CSAMT电场单分量视电阻率定义在地热资源勘探中的应用

崔江伟， 周楠楠， 薛国强， 邓居智

(1.东华理工大学，江西 南昌 330013；2.中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029)



CSAMT电场单分量视电阻率定义在地热资源勘探中的应用

崔江伟1， 周楠楠2， 薛国强2， 邓居智1

(1.东华理工大学，江西 南昌 330013；2.中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029)

可控源音频大地电磁法(CSAMT)是目前地热资源勘探中主要的地球物理方法之一,通过计算相互垂直的电磁场分量的比值来定义卡尼亚视电阻率，进而实现远场情况下的中、深部目标体的探测。但是,对于强干扰地区，当电场分量和磁场分量受到的干扰差别较大时，卡尼亚视电阻率会引起较大的计算误差。利用电场或磁场单分量定义视电阻率能更准确地解释地下的电性结构。从理论模型和野外实践两方面证明单分量视电阻率定义的可行性，取得了理想的效果。

CSAMT；卡尼亚视电阻率；单分量视电阻率；干扰

崔江伟，周楠楠，薛国强，等.2015.CSAMT电场单分量视电阻率定义在地热资源勘探中的应用[J].东华理工大学学报：自然科学版，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.

地热资源在国际公认的 21 世纪的绿色能源，在当今全球气候变化和各种环境污染影响的形式下，地热资源已广泛用于采暖、热供水、医疗、旅游、娱乐、养殖等。在地热资源勘查工作中，常常需要确定断层的位置、走向、以及破碎带的宽度等问题。人们普遍选用可控源音频大地电磁法(CSAMT)来解决这一问题。可控源音频大地电磁法是在大地电磁法(MT)基础上发展起来的一种人工源频率域测深方法。与MT相比，CSAMT克服了场源随机性强、信号强度弱等缺点，且而具有高效率、高精度、高分辨率等优点。由于其独特的优点，在寻找深部隐伏金属矿、油气构造勘查、推覆体或火山岩下找煤、地热资源勘查和水文—工程地质勘查等方面都取得了良好的地质效果。

传统的CSAMT视电阻率定义为卡尼亚视电阻率定义。运用卡尼亚视电阻率都取得了很好的应用效果。例如底青云等(2005)利用可控源音频大地电磁法对南水北调西线一期工程中深埋长隧洞段进行了探测研究, 评价可能影响工程的断层、破碎带及异常区, 对工程施工提供非常了有用的帮助信息。徐光辉(2005)等将可控源音频大地电磁法用于北京水文地质勘查, 通过查明断裂构造而成功寻找地热资源和地下水资源。邓洪亮等(2007)以南水北调工程为例, 研究了在探测深埋长隧洞工程中使用可控源音频大地电磁法探测断层的应用技术。安志国等(2008)在西南一改建铁路项目中, 对隧道洞线中使用CSAMT探测断层和破碎带的技术进行研究, 分析正常地层和存在断层、破碎带等不良地质体的典型视阻率一频率曲线, 证实CSAMT法对于勘查断层和破碎带等不良地质体是比较有效的一种方法。当处于重大电磁干扰地区时，CSAMT 观测的各分量在噪声干扰下会有不同的性状。当电磁干扰的方向不同，x向电场和y向的磁场受到的干扰可能就不同；施工中磁棒和电极的连接、埋设、接地的好坏也可能有差异。因此，电场和磁场的观测质量也会不同。此时在运用卡尼亚视电阻率定义解决问题时就会产生严重的误差。为此陈明生等(1998) 研究了电偶源频率电磁测深中的Ex分量，得出电场Ex分量具有分辨率高、观测信噪比高、不需作近场改正等的结论。邱卫忠等(2011) 讨论了CSAMT的各分量在山地精细勘探中的作用。得到了电场对静态偏移、地形起伏等地表横向电性变化敏感，磁场不受静态偏移的影响，对地形影响不敏感；噪声和其他干扰对电场和磁场的影响也不相同的结论。汤井田等(2011)研究了CSAMT电场y方向视电阻率的定义,并通过模拟计算得出电场y分量Ey视电阻率可明显改善非波区的畸变效应，并且其视电阻率曲线受测点方位影响较小，为一种全区视电阻率，可以更好地利用近区数据资料，较全面地反映地电断面信息的结论。因此，在电磁干扰严重的地区，当卡尼亚视电阻率不能很好解决地质问题时，运用单分量视电阻率定义解决地质问题可能的。为了验证单分量视电阻率定义的有效性，在理论模型计算中加入一定的噪声，分析不同干扰情况下各分量视电阻率定义和卡尼亚电阻率定义的相对误差，并将卡尼亚视电阻率和单分量视电阻率应用于实践中。

1 CSAMT视电阻率的定义方法

CSAMT采用可控人工场源，测量是由电偶极源传送到地下的电磁场分量。两个电极电源之间的距离一般为1～2 km，测量是在距离场源6～10 km以外的范围进行的，此时场源可近似为一个平面波，通过电磁场频率的变化来达到电阻率测深的目的。CSAMT基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程组导出的水平电偶极源在地面上的电场及磁场公式(汤井田等，2005)：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，I为供电电流强度；AB为供电偶极长度；r为场源到接收点之间的距离。由于CSAMT法延用了MT法中的比值视电阻率定义的方式，在标量CSAMT测量中只需观测Ex和Hy两个分量。

将(1)式沿x方向的电场Ex与(5)式沿y方向的磁场Hy相比，并经过一些简单运算，就可获得地下的视电阻率(卡尼亚视电阻率)ρs公式：

处于社会转型时期的90后藏族大学生的婚恋观还是以传统为主，尤其是甘肃甘南地区的藏族大学生由于地域原因，较少受现代社会不良婚姻文化的影响，其他地区的藏族大学生的婚恋观都体现出由传统向现代过渡的特点。

(7)

式中，f代表频率。由(7)式可见，只要在地面上能观测到两个正交的水平电磁场Ex，Hy就可获得地下的视电阻率ρs，也称比值视电阻率。

由(1)式和(5)式可得单分量视电阻率ρs的公式：

(8)

(9)

2 理论模型分析

为了对两种计算视电阻率的方式进行对比，取电偶极源长度为1 000 m,电流为10 A，接收点坐标为(0,7000)，均匀半空间电阻率为10 Ωm。分别计算模型的卡尼亚视电阻率和单分量视电阻率(对比如图1)，从图中可以看出当不存在干扰时，卡尼亚视电阻率和单分量视电阻率都能很好的反映地下电阻率的值，且卡尼亚视电阻率的精度是优于单分量视电阻率的。

在实际工作中，不可能没有干扰源的存在。当给磁场分量加±5%、电场分量加±2%的随机干扰时，视电阻率的变化如图2所示。此时卡尼亚视电阻率的误差就会大大增加。同样给予电场分量加±5%、磁场分量加±2%以内的随机干扰时，卡尼亚视电阻率的误差也会增大很多，如图3所示。在实测工作中，当电磁场分量所受到的干扰不同时，运用卡尼亚视电阻率定义解决问题，就会带来较大的误差。运用受干扰小的电场或磁场的分量定义视电阻率，这样就能减小误差，提高解释精度。

图1 均匀半空间卡尼亚视电阻率和单分量视电阻率对比图Fig.1 Comparisons of homogeneous half space Cagniard and single component apparent resistivity

图2 磁场分量±5%噪声、电场分量±2%噪声均匀半空间卡尼亚视电阻率和分量视电阻率对比图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 实例分析

怀柔位于北京市北部。距北京城区40 km。测区受到工业电干扰比较严重，北面、东面、西面均有供电电线穿过，在测区北部有一条乡镇公路穿过，车流量较大。对本区各测线实测资料分别运用卡尼亚视电阻率和单分量视电阻率进行处理，得到各测线拟断面对比图如图4所示。由于电偶源频率测深中(包括CSAMT)的分量具有分辨率高、观测信噪比高的优点，而且解决地质问题的功能也是比较完备的。进而选用 分量视电阻率定义来进行解释工作。

L1线卡尼亚视电阻率等值线断面图如图4a所示。视电阻率的纵向变化满足随深度的增大由小到大的变化趋势。在横向上的740号点到960号点之间出现相对低阻异常，与周围的高阻区域形成明显的突变现象。根据断层电阻率异常的判定标准，可将横向视电阻率值线发生错断、有比较明显的密集梯度带或高阻与低阻之间呈现出明显的界限的地方定义为异常区的位置(朱仁字，1999；柴建峰等，2005；王爱国等，2006；马志飞，2009；刘红战等，2014)。因此可以在突变点740号附近推断有断层，并大致通过740号到960号点，向深部延伸。将断层命名为F1断层。而对比图4b，不仅在740号点到960号点之间出现相对低阻异常，在260号点到380号点同样出现低阻异常圈闭区。同样根据断层的判定依据，在260号点附近推断有断层，并大致通过260号点到320号点，向深部延伸，将此断层命名为F2。对比L1线卡尼亚视电阻率断面图和分量视电阻率断面图可见卡尼亚视电阻率断面图在260号点到380号点之间，显示的电阻率值都是比较大的，虽然也出现了小范围的等值线圈闭，但是不能够明显的看出电阻率的差别。而运用分量的视电阻率断面图在该区域等值线圈闭比较明显，可以很清楚的看出电阻率的差异。随后在300号点位置处布设钻孔，于地下1 500 m处见水，水温42 ℃。证实了Ex分量视电阻率定义在干扰严重地区能取得良好的应用效果。

图3 电场分量±5%噪声、磁场分量±2%噪声均匀半空间卡尼亚视电阻率和分量视电阻率对比图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

图4 L1线卡尼亚视电阻率断面图和分量视电阻率断面图Fig.4 L1 line Cagniard resistivity section and Ex component resistivity section

4 结论

根据CSAMT卡尼亚视电阻率和Ex分量视电阻率在干扰严重地区地热资源勘探应用中的研究，并结合模型分析得出以下结论：

(1)CSAMT卡尼亚视电阻率定义和单分量视电阻率定义在干扰比较弱的地区都是有效的，卡尼亚视电阻率精度较高。

(2)在噪声干扰严重地区，Ex和Hy任一分量受到干扰、或受到干扰不同时，卡尼亚视电阻率都会产生比较大的解释误差。

(3)在噪声干扰严重地区，卡尼亚视电阻率和单分量视电阻率的选择要视情况而定。

本文在噪声干扰严重地区，运用CSAMT的Ex分量视电阻率定义很好解决了在地热资源勘探中寻找断层的任务。

安志国，底青云，王光杰.2008.深埋长隧道洞线岩性CSAMT法分析研究[J].岩石力学与工程学报，27(增刊):3286-3291.

柴建峰，伍法权，茅均标,等.2005.南水北调西线一期工程阿坝段深埋长隧洞CSAMT地球物理勘查分类分析[J]. 岩石力学与工程学报，24(17)：3094-3100.

陈明生，阎述，陶冬琴.1998.电偶源频率电磁测深中的Ex分量[J].煤田地质与勘探， 26(6):60-66.

邓洪亮，谢向文，陈玲. 2007.CSAMTA法探测深长埋隧洞中隐伏断层的技术应用[J].南水北调与水利科技，5(2):12-15.

底青云，伍法权，王光杰,等. 2005.地球物理综合勘探技术在南水北调西线工程深埋长隧洞勘查中的应用[J].岩石力学与工程学报，24(20)：3631-3638.

刘红战，张小凌，姚明波. 2014.云南石林盆地地热地质特征及成因分析[J].东华理工大学学报:自然科学版，37(1)：69-74.

马志飞.2009.可控源音频大地电磁法探测隐伏断层的正演模拟[J].工程地质计算机应 用, 56(4):8-14.

邱卫忠，阎述，薛国强,等. 2011.CSAMT的各分量在山地精细勘探中的作用[J].地球物理学进展，26(2)：664-668.

汤井田，何继善. 2005.可控源音频大地电磁法及其应用[M].长沙：中南大学出版社:263-272.

汤井田，周聪，张林成. 2011.CSAMT电场 y 方向视电阻率的定义及研究[J].吉林大学学报:地球科学版，41(2)：552-558.

王爱国，马巍，张向红,等.2006.隐伏断层电性特征及浅层电法探测[J].西北地震学报，28(3)：242-247.

徐光辉，黄力军，刘瑞德. 2005.应用可控源音频大地电磁探测于北京水文地质勘查[J].物探与化探， 29(6)：523-525.

朱仁学. 1999.断层的大地电磁响应的研究[J].长春科技大学学报， 29(3)：290-294.

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

国家重点基础研究发展计划(973计划)(2012CB416605)；国家自然科学基金(41174090)；国家重大科研装备研制项目“深部资源探测核心装备研发”(ZDYZ2012-1-05-04)；中国科学院矿产资源研究重点实验室开放课题资助项目

崔江伟(1989—)，男，硕士研究生，主要从事电磁探测理论与应用研究。E-mail:cjw-ecit@foxmail.com

10.3969/j.issn.1674-3504.2015.04.016

P631.3

A

1674-3504(2015)04-0438-05