極寒環(huán)境中廣域電磁法勘探技術(shù)研究

詹少全，李愛勇，王導(dǎo)麗，郝紅蕾，王磊

(江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局 八一四隊(duì)，江蘇 鎮(zhèn)江 212005)

0 引言

電磁法作為對(duì)地探測(cè)的主要方法之一，在礦產(chǎn)、工程等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，隨著淺部資源的日漸枯竭，國(guó)家提出“深地探測(cè)”戰(zhàn)略，電磁法應(yīng)用范圍及領(lǐng)域更加廣闊。廣域電磁法可在不限于“遠(yuǎn)區(qū)”的廣大區(qū)域測(cè)量，顛覆了頻率域電磁法只能在“遠(yuǎn)區(qū)”測(cè)量的認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)了頻率域電磁法由平面波到曲面波的理論跨越，探測(cè)深度可達(dá)8 km[1]，抗干擾能力強(qiáng)，分辨率高，是一種精細(xì)勘探方法，是深地探測(cè)的重要手段之一[2-3]。

目前，主要是在常溫條件下開展廣域電磁法的施工，因?yàn)殡娮釉O(shè)備一般應(yīng)用在0～40 ℃的溫度環(huán)境下，極寒條件一直是電子儀器設(shè)備開展工作的禁區(qū)。我國(guó)東北地區(qū)冬季溫度可達(dá)零下幾十度，極寒環(huán)境限制了該方法應(yīng)用的范圍和季節(jié)。為了擴(kuò)展廣域電磁儀器的應(yīng)用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域，做到全氣候條件下的勘探，開展了極寒環(huán)境下廣域電磁法的勘探技術(shù)研究，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)開展技術(shù)研究，為建立極寒條件的施工工藝進(jìn)行探索。

1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)區(qū)位于大慶市林甸縣(圖1)，氣溫在-26～-16 ℃之間，屬于極寒氣候條件，凍土層厚度達(dá)2 m左右。該區(qū)域在上年度的春夏季開展過(guò)廣域電磁法測(cè)量，具備了資料的對(duì)比研究條件，同時(shí)，其地質(zhì)、物探研究程度較高，屬于已知地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域，為資料評(píng)價(jià)提供了有利條件。該區(qū)地形交通條件較好，提供了良好的交通要素，為實(shí)驗(yàn)安全提供了保障。實(shí)驗(yàn)區(qū)干擾較少，實(shí)驗(yàn)段無(wú)高壓線、城鎮(zhèn)等人文干擾，離高速公路1 km左右，高速公路對(duì)廣域電磁的信號(hào)接收影響可不予考慮。

圖1 實(shí)驗(yàn)區(qū)位置示意Fig.1 Location map of the test area

實(shí)驗(yàn)區(qū)位于松遼盆地中央坳陷區(qū)，勘探工作程度較高，也是大慶油田實(shí)現(xiàn)第二個(gè)一百年計(jì)劃的深部重點(diǎn)勘探區(qū)。石炭—二疊系油氣勘探是松遼盆地重要的后備領(lǐng)域[4]，二疊系粉砂巖裂縫中干瀝青是由石炭系—二疊系本身生成的，在四深1井等鉆井中在石炭—二疊系中發(fā)現(xiàn)油氣，證實(shí)為烴源巖；實(shí)驗(yàn)區(qū)已有林深1井、林深2井、魚2井和烏1井，實(shí)驗(yàn)段地質(zhì)情況基本清楚(表1)；實(shí)驗(yàn)剖面為已知地質(zhì)剖面，具備了實(shí)驗(yàn)地質(zhì)條件。實(shí)驗(yàn)區(qū)地表全部被第四系覆蓋，地層主要由基底巖體、前古生界和上古生界以及中新生界蓋層組成。

表1 實(shí)驗(yàn)區(qū)地層簡(jiǎn)表Table 1 Main strata table in the test area

1.3 地層電阻率特征

統(tǒng)計(jì)了工作區(qū)鉆孔測(cè)井電阻率(表2)，結(jié)果表明該區(qū)電阻率整體較低，但各地層還是存在明顯的電阻率差異，電磁法可以分辨。

表2 工作區(qū)鉆孔測(cè)井電阻率統(tǒng)計(jì)Table 2 Resistivity statistical results of borehole logging in working area

2 廣域電磁法方法與技術(shù)

2.1 基本原理

廣域電磁法是相對(duì)于傳統(tǒng)的可控源音頻大地電磁法和磁偶源頻率測(cè)深法(MELOS)提出來(lái)的一種人工源電磁法。假如地球是均勻大地，采用水平接地電偶極源作為場(chǎng)源[5-6]：

(1)

(2)

(3)

式(3)是均勻大地表面上水平電偶極源的Ex的嚴(yán)格的、精確的表達(dá)式。根據(jù)式(3)可以定義廣域意義上的視電阻率：

(4)

式(4)構(gòu)成了廣域電阻率的計(jì)算基礎(chǔ)，通過(guò)特殊的迭代技術(shù)就可以計(jì)算出廣域電阻率。

2.2 方法技術(shù)要求

廣域電磁法測(cè)量系統(tǒng)主要由發(fā)射和接收兩部分組成，要想獲得可靠真實(shí)的廣域電磁信號(hào)，地表?xiàng)l件必須滿足發(fā)射和接收的布設(shè)要求。根據(jù)相關(guān)行業(yè)規(guī)范,廣域電磁法的發(fā)射場(chǎng)源布設(shè)和接收布設(shè)滿足相關(guān)條件能取得良好品質(zhì)的資料。

發(fā)射布設(shè)應(yīng)符合以下技術(shù)要求：①場(chǎng)源易布設(shè)在構(gòu)造簡(jiǎn)單、電性均勻的地方，盡量避開明顯的干擾源，盡量減少場(chǎng)源影響；②采取各種措施降低發(fā)射電極接地電阻，一般應(yīng)降到20 Ω以下，使得盡可能增加發(fā)射供電電流，增加發(fā)射信號(hào)；③場(chǎng)源宜布設(shè)在與目標(biāo)體走向正交的方向上，收發(fā)距應(yīng)大于最大探測(cè)深度的3倍以上。

接收布設(shè)應(yīng)符合以下技術(shù)要求：①接收電極MN與土壤接觸良好，兩電極埋置條件基本相同，通過(guò)各類手段盡量降低接地電阻，接地電阻應(yīng)小于 2 kΩ，如遇基巖裸露等特殊地區(qū)，可適當(dāng)放寬，但不應(yīng)大于10 kΩ；②接收電極不能埋在樹根處、水流旁等，同時(shí)應(yīng)避免溝、坎邊，MN方位誤差應(yīng)小于1°。

3 研究技術(shù)路線

極寒條件下施工主要有以下幾個(gè)影響因素：①極寒條件下地表淺部會(huì)形成2～4 m的凍土層，土層結(jié)冰后電阻率急劇升高，導(dǎo)致發(fā)射電極的接地電阻率高，發(fā)射電流小，影響發(fā)射功率；②極寒條件影響儀器的正常工作，接收機(jī)電腦、發(fā)射控制器等電子設(shè)備會(huì)無(wú)法正常啟動(dòng)，電池?fù)p耗增加，造成設(shè)備損壞等；③凍土層的淺部高阻同時(shí)也會(huì)提高接收端的接地電阻；④極寒條件會(huì)使得路面結(jié)冰，影響行車安全，隱含交通隱患，同時(shí)低溫對(duì)施工人員也有影響。

為了解極寒條件對(duì)數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的影響，尋找極寒條件下施工的工藝流程，采取措施保障數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，開展了以下研究：①開展實(shí)驗(yàn)段16個(gè)測(cè)點(diǎn)所在剖面10 km春季數(shù)據(jù)的正反演研究分析，為實(shí)驗(yàn)提供依據(jù)；②開展同16個(gè)測(cè)點(diǎn)的同發(fā)射位置、同接收位置和同電流大小的極寒條件(未揭穿凍土層)和春季條件下(以前在春夏采集過(guò)廣域電磁數(shù)據(jù))對(duì)比實(shí)驗(yàn)；③開展同16個(gè)測(cè)點(diǎn)的同發(fā)射位置、同接收位置和同電流大小的極寒條件下發(fā)射電極揭穿凍土層和未揭穿凍土層對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

為了減少極寒條件對(duì)儀器設(shè)備和安全等造成的影響，根據(jù)多年的施工經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，采取了如下措施：

1)所有施工車輛必須進(jìn)保暖車庫(kù)，同時(shí)每天必須進(jìn)行設(shè)備安全性檢查。生產(chǎn)用的所有儀器包括發(fā)射和接收電極線必須進(jìn)保暖倉(cāng)庫(kù)。

2)電子儀器設(shè)備配備保暖箱，防止因溫度過(guò)低電子元件失靈，保證儀器設(shè)備的正常運(yùn)行，發(fā)射配備保暖帳篷。

3)購(gòu)置一定數(shù)量的氣鉆機(jī)和電鉆機(jī)，用于挖掘凍土層，便于布設(shè)接收和發(fā)射電極。

4)早上在車開出暖庫(kù)之前先在庫(kù)內(nèi)開啟燃油加熱器30 min，等水溫上升到80 ℃左右，再啟動(dòng)發(fā)電機(jī)預(yù)熱40 min，在施工過(guò)程中發(fā)電機(jī)零負(fù)載情況下不停機(jī)，保證發(fā)射系統(tǒng)正常工作。

5)為了降低發(fā)射接地電阻，盡量多布發(fā)射極，發(fā)射坑挖到30 cm以后，放置鋁板，撒鹽水，用凍土掩蓋好，在發(fā)射之前先供電預(yù)熱2 h左右，利用其發(fā)射自身的能量使其凍土層融化，降低接地電阻。

6)發(fā)射及接收車輛做好防滑措施，發(fā)射點(diǎn)預(yù)先設(shè)計(jì)，預(yù)先踏勘，設(shè)計(jì)好發(fā)射車輛運(yùn)輸路線，對(duì)各個(gè)接收點(diǎn)預(yù)先踏勘，做好各類安全措施，預(yù)防事故發(fā)生。施工人員做好防寒保暖措施，穿防風(fēng)衣服，穿防滑鞋子等，每人配備熱水袋和手套等保暖裝備。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)剖面16個(gè)點(diǎn)(見圖1)，剖面方向24.1°，點(diǎn)距100 m，剖面長(zhǎng)1.5 km，剖面為已知地質(zhì)典型剖面。發(fā)射AB距1.1 km，AB方向25.6°，收發(fā)距18.1 km，發(fā)射電流80 A，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中接收電極MN位置不變，發(fā)射AB位置不變，保證統(tǒng)一的發(fā)射和接收地質(zhì)條件，便于對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

4.1 反演結(jié)果分析

根據(jù)區(qū)內(nèi)已知鉆孔資料進(jìn)行了10 km的春季數(shù)據(jù)反演(圖2)。從反演斷面來(lái)看，156～171號(hào)反演電阻率比較低，與物性資料相符，區(qū)分了5套地層，深部埋深3 000 m，發(fā)現(xiàn)有一套約350 m厚的低阻帶清晰反映，低阻連續(xù)，反應(yīng)了P2—P3地層穩(wěn)定，并且連續(xù)存在，該地層為工作區(qū)目標(biāo)層，烴源巖地層。

圖2 實(shí)驗(yàn)段二維反演綜合地質(zhì)斷面Fig.2 Comprehensive geological section based on 2D resistivity inversion of the test section

4.2 不同季節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

極寒條件下在春季發(fā)射同一位置布設(shè)發(fā)射，發(fā)射坑深度30 cm，未揭穿凍土層。經(jīng)過(guò)預(yù)發(fā)射2 h預(yù)熱后,發(fā)射接地電阻降低為15 Ω，發(fā)射電流80 A，達(dá)到了技術(shù)規(guī)范要求，儀器各項(xiàng)指標(biāo)正常，接收接地電阻1.5～20 kΩ，一個(gè)排列接收時(shí)間2 h，高頻疊加30次以上，低頻疊加6次以上。表2給出了兩次施工的參數(shù)，可見只有發(fā)射接地電阻和接收接地電阻有差異，其余與春季參數(shù)是一致的。發(fā)射接地電阻通過(guò)增加發(fā)射電極數(shù)量和預(yù)熱融化凍土層等措施使得發(fā)射接地電阻最大程度地降低，以達(dá)到和春季一樣的發(fā)射電流，滿足技術(shù)規(guī)范要求；接收電極通過(guò)4根電極并聯(lián)等方法盡量降低接地電阻，以滿足技術(shù)規(guī)范要求。接收電極端未采取預(yù)熱降低電阻的方式，是因?yàn)樵趯?shí)際數(shù)據(jù)采集過(guò)程中接收端數(shù)量較大，通過(guò)預(yù)熱的方式不現(xiàn)實(shí)，不符合實(shí)際情況。

表2 春季與極寒條件下未揭穿凍土層施工參數(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of construction parameters of unexposed permafrost under spring and extreme cold conditions

對(duì)極寒條件下和春季的頻率電阻率信息繪制成雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)的頻率—電阻率曲線，以連續(xù)兩個(gè)點(diǎn)170、171號(hào)點(diǎn)為例(圖3)。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩次頻率—電阻率曲線類型一致，兩次曲線一致性良好，總均方誤差小于5%，反映兩次電磁響應(yīng)是一致的，高頻部分極寒條件下同頻率電阻率略大于春季的電阻率，推測(cè)應(yīng)是凍土層高阻的反映。實(shí)驗(yàn)證明，極寒條件下和春季施工能達(dá)到同樣的效果，都能滿足技術(shù)規(guī)范要求。

圖3 春季與極寒條件未揭穿凍土層頻率—電阻率曲線Fig.3 Comparison of frequency-resistivity curves of unexposed permafrost under spring and extreme cold conditions

4.3 凍土層的影響

為了對(duì)比極寒條件下未揭穿凍土層和揭穿凍土層廣域電磁法采集信息的差異，在同一位置用挖掘機(jī)挖掘深度2.2 m,完全揭穿凍土層，布設(shè)發(fā)射電極后再覆蓋，保證發(fā)射電極為無(wú)凍土層狀態(tài)(圖4b)。發(fā)射極接地電阻為7.1 Ω，發(fā)射電流80 A，儀器各項(xiàng)指標(biāo)正常；接收極接地電阻1 000～2 000 Ω，一個(gè)排列接收時(shí)間2 h，高頻疊加30次以上，低頻疊加6次以上，施工參數(shù)(表3)，揭穿凍土層以后發(fā)射接地電阻達(dá)到了與春季一個(gè)數(shù)量級(jí)的電阻率，其余參數(shù)與未揭穿凍土層一致,具備了對(duì)比的條件。

圖4 未揭穿(a)與揭穿凍土層(b)Fig.4 Unexposed (a) and exposed permafrost (b)

表3 極寒條件下揭穿與未揭穿凍土層采集參數(shù)Table 3 Collection parameters of exposed and unexposed permafrost under extremely cold conditions

將2種情況下的電阻率信息繪制成雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)的頻率—電阻率曲線，以連續(xù)160、161號(hào)點(diǎn)為例(圖5)。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩次頻率—電阻率曲線類型一致，同時(shí)兩次曲線一致性較好，均方根誤差都小于5%，也說(shuō)明揭穿凍土層和未揭穿凍土層廣域電磁響應(yīng)是一致的，在實(shí)際數(shù)據(jù)采集過(guò)程中未揭穿凍土層只要采取相應(yīng)降低發(fā)射接地電阻的措施，滿足技術(shù)要求能達(dá)到同樣的勘探效果。

圖5 極寒條件未揭穿凍土層與揭穿凍土層頻率—電阻率曲線Fig.5 Comparison of frequency-resistivity curves between unexposed and exposed permafrost under extremely cold conditions

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)證明廣域電磁法能在極寒環(huán)境下開展工作。在極寒條件下對(duì)儀器要采取保暖措施，在野外給儀器設(shè)備放入保暖箱或空調(diào)環(huán)境，配備應(yīng)急電源設(shè)備防止極寒條件設(shè)備電池?fù)p耗快，只要采取有效的對(duì)儀器設(shè)備的保暖措施，能保證儀器能正常工作；夜間所有儀器設(shè)備包括車輛等進(jìn)保暖庫(kù)，早上在車庫(kù)內(nèi)預(yù)熱發(fā)電設(shè)備。

通過(guò)發(fā)射預(yù)熱等方法融化凍土層降低發(fā)射接地電阻，使得發(fā)射接地電阻達(dá)到規(guī)范技術(shù)要求。極寒條件下安全為第一位，要加強(qiáng)對(duì)人員、儀器、車輛等的安全檢查，采取各類安全措施，預(yù)防安全事故的發(fā)生。發(fā)射位置及測(cè)線點(diǎn)位位置一定要提前預(yù)勘查，規(guī)劃人員車輛的路線，配備防凍防滑裝備，了解干擾、地形等情況，保證人員儀器安全。

極寒條件形成的凍土層與春季相比為高阻，電磁信號(hào)可以穿透高阻層，接收電極能接收到電磁信號(hào)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看極寒條件與春季電阻率曲線一致性較好，儀器設(shè)備運(yùn)行良好。極寒條件下因?yàn)橐扇『芏啻胧┐嬖谑┕ばб姹容^低，同時(shí)安全風(fēng)險(xiǎn)比較大，為了安全盡量在地形條件比較好的地區(qū)開展施工，同時(shí)對(duì)施工人員和儀器都是嚴(yán)峻的考驗(yàn)。廣域電磁法能在極寒條件下開展工作，并且能取得良好的勘探效果。