廣域電磁法在復(fù)雜電磁干擾環(huán)境的應(yīng)用研究
——以某市周邊地熱勘查為例

曾何勝，徐元璋，劉磊，唐寶山，張祎然，李義，陳宇峰

(湖北省地質(zhì)局 地球物理勘探大隊，湖北 武漢 430056)

0 引言

工區(qū)自奧陶系至第四系地層均有出露，印支運動之前主要為地層沉積。自印支運動開始，構(gòu)造運動頻繁，主要發(fā)育NE、NW向斷裂構(gòu)造。以廣域電磁法物探手段開展大深度地熱資源勘查[1]。

但工區(qū)測線布置在城市周邊，以志留系為主的淺表低阻層厚度較大，同時人文干擾較為嚴重，數(shù)據(jù)質(zhì)量難以達到要求。如何能采集到質(zhì)量良好的野外數(shù)據(jù)成了該工區(qū)廣域電磁法作業(yè)的難點。

人工源電磁勘探方法采取的主要抗干擾措施有：利用大功率手段增加電偶極距[2]或磁極距[3]；增加疊加次數(shù)和重復(fù)觀測累加信號[4]；進行頻譜分析后采用疊加、平滑、濾波等手段[5]；可控源采用全區(qū)視電阻率、磁道參考替換等技術(shù)[6]；TEM采用雙極性同步采樣方式、工頻50 Hz陷波器等[7]；脈沖干擾信號設(shè)置采樣時窗進行排除[8]。天然場電磁勘探方法抗干擾措施有：張量阻抗分析、遠參考分析、Robust估計及甘布爾的互功率譜法[9]。還有采用綜合物探[10]等。

因工區(qū)干擾信號復(fù)雜[11]且干擾強度大，上述壓制干擾措施在工區(qū)內(nèi)收效甚微。本文采用的抗干擾措施為對工區(qū)干擾信號進行全天監(jiān)測，分析不同時間段干擾信號綜合強度，利用干擾強度小的時間段進行野外數(shù)據(jù)采集，分析信噪比，從而獲取野外有效數(shù)據(jù)，解決大深度地熱資源勘查問題[12]。

1 工區(qū)地質(zhì)及地球物理特征

1.1 地質(zhì)特征

區(qū)內(nèi)震旦紀至中三疊世期間，基本處于沉降過程，沉積了一套以碳酸鹽巖為主的沉積巖層；自中三疊世晚期印支運動開始，區(qū)內(nèi)構(gòu)造變動趨于強烈頻繁，形成了EW向、NE向、NNE向等一系列不同性質(zhì)、不同特點的構(gòu)造形跡。區(qū)內(nèi)奧陶系婁山關(guān)組(O1l)至第四系(Q)地層均有出露。測線布置為NW向(垂直于NE、NNE向斷裂構(gòu)造)。

1.2 地球物理特征

論文采用的物性資料是實地 “小四極”電性測定及前人在區(qū)內(nèi)物性工作成果的統(tǒng)計。如表1所示，白堊系(K)、志留系(S)、寒武系下段(∈1)的砂巖、粉砂巖、炭質(zhì)(泥)頁巖等地層表現(xiàn)為低電阻率、低密度特征；三疊系(P)、二疊系(T)、奧陶系(O)、寒武系中上段(∈2-3)等碳酸鹽巖地層表現(xiàn)為中高電阻率、高密度特征；因為主要為沉積地層，磁性上沒有明顯差異。即地熱資源蓋層(白堊系、志留系)表現(xiàn)為相對低電阻率、低密度特征，儲水層(三疊系、二疊系、奧陶系及寒武系等碳酸鹽巖)表現(xiàn)為相對高電阻率、高密度特征。構(gòu)造斷裂帶附近因巖石破碎、導水性較好，電阻率、密度與完整圍巖差異較大。綜上所述，地熱資源蓋層、儲水層及導熱(水)通道(斷裂構(gòu)造)的電阻率、密度存在明顯差異，為勘探提供了物性基礎(chǔ)。

表1 某市工區(qū)周邊地熱資源調(diào)查物性統(tǒng)計Table 1 Statistics of the physical properties for geothermal resources investigation in surrounding areas of a city

2 廣域電磁法原理簡介(E-Ex裝置)

廣域電磁法是何繼善院士相對于傳統(tǒng)可控源音頻大地電磁法(CSAMT)和磁偶源頻率測深法(MELOS)提出來的[13]。該方法摒棄了CSAMT方法遠區(qū)信號微弱的劣勢[14]，擴展了觀測范圍，也摒棄了MELOS方法的校正方法，保留了計算公式中的高次項，既不是沿用卡尼亞公式，也不是把非遠區(qū)校正到遠區(qū)，而是用適合全域的公式計算電阻率，拓展了人工源電磁法的測量范圍，加大了勘探深度[15]。E-Ex裝置只測量電信號，在一定程度上提高了方法的抗干擾性[16]。

均勻大地表面水平電流源的電場沿x方向的分量表示為:

(1)

式中：I為供電電流，dL為電偶極源的長度，i為虛數(shù)，k為均勻半空間的波數(shù)，r為觀測點距離電偶極源中心的距離，ρ為電阻率，φ為電偶極源中心到接收點矢徑與電偶極源(AB)的夾角。

(2)

則式(1)可以轉(zhuǎn)換為:

(3)

式中:fE-Ex(ikr)為r、k、ρ及φ構(gòu)成的復(fù)函數(shù)，稱為E-Ex方式廣域電磁測深的電磁效應(yīng)函數(shù)，反映地下電磁傳播的特性，其采集點處分量示意如圖1。

圖1 采集點處分量示意Fig.1 Component diagram at collection point

3 廣域電磁法在復(fù)雜電磁干擾區(qū)的應(yīng)用效果

3.1 工區(qū)復(fù)雜電磁干擾強度評估

如圖2所示，工區(qū)布置的測線經(jīng)過高壓線密集區(qū)、大型變電站、鐵路等電磁干擾環(huán)境復(fù)雜區(qū)。按照規(guī)范要求，在開工作業(yè)前對復(fù)雜電磁干擾場強度進行評估，通過試驗以確定廣域電磁法在該工區(qū)的適用性。

圖2 測線周邊電磁干擾環(huán)境示意Fig.2 Schematic diagram of electromagnetic interference environment around survey line

在測線上分段選取試驗點進行干擾場觀測。對某點上74個頻率進行干擾場數(shù)據(jù)采集，單支曲線如圖3所示，有以下幾個特征：

圖3 工區(qū)內(nèi)某點噪聲水平評估曲線Fig.3 Evaluation curve of noise level at a point in the work area

1)單支曲線幅值大致處于100～3 500 μV區(qū)間，在256 Hz附近達到極值，干擾場信號強度整體高于廣域電磁法人工場信號。

2)8 192～48 Hz的中高頻段，干擾場幅值約300～3 500 μV；48～0.011 7 Hz的低頻段，干擾場幅值約100～250 μV。中高頻段干擾場幅值大于低頻段，即中高頻段受干擾影響相對較大。

干擾場信號強度評估結(jié)論：工區(qū)內(nèi)干擾場幅值達到幾百至幾千微伏，廣域電磁法野外數(shù)據(jù)采集受干擾場影響較大。

3.2 復(fù)雜電磁干擾環(huán)境下場源試驗

廣域電磁法在該工區(qū)的裝置選擇9.5 km收發(fā)距場源進行試驗。為保證人工源信號強度，發(fā)射端供電電流為122 A。同測點人工場與干擾場信號幅值曲線對比如圖4所示。

從圖4中可以看出：

圖4 工區(qū)某點人工場與天然場信號幅值曲線對比Fig.4 Comparison of the electric field amplitude curves between the signal of human workshop and natural field

1)人工場信號(藍色曲線)與干擾場信號(紅色曲線)形態(tài)一致，且幅值大小非常接近。

2)兩種場源信號幅值大致處于100～3 000μV之間，呈鋸齒狀，形態(tài)雜亂。

人工場源信號強度試驗結(jié)論：從以上兩點并結(jié)合干擾場評估曲線特征，測點處人工場信號基本被干擾場信號淹沒，試驗采集數(shù)據(jù)的信號源主要為干擾場，原施工方案下難以采集到人工場源(收發(fā)距9.5 km)的信號。

3.3 分析工區(qū)復(fù)雜電磁干擾特征

在測點上以7頻組(中頻段)進行長時間干擾電磁場幅值監(jiān)測，觀測幅值的變化，以達到了解復(fù)雜電磁干擾場規(guī)律、特征的目的，圖5為某點8:00～18:00的干擾場幅值監(jiān)測曲線。

如圖5所示，橫軸為時間軸(24小時制)，縱軸為干擾場幅值。發(fā)現(xiàn)復(fù)雜電磁干擾場規(guī)律和特征如下：

圖5 工區(qū)干擾場幅值12小時監(jiān)測曲線Fig.5 Interference field amplitude monitoring curve for 12 hours

1)8:10～9:50、14:00～16:00兩時間段內(nèi)(綠色虛線框)，干擾場幅值小于20 μV，干擾強度小；

2)9:50～14:00、16:00～18:00兩個時間段干擾場幅值大，幅值大小分別達到700、300 μV，干擾強度大。

分析監(jiān)測曲線，不同時間段內(nèi)干擾場幅值存在很大的區(qū)別。選取干擾場幅值較小且穩(wěn)定的時間區(qū)段進行廣域電磁法作業(yè)試驗。

經(jīng)現(xiàn)場排查，結(jié)合電磁干擾場分時間段特征和中高頻信號強度較大特征分析，推測該工區(qū)干擾電磁場主要來源于高壓線、變電站等人文干擾，分時間段干擾強度變化推測跟用電量等人文干擾活躍程度有關(guān)。

3.4 選取干擾強度小的時間區(qū)段進行人工場試驗

同測點人工場與干擾場幅值曲線對比如圖6所示。

圖6 工區(qū)某點在8:10～9:50、14:00～16:00時間區(qū)段人工場與天然場信號幅值曲線對比Fig.6 Comparison of the electric signal curves of artificial field and interference field at a certain point in the work area at 8:10～9:50,14:00～16:00

1)干擾場信號幅值基本小于5 μV，而人工源信號幅值達到60 μV，人工場信號幅值遠大于干擾場。

2)人工場信號幅值曲線圓滑、穩(wěn)定，達到了人工場有效壓制干擾場的目的。

從而判定8:10～9:50、14:00～16:00兩個時間區(qū)段內(nèi)可以進行廣域電磁法野外作業(yè)。在干擾場幅值較小的8:10～9:50、14:00～16:00兩個時間區(qū)段進行人工源試驗，工區(qū)某點(收發(fā)距9.5 km)的人工場信號幅值單支曲線如圖7所示，該曲線形態(tài)清楚，質(zhì)量等級為二級，質(zhì)量可靠。

圖7 工區(qū)某點在8:10～9:50、14:00～16:00時間區(qū)段人工電場幅值單支曲線Fig.7 A single curve of artificial field amplitude at 8:10～9:50,14:00～16:00

在干擾強度小時間段人工場試驗結(jié)論：在8:10～9:50、14:00～16:00兩個時間區(qū)段廣域電磁野外作業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，能滿足規(guī)范要求。

3.5 采取分時間段作業(yè)后的應(yīng)用效果分析

3.5.1 地質(zhì)模型

圖8為通過地表及區(qū)域地質(zhì)資料推測的某市地熱資源調(diào)查剖面1線地質(zhì)模型。從模型分析，主要蓋層為志留系砂巖地層，儲水層為奧陶—寒武系白云巖地層，控熱導熱構(gòu)造為斷裂破碎帶F1、F2、F3。在該處地熱資源具有良好的蓋、儲、通地質(zhì)條件。

圖8 某市地熱資源調(diào)查剖面1線地質(zhì)模型Fig.8 Geological model of line 1 for geothermal resources survey section

3.5.2 廣域成果分析

在8:10～9:50、14:00～16:00兩個時間段內(nèi)對剖面1線進行廣域電磁野外作業(yè)，整體數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。以廣域電磁法成果為主，結(jié)合已有地質(zhì)等資料，分析地層—物性模型，進行工區(qū)地層及地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征綜合解釋，成果斷面圖如圖9所示。

圖9 某市地熱資源調(diào)查剖面1線廣域電磁成果圖Fig.9 Wide field electromagnetic results of line 1 of geothermal resources survey profile

1) 地層分析解釋

點號1050～2000段：地層向NE傾斜。標高約-500 m往上，視電阻率為幾百至1萬Ω·m，表現(xiàn)為高阻，結(jié)合地質(zhì)資料，推測為三疊系—泥盆系灰?guī)r等碳酸鹽巖地層；標高-500～-1 700 m，視電阻率小于100 Ω·m，表現(xiàn)為低阻，推測為志留系粉砂巖、砂巖地層；標高-1 700～-2 500 m段，視電阻率整體表現(xiàn)為中高阻，推測為奧陶系及寒武系中上段白云巖地層。

點號2000～4250段：標高-700 m往地表，視電阻率為幾十至幾百Ω·m，表現(xiàn)為中低阻，推測為志留系紗帽組、羅惹坪組、新灘組粉砂巖、砂巖地層；標高-700～-2 000 m，視電阻率為幾百至幾千Ω·m，表現(xiàn)為中高阻，推測為奧陶系和寒武系中上段白云巖地層；標高-2 000 m往深部，視電阻率小于100 Ω·m，表現(xiàn)為低阻，推測為寒武系下段泥質(zhì)頁巖、泥巖地層。

點號4250～剖面大號端：標高400 m往上厚度約200 m，視電阻率為幾千至1萬Ω·m，表現(xiàn)為高阻，結(jié)合地質(zhì)資料推測為二疊系灰?guī)r地層；標高200～-100 m，視電阻率小于100Ω·m，表現(xiàn)為低阻，推測為志留系粉砂巖、砂巖地層；標高-100 m往深部，視電阻率表現(xiàn)為中高阻，推測為奧陶—寒武中上段白云巖地層。

2)構(gòu)造分析解釋

點號1900和2900附近，從地表至深部，視電阻率曲線在橫向上存在間斷、錯動現(xiàn)象，推測存在兩條斷裂破碎構(gòu)造帶F3、F2。往剖面大號端(SE)傾斜，傾角約70°，較為陡立，延伸至寒武系下段地層乃至更深。

點號4200 m附近，標高-1 000 m往上，視電阻率曲線存在線性的在橫向間斷、錯動現(xiàn)象，推測在該處存在斷裂破碎帶F1。往剖面大號端(SE)傾斜，傾角約65°～70°，較為陡立。

通過分析認為，地層整體呈背斜構(gòu)造，小號端往NW傾斜。地熱資源蓋層志留系砂巖地層厚度約 1 200 m；地熱資源儲水層奧陶—寒武系中上段白云巖地層厚度約1 200～2 000 m；控熱導熱構(gòu)造為斷裂構(gòu)造帶F1、F2、F3，往剖面大號端(SE)傾斜，傾角約65°～70°。通過廣域電磁法勘探提供了兩處地熱資源有利靶區(qū)(藍色虛線橢圓圈定)。

利用廣域電磁法勘探查明了三疊—二疊系灰?guī)r、志留系砂巖、奧陶—寒武系白云巖地層以及構(gòu)造的產(chǎn)狀及空間展布特征，符合地質(zhì)模型規(guī)律，為地熱資源鉆孔提供了依據(jù)。

4 結(jié)論

1)對比剖面地質(zhì)模型，可以看出通過8:10～9:50、14:00～16:00兩個時間段觀測，廣域電磁法在本次大深度地熱資源勘查中取得了良好的效果。

2)廣域電磁法只測量電場數(shù)據(jù)進行廣域視電阻率計算，不測量磁場數(shù)據(jù)，從而避免了磁場信號的干擾。相比于其他電磁類方法，一定程度上提高了在人文干擾區(qū)勘測的適用性，這是廣域電磁法一突出優(yōu)勢。

3)廣域電磁法反演結(jié)果清晰地反映了地下3 km以淺的地層和構(gòu)造，證明廣域電磁法是大深度勘探的有效工具。

4)廣域電磁法應(yīng)用于復(fù)雜電磁干擾環(huán)境時，建議先進行干擾場12 h或者24 h監(jiān)測，了解電磁干擾場強度，摸清了工區(qū)電磁干擾規(guī)律，避開強干擾時間段進行觀測。

5)本文以長時間監(jiān)測干擾電磁場幅值的方法，來研究分時間段特征，達到了本次施工目的；也通過干擾評估單支曲線了解高、中、低頻段信號干擾強度差異。下一步計劃繼續(xù)研究干擾信號頻率本身特征，擬通過濾波手段改善復(fù)雜電磁干擾區(qū)廣域電磁法的信號質(zhì)量。