李樹軍

遼寧省化工地質(zhì)勘查院，遼寧 錦州 121000

技術(shù)方法

可控源音頻大地電磁測深在深部地?zé)豳Y源勘查中的應(yīng)用效果

李樹軍*

遼寧省化工地質(zhì)勘查院，遼寧 錦州 121000

可控源音頻大地電磁測深法（CSAMT）的電磁場表達式是基于水平電偶極子源在均勻半空間的假設(shè)條件下推導(dǎo)而來的，它要求地電結(jié)構(gòu)是水平均勻介質(zhì)或水平均勻?qū)訝罱橘|(zhì)。實際工作中，電性結(jié)構(gòu)往往不是簡單的一維結(jié)構(gòu)，在復(fù)雜地質(zhì)條件下，其應(yīng)用會受到多種地質(zhì)因素的約束。通過具有代表性的深部地?zé)豳Y源勘查實例,來說明這些具體的地質(zhì)影響因素，對應(yīng)用CSAMT法開展深部地?zé)豳Y源勘探取得良好的地質(zhì)效果，具有一定的借鑒作用。

可控源音頻大地電磁測深 靜態(tài)效應(yīng)與場源效應(yīng) 地?zé)豳Y源勘查 地電結(jié)構(gòu)

地?zé)崾且环N寶貴的自然資源，不僅為人類提供熱能，同時也提供了水源和礦物資源【1】，它埋藏于地下，受控于特殊的地質(zhì)條件，以水為介質(zhì)把熱帶到地表的地?zé)崴?，具有開發(fā)成本低、純天然、不污染、安全衛(wèi)生等諸多優(yōu)點。地?zé)豳Y源作為一種可再生清潔能源，已引起越來越多的關(guān)注【2】，地?zé)豳Y源的勘探、開發(fā)和利用正在蓬勃興起。

目前開采的地?zé)豳Y源一般情況下埋藏較深，大多開采深度已超過2000m，開采風(fēng)險很大【3】。為了提高效率、減小投資成本，開發(fā)地?zé)豳Y源前都要通過一定程序的地?zé)岬刭|(zhì)勘查研究工作和開展深部地球物理勘查工作。可控源音頻大地電磁測深法（簡稱CSAMT法）是進行深部地?zé)豳Y源調(diào)查最重要的物探方法之一。近十幾年來，采用CSAMT法在全國很多地區(qū)的深部地?zé)豳Y源調(diào)查中取得了較好的地質(zhì)效果，但與其它物探方法一樣，CSAMT法也受其方法的適用條件和方法有效性局限，受到方法原理前提條件、工作區(qū)地質(zhì)條件、儀器設(shè)備功能、人文環(huán)境等諸多因素的制約，在鉆探前如果未能對其在地?zé)峥碧筋I(lǐng)域的有效性加以系統(tǒng)研究，盲目應(yīng)用，就會對地質(zhì)推斷成果產(chǎn)生誤導(dǎo)，增加鉆探風(fēng)險，造成較大損失【4】。

1 可控源音頻大地電磁測深方法及其適用條件

1.1 CSAMT測深法簡介及其特點

可控源音頻大地電磁法是20世紀80年代末在大地電磁法（簡稱MT法）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是一種頻率域的電磁勘探方法。以人工源的方式向地下供入音頻諧變電流建立電磁場，并仿照MT法觀測正交電場和磁場分量，計算卡尼亞視電阻率，以探測地下電性分布特點。當(dāng)從高到低逐個改變頻率，每個頻率相應(yīng)獲得一個卡尼亞視電阻率，從而得到卡尼亞視電阻率隨頻率而變化的曲線。隨著頻率降低，電磁法穿透深度加大，因而就得到了卡尼亞視電阻率測深曲線【5】。根據(jù)使用的場源數(shù)目和觀測的場分量多少，CSAMT法分為張量、矢量和標量三種方式。由于CSAMT法的張量和矢量方式的工作方法起步較晚，儀器設(shè)備的開發(fā)研制、數(shù)據(jù)采集的方法技術(shù)和反演軟件的開發(fā)運用都需要進行不斷地試驗與研究，它們還不能作為一種成熟的、穩(wěn)定的物探方法而廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中，目前CSAMT法仍是以標量的方式測量為主。

CSAMT法具有如下特點：①克服了MT法天然場源信號的微弱性，抗干擾能力較強，消除了1000Hz左右的”死頻”現(xiàn)象；②與傳統(tǒng)的直流電法和瞬變電磁法相比具有較大的勘探深度(一般為n×10～2×103m)；③橫向分辨能力強，可以靈敏地發(fā)現(xiàn)斷層，是研究深部地質(zhì)構(gòu)造的有效手段，有一定的縱向分辨能力，可以對地層進行分層；④工作效益高，兼有測深和剖面研究雙重特性；⑤交變電磁場可穿透高阻層，高阻屏蔽影響小。現(xiàn)廣泛應(yīng)用于地質(zhì)調(diào)查、地?zé)豳Y源勘查、水文地質(zhì)勘查、深部金屬和非金屬礦產(chǎn)勘查、工程勘察等領(lǐng)域中，并取得了很好的地質(zhì)效果。

1.2 CSAMT測深方法的約束條件和方法有效性分析

CSAMT法是基于MT法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新方法，其基本理論、假設(shè)條件、公式推導(dǎo)，數(shù)據(jù)采集方法及反演算法都沿用于MT法，但兩者間又有一定的差異，就決定了應(yīng)用CSAMT法要受到一定的約束條件。主要表現(xiàn)在如下幾個方面：①場源不同，MT法采用天然場源，相當(dāng)于是一種無限遠場源，更容易滿足電磁場的平面波場要求，CSAMT法采用人工的電偶極子場源，屬于有限遠場源，但在實際工作當(dāng)中，由于種種條件的限制，使得大部分頻點不能夠滿足平面波的要求。這樣卡尼亞視電阻率不能正確反映地電斷面的真實特征，從而限制了CSAMT法對深部勘探的應(yīng)用【6】；②理論公式的推導(dǎo)是基于均勻半空間的假設(shè)條件下，要求地電結(jié)構(gòu)是水平均勻介質(zhì)或水平均勻?qū)訝罱橘|(zhì)的一維模型，實際工作中，地質(zhì)結(jié)構(gòu)往往不是簡單的一維結(jié)構(gòu)，而電磁法反映的地電結(jié)構(gòu)由地質(zhì)結(jié)構(gòu)所決定。對于非均勻大地，場的性質(zhì)將變得非常復(fù)雜，造成視電阻率的非波區(qū)畸變，出現(xiàn)解釋中的假象；③對于CSAMT法的探測深度，普遍依賴于趨膚深度計算公式，陳明生提出人工源頻率域測深的探測深度還受收發(fā)距的影響，不能沿用原有的趨膚深度計算公式，認為在收發(fā)距一定時，電偶極源產(chǎn)生的電磁法在低頻段通常并不是平面波而導(dǎo)致計算的比值電阻率發(fā)生畸變。實踐結(jié)果表明，在保證一定信噪比的前提下，決定CSAMT法最大探測深度的是收發(fā)距和電阻率綜合作用下進入過渡區(qū)及近區(qū)場時對應(yīng)的頻率，并不是簡單的頻率越小，探測深度越大【7】；④標量CSAMT法利用一個場源測量兩個分量（EX和HY或者EY和HX）,標量測量對于一維的均勻介質(zhì)、層狀介質(zhì)或者走向已知的二維條件介質(zhì)會有較好的地質(zhì)效果，但在二維和三維地區(qū)的地質(zhì)條件下就顯得力不從心了，一維地質(zhì)結(jié)構(gòu)是很少見的，實際的地質(zhì)結(jié)構(gòu)多是二維或三維的【8】。

與天然場源的MT法和音頻大地電磁測深法（簡稱AMT法）不同，CSAMT法采用人工場源，且場源到測深點的距離有限，這雖然帶來了高的數(shù)據(jù)質(zhì)量和效率，但是也引起了解釋的復(fù)雜和問題，這些與場源相關(guān)的問題稱為場源效應(yīng)。

CSAMT的場源效應(yīng)有3種表現(xiàn)形式：①由于靠近場源而產(chǎn)生的非平面波效應(yīng)；②由于場源下的地質(zhì)情況及場源與測深點之間的地質(zhì)情況而產(chǎn)生的場源附加效應(yīng)；③陰影效應(yīng)則是指地質(zhì)體的影響被投射開來，如同場源的陰影一樣【9】。

1.2.1 非平面波效應(yīng) 非平面波效應(yīng)是測深點靠近場源時視電阻率和相位差的畸變，一般地CSAMT測深曲線會出現(xiàn)“遠區(qū)”、“過渡帶”和“近區(qū)”現(xiàn)象。在遠區(qū)，所有參數(shù)均表現(xiàn)為隨地下真電阻率的變化而變化；在過渡帶，電場幾乎總是表現(xiàn)為拱起-低谷-拱起的特征，出現(xiàn)相當(dāng)醒目的“低谷”現(xiàn)象，即視電阻率呈假的降低；在近區(qū)，電場與磁場飽和，不隨頻率變化，且磁場與電阻率無關(guān)，卡尼亞電阻率隨頻率減小而增大，曲線呈現(xiàn) 45°上升。實際應(yīng)用中對數(shù)據(jù)進行近場校正時，可能對原始資料改動較大，可能丟失一些有用信息，產(chǎn)生虛假信息，要注意與已知資料進行對比，近場校正是一個復(fù)雜的問題，方法的可行性及有效性需要進一步探討和實驗研究。

1.2.2 場源附加效應(yīng) 當(dāng)場源下方或者場源和接收點之間存在電性異常體時，會引起視電阻率曲線的嚴重失真，而且當(dāng)異常體的埋深、規(guī)模、電阻率大小等因素不同時，對觀測曲線的影響程度也不同。模擬和野外試驗證明場源下方基巖埋深不同時，對曲線低頻段影響較大【10】；低阻體產(chǎn)生的場源附加效應(yīng)更強，電場、磁場視電阻率同時受到了影響，曲線近于向下平移，過渡帶的低谷一拱起特征明顯向高頻段移動。由于這種效應(yīng)的校正很復(fù)雜，在野外應(yīng)盡量避免。

1.2.3 陰影效應(yīng)【9】陰影效應(yīng)是場源附加效應(yīng)的一個變種，它是由場源和測深點之間的地質(zhì)情況引起的。CSAMT法受陰影效應(yīng)的影響很大，即使離物體很遠，陰影也會存在，因此，測量可以探測到那種即使不在測深點下方的物體的影響。1.2.4 靜態(tài)效應(yīng) 在頻率域電磁測深中，靜態(tài)效應(yīng)總是與二維或三維構(gòu)造相關(guān)。它一般是由于近地表的電性橫向不均勻性或地形起伏引起的，從實際應(yīng)用來看，產(chǎn)生靜態(tài)效應(yīng)最強烈的地方是高阻基巖出露的地方【11】，并且在某種程度上影響所有的電場測量，這個數(shù)值與頻率無關(guān)。視電阻率曲線向上或向下移動一個數(shù)值，靜態(tài)效應(yīng)的強度可達到兩個數(shù)量級，在推斷深度時會引起誤差，并使構(gòu)造的解釋復(fù)雜化。無論是低阻異常還是高阻異常都會引起干擾區(qū)域的中高頻段的等值線“掛面條狀”的近直立異?！?2】。現(xiàn)在為了消除靜態(tài)效應(yīng)對CSAMT測深數(shù)據(jù)的影響，出現(xiàn)了多種靜態(tài)校正的濾波改正方法，但目前還沒有一種方法可以完全消除靜態(tài)效應(yīng)的影響，也只能是有針對性地對某一特定工作區(qū)進行靜態(tài)校正，使CSAMT數(shù)據(jù)得到一定程度的改善。

綜上所述，CSAMT視電阻率的定義是基于平面波的假設(shè)，在野外復(fù)雜的地質(zhì)條件下，單純的一維模型是不存在的。因此要受到場源效應(yīng)及靜態(tài)效應(yīng)的影響，并且這些影響會隨著地質(zhì)結(jié)構(gòu)所決定的地電結(jié)構(gòu)遠離水平均勻介質(zhì)或水平均勻?qū)訝罱橘|(zhì)所要求的一維模型條件而會變得更加嚴重，但要想徹底消除這些影響，到目前還沒有一種比較完善、可靠、實用的方法。因此，如何合理使用CSAMT法是必須慎重考慮的問題，在任何情況下，地質(zhì)條件都是決定性因素，工作前應(yīng)根據(jù)具體的地質(zhì)任務(wù)和目標，先要對工作區(qū)的地質(zhì)條件進行綜合分析，劃分出適宜開展CSAMT法工作區(qū)、有條件地開展CSAMT法工作區(qū)和不適宜開展CSAMT法工作區(qū)是非常必要的。哪些地質(zhì)因素是決定是否適合開展CSAMT法選區(qū)的呢？筆者根據(jù)多年來從事CSAMT法的工作經(jīng)驗和對相關(guān)資料的分析研究，提出了如下建議，在開展CSAMT法工作時具有一定的參考價值和借鑒意義。

工作區(qū)（包括場源區(qū)和測量區(qū)）的地形平坦、坡度平緩有利于開展CSAMT法工作。地形起伏大、高差大的地形條件，一方面會造成偶極子場源兩端所處的平面與水平面夾角較大，同時會使場源所處的平面與測量區(qū)所處平面的高差過大，不能滿足平面波場的要求。另一方面，在地形崎嶇、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)會有較強的靜態(tài)效應(yīng)，靜態(tài)效應(yīng)對頻率測深數(shù)據(jù)的影響是復(fù)雜的，它對數(shù)據(jù)解釋產(chǎn)生的影響必須仔細對待，不可低估。

場源區(qū)和測量區(qū)的地層巖性條件盡可能相同或相近，將場源區(qū)選擇在和測深區(qū)具有相同地電結(jié)構(gòu)的地區(qū)，或是選擇在低阻基底上，盡可能地避開高阻性基底，因為它會使觀測數(shù)據(jù)更早地進入過渡帶和近區(qū)，從而造成更嚴重的場源效應(yīng)和經(jīng)濟上的浪費。

場源區(qū)、測量區(qū)以及它們之間區(qū)域的地層巖性的地電結(jié)構(gòu)盡可能相似，地層結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造不要過于復(fù)雜，中間沒有河流、湖泊、海洋等大型水體，這樣可以減小地質(zhì)噪間，增強信號源，增大探測深度，減弱場源效應(yīng)的影響。以下分別介紹幾種應(yīng)用CSAMT法進行深部地?zé)豳Y源勘查應(yīng)用效果的實例，來說明判斷CSAMT法適用性的重要性。

2 CSAMT法進行深部地?zé)豳Y源勘查典型實例的效果分析

2.1 下遼河新生代坳陷盆地深部地?zé)豳Y源勘查

下遼河新生代盆地所屬大地構(gòu)造單元為中朝準地臺－華北斷坳－下遼河斷陷－下遼河斷凹,盆地上部發(fā)育巨厚的新生界第四系(Q)及新近系（N）【13】。北鎮(zhèn)市新立農(nóng)場勘查區(qū)位于下遼河坳陷盆地西緣與醫(yī)巫閭山東麓北鎮(zhèn)基底凸起的接合部位，地勢平坦，海拔高程一般為10～20m。根據(jù)古近系、新近系在各地發(fā)育的程度及中國地質(zhì)調(diào)查局（2004）地層區(qū)劃略圖，該區(qū)為東北—華北地層大區(qū)華北地層分區(qū) I1的下遼河地層小區(qū)I11。上部為新生界第四系(Q)砂土、粘性土，厚度為 80～100m；中部為新近系明化鎮(zhèn)組（N2m），巖性為灰白色砂礫巖、砂巖夾灰綠色泥巖，厚度為150～200m；下部隱伏中元古界薊縣系霧迷山組（Pt22w）的碳酸鹽巖，主要巖性為深灰、灰白色中厚層、厚層白云質(zhì)灰?guī)r。新生界地層構(gòu)成熱儲蓋層，碳酸鹽巖中構(gòu)造破碎帶及巖溶裂隙為良好的熱儲層。地層巖性結(jié)構(gòu)比較符合水平均勻?qū)訝罱橘|(zhì)模型。

場源區(qū)與測區(qū)高程相差很小，地層巖性相同，產(chǎn)狀一致，地層構(gòu)造簡單，場源區(qū)與測區(qū)之間無高山及大型水體，判斷工作區(qū)為適宜開展CSAMT法工作區(qū)。工作時CSAMT法采用標量方式測量，收發(fā)距 12km，點距 40m。工作區(qū)人為干擾小，地質(zhì)噪音也小，波區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)基本無場源效應(yīng)及靜態(tài)效應(yīng)的影響。因此，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量高，測深曲線圓滑，并且曲線的“遠區(qū)”、“過渡帶”和“近區(qū)”特征清晰，從102線二維反演電阻率斷面圖上可以看出，縱向上能較好劃分出第四系（Q）與新近系明化鎮(zhèn)組（N2m）蓋層，橫向上分辨能力強，發(fā)現(xiàn)了薊縣系霧迷山組（Pt22w）的碳酸鹽巖中的隱伏斷裂（F）（圖1）。實施地?zé)峋衣?，井?1800m，日出水量 1200m3左右，井口溫度52℃。CSAMT法在該區(qū)的深部地?zé)峥辈橹腥〉昧嗣黠@的地質(zhì)效果。

圖1 102線CSAMT反演電阻率斷面（a）及推測地質(zhì)剖面圖(b)Fig.1 2-D inversion（a）and the detection result（b）of CSAMT line 102

2.2 義縣—錦州白堊紀斷陷盆地深部地?zé)豳Y源勘查

大地構(gòu)造單元屬于中朝準地臺燕山臺褶帶遼西臺陷東緣，處于北鎮(zhèn)凸起與朝陽穹褶斷束的交匯部位。錦州盆地為中生代斷陷盆地，位于中部鼻狀幔隆區(qū)的西部弧形彰武—菊花島幔凸區(qū)，盆地基底斷裂較發(fā)育【14】。工作區(qū)處于錦州盆地與紫荊山—南山地臺基底構(gòu)造隆起區(qū)的接合部位，地勢較平坦，海拔高程一般為20～80m，東部出露太古界大營子組（Ard）片麻雜巖，西部第四系(Q)下伏地層為白堊系孫家灣組（K2s）和義縣組（K1y）地層，總厚度為100～500m。第四系(Q)、白堊系孫家灣組（K2s）和義縣組（K1y）共同構(gòu)成熱儲蓋層。孫家灣組（K2s）巖性為一套紫灰色礫巖，夾紫紅色粉砂巖及頁巖；義縣組（K1y）巖性為紫紅、褐色、紫灰、灰綠色安山巖。太古界片麻巖發(fā)育豐富的帶狀構(gòu)造裂隙，成為熱儲層。地質(zhì)結(jié)構(gòu)基本符合水平均勻?qū)訝罱橘|(zhì)模型。

場源區(qū)與測量區(qū)高程相差不大，地層巖性基本相同，產(chǎn)狀一致，地層構(gòu)造較復(fù)雜，場源區(qū)與測量區(qū)之間有高山及小型水體，判斷工作區(qū)為有條件地可以開展 CSAMT法工作區(qū)。工作時CSAMT法采用標量方式測量，收發(fā)距13km，點距 40m。局部地段有人為干擾，地質(zhì)噪音不大，波區(qū)數(shù)據(jù)受場源效應(yīng)及靜態(tài)效應(yīng)的影響較小。因此，觀測數(shù)據(jù)基本符合要求，測深曲線比較圓滑，能夠辨別出曲線的“遠區(qū)”、“過渡帶”和“近區(qū)”特征，由6線二維反演電阻率斷面圖可以看出（圖2），縱向上能劃分出孫家灣組（K2s）與義縣組（K1y）地質(zhì)蓋層，橫向上發(fā)現(xiàn)了太古界片麻雜巖中的隱伏斷裂（F4）。實施地?zé)峋衣?，井?680m，日出水量500m3左右，井口溫度43℃。CSAMT法在該區(qū)的深部地?zé)峥辈橹腥〉昧肆己玫牡刭|(zhì)效果。

圖2 6線CSAMT二維反演斷面（a）及推測成果圖(b)Fig.2 2-D inversion（a）and the detection result（b）of CSAMT line 6

3 結(jié)論

隨著地?zé)豳Y源開發(fā)利用程度的不斷加大，深部地?zé)豳Y源鉆探風(fēng)險也隨之加大，所以對地?zé)崆捌诳辈楣ぷ魇艿街匾?，對深部地?zé)豳Y源進行勘查CSAMT法已經(jīng)成為一種很受人們重視的地球物理方法，其方法的適用性、數(shù)據(jù)采集的真實性、數(shù)據(jù)反演的可靠性是合理布置深部地?zé)峋@探的重要依據(jù)。由于受CSAMT方法基本理論的局限，其公式的推導(dǎo)是基于均勻半空間介質(zhì)平面波的假設(shè)條件下為前提，實際工作中會受到不同程度的場源效應(yīng)及靜態(tài)效應(yīng)的影響。

當(dāng)工作區(qū)地質(zhì)條件所決定的地電結(jié)構(gòu)接近于水平均勻介質(zhì)或水平均勻?qū)訝罱橘|(zhì)的一維模型要求時，CSAMT法的應(yīng)用才會有較好的地質(zhì)效果。實際工作中，由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的非均勻大地性，就要求對CSAMT法的適用條件和方法有效性進行分析研究。這些影響的地質(zhì)因素很多，也很復(fù)雜，但主要包括：場源區(qū)與測區(qū)的地形地貌條件、場源區(qū)與測區(qū)的地層結(jié)構(gòu)特征和地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度、場源區(qū)與測區(qū)之間地域的地質(zhì)條件及地表的河流、湖泊、海洋等大型水體等，要完全消除它們的不良影響，到目前還沒有一種比較完善的處理方法。因此，在深部地?zé)峥碧街?，若能很好的結(jié)合地質(zhì)條件，地球物理特征及其它相關(guān)資料進行綜合分析，對工作區(qū)進行CSAMT法適用性做出合理的判斷，有預(yù)知性的、有條件性的、有針對性的開展CSAMT法工作，就能在深部地?zé)豳Y源的勘探中取得良好的地質(zhì)效果，降低地?zé)徙@探風(fēng)險。

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The application effect of controlled source audio-frequency magnetotellurics to exploration of deep geothermal resources

Li Shujun
Geological Institute of Liaoning Chemical Industry,Jinzhou Liaoning 121000,China

The derivation of the electromagnetic expressions of Controlled Source Audio-frequency Magnetotellurics（CSAMT）is based on the assumption of the horizontal electric dipole source and the 1-D homogeneous half space where the geoelectric property structure is horizontally uniform and vertically layered. In real applications, however, such assumption is not always satisfied and various factors need to be taken into account when the geological conditions are complex. In this article, we identify the key factors and illustrate their effects via examples of deep geothermal resource exploration using CSAMT method.

Controlled Source Audio-frequency Magnetotellurics, static effects and source effects, exploration of geothermal resources, the geoel- ectric property structure

P631.325

A

1006–5296（2017）01–0052–06

李樹軍（1965～），男，從事綜合物探工作及電磁法類探測深層地?zé)豳Y源的研究工作，高級工程師

2016-12-28；改回日期：2017-01-05