可控源音頻大地電磁法和天然源面波法在余姚地區(qū)地?zé)峥辈橹械膽?yīng)用

劉澤丞 梁洪波 王漢卿

摘要：余姚某地位于區(qū)域性昌化—普陀大斷裂帶附近，麗水—余姚深斷裂和溫州—鎮(zhèn)海大斷裂之間，地質(zhì)條件較為有利，具有良好的地?zé)峥辈榍熬?。本文先通過可控源音頻大地電磁（CSAMT）法運用視電阻率參數(shù)，勘查了浙江省余姚某地區(qū)的深層地?zé)豳Y源，查明區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造分布特征及基地構(gòu)造形態(tài)，推測了研究區(qū)內(nèi)主要的富水有利部位，后運用微動探測利用速度參數(shù)對斷裂構(gòu)造進行驗證，通過兩種不同方法的互相運用驗證為地?zé)峥辈樘峁┛煽康牡厍蛭锢硪罁?jù)。

關(guān)鍵詞：可控源音頻大地電磁測深法；微動；地?zé)?/p>

1.引言

地?zé)豳Y源是指地下穩(wěn)定、清潔、溫度≥25℃的熱水。它是一種綠色環(huán)保，可循環(huán)利用，具有良好的社會經(jīng)濟價值。地?zé)豳Y源最大特點之一是其出露位置受控于區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造，資源分布具有地域性，只能就近開發(fā)利用，而從以往高溫地?zé)徙@井資料顯示，高溫?zé)醿εc地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)[1]。而余姚某地位于區(qū)域性昌化—普陀大斷裂帶附近，麗水—余姚深斷裂和溫州—鎮(zhèn)海大斷裂之間，地質(zhì)條件較為有利。

地球物理勘查是目前勘查地?zé)醿蛹翱責(zé)針?gòu)造的重要方法之一。隨著地?zé)豳Y源開發(fā)的深度逐步加深（部分已超過2000m），我們需要采用深部的地球物理手段來查明地?zé)醿优c斷裂構(gòu)造情況。因具有大深度、輕設(shè)備和橫向高分辨率的特點[2、3]，可控源音頻大地電磁測深（CSAMT）法已成為浙江省地?zé)豳Y源勘查的首選物探方法[4]。隨著城市化的推進，電磁法也面臨一些挑戰(zhàn)，而地震類的微動探測作為一種新興的物探技術(shù)，憑借抗干擾能力強、探測深度大、適用范圍廣等特點，逐漸廣泛應(yīng)用在地?zé)嵴{(diào)查、煤礦采空區(qū)探測、城市地質(zhì)調(diào)查等多個領(lǐng)域[5]。

本文在余姚某地的地?zé)豳Y源勘查項目中應(yīng)用了CSAMT法和微動，利用它們抗干擾能力強和探測深度大的特點，取得了可靠的成果。

2.工區(qū)概況

2.1地質(zhì)概況

研究區(qū)位于余姚某地屬浙東盆地山區(qū)和浙北平原交叉地區(qū)，地勢南高北低，中間微陷。區(qū)內(nèi)61省道從勘查區(qū)南部通過，G92杭州灣環(huán)線高速、G15深海高速從勘查區(qū)的南側(cè)、東側(cè)通過。區(qū)內(nèi)村莊密布，道路縱橫交錯。

研究區(qū)內(nèi)主要出露白堊系下統(tǒng)茶灣組（K1c）和第四系殘坡積地層，以斷裂構(gòu)造為主，褶皺不發(fā)育，巖層產(chǎn)狀平緩，僅在斷裂附近呈陡傾或形成小褶皺。工區(qū)地層見表1。

2.2水文特征

松散巖類孔隙潛水，主要為全新統(tǒng)坡洪積含礫粉質(zhì)粘土中弱孔隙含水巖組，由粉質(zhì)粘土和飄石滾石組成，零星分布。

基巖裂隙水，火山沉積巖中形成節(jié)理，接受并儲存了大氣降水，形成裂隙含水巖組。多在溝谷路兩側(cè)陡坎處或坡腳以泉的形式排泄。

2.3地球物理特征

在全省重力異常分區(qū)上，勘查區(qū)位于浙東異常區(qū)。浙東異常區(qū)表現(xiàn)為不同層次的舌狀異常分帶，并展現(xiàn)出由南西向北東形態(tài)變窄，趨于收斂狀態(tài)。在勘查區(qū)附近北東向梯級帶切割了北西西向梯級帶，異常等值線從北往南由南北向逐漸變?yōu)闁|西向，反映南北向、近東西向斷裂在此交匯。

收集統(tǒng)計了區(qū)內(nèi)地層的物性特征，區(qū)內(nèi)以茶灣組（K1c）電阻率最高（300Ω·m～10000Ω·m），第四系電阻率最小（50Ω·m～200Ω·m）。根據(jù)前收集地層信息，茶灣組地層較為完整，電阻率較高，在其中發(fā)育的斷裂、裂隙等構(gòu)造由于含水及碎屑物的填充，導(dǎo)致電阻率明顯降低，為本次工作開展提供了地球物理前提。

3.基本原理

3.1可控源音頻大地電磁法

可控源音頻大地電磁法（CSAMT）是一種人工源頻率域電磁測深法，其采用的人工場源有電性源和磁性源兩種。

由（2）式可知，趨膚深度（δ）隨電阻率（ρ）和頻率（f）變化而變化。根據(jù)這一理論，CSAMT可以通過人工發(fā)射不同頻率來達到探測地下不同深度的電性結(jié)構(gòu)情況。

3.2天然源面波（微動）法

微動信號來源于地球表面，來源方向不確定，而微動探測是將面波所攜帶的振幅和形態(tài)信息進行統(tǒng)計以平穩(wěn)隨機過程理論為依據(jù)的一種探測方法，該方法從微動信號中提取面波的頻散曲線，通過對頻散曲線的反演，得到地下介質(zhì)的橫波速度結(jié)構(gòu)[6]。

空間自相關(guān)法（SPAC法）和頻率—波數(shù)（F-K法）是目前主流的從微動信號中提取面波頻散曲線的兩種方法.而空間自相關(guān)法是應(yīng)用最廣的一種。如圖1，為采用空間自相關(guān)法處理的微動數(shù)據(jù)，從圖上可明顯看出在1000m附件存在一低速層位。

3.3測線布置

本次物探工作針對區(qū)內(nèi)可能存在的北西向、北東向隱伏斷裂布置了6條剖面，剖面總長度8.7km，點距50m。詳見測線布置圖2。

4.數(shù)據(jù)采集及處理

4.1數(shù)據(jù)采集

可控源音頻大地電磁測深法野外工作采用的儀器是加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V8儀器系統(tǒng)，采用標(biāo)量測量方式，即布置一個發(fā)射場源，在供電電極的赤道區(qū)測量電場分量Ex和磁場分量Hy，其中x和y分別沿著測線方向和垂直測線方向。

根據(jù)施工現(xiàn)場管理、交通和接地條件等因素，在滿足收發(fā)距（R）大于5倍勘探深度且接收信號可靠的條件下，本次工作設(shè)兩個發(fā)射偶極，1、2、3、4和7線共用發(fā)射源，偶極矩AB為1344m，收發(fā)距9.9km～10.65km之間。本次工作采集頻率區(qū)間選擇為0.5Hz～9600Hz，共選定45個頻點，避開50Hz及其倍頻，頻點間隔呈不均勻分布，中頻段適度加密。

本次微動探測工作使用合肥國為電子有限公司研制的GN209微動探測系統(tǒng)，連接主頻為4.5Hz的垂直分量寬頻帶拾振器進行數(shù)據(jù)采集。采用10個采集站布設(shè)三重圓臺陣，三重圓臺陣半徑分別為150m～300m～600m，每重圓上布設(shè)3個采集站，每個采集站連接一個0.1Hz寬頻帶檢波器。

4.2數(shù)據(jù)處理

4.2.1可控源音頻大地電磁測深

CSAMT法數(shù)據(jù)處理包含原始數(shù)據(jù)預(yù)處理、反演、成圖三個步驟。在室內(nèi)，首先使用V8預(yù)處理軟件CMT-Pro對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，剔除個別質(zhì)量不可靠的畸變點；然后使用CSAMT-SW軟件對數(shù)據(jù)進行電極電位坐標(biāo)偏差校正、曲線自動圓滑、跳點處理、兩端壞頻段截斷處理、壞測點曲線廢棄刪除或插值利用處理、近場校正或刪除近場頻段處理、靜態(tài)位移校正處理等，然后進行2D帶地形反演；最后根據(jù)輸出文件用surfer繪制斷面圖。

4.2.2微動探測

首先從各測點時序數(shù)據(jù)中提取瑞雷波頻散曲線，獲得其相速度頻散曲線，直接繪制相速度等值線圖，或者計算視S波速度，再經(jīng)插值光滑計算獲得二維視橫波速度剖面，最后結(jié)合地質(zhì)背景對視橫波速度結(jié)構(gòu)做出地質(zhì)解釋。

5.資料解釋

圖5是研究區(qū)北東向5條CSAMT剖面反演及推斷解釋成果圖，從斷面圖上看，視電阻率異常自上而下基本表現(xiàn)為上低下高特征：①各斷面淺部電阻率低于100Ω·m，厚度在50m左右，推測為第四系的反映；②各斷面在-700m左右，大概電阻率600Ω·m附近有較明顯的等值線密集帶，推斷為茶灣組地層完整與否分界線；③斷裂Fw1和Fw2在1線、2線、3線、4線和7線上反應(yīng)明顯，均表現(xiàn)為“V”字形下凹或梯級帶等，在7線上Fw1反映尤為明顯。

CSAMT推斷成果清晰的反映了研究區(qū)內(nèi)的斷裂構(gòu)造情況，本次工作的目標(biāo)是尋找深層構(gòu)造裂隙水，綜合5條測線2條斷裂的異常特征，認(rèn)為Fw1斷裂是區(qū)內(nèi)尋找構(gòu)造裂隙水的有利部位。

為了判斷斷裂的可靠性，采用了天然源面波（微動）法對Fw1進行驗證。

微動探測是以900/7點為中心，左右各布置兩個點。從微動探測成果圖（圖6）上看，左側(cè)為相速度剖面圖，右側(cè)為視橫波速度剖面圖。微動探測在900/7點下方深度-600m～-2000m左右存在明顯的低速異常，推斷為斷裂反映，其位置與CSAMT所推斷的Fw1基本一致。而從微動探測頻散曲線（圖1）上看，在900m深度有9個頻點，且存在一明顯的低速異常。因此，從原始頻散曲線和成果圖上均能佐證Fw1斷裂的存在性。

綜合CSAMT法的視電阻率特征和微動探測的速度特征，驗證了Fw1斷裂的可靠性，最終推薦900/7號點進行鉆孔驗證。目前鉆探工作正在論證階段。

6.結(jié)論

本次運用可控源音頻大地電磁法和微動探測對余姚某地區(qū)地?zé)豳Y源進行勘查，有效查明區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造位置及熱儲層的埋深及空間分布。

（1）可控源音頻大地電磁法在深層地?zé)豳Y源勘查中，具有獲得細節(jié)豐富、可信度高和數(shù)據(jù)質(zhì)量佳的特點，是一種有效的深層地?zé)豳Y源勘查地球物理方法。

（2）微動探測是一種新興的地震類技術(shù)方法，在深層地?zé)豳Y源勘查中對于斷裂構(gòu)造反應(yīng)敏感，具有勘探深度大、數(shù)據(jù)質(zhì)量高的特點，受制于野外施工的不便性，不利于開展面積性工作。但其有望成為電磁法的補充勘查方法。

（3）兩種方法互相印證，利用各自特點，得出了可靠的結(jié)論，避免了單一方法的盲目性和多解性，為今后深層地?zé)豳Y源勘查提供了新的思路。

（4）微動探測作為近年來主推的一種地震類方法，其主要應(yīng)用于工程類，本項目是浙江省內(nèi)第一次將新興的微動勘探與傳統(tǒng)的CSAMT法相結(jié)合，取得了從面到點的進步。

參考文獻：

[1]劉時彬.中國地?zé)豳Y源開發(fā)利用現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢分析[Z].中國北京： 20026.

[2]穆海杰，王紅兵，等； CSAMT法在南水北調(diào)中線采空區(qū)探測中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報. 2008（03）： 321-325.

[3]姚大為，王書民，雷達，等； CSAMT在祁連山永久凍土區(qū)天然氣水合物調(diào)查中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報. 2013， 10（02）： 132-137.

[4]黃立勇，周常委，唐仲華，等；可控源音頻大地電磁測深法在太湖南岸地?zé)峥辈橹械膽?yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報. 2015， 12（05）： 655-659.

[5]高艷華，黃溯航，劉丹，等；微動探測技術(shù)及其工程應(yīng)用進展[J].科學(xué)技術(shù)與工程. 2018， 18（23）： 146-155.

[6]孫勇軍，徐佩芬，凌甦群，等；微動勘查方法及其研究進展[J].地球物理學(xué)進展. 2009， 24（01）： 326-334.