物探方法在湘潭梅林地质勘查中的应用

易秋清

（广东中煤江南工程勘测设计有限公司，广东 广州 510440）

0 引言

地热是一种自然资源，既可以做为一种清洁能源为人们提供热源，也可以做为一种旅游资源进行开发，提供医疗、温泉服务和周边休闲服务，特别是其他资源较为匮乏的地区，利用好地热资源往往会改变当地的经济发展模式。湖南省湘潭梅林地区为扩大当地的资源开发力度，对该地区进行地质勘查，以探明资源发布和可利用价值，以便为后续的开发提供依据，在此种情况下，我们利用多种物探方法对梅林地区进行勘测，通过可控源音频大地电磁法（CSAMT）剖面测量[1]，查明区内控热、控水断裂构造的空间分布，并据电阻率异常评价断裂构造的赋水性，为下一步钻探提供依据。

1 湘潭梅林地区的地质概况

湘潭梅林勘查区位于湖南东北部，在勘查区内广泛分布着中元古界冷家溪群和上元古界板溪群地质，但在部分区域内也有泥盆统跳马涧组外露，这些情况都说明该地区地层比较古老[2]。同时该地区也存在第四系（Q）沉积物发育，沉积物厚道为1 m～49.5 m，大致分为2层，上层为棕红色、砖红色网纹状黏土、粉质黏土，下层为砂砾石层。

通过对既往地质调查报告的研究，发现梅林勘查区夹持于长沙-株洲-双牌与连云山-双牌2个断裂之间，并属于长沙-株洲-双牌断裂的一部分，而长沙-株洲-双牌断裂带属于地热异常区域，连云山-双牌在地质构造上呈现产状陡立，长沙-株洲-双牌断裂为基底断裂，规模、延深大，断裂带整体倾向东南，倾角度大约为65°。

2 湘潭梅林地区的地质电性特征

根据物探与地质资料综合显示，梅林地区岩土大致分为3种，分别是浅表第四系残坡积层、元古界完整变质岩和切割元古界地层[3]。这3种地质岩层其电性特征存在着较大的差异，浅表第四系残坡积层属于低阻体岩层，其电阻率多数小于3.3 kΩ/·m;元古界完整变质岩属于高阻体岩层，其电阻率在2.0 kΩ·m～6.0 kΩ·m;切割元古界地层的充水断裂（破碎）带属于中-低阻体岩层，其电阻率一般为0.2 kΩ·m～1.3 kΩ·m针对梅林地区地质电性特征，认为可控源音频大地电磁测深（ CSAMT）法是最适合在该地区进行探测的物探法，因为可控源音频大地电磁深法就是利用不同深度的地下电阻率所呈现的变化特征来推断深部隐伏断裂构造的空间分布。另外该地区内低阻的残坡积土在地层上部，深度较浅垂直厚度较小，对后续地层内部断裂带加推断不会产生干扰。

3 梅林地区物探野外工作

3.1 可控源音频大地电磁测深（CSAMT）物探的优势

可控源音频大地电磁测深（ CSAMT） 为人工源频率测深方法，与其他物探方法相比其优势在于勘测深度深、勘测清晰率高和受高电阻率屏蔽作用少，另外该物探法在勘测过程中工作效率高，费用较低[4]。

3.2 野外工作布置

梅林地区勘测的野外工作主要由2个部分组成：1）对野外测点的布置。2）利用使用可控源音频大地电磁测仪器在测点进行物理探测。这2部分野外工作中使用的仪器分别是华测天骄X90型RTK GPS和美国Zonge公司生产的GDP-32Ⅱ多功能电法仪。这些仪器都具有十分优良的性能，华测天骄X90设备使用便捷，综合性能强，在野外电磁抗干扰能力强，被广泛的应用于物探作业中。

3.2.1 野外测点布置与测量

综合对梅林地区既有地质资料的研究和GDP-32Ⅱ多功能电法仪的工作特性，布置了2条物探测线横贯勘测区域，2条勘测线布置时垂直于长沙-株洲-双牌与连云山-双牌2个断裂构造走向，两条勘测线走向夹角为121°。L10线长2.4 km，L20线长1.6 km，点距40 m。测点定位为220个，点位周边检查点15个，检查率5.8%，测点水平位置误差控制在0.15 m以内，垂直误差控制在0.10 m以内，相邻测点点距误差控制在0.35%以内。

工作区域测点布置执行标准为《地质调查GPS测量规程》（DD 2004—03）、《物化探工程测量规范》（DZ/T 0153—95）[5]。布置过程中采用华测天骄X90型RTK GPS来布设测点。

在使用华测天骄X90测量时，工作队将基站设置在附近的山顶，这样勘测地区上空没有遮挡，可以达到360°视角的观测目的，因为基站处于山顶，所以距离周围山体障碍物比较远，GPS信号和数据通信信号强，干扰比较少，有效地保证了数据通信的畅通。同时根据该仪器作业距离远的特点，将流动站设置在与基准站相距15 km～20 km的有效控制半径。在测点时我们按照设计的测线方位、测点距和测线距，计算出各测线、测点的北京54坐标值，由计算机传输给GPS；野外测量时逐点进行测点放样，并按顺序将放样点坐标和高程，存储于仪器内，再用木桩、彩旗标记测点。如果迁站过程中卫星失锁，则在前一测点上重新进行初始化后再迁站。然后利用华测天骄X90GPRS通信模块，将测量所得的GPRS数据链在RTK GPS上的全部记录，测点定位采用实时动态载波相位差分法，二维平面坐标转换采用七参数转换法[6]。将T14、T15、T17 3个控制点的西安 80 坐标值输入GPS中，GPS的内置程序可自动求解。

3.2.2 可控源音频大地电磁测深的野外工作

该可控源音频大地电磁测深使用的是 GDP-32 Ⅱ多功能电法仪，该仪器系统主要由接收机、GGT-30发射机、XMT-32S同步机和发电机等组成； GGT-30型发射机主要技术参数：工作频率：8 kHz；最大输出功率为30 kW；最大输出电流为45 A；最高输出电压为1 000 V；关断时间 ≤125 µs；稳流精度为0.2%。XMT-32S型同步机主要技术参数：时钟准确度：＜5×10-10/24 h，占空比为50%或100%；时间频率范围为1 024 Hz～8 192 Hz；温度范围为-40 ℃～60 ℃。ANT 6型磁探头主要技术参数：工作频率：0.1 Hz～10 000 Hz；灵敏度为250 mV/nT[7]。

可控源音频大地电磁测深工作装置采用赤道偶极装置标量测量方式，装置示意图如图1所示。

图1 CSAMT标量测量装置示意图

这次可控源音频大地电磁测深野外工作执行《可控源声频大地电磁法勘探技术规程》（SY/T 5772 —2002）的相关要求。

在野外勘测工作前使用GDP-32Ⅱ仪器进行校准。在校准过程中将内部校准电压设为1 V，6个通道的电压幅值为0.9958 V～1.0005 V，与输入电压的偏差小于0.005 V；6个通道之间的相位差在低频段小于0.002°。这说明仪器性能正常，其6个通道的工作性能一致性很好）。同时对勘测系统也进行全面检查，系统检查从RPIP（激发电位程序）开始。

在正式开始勘测前，要先对接收机和 XMT-32S 进行同步调节，然后预热1 h，为确保不极化电极接地电阻小于2 kΩ，我们在测点的电极坑清除了坑内的碎石，将电极底部向下放入测点坑的中部，四周放入土壤压实并在坑内灌入一定量的饱和食盐水。测量时，将接收机安置在据ANT/6型磁探头8 m的位置，同时在测点5 m范围内设置隔离带，禁止无关人员进入测试区域，风力较大时采取垫平、掩埋等措施，减小了探头震动。电极连线和磁棒连线沿地压实铺设，防止了晃动干扰。磁探头定向采用森林罗盘，保证定向准确度达1°。相邻2个测点的距离为40 m。勘测时接收机与GGT-30发射机之间的距离控制在10 km左右；供电偶极子AB2点之间为1 323 m；且采用远场观测电偶极子AB垂直平分线两侧20°角扇形范围内。测量电偶极距为40 m。在测试时将电源限频滤波器的档位设置在50/5处，并采用50/5滤波器压制50 Hz的5次谐波干扰；在测试时将电磁场的发射和观测点从高频至低频，工作频率范围为16 Hz～8 192 Hz，采用加密频点，f=2nHz（n=0、1、2、…13）（f=2n为加密频点频率的取值函数）进行，发射电流：低频段为11 A，中高频段>8 A；高频段>6 A；测试时选择在20:00到次日05:00之间外界干扰较小的时间段内进行，一般情况下每个频点观测3次，在日间测试时因为相对干扰较大，通常观测4次或更多，并要进行前后对比，从中选择最优数据进行存储。叠加次数为 128～16 384次。

为提高勘测的准确性我们又增加音频大地电磁法（AMT）测深点58个。在音频大地电磁法（AMT）测线按照CSAMT测量的10号和20号测线，其测点也是在CSAMT测量的点位，但是音频大地电磁法（AMT）使用的频率10 Hz～10 000 Hz，同时采集10号和20号测线两电场分量，为确保测点定位准确，使用高精度手持 GPS仪逐点展开，并将定点误差控制在3.5 m以内。确定电极方位是使用精度较高的森林罗盘仪完成的，角度误差控制在1.2%以内。测量使用的电极就是CSAMT测量不极化电极。

3.3 勘测质量检查及评价

该次工作实测物理点100个，质检点6个，质检率6%。总均方相对误差11.96%，平均相对误差众值3.23%；误差中约95%的数据的相对误差≤5.0%，说明绝大部分数据是优秀的，只有少数频点数据一致性相对较差，这是工区旁侧的高压线和电线造成的。增加音频大地电磁法（AMT）测深点58个，是整个勘测点的58%，基本上实现了对CSAMT测量数据的验证。由于音频大地电磁法（AMT）测试时利用的是天然电磁场，该天然电磁场因为频带宽、信号弱和极化方向随机因此其极易受到其他电磁波的干扰，音频大地电磁法（AMT）使用的频率为0.1 Hz～10 000 Hz，在小于10 Hz的频率极易受到太阳风磁场的干扰，而大于10 Hz又基本上与自然雷电的电磁频率相当，因此音频大地电磁法（AMT）的干扰基本来自于太阳风和雷电，为降低自然界对大地电磁的干扰，我们基本将测试时间设置在夜间和凌晨。

4 室内数据分析

室内数据分析，就是将野外实测数据去噪和数据转换，将*.raw数据文件转换为反演的数据文件*.avg。

4.1 数据的整理

由于是依靠地层的电阻率来探测内部结构，而电阻率在接受时存在突变点，在接收图像上表现为上下跳动状、锯齿状干扰曲线，所以首先须对阻抗相位进行+π或-π的改正，使接收图像呈现光滑和有规律的曲线，并采用可控源音频大地电磁法（CSAMT）实时系统软件，利用“任意频点任意区间（常见值，测深平移）”的方式静校效果较佳，静校主频率选在2 882 Hz～8 192 Hz。反演采用美国ZONGE公司SCS2D软件。通过反复对比试验得到：采用不同的滤波方式反演所表现的效果是不同的，采用“2D moving average of data”滤波方式反演更能突出岩体构造形态。

4.2 结果分析

经过反复推演得出在电阻率断面深度100 m以上浅层，电阻率一般小于200 Ω·m，是对浅水面以及水面上方风化层的反映。随着深度加大，电阻率逐渐升高，至深度1 000 m时电阻率达2 000 Ω·m以上，这是对元古界变质岩层的反映[8]。

在深度200 m之下，横向上看，高阻背景图像上存在一些串珠状或“凹型”低阻异常带，延深和规模较大，电阻率明显较两侧的电阻率低，一般为200 Ω·m～400 Ω·m。据以往经验，这些低阻异常是由于切割元古界变质岩层的断裂破碎带充水导致的[9]。串珠状或“凹型”低阻异常带一般可作为推断断裂破碎带的依据。

地下水电阻率一般100 Ω·m，断裂破碎带因赋水程度的不同而表现出不同的电阻率特征，赋水丰富，电阻率低，反之则高。基于上述分析可知，F1较F2（F1为长沙-株洲-双牌断裂，F2为连云山-双牌F2断裂）赋水性总体好，而且在F1延深至标高-1800 m时赋水依然丰富。

依据解释推断原则，对CSAMT和AMT 2种方法形成的电阻率断面进行综合断裂构造解释推断。F1线号为10点号1920处电阻率在200 Ω·m～400 Ω·m，为等值线“凹”型相对低阻异常延深大于2 000 m，倾向北西西。F2线号为10和20点号2520处电阻率在300 Ω·m～1300 Ω·m，为等值线“凹”型相对低阻异常延深大于2 000 m，产状陡立，倾角为（90±3）°。

5 结论

通过在测区内开展CSAMT、AMT测量，以“查明区内深度2 000 m以浅的断裂破碎带空间分布长沙-株洲-双牌与连云山-双牌2个断裂2条断裂的空间位置、地质要素。长沙-株洲-双牌由单测线、两种物探方法控制，其延深大于2 000 m，倾角为80°左右，解释推断可靠；连云山-双牌由2条测线、2种物探方法控制，延深大于2 000 m，产状陡立，107国道两侧的数据受电线影响，导致该段内连云山-双牌的解释推断可信度较长沙-株洲-双牌降低。长沙-株洲-双牌断裂为控热、控水断裂，其电阻率在200 Ω·m～400 Ω·m表明断裂面岩石破碎程度高，赋水丰富，值得钻探验证。

建议在10线在1700测点处布置1查证钻孔，孔深2 100 m。通过对梅林地区勘测资料与其他地区地热井相近资料的分析，认为将梅林地区将钻孔500 m以下作为取水段，能保证每天500 m3的水量；在深度800 m以下，温度应该达到40 ℃。

在这次勘测过程中采用可控源音频大地电磁法CSAMT数据和AMT数据进行了处理及反演，长沙-株洲-双牌断裂带为控热、控水断裂，这与研究该地区既有的地质资料相吻合，在勘测中使用了AMT 测量技术，AMT测量使用的是天然场源，无须建立人工场，具有不受高阻屏蔽层影响、探测深度大的优势，但是又存在信号弱、极化方向随机和易受干扰等缺点，因此勘测中使用的是可控源音频大地电磁法CSAMT数据和AMT数据，使两者强强联手，并且两者的测试数据可以相互验证，提高的勘测的准确性。