浅析CSAMT法近场地电信息与利用

张 凯，许传建，黄素荷，汪青松，崔先文，张 旭

(安徽省勘查技术院，合肥 230031)

0 引言

近年来，随着地质找矿向纵深发展，具有探测深度大、勘探能力强、分辨率高等特点的可控源音频大地电磁法(CSAMT)被广泛应用[1-2]。CSAMT法是在大地电磁法(MT)、音频大地电磁法(AMT)基础上发展起来的，基本原理相同，均是研究地下介质导电性差异的方法。不同的是，MT、AMT法使用的是天然场源，而CSAMT法则使用人工场源，CSAMT法所观测电磁场的频率、场强和方向可由人工控制，克服了因天然场相对较弱、人文干扰较大时观测的困难，其极化方向明显，信噪比高，易于观测。

然而，正因为CSAMT法采用了人工场源，从而出现了许多在MT、AMT法中不会或很少遇到的因人工场源而引起的场源效应问题，如:过渡带效应、近区效应、附加效应、阴影效应等。其中，最为突出的近区效应问题，直接制约了CSAMT法的有效探测深度，严重影响了CSAMT法的勘探能力[3-4]。

1 近区场的产生

CSAMT法是一种人工源频率域电磁测深方法，其理论基础遵循电磁场理论。生产中，CSAMT法通常采用电偶极子场源，它产生的电磁场由电磁场理论完整地描述[5]。

CSAMT法电偶极子场源是通过布设在地面长导线AB两端的电极向地下供以正弦交变电流，从而在AB导线上产生的电磁波向四面八方辐射，就其波的传播途径可分为天波、地面波和地层波三种。因CSAMT法使用的是音频波，所以只研究到达MN接收端的地面波和地层波。

电磁波在地下的波长远比空气中的波长小得多。这样，沿地表传向MN的地面波和直接在地层中传播的地层波,在某一时刻由于波程的差别，就会在地面附近形成一个近于水平的波阵面，造成一个几乎是垂直向下传播的水平极化平面波[6]。在传播过程中，地面波、地层波和平面波均与地下地质体发生电磁作用，并把作用的结果反映到地面观测点[6]。当然，哪种波占主导能被地面仪器观测到，这又与收发距r大小有关了。

理论上，当r≥δ(δ为趋肤深度，δ=λ/2π，λ为波长)，可认为地层波的影响已基本消失。当r≥2πδ时或当r≥6H时(H为最大探测深度)，定义为远区；当r≤6H时，定义为近区。实际上，可将场源效应成份在总的卡尼亚视电阻率参数响应中不超过10%的区域称为“远区”，把电场E和磁场H完全饱和并且磁场H按衰减的带称“近区”，二者之间则为过渡带[7]。

远区中，认为地层波的影响已经消失，但是当发射频率f大大降低以后，或者波长λ很大时，地层波的影响又会加大。当r≥6H且r≥δ时，CSAMT所测的测深曲线称为波曲线或称完全波曲线。在这种情况下，观测结果只与垂直入射的水平极化平面波有关，这是至今CSAMT法中最好的利用场区。当r≥6H且r≤δ时，称为远区中的S区，在低频段地层波又起了主导作用，此区段的测深曲线称为S曲线，其观测值与地电层的关系甚微，或只与总的纵向电导有关，其分辨力降低，测深曲线等值作用加大，地层各向异性影响增加。在近区测量时，其测深曲线的大部分或全部已成为S曲线，无法完成地质探测任务[6]。应尽可能避免在近区工作。

2 近区场的表现形式

2.1 在单点视电阻率与阻抗相位曲线上的表现

CSAMT法主要是采用在地面上同时观测两个正交的电场和磁场(如Ex和Hy)，通过两者的比值来求得其视电阻率，称为卡尼亚视电阻率，计算公式如下：

式中f为工作频率。理论上，该式只适用于远区或者平面波区域，而对过渡带或近区所计算的视电阻率则不能真实反映地下电阻率变化。图1示出了有限场源条件下，均匀大地模型和层状大地模型上CSAMT法卡尼亚视电阻率和阻抗相位测深曲线的基本特征[8]。

图1显示，在远区，随地下真电阻率的变化而变化，在π/4值附近。在过渡带，均匀大地模型反映不明显，则呈下降趋势；层状大地模型与反映均较强烈，出现下冲的低阻假极值，显示与斜率有关的明显变化，快速趋向零甚至出现负值。在近区，随频率减小极速增大，趋于零[7]。在过渡带呈现凹形，在近区呈45°的直线上升这一特点，是识别CSAMT法是否进入近区场的主要标志。

图1 CSAMT法视电阻率与阻抗相位曲线基本特征[4]Figure 1 CSAMT apparent resistivity and impedance phase curves basic features[4]

图2、图3分别为泥河铁矿区CSAMT法实测的单点测深曲线，其曲线特征与图1中理论曲线是一致的。

2.2 在电阻率断面图上的表现

在电阻率断面图中，电阻率等值线在近区呈相互平行、数值快速增大特征。图4为二层电性结构，在高程约-60～-80m附近密集的等值线将断面分为上下两大电性层，上层电阻率小于下层。矿区钻孔揭示，上层相对均匀的低阻区主要为第四纪黏土覆盖层，下层高阻区则为前寒武纪变质岩地层，变质基底反映得非常清楚。显然，下部高阻既是变质岩地层的反映也包含着强烈的近区效应成分。

图5中，高程-300m附近存在一条波浪状的横向低阻条带，很明显是过渡带的反映，其下电阻率随深度急剧增大，电阻率等值线等间距平行变化、同步起伏，显然存在严重的近场效应。

由此可见，近区内大片巨厚的高阻掩盖掉有效的地电信息，严重影响对深部地质认识。

3 近场效应校正

为了取得好的勘查效果，理论上要求CSAMT法应保持在远区测量。但在实际工作中由于种种条件的限制，往往不得不在近区场内观测，特别是在高阻区或小收发距的时候，低频段很容易就进入近区场。在资料使用时，极易将深部近区场内的大片高阻误认为是高阻体而解释成岩体、灰岩等，误将过渡带形成的低阻条带理解为低阻地层。为了避免这种误解，在数据处理过程中常进行近场效应校正[3-4]。

当前，近场校正的方法很多，几乎都是针对卡尼亚电阻率的，主要有：直接删除近场频段法、数据“三角形”校正法、K值校正法、多项式校正法、等效电阻率全频域视电阻率校正法[3]及分段逼近全频域视电阻率校正法[9]等。但所有近场校正方法都不是最有效和最完善的，处理后的近场成分还是无法消除，仍然影响着对深部信息的提取和认识。

图2 泥河铁矿区CSAMT法实测卡尼亚视电阻率曲线Figure 2 Nihe iron ore area CSAMT measured Cagniard apparent resistivity curves

图3 泥河铁矿区CSAMT法实测阻抗相位曲线Figure 3 Nihe iron ore area CSAMT measured impedance phase curves

图4 焦大郢铁矿Ⅲ线CSAMT法电阻率断面图Figure 4 Jiaodaying iron ore line III CSAMT resistivity section

图5 高甸CSAMT法4线电阻率断面图Figure 5 Gaodian line 4 CSAMT resistivity section

4 勘查实例

近场效应主要产生在反映深部信息的低频段，它的存在严重掩盖和干扰深部有用的地电信息，目前已有的近场校正方法又不能完全消除近场效应的影响，那么，近场区内的资料就无法利用了吗？实际上，生产中有大量实例表明，有些经过近场校正处理后的地电断面，仍有许多有益的地电信息可以利用，并取得一定的找矿效果。

4.1 深部断裂构造(破碎带)

由于深部隐伏断裂构造往往位于反映深部信息的低频段，绝大部分低频段都处于近区或受近区场影响，能否在近区场内有效识别深部信息是所期望的。好在深部断裂构造(破碎带)与围岩常有明显的电性差异，尤其是含水或地热水时电阻率会显著降低，呈明显的低阻显示。而近区场总以高阻形式表现，越向深部阻值越高。不难想象，位于高阻体(高阻围岩与近场的综合体)内的低阻断裂构造(破碎带)应该会有所体现。

焦大郢铁矿与西梢地热皆处于皖北平原，图4与图6所示的地电断面结构相似。图6电性也是二层结构，在高程约-160m附近致密等值线将断面分为上下两层。已知钻孔揭示，上层电阻率几十Ω·m为第四系松散覆盖层，下层电阻率由近百至上千Ω·m为新太古界霍邱群变质岩地层。下层近场效应特征明显。与图4不同的是，图6在-1 100～-1 800点，水平电阻率等值线明显出现扰动、下凹现象，尤其在高程-1 200 m以深的深部，出现“倒U形”低阻异常，表明深部存在隐伏断裂构造的可能。

进一步将测区内所有测线的CSAMT法电阻率断面图按实际位置组合在一起，深部“倒U形”低阻异常的空间展布形态和特征明显，如图7所示。

后在7线该低阻异常附近布置两个验证孔(ZK1与ZK2)，如图6所示。ZK1孔钻进至孔深476.92m时开始涌水，起初涌水量较小，水温也较低，在继续向下钻进过程中水温渐高，涌水量渐大。在钻进至518.92m时，高温、高压的地热流体喷涌而出，孔口水温为55.5℃，孔底(500m)水温58.33℃，自流量约300m3/d。ZK2孔钻至407m喷涌热水，水温及涌水同ZK1孔。两孔均因热水压力太大无法施工而提前终孔。 ZK1、 ZK2两孔皆在近场区内低阻异常处发现了含地热水的断裂构造(破碎带)F2。后进一步查明，F2断裂走向北西，倾向北东，正断层，为区内主要张性断裂。

4.2 深部矿体

图8为朱冲铁铜矿CSAMT法13线反演电阻率断面图，粗看起来图中电性不甚规整，规律性不强。但除局部可能因电磁干扰而引起的扰动异常外，电性分布还是较为正常的，断面大体以 “K”型测深曲线为主，自上而下中部电阻率高于浅部与深部。由于该区电阻率整体较高，通常在n×103～n×104Ω·m，较早进入近场效应，高程-300 m以下即存在近场效应。

注意到4 175～4 575点，在高程-1 000 m以下存在一开口向下的局部“倒U形”低阻异常，阻值小于1 000 Ω·m，内部最低值仅为400Ω·m，其顶部和侧边电阻率值达1 500～4 000 Ω·m。 此地段现场无明显外部电磁等干扰源，测深曲线也很圆滑、规整，原始数据品质较高，因此确定深部低阻异常应为地质因素形成， 异常深度位于月山岩体内部。但本区找矿近40多年来，没有在岩体内部发现规模矿体[10]。

图6 西梢地热7线CSAMT法电阻率断面图Figure 6 Xishao geothermal energy line 7 CSAMT resistivity section

图8 朱冲铁铜矿13线CSAMT法电阻率断面图Figure 8 Zhuchong iron-copper ore line 13 CSAMT resistivity section

在深埋1 000多米的深部出现如此形态姣好的低阻异常应该引起足够的重视，为此，结合其他CSAMT剖面对该类异常进行综合分析，进一步总结、挖掘出该类异常特征:

①与上部异常明显分离，在剖面垂向电阻率等值曲线出现低→高→低明显特征。下部低阻异常不受上部低阻干扰，且下部低阻值只有400Ω·m，显著低于顶部2 000～4 000 Ω·m，异常独有特征明显。

②异常深度范围在标高-1 100～-1 500 m之间。

③异常宽度达400 m。

④低阻异常向下延伸，其上部高值可达4 000 Ω·m，呈“倒U形”高阻环绕下部低阻异常。形成的电阻率等值线在剖面中呈对称性，且两侧曲线较陡立。

⑤13线分别与其他多条测线交会。从各自的电阻率断面图上可清楚地看出，靠近该“倒U形”低阻异常区附近，深部皆有相似的低阻异常特征，由北向南，异常走向可以相连，且13线异常规模最大、中部电阻率最低、形态也较规则，异常埋深北浅南深。

进一步分析区域地质资料，该区岩体中有一南宽北窄的透镜体大理岩向北延展，可能到达13线低阻异常区，在岩体作用下具有成矿的可能。综合分析认为处于4 175～4 575点间高程-1 000 m以下开口向下的局部 “倒U形”低阻异常很可能是矿致异常，保守说也可能与成矿有关，因此决定布置钻孔ZK0803进行深部异常验证。在钻孔ZK0803还未搬迁时，已先期布置在附近的钻孔ZK0706预测能在接触带打到矿体却在穿过接触带时并未见到矿体。经对4 175～4 575点间异常在延展方向上的分析，认为向北可能延展到钻孔ZK0706部位，决定此孔打到岩体后再加深300m，率先进行岩体内深部异常验证。结果打入岩体160m后(孔深1 151.40～1 160.42 m)见富铁矿体9.02 m(TFe品位在47.99%，mFe品位43.23%，Cu品位0.11%)。在1180.32～1 215.60 m处又见35.28m富磁铁矿(TFe品位在49.48%，mFe品位45.88%，铜品位0.14%)。首孔验证获得成功。接下来在钻孔ZK0706向西100m布置0807孔，钻孔ZK0803、ZK0807穿过闪长岩体160～290 m均见矿，见矿深度44～64 m，实现了重大突破(图9)。从而证实13线4 175～4 575点间异常是成矿异常，推断是正确的。并且查明隐伏矿体顶部(板)岩体厚度具有北部薄、南部厚的明显特征。

图9 ZK0807、ZK0706、ZK0803孔钻探验证结果Figure 9 Drilling verification results of the well ZK0807, ZK0706 and ZK0803

同时，通过矿体分析对比和异常延展特征分析，北部朱冲一带发现的接触带矿体与南部闪长岩体内部矿体是同一矿体。这可能是朱冲地区岩体接触带相对向下倾伏，接触带与矿体直接接触的原因所致。或者局部矿体顶部出现“天窗”，矿体进入上部接触带并扩散形成。

5 结语

①采用人工场源的CSAMT法，存在场源效应是必然的，近场效应只是其中之一。近场效应一般出现在反映深部的低频段。有效识别过渡带与近场效应意义重大：在单点测深曲线上，视电阻率曲线开始下凹出现假极值(过渡带)，随即呈约45°上升(近场)，阻抗相位曲线开始下探后(过渡带)由正变负或趋于零(近场)；在地电断面上，在出现条带状低阻后(过渡带)，阻值随深度快速增大且电阻率等值线平行变化(近场)，这些都是识别过渡带与近场效应出现的标志。

②过渡带低阻假极值总是出现在深部近场效应引起高阻异常的顶部。假极值现象(国外称之为下冲效应)是自然界中一种普遍的物理现象，即一个物理量从低值突然升到高值时，往往在向高值转折之前，先向下冲一下，然后继续上升，类似于“反弹”效应。在CSAMT方法中，假定有一低阻层覆盖在高阻层上，在其地面上测出的电阻率曲线应该是随频率的降低而逐渐升高，但事实上，往往发现在电阻率曲线升高之前，有一个下冲现象，然后再升高[2]。由此可见，过渡带低阻假极值的出现往往不但预示着近区场的开始，而且也可能暗示着两个电性层的分界面，这一点在地质分层时可作为参考。但切勿简单地将过渡带低阻假极值理解为某一低阻地层。

③实际生产中，为了避免或降低近场效应对成果资料的影响，常采用增大收发距、提高工作频率等措施，使观测的电磁场接近平面波，尽可能保持在远区测量。但事实上，由于种种条件的限制而不得不在非平面波内观测，过渡带和近场影响严重。常规的办法是在后期数据处理时进行近场校正。

④关于近场校正目前有许多尝试解决的办法，但都不是最为完善的，只是在一定程度上能起到有效压制、降低这些影响的作用。也就是说并不能从根本上解决近场(包括过渡带)的影响。有人为了解决近场的影响，在资料利用时采取直接舍去近场数据[11]，只取远场的数据，而对于近场甚至过渡场的数据都摒弃不用，显然造成资料的较大浪费。

⑤在实践中，通过对CSAMT法实测资料的研究，在对近场进行适当校正处理后，有近场的资料还是有许多地电信息可以利用的。特别是深部存在一定规模低阻体时。本文中的西梢地热、朱冲铁铜矿皆说明了这一点。当然，也希望今后有更好方法来解决近场效应问题。