for survey line Y2 |
Y2线的整体电性结构与ZK1处电性特征基本一致，据此可解释：Y2线，表层0~ -200 m，低阻层，整体呈水平层状，局部有高阻团块，推测为第四系东台组(Qd)砂质黏土与沙砾层；-200 m至-1 200~ -1 600 m左右，中阻层(高—低变化)，推测为新近系盐城组(N1-2y)，其上部为砂砾层与黏土层，下部为砂质泥岩与砾状砂岩、细砾岩；中部-1 200~ -1 600 m至约-1 900~ -2 300 m低阻层，推测为古近系三垛组(E2-3s)砂岩、粉细砂岩与泥岩；深部-1 900~ -2 300 m至-2 500~ -3 000 m中阻、中高阻，推测为古近系戴南组(E2d)粉细砂岩与泥岩互层；深部-2 700 m以深为高阻层，推测为古近系阜宁组(E1f)(图 5).
3.2 其他剖面解释Y1线与Y2线相交，交点处以Y2线解释成果为准，划分Y1线地层展布，自地表至深部为Qd、N1-2y、E2-3s2、E2-3s1、E2d2、E2d1、E1f七套地层(图 6). Y3、Y4线与Y1线相交，交点处以Y1线解释成果为准，同样自地表至深部划分七套地层(图 7). 4条广域电磁剖面地层解释成果与电性结构吻合，各剖面交点处地层界线深度一致，解释成果闭合，客观反映了工作区地层展布特征.
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图 6 Y1线物探勘查成果图 Fig.6 Geophysical exploration result for survey line Y1 |
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图 7 Y3、Y4线物探勘查成果图 Fig.7 Geophysical exploration result for survey lines Y3 and Y4 |
为验证广域电磁成果，在Y2线与Y1线交叉处(Y2线120点、Y1线126点)部署DR1井，目标层为三垛组一段下部和戴南组二段上部热储层.
DR1完钻井深2 535 m，揭露最老地层为戴南组二段上部(图 8)，钻获地热水，涌水量为432 m3/d，出水水温63.0 ℃，水化学类型为Cl-Na型，为碘水、锶水、铁水、硼水、硅水，为理疗热矿水资源，具备较高的理疗价值. 利用广域电磁法在苏北盆地厚覆盖区发现了优质地热水资源.
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图 8 DR1井钻探结果与Y2线物探勘查成果对比图 Fig.8 Comparison between drilling result of well DR1 and geophysical exploration result of survey line Y2 |
在江苏苏北盆地厚覆盖区，利用广域电磁法资料，采用先进的反演算法，在地热资源勘探中取得了较好的效果，并得出以下几点结论：
(1) 从广域电磁法的原理分析，该方法只测量电场数据来计算广域视电阻率，不测量易受干扰的磁场数据，与其他方法相比，在很大程度上提高了在人文干扰严重地区电磁法数据采集的质量，为后期资料反演和解释奠定了基础.
(2) 从广域电磁法的结果分析，采用先进的反演算法获得的成果剖面可以清晰地反映地下3.5 km以浅的电性结构，与已知钻孔划分的地层的电性参数特征吻合，增强了反演结果的可靠性.
(3) 从钻探验证结果分析，依据广域电磁法剖面的解释成果部署的DR1井揭露了深部的热储层，钻获优质地热水资源，证明了广域电磁法在盆地厚覆盖区大深度勘探中的有效性.
(4) 综上所述，广域电磁法具有抗干扰能力强、勘探深度大、反演结果精度高等突出优点，是一种高效的地热资源勘探技术手段，具有广阔的应用前景，值得大力推广.
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