曹創(chuàng)華，鄧 專(zhuān)，柳建新

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長(zhǎng)株潭地區(qū)CSAMT法收發(fā)距探討及實(shí)例分析

曹創(chuàng)華1, 3，鄧 專(zhuān)1，柳建新2, 3

(1. 湖南省地質(zhì)調(diào)查院，長(zhǎng)沙410116；2. 中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；3. 有色資源與地質(zhì)災(zāi)害探查湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083)

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)中的收發(fā)距和實(shí)測(cè)波區(qū)的響應(yīng)數(shù)據(jù)息息相關(guān)，決定著該方法的有效勘探深度。長(zhǎng)株潭地區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)高度發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)域，區(qū)內(nèi)巖漿巖、褶皺、斷裂發(fā)育；出露巖石有礫巖、砂巖、泥巖、白云巖、灰?guī)r和花崗巖等，具有CSAMT探測(cè)地質(zhì)構(gòu)造和巖性接觸帶等地質(zhì)現(xiàn)象的前提條件。但由于區(qū)內(nèi)水系發(fā)育致使大部分巖石電阻率普遍較低，而花崗巖電阻率相對(duì)較高，在不同區(qū)域?qū)嵤〤SAMT時(shí)，滿(mǎn)足波區(qū)條件的收發(fā)距有所不同。根據(jù)區(qū)內(nèi)不同巖性組成的典型地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算出最佳收發(fā)距的大小，并選取實(shí)例進(jìn)行分析，以期對(duì)此地區(qū)或者類(lèi)似區(qū)域開(kāi)展CSAMT法探測(cè)時(shí)有所參考。

長(zhǎng)株潭地區(qū)；可控源音頻大地電磁法；收發(fā)距；實(shí)例分析

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)是在傳統(tǒng)的大地電磁測(cè)深法(MT)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，由于其是人工源勘探，具有可靠的分辨率等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于地表下1 km內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造和巖性接觸帶等地質(zhì)勘探[1]；近年來(lái)在礦產(chǎn)資源勘探、地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)、隧道地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)及水文地質(zhì)構(gòu)造等勘探中取得了一定的成 果[2]。但由于方法相對(duì)較新，可控源音頻大地電磁法測(cè)深的應(yīng)用研究較少，使得其在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一定的問(wèn)題[3]，特別是人工場(chǎng)源的引入，在工作中需要確定數(shù)據(jù)采集區(qū)域是否位于近區(qū)、過(guò)渡區(qū)或遠(yuǎn)區(qū)，只有在遠(yuǎn)區(qū)采集的數(shù)據(jù)才適用目前類(lèi)似MT方法的處理程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，而發(fā)射源離測(cè)量剖面之間的距離(即收發(fā)距)是決定遠(yuǎn)區(qū)的根本性因素。

對(duì)于工作中確保遠(yuǎn)區(qū)數(shù)據(jù)的收發(fā)距具體為多遠(yuǎn)，目前沒(méi)有具體的結(jié)論，不同學(xué)者有不同的見(jiàn)解。ZONGE[4]認(rèn)為發(fā)收距大于電偶源發(fā)射的電磁波波長(zhǎng)的一半(即3倍趨膚深度)時(shí)可近似認(rèn)為進(jìn)入遠(yuǎn)區(qū)；石昆法[5]根據(jù)野外經(jīng)驗(yàn)和儀器所能接收的最小信號(hào)給出了下式：

式中：為接收點(diǎn)到偶極中心矢徑的模(簡(jiǎn)稱(chēng)收發(fā)距)；為勘探深度；為發(fā)射電流；為供電偶極子的長(zhǎng)度；為與之間的夾角；min為接收機(jī)能觀測(cè)到的最小信號(hào)，一般取7 μV。式(1)中的滿(mǎn)足了遠(yuǎn)區(qū)的條件，max為滿(mǎn)足觀測(cè)精度的要求。處理資料時(shí)所用的參數(shù)是以最小可用頻率為首要條件的，最低頻率按照下式進(jìn)行計(jì)算[5]：

式中：L表示所需最低頻率，取上式中的兩者最?。籥表示平均電阻率；max表示最大收發(fā)距；為勘探深度。PFAFFHUBER[6]設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單模型進(jìn)行了正演計(jì)算得到電偶極子的遠(yuǎn)區(qū)電磁場(chǎng)距離與趨膚深度之間呈線性關(guān)系，并給出遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)距離估算公式。岳瑞永等[7]深入討論了電方位各向異性介質(zhì)條件下收發(fā)距和趨膚深度的關(guān)系。王若等[8]討論了4種可在高山峽谷方便測(cè)量方式的電磁場(chǎng)特征，認(rèn)為通常收發(fā)距在6~8 km較為合適。陳明生等[9]利用地層波與地面波之比給出了精確定義遠(yuǎn)區(qū)的方法。林威[10]認(rèn)為卡尼亞視電阻率與電場(chǎng)視電阻率的相交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率可作為遠(yuǎn)區(qū)數(shù)據(jù)的最低頻率。湯井田等[11]通過(guò)設(shè)計(jì)的模型認(rèn)最小收發(fā)距應(yīng)大于7倍的勘探深度。曹創(chuàng)華[12]計(jì)算表明，在普遍高阻巖石條件下滿(mǎn)足1 Hz頻率以上的最小收發(fā)距在11 km以上。柳建新等[3]在承擔(dān)中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局科研項(xiàng)目中發(fā)現(xiàn)，很多勘探實(shí)例的可控源音頻大地電磁方法探測(cè)結(jié)果都呈“三明治”形狀，作者通過(guò)對(duì)視電阻率頻率曲線分析，發(fā)現(xiàn)大部分?jǐn)?shù)據(jù)很難利用的主要原因都是由于收發(fā)距過(guò)小引起。以上科研成果表明：可控源音頻大地電磁法的收發(fā)距要因地制宜，具體問(wèn)題具體分析，要根據(jù)研究區(qū)域的地層電阻率設(shè)置模型進(jìn)行計(jì)算或者進(jìn)行收發(fā)距野外實(shí)驗(yàn)對(duì)比測(cè)深視電阻率曲線才能得出合理的結(jié)論。

近年來(lái)，湖南省地質(zhì)勘查科研與生產(chǎn)單位近年來(lái)在溫泉調(diào)查、水文地質(zhì)災(zāi)害和礦產(chǎn)資源深部調(diào)查工作中開(kāi)展了很多可控源音頻大地電磁測(cè)深法工作；特別是長(zhǎng)株潭地區(qū)作為湖南省經(jīng)濟(jì)核心區(qū)(見(jiàn)圖1)，隨著社會(huì)的發(fā)展，地質(zhì)工作日漸趨多。比如長(zhǎng)沙市寧鄉(xiāng)縣灰湯鎮(zhèn)是國(guó)內(nèi)少有的溫泉之鄉(xiāng)，株洲市醴陵柏市鎮(zhèn)也有溫泉點(diǎn)出露，長(zhǎng)株潭城際鐵路沿線在湘江附近，第四系和第三系覆蓋較厚，對(duì)隱伏構(gòu)造的探查研究可控源音頻大地電磁法都有所涉及。

本研究中，根據(jù)長(zhǎng)株潭地區(qū)的實(shí)際地層條件設(shè)計(jì)了各種模型，依據(jù)頻率域電磁法和可控源音頻大地電磁法的理論公式深入進(jìn)行了收發(fā)距探討。首先，在了解長(zhǎng)株潭地區(qū)的地質(zhì)地層基礎(chǔ)上，根據(jù)已有地球物理特征資料，設(shè)計(jì)了灰?guī)r地層、花崗巖地層等以及組合地層模型。其次，利用頻率域大地電磁和可控源音頻大地電磁法的正演理論進(jìn)行了計(jì)算，確定了滿(mǎn)足長(zhǎng)株潭地區(qū)各種地層組合的收發(fā)距長(zhǎng)度和探測(cè)頻率之間的關(guān)系。最后，利用長(zhǎng)株潭區(qū)域內(nèi)株洲市攸縣柏市鎮(zhèn)溫水村可控源音頻大地電磁法探測(cè)溫泉研究項(xiàng)目作為實(shí)例進(jìn)行了分析。

1 長(zhǎng)株潭地質(zhì)概況

1.1 地層

區(qū)內(nèi)出露地層較多(見(jiàn)圖2)，伴有巖漿巖出露，伴隨著歷史上的各種地質(zhì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了各種斷裂構(gòu)造和不同程度的隆起和拗陷。

圖1 長(zhǎng)株潭區(qū)位示意圖

圖2 長(zhǎng)株潭區(qū)域地質(zhì)圖[13]：1—灰?guī)r、泥灰?guī)r；2—第四系；3—紅色砂巖、鈣質(zhì)巖和砂礫巖；4—板巖、變質(zhì)砂巖；5—二長(zhǎng)花崗巖；6—富斜花崗巖；7—角閃石黑云母花崗巖； 8—花崗巖；9—泥質(zhì)粉砂巖；10—變質(zhì)砂巖

1.1.1 巖性

區(qū)內(nèi)地層出露由老至新為新元古界冷家溪群、板溪群，晚古生界泥盆系、石炭系、二疊系，中生界三疊系、侏羅系、白堊系，新生界古近系、第四系等。其中巖性具體有灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、礫巖、砂巖、板巖和白云巖等。

1.1.2 巖漿巖

區(qū)內(nèi)巖漿巖較發(fā)育，且種類(lèi)較多，產(chǎn)狀、規(guī)模各異，有侵入巖基、巖株及巖脈，主要有黑云母二長(zhǎng)花崗巖、二云母二長(zhǎng)花崗巖、花崗斑巖脈和輝綠(玢)巖脈等。

1.1.3 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)內(nèi)主要經(jīng)歷了武陵運(yùn)動(dòng)、雪峰運(yùn)動(dòng)、加里東運(yùn)動(dòng)、印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)、喜山運(yùn)動(dòng)等六次大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，正是這些多期次、多旋回的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成了圖區(qū)內(nèi)各構(gòu)造層間明顯的區(qū)域角度不整合和復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造形跡。根據(jù)測(cè)區(qū)地層出露情況、構(gòu)造變形與巖漿活動(dòng)特征，自北西向南東可劃分為溈山隆起、韶山?湘鄉(xiāng)拗陷、茶恩寺?板杉鋪隆起、株洲拗陷等，低洼區(qū)域分布廣泛。

區(qū)內(nèi)被具有近似垂直的區(qū)域5大斷裂系統(tǒng)切割，其中慈利?醴陵斷裂帶呈東南?西北向，株洲?永州斷裂、醴陵?寧遠(yuǎn)斷裂、茶陵?藍(lán)山斷裂和炎陵?長(zhǎng)城嶺斷裂大致等間距平行呈西南?東北向展布，具有早期活動(dòng)呈壓性，晚期轉(zhuǎn)化為張扭具走滑的特征。據(jù)圖2中的地表地質(zhì)圖，區(qū)內(nèi)主要出露巖性為變質(zhì)砂巖、砂礫巖和板巖等；火成巖類(lèi)主要存在于區(qū)域內(nèi)的北部局部、南部炎陵縣域內(nèi)，其余地方偶有出露。頻率域可控源音頻大地電磁法探測(cè)前提是巖性具有物性差異，探測(cè)目標(biāo)以地質(zhì)構(gòu)造和巖性接觸帶引起的異常為主。

1.2 地球物理特征

長(zhǎng)株潭地區(qū)的地球物理工作較為豐富，測(cè)量物性的參數(shù)方法也有很多，比如露頭小四極、孔旁電測(cè)深和測(cè)井等；每種方法測(cè)量的結(jié)果都有一定的范圍，已有資料的搜集結(jié)果見(jiàn)表1。

溫泉的形成有熱源、控?zé)針?gòu)造、熱儲(chǔ)和蓋層等結(jié)構(gòu)[14]，熱源往往來(lái)自深部花崗巖等火成巖，控?zé)針?gòu)造一般為深斷裂和其在地質(zhì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的次級(jí)斷裂，熱儲(chǔ)在長(zhǎng)株潭地區(qū)一般為二疊系、泥盆系灰?guī)r及其形成的巖溶小裂隙等，而蓋層在長(zhǎng)株潭地區(qū)往往為分布較為廣泛且較厚的第三系紅層(具體包括泥質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r等)，通過(guò)表1所述，可以看出在溫泉探查中各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)的探查具有明顯的地球物理特征差異，從而證實(shí)可控源在探測(cè)斷裂方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。隨著長(zhǎng)株潭一體化高速發(fā)展，區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的工作也逐步展開(kāi)[14]，基礎(chǔ)地質(zhì)成果的提供成為建設(shè)城市的必要；長(zhǎng)株潭地區(qū)的溈山巖體、蕉溪嶺巖體等為出露的花崗巖體，而大部分地區(qū)呈盆地形式存在，第四系和第三系覆蓋較厚，對(duì)于巖體深部延伸、不同巖性在地表下深部是如何接觸，產(chǎn)狀和走向等很多情況未知，更為致命的是在第三系、第四系的地層電阻率普遍太低，常規(guī)電法探測(cè)由于能量消耗太大，往往難以探測(cè)到目的地層，在此情況下，人工源頻率域電磁測(cè)深可以有所作為。

表1 長(zhǎng)株潭地區(qū)巖石參數(shù)統(tǒng)計(jì)表[15]

2 MT、CSAMT法理論及長(zhǎng)株潭地區(qū)典型巖性組合收發(fā)距計(jì)算

2.1 MT及CSAMT法理論

目前常用的MT采集頻率范圍是0.0001~10000 Hz，根據(jù)電磁場(chǎng)特點(diǎn)和笛卡爾直角坐標(biāo)系中(見(jiàn)圖3)TE極化模式和TM極化模式的定義，最終得到如下式[16]：

對(duì)于一維電性結(jié)構(gòu)模型，據(jù)式(3)和(4)，對(duì)MT，地表下第層表面的波阻抗Z通過(guò)下面的遞推計(jì)算公式可得[16]：

式中：e為自然指數(shù)；0n、k、Z-分別為第層的特征阻抗、第層的復(fù)傳播系數(shù)和第層表面的波阻抗。

對(duì)于可控源音頻大地電磁法的一維正演，將均勻半空間表面水平電偶源產(chǎn)生的電磁場(chǎng)表示為(見(jiàn)圖3中的坐標(biāo)系)[17?18]：

若令：

則：

即可以得到類(lèi)似天然源MT的計(jì)算公式：

式(6)~(14)中：E、H分別為電、磁場(chǎng)水平分量(圖3中方向和電偶極子方向相同與測(cè)線平行，方向?yàn)榇怪睖y(cè)量方向，軸垂直向下)。為接收點(diǎn)到偶極中心矢徑的模；為自然指數(shù)；為和軸的夾角；為發(fā)送電流強(qiáng)度；為電偶極子長(zhǎng)度；和分別是均勻半空間的導(dǎo)磁率和電阻率；代表角頻率；表示為大地的磁導(dǎo)率；表示電磁波傳播波數(shù)，在準(zhǔn)靜態(tài)極限下有；1、0和1、0分別是第一和第二類(lèi)以為宗量的虛宗量貝塞耳函數(shù)，0和1代表階數(shù)[17?18]，是卡尼亞視電阻率，是阻抗相位，為阻抗(Re表示其實(shí)部，Im表示其虛部)。

圖3所示為CSAMT和MT觀測(cè)層狀模型示意圖，軸垂直紙面向外，軸垂直于軸，軸垂直于軸和軸確定的平面，電偶源沿軸分布，中心點(diǎn)為軸0點(diǎn)，測(cè)線與軸平行，地表下地層第一層的電阻率設(shè)為，厚度為1，第二層的電阻率為，以此類(lèi)推，最底部為第層。CSAMT是供電時(shí)在測(cè)線上進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，而MT是無(wú)人工源條件下進(jìn)行的數(shù)據(jù)測(cè)量，所測(cè)參數(shù)一致。

圖3 MT、CSAMT法層狀模型示意圖

2.2 長(zhǎng)株潭地區(qū)典型巖性組合收發(fā)距計(jì)算

據(jù)表1可知，在長(zhǎng)株潭區(qū)域，砂巖、灰質(zhì)礫巖的電阻率在1500 Ω·m左右，灰?guī)r、白云巖電阻率在2590 Ω·m左右；網(wǎng)紋狀粘土、礫巖的電阻率為500 Ω·m左右，粘土、粉砂巖的電阻率為50 Ω·m左右，花崗巖的電阻率在8000 Ω·m左右。CSAMT數(shù)據(jù)處理都用遠(yuǎn)區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演解釋?zhuān)h(yuǎn)區(qū)處理的方式是MT反演方法，所以本研究中將對(duì)同種模型的MT響應(yīng)和CSAMT響應(yīng)做比較，通過(guò)其相對(duì)誤差不超過(guò)10%為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。用表示同等條件下CSAMT和MT電阻率誤差，如下式所示：

由于粘土、粉砂巖往往存在地表，根據(jù)以上分析，可以設(shè)計(jì)下列8種情況進(jìn)行分析計(jì)算，得到準(zhǔn)確的收發(fā)距。第一種為500 Ω·m的地層，以網(wǎng)紋狀粘土、礫巖為代表；第二種為1500 Ω·m的地層，以砂巖、灰質(zhì)礫巖為代表；第三種為2590 Ω·m的地層，以灰?guī)r、白云巖為代表；第四種為8000 Ω·m左右，以花崗巖類(lèi)為代表；后4種設(shè)計(jì)模型是前4種的首層是第四系，其電阻率為50 Ω·m左右，以粘土、粉砂巖為代表。圖4~11為上述8種情況下的計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差等值線結(jié)果，后4種情況下首層低阻層的厚度為20 m。

在圖4~11中，橫坐標(biāo)為可控源音頻大地電磁測(cè)深的收發(fā)距，縱坐標(biāo)為計(jì)算的頻率(本文中采用的頻率為目前常用的CSAMT測(cè)量頻組：=[0.125 0.25 0.5 1 1.41 2 2.82 4 5.6 8 11.2 16 22.4 32 45 64 90 128 180 256 360 512 721 1024 1441 2048 2882 4096 5765 8192]Hz)以10為底的對(duì)數(shù)(lg(/Hz))；8種結(jié)果所用色標(biāo)統(tǒng)一，由藍(lán)色到紅色表示誤差由小到大；其中藍(lán)色范圍為同等條件下CSAMT和MT視電阻率誤差小于等于10%的范圍(以10%為界值，認(rèn)為小于此誤差為可利用頻率范圍用MT方式處理數(shù)據(jù))。

圖4 粘土、礫巖為代表的地層視電阻率相對(duì)誤差

圖5 砂巖、灰質(zhì)礫巖為代表的地層視電阻率相對(duì)誤差

圖6 灰?guī)r、白云巖為代表的地層視電阻率相對(duì)誤差

圖7 花崗巖類(lèi)為代表的地層視電阻率相對(duì)誤差

圖8 地表低阻粘土、礫巖為代表的地層視電阻率相對(duì)誤差

圖9 地表低阻砂巖、灰礫巖為代表的地層視電阻率相對(duì)誤差

圖10 地表低阻灰?guī)r、白云巖為代表的地層視電阻率相對(duì)誤差

圖11 地表低阻花崗巖類(lèi)為代表的地層視電阻率相對(duì)誤差

圖4~11都具有以下特點(diǎn)：隨著收發(fā)距的增加，可利用的可控源數(shù)據(jù)最低頻率越來(lái)越低，范圍越來(lái)越大，可以探測(cè)的有效深度越來(lái)越深；同等收發(fā)距條件下，隨著地層電阻率的增加，可利用可控源數(shù)據(jù)的最低頻率越來(lái)越高，范圍越來(lái)越小；當(dāng)?shù)乇碛?0 m厚的低阻層時(shí)，隨著基底底層的巖石電阻率增大，由于淺地表低阻帶存在，在同等條件下可用頻率數(shù)值變大；但在最低可用頻率的位置會(huì)出現(xiàn)局部誤差最大值。綜上所述，圖4和圖8表明網(wǎng)紋狀粘土、礫巖為代表的地層收發(fā)距為6000 m時(shí)最低可用頻率大致為360 Hz，收發(fā)距在8000 m時(shí)最低可用頻率為32 Hz，而當(dāng)收發(fā)距為12000m時(shí)最低可用頻率在8 Hz；圖5和圖9表明以砂巖、灰質(zhì)礫巖為代表的地層在收發(fā)距為6000 m時(shí)最低可用頻率大致為1024 Hz，收發(fā)距在8000 m時(shí)最低可用頻率為360 Hz，而當(dāng)收發(fā)距為12000 m時(shí)最低可用頻率在128 Hz；圖6和圖10表明為以灰?guī)r、白云巖為代表的地層在收發(fā)距為6000 m時(shí)最低可用頻率大致為1441Hz，收發(fā)距在8000 m時(shí)最低可用頻率為512 Hz，而當(dāng)收發(fā)距為12000 m時(shí)最低可用頻率在256 Hz；圖7和圖11表明以花崗巖類(lèi)為代表的地層在收發(fā)距為6000 m時(shí)最低可用頻率大致為5765 Hz，收發(fā)距在8000 m時(shí)最低可用頻率為1441 Hz，而當(dāng)收發(fā)距為12000 m時(shí)最低可用頻率在721 Hz。

按何繼善和湯井田等專(zhuān)家給出的結(jié)論[17?18]，頻率域電磁法趨膚深度計(jì)算公式如下：

式中：為探測(cè)頻率；為探測(cè)深度；為探測(cè)地層電阻率。相對(duì)MT法，CSAMT法在引起10%的卡尼亞視電阻率誤差時(shí)，結(jié)合圖4~11，基本上頻率都會(huì)增加1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)應(yīng)的趨膚深度為同等條件下MT法趨膚深度的91%~95%。

3 實(shí)例分析

選取湖南省株洲市攸縣柏市鎮(zhèn)溫水村溫泉探查研究項(xiàng)目作為實(shí)例進(jìn)行分析。

3.1 地質(zhì)概況

地層以石炭系、泥盆系和二疊系的地層為主，具體巖性有灰黑色頁(yè)巖、白云質(zhì)、灰黑色砂巖板狀頁(yè)巖、中厚層粉砂巖和灰?guī)r等。根據(jù)初步地質(zhì)調(diào)查，區(qū)內(nèi)的地?zé)嵬ǖ乐饕芍骺財(cái)嗔褳闂顬I斷裂控制。由于區(qū)域地質(zhì)各個(gè)期次的運(yùn)動(dòng)，形成的次級(jí)斷裂有宋家斷裂、新漕泊斷裂等(見(jiàn)圖12)。

圖12中，藍(lán)色小點(diǎn)為設(shè)計(jì)的可控源音頻大地電磁法的測(cè)點(diǎn)，共設(shè)計(jì)了5條測(cè)線，目前發(fā)現(xiàn)的溫泉點(diǎn)出露溫度為35.9℃，流量為12.24 L/s，溫度相對(duì)較高，位于圖幅中部的近南北向斷裂和楊濱斷裂交匯部位。

圖12 地?zé)嵴{(diào)查研究區(qū)構(gòu)造綱要簡(jiǎn)圖：1—斷裂及名稱(chēng)；2—背斜；3—向斜；4—地?zé)崧额^；5—CSAMT測(cè)點(diǎn)

3.2 數(shù)據(jù)采集方案

按照經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)Bostick公式換算[19]：

式中：為探測(cè)頻率；為探測(cè)深度；為探測(cè)地層電阻率；通過(guò)地質(zhì)調(diào)查，此區(qū)域內(nèi)頁(yè)巖、白云質(zhì)灰黑色砂巖板狀頁(yè)巖分布較廣，而灰?guī)r白云巖分布較少，電阻率應(yīng)在1000 Ω·m左右，假如探測(cè)深度為1000 m，按照式(16)計(jì)算可知，的最小探測(cè)頻率應(yīng)在126 Hz。

按照第2節(jié)討論，此溫泉成溫區(qū)域的電阻率在第一種和第二種情況之間，可以認(rèn)為其滿(mǎn)足126 Hz以上的頻率在遠(yuǎn)區(qū)的收發(fā)距大于10 km即可達(dá)到探測(cè)目標(biāo)深度。最終實(shí)地調(diào)查后我們選擇的收發(fā)距為11.2 km。

按照中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)，提供了兩個(gè)頻段，1~8192 Hz或者0.125~8192 Hz，所以采集頻率選擇前者。

趙廣茂等[20]認(rèn)為當(dāng)收發(fā)距大于10倍的電偶極距時(shí)才能視作電偶極子，而小于10倍時(shí)僅能當(dāng)做線電流源，所以本實(shí)例選擇的極距為1000 m。

3.3 數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)及處理

此區(qū)內(nèi)按照3.2節(jié)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了赤道偶極數(shù)據(jù)采集，通過(guò)野外實(shí)測(cè)的卡尼亞視電阻率和頻率，經(jīng)過(guò)靜態(tài)校正，濾波，剔除飛點(diǎn)，以線的1200號(hào)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(見(jiàn)圖13)。

圖13 A線1200號(hào)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)曲線

在圖13中，遠(yuǎn)區(qū)數(shù)據(jù)在11.2~8192 Hz；過(guò)渡區(qū)在曲線的波谷區(qū)域，頻率范圍為1~11.2 Hz；近區(qū)呈近似45°上翹特征，其頻率范圍小于1 Hz。且整個(gè)遠(yuǎn)區(qū)的視電阻率都小于1000 Ω·m，反演后會(huì)更小，說(shuō)明布置地電觀測(cè)系統(tǒng)前的要求完全符合要求，可利用頻率11.2 Hz小于126 Hz。整個(gè)遠(yuǎn)區(qū)范圍的電阻率測(cè)深曲線近似于K型，淺部1141~819 2Hz電阻率呈下降趨勢(shì)；128~1141 Hz視電阻率趨于平穩(wěn)為局部較大值，但此區(qū)間128~256 Hz之間的數(shù)據(jù)有局部曲折現(xiàn)象，說(shuō)明此頻段所測(cè)對(duì)應(yīng)部位可能存在斷裂；1~128 Hz存在一個(gè)低阻帶。

最后經(jīng)過(guò)Occam二維反演[1]，由于篇幅所限僅僅列出線探測(cè)結(jié)果及地質(zhì)解釋圖(見(jiàn)圖14)。其中圖14(a)為反演電阻率斷面，圖14(b)為物探解釋剖面。圖14中高低阻分界線明顯，其中推斷斷裂F1在2200號(hào)測(cè)點(diǎn)及2250測(cè)點(diǎn)附近，推測(cè)其延伸向小號(hào)點(diǎn)延伸(即：傾向南東，傾角約75°~85°)；推斷斷裂F2向大號(hào)點(diǎn)延伸(即：傾向西南，傾角115°~135°)在1750號(hào)測(cè)點(diǎn)附近出露地表；推斷斷裂F2被推斷斷裂F1錯(cuò)開(kāi)，兩者關(guān)系為張性關(guān)系，兩個(gè)斷裂是主要控?zé)?、控水?dāng)嗔?，為水分的?lái)源提供了通道，但通道較??；在海拔200 m和?300 m之間形成了一個(gè)蓋層(巖性可能為白云質(zhì)巖類(lèi)，相對(duì)呈高阻)為深部的低阻異常提供了相對(duì)封閉的空間，頂部直至地表為水的補(bǔ)給區(qū)。其它兩個(gè)斷裂分別在200號(hào)測(cè)點(diǎn)和1350號(hào)測(cè)點(diǎn)附近，兩者產(chǎn)狀均較陡，其中1350號(hào)測(cè)點(diǎn)的推斷斷裂F3和推斷斷裂F1引起的低阻保溫層可能在深部交匯；200號(hào)測(cè)點(diǎn)附近的推斷斷裂F4推測(cè)為普通斷裂，深度延伸較淺，產(chǎn)狀與推斷斷裂F1相似，但不是儲(chǔ)熱通道；其中推斷斷裂F3的傾向?yàn)闁|南，傾角85°左右，推斷斷裂F4與推斷斷裂F3產(chǎn)狀相似，疑似平行斷裂。由圖7中所推測(cè)的地質(zhì)結(jié)果如下：地表層由cm~m厚度不等的第四系Q4組成；中間層的電阻率大致在190~1700 Ω?m，常見(jiàn)值在400 Ω?m左右，推測(cè)由石炭系C2+3白云巖、灰?guī)r等組分組成，其長(zhǎng)度貫穿整條測(cè)線，海拔在?20~500 m不等，用磚型表示，其被推斷斷裂F1、F2、F3和F4等穿插；深部為二疊系下統(tǒng)P1d的頁(yè)巖、灰?guī)r組成，其可能含有碳質(zhì)，貫穿整條測(cè)線，海拔在?20~?700 m之間，電阻率從Ω?m~200 Ω?m之間都有存在，在大號(hào)點(diǎn)(1000號(hào)測(cè)點(diǎn))后深部此層內(nèi)存在極低低阻層，圖中用藍(lán)色實(shí)細(xì)線圈定出，推斷為深部熱源區(qū)。整條剖面深部大斷裂為熱儲(chǔ)部位提供了補(bǔ)給水，通過(guò)中間的石炭系C2+3蓋層沿著藍(lán)色虛線帶箭頭方向流向地表，形成了帶有深部熱液的溫泉出露。

圖14 CSAMT法勘探A線2D反演結(jié)果及地質(zhì)解釋剖面圖：1—第四系；2—石炭系白云巖灰?guī)r；3—二疊系頁(yè)砂巖；4—推斷斷層；5—推斷熱流通道；6—推斷熱源

為了整體分析研究面上立體空間結(jié)果，本文特選取相隔200 m做成三維切片圖(見(jiàn)圖15)來(lái)進(jìn)行分析，可以看出：推斷斷裂F1~F3為較深斷裂，隨著深度的增加產(chǎn)狀變化較小，而推斷斷裂F4斷裂較淺(推斷不是控溫?cái)嗔?。

3.4 鉆探結(jié)果及地質(zhì)解釋

在線的1200號(hào)測(cè)點(diǎn)布設(shè)了鉆孔，2014年冬天施工，在410.22 m時(shí)打到F3斷裂破碎帶，溫泉水涌出，溫度達(dá)到37°，鉆孔ZK-1鉆探巖芯編錄結(jié)果如表2所列。

表2 ZK-1鉆孔各地層巖性、厚度統(tǒng)計(jì)表

結(jié)果表明：CSAMT反演解釋推斷結(jié)果與鉆探巖性構(gòu)造對(duì)應(yīng)較好。

根據(jù)以上信息可知：此勘探區(qū)域的熱儲(chǔ)為層狀，與白云灰?guī)r作為蓋層，其底部深部存在砂巖、頁(yè)巖(可能含有碳質(zhì))密切相關(guān)，且熱儲(chǔ)層從線和1線來(lái)看為后期斷裂F3和F2改造后的背斜儲(chǔ)溫層，斷裂提供水源，中間層狀地層的內(nèi)部裂隙破碎，次級(jí)斷裂把經(jīng)過(guò)深部?jī)?chǔ)熱層加熱的溫水初步遷移到地表，屬于熱液型溫泉。其特點(diǎn)為蓋層被斷裂在大號(hào)點(diǎn)破壞，溫泉在小號(hào)點(diǎn)散出。溫泉到達(dá)地表后可能造成圍巖蝕變。經(jīng)過(guò)近兩年的取樣觀測(cè)和測(cè)試，地?zé)岙惓｜c(diǎn)泉水夏季溫度約24~26 ℃，冬季溫度較高，為36~38 ℃，可擬做生產(chǎn)開(kāi)發(fā)井。

圖15 CSAMT法勘探綜合三維橫向切片圖

4 結(jié)論

1) 依據(jù)長(zhǎng)株潭地區(qū)的地層特點(diǎn)和MT、CSAMT的基本原理詳細(xì)推導(dǎo)了層狀模型的公式，根據(jù)長(zhǎng)株潭地區(qū)區(qū)內(nèi)的地層特點(diǎn)設(shè)計(jì)8種典型地層理論模型，計(jì)算出了CSAMT相對(duì)MT在0.125~8192 Hz之間正演響應(yīng)下的誤差。

2) 以區(qū)內(nèi)株洲市柏市鎮(zhèn)溫泉調(diào)查的探測(cè)為實(shí)例，從理論上分析了地電觀測(cè)系統(tǒng)的正確性，并對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理和解釋?zhuān)?10.22 m時(shí)打到推斷的F3斷裂破碎帶，溫泉水涌出，最高溫度可達(dá)38 ℃，具有開(kāi)發(fā)前景，證實(shí)了本項(xiàng)目具有地質(zhì)調(diào)查研究示范作用。

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Case study and analysis on distance between transmitter and receiver of CSAMT method in Chang-Zhu-Tan area, China

CAO Chuang-hua1, 3, DENG Zhuan1, LIU Jian-xin2, 3

(1. Geology Survey Institute of Hunan province, Changsha 410116, China;2. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China;3. Key Laboratory of Non-ferrous Resources and Geological Detection, Ministry of Hunan Province, Changsha 410083, China)

The response data of CSAMT method is closely related to transmission distance and measured wave region, which determines it’s effective exploration depth. Chang-Zhu-Tan area is the important regional and national area, there exist magmata rocks, folds, fracture and with conglomerate, sandstone, mudstone, dolomite, limestone and granite, which is natural prerequisite to use CSAMT method. However, resistivities of most rock are generally low with water system developmentally, and the resistivity of granite is relatively high, this makes different patches be measured to meet the specifications of receiving valid data from the implementation of CSAMT vary. Depending on the rock area in this article, typical of stratum structure consisting of the numerical calculation, the size of the best receiving distance was calculated, for expecting this area or similar area during some reference when CSAMT method detection was used.

Chang-Zhu-Tan area; CSAMT method; distance between transmitter and receiver; case study

(編輯 王 超)

Projects(12120115046901, 12120115043901) supported by the geological survey Bureau of China

2016-01-05; Accepted date:2016-05-17

CAO Chuang-hua; Tel: +86-13787313842; E-mail: 0404050825@163.com

1004-0609(2017)-02-0345-11

P631.3

A

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局資助項(xiàng)目(12120115046901，12120115043901)

2016-01-05；

2016-05-17

曹創(chuàng)華，工程師，博士；電話：13787313842；E-mail: 0404050825@163.com