王坤坤, 田成富, 李 彥

(湖北省地質(zhì)局 地球物理勘探大隊(duì),湖北 武漢 430056)

CSAMT法在湯池地?zé)釡厝碧街械膽?yīng)用

王坤坤, 田成富, 李 彥

(湖北省地質(zhì)局 地球物理勘探大隊(duì),湖北 武漢 430056)

以湖北省湯池地?zé)峥辈轫?xiàng)目作為實(shí)例,對(duì)CSAMT方法從原理、野外工作方法、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等方面進(jìn)行詳細(xì)的介紹,并對(duì)其找水效果、方法優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。與傳統(tǒng)找水方法相比,該方法勘探深度大、分辨率高,數(shù)據(jù)處理后得到的電阻率斷面圖能真實(shí)地反映地下電性結(jié)構(gòu)。特別是勘探區(qū)地下含水構(gòu)造,與圍巖有明顯的電性差異,CSAMT法勘探結(jié)合定性分析可間接為尋找地下熱水資源提供靶區(qū)。CSAMT方法在地?zé)釡厝碧街芯哂胁豢商娲膬?yōu)勢(shì)，其在湯池地?zé)釡厝碧街械膽?yīng)用經(jīng)驗(yàn)在類似找水項(xiàng)目中具有示范和推廣意義。

溫泉;可控源音頻大地電磁法;找水效果

地?zé)崾且环N清潔的資源,溫泉中含有對(duì)人體有益的多種礦物質(zhì),隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和旅游業(yè)的發(fā)展,人們對(duì)溫泉旅游的消費(fèi)也在迅速增長(zhǎng)。湖北省應(yīng)城市湯池地區(qū)地下熱水資源豐富,但因?yàn)橐郧安捎脗鹘y(tǒng)電法開(kāi)展勘探工作所取得的效果有限,為合理、有效開(kāi)發(fā)當(dāng)?shù)責(zé)崴Y源,后期又采用CSAMT方法在指定區(qū)域進(jìn)行了重新勘探,最終取得了滿意的找水效果。

在地下熱水資源勘探中,因含水構(gòu)造電阻率的降低,與圍巖相比將會(huì)產(chǎn)生明顯的電性差異,這為物探電法勘探提供了良好的應(yīng)用前提[1]。在諸多的電法勘探方法中,可控源音頻大地電磁法與其它常規(guī)電法(如常規(guī)電阻率法、高密度電法等)相比,具有一定的優(yōu)越性。首先,其勘探深度大,可以查明地表以下1～2 km深的地質(zhì)情況;其次,其工作效率高,受地形影響較小,在復(fù)雜地形條件下也可以應(yīng)用;最后,其橫向分辨率高,對(duì)橫向電性分界反映清晰,定位準(zhǔn)確。常規(guī)電法雖然也常用于地下熱水勘探,但勘探深度一般較淺,受地表電阻率影響較大[2],對(duì)深部構(gòu)造及地下水流向等方面的反映較差,鉆孔定位也有一定困難。

1 探測(cè)區(qū)地質(zhì)與地球物理特征

1.1 探測(cè)區(qū)地質(zhì)特征

工作區(qū)位于襄廣斷裂南側(cè)揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)大巴山—大洪山臺(tái)緣褶帶大洪山臺(tái)褶束及鄂中褶斷區(qū)鐘祥臺(tái)褶束與江漢斷陷云應(yīng)凹陷、天門凸起交匯處。各構(gòu)造單元為斷層接觸。測(cè)區(qū)北為云應(yīng)凹陷,南為天門凸起。

根據(jù)鉆探資料,地層由新到老依次為第四系、新近系、古近系、震旦系。古近系(E)主要由紫紅色—灰綠色粘土質(zhì)粉砂巖、粉砂巖組成,與下部震旦系燈影組呈不整合或斷層接觸,受北西向斷裂和北東向斷裂控制,同一高程面上巖性變化較大,且厚度也不一致,說(shuō)明兩斷裂在第三系以來(lái)仍有活動(dòng),并控制了第三系的沉積。震旦系燈影組(Z2dn)遍布全區(qū),除在西部及西北部零星出露外,其余均埋于第四系、新近系、古近系地層之下,且具有西北、北部埋深淺,東南、南部深的特點(diǎn),巖溶發(fā)育,巖石破碎,方解石充填或鈣質(zhì)膠結(jié),硅化程度高,為主要儲(chǔ)熱儲(chǔ)水層。

工作區(qū)地處大洪山褶皺束和江漢斷陷兩構(gòu)造體系復(fù)合部位東南傾沒(méi)端,平行北西西軸線有一系列壓性斷裂。其中心林家寨斷裂規(guī)模最大,走向北西西,傾向北東,傾角30°,破碎帶寬度365～375 m,主動(dòng)盤向南運(yùn)動(dòng),致使奧陶系地層有兩次明顯重復(fù),它延伸至湯池被北北西向西河—皂市張扭性斷裂切割。西河—皂市張扭性斷裂總體走向北北西,傾北東,傾角70°,在湯池呈近南北向展布,由數(shù)條平行斷裂組成,破碎帶寬度175～225 m,其規(guī)模大,延伸遠(yuǎn),切割深,明顯控制了大洪山褶皺束構(gòu)造的大部分構(gòu)造成分,并切割了中生代沉積和構(gòu)造盆地的邊界形態(tài),具多期活動(dòng)特點(diǎn)。此外,北北東向斷裂組在湯池也較發(fā)育,切錯(cuò)了北西西向構(gòu)造形跡,呈現(xiàn)先壓后張且具多期性活動(dòng)特點(diǎn),波及第三系地層,使上第三系地層斷距達(dá)13 m以上,乃至挽近期仍有活動(dòng)。正是由于上述兩大構(gòu)造形跡的共同制約,新近系紅層斷裂和寒武地層次級(jí)構(gòu)造十分發(fā)育并共同控制了湯池?zé)崴男纬膳c展布。

1.2 地球物理特征

根據(jù)湖北省地質(zhì)局鄂東北地質(zhì)大隊(duì)AB/2=300 m的對(duì)稱四極法物探工作,電參數(shù)測(cè)定結(jié)果顯示,水溫60°左右的熱水電阻率<5 Ω·m,地表水的電阻率為60～80 Ω·m,兩者電性差異大于一個(gè)數(shù)量級(jí)?？梢?jiàn),含豐富礦物離子的地下熱水會(huì)使圍巖電阻率大大降低,特別是受斷層作用形成的破碎帶或含水的巖溶及其裂隙,電阻率會(huì)非常低,物探斷面圖上會(huì)出現(xiàn)低阻異常帶。電阻率大小與破碎帶含水量的多少呈反比關(guān)系。

第四系、新近系、古近系出露地層的巖性為粘土、泥灰?guī)r、泥巖、粘土巖、粉砂巖等,其電阻率約為幾十—幾百Ω·m;下伏震旦系上統(tǒng)燈影組地層巖性為白云巖,其電阻率約為n×102～n×104Ω·m;若圍巖破碎,則電阻率會(huì)有所減小,破碎帶充水后,其電阻率將大幅度降低,甚至達(dá)幾Ω·m。這些電阻率上的差異,為本次提供了較好的地球物理勘查前提。

2 應(yīng)用CSAMT探測(cè)地?zé)崽锓椒ㄔ?/h2>

CSAMT法是可控源音頻大地電磁法的簡(jiǎn)稱,它基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組導(dǎo)出水平電偶源在地面上的電場(chǎng)及磁場(chǎng)公式,然后利用正交的電場(chǎng)Ex和磁場(chǎng)Hy計(jì)算卡尼亞視電阻率。

應(yīng)用CSAMT法探測(cè)地?zé)崽?一般采用標(biāo)量法進(jìn)行探測(cè),其發(fā)射端采用人工可控的電偶極源,A、B電極距離為1～2 km,測(cè)線與供電AB極連線平行,接收端布置在供電偶極中垂線±30°的扇形面積內(nèi),且使測(cè)線位于遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,通過(guò)變換供電頻率以達(dá)到測(cè)深的目的(參見(jiàn)圖1)。

CSAMT標(biāo)量勘探是遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)測(cè)量正交的電場(chǎng)強(qiáng)度Ex和磁場(chǎng)強(qiáng)度Hy的水平分量,進(jìn)而求出卡尼亞視電阻率[3-4]:

式中:f為頻率。

相位提供了另一個(gè)重要參數(shù),稱為相位差或阻抗相位:φE=φE-φH。電阻率和相位共同提供了包含地下信息的完整數(shù)據(jù),根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù),就能解譯出想要的地質(zhì)信息。

根據(jù)理論推導(dǎo),CSAMT 的勘探深度D與頻率f、電阻率ρ之間的關(guān)系為:

圖1 CSAMT法工作布置圖Fig.1 Work layout of CSAMT

3 CSAMT野外工作方法

3.1 野外數(shù)據(jù)采集

野外生產(chǎn)投入設(shè)備為V8多功能電法儀,包括V8接收機(jī)、發(fā)射機(jī)TXU-30、30 kW大功率發(fā)電機(jī)等其它輔助工具。按規(guī)范要求,在儀器投入生產(chǎn)前,對(duì)儀器進(jìn)行了標(biāo)定,儀器標(biāo)定合格。對(duì)3臺(tái)接收機(jī)進(jìn)行一致性試驗(yàn),一致性良好。

工作區(qū)布置2條平行剖面,點(diǎn)距50 m,頻率參數(shù)為1.33～9 600 Hz,發(fā)射電流為18 A,A、B供電極距距離長(zhǎng)1 200 m,收發(fā)距r>7.8 km。

3.2 數(shù)據(jù)處理

每天野外數(shù)據(jù)采集完成后,將儀器中數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī),并進(jìn)行原始數(shù)據(jù)預(yù)處理,初步判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量和野外地質(zhì)情況,必要時(shí)繪制視電阻率斷面圖。利用中國(guó)地質(zhì)大學(xué)與鳳凰地球物理公司合作研發(fā)的軟件CSAMT-SW V2.0進(jìn)行反演。

4 資料解譯及應(yīng)用效果

4.1 反演方法選取

為了驗(yàn)證反演軟件不同反演方法的適用性,進(jìn)行了一維(Bostick)反演和二維反演對(duì)比(見(jiàn)圖2)?？梢钥闯?0～-600 m的范圍,一維反演和二維反演在反映斷裂及低阻異常帶等方面基本一致,構(gòu)造及地層的反映非常清晰,但-600 m以下,二維反演結(jié)果存在垂向拉伸的現(xiàn)象,有些不符合地質(zhì)規(guī)律。經(jīng)分析,認(rèn)為二維反演在缺乏地質(zhì)模型和邊界限定條件下,其在疊加及插值運(yùn)算過(guò)程中,會(huì)出現(xiàn)不可控的問(wèn)題,往往會(huì)出現(xiàn)極大值、極小值及不符合地質(zhì)規(guī)律的情況,因此,在應(yīng)用二維反演時(shí),一定要在充分認(rèn)識(shí)地質(zhì)資料的前提下,建立合適的地球物理模型,并加上邊界限定條件,只有這樣,才能得出正確的結(jié)果;Bostick一維反演,其反演過(guò)程中就建立了地球物理理論模型,所以能得到較好的反演結(jié)果。經(jīng)對(duì)比Bostick反演結(jié)果在本工作區(qū)更接近地質(zhì)情況,具有更好的適用性。

圖2 湯池地?zé)峥碧?線二維/Bostick反演結(jié)果對(duì)比圖Fig.2 Contrast diagram of two-dinensional inversion results and Bostick inversion results about NO.2 explomtion line of Tangchi

4.2 資料解譯

經(jīng)一維和二維反演的對(duì)比,選取一維Bostick法進(jìn)行反演,并對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行解譯,詳見(jiàn)圖3。反演斷面圖上可以看出,從上至下可分為0～-600 m、-600～-1 200 m兩層,分別對(duì)應(yīng)為震旦系白云巖及下伏地層,震旦系地層的厚度在剖面上不同位置是變化的,點(diǎn)號(hào)1 100～2 500,白云巖厚度呈增大趨勢(shì)。點(diǎn)號(hào)1 100～1 500,0～-600 m,視電阻率約幾十Ω·m,認(rèn)為該段受斷層作用,圍巖破碎并含水,使得電阻率大大降低,推測(cè)點(diǎn)號(hào)1500位置存在斷層F1;點(diǎn)號(hào)1 500～2 100,0～-600 m,視電阻率幾十—幾百Ω·m,推測(cè)點(diǎn)號(hào)1 900～2 000之間存在斷層F2,受該斷層影響,圍巖破碎含水,由于不同部位賦存水量大小不一,就造成了斷面圖上視電阻率高低不一的情況;點(diǎn)號(hào)2 100～2 500,0～-600 m,視電阻率幾百至1 000Ω·m,視電阻率變化均一,無(wú)低阻異常,認(rèn)為圍巖較完整。

斷面圖上可以較清晰地看出三處視電阻率低于10 Ω·m的低阻異常帶,分別是:點(diǎn)號(hào)1 100～1 500,深度約-250～-500 m;點(diǎn)號(hào)1 500～2 000,深度約-400～-600 m;點(diǎn)號(hào)2 000～2 500,深度-600～-1 200 m,陡狀向下延伸。三處低阻異常位于震旦系白云巖內(nèi)部,且視電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于白云巖電阻率,認(rèn)為低阻異常帶為含熱水破碎帶,因含有大量熱水,使得視電阻率明顯降低。

圖3 湯池地?zé)峥碧?線CSAMT法成果圖Fig.3 Result map of NO.2 exploratin line of Tangchi by CSAMT1.推測(cè)燈影組白云巖;2.推測(cè)破碎帶;3.推測(cè)斷層;4.驗(yàn)證鉆孔。

4.3 應(yīng)用效果

CSAMT法數(shù)據(jù)處理、反演及資料解譯完成后,經(jīng)綜合研究,認(rèn)為2線1 400點(diǎn)是最佳位置,經(jīng)鉆探驗(yàn)證,250 m左右見(jiàn)熱水,水溫>60°,找水效果顯著,得到了甲方的一致好評(píng)。

該項(xiàng)目成功實(shí)施后,在皂市、隨州大洪山等地也開(kāi)展了類似的地?zé)峥碧焦ぷ?。借鑒本次工作取得的經(jīng)驗(yàn),經(jīng)過(guò)必要的數(shù)據(jù)處理工作,也取得了良好的找水效果。這說(shuō)明CSAMT在找水方面的應(yīng)用,其優(yōu)點(diǎn)是不可替代的,有著廣闊的應(yīng)用前景。

5 結(jié)論

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,能源的供需矛盾日益突出。地下熱水資源,為無(wú)污染的清潔能源。合理開(kāi)發(fā)利用地下熱水資源,對(duì)工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。CSAMT法在湯池地區(qū)勘探地?zé)釡厝?展示了良好的應(yīng)用效果,由于其勘探深度大、橫向分辨率高、工作效率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),CSAMT法在地?zé)嵴宜?xiàng)目中劃分?jǐn)嗔褬?gòu)造、圈定低阻異常區(qū)具有非常好的適用性,對(duì)其它勘探區(qū)類似地尋找地?zé)崴哂兄匾笇?dǎo)和借鑒意義。

同時(shí),CSAMT法也存在一定的缺點(diǎn):①地表的高阻會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)效應(yīng),對(duì)數(shù)據(jù)的采集造成影響[5],在數(shù)據(jù)處理時(shí)必須消除靜態(tài)效應(yīng);②CSAMT法對(duì)地表的反映較差,原因在于包含地表信息的高頻數(shù)據(jù)較少,若想得到詳細(xì)的地表信息,需要結(jié)合其他物探方法,如高密度電法等,進(jìn)行綜合勘探;③CSAMT法反演軟件存在不足,其在處理靜態(tài)效應(yīng)、地形校正等方面的算法不相同。盡管如此,差異不會(huì)太大。如果差異部分恰好在剖面上的關(guān)鍵位置和深度,則要重新查看原始數(shù)據(jù)和野外記錄班報(bào),在此基礎(chǔ)上謹(jǐn)慎選擇反演軟件,若有其它電法資料或地質(zhì)資料作參考,那將非常有幫助。對(duì)CSAMT法獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí),二維反演不一定比一維反演更能反映真實(shí)地質(zhì)情況,因?yàn)槎S反演需要限定條件,一般的反演軟件往往是在無(wú)限定條件下多次疊代運(yùn)算得到結(jié)果,這種做法很難保證結(jié)果的準(zhǔn)確性,所以在利用二維反演時(shí),一定要加上邊界限定條件。

隨著社會(huì)建設(shè)進(jìn)程的加快,人文干擾對(duì)CSAMT法數(shù)據(jù)采集的影響越來(lái)越大,采集到合格的原始數(shù)據(jù)顯得越來(lái)越困難,也越來(lái)越重要,所以,如何壓制干擾及消除干擾成為CSAMT法勘探的重要課題。本文總結(jié)了一種評(píng)判數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的方法,就是利用頻率—視電阻率(或頻率—相位)作視電阻率斷面圖(或相位斷面圖),在圖上直觀地判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)劣及有無(wú)干擾。在今后的工作中,將加強(qiáng)有關(guān)干擾問(wèn)題的研究,提高數(shù)據(jù)采集合格率,探尋數(shù)據(jù)處理過(guò)程中剔除干擾的方法,為地質(zhì)找水事業(yè)提供科學(xué)手段。

[1] 朱金華,冒我冬,白錦琳,等.CSAMT法在斷層含水性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].物探與化探,2011,35(4):569-572.

[2] 張作宏,王軍成,戴康明.CSAMT在沿海圍墾區(qū)地?zé)峥辈橹械膽?yīng)用[J].物探與化探,2014,38(4):680-683.

[3] 湯井田,何繼善.可控源音頻大地電磁法及其應(yīng)用[M].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社,2005.

[4] 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局.電性可控源音頻大地電磁法技術(shù)規(guī)程(報(bào)批稿):DD2009-XX[S].北京:中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局,2009.

[5] 柳建新,郭振威,郭榮文,等.CSAMT和重力方法在獅子湖溫泉深部地球物理勘查中的應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2009,24(5):1868-1873.

(責(zé)任編輯：陳姣霞)

Application of CSAMT in Tangchi Geothermal Spring Prospecting

WANG Kunkun, TIAN Chengfu, LI Yan

(HubeiBrigadeofGeophysicalExploration,Wuhan,Hubei430056)

Controlled source audio frequency magnetotelluric method (CSAMT) has been widely used in the exploration of geothermal water resources at home and abroad. This article taking TangChi geothermal survey project as an example,introduces the method principle of CSAMT,field working method,data processing technology etc. in detail. analyses the effects of prospecting water,merits and faults of different methods. From the point of view later drilling results,compared with the traditional methods,CSAMT is of great exploration depth,high resolution. Resistivity section after data processing can reflect the true underground electrical structure. Especially there are obvious electric difference between the underground water bearing structure of exploration area and the surrounding rock. This can be done by qualitative analysis,indirectly provide target area for underground water resources. The advantage CSAMT in exploration of geothermal hot springs is irreplaceable. It has demonstration and popularization significance in similar hot spring water survey project.

hot spring; CSAMT; effects of prospecting water; popularization

2015-04-17;改回日期:2015-05-26

王坤坤(1985-),男,工程師,地球物理專業(yè),從事電磁法勘探及找礦工作。E-mail:393216851@qq.com

P631.3+2

A

1671-1211(2016)01-0072-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201601012

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20151217.0912.006.html 數(shù)字出版日期:2015-12-17 09:12