CSAMT電場(chǎng)單分量視電阻率定義在地?zé)豳Y源勘探中的應(yīng)用

崔江偉， 周楠楠， 薛國(guó)強(qiáng)， 鄧居智

(1.東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013；2.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029)

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CSAMT電場(chǎng)單分量視電阻率定義在地?zé)豳Y源勘探中的應(yīng)用

崔江偉1， 周楠楠2， 薛國(guó)強(qiáng)2， 鄧居智1

(1.東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013；2.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029)

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)是目前地?zé)豳Y源勘探中主要的地球物理方法之一,通過(guò)計(jì)算相互垂直的電磁場(chǎng)分量的比值來(lái)定義卡尼亞視電阻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)情況下的中、深部目標(biāo)體的探測(cè)。但是,對(duì)于強(qiáng)干擾地區(qū)，當(dāng)電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量受到的干擾差別較大時(shí)，卡尼亞視電阻率會(huì)引起較大的計(jì)算誤差。利用電場(chǎng)或磁場(chǎng)單分量定義視電阻率能更準(zhǔn)確地解釋地下的電性結(jié)構(gòu)。從理論模型和野外實(shí)踐兩方面證明單分量視電阻率定義的可行性，取得了理想的效果。

CSAMT；卡尼亞視電阻率；單分量視電阻率；干擾

崔江偉，周楠楠，薛國(guó)強(qiáng)，等.2015.CSAMT電場(chǎng)單分量視電阻率定義在地?zé)豳Y源勘探中的應(yīng)用[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，38(4)：438-442.

Cui Jiang-wei，Zhou Nan-nan，Xue Guo-qiang，et al.2015.Single component apparent resistivity of CSAMT defined by electric field in the application of the geothermal resource exploration [J].Journal of East China Institute of Technology (Natural Science), 38(4)：438-442.

地?zé)豳Y源在國(guó)際公認(rèn)的 21 世紀(jì)的綠色能源，在當(dāng)今全球氣候變化和各種環(huán)境污染影響的形式下，地?zé)豳Y源已廣泛用于采暖、熱供水、醫(yī)療、旅游、娛樂(lè)、養(yǎng)殖等。在地?zé)豳Y源勘查工作中，常常需要確定斷層的位置、走向、以及破碎帶的寬度等問(wèn)題。人們普遍選用可控源音頻大地電磁法(CSAMT)來(lái)解決這一問(wèn)題?？煽卦匆纛l大地電磁法是在大地電磁法(MT)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種人工源頻率域測(cè)深方法。與MT相比，CSAMT克服了場(chǎng)源隨機(jī)性強(qiáng)、信號(hào)強(qiáng)度弱等缺點(diǎn)，且而具有高效率、高精度、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)。由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在尋找深部隱伏金屬礦、油氣構(gòu)造勘查、推覆體或火山巖下找煤、地?zé)豳Y源勘查和水文—工程地質(zhì)勘查等方面都取得了良好的地質(zhì)效果。

傳統(tǒng)的CSAMT視電阻率定義為卡尼亞視電阻率定義。運(yùn)用卡尼亞視電阻率都取得了很好的應(yīng)用效果。例如底青云等(2005)利用可控源音頻大地電磁法對(duì)南水北調(diào)西線一期工程中深埋長(zhǎng)隧洞段進(jìn)行了探測(cè)研究, 評(píng)價(jià)可能影響工程的斷層、破碎帶及異常區(qū), 對(duì)工程施工提供非常了有用的幫助信息。徐光輝(2005)等將可控源音頻大地電磁法用于北京水文地質(zhì)勘查, 通過(guò)查明斷裂構(gòu)造而成功尋找地?zé)豳Y源和地下水資源。鄧洪亮等(2007)以南水北調(diào)工程為例, 研究了在探測(cè)深埋長(zhǎng)隧洞工程中使用可控源音頻大地電磁法探測(cè)斷層的應(yīng)用技術(shù)。安志國(guó)等(2008)在西南一改建鐵路項(xiàng)目中, 對(duì)隧道洞線中使用CSAMT探測(cè)斷層和破碎帶的技術(shù)進(jìn)行研究, 分析正常地層和存在斷層、破碎帶等不良地質(zhì)體的典型視阻率一頻率曲線, 證實(shí)CSAMT法對(duì)于勘查斷層和破碎帶等不良地質(zhì)體是比較有效的一種方法。當(dāng)處于重大電磁干擾地區(qū)時(shí)，CSAMT 觀測(cè)的各分量在噪聲干擾下會(huì)有不同的性狀。當(dāng)電磁干擾的方向不同，x向電場(chǎng)和y向的磁場(chǎng)受到的干擾可能就不同；施工中磁棒和電極的連接、埋設(shè)、接地的好壞也可能有差異。因此，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的觀測(cè)質(zhì)量也會(huì)不同。此時(shí)在運(yùn)用卡尼亞視電阻率定義解決問(wèn)題時(shí)就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的誤差。為此陳明生等(1998) 研究了電偶源頻率電磁測(cè)深中的Ex分量，得出電場(chǎng)Ex分量具有分辨率高、觀測(cè)信噪比高、不需作近場(chǎng)改正等的結(jié)論。邱衛(wèi)忠等(2011) 討論了CSAMT的各分量在山地精細(xì)勘探中的作用。得到了電場(chǎng)對(duì)靜態(tài)偏移、地形起伏等地表橫向電性變化敏感，磁場(chǎng)不受靜態(tài)偏移的影響，對(duì)地形影響不敏感；噪聲和其他干擾對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響也不相同的結(jié)論。湯井田等(2011)研究了CSAMT電場(chǎng)y方向視電阻率的定義,并通過(guò)模擬計(jì)算得出電場(chǎng)y分量Ey視電阻率可明顯改善非波區(qū)的畸變效應(yīng)，并且其視電阻率曲線受測(cè)點(diǎn)方位影響較小，為一種全區(qū)視電阻率，可以更好地利用近區(qū)數(shù)據(jù)資料，較全面地反映地電斷面信息的結(jié)論。因此，在電磁干擾嚴(yán)重的地區(qū)，當(dāng)卡尼亞視電阻率不能很好解決地質(zhì)問(wèn)題時(shí)，運(yùn)用單分量視電阻率定義解決地質(zhì)問(wèn)題可能的。為了驗(yàn)證單分量視電阻率定義的有效性，在理論模型計(jì)算中加入一定的噪聲，分析不同干擾情況下各分量視電阻率定義和卡尼亞電阻率定義的相對(duì)誤差，并將卡尼亞視電阻率和單分量視電阻率應(yīng)用于實(shí)踐中。

1 CSAMT視電阻率的定義方法

CSAMT采用可控人工場(chǎng)源，測(cè)量是由電偶極源傳送到地下的電磁場(chǎng)分量。兩個(gè)電極電源之間的距離一般為1～2 km，測(cè)量是在距離場(chǎng)源6～10 km以外的范圍進(jìn)行的，此時(shí)場(chǎng)源可近似為一個(gè)平面波，通過(guò)電磁場(chǎng)頻率的變化來(lái)達(dá)到電阻率測(cè)深的目的。CSAMT基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組導(dǎo)出的水平電偶極源在地面上的電場(chǎng)及磁場(chǎng)公式(湯井田等，2005)：

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式中，I為供電電流強(qiáng)度；AB為供電偶極長(zhǎng)度；r為場(chǎng)源到接收點(diǎn)之間的距離。由于CSAMT法延用了MT法中的比值視電阻率定義的方式，在標(biāo)量CSAMT測(cè)量中只需觀測(cè)Ex和Hy兩個(gè)分量。

將(1)式沿x方向的電場(chǎng)Ex與(5)式沿y方向的磁場(chǎng)Hy相比，并經(jīng)過(guò)一些簡(jiǎn)單運(yùn)算，就可獲得地下的視電阻率(卡尼亞視電阻率)ρs公式：

處于社會(huì)轉(zhuǎn)型時(shí)期的90后藏族大學(xué)生的婚戀觀還是以傳統(tǒng)為主，尤其是甘肅甘南地區(qū)的藏族大學(xué)生由于地域原因，較少受現(xiàn)代社會(huì)不良婚姻文化的影響，其他地區(qū)的藏族大學(xué)生的婚戀觀都體現(xiàn)出由傳統(tǒng)向現(xiàn)代過(guò)渡的特點(diǎn)。

(7)

式中，f代表頻率。由(7)式可見(jiàn)，只要在地面上能觀測(cè)到兩個(gè)正交的水平電磁場(chǎng)Ex，Hy就可獲得地下的視電阻率ρs，也稱比值視電阻率。

由(1)式和(5)式可得單分量視電阻率ρs的公式：

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2 理論模型分析

為了對(duì)兩種計(jì)算視電阻率的方式進(jìn)行對(duì)比，取電偶極源長(zhǎng)度為1 000 m,電流為10 A，接收點(diǎn)坐標(biāo)為(0,7000)，均勻半空間電阻率為10 Ωm。分別計(jì)算模型的卡尼亞視電阻率和單分量視電阻率(對(duì)比如圖1)，從圖中可以看出當(dāng)不存在干擾時(shí)，卡尼亞視電阻率和單分量視電阻率都能很好的反映地下電阻率的值，且卡尼亞視電阻率的精度是優(yōu)于單分量視電阻率的。

在實(shí)際工作中，不可能沒(méi)有干擾源的存在。當(dāng)給磁場(chǎng)分量加±5%、電場(chǎng)分量加±2%的隨機(jī)干擾時(shí)，視電阻率的變化如圖2所示。此時(shí)卡尼亞視電阻率的誤差就會(huì)大大增加。同樣給予電場(chǎng)分量加±5%、磁場(chǎng)分量加±2%以內(nèi)的隨機(jī)干擾時(shí)，卡尼亞視電阻率的誤差也會(huì)增大很多，如圖3所示。在實(shí)測(cè)工作中，當(dāng)電磁場(chǎng)分量所受到的干擾不同時(shí)，運(yùn)用卡尼亞視電阻率定義解決問(wèn)題，就會(huì)帶來(lái)較大的誤差。運(yùn)用受干擾小的電場(chǎng)或磁場(chǎng)的分量定義視電阻率，這樣就能減小誤差，提高解釋精度。

圖1 均勻半空間卡尼亞視電阻率和單分量視電阻率對(duì)比圖Fig.1 Comparisons of homogeneous half space Cagniard and single component apparent resistivity

圖2 磁場(chǎng)分量±5%噪聲、電場(chǎng)分量±2%噪聲均勻半空間卡尼亞視電阻率和分量視電阻率對(duì)比圖Fig.2 Comparisons of homogeneous half space Cagniard and Ex component apparent resistivity, but Magnetic field component ±5% noise and electric field component ±2%noise

3 實(shí)例分析

懷柔位于北京市北部。距北京城區(qū)40 km。測(cè)區(qū)受到工業(yè)電干擾比較嚴(yán)重，北面、東面、西面均有供電電線穿過(guò)，在測(cè)區(qū)北部有一條鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路穿過(guò)，車流量較大。對(duì)本區(qū)各測(cè)線實(shí)測(cè)資料分別運(yùn)用卡尼亞視電阻率和單分量視電阻率進(jìn)行處理，得到各測(cè)線擬斷面對(duì)比圖如圖4所示。由于電偶源頻率測(cè)深中(包括CSAMT)的分量具有分辨率高、觀測(cè)信噪比高的優(yōu)點(diǎn)，而且解決地質(zhì)問(wèn)題的功能也是比較完備的。進(jìn)而選用 分量視電阻率定義來(lái)進(jìn)行解釋工作。

L1線卡尼亞視電阻率等值線斷面圖如圖4a所示。視電阻率的縱向變化滿足隨深度的增大由小到大的變化趨勢(shì)。在橫向上的740號(hào)點(diǎn)到960號(hào)點(diǎn)之間出現(xiàn)相對(duì)低阻異常，與周圍的高阻區(qū)域形成明顯的突變現(xiàn)象。根據(jù)斷層電阻率異常的判定標(biāo)準(zhǔn)，可將橫向視電阻率值線發(fā)生錯(cuò)斷、有比較明顯的密集梯度帶或高阻與低阻之間呈現(xiàn)出明顯的界限的地方定義為異常區(qū)的位置(朱仁字，1999；柴建峰等，2005；王愛(ài)國(guó)等，2006；馬志飛，2009；劉紅戰(zhàn)等，2014)。因此可以在突變點(diǎn)740號(hào)附近推斷有斷層，并大致通過(guò)740號(hào)到960號(hào)點(diǎn)，向深部延伸。將斷層命名為F1斷層。而對(duì)比圖4b，不僅在740號(hào)點(diǎn)到960號(hào)點(diǎn)之間出現(xiàn)相對(duì)低阻異常，在260號(hào)點(diǎn)到380號(hào)點(diǎn)同樣出現(xiàn)低阻異常圈閉區(qū)。同樣根據(jù)斷層的判定依據(jù)，在260號(hào)點(diǎn)附近推斷有斷層，并大致通過(guò)260號(hào)點(diǎn)到320號(hào)點(diǎn)，向深部延伸，將此斷層命名為F2。對(duì)比L1線卡尼亞視電阻率斷面圖和分量視電阻率斷面圖可見(jiàn)卡尼亞視電阻率斷面圖在260號(hào)點(diǎn)到380號(hào)點(diǎn)之間，顯示的電阻率值都是比較大的，雖然也出現(xiàn)了小范圍的等值線圈閉，但是不能夠明顯的看出電阻率的差別。而運(yùn)用分量的視電阻率斷面圖在該區(qū)域等值線圈閉比較明顯，可以很清楚的看出電阻率的差異。隨后在300號(hào)點(diǎn)位置處布設(shè)鉆孔，于地下1 500 m處見(jiàn)水，水溫42 ℃。證實(shí)了Ex分量視電阻率定義在干擾嚴(yán)重地區(qū)能取得良好的應(yīng)用效果。

圖3 電場(chǎng)分量±5%噪聲、磁場(chǎng)分量±2%噪聲均勻半空間卡尼亞視電阻率和分量視電阻率對(duì)比圖Fig.3 Comparisons of homogeneous half space Cagniard and Ex component apparent resistivity, but Magnetic field component ±2% noise and electric field component ±5% noise

圖4 L1線卡尼亞視電阻率斷面圖和分量視電阻率斷面圖Fig.4 L1 line Cagniard resistivity section and Ex component resistivity section

4 結(jié)論

根據(jù)CSAMT卡尼亞視電阻率和Ex分量視電阻率在干擾嚴(yán)重地區(qū)地?zé)豳Y源勘探應(yīng)用中的研究，并結(jié)合模型分析得出以下結(jié)論：

(1)CSAMT卡尼亞視電阻率定義和單分量視電阻率定義在干擾比較弱的地區(qū)都是有效的，卡尼亞視電阻率精度較高。

(2)在噪聲干擾嚴(yán)重地區(qū)，Ex和Hy任一分量受到干擾、或受到干擾不同時(shí)，卡尼亞視電阻率都會(huì)產(chǎn)生比較大的解釋誤差。

(3)在噪聲干擾嚴(yán)重地區(qū)，卡尼亞視電阻率和單分量視電阻率的選擇要視情況而定。

本文在噪聲干擾嚴(yán)重地區(qū)，運(yùn)用CSAMT的Ex分量視電阻率定義很好解決了在地?zé)豳Y源勘探中尋找斷層的任務(wù)。

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Single Component Apparent Resistivity of CSAMT Defined by Electric Field in the Application of the Geothermal Resource Exploration

CUI Jiang-wei1， ZHOU Nan-nan2， XUE Guo-qiang2， DENG Ju-zhi1

(1.East China Institute of Technology,Nanchang，JX 330013,China；2. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China)

CSAMT is one of the major geophysical methods in the geothermal resource exploration. The far-field large-depth exploration is realized using the Cagniard resistivity, which is defined through calculating the ratio of the orthogonal horizontal components. However, large error will be caused for the different sensitivities of electric or magnetic field to the noise. Single-component apparent resistivity based on the formulas of electric field or magnetic field will reduce the error greatly. In this paper, single-component resistivity is proven feasible by theoretical models and field example, which achieves the desired results.

CSAMT；Cagniard resistivity;single-component apparent resistivity; disturbance

2015-01-08

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2012CB416605)；國(guó)家自然科學(xué)基金(41174090)；國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目“深部資源探測(cè)核心裝備研發(fā)”(ZDYZ2012-1-05-04)；中國(guó)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題資助項(xiàng)目

崔江偉(1989—)，男，碩士研究生，主要從事電磁探測(cè)理論與應(yīng)用研究。E-mail:cjw-ecit@foxmail.com

10.3969/j.issn.1674-3504.2015.04.016

P631.3

A

1674-3504(2015)04-0438-05