長株潭地區(qū)CSAMT法收發(fā)距探討及實例分析

曹創(chuàng)華，鄧 專，柳建新

?

長株潭地區(qū)CSAMT法收發(fā)距探討及實例分析

曹創(chuàng)華1, 3，鄧 專1，柳建新2, 3

(1. 湖南省地質(zhì)調(diào)查院，長沙410116；2. 中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長沙 410083；3. 有色資源與地質(zhì)災(zāi)害探查湖南省重點實驗室，長沙 410083)

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)中的收發(fā)距和實測波區(qū)的響應(yīng)數(shù)據(jù)息息相關(guān)，決定著該方法的有效勘探深度。長株潭地區(qū)是我國經(jīng)濟高度發(fā)展的重點區(qū)域，區(qū)內(nèi)巖漿巖、褶皺、斷裂發(fā)育；出露巖石有礫巖、砂巖、泥巖、白云巖、灰?guī)r和花崗巖等，具有CSAMT探測地質(zhì)構(gòu)造和巖性接觸帶等地質(zhì)現(xiàn)象的前提條件。但由于區(qū)內(nèi)水系發(fā)育致使大部分巖石電阻率普遍較低，而花崗巖電阻率相對較高，在不同區(qū)域?qū)嵤〤SAMT時，滿足波區(qū)條件的收發(fā)距有所不同。根據(jù)區(qū)內(nèi)不同巖性組成的典型地層結(jié)構(gòu)進行數(shù)值計算，計算出最佳收發(fā)距的大小，并選取實例進行分析，以期對此地區(qū)或者類似區(qū)域開展CSAMT法探測時有所參考。

長株潭地區(qū)；可控源音頻大地電磁法；收發(fā)距；實例分析

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)是在傳統(tǒng)的大地電磁測深法(MT)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，由于其是人工源勘探，具有可靠的分辨率等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于地表下1 km內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造和巖性接觸帶等地質(zhì)勘探[1]；近年來在礦產(chǎn)資源勘探、地?zé)豳Y源開發(fā)、隧道地質(zhì)災(zāi)害探測及水文地質(zhì)構(gòu)造等勘探中取得了一定的成 果[2]。但由于方法相對較新，可控源音頻大地電磁法測深的應(yīng)用研究較少，使得其在實際應(yīng)用中仍存在一定的問題[3]，特別是人工場源的引入，在工作中需要確定數(shù)據(jù)采集區(qū)域是否位于近區(qū)、過渡區(qū)或遠區(qū)，只有在遠區(qū)采集的數(shù)據(jù)才適用目前類似MT方法的處理程序?qū)?shù)據(jù)進行處理，而發(fā)射源離測量剖面之間的距離(即收發(fā)距)是決定遠區(qū)的根本性因素。

對于工作中確保遠區(qū)數(shù)據(jù)的收發(fā)距具體為多遠，目前沒有具體的結(jié)論，不同學(xué)者有不同的見解。ZONGE[4]認為發(fā)收距大于電偶源發(fā)射的電磁波波長的一半(即3倍趨膚深度)時可近似認為進入遠區(qū)；石昆法[5]根據(jù)野外經(jīng)驗和儀器所能接收的最小信號給出了下式：

式中：為接收點到偶極中心矢徑的模(簡稱收發(fā)距)；為勘探深度；為發(fā)射電流；為供電偶極子的長度；為與之間的夾角；min為接收機能觀測到的最小信號，一般取7 μV。式(1)中的滿足了遠區(qū)的條件，max為滿足觀測精度的要求。處理資料時所用的參數(shù)是以最小可用頻率為首要條件的，最低頻率按照下式進行計算[5]：

式中：L表示所需最低頻率，取上式中的兩者最?。籥表示平均電阻率；max表示最大收發(fā)距；為勘探深度。PFAFFHUBER[6]設(shè)計了簡單模型進行了正演計算得到電偶極子的遠區(qū)電磁場距離與趨膚深度之間呈線性關(guān)系，并給出遠區(qū)場距離估算公式。岳瑞永等[7]深入討論了電方位各向異性介質(zhì)條件下收發(fā)距和趨膚深度的關(guān)系。王若等[8]討論了4種可在高山峽谷方便測量方式的電磁場特征，認為通常收發(fā)距在6~8 km較為合適。陳明生等[9]利用地層波與地面波之比給出了精確定義遠區(qū)的方法。林威[10]認為卡尼亞視電阻率與電場視電阻率的相交點所對應(yīng)的頻率可作為遠區(qū)數(shù)據(jù)的最低頻率。湯井田等[11]通過設(shè)計的模型認最小收發(fā)距應(yīng)大于7倍的勘探深度。曹創(chuàng)華[12]計算表明，在普遍高阻巖石條件下滿足1 Hz頻率以上的最小收發(fā)距在11 km以上。柳建新等[3]在承擔(dān)中國地質(zhì)調(diào)查局科研項目中發(fā)現(xiàn)，很多勘探實例的可控源音頻大地電磁方法探測結(jié)果都呈“三明治”形狀，作者通過對視電阻率頻率曲線分析，發(fā)現(xiàn)大部分數(shù)據(jù)很難利用的主要原因都是由于收發(fā)距過小引起。以上科研成果表明：可控源音頻大地電磁法的收發(fā)距要因地制宜，具體問題具體分析，要根據(jù)研究區(qū)域的地層電阻率設(shè)置模型進行計算或者進行收發(fā)距野外實驗對比測深視電阻率曲線才能得出合理的結(jié)論。

近年來，湖南省地質(zhì)勘查科研與生產(chǎn)單位近年來在溫泉調(diào)查、水文地質(zhì)災(zāi)害和礦產(chǎn)資源深部調(diào)查工作中開展了很多可控源音頻大地電磁測深法工作；特別是長株潭地區(qū)作為湖南省經(jīng)濟核心區(qū)(見圖1)，隨著社會的發(fā)展，地質(zhì)工作日漸趨多。比如長沙市寧鄉(xiāng)縣灰湯鎮(zhèn)是國內(nèi)少有的溫泉之鄉(xiāng)，株洲市醴陵柏市鎮(zhèn)也有溫泉點出露，長株潭城際鐵路沿線在湘江附近，第四系和第三系覆蓋較厚，對隱伏構(gòu)造的探查研究可控源音頻大地電磁法都有所涉及。

本研究中，根據(jù)長株潭地區(qū)的實際地層條件設(shè)計了各種模型，依據(jù)頻率域電磁法和可控源音頻大地電磁法的理論公式深入進行了收發(fā)距探討。首先，在了解長株潭地區(qū)的地質(zhì)地層基礎(chǔ)上，根據(jù)已有地球物理特征資料，設(shè)計了灰?guī)r地層、花崗巖地層等以及組合地層模型。其次，利用頻率域大地電磁和可控源音頻大地電磁法的正演理論進行了計算，確定了滿足長株潭地區(qū)各種地層組合的收發(fā)距長度和探測頻率之間的關(guān)系。最后，利用長株潭區(qū)域內(nèi)株洲市攸縣柏市鎮(zhèn)溫水村可控源音頻大地電磁法探測溫泉研究項目作為實例進行了分析。

1 長株潭地質(zhì)概況

1.1 地層

區(qū)內(nèi)出露地層較多(見圖2)，伴有巖漿巖出露，伴隨著歷史上的各種地質(zhì)運動產(chǎn)生了各種斷裂構(gòu)造和不同程度的隆起和拗陷。

圖1 長株潭區(qū)位示意圖

圖2 長株潭區(qū)域地質(zhì)圖[13]：1—灰?guī)r、泥灰?guī)r；2—第四系；3—紅色砂巖、鈣質(zhì)巖和砂礫巖；4—板巖、變質(zhì)砂巖；5—二長花崗巖；6—富斜花崗巖；7—角閃石黑云母花崗巖； 8—花崗巖；9—泥質(zhì)粉砂巖；10—變質(zhì)砂巖

1.1.1 巖性

區(qū)內(nèi)地層出露由老至新為新元古界冷家溪群、板溪群，晚古生界泥盆系、石炭系、二疊系，中生界三疊系、侏羅系、白堊系，新生界古近系、第四系等。其中巖性具體有灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、礫巖、砂巖、板巖和白云巖等。

1.1.2 巖漿巖

區(qū)內(nèi)巖漿巖較發(fā)育，且種類較多，產(chǎn)狀、規(guī)模各異，有侵入巖基、巖株及巖脈，主要有黑云母二長花崗巖、二云母二長花崗巖、花崗斑巖脈和輝綠(玢)巖脈等。

1.1.3 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)內(nèi)主要經(jīng)歷了武陵運動、雪峰運動、加里東運動、印支運動、燕山運動、喜山運動等六次大的構(gòu)造運動，正是這些多期次、多旋回的構(gòu)造運動造成了圖區(qū)內(nèi)各構(gòu)造層間明顯的區(qū)域角度不整合和復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造形跡。根據(jù)測區(qū)地層出露情況、構(gòu)造變形與巖漿活動特征，自北西向南東可劃分為溈山隆起、韶山?湘鄉(xiāng)拗陷、茶恩寺?板杉鋪隆起、株洲拗陷等，低洼區(qū)域分布廣泛。

區(qū)內(nèi)被具有近似垂直的區(qū)域5大斷裂系統(tǒng)切割，其中慈利?醴陵斷裂帶呈東南?西北向，株洲?永州斷裂、醴陵?寧遠斷裂、茶陵?藍山斷裂和炎陵?長城嶺斷裂大致等間距平行呈西南?東北向展布，具有早期活動呈壓性，晚期轉(zhuǎn)化為張扭具走滑的特征。據(jù)圖2中的地表地質(zhì)圖，區(qū)內(nèi)主要出露巖性為變質(zhì)砂巖、砂礫巖和板巖等；火成巖類主要存在于區(qū)域內(nèi)的北部局部、南部炎陵縣域內(nèi)，其余地方偶有出露。頻率域可控源音頻大地電磁法探測前提是巖性具有物性差異，探測目標(biāo)以地質(zhì)構(gòu)造和巖性接觸帶引起的異常為主。

1.2 地球物理特征

長株潭地區(qū)的地球物理工作較為豐富，測量物性的參數(shù)方法也有很多，比如露頭小四極、孔旁電測深和測井等；每種方法測量的結(jié)果都有一定的范圍，已有資料的搜集結(jié)果見表1。

溫泉的形成有熱源、控?zé)針?gòu)造、熱儲和蓋層等結(jié)構(gòu)[14]，熱源往往來自深部花崗巖等火成巖，控?zé)針?gòu)造一般為深斷裂和其在地質(zhì)運動過程中產(chǎn)生的次級斷裂，熱儲在長株潭地區(qū)一般為二疊系、泥盆系灰?guī)r及其形成的巖溶小裂隙等，而蓋層在長株潭地區(qū)往往為分布較為廣泛且較厚的第三系紅層(具體包括泥質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r等)，通過表1所述，可以看出在溫泉探查中各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)的探查具有明顯的地球物理特征差異，從而證實可控源在探測斷裂方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。隨著長株潭一體化高速發(fā)展，區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的工作也逐步展開[14]，基礎(chǔ)地質(zhì)成果的提供成為建設(shè)城市的必要；長株潭地區(qū)的溈山巖體、蕉溪嶺巖體等為出露的花崗巖體，而大部分地區(qū)呈盆地形式存在，第四系和第三系覆蓋較厚，對于巖體深部延伸、不同巖性在地表下深部是如何接觸，產(chǎn)狀和走向等很多情況未知，更為致命的是在第三系、第四系的地層電阻率普遍太低，常規(guī)電法探測由于能量消耗太大，往往難以探測到目的地層，在此情況下，人工源頻率域電磁測深可以有所作為。

表1 長株潭地區(qū)巖石參數(shù)統(tǒng)計表[15]

2 MT、CSAMT法理論及長株潭地區(qū)典型巖性組合收發(fā)距計算

2.1 MT及CSAMT法理論

目前常用的MT采集頻率范圍是0.0001~10000 Hz，根據(jù)電磁場特點和笛卡爾直角坐標(biāo)系中(見圖3)TE極化模式和TM極化模式的定義，最終得到如下式[16]：

對于一維電性結(jié)構(gòu)模型，據(jù)式(3)和(4)，對MT，地表下第層表面的波阻抗Z通過下面的遞推計算公式可得[16]：

式中：e為自然指數(shù)；0n、k、Z-分別為第層的特征阻抗、第層的復(fù)傳播系數(shù)和第層表面的波阻抗。

對于可控源音頻大地電磁法的一維正演，將均勻半空間表面水平電偶源產(chǎn)生的電磁場表示為(見圖3中的坐標(biāo)系)[17?18]：

若令：

則：

即可以得到類似天然源MT的計算公式：

式(6)~(14)中：E、H分別為電、磁場水平分量(圖3中方向和電偶極子方向相同與測線平行，方向為垂直測量方向，軸垂直向下)。為接收點到偶極中心矢徑的模；為自然指數(shù)；為和軸的夾角；為發(fā)送電流強度；為電偶極子長度；和分別是均勻半空間的導(dǎo)磁率和電阻率；代表角頻率；表示為大地的磁導(dǎo)率；表示電磁波傳播波數(shù)，在準(zhǔn)靜態(tài)極限下有；1、0和1、0分別是第一和第二類以為宗量的虛宗量貝塞耳函數(shù)，0和1代表階數(shù)[17?18]，是卡尼亞視電阻率，是阻抗相位，為阻抗(Re表示其實部，Im表示其虛部)。

圖3所示為CSAMT和MT觀測層狀模型示意圖，軸垂直紙面向外，軸垂直于軸，軸垂直于軸和軸確定的平面，電偶源沿軸分布，中心點為軸0點，測線與軸平行，地表下地層第一層的電阻率設(shè)為，厚度為1，第二層的電阻率為，以此類推，最底部為第層。CSAMT是供電時在測線上進行數(shù)據(jù)測量，而MT是無人工源條件下進行的數(shù)據(jù)測量，所測參數(shù)一致。

圖3 MT、CSAMT法層狀模型示意圖

2.2 長株潭地區(qū)典型巖性組合收發(fā)距計算

據(jù)表1可知，在長株潭區(qū)域，砂巖、灰質(zhì)礫巖的電阻率在1500 Ω·m左右，灰?guī)r、白云巖電阻率在2590 Ω·m左右；網(wǎng)紋狀粘土、礫巖的電阻率為500 Ω·m左右，粘土、粉砂巖的電阻率為50 Ω·m左右，花崗巖的電阻率在8000 Ω·m左右。CSAMT數(shù)據(jù)處理都用遠區(qū)數(shù)據(jù)進行反演解釋，遠區(qū)處理的方式是MT反演方法，所以本研究中將對同種模型的MT響應(yīng)和CSAMT響應(yīng)做比較，通過其相對誤差不超過10%為評價標(biāo)準(zhǔn)。用表示同等條件下CSAMT和MT電阻率誤差，如下式所示：

由于粘土、粉砂巖往往存在地表，根據(jù)以上分析，可以設(shè)計下列8種情況進行分析計算，得到準(zhǔn)確的收發(fā)距。第一種為500 Ω·m的地層，以網(wǎng)紋狀粘土、礫巖為代表；第二種為1500 Ω·m的地層，以砂巖、灰質(zhì)礫巖為代表；第三種為2590 Ω·m的地層，以灰?guī)r、白云巖為代表；第四種為8000 Ω·m左右，以花崗巖類為代表；后4種設(shè)計模型是前4種的首層是第四系，其電阻率為50 Ω·m左右，以粘土、粉砂巖為代表。圖4~11為上述8種情況下的計算結(jié)果相對誤差等值線結(jié)果，后4種情況下首層低阻層的厚度為20 m。

在圖4~11中，橫坐標(biāo)為可控源音頻大地電磁測深的收發(fā)距，縱坐標(biāo)為計算的頻率(本文中采用的頻率為目前常用的CSAMT測量頻組：=[0.125 0.25 0.5 1 1.41 2 2.82 4 5.6 8 11.2 16 22.4 32 45 64 90 128 180 256 360 512 721 1024 1441 2048 2882 4096 5765 8192]Hz)以10為底的對數(shù)(lg(/Hz))；8種結(jié)果所用色標(biāo)統(tǒng)一，由藍色到紅色表示誤差由小到大；其中藍色范圍為同等條件下CSAMT和MT視電阻率誤差小于等于10%的范圍(以10%為界值，認為小于此誤差為可利用頻率范圍用MT方式處理數(shù)據(jù))。

圖4 粘土、礫巖為代表的地層視電阻率相對誤差

圖5 砂巖、灰質(zhì)礫巖為代表的地層視電阻率相對誤差

圖6 灰?guī)r、白云巖為代表的地層視電阻率相對誤差

圖7 花崗巖類為代表的地層視電阻率相對誤差

圖8 地表低阻粘土、礫巖為代表的地層視電阻率相對誤差

圖9 地表低阻砂巖、灰礫巖為代表的地層視電阻率相對誤差

圖10 地表低阻灰?guī)r、白云巖為代表的地層視電阻率相對誤差

圖11 地表低阻花崗巖類為代表的地層視電阻率相對誤差

圖4~11都具有以下特點：隨著收發(fā)距的增加，可利用的可控源數(shù)據(jù)最低頻率越來越低，范圍越來越大，可以探測的有效深度越來越深；同等收發(fā)距條件下，隨著地層電阻率的增加，可利用可控源數(shù)據(jù)的最低頻率越來越高，范圍越來越?。划?dāng)?shù)乇碛?0 m厚的低阻層時，隨著基底底層的巖石電阻率增大，由于淺地表低阻帶存在，在同等條件下可用頻率數(shù)值變大；但在最低可用頻率的位置會出現(xiàn)局部誤差最大值。綜上所述，圖4和圖8表明網(wǎng)紋狀粘土、礫巖為代表的地層收發(fā)距為6000 m時最低可用頻率大致為360 Hz，收發(fā)距在8000 m時最低可用頻率為32 Hz，而當(dāng)收發(fā)距為12000m時最低可用頻率在8 Hz；圖5和圖9表明以砂巖、灰質(zhì)礫巖為代表的地層在收發(fā)距為6000 m時最低可用頻率大致為1024 Hz，收發(fā)距在8000 m時最低可用頻率為360 Hz，而當(dāng)收發(fā)距為12000 m時最低可用頻率在128 Hz；圖6和圖10表明為以灰?guī)r、白云巖為代表的地層在收發(fā)距為6000 m時最低可用頻率大致為1441Hz，收發(fā)距在8000 m時最低可用頻率為512 Hz，而當(dāng)收發(fā)距為12000 m時最低可用頻率在256 Hz；圖7和圖11表明以花崗巖類為代表的地層在收發(fā)距為6000 m時最低可用頻率大致為5765 Hz，收發(fā)距在8000 m時最低可用頻率為1441 Hz，而當(dāng)收發(fā)距為12000 m時最低可用頻率在721 Hz。

按何繼善和湯井田等專家給出的結(jié)論[17?18]，頻率域電磁法趨膚深度計算公式如下：

式中：為探測頻率；為探測深度；為探測地層電阻率。相對MT法，CSAMT法在引起10%的卡尼亞視電阻率誤差時，結(jié)合圖4~11，基本上頻率都會增加1~2個數(shù)量級，對應(yīng)的趨膚深度為同等條件下MT法趨膚深度的91%~95%。

3 實例分析

選取湖南省株洲市攸縣柏市鎮(zhèn)溫水村溫泉探查研究項目作為實例進行分析。

3.1 地質(zhì)概況

地層以石炭系、泥盆系和二疊系的地層為主，具體巖性有灰黑色頁巖、白云質(zhì)、灰黑色砂巖板狀頁巖、中厚層粉砂巖和灰?guī)r等。根據(jù)初步地質(zhì)調(diào)查，區(qū)內(nèi)的地?zé)嵬ǖ乐饕芍骺財嗔褳闂顬I斷裂控制。由于區(qū)域地質(zhì)各個期次的運動，形成的次級斷裂有宋家斷裂、新漕泊斷裂等(見圖12)。

圖12中，藍色小點為設(shè)計的可控源音頻大地電磁法的測點，共設(shè)計了5條測線，目前發(fā)現(xiàn)的溫泉點出露溫度為35.9℃，流量為12.24 L/s，溫度相對較高，位于圖幅中部的近南北向斷裂和楊濱斷裂交匯部位。

圖12 地?zé)嵴{(diào)查研究區(qū)構(gòu)造綱要簡圖：1—斷裂及名稱；2—背斜；3—向斜；4—地?zé)崧额^；5—CSAMT測點

3.2 數(shù)據(jù)采集方案

按照經(jīng)驗，根據(jù)Bostick公式換算[19]：

式中：為探測頻率；為探測深度；為探測地層電阻率；通過地質(zhì)調(diào)查，此區(qū)域內(nèi)頁巖、白云質(zhì)灰黑色砂巖板狀頁巖分布較廣，而灰?guī)r白云巖分布較少，電阻率應(yīng)在1000 Ω·m左右，假如探測深度為1000 m，按照式(16)計算可知，的最小探測頻率應(yīng)在126 Hz。

按照第2節(jié)討論，此溫泉成溫區(qū)域的電阻率在第一種和第二種情況之間，可以認為其滿足126 Hz以上的頻率在遠區(qū)的收發(fā)距大于10 km即可達到探測目標(biāo)深度。最終實地調(diào)查后我們選擇的收發(fā)距為11.2 km。

按照中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)，提供了兩個頻段，1~8192 Hz或者0.125~8192 Hz，所以采集頻率選擇前者。

趙廣茂等[20]認為當(dāng)收發(fā)距大于10倍的電偶極距時才能視作電偶極子，而小于10倍時僅能當(dāng)做線電流源，所以本實例選擇的極距為1000 m。

3.3 數(shù)據(jù)評價及處理

此區(qū)內(nèi)按照3.2節(jié)的設(shè)計進行了赤道偶極數(shù)據(jù)采集，通過野外實測的卡尼亞視電阻率和頻率，經(jīng)過靜態(tài)校正，濾波，剔除飛點，以線的1200號測點的實測數(shù)據(jù)進行分析(見圖13)。

圖13 A線1200號測點實測曲線

在圖13中，遠區(qū)數(shù)據(jù)在11.2~8192 Hz；過渡區(qū)在曲線的波谷區(qū)域，頻率范圍為1~11.2 Hz；近區(qū)呈近似45°上翹特征，其頻率范圍小于1 Hz。且整個遠區(qū)的視電阻率都小于1000 Ω·m，反演后會更小，說明布置地電觀測系統(tǒng)前的要求完全符合要求，可利用頻率11.2 Hz小于126 Hz。整個遠區(qū)范圍的電阻率測深曲線近似于K型，淺部1141~819 2Hz電阻率呈下降趨勢；128~1141 Hz視電阻率趨于平穩(wěn)為局部較大值，但此區(qū)間128~256 Hz之間的數(shù)據(jù)有局部曲折現(xiàn)象，說明此頻段所測對應(yīng)部位可能存在斷裂；1~128 Hz存在一個低阻帶。

最后經(jīng)過Occam二維反演[1]，由于篇幅所限僅僅列出線探測結(jié)果及地質(zhì)解釋圖(見圖14)。其中圖14(a)為反演電阻率斷面，圖14(b)為物探解釋剖面。圖14中高低阻分界線明顯，其中推斷斷裂F1在2200號測點及2250測點附近，推測其延伸向小號點延伸(即：傾向南東，傾角約75°~85°)；推斷斷裂F2向大號點延伸(即：傾向西南，傾角115°~135°)在1750號測點附近出露地表；推斷斷裂F2被推斷斷裂F1錯開，兩者關(guān)系為張性關(guān)系，兩個斷裂是主要控?zé)?、控水?dāng)嗔?，為水分的來源提供了通道，但通道較?。辉诤０?00 m和?300 m之間形成了一個蓋層(巖性可能為白云質(zhì)巖類，相對呈高阻)為深部的低阻異常提供了相對封閉的空間，頂部直至地表為水的補給區(qū)。其它兩個斷裂分別在200號測點和1350號測點附近，兩者產(chǎn)狀均較陡，其中1350號測點的推斷斷裂F3和推斷斷裂F1引起的低阻保溫層可能在深部交匯；200號測點附近的推斷斷裂F4推測為普通斷裂，深度延伸較淺，產(chǎn)狀與推斷斷裂F1相似，但不是儲熱通道；其中推斷斷裂F3的傾向為東南，傾角85°左右，推斷斷裂F4與推斷斷裂F3產(chǎn)狀相似，疑似平行斷裂。由圖7中所推測的地質(zhì)結(jié)果如下：地表層由cm~m厚度不等的第四系Q4組成；中間層的電阻率大致在190~1700 Ω?m，常見值在400 Ω?m左右，推測由石炭系C2+3白云巖、灰?guī)r等組分組成，其長度貫穿整條測線，海拔在?20~500 m不等，用磚型表示，其被推斷斷裂F1、F2、F3和F4等穿插；深部為二疊系下統(tǒng)P1d的頁巖、灰?guī)r組成，其可能含有碳質(zhì)，貫穿整條測線，海拔在?20~?700 m之間，電阻率從Ω?m~200 Ω?m之間都有存在，在大號點(1000號測點)后深部此層內(nèi)存在極低低阻層，圖中用藍色實細線圈定出，推斷為深部熱源區(qū)。整條剖面深部大斷裂為熱儲部位提供了補給水，通過中間的石炭系C2+3蓋層沿著藍色虛線帶箭頭方向流向地表，形成了帶有深部熱液的溫泉出露。

圖14 CSAMT法勘探A線2D反演結(jié)果及地質(zhì)解釋剖面圖：1—第四系；2—石炭系白云巖灰?guī)r；3—二疊系頁砂巖；4—推斷斷層；5—推斷熱流通道；6—推斷熱源

為了整體分析研究面上立體空間結(jié)果，本文特選取相隔200 m做成三維切片圖(見圖15)來進行分析，可以看出：推斷斷裂F1~F3為較深斷裂，隨著深度的增加產(chǎn)狀變化較小，而推斷斷裂F4斷裂較淺(推斷不是控溫斷裂)。

3.4 鉆探結(jié)果及地質(zhì)解釋

在線的1200號測點布設(shè)了鉆孔，2014年冬天施工，在410.22 m時打到F3斷裂破碎帶，溫泉水涌出，溫度達到37°，鉆孔ZK-1鉆探巖芯編錄結(jié)果如表2所列。

表2 ZK-1鉆孔各地層巖性、厚度統(tǒng)計表

結(jié)果表明：CSAMT反演解釋推斷結(jié)果與鉆探巖性構(gòu)造對應(yīng)較好。

根據(jù)以上信息可知：此勘探區(qū)域的熱儲為層狀，與白云灰?guī)r作為蓋層，其底部深部存在砂巖、頁巖(可能含有碳質(zhì))密切相關(guān)，且熱儲層從線和1線來看為后期斷裂F3和F2改造后的背斜儲溫層，斷裂提供水源，中間層狀地層的內(nèi)部裂隙破碎，次級斷裂把經(jīng)過深部儲熱層加熱的溫水初步遷移到地表，屬于熱液型溫泉。其特點為蓋層被斷裂在大號點破壞，溫泉在小號點散出。溫泉到達地表后可能造成圍巖蝕變。經(jīng)過近兩年的取樣觀測和測試，地?zé)岙惓｜c泉水夏季溫度約24~26 ℃，冬季溫度較高，為36~38 ℃，可擬做生產(chǎn)開發(fā)井。

圖15 CSAMT法勘探綜合三維橫向切片圖

4 結(jié)論

1) 依據(jù)長株潭地區(qū)的地層特點和MT、CSAMT的基本原理詳細推導(dǎo)了層狀模型的公式，根據(jù)長株潭地區(qū)區(qū)內(nèi)的地層特點設(shè)計8種典型地層理論模型，計算出了CSAMT相對MT在0.125~8192 Hz之間正演響應(yīng)下的誤差。

2) 以區(qū)內(nèi)株洲市柏市鎮(zhèn)溫泉調(diào)查的探測為實例，從理論上分析了地電觀測系統(tǒng)的正確性，并對采集的原始數(shù)據(jù)進行了處理和解釋，在410.22 m時打到推斷的F3斷裂破碎帶，溫泉水涌出，最高溫度可達38 ℃，具有開發(fā)前景，證實了本項目具有地質(zhì)調(diào)查研究示范作用。

[1] 柳建新, 童孝忠, 郭榮文, 李愛勇, 楊 生. 大地電磁測深法勘探—資料處理、反演與解釋[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2012: 1?211. LIU Jian-xin, TONG Xiao-zhong, GUO Rong-wen, LI Ai-yong, YANG Sheng. The magnetotelluric sounding prospecting—data processing, inversion and interpretation [M].Beijing: Science Press, 2012: 1?211

[2] 劉春明, 佟鐵鋼, 何繼善. 多種電磁法在某金礦的野外勘探應(yīng)用 [J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2013, 23(9): 2422?2429. LIU Chun-ming, TONG Tie-gang, HE Ji-shan. Exploration of various electromagnetic methods in some gold mine[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2013, 23(9): 2422?2429.

[3] 柳建新, 曹創(chuàng)華, 童孝忠. 礦區(qū)強干擾環(huán)境下電磁法應(yīng)用研究與推廣研究成果報告[R]. 長沙: 中南大學(xué), 2015: 21?24. LIU Jian-xin, CAO Chuang-hua, TONG Xiao-zhong.Application of electromagnetic method and dissemination of research results report in noisy environments of mining[R]. Changsha: Central South University, 2015: 21?24.

[4] ZONGE K L. Introduction to CSAMT: Practical Geophysics Ⅱ[M]. Tucson: Northwest Mining Association, 1992: 1?6.

[5] 石昆法. 可控源音頻大地電磁法理論與應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)技術(shù)出版社, 1999: 1?198. SHI Kun-fa.Controlled source audio magnetotelluric method theory and application[M]. Beijing: Science and Technology Press, 1999: 1?198.

[6] PFAFFHUBER A. Development and test of a controlled source MT method in the frequency range 1 to 50 kHZ[D]. Berlin: Technical University Berlin, 2001: 10?44.

[7] 岳瑞永, 徐義賢. 可控源頻率域電方位各向異性與近場效應(yīng)研究[J].石油地球物理勘探, 2004, 39(3): 342?347. YUE Rui-yong, XU Yi-xian. Study on electric azimuth anisotropy of controlled source in frequency domain and near-field effects[J]. Oil Geophysical Prospecting, 2004, 39(3): 342?347.

[8] 王 若, 王妙月, 盧元林. 高山峽谷區(qū)CSAMT觀測系統(tǒng)研究[J]. 地球物理學(xué)進展, 2004, 19(1): 125?130. WANG Ruo, WANG Miao-yue, LU Yuan-lin. CSAMT observation system study in high mountain and steep gorge area[J]. Progress in Geophysics, 2004, 19(1): 125?130.

[9] 陳明生, 閆 述. CSAMT勘探中場區(qū)、記錄規(guī)則、陰影及場源復(fù)印效應(yīng)的解析研究[J]. 地球物理學(xué)報, 2005, 48(4): 951?958. CHEN Ming-sheng, YAN Shu. Analytical study on field zones, record rules, shadow and source overprint effects in CSAMT exploration[J]. Chinese Journal Geophysics, 2005, 48(4): 951?958.

[10] 林 威. CSAMT 法過渡區(qū)電磁場的特征[J]. 物探與化探, 2009, 33(2): 148?150. LIN Wei. Transition region electromagnetic field characteristics of the CSAMT method[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2009, 33(2): 148?150.

[11] 湯井田, 周 聰, 肖 曉. 復(fù)雜介質(zhì)條件下CSAMT 最小發(fā)收距的選擇[J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2013, 23(6): 1681?1693. TANG Jing-tian, ZHOU Cong, XIAO Xiao. Selection of minimum transmit-receive distance of CSAMT on complicated media[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2013, 23(6): 1681?1693.

[12] 曹創(chuàng)華. 東昆侖成礦帶典型礦山電(磁)響應(yīng)特征及成礦模式識別應(yīng)用研究[D]. 長沙: 中南大學(xué), 2015: 18?87. CAO Chuang-hua. Applied research of metallogenic pattern recognition and electric (magnetic) response characteristics on typical mine in East Kunlun metallogenic belt, China[D]. Changsha: Central South University, 2015: 18?87

[13] 湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)局. 湖南省區(qū)域地質(zhì)志[M]. 北京: 地質(zhì)出版社, 1988: 1?121. Geology and Mineral Resources Bureau of Hunan Province. Hunan province regional geology[M]. Beijing: Geological Publishing House, 1988: 1?121

[14] 陶 峰. 湖南寧鄉(xiāng)縣玉潭鎮(zhèn)一帶尋找地?zé)岬那熬胺治鯷J]. 能源與環(huán)境, 2011(4): 77?78. TAO Feng. The prospect analysis of terrestrial heat in Yutan region, Ning-xiang county, Hunan province[J]. Energy and Environment, 2011(4): 77?78.

[15] 范 毅, 徐定芳, 童 軍. 長株潭滬昆高鐵沿線城鎮(zhèn)群地質(zhì)環(huán)境綜合調(diào)查子項目總體設(shè)計[R]. 長沙: 湖南省地質(zhì)調(diào)查院, 2015: 1?35. FAN Yi, XU Ding-fang TONG Jun. Shanghai-Kunming high-speed rail along the geological environment of urban population comprehensive survey subproject overall design in Chang-Zhu-Tan area[R]. Changsha: Hunan Provincial Institute of Geological Survey, 2015: 1?35.

[16] COGGON J. Electromagnetic and electrical modeling by finite element method[J]. Geophysics, 1971, 36: 132?155.

[17] 何繼善. 可控源音頻大地電磁法[M]. 長沙: 中南大學(xué)出版社, 1998: 1?72. HE Ji-Shan. Controlled source audio magnetotelluric method[M]. Changsha: Central South University Press, 1998: 1?72.

[18] 湯井田, 何繼善. 可控源音頻大地電磁法及其應(yīng)用[M]. 長沙: 中南大學(xué)出版社, 2005: 1?198. TANG Jin-tian, HE Ji-shan. Methods and applications of CSAMT[M]. Changsha: Central South University Press, 1998: 1?198

[19] WARD S H, HOHMANN G W. Electromagnetic theory for geophysical applications in electromagnetic methods in applied geophysics[J]. Investigations in Geophysics, 1988, 1: 1?255.

[20] 趙廣茂, 李志華, 朱旭東, 馮彥謙. 長導(dǎo)線源CSAMT一維正演研究[J]. 鐵道工程學(xué)報, 2010, 143(8): 21?24. ZHAO Guang-mao, LI Zhi-hua, ZHU Xu-dong, FENG Yan-qian. Research on CSAMT 1-D modeling of long wire source[J].Journal of Railway Engineering Society, 2010, 143(8): 21?24.

Case study and analysis on distance between transmitter and receiver of CSAMT method in Chang-Zhu-Tan area, China

CAO Chuang-hua1, 3, DENG Zhuan1, LIU Jian-xin2, 3

(1. Geology Survey Institute of Hunan province, Changsha 410116, China;2. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China;3. Key Laboratory of Non-ferrous Resources and Geological Detection, Ministry of Hunan Province, Changsha 410083, China)

The response data of CSAMT method is closely related to transmission distance and measured wave region, which determines it’s effective exploration depth. Chang-Zhu-Tan area is the important regional and national area, there exist magmata rocks, folds, fracture and with conglomerate, sandstone, mudstone, dolomite, limestone and granite, which is natural prerequisite to use CSAMT method. However, resistivities of most rock are generally low with water system developmentally, and the resistivity of granite is relatively high, this makes different patches be measured to meet the specifications of receiving valid data from the implementation of CSAMT vary. Depending on the rock area in this article, typical of stratum structure consisting of the numerical calculation, the size of the best receiving distance was calculated, for expecting this area or similar area during some reference when CSAMT method detection was used.

Chang-Zhu-Tan area; CSAMT method; distance between transmitter and receiver; case study

(編輯 王 超)

Projects(12120115046901, 12120115043901) supported by the geological survey Bureau of China

2016-01-05; Accepted date:2016-05-17

CAO Chuang-hua; Tel: +86-13787313842; E-mail: 0404050825@163.com

1004-0609(2017)-02-0345-11

P631.3

A

中國地質(zhì)調(diào)查局資助項目(12120115046901，12120115043901)

2016-01-05；

2016-05-17

曹創(chuàng)華，工程師，博士；電話：13787313842；E-mail: 0404050825@163.com