物探方法在湘潭梅林地質(zhì)勘查中的應(yīng)用

易秋清

（廣東中煤江南工程勘測設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510440）

0 引言

地?zé)崾且环N自然資源，既可以做為一種清潔能源為人們提供熱源，也可以做為一種旅游資源進(jìn)行開發(fā)，提供醫(yī)療、溫泉服務(wù)和周邊休閑服務(wù)，特別是其他資源較為匱乏的地區(qū)，利用好地?zé)豳Y源往往會改變當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展模式。湖南省湘潭梅林地區(qū)為擴(kuò)大當(dāng)?shù)氐馁Y源開發(fā)力度，對該地區(qū)進(jìn)行地質(zhì)勘查，以探明資源發(fā)布和可利用價值，以便為后續(xù)的開發(fā)提供依據(jù)，在此種情況下，我們利用多種物探方法對梅林地區(qū)進(jìn)行勘測，通過可控源音頻大地電磁法（CSAMT）剖面測量[1]，查明區(qū)內(nèi)控?zé)帷⒖厮當(dāng)嗔褬?gòu)造的空間分布，并據(jù)電阻率異常評價斷裂構(gòu)造的賦水性，為下一步鉆探提供依據(jù)。

1 湘潭梅林地區(qū)的地質(zhì)概況

湘潭梅林勘查區(qū)位于湖南東北部，在勘查區(qū)內(nèi)廣泛分布著中元古界冷家溪群和上元古界板溪群地質(zhì)，但在部分區(qū)域內(nèi)也有泥盆統(tǒng)跳馬澗組外露，這些情況都說明該地區(qū)地層比較古老[2]。同時該地區(qū)也存在第四系（Q）沉積物發(fā)育，沉積物厚道為1 m～49.5 m，大致分為2層，上層為棕紅色、磚紅色網(wǎng)紋狀黏土、粉質(zhì)黏土，下層為砂礫石層。

通過對既往地質(zhì)調(diào)查報告的研究，發(fā)現(xiàn)梅林勘查區(qū)夾持于長沙-株洲-雙牌與連云山-雙牌2個斷裂之間，并屬于長沙-株洲-雙牌斷裂的一部分，而長沙-株洲-雙牌斷裂帶屬于地?zé)岙惓^(qū)域，連云山-雙牌在地質(zhì)構(gòu)造上呈現(xiàn)產(chǎn)狀陡立，長沙-株洲-雙牌斷裂為基底斷裂，規(guī)模、延深大，斷裂帶整體傾向東南，傾角度大約為65°。

2 湘潭梅林地區(qū)的地質(zhì)電性特征

根據(jù)物探與地質(zhì)資料綜合顯示，梅林地區(qū)巖土大致分為3種，分別是淺表第四系殘坡積層、元古界完整變質(zhì)巖和切割元古界地層[3]。這3種地質(zhì)巖層其電性特征存在著較大的差異，淺表第四系殘坡積層屬于低阻體巖層，其電阻率多數(shù)小于3.3 kΩ/·m;元古界完整變質(zhì)巖屬于高阻體巖層，其電阻率在2.0 kΩ·m～6.0 kΩ·m;切割元古界地層的充水?dāng)嗔眩ㄆ扑椋儆谥?低阻體巖層，其電阻率一般為0.2 kΩ·m～1.3 kΩ·m針對梅林地區(qū)地質(zhì)電性特征，認(rèn)為可控源音頻大地電磁測深（ CSAMT）法是最適合在該地區(qū)進(jìn)行探測的物探法，因為可控源音頻大地電磁深法就是利用不同深度的地下電阻率所呈現(xiàn)的變化特征來推斷深部隱伏斷裂構(gòu)造的空間分布。另外該地區(qū)內(nèi)低阻的殘坡積土在地層上部，深度較淺垂直厚度較小，對后續(xù)地層內(nèi)部斷裂帶加推斷不會產(chǎn)生干擾。

3 梅林地區(qū)物探野外工作

3.1 可控源音頻大地電磁測深（CSAMT）物探的優(yōu)勢

可控源音頻大地電磁測深（ CSAMT） 為人工源頻率測深方法，與其他物探方法相比其優(yōu)勢在于勘測深度深、勘測清晰率高和受高電阻率屏蔽作用少，另外該物探法在勘測過程中工作效率高，費(fèi)用較低[4]。

3.2 野外工作布置

梅林地區(qū)勘測的野外工作主要由2個部分組成：1）對野外測點的布置。2）利用使用可控源音頻大地電磁測儀器在測點進(jìn)行物理探測。這2部分野外工作中使用的儀器分別是華測天驕X90型RTK GPS和美國Zonge公司生產(chǎn)的GDP-32Ⅱ多功能電法儀。這些儀器都具有十分優(yōu)良的性能，華測天驕X90設(shè)備使用便捷，綜合性能強(qiáng)，在野外電磁抗干擾能力強(qiáng)，被廣泛的應(yīng)用于物探作業(yè)中。

3.2.1 野外測點布置與測量

綜合對梅林地區(qū)既有地質(zhì)資料的研究和GDP-32Ⅱ多功能電法儀的工作特性，布置了2條物探測線橫貫勘測區(qū)域，2條勘測線布置時垂直于長沙-株洲-雙牌與連云山-雙牌2個斷裂構(gòu)造走向，兩條勘測線走向夾角為121°。L10線長2.4 km，L20線長1.6 km，點距40 m。測點定位為220個，點位周邊檢查點15個，檢查率5.8%，測點水平位置誤差控制在0.15 m以內(nèi)，垂直誤差控制在0.10 m以內(nèi)，相鄰測點點距誤差控制在0.35%以內(nèi)。

工作區(qū)域測點布置執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為《地質(zhì)調(diào)查GPS測量規(guī)程》（DD 2004—03）、《物化探工程測量規(guī)范》（DZ/T 0153—95）[5]。布置過程中采用華測天驕X90型RTK GPS來布設(shè)測點。

在使用華測天驕X90測量時，工作隊將基站設(shè)置在附近的山頂，這樣勘測地區(qū)上空沒有遮擋，可以達(dá)到360°視角的觀測目的，因為基站處于山頂，所以距離周圍山體障礙物比較遠(yuǎn)，GPS信號和數(shù)據(jù)通信信號強(qiáng)，干擾比較少，有效地保證了數(shù)據(jù)通信的暢通。同時根據(jù)該儀器作業(yè)距離遠(yuǎn)的特點，將流動站設(shè)置在與基準(zhǔn)站相距15 km～20 km的有效控制半徑。在測點時我們按照設(shè)計的測線方位、測點距和測線距，計算出各測線、測點的北京54坐標(biāo)值，由計算機(jī)傳輸給GPS；野外測量時逐點進(jìn)行測點放樣，并按順序?qū)⒎艠狱c坐標(biāo)和高程，存儲于儀器內(nèi)，再用木樁、彩旗標(biāo)記測點。如果遷站過程中衛(wèi)星失鎖，則在前一測點上重新進(jìn)行初始化后再遷站。然后利用華測天驕X90GPRS通信模塊，將測量所得的GPRS數(shù)據(jù)鏈在RTK GPS上的全部記錄，測點定位采用實時動態(tài)載波相位差分法，二維平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用七參數(shù)轉(zhuǎn)換法[6]。將T14、T15、T17 3個控制點的西安 80 坐標(biāo)值輸入GPS中，GPS的內(nèi)置程序可自動求解。

3.2.2 可控源音頻大地電磁測深的野外工作

該可控源音頻大地電磁測深使用的是 GDP-32 Ⅱ多功能電法儀，該儀器系統(tǒng)主要由接收機(jī)、GGT-30發(fā)射機(jī)、XMT-32S同步機(jī)和發(fā)電機(jī)等組成； GGT-30型發(fā)射機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：工作頻率：8 kHz；最大輸出功率為30 kW；最大輸出電流為45 A；最高輸出電壓為1 000 V；關(guān)斷時間 ≤125 μs；穩(wěn)流精度為0.2%。XMT-32S型同步機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：時鐘準(zhǔn)確度：＜5×10-10/24 h，占空比為50%或100%；時間頻率范圍為1 024 Hz～8 192 Hz；溫度范圍為-40 ℃～60 ℃。ANT 6型磁探頭主要技術(shù)參數(shù)：工作頻率：0.1 Hz～10 000 Hz；靈敏度為250 mV/nT[7]。

可控源音頻大地電磁測深工作裝置采用赤道偶極裝置標(biāo)量測量方式，裝置示意圖如圖1所示。

圖1 CSAMT標(biāo)量測量裝置示意圖

這次可控源音頻大地電磁測深野外工作執(zhí)行《可控源聲頻大地電磁法勘探技術(shù)規(guī)程》（SY/T 5772 —2002）的相關(guān)要求。

在野外勘測工作前使用GDP-32Ⅱ儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)過程中將內(nèi)部校準(zhǔn)電壓設(shè)為1 V，6個通道的電壓幅值為0.9958 V～1.0005 V，與輸入電壓的偏差小于0.005 V；6個通道之間的相位差在低頻段小于0.002°。這說明儀器性能正常，其6個通道的工作性能一致性很好）。同時對勘測系統(tǒng)也進(jìn)行全面檢查，系統(tǒng)檢查從RPIP（激發(fā)電位程序）開始。

在正式開始勘測前，要先對接收機(jī)和 XMT-32S 進(jìn)行同步調(diào)節(jié)，然后預(yù)熱1 h，為確保不極化電極接地電阻小于2 kΩ，我們在測點的電極坑清除了坑內(nèi)的碎石，將電極底部向下放入測點坑的中部，四周放入土壤壓實并在坑內(nèi)灌入一定量的飽和食鹽水。測量時，將接收機(jī)安置在據(jù)ANT/6型磁探頭8 m的位置，同時在測點5 m范圍內(nèi)設(shè)置隔離帶，禁止無關(guān)人員進(jìn)入測試區(qū)域，風(fēng)力較大時采取墊平、掩埋等措施，減小了探頭震動。電極連線和磁棒連線沿地壓實鋪設(shè)，防止了晃動干擾。磁探頭定向采用森林羅盤，保證定向準(zhǔn)確度達(dá)1°。相鄰2個測點的距離為40 m。勘測時接收機(jī)與GGT-30發(fā)射機(jī)之間的距離控制在10 km左右；供電偶極子AB2點之間為1 323 m；且采用遠(yuǎn)場觀測電偶極子AB垂直平分線兩側(cè)20°角扇形范圍內(nèi)。測量電偶極距為40 m。在測試時將電源限頻濾波器的檔位設(shè)置在50/5處，并采用50/5濾波器壓制50 Hz的5次諧波干擾；在測試時將電磁場的發(fā)射和觀測點從高頻至低頻，工作頻率范圍為16 Hz～8 192 Hz，采用加密頻點，f=2nHz（n=0、1、2、…13）（f=2n為加密頻點頻率的取值函數(shù)）進(jìn)行，發(fā)射電流：低頻段為11 A，中高頻段>8 A；高頻段>6 A；測試時選擇在20:00到次日05:00之間外界干擾較小的時間段內(nèi)進(jìn)行，一般情況下每個頻點觀測3次，在日間測試時因為相對干擾較大，通常觀測4次或更多，并要進(jìn)行前后對比，從中選擇最優(yōu)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。疊加次數(shù)為 128～16 384次。

為提高勘測的準(zhǔn)確性我們又增加音頻大地電磁法（AMT）測深點58個。在音頻大地電磁法（AMT）測線按照CSAMT測量的10號和20號測線，其測點也是在CSAMT測量的點位，但是音頻大地電磁法（AMT）使用的頻率10 Hz～10 000 Hz，同時采集10號和20號測線兩電場分量，為確保測點定位準(zhǔn)確，使用高精度手持 GPS儀逐點展開，并將定點誤差控制在3.5 m以內(nèi)。確定電極方位是使用精度較高的森林羅盤儀完成的，角度誤差控制在1.2%以內(nèi)。測量使用的電極就是CSAMT測量不極化電極。

3.3 勘測質(zhì)量檢查及評價

該次工作實測物理點100個，質(zhì)檢點6個，質(zhì)檢率6%?？偩较鄬φ`差11.96%，平均相對誤差眾值3.23%；誤差中約95%的數(shù)據(jù)的相對誤差≤5.0%，說明絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)是優(yōu)秀的，只有少數(shù)頻點數(shù)據(jù)一致性相對較差，這是工區(qū)旁側(cè)的高壓線和電線造成的。增加音頻大地電磁法（AMT）測深點58個，是整個勘測點的58%，基本上實現(xiàn)了對CSAMT測量數(shù)據(jù)的驗證。由于音頻大地電磁法（AMT）測試時利用的是天然電磁場，該天然電磁場因為頻帶寬、信號弱和極化方向隨機(jī)因此其極易受到其他電磁波的干擾，音頻大地電磁法（AMT）使用的頻率為0.1 Hz～10 000 Hz，在小于10 Hz的頻率極易受到太陽風(fēng)磁場的干擾，而大于10 Hz又基本上與自然雷電的電磁頻率相當(dāng)，因此音頻大地電磁法（AMT）的干擾基本來自于太陽風(fēng)和雷電，為降低自然界對大地電磁的干擾，我們基本將測試時間設(shè)置在夜間和凌晨。

4 室內(nèi)數(shù)據(jù)分析

室內(nèi)數(shù)據(jù)分析，就是將野外實測數(shù)據(jù)去噪和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將*.raw數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為反演的數(shù)據(jù)文件*.avg。

4.1 數(shù)據(jù)的整理

由于是依靠地層的電阻率來探測內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而電阻率在接受時存在突變點，在接收圖像上表現(xiàn)為上下跳動狀、鋸齒狀干擾曲線，所以首先須對阻抗相位進(jìn)行+π或-π的改正，使接收圖像呈現(xiàn)光滑和有規(guī)律的曲線，并采用可控源音頻大地電磁法（CSAMT）實時系統(tǒng)軟件，利用“任意頻點任意區(qū)間（常見值，測深平移）”的方式靜校效果較佳，靜校主頻率選在2 882 Hz～8 192 Hz。反演采用美國ZONGE公司SCS2D軟件。通過反復(fù)對比試驗得到：采用不同的濾波方式反演所表現(xiàn)的效果是不同的，采用“2D moving average of data”濾波方式反演更能突出巖體構(gòu)造形態(tài)。

4.2 結(jié)果分析

經(jīng)過反復(fù)推演得出在電阻率斷面深度100 m以上淺層，電阻率一般小于200 Ω·m，是對淺水面以及水面上方風(fēng)化層的反映。隨著深度加大，電阻率逐漸升高，至深度1 000 m時電阻率達(dá)2 000 Ω·m以上，這是對元古界變質(zhì)巖層的反映[8]。

在深度200 m之下，橫向上看，高阻背景圖像上存在一些串珠狀或“凹型”低阻異常帶，延深和規(guī)模較大，電阻率明顯較兩側(cè)的電阻率低，一般為200 Ω·m～400 Ω·m。據(jù)以往經(jīng)驗，這些低阻異常是由于切割元古界變質(zhì)巖層的斷裂破碎帶充水導(dǎo)致的[9]。串珠狀或“凹型”低阻異常帶一般可作為推斷斷裂破碎帶的依據(jù)。

地下水電阻率一般100 Ω·m，斷裂破碎帶因賦水程度的不同而表現(xiàn)出不同的電阻率特征，賦水豐富，電阻率低，反之則高。基于上述分析可知，F(xiàn)1較F2（F1為長沙-株洲-雙牌斷裂，F(xiàn)2為連云山-雙牌F2斷裂）賦水性總體好，而且在F1延深至標(biāo)高-1800 m時賦水依然豐富。

依據(jù)解釋推斷原則，對CSAMT和AMT 2種方法形成的電阻率斷面進(jìn)行綜合斷裂構(gòu)造解釋推斷。F1線號為10點號1920處電阻率在200 Ω·m～400 Ω·m，為等值線“凹”型相對低阻異常延深大于2 000 m，傾向北西西。F2線號為10和20點號2520處電阻率在300 Ω·m～1300 Ω·m，為等值線“凹”型相對低阻異常延深大于2 000 m，產(chǎn)狀陡立，傾角為（90±3）°。

5 結(jié)論

通過在測區(qū)內(nèi)開展CSAMT、AMT測量，以“查明區(qū)內(nèi)深度2 000 m以淺的斷裂破碎帶空間分布長沙-株洲-雙牌與連云山-雙牌2個斷裂2條斷裂的空間位置、地質(zhì)要素。長沙-株洲-雙牌由單測線、兩種物探方法控制，其延深大于2 000 m，傾角為80°左右，解釋推斷可靠；連云山-雙牌由2條測線、2種物探方法控制，延深大于2 000 m，產(chǎn)狀陡立，107國道兩側(cè)的數(shù)據(jù)受電線影響，導(dǎo)致該段內(nèi)連云山-雙牌的解釋推斷可信度較長沙-株洲-雙牌降低。長沙-株洲-雙牌斷裂為控?zé)?、控水?dāng)嗔?，其電阻率?00 Ω·m～400 Ω·m表明斷裂面巖石破碎程度高，賦水豐富，值得鉆探驗證。

建議在10線在1700測點處布置1查證鉆孔，孔深2 100 m。通過對梅林地區(qū)勘測資料與其他地區(qū)地?zé)峋嘟Y料的分析，認(rèn)為將梅林地區(qū)將鉆孔500 m以下作為取水段，能保證每天500 m3的水量；在深度800 m以下，溫度應(yīng)該達(dá)到40 ℃。

在這次勘測過程中采用可控源音頻大地電磁法CSAMT數(shù)據(jù)和AMT數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理及反演，長沙-株洲-雙牌斷裂帶為控?zé)帷⒖厮當(dāng)嗔?，這與研究該地區(qū)既有的地質(zhì)資料相吻合，在勘測中使用了AMT 測量技術(shù)，AMT測量使用的是天然場源，無須建立人工場，具有不受高阻屏蔽層影響、探測深度大的優(yōu)勢，但是又存在信號弱、極化方向隨機(jī)和易受干擾等缺點，因此勘測中使用的是可控源音頻大地電磁法CSAMT數(shù)據(jù)和AMT數(shù)據(jù)，使兩者強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，并且兩者的測試數(shù)據(jù)可以相互驗證，提高的勘測的準(zhǔn)確性。