崔江偉， 周楠楠， 薛國強， 鄧居智

(1.東華理工大學，江西 南昌 330013；2.中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029)

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CSAMT電場單分量視電阻率定義在地熱資源勘探中的應(yīng)用

崔江偉1， 周楠楠2， 薛國強2， 鄧居智1

(1.東華理工大學，江西 南昌 330013；2.中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029)

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)是目前地熱資源勘探中主要的地球物理方法之一,通過計算相互垂直的電磁場分量的比值來定義卡尼亞視電阻率，進而實現(xiàn)遠場情況下的中、深部目標體的探測。但是,對于強干擾地區(qū)，當電場分量和磁場分量受到的干擾差別較大時，卡尼亞視電阻率會引起較大的計算誤差。利用電場或磁場單分量定義視電阻率能更準確地解釋地下的電性結(jié)構(gòu)。從理論模型和野外實踐兩方面證明單分量視電阻率定義的可行性，取得了理想的效果。

CSAMT；卡尼亞視電阻率；單分量視電阻率；干擾

崔江偉，周楠楠，薛國強，等.2015.CSAMT電場單分量視電阻率定義在地熱資源勘探中的應(yīng)用[J].東華理工大學學報：自然科學版，38(4)：438-442.

Cui Jiang-wei，Zhou Nan-nan，Xue Guo-qiang，et al.2015.Single component apparent resistivity of CSAMT defined by electric field in the application of the geothermal resource exploration [J].Journal of East China Institute of Technology (Natural Science), 38(4)：438-442.

地熱資源在國際公認的 21 世紀的綠色能源，在當今全球氣候變化和各種環(huán)境污染影響的形式下，地熱資源已廣泛用于采暖、熱供水、醫(yī)療、旅游、娛樂、養(yǎng)殖等。在地熱資源勘查工作中，常常需要確定斷層的位置、走向、以及破碎帶的寬度等問題。人們普遍選用可控源音頻大地電磁法(CSAMT)來解決這一問題?？煽卦匆纛l大地電磁法是在大地電磁法(MT)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種人工源頻率域測深方法。與MT相比，CSAMT克服了場源隨機性強、信號強度弱等缺點，且而具有高效率、高精度、高分辨率等優(yōu)點。由于其獨特的優(yōu)點，在尋找深部隱伏金屬礦、油氣構(gòu)造勘查、推覆體或火山巖下找煤、地熱資源勘查和水文—工程地質(zhì)勘查等方面都取得了良好的地質(zhì)效果。

傳統(tǒng)的CSAMT視電阻率定義為卡尼亞視電阻率定義。運用卡尼亞視電阻率都取得了很好的應(yīng)用效果。例如底青云等(2005)利用可控源音頻大地電磁法對南水北調(diào)西線一期工程中深埋長隧洞段進行了探測研究, 評價可能影響工程的斷層、破碎帶及異常區(qū), 對工程施工提供非常了有用的幫助信息。徐光輝(2005)等將可控源音頻大地電磁法用于北京水文地質(zhì)勘查, 通過查明斷裂構(gòu)造而成功尋找地熱資源和地下水資源。鄧洪亮等(2007)以南水北調(diào)工程為例, 研究了在探測深埋長隧洞工程中使用可控源音頻大地電磁法探測斷層的應(yīng)用技術(shù)。安志國等(2008)在西南一改建鐵路項目中, 對隧道洞線中使用CSAMT探測斷層和破碎帶的技術(shù)進行研究, 分析正常地層和存在斷層、破碎帶等不良地質(zhì)體的典型視阻率一頻率曲線, 證實CSAMT法對于勘查斷層和破碎帶等不良地質(zhì)體是比較有效的一種方法。當處于重大電磁干擾地區(qū)時，CSAMT 觀測的各分量在噪聲干擾下會有不同的性狀。當電磁干擾的方向不同，x向電場和y向的磁場受到的干擾可能就不同；施工中磁棒和電極的連接、埋設(shè)、接地的好壞也可能有差異。因此，電場和磁場的觀測質(zhì)量也會不同。此時在運用卡尼亞視電阻率定義解決問題時就會產(chǎn)生嚴重的誤差。為此陳明生等(1998) 研究了電偶源頻率電磁測深中的Ex分量，得出電場Ex分量具有分辨率高、觀測信噪比高、不需作近場改正等的結(jié)論。邱衛(wèi)忠等(2011) 討論了CSAMT的各分量在山地精細勘探中的作用。得到了電場對靜態(tài)偏移、地形起伏等地表橫向電性變化敏感，磁場不受靜態(tài)偏移的影響，對地形影響不敏感；噪聲和其他干擾對電場和磁場的影響也不相同的結(jié)論。湯井田等(2011)研究了CSAMT電場y方向視電阻率的定義,并通過模擬計算得出電場y分量Ey視電阻率可明顯改善非波區(qū)的畸變效應(yīng)，并且其視電阻率曲線受測點方位影響較小，為一種全區(qū)視電阻率，可以更好地利用近區(qū)數(shù)據(jù)資料，較全面地反映地電斷面信息的結(jié)論。因此，在電磁干擾嚴重的地區(qū)，當卡尼亞視電阻率不能很好解決地質(zhì)問題時，運用單分量視電阻率定義解決地質(zhì)問題可能的。為了驗證單分量視電阻率定義的有效性，在理論模型計算中加入一定的噪聲，分析不同干擾情況下各分量視電阻率定義和卡尼亞電阻率定義的相對誤差，并將卡尼亞視電阻率和單分量視電阻率應(yīng)用于實踐中。

1 CSAMT視電阻率的定義方法

CSAMT采用可控人工場源，測量是由電偶極源傳送到地下的電磁場分量。兩個電極電源之間的距離一般為1～2 km，測量是在距離場源6～10 km以外的范圍進行的，此時場源可近似為一個平面波，通過電磁場頻率的變化來達到電阻率測深的目的。CSAMT基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組導出的水平電偶極源在地面上的電場及磁場公式(湯井田等，2005)：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，I為供電電流強度；AB為供電偶極長度；r為場源到接收點之間的距離。由于CSAMT法延用了MT法中的比值視電阻率定義的方式，在標量CSAMT測量中只需觀測Ex和Hy兩個分量。

將(1)式沿x方向的電場Ex與(5)式沿y方向的磁場Hy相比，并經(jīng)過一些簡單運算，就可獲得地下的視電阻率(卡尼亞視電阻率)ρs公式：

處于社會轉(zhuǎn)型時期的90后藏族大學生的婚戀觀還是以傳統(tǒng)為主，尤其是甘肅甘南地區(qū)的藏族大學生由于地域原因，較少受現(xiàn)代社會不良婚姻文化的影響，其他地區(qū)的藏族大學生的婚戀觀都體現(xiàn)出由傳統(tǒng)向現(xiàn)代過渡的特點。

(7)

式中，f代表頻率。由(7)式可見，只要在地面上能觀測到兩個正交的水平電磁場Ex，Hy就可獲得地下的視電阻率ρs，也稱比值視電阻率。

由(1)式和(5)式可得單分量視電阻率ρs的公式：

(8)

(9)

2 理論模型分析

為了對兩種計算視電阻率的方式進行對比，取電偶極源長度為1 000 m,電流為10 A，接收點坐標為(0,7000)，均勻半空間電阻率為10 Ωm。分別計算模型的卡尼亞視電阻率和單分量視電阻率(對比如圖1)，從圖中可以看出當不存在干擾時，卡尼亞視電阻率和單分量視電阻率都能很好的反映地下電阻率的值，且卡尼亞視電阻率的精度是優(yōu)于單分量視電阻率的。

在實際工作中，不可能沒有干擾源的存在。當給磁場分量加±5%、電場分量加±2%的隨機干擾時，視電阻率的變化如圖2所示。此時卡尼亞視電阻率的誤差就會大大增加。同樣給予電場分量加±5%、磁場分量加±2%以內(nèi)的隨機干擾時，卡尼亞視電阻率的誤差也會增大很多，如圖3所示。在實測工作中，當電磁場分量所受到的干擾不同時，運用卡尼亞視電阻率定義解決問題，就會帶來較大的誤差。運用受干擾小的電場或磁場的分量定義視電阻率，這樣就能減小誤差，提高解釋精度。

圖1 均勻半空間卡尼亞視電阻率和單分量視電阻率對比圖Fig.1 Comparisons of homogeneous half space Cagniard and single component apparent resistivity

圖2 磁場分量±5%噪聲、電場分量±2%噪聲均勻半空間卡尼亞視電阻率和分量視電阻率對比圖Fig.2 Comparisons of homogeneous half space Cagniard and Ex component apparent resistivity, but Magnetic field component ±5% noise and electric field component ±2%noise

3 實例分析

懷柔位于北京市北部。距北京城區(qū)40 km。測區(qū)受到工業(yè)電干擾比較嚴重，北面、東面、西面均有供電電線穿過，在測區(qū)北部有一條鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路穿過，車流量較大。對本區(qū)各測線實測資料分別運用卡尼亞視電阻率和單分量視電阻率進行處理，得到各測線擬斷面對比圖如圖4所示。由于電偶源頻率測深中(包括CSAMT)的分量具有分辨率高、觀測信噪比高的優(yōu)點，而且解決地質(zhì)問題的功能也是比較完備的。進而選用 分量視電阻率定義來進行解釋工作。

L1線卡尼亞視電阻率等值線斷面圖如圖4a所示。視電阻率的縱向變化滿足隨深度的增大由小到大的變化趨勢。在橫向上的740號點到960號點之間出現(xiàn)相對低阻異常，與周圍的高阻區(qū)域形成明顯的突變現(xiàn)象。根據(jù)斷層電阻率異常的判定標準，可將橫向視電阻率值線發(fā)生錯斷、有比較明顯的密集梯度帶或高阻與低阻之間呈現(xiàn)出明顯的界限的地方定義為異常區(qū)的位置(朱仁字，1999；柴建峰等，2005；王愛國等，2006；馬志飛，2009；劉紅戰(zhàn)等，2014)。因此可以在突變點740號附近推斷有斷層，并大致通過740號到960號點，向深部延伸。將斷層命名為F1斷層。而對比圖4b，不僅在740號點到960號點之間出現(xiàn)相對低阻異常，在260號點到380號點同樣出現(xiàn)低阻異常圈閉區(qū)。同樣根據(jù)斷層的判定依據(jù)，在260號點附近推斷有斷層，并大致通過260號點到320號點，向深部延伸，將此斷層命名為F2。對比L1線卡尼亞視電阻率斷面圖和分量視電阻率斷面圖可見卡尼亞視電阻率斷面圖在260號點到380號點之間，顯示的電阻率值都是比較大的，雖然也出現(xiàn)了小范圍的等值線圈閉，但是不能夠明顯的看出電阻率的差別。而運用分量的視電阻率斷面圖在該區(qū)域等值線圈閉比較明顯，可以很清楚的看出電阻率的差異。隨后在300號點位置處布設(shè)鉆孔，于地下1 500 m處見水，水溫42 ℃。證實了Ex分量視電阻率定義在干擾嚴重地區(qū)能取得良好的應(yīng)用效果。

圖3 電場分量±5%噪聲、磁場分量±2%噪聲均勻半空間卡尼亞視電阻率和分量視電阻率對比圖Fig.3 Comparisons of homogeneous half space Cagniard and Ex component apparent resistivity, but Magnetic field component ±2% noise and electric field component ±5% noise

圖4 L1線卡尼亞視電阻率斷面圖和分量視電阻率斷面圖Fig.4 L1 line Cagniard resistivity section and Ex component resistivity section

4 結(jié)論

根據(jù)CSAMT卡尼亞視電阻率和Ex分量視電阻率在干擾嚴重地區(qū)地熱資源勘探應(yīng)用中的研究，并結(jié)合模型分析得出以下結(jié)論：

(1)CSAMT卡尼亞視電阻率定義和單分量視電阻率定義在干擾比較弱的地區(qū)都是有效的，卡尼亞視電阻率精度較高。

(2)在噪聲干擾嚴重地區(qū)，Ex和Hy任一分量受到干擾、或受到干擾不同時，卡尼亞視電阻率都會產(chǎn)生比較大的解釋誤差。

(3)在噪聲干擾嚴重地區(qū)，卡尼亞視電阻率和單分量視電阻率的選擇要視情況而定。

本文在噪聲干擾嚴重地區(qū)，運用CSAMT的Ex分量視電阻率定義很好解決了在地熱資源勘探中尋找斷層的任務(wù)。

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Single Component Apparent Resistivity of CSAMT Defined by Electric Field in the Application of the Geothermal Resource Exploration

CUI Jiang-wei1， ZHOU Nan-nan2， XUE Guo-qiang2， DENG Ju-zhi1

(1.East China Institute of Technology,Nanchang，JX 330013,China；2. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China)

CSAMT is one of the major geophysical methods in the geothermal resource exploration. The far-field large-depth exploration is realized using the Cagniard resistivity, which is defined through calculating the ratio of the orthogonal horizontal components. However, large error will be caused for the different sensitivities of electric or magnetic field to the noise. Single-component apparent resistivity based on the formulas of electric field or magnetic field will reduce the error greatly. In this paper, single-component resistivity is proven feasible by theoretical models and field example, which achieves the desired results.

CSAMT；Cagniard resistivity;single-component apparent resistivity; disturbance

2015-01-08

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)(2012CB416605)；國家自然科學基金(41174090)；國家重大科研裝備研制項目“深部資源探測核心裝備研發(fā)”(ZDYZ2012-1-05-04)；中國科學院礦產(chǎn)資源研究重點實驗室開放課題資助項目

崔江偉(1989—)，男，碩士研究生，主要從事電磁探測理論與應(yīng)用研究。E-mail:cjw-ecit@foxmail.com

10.3969/j.issn.1674-3504.2015.04.016

P631.3

A

1674-3504(2015)04-0438-05