可控源音频大地电磁测深在深部地热资源勘查中的应用效果

李树军

辽宁省化工地质勘查院，辽宁 锦州 121000

技术方法

可控源音频大地电磁测深在深部地热资源勘查中的应用效果

李树军*

辽宁省化工地质勘查院，辽宁 锦州 121000

可控源音频大地电磁测深法（CSAMT）的电磁场表达式是基于水平电偶极子源在均匀半空间的假设条件下推导而来的，它要求地电结构是水平均匀介质或水平均匀层状介质。实际工作中，电性结构往往不是简单的一维结构，在复杂地质条件下，其应用会受到多种地质因素的约束。通过具有代表性的深部地热资源勘查实例,来说明这些具体的地质影响因素，对应用CSAMT法开展深部地热资源勘探取得良好的地质效果，具有一定的借鉴作用。

可控源音频大地电磁测深 静态效应与场源效应 地热资源勘查 地电结构

地热是一种宝贵的自然资源，不仅为人类提供热能，同时也提供了水源和矿物资源【1】，它埋藏于地下，受控于特殊的地质条件，以水为介质把热带到地表的地热水，具有开发成本低、纯天然、不污染、安全卫生等诸多优点。地热资源作为一种可再生清洁能源，已引起越来越多的关注【2】，地热资源的勘探、开发和利用正在蓬勃兴起。

目前开采的地热资源一般情况下埋藏较深，大多开采深度已超过2000m，开采风险很大【3】。为了提高效率、减小投资成本，开发地热资源前都要通过一定程序的地热地质勘查研究工作和开展深部地球物理勘查工作。可控源音频大地电磁测深法（简称CSAMT法）是进行深部地热资源调查最重要的物探方法之一。近十几年来，采用CSAMT法在全国很多地区的深部地热资源调查中取得了较好的地质效果，但与其它物探方法一样，CSAMT法也受其方法的适用条件和方法有效性局限，受到方法原理前提条件、工作区地质条件、仪器设备功能、人文环境等诸多因素的制约，在钻探前如果未能对其在地热勘探领域的有效性加以系统研究，盲目应用，就会对地质推断成果产生误导，增加钻探风险，造成较大损失【4】。

1 可控源音频大地电磁测深方法及其适用条件

1.1 CSAMT测深法简介及其特点

可控源音频大地电磁法是20世纪80年代末在大地电磁法（简称MT法）基础上发展起来的，是一种频率域的电磁勘探方法。以人工源的方式向地下供入音频谐变电流建立电磁场，并仿照MT法观测正交电场和磁场分量，计算卡尼亚视电阻率，以探测地下电性分布特点。当从高到低逐个改变频率，每个频率相应获得一个卡尼亚视电阻率，从而得到卡尼亚视电阻率随频率而变化的曲线。随着频率降低，电磁法穿透深度加大，因而就得到了卡尼亚视电阻率测深曲线【5】。根据使用的场源数目和观测的场分量多少，CSAMT法分为张量、矢量和标量三种方式。由于CSAMT法的张量和矢量方式的工作方法起步较晚，仪器设备的开发研制、数据采集的方法技术和反演软件的开发运用都需要进行不断地试验与研究，它们还不能作为一种成熟的、稳定的物探方法而广泛应用于生产实践中，目前CSAMT法仍是以标量的方式测量为主。

CSAMT法具有如下特点：①克服了MT法天然场源信号的微弱性，抗干扰能力较强，消除了1000Hz左右的”死频”现象；②与传统的直流电法和瞬变电磁法相比具有较大的勘探深度(一般为n×10～2×103m)；③横向分辨能力强，可以灵敏地发现断层，是研究深部地质构造的有效手段，有一定的纵向分辨能力，可以对地层进行分层；④工作效益高，兼有测深和剖面研究双重特性；⑤交变电磁场可穿透高阻层，高阻屏蔽影响小。现广泛应用于地质调查、地热资源勘查、水文地质勘查、深部金属和非金属矿产勘查、工程勘察等领域中，并取得了很好的地质效果。

1.2 CSAMT测深方法的约束条件和方法有效性分析

CSAMT法是基于MT法基础上发展起来的新方法，其基本理论、假设条件、公式推导，数据采集方法及反演算法都沿用于MT法，但两者间又有一定的差异，就决定了应用CSAMT法要受到一定的约束条件。主要表现在如下几个方面：①场源不同，MT法采用天然场源，相当于是一种无限远场源，更容易满足电磁场的平面波场要求，CSAMT法采用人工的电偶极子场源，属于有限远场源，但在实际工作当中，由于种种条件的限制，使得大部分频点不能够满足平面波的要求。这样卡尼亚视电阻率不能正确反映地电断面的真实特征，从而限制了CSAMT法对深部勘探的应用【6】；②理论公式的推导是基于均匀半空间的假设条件下，要求地电结构是水平均匀介质或水平均匀层状介质的一维模型，实际工作中，地质结构往往不是简单的一维结构，而电磁法反映的地电结构由地质结构所决定。对于非均匀大地，场的性质将变得非常复杂，造成视电阻率的非波区畸变，出现解释中的假象；③对于CSAMT法的探测深度，普遍依赖于趋肤深度计算公式，陈明生提出人工源频率域测深的探测深度还受收发距的影响，不能沿用原有的趋肤深度计算公式，认为在收发距一定时，电偶极源产生的电磁法在低频段通常并不是平面波而导致计算的比值电阻率发生畸变。实践结果表明，在保证一定信噪比的前提下，决定CSAMT法最大探测深度的是收发距和电阻率综合作用下进入过渡区及近区场时对应的频率，并不是简单的频率越小，探测深度越大【7】；④标量CSAMT法利用一个场源测量两个分量（EX和HY或者EY和HX）,标量测量对于一维的均匀介质、层状介质或者走向已知的二维条件介质会有较好的地质效果，但在二维和三维地区的地质条件下就显得力不从心了，一维地质结构是很少见的，实际的地质结构多是二维或三维的【8】。

与天然场源的MT法和音频大地电磁测深法（简称AMT法）不同，CSAMT法采用人工场源，且场源到测深点的距离有限，这虽然带来了高的数据质量和效率，但是也引起了解释的复杂和问题，这些与场源相关的问题称为场源效应。

CSAMT的场源效应有3种表现形式：①由于靠近场源而产生的非平面波效应；②由于场源下的地质情况及场源与测深点之间的地质情况而产生的场源附加效应；③阴影效应则是指地质体的影响被投射开来，如同场源的阴影一样【9】。

1.2.1 非平面波效应 非平面波效应是测深点靠近场源时视电阻率和相位差的畸变，一般地CSAMT测深曲线会出现“远区”、“过渡带”和“近区”现象。在远区，所有参数均表现为随地下真电阻率的变化而变化；在过渡带，电场几乎总是表现为拱起-低谷-拱起的特征，出现相当醒目的“低谷”现象，即视电阻率呈假的降低；在近区，电场与磁场饱和，不随频率变化，且磁场与电阻率无关，卡尼亚电阻率随频率减小而增大，曲线呈现 45°上升。实际应用中对数据进行近场校正时，可能对原始资料改动较大，可能丢失一些有用信息，产生虚假信息，要注意与已知资料进行对比，近场校正是一个复杂的问题，方法的可行性及有效性需要进一步探讨和实验研究。

1.2.2 场源附加效应 当场源下方或者场源和接收点之间存在电性异常体时，会引起视电阻率曲线的严重失真，而且当异常体的埋深、规模、电阻率大小等因素不同时，对观测曲线的影响程度也不同。模拟和野外试验证明场源下方基岩埋深不同时，对曲线低频段影响较大【10】；低阻体产生的场源附加效应更强，电场、磁场视电阻率同时受到了影响，曲线近于向下平移，过渡带的低谷一拱起特征明显向高频段移动。由于这种效应的校正很复杂，在野外应尽量避免。

1.2.3 阴影效应【9】阴影效应是场源附加效应的一个变种，它是由场源和测深点之间的地质情况引起的。CSAMT法受阴影效应的影响很大，即使离物体很远，阴影也会存在，因此，测量可以探测到那种即使不在测深点下方的物体的影响。1.2.4 静态效应 在频率域电磁测深中，静态效应总是与二维或三维构造相关。它一般是由于近地表的电性横向不均匀性或地形起伏引起的，从实际应用来看，产生静态效应最强烈的地方是高阻基岩出露的地方【11】，并且在某种程度上影响所有的电场测量，这个数值与频率无关。视电阻率曲线向上或向下移动一个数值，静态效应的强度可达到两个数量级，在推断深度时会引起误差，并使构造的解释复杂化。无论是低阻异常还是高阻异常都会引起干扰区域的中高频段的等值线“挂面条状”的近直立异常【12】。现在为了消除静态效应对CSAMT测深数据的影响，出现了多种静态校正的滤波改正方法，但目前还没有一种方法可以完全消除静态效应的影响，也只能是有针对性地对某一特定工作区进行静态校正，使CSAMT数据得到一定程度的改善。

综上所述，CSAMT视电阻率的定义是基于平面波的假设，在野外复杂的地质条件下，单纯的一维模型是不存在的。因此要受到场源效应及静态效应的影响，并且这些影响会随着地质结构所决定的地电结构远离水平均匀介质或水平均匀层状介质所要求的一维模型条件而会变得更加严重，但要想彻底消除这些影响，到目前还没有一种比较完善、可靠、实用的方法。因此，如何合理使用CSAMT法是必须慎重考虑的问题，在任何情况下，地质条件都是决定性因素，工作前应根据具体的地质任务和目标，先要对工作区的地质条件进行综合分析，划分出适宜开展CSAMT法工作区、有条件地开展CSAMT法工作区和不适宜开展CSAMT法工作区是非常必要的。哪些地质因素是决定是否适合开展CSAMT法选区的呢？笔者根据多年来从事CSAMT法的工作经验和对相关资料的分析研究，提出了如下建议，在开展CSAMT法工作时具有一定的参考价值和借鉴意义。

工作区（包括场源区和测量区）的地形平坦、坡度平缓有利于开展CSAMT法工作。地形起伏大、高差大的地形条件，一方面会造成偶极子场源两端所处的平面与水平面夹角较大，同时会使场源所处的平面与测量区所处平面的高差过大，不能满足平面波场的要求。另一方面，在地形崎岖、地质构造复杂地区会有较强的静态效应，静态效应对频率测深数据的影响是复杂的，它对数据解释产生的影响必须仔细对待，不可低估。

场源区和测量区的地层岩性条件尽可能相同或相近，将场源区选择在和测深区具有相同地电结构的地区，或是选择在低阻基底上，尽可能地避开高阻性基底，因为它会使观测数据更早地进入过渡带和近区，从而造成更严重的场源效应和经济上的浪费。

场源区、测量区以及它们之间区域的地层岩性的地电结构尽可能相似，地层结构和地质构造不要过于复杂，中间没有河流、湖泊、海洋等大型水体，这样可以减小地质噪间，增强信号源，增大探测深度，减弱场源效应的影响。以下分别介绍几种应用CSAMT法进行深部地热资源勘查应用效果的实例，来说明判断CSAMT法适用性的重要性。

2 CSAMT法进行深部地热资源勘查典型实例的效果分析

2.1 下辽河新生代坳陷盆地深部地热资源勘查

下辽河新生代盆地所属大地构造单元为中朝准地台－华北断坳－下辽河断陷－下辽河断凹,盆地上部发育巨厚的新生界第四系(Q)及新近系（N）【13】。北镇市新立农场勘查区位于下辽河坳陷盆地西缘与医巫闾山东麓北镇基底凸起的接合部位，地势平坦，海拔高程一般为10～20m。根据古近系、新近系在各地发育的程度及中国地质调查局（2004）地层区划略图，该区为东北—华北地层大区华北地层分区 I1的下辽河地层小区I11。上部为新生界第四系(Q)砂土、粘性土，厚度为 80～100m；中部为新近系明化镇组（N2m），岩性为灰白色砂砾岩、砂岩夹灰绿色泥岩，厚度为150～200m；下部隐伏中元古界蓟县系雾迷山组（Pt22w）的碳酸盐岩，主要岩性为深灰、灰白色中厚层、厚层白云质灰岩。新生界地层构成热储盖层，碳酸盐岩中构造破碎带及岩溶裂隙为良好的热储层。地层岩性结构比较符合水平均匀层状介质模型。

场源区与测区高程相差很小，地层岩性相同，产状一致，地层构造简单，场源区与测区之间无高山及大型水体，判断工作区为适宜开展CSAMT法工作区。工作时CSAMT法采用标量方式测量，收发距 12km，点距 40m。工作区人为干扰小，地质噪音也小，波区内数据基本无场源效应及静态效应的影响。因此，观测数据质量高，测深曲线圆滑，并且曲线的“远区”、“过渡带”和“近区”特征清晰，从102线二维反演电阻率断面图上可以看出，纵向上能较好划分出第四系（Q）与新近系明化镇组（N2m）盖层，横向上分辨能力强，发现了蓟县系雾迷山组（Pt22w）的碳酸盐岩中的隐伏断裂（F）（图1）。实施地热井揭露，井深 1800m，日出水量 1200m3左右，井口温度52℃。CSAMT法在该区的深部地热勘查中取得了明显的地质效果。

图1 102线CSAMT反演电阻率断面（a）及推测地质剖面图(b)Fig.1 2-D inversion（a）and the detection result（b）of CSAMT line 102

2.2 义县—锦州白垩纪断陷盆地深部地热资源勘查

大地构造单元属于中朝准地台燕山台褶带辽西台陷东缘，处于北镇凸起与朝阳穹褶断束的交汇部位。锦州盆地为中生代断陷盆地，位于中部鼻状幔隆区的西部弧形彰武—菊花岛幔凸区，盆地基底断裂较发育【14】。工作区处于锦州盆地与紫荆山—南山地台基底构造隆起区的接合部位，地势较平坦，海拔高程一般为20～80m，东部出露太古界大营子组（Ard）片麻杂岩，西部第四系(Q)下伏地层为白垩系孙家湾组（K2s）和义县组（K1y）地层，总厚度为100～500m。第四系(Q)、白垩系孙家湾组（K2s）和义县组（K1y）共同构成热储盖层。孙家湾组（K2s）岩性为一套紫灰色砾岩，夹紫红色粉砂岩及页岩；义县组（K1y）岩性为紫红、褐色、紫灰、灰绿色安山岩。太古界片麻岩发育丰富的带状构造裂隙，成为热储层。地质结构基本符合水平均匀层状介质模型。

场源区与测量区高程相差不大，地层岩性基本相同，产状一致，地层构造较复杂，场源区与测量区之间有高山及小型水体，判断工作区为有条件地可以开展 CSAMT法工作区。工作时CSAMT法采用标量方式测量，收发距13km，点距 40m。局部地段有人为干扰，地质噪音不大，波区数据受场源效应及静态效应的影响较小。因此，观测数据基本符合要求，测深曲线比较圆滑，能够辨别出曲线的“远区”、“过渡带”和“近区”特征，由6线二维反演电阻率断面图可以看出（图2），纵向上能划分出孙家湾组（K2s）与义县组（K1y）地质盖层，横向上发现了太古界片麻杂岩中的隐伏断裂（F4）。实施地热井揭露，井深1680m，日出水量500m3左右，井口温度43℃。CSAMT法在该区的深部地热勘查中取得了良好的地质效果。

图2 6线CSAMT二维反演断面（a）及推测成果图(b)Fig.2 2-D inversion（a）and the detection result（b）of CSAMT line 6

3 结论

随着地热资源开发利用程度的不断加大，深部地热资源钻探风险也随之加大，所以对地热前期勘查工作受到重视，对深部地热资源进行勘查CSAMT法已经成为一种很受人们重视的地球物理方法，其方法的适用性、数据采集的真实性、数据反演的可靠性是合理布置深部地热井钻探的重要依据。由于受CSAMT方法基本理论的局限，其公式的推导是基于均匀半空间介质平面波的假设条件下为前提，实际工作中会受到不同程度的场源效应及静态效应的影响。

当工作区地质条件所决定的地电结构接近于水平均匀介质或水平均匀层状介质的一维模型要求时，CSAMT法的应用才会有较好的地质效果。实际工作中，由于地质结构的非均匀大地性，就要求对CSAMT法的适用条件和方法有效性进行分析研究。这些影响的地质因素很多，也很复杂，但主要包括：场源区与测区的地形地貌条件、场源区与测区的地层结构特征和地质构造复杂程度、场源区与测区之间地域的地质条件及地表的河流、湖泊、海洋等大型水体等，要完全消除它们的不良影响，到目前还没有一种比较完善的处理方法。因此，在深部地热勘探中，若能很好的结合地质条件，地球物理特征及其它相关资料进行综合分析，对工作区进行CSAMT法适用性做出合理的判断，有预知性的、有条件性的、有针对性的开展CSAMT法工作，就能在深部地热资源的勘探中取得良好的地质效果，降低地热钻探风险。

1 张德权，石生明，程建祥，等. 物探方法在汤河地热勘查中的应用效果［J］. 水文地质工程地质，2005（1）:102～104

2 Zafar S D，Cutright B L.Texas，geothermal resource base:A raster-integration method for estimating inplace geothermal-energy resources using ArcG［J］.Geothermics ，2014，50:148～154

3 黄力军，孟银生，陆桂福.可控源音频大地电磁测深法在深部地热资源勘查中的应用［J］.物探化探计算技术，2007，增刊29（1）:60～64

4 徐光辉，余钦范，袁学诚.深部地热勘查方法在北京地区应用的探讨［J］.物探与化探，2007， 31（1）:9～13

5 石昆法.可控源音频大地电磁法理论与应用［M］.北京：科学出版社，1999

6 詹少全，钱美平，冯戋戋.CSAMT全区视电阻率电场正演迭代拟合近场校正方法［J］.物探与化探，2011， 35（5）:663～665 7 钟幼生，韩自强，罗姣，等.关于可控源音频大地电磁法探测深度的探讨［J］.物探与化探，2015， 39（4）:768～774 8 黄高元，张国鸿. CSAMT法张量与标量测量在已知铁矿区上的对比试验［J］.物探与化探，2014， 38（6）:1207～1211 9 汤井田，何继善.可控源音频大地电磁法及其应用［M］.长沙：中南大学出版社，2005

10 王刚，杨生， 雷达，等. CSAMT场源效应的三维模拟试验［J］.物探与化探，2015， 29（1）:132～135

11许广春. CSAMT法在实际应用中的若干问题［J］.物探与化探， 2011， 35（6）:809～812

12 胡瑞华，林君，孙彩堂，等.均匀大地CSAMT静态效应模拟及其特征研究［J］.物探与化探，2015， 39（6）:1150～1155 13 鲁景峰，杨绍南，宋庆春，等.辽宁省地热资源调查评价报告［R］.沈阳：辽宁省国土资源厅，2011

14 李树军，孙荣厚，李万荣，等.辽宁省锦州市百股～紫荆山地段地热地质普查报告［R］.锦州：辽宁省化工地质勘查院，2012

The application effect of controlled source audio-frequency magnetotellurics to exploration of deep geothermal resources

Li Shujun
Geological Institute of Liaoning Chemical Industry,Jinzhou Liaoning 121000,China

The derivation of the electromagnetic expressions of Controlled Source Audio-frequency Magnetotellurics（CSAMT）is based on the assumption of the horizontal electric dipole source and the 1-D homogeneous half space where the geoelectric property structure is horizontally uniform and vertically layered. In real applications, however, such assumption is not always satisfied and various factors need to be taken into account when the geological conditions are complex. In this article, we identify the key factors and illustrate their effects via examples of deep geothermal resource exploration using CSAMT method.

Controlled Source Audio-frequency Magnetotellurics, static effects and source effects, exploration of geothermal resources, the geoel- ectric property structure

P631.325

A

1006–5296（2017）01–0052–06

李树军（1965～），男，从事综合物探工作及电磁法类探测深层地热资源的研究工作，高级工程师

2016-12-28；改回日期：2017-01-05