CSAMT法供電場源的選取與探討
——以廣西武宣縣盤龍鉛鋅礦區(qū)為例

莫亞軍, 區(qū)小毅, 黎海龍, 楊富強, 陸懷成

(1.廣西壯族自治區(qū)地球物理勘察院，柳州 545005；2.中國-東盟地學合作中心(南寧)，南寧 530023)

0 引言

為了克服大地電磁法場源的隨機性和信號微弱，導致觀測十分困難這一狀況，加拿大多倫多大學的D.W.Strangway教授和他的研究生Myron Goldtein[1]提出了可控源音頻大地電磁法。該方法使用接地導線或不接地回線作為場源，在波區(qū)測量相互正交的電、磁場切向分量，并計算得到卡尼亞視電阻率，從而進行地質推斷解釋[2]。20世紀80年代后，隨著方法理論和儀器硬件的飛速發(fā)展，該方法在金屬礦產、石油天然氣、地熱、水工環(huán)等勘查領域得到了廣泛而成功的應用[3]。

任何一種地球物理方法都有其優(yōu)缺點和局限性，CSAMT也不例外；該方法具有勘探深度大、抗干擾能力強、工作效率高等優(yōu)點的同時，也存在著受源效應及靜態(tài)效應等因素的制約。由于場源效應的存在，使得原本在波區(qū)能客觀反映地電斷面垂向變化的廣義波區(qū)視電阻率，在過渡區(qū)和近區(qū)發(fā)生了嚴重的畸變，因此，在實際工作中克服、壓制該因素的影響，是取得CSAMT法理想勘探效果的關鍵[4-5]。

圖1 場源效應二層大地二維模擬圖Fig.1 2D simulation diagram of the field source additional effect

1 場源效應

Zonge等[6]首次指出了收-發(fā)之間的地質情況可能影響CSAMT測深數(shù)據。如過渡帶有時出現(xiàn)在比預期更高的頻率，有時過渡帶低谷的特點，這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為場源效應[7]。場源效應是由地層波所攜帶的源與觀測點之間以及源下方真實地質情況的信息所決定的，當進入遠區(qū)場地層波的作用減弱之后，場源效應也隨之減弱，CSAMT觀測強調要在遠區(qū)場進行，但實際工作中想要做到完全遠區(qū)觀測是不現(xiàn)實、也是不可能的原因有：①最大收發(fā)距受最小可探測信號的制約，收發(fā)距過大則無法采集到有效的人工場源信號；②最小收發(fā)距受近區(qū)的制約，收發(fā)距過小則采集到的信號過早進入近區(qū)。因此，實際工作中需要合理的方法有效性試驗和系統(tǒng)的地質信息研究，進而獲得工作區(qū)最適宜的工作采集參數(shù)和工作裝置，達到最理想的勘探效果。

MacIness[8-9]給出了一個場源效應二維模擬結果(圖1)。對于同收發(fā)距的層狀模型A和緩變地層模型B，雖然在接收端的地層情況完全一樣，但因發(fā)射區(qū)域的地層不同，導致過渡帶和近場部分的曲線也完全不同：曲線的低谷區(qū)域往高頻段方向偏移，總的地下電阻率升高，而過渡帶也往高頻段方向偏移了(若測深點下方基底變淺也可能產生類似的結果)。另外，模型B的低谷較模型A陡峭得多，這也與測深點下基底變淺的效果相類似。因此，由場源下具體地質情況引起的曲線偏移現(xiàn)象，其響應趨向于與測深點下具有同樣地質分布的響應相類似[10]。

圖2 同一測深點不同場源CSAMT測深曲線圖Fig.2 CSAMT sounding curves of different field sources at the same point

圖3 場源附加效應模型計算結果圖Fig.3 The diagram of field source additive effect model calculation result

圖2所示為一個野外實例，兩條曲線為兩個不同場源在同一測深點的測量結果。第1個場源位于被薄沖積層覆蓋、相對較新的安山巖之上；第2個場源位于較厚的沖積層上，其下伏為較老的安山巖。兩個源的測深曲線在遠區(qū)幾乎是一致的，但16 Hz以下曲線呈現(xiàn)出明顯地分離，覆蓋較薄處的場源其曲線低谷位于較高頻率，且更為陡峭，這與文獻[8]給出的模擬計算結果是一致的。

圖3是另一組三維理論模型算例，激勵源位于板狀體正上方，收發(fā)距為4 km。與均勻半空間結果相比，當源下方存在低阻體時，電場、磁場和卡尼亞視電阻率同時受到了影響，曲線低頻段均出現(xiàn)了向下偏移；過渡帶的下凹、上凸特征明顯且向高頻方向偏移。對于視電阻率而言，它所受的影響則要小得多，中高頻段基本不受影響，低頻段有微弱的偏移現(xiàn)象。此時，當三度體的埋深不斷增加時，場源效應也隨之增強。

綜上所述，場源效應對電場、磁場和卡尼亞視電阻率有明顯影響，但幾乎不影響卡尼亞電阻率的遠區(qū)數(shù)據。高阻基底可能使觀測數(shù)據更早地進入過渡帶和近區(qū)，造成嚴重的場源效應。這種效應的校正很復雜，因此選擇最優(yōu)的觀測裝置盡量壓制這一效應非常必要，比如盡可能地將源選擇在和測深區(qū)具有相同地電結構的地區(qū)，或是選擇在低阻基底上[11-17]。

表1 研究區(qū)電物性參數(shù)統(tǒng)計表

圖4 研究區(qū)地質簡圖Fig.4 Geological map of the study area

圖5 供電試驗工作布置示意圖Fig.5 Layout of the power supply test

2 CSAMT法場源選擇與分析

2.1 研究區(qū)地質、地球物理概況

研究區(qū)位于廣西武宣縣盤古村一帶，地處桂中凹陷來賓斷褶帶與大瑤山凸起的交接部位，區(qū)內出露地層從老到新主要有寒武系、泥盆系中下統(tǒng)以及第四等。其中W24物探測線段出露泥盆系下統(tǒng)上倫組(D1sl)白云巖，下伏依次為郁江組(D1y)、那高嶺組(D1n)、蓮花山組(D1l)以及寒武系黃洞口組第一段(∈h1)等地層(圖4)。

研究區(qū)構造較為發(fā)育，褶皺以單斜構造為主，傾向北西、傾角為50°～85°；區(qū)內通挽-東鄉(xiāng)深大斷裂(F1)是本區(qū)域主要的成礦和貯礦構造，北北東向斷裂F2將F1與盤龍礦床錯斷，北東向斷裂F3斷裂性質不明。

本次研究工作是以物探W24線為基礎，進行CSAMT法的電場源供電試驗研究，探索供電裝置與場源效應之間的關系，以確定本研究區(qū)最優(yōu)工作方式(圖5)。經收集整理前人資料及進行巖(礦)石標本測定統(tǒng)計結果顯示，研究區(qū)內白云巖、灰?guī)r、泥質灰?guī)r視電阻率范圍為432 Ω·m～6 000 Ω·m；黏土層視電阻率平均為659 Ω·m；鐵錳堆積層視電阻率平均為734 Ω·m；重晶石視電阻率平均為7 600 Ω·m；鉛鋅礦、鉛鋅礦化白云巖視電阻率分別為412 Ω·m、607 Ω·m。由此可見，區(qū)內鉛鋅礦、鉛鋅礦化白云巖表現(xiàn)為高極化率、中低電阻率，圍巖表現(xiàn)為低極化率、高電阻率的特征(表1)。

表2 供電試驗參數(shù)一覽表

圖6 電場-頻率(Ema-f)、磁場-頻率(Hma-f)頻點曲線圖Fig.6 Frequency point graph of Ema-f and Hma-f(a)電場-頻率;(b)磁場-頻率

2.2 試驗工作及測量裝置

本次研究工作使用GDP-32Ⅱ多功能電法儀，采用CSAMT赤道偶極裝置、標量測量。具體工作布置為：W24線位于盤古村北東約400 m，穿越水稻田、緩坡丘陵；測線長度為800 m，測點距為50 m，接收極矩MN為50 m，研究深度為600 m；試驗測點記錄段為其中的241 625～242 175(對應圖8中的0 m～800 m)，計數(shù)間隔50，共16個測點；發(fā)射頻率采用加密頻點，共計23個頻點(4 Hz～8 192 Hz)，供電極距AB長度為1 200 m，最大供電電流為10 A，每一頻點重復觀測2次～3次；低頻段(4 Hz～1 441 Hz)疊加次數(shù)為128次～2 048次，高頻段(1 441 Hz～8 192 Hz)疊加次數(shù)為2 048次～16 384 次；分別在測線的北東和南西兩側平行布設A1B1和A2B2供電電偶極子，收發(fā)距分別為6 000 m和4 000 m(表2)。

2.3 數(shù)據處理及解釋

在此對每一個測點分別繪制了卡尼亞視電阻率-頻率曲線(ρω-f)、電場強度-頻率曲線(Ema-f)、磁場強度-頻率(Hma-f)以及阻抗相位-頻率曲線(Ph-f)，然后使用近場校正程序進行了近場校正，并做了對比分析。從曲線形態(tài)上觀察，均反應出地電斷面為A型，高頻段相似性較好，數(shù)據穩(wěn)定、曲線圓滑連續(xù)，以W24線的241 625號測點進行分析。

如圖6所示，第2次觀測的電場信號和磁場信號均明顯強于第1次，且全頻段接收到的信號十分穩(wěn)定；Ex和Hy受源效應影響均較大，無論是均勻大地還是層狀大地，兩者在過渡區(qū)和遠區(qū)對大地電阻率變化十分敏感，而在近區(qū)則呈現(xiàn)出與頻率無關的特征。第2次觀測曲線從頻率90 Hz左右已經進入近區(qū)，而第1次則在60 Hz左右才逐漸進入近區(qū)。

如圖7所示，兩個測深點的視電阻率曲線尾支均呈現(xiàn)明顯的45°上升，卡尼亞視電阻率值達到104Ω·m以上，低頻段數(shù)據已完全進入近區(qū)而發(fā)生了嚴重的畸變，無法反映真實的中深部地電信息。隨后，對2條測深曲線進行近場校正處理，通過校正后得到的曲線來看，校正后高頻段數(shù)據重合性較好，視

圖7 不同測點近場校正前、后視電阻率-頻率曲線圖Fig.7 Apparent resistivity - frequency curve before and after near-field correction(a)A點;(b)B點

圖8 W24線不同場源觀測數(shù)據二維反演斷面等值線圖Fig.8 2D inversion section contour map of different field source observation data for W24(a)A1B1;(b)A2B2

表3 反演參數(shù)一覽表

電阻率曲線整體形態(tài)較好地反映了區(qū)內地下的地電特征，中、低頻段數(shù)據更真實地反映出了深部的電性分布和變化規(guī)律。

經過室內數(shù)據處理和反演計算之后，從二者的二維反演斷面等值線圖來看(圖8)，反映的地電特征具有一定的相似性、異常規(guī)律差異不大，整體視電阻率斷面呈現(xiàn)出由淺往深逐漸升高、相對左高右低的形態(tài)特征。從地質概況與物性特征可知，研究區(qū)內W24測線段經過之處，地表主要出露相對高阻的泥盆系下統(tǒng)上倫組深灰色白云巖、白云質灰?guī)r；下伏為泥盆系下統(tǒng)郁江組褐黃色泥巖、那高嶺組淺灰綠色細砂巖，以及蓮花山組的紫紅色砂巖等相對低、中阻地層，并且區(qū)域斷裂構造F2從測段約130 m附近穿過；可見A2B2得到的反演結果相對A1B1而言，更符合研究區(qū)的基本地質特征。

3 結論

1)本次試驗的研究區(qū)及周邊地質條件多變、地質構造較為復雜，局部地區(qū)地層缺失，且有3條具有一定規(guī)模的區(qū)域次級斷裂構造從區(qū)內及周邊穿過，這些因素對CSAMT測量工作均產生了一定的影響。

2)通過兩次不同收發(fā)距的試驗結果表明，供電電偶極子布設在測線北東側、收發(fā)距為4 000 m的A2B2，與布設在南西側、收發(fā)距為6 000 m的A1B1相較而言，接收到的信號更強、更穩(wěn)定，信噪比更高，數(shù)據離差更小。

3)在本研究區(qū)內雖然收發(fā)距布設較遠時，能夠接收稍多一些的遠區(qū)頻點數(shù)據，但由于大收發(fā)據引入了更多的噪音，無法接收到穩(wěn)定而強度足夠的人工源信號。

4)經過后期近場校正等數(shù)據處理后，圖8(a)斷面整體呈現(xiàn)左高右低的視電阻率特征，對地下各層的地電信息反映并不明顯；而圖8(b)中對地表至-400 m深度范圍的電性分層反映則更符合本地區(qū)地質規(guī)律。因此，在該地區(qū)工作選擇4 km的收發(fā)距能夠有效壓制噪音干擾，采集到信噪比較高的人工源信號。

總而言之，本次對供電場源的探討為該研究區(qū)今后的CSAMT工作中對于場源的選取提供了借鑒。在本研究區(qū)地質情況復雜、背景噪音較強以及場源效應影響嚴重的情況下，收發(fā)距不宜選擇過大，確保在目標勘探深度中盡可能采集到足夠強的人工源有效信號即可。后期再通過近場校正等處理手段，對低頻段的數(shù)據進行校正，從而獲得更符合研究區(qū)地質規(guī)律的物探成果。