基于復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的可控源音頻大地電磁法數(shù)值模擬分析

孔德旭，韓飄平，盧 騰

（江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六一大隊(duì)，江西 鷹潭 335000）

我國(guó)是對(duì)地質(zhì)勘查是最具有積極性的國(guó)家之一，勘查到特復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)下的能源也是全國(guó)的共同期待，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)我們采取科學(xué)、合理的方法進(jìn)行勘查，因此本文推出可控源音頻大地電磁法，對(duì)特殊復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行勘查運(yùn)用，并取得了良好的數(shù)據(jù)結(jié)果。文中以復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)火山帶為例，研究分析了可控源音頻大地電磁法技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)下所獲得的應(yīng)用效果[1]。

1 勘查區(qū)地質(zhì)構(gòu)造與地球物理特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造研究

根據(jù)江西贛州龍南區(qū)地質(zhì)等相關(guān)資料，本文所要勘查的區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)地層巖性特征闡述如下。

以贛州龍南勘察區(qū)山體為例，本區(qū)的地勢(shì)區(qū)域位于長(zhǎng)江區(qū)域周?chē)窃搮^(qū)域板塊移動(dòng)碰撞時(shí)所形成的特殊復(fù)雜火山地帶。受侏羅紀(jì)時(shí)代晚期地塊行走移動(dòng)影響，該地的地質(zhì)再次發(fā)生了強(qiáng)烈的隆起聚集，形成地質(zhì)更為復(fù)雜的火山巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而地下沉積了巨厚的紅色碎屑巖系，不整合地疊覆于火山巖層之上。聚攏主要原因，是由太平洋板塊一系列頻繁活動(dòng)，和規(guī)模不等的逆沖、截?cái)?、推滑，鍛造組成了這些密集的聚攏構(gòu)造。

地殼運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈性，和原本火山內(nèi)巖漿體的軟流層充分結(jié)合，形成地下暗流熱源導(dǎo)熱構(gòu)造帶，并在內(nèi)部形成地?zé)岙惓^(qū)域。地下暗流水流中存在著，暗紅色鈣質(zhì)粉砂巖、礫巖、黑色結(jié)晶體與紅色泥巖狀砂巖，此巖狀物質(zhì)呈不等厚度，夾雜多種雜色巖晶。巖石表層受氧化影響，表面出現(xiàn)裂隙。聚攏帶多系暗河流動(dòng)，其電阻率相對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)較低，在電阻率呈現(xiàn)低組特征時(shí)，異常等值數(shù)據(jù)密集或不穩(wěn)定，這就為本文可控源音頻大地電磁法提供了在火山巖聚隆帶數(shù)值模擬的物性條件。

1.2 復(fù)雜區(qū)域地球物理特征研究

勘查區(qū)由一系列向東南走向的山脈和寬緩的聚隆火山帶山脈組成，西南部地勢(shì)相對(duì)較高，東北部地勢(shì)相對(duì)較低，整個(gè)贛州龍南研究區(qū)的平均海拔高度在253 米左右。除西南部，有些地區(qū)地勢(shì)地形起伏比較大以外，勘察區(qū)其他部分地形分布相對(duì)平穩(wěn)。

2 可控源音頻大地電磁法工作技術(shù)方法

2.1 技術(shù)應(yīng)用方法

本文采用可控音頻大地電磁法采集數(shù)值進(jìn)行模擬分析，該技術(shù)運(yùn)用人工源頻率域電磁測(cè)深勘探，通過(guò)人工發(fā)射源電流頻率及電流強(qiáng)度進(jìn)行勘查區(qū)地下電性結(jié)構(gòu)特征分析。觀測(cè)超低頻天然大地電場(chǎng)和磁場(chǎng)正交分量來(lái)計(jì)算電阻率，人工場(chǎng)源產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的頻率和場(chǎng)強(qiáng)均由人為控制，該技術(shù)在作用過(guò)程中抗干擾能力比較強(qiáng)，從而提高工作效率[2]。

本文提出的可控源音頻大地電磁法在常規(guī)AMT 電磁法探測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)目標(biāo)地區(qū)巖體的模型粗糙度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和改進(jìn)，以此作為先驗(yàn)信息，然后將勘察地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)資料等先驗(yàn)信息，加入到可控源大地電磁需要的先驗(yàn)地電數(shù)值模型中，這樣在工作迭代過(guò)程中在已有先驗(yàn)信息分布的基礎(chǔ)上，將區(qū)域內(nèi)修正模型逐漸的向先驗(yàn)信息靠攏，達(dá)到電性約束的效果，從而得到模型響應(yīng)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)值的擬合精準(zhǔn)度。

通過(guò)對(duì)一定長(zhǎng)度的接地導(dǎo)線供入不同頻率的電流，使電流作為發(fā)射場(chǎng)源，發(fā)射端通過(guò)依次改變發(fā)射諧變電流的頻率，測(cè)出初始電阻率值和相位值隨頻率的變化，從而在一定收發(fā)距的側(cè)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)頻率的諧變電磁場(chǎng)，收發(fā)過(guò)程中，發(fā)射頻率隨時(shí)間發(fā)生變化，發(fā)射電流強(qiáng)度也會(huì)隨著收發(fā)距離不同做出適當(dāng)調(diào)整。在信號(hào)接收區(qū)域內(nèi)采集不同頻率的水平和垂直磁場(chǎng)分量，通過(guò)計(jì)算頻率傾子、頻率傾子相位等參量，進(jìn)行間接了解掌握地下電性構(gòu)造特征[3,4]。

2.2 野外工作布設(shè)

首先實(shí)地勘察地形、地貌、交通、氣象、居民點(diǎn)、植被等條件，調(diào)查勘察區(qū)內(nèi)電磁干擾源，對(duì)電磁干擾情況進(jìn)行估計(jì)。其次綜合考慮地質(zhì)任務(wù)，勘察區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征、地形地貌、噪聲水平、儀器設(shè)備性能等條件，核對(duì)收集到的地質(zhì)、物化探、鉆探及測(cè)繪等信息資料。為了資料解釋需要，應(yīng)有針對(duì)性進(jìn)行電阻率參數(shù)測(cè)定，進(jìn)行標(biāo)本、露頭測(cè)定或小極距測(cè)深，以及電測(cè)井和井旁測(cè)深。最后需要進(jìn)行安全措施防護(hù)，開(kāi)工前必須對(duì)供電導(dǎo)線進(jìn)行檢查，任何損壞和開(kāi)裂都必須進(jìn)行及時(shí)維修或替換，接頭處應(yīng)使用高壓絕緣膠帶包裹嚴(yán)密。在有高壓電線的情況時(shí)，派專(zhuān)人巡視看管以達(dá)到安全作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3 模擬數(shù)值與研究成果

3.1 復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬前準(zhǔn)備工作

模擬數(shù)值處理首先需通過(guò)數(shù)據(jù)編輯、濾波、過(guò)濾校正等，篩選、排除采集到的可控源音頻大地電磁法數(shù)據(jù)的各種噪音影響，例如地質(zhì)噪音、人文噪音、儀器噪音自然環(huán)境噪音等，得到精準(zhǔn)數(shù)值，見(jiàn)圖1。

圖1 可控源音頻大地電磁法數(shù)據(jù)處理流程圖

以下為模擬數(shù)值流程，以本次勘察區(qū)為例，采用傳統(tǒng)天然源大地電磁法與可控源音頻大地電磁法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。即數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，可控源音頻大地電磁法采用了赤道偶極裝置進(jìn)行標(biāo)量測(cè)量從而得到模擬數(shù)值，本方法使用一段距離的接地導(dǎo)線作為發(fā)射端場(chǎng)源，距離場(chǎng)源中心的50km 范圍內(nèi)作為接收端，進(jìn)行勘測(cè)與人工場(chǎng)源平行的水平電場(chǎng)分量頻率傾子，和與場(chǎng)源相互連接的水平磁場(chǎng)頻率傾子相位等參量，見(jiàn)圖2。使用電場(chǎng)幅值和磁場(chǎng)的幅值計(jì)算電阻率，電場(chǎng)的相位值和磁場(chǎng)的相位值計(jì)算相位，對(duì)電阻率和相位進(jìn)行反演，得到電阻率參數(shù)，利用得到的電阻率實(shí)際分布情況進(jìn)行后續(xù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)推斷。

圖2 發(fā)射端布置示意圖與接收端模式布置示意圖

而傳統(tǒng)天然源大地電磁法采用的是天然源大地電磁法，在勘測(cè)地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息時(shí)，需將電磁波進(jìn)行垂直均勻入射到地面，大地電磁測(cè)深就是根據(jù)地表實(shí)測(cè)的視電阻率、相位等數(shù)據(jù)來(lái)求取大地深部電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)，操作起來(lái)較為復(fù)雜，也更難以掌控，稍有外在因素的影響便無(wú)法進(jìn)行，其縱向分辨能力會(huì)隨著深度的增加而迅速減弱。而采用的可控源音頻大地電磁法與傳統(tǒng)方法對(duì)比，所得到的可控源音頻大地電磁法頻率數(shù)據(jù)更多，分辨率更高，監(jiān)測(cè)過(guò)程更加精準(zhǔn)。

3.2 數(shù)值模擬實(shí)際操作及結(jié)果

下面為同等條件環(huán)境下二者通過(guò)地下測(cè)深采集到的數(shù)據(jù)對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 兩種測(cè)深技術(shù)方法頻率數(shù)據(jù)表

通過(guò)以上數(shù)據(jù)結(jié)果我們可以看出，800m 探測(cè)深度時(shí)，傳統(tǒng)大地電磁法技術(shù)，對(duì)比本文提出的技術(shù)，采集到的數(shù)值信息相對(duì)較弱，而1500m 時(shí)傳統(tǒng)技術(shù)更是受深度影響，采集的數(shù)值不穩(wěn)定，甚至較本文技術(shù)少探測(cè)到1 個(gè)數(shù)值點(diǎn)。所以結(jié)合上述數(shù)據(jù)，不難看出可控源音頻大地電磁法比傳統(tǒng)天然源大地電磁法得到的數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)清晰。

以可控源音頻大地電磁法進(jìn)行有限元場(chǎng)值的數(shù)值模擬，選擇三個(gè)復(fù)雜介質(zhì)結(jié)構(gòu)區(qū)域作為模型，發(fā)射端位于坐標(biāo)原點(diǎn)，接收測(cè)線平行發(fā)射偶極子在X 方向八千米處。模擬所用參數(shù)如下；

接收點(diǎn)位置y：從400 ～2100點(diǎn)，點(diǎn)距離為100m，共18個(gè)點(diǎn)，從2100 ～7300 點(diǎn)，點(diǎn)距離為200m，有26 個(gè)點(diǎn)，共44 個(gè)。

頻率f(Hz)為：2048，1024，512，256，128，64，32，16，8，4，2，1 共12 個(gè)。

波 數(shù)k 為：1.78，3.16，5.63，10.0，17.8，31.6，56.3，80.0，100.0，178.0，316.0，1000.0，2000.0，5000.0，共15 個(gè)。

勘查區(qū)三個(gè)復(fù)雜介質(zhì)構(gòu)造模型，在44 個(gè)接收點(diǎn)上對(duì)應(yīng)12 個(gè)頻率的電阻率及相位斷面，無(wú)論是電阻率還是相位斷面都展示出了三個(gè)復(fù)雜介質(zhì)構(gòu)造模型體的異常特征，異常的范圍要大出異常體很多。電阻率曲線在21 號(hào)及34 號(hào)接收點(diǎn)上，由于曲線通過(guò)3 個(gè)模型，所以在對(duì)比電磁頻率0.5Hz ～2Hz 段電阻率呈現(xiàn)出低阻特征。而3 個(gè)模型的相位沒(méi)有低阻特征，只是對(duì)應(yīng)異常地質(zhì)構(gòu)造位置相位相對(duì)變高。

從而得知，可控源音頻大地電磁法通過(guò)數(shù)值模擬可勘測(cè)出復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)，較常規(guī)電磁法得到的數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，該技術(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果，能夠直觀的給出地質(zhì)區(qū)域內(nèi)的異常形態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述結(jié)構(gòu)模擬數(shù)值結(jié)果表明，無(wú)論是斷面還是單值頻率勘測(cè)，結(jié)合文中圖例，得知可控源音頻大地電磁法對(duì)地下復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的特征，都有明顯的顯示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)勘察區(qū)結(jié)構(gòu)特征，收發(fā)距離大于4 倍的趨膚深度才能得到穩(wěn)定的受近場(chǎng)影響小的高質(zhì)量數(shù)據(jù)?？煽卦匆纛l大地電磁法數(shù)值模擬技術(shù)，可以靈活的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的模擬，因此該方法是一種可以具有實(shí)際利用價(jià)值的數(shù)值模擬技術(shù)，基于此技術(shù)的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)才更具有實(shí)用意義。