可控源音頻大地電磁測深在深部地熱資源勘查中的應用效果

李樹軍

遼寧省化工地質勘查院，遼寧 錦州 121000

技術方法

可控源音頻大地電磁測深在深部地熱資源勘查中的應用效果

李樹軍*

遼寧省化工地質勘查院，遼寧 錦州 121000

可控源音頻大地電磁測深法（CSAMT）的電磁場表達式是基于水平電偶極子源在均勻半空間的假設條件下推導而來的，它要求地電結構是水平均勻介質或水平均勻層狀介質。實際工作中，電性結構往往不是簡單的一維結構，在復雜地質條件下，其應用會受到多種地質因素的約束。通過具有代表性的深部地熱資源勘查實例,來說明這些具體的地質影響因素，對應用CSAMT法開展深部地熱資源勘探取得良好的地質效果，具有一定的借鑒作用。

可控源音頻大地電磁測深 靜態效應與場源效應 地熱資源勘查 地電結構

地熱是一種寶貴的自然資源，不僅為人類提供熱能，同時也提供了水源和礦物資源【1】，它埋藏于地下，受控于特殊的地質條件，以水為介質把熱帶到地表的地熱水，具有開發成本低、純天然、不污染、安全衛生等諸多優點。地熱資源作為一種可再生清潔能源，已引起越來越多的關注【2】，地熱資源的勘探、開發和利用正在蓬勃興起。

目前開采的地熱資源一般情況下埋藏較深，大多開采深度已超過2000m，開采風險很大【3】。為了提高效率、減小投資成本，開發地熱資源前都要通過一定程序的地熱地質勘查研究工作和開展深部地球物理勘查工作?？煽卦匆纛l大地電磁測深法（簡稱CSAMT法）是進行深部地熱資源調查最重要的物探方法之一。近十幾年來，采用CSAMT法在全國很多地區的深部地熱資源調查中取得了較好的地質效果，但與其它物探方法一樣，CSAMT法也受其方法的適用條件和方法有效性局限，受到方法原理前提條件、工作區地質條件、儀器設備功能、人文環境等諸多因素的制約，在鉆探前如果未能對其在地熱勘探領域的有效性加以系統研究，盲目應用，就會對地質推斷成果產生誤導，增加鉆探風險，造成較大損失【4】。

1 可控源音頻大地電磁測深方法及其適用條件

1.1 CSAMT測深法簡介及其特點

可控源音頻大地電磁法是20世紀80年代末在大地電磁法（簡稱MT法）基礎上發展起來的，是一種頻率域的電磁勘探方法。以人工源的方式向地下供入音頻諧變電流建立電磁場，并仿照MT法觀測正交電場和磁場分量，計算卡尼亞視電阻率，以探測地下電性分布特點。當從高到低逐個改變頻率，每個頻率相應獲得一個卡尼亞視電阻率，從而得到卡尼亞視電阻率隨頻率而變化的曲線。隨著頻率降低，電磁法穿透深度加大，因而就得到了卡尼亞視電阻率測深曲線【5】。根據使用的場源數目和觀測的場分量多少，CSAMT法分為張量、矢量和標量三種方式。由于CSAMT法的張量和矢量方式的工作方法起步較晚，儀器設備的開發研制、數據采集的方法技術和反演軟件的開發運用都需要進行不斷地試驗與研究，它們還不能作為一種成熟的、穩定的物探方法而廣泛應用于生產實踐中，目前CSAMT法仍是以標量的方式測量為主。

CSAMT法具有如下特點：①克服了MT法天然場源信號的微弱性，抗干擾能力較強，消除了1000Hz左右的”死頻”現象；②與傳統的直流電法和瞬變電磁法相比具有較大的勘探深度(一般為n×10～2×103m)；③橫向分辨能力強，可以靈敏地發現斷層，是研究深部地質構造的有效手段，有一定的縱向分辨能力，可以對地層進行分層；④工作效益高，兼有測深和剖面研究雙重特性；⑤交變電磁場可穿透高阻層，高阻屏蔽影響小?，F廣泛應用于地質調查、地熱資源勘查、水文地質勘查、深部金屬和非金屬礦產勘查、工程勘察等領域中，并取得了很好的地質效果。

1.2 CSAMT測深方法的約束條件和方法有效性分析

CSAMT法是基于MT法基礎上發展起來的新方法，其基本理論、假設條件、公式推導，數據采集方法及反演算法都沿用于MT法，但兩者間又有一定的差異，就決定了應用CSAMT法要受到一定的約束條件。主要表現在如下幾個方面：①場源不同，MT法采用天然場源，相當于是一種無限遠場源，更容易滿足電磁場的平面波場要求，CSAMT法采用人工的電偶極子場源，屬于有限遠場源，但在實際工作當中，由于種種條件的限制，使得大部分頻點不能夠滿足平面波的要求。這樣卡尼亞視電阻率不能正確反映地電斷面的真實特征，從而限制了CSAMT法對深部勘探的應用【6】；②理論公式的推導是基于均勻半空間的假設條件下，要求地電結構是水平均勻介質或水平均勻層狀介質的一維模型，實際工作中，地質結構往往不是簡單的一維結構，而電磁法反映的地電結構由地質結構所決定。對于非均勻大地，場的性質將變得非常復雜，造成視電阻率的非波區畸變，出現解釋中的假象；③對于CSAMT法的探測深度，普遍依賴于趨膚深度計算公式，陳明生提出人工源頻率域測深的探測深度還受收發距的影響，不能沿用原有的趨膚深度計算公式，認為在收發距一定時，電偶極源產生的電磁法在低頻段通常并不是平面波而導致計算的比值電阻率發生畸變。實踐結果表明，在保證一定信噪比的前提下，決定CSAMT法最大探測深度的是收發距和電阻率綜合作用下進入過渡區及近區場時對應的頻率，并不是簡單的頻率越小，探測深度越大【7】；④標量CSAMT法利用一個場源測量兩個分量（EX和HY或者EY和HX）,標量測量對于一維的均勻介質、層狀介質或者走向已知的二維條件介質會有較好的地質效果，但在二維和三維地區的地質條件下就顯得力不從心了，一維地質結構是很少見的，實際的地質結構多是二維或三維的【8】。

與天然場源的MT法和音頻大地電磁測深法（簡稱AMT法）不同，CSAMT法采用人工場源，且場源到測深點的距離有限，這雖然帶來了高的數據質量和效率，但是也引起了解釋的復雜和問題，這些與場源相關的問題稱為場源效應。

CSAMT的場源效應有3種表現形式：①由于靠近場源而產生的非平面波效應；②由于場源下的地質情況及場源與測深點之間的地質情況而產生的場源附加效應；③陰影效應則是指地質體的影響被投射開來，如同場源的陰影一樣【9】。

1.2.1 非平面波效應 非平面波效應是測深點靠近場源時視電阻率和相位差的畸變，一般地CSAMT測深曲線會出現“遠區”、“過渡帶”和“近區”現象。在遠區，所有參數均表現為隨地下真電阻率的變化而變化；在過渡帶，電場幾乎總是表現為拱起-低谷-拱起的特征，出現相當醒目的“低谷”現象，即視電阻率呈假的降低；在近區，電場與磁場飽和，不隨頻率變化，且磁場與電阻率無關，卡尼亞電阻率隨頻率減小而增大，曲線呈現 45°上升。實際應用中對數據進行近場校正時，可能對原始資料改動較大，可能丟失一些有用信息，產生虛假信息，要注意與已知資料進行對比，近場校正是一個復雜的問題，方法的可行性及有效性需要進一步探討和實驗研究。

1.2.2 場源附加效應 當場源下方或者場源和接收點之間存在電性異常體時，會引起視電阻率曲線的嚴重失真，而且當異常體的埋深、規模、電阻率大小等因素不同時，對觀測曲線的影響程度也不同。模擬和野外試驗證明場源下方基巖埋深不同時，對曲線低頻段影響較大【10】；低阻體產生的場源附加效應更強，電場、磁場視電阻率同時受到了影響，曲線近于向下平移，過渡帶的低谷一拱起特征明顯向高頻段移動。由于這種效應的校正很復雜，在野外應盡量避免。

1.2.3 陰影效應【9】陰影效應是場源附加效應的一個變種，它是由場源和測深點之間的地質情況引起的。CSAMT法受陰影效應的影響很大，即使離物體很遠，陰影也會存在，因此，測量可以探測到那種即使不在測深點下方的物體的影響。1.2.4 靜態效應 在頻率域電磁測深中，靜態效應總是與二維或三維構造相關。它一般是由于近地表的電性橫向不均勻性或地形起伏引起的，從實際應用來看，產生靜態效應最強烈的地方是高阻基巖出露的地方【11】，并且在某種程度上影響所有的電場測量，這個數值與頻率無關。視電阻率曲線向上或向下移動一個數值，靜態效應的強度可達到兩個數量級，在推斷深度時會引起誤差，并使構造的解釋復雜化。無論是低阻異常還是高阻異常都會引起干擾區域的中高頻段的等值線“掛面條狀”的近直立異?！?2】?，F在為了消除靜態效應對CSAMT測深數據的影響，出現了多種靜態校正的濾波改正方法，但目前還沒有一種方法可以完全消除靜態效應的影響，也只能是有針對性地對某一特定工作區進行靜態校正，使CSAMT數據得到一定程度的改善。

綜上所述，CSAMT視電阻率的定義是基于平面波的假設，在野外復雜的地質條件下，單純的一維模型是不存在的。因此要受到場源效應及靜態效應的影響，并且這些影響會隨著地質結構所決定的地電結構遠離水平均勻介質或水平均勻層狀介質所要求的一維模型條件而會變得更加嚴重，但要想徹底消除這些影響，到目前還沒有一種比較完善、可靠、實用的方法。因此，如何合理使用CSAMT法是必須慎重考慮的問題，在任何情況下，地質條件都是決定性因素，工作前應根據具體的地質任務和目標，先要對工作區的地質條件進行綜合分析，劃分出適宜開展CSAMT法工作區、有條件地開展CSAMT法工作區和不適宜開展CSAMT法工作區是非常必要的。哪些地質因素是決定是否適合開展CSAMT法選區的呢？筆者根據多年來從事CSAMT法的工作經驗和對相關資料的分析研究，提出了如下建議，在開展CSAMT法工作時具有一定的參考價值和借鑒意義。

工作區（包括場源區和測量區）的地形平坦、坡度平緩有利于開展CSAMT法工作。地形起伏大、高差大的地形條件，一方面會造成偶極子場源兩端所處的平面與水平面夾角較大，同時會使場源所處的平面與測量區所處平面的高差過大，不能滿足平面波場的要求。另一方面，在地形崎嶇、地質構造復雜地區會有較強的靜態效應，靜態效應對頻率測深數據的影響是復雜的，它對數據解釋產生的影響必須仔細對待，不可低估。

場源區和測量區的地層巖性條件盡可能相同或相近，將場源區選擇在和測深區具有相同地電結構的地區，或是選擇在低阻基底上，盡可能地避開高阻性基底，因為它會使觀測數據更早地進入過渡帶和近區，從而造成更嚴重的場源效應和經濟上的浪費。

場源區、測量區以及它們之間區域的地層巖性的地電結構盡可能相似，地層結構和地質構造不要過于復雜，中間沒有河流、湖泊、海洋等大型水體，這樣可以減小地質噪間，增強信號源，增大探測深度，減弱場源效應的影響。以下分別介紹幾種應用CSAMT法進行深部地熱資源勘查應用效果的實例，來說明判斷CSAMT法適用性的重要性。

2 CSAMT法進行深部地熱資源勘查典型實例的效果分析

2.1 下遼河新生代坳陷盆地深部地熱資源勘查

下遼河新生代盆地所屬大地構造單元為中朝準地臺－華北斷坳－下遼河斷陷－下遼河斷凹,盆地上部發育巨厚的新生界第四系(Q)及新近系（N）【13】。北鎮市新立農場勘查區位于下遼河坳陷盆地西緣與醫巫閭山東麓北鎮基底凸起的接合部位，地勢平坦，海拔高程一般為10～20m。根據古近系、新近系在各地發育的程度及中國地質調查局（2004）地層區劃略圖，該區為東北—華北地層大區華北地層分區 I1的下遼河地層小區I11。上部為新生界第四系(Q)砂土、粘性土，厚度為 80～100m；中部為新近系明化鎮組（N2m），巖性為灰白色砂礫巖、砂巖夾灰綠色泥巖，厚度為150～200m；下部隱伏中元古界薊縣系霧迷山組（Pt22w）的碳酸鹽巖，主要巖性為深灰、灰白色中厚層、厚層白云質灰巖。新生界地層構成熱儲蓋層，碳酸鹽巖中構造破碎帶及巖溶裂隙為良好的熱儲層。地層巖性結構比較符合水平均勻層狀介質模型。

場源區與測區高程相差很小，地層巖性相同，產狀一致，地層構造簡單，場源區與測區之間無高山及大型水體，判斷工作區為適宜開展CSAMT法工作區。工作時CSAMT法采用標量方式測量，收發距 12km，點距 40m。工作區人為干擾小，地質噪音也小，波區內數據基本無場源效應及靜態效應的影響。因此，觀測數據質量高，測深曲線圓滑，并且曲線的“遠區”、“過渡帶”和“近區”特征清晰，從102線二維反演電阻率斷面圖上可以看出，縱向上能較好劃分出第四系（Q）與新近系明化鎮組（N2m）蓋層，橫向上分辨能力強，發現了薊縣系霧迷山組（Pt22w）的碳酸鹽巖中的隱伏斷裂（F）（圖1）。實施地熱井揭露，井深 1800m，日出水量 1200m3左右，井口溫度52℃。CSAMT法在該區的深部地熱勘查中取得了明顯的地質效果。

圖1 102線CSAMT反演電阻率斷面（a）及推測地質剖面圖(b)Fig.1 2-D inversion（a）and the detection result（b）of CSAMT line 102

2.2 義縣—錦州白堊紀斷陷盆地深部地熱資源勘查

大地構造單元屬于中朝準地臺燕山臺褶帶遼西臺陷東緣，處于北鎮凸起與朝陽穹褶斷束的交匯部位。錦州盆地為中生代斷陷盆地，位于中部鼻狀幔隆區的西部弧形彰武—菊花島幔凸區，盆地基底斷裂較發育【14】。工作區處于錦州盆地與紫荊山—南山地臺基底構造隆起區的接合部位，地勢較平坦，海拔高程一般為20～80m，東部出露太古界大營子組（Ard）片麻雜巖，西部第四系(Q)下伏地層為白堊系孫家灣組（K2s）和義縣組（K1y）地層，總厚度為100～500m。第四系(Q)、白堊系孫家灣組（K2s）和義縣組（K1y）共同構成熱儲蓋層。孫家灣組（K2s）巖性為一套紫灰色礫巖，夾紫紅色粉砂巖及頁巖；義縣組（K1y）巖性為紫紅、褐色、紫灰、灰綠色安山巖。太古界片麻巖發育豐富的帶狀構造裂隙，成為熱儲層。地質結構基本符合水平均勻層狀介質模型。

場源區與測量區高程相差不大，地層巖性基本相同，產狀一致，地層構造較復雜，場源區與測量區之間有高山及小型水體，判斷工作區為有條件地可以開展 CSAMT法工作區。工作時CSAMT法采用標量方式測量，收發距13km，點距 40m。局部地段有人為干擾，地質噪音不大，波區數據受場源效應及靜態效應的影響較小。因此，觀測數據基本符合要求，測深曲線比較圓滑，能夠辨別出曲線的“遠區”、“過渡帶”和“近區”特征，由6線二維反演電阻率斷面圖可以看出（圖2），縱向上能劃分出孫家灣組（K2s）與義縣組（K1y）地質蓋層，橫向上發現了太古界片麻雜巖中的隱伏斷裂（F4）。實施地熱井揭露，井深1680m，日出水量500m3左右，井口溫度43℃。CSAMT法在該區的深部地熱勘查中取得了良好的地質效果。

圖2 6線CSAMT二維反演斷面（a）及推測成果圖(b)Fig.2 2-D inversion（a）and the detection result（b）of CSAMT line 6

3 結論

隨著地熱資源開發利用程度的不斷加大，深部地熱資源鉆探風險也隨之加大，所以對地熱前期勘查工作受到重視，對深部地熱資源進行勘查CSAMT法已經成為一種很受人們重視的地球物理方法，其方法的適用性、數據采集的真實性、數據反演的可靠性是合理布置深部地熱井鉆探的重要依據。由于受CSAMT方法基本理論的局限，其公式的推導是基于均勻半空間介質平面波的假設條件下為前提，實際工作中會受到不同程度的場源效應及靜態效應的影響。

當工作區地質條件所決定的地電結構接近于水平均勻介質或水平均勻層狀介質的一維模型要求時，CSAMT法的應用才會有較好的地質效果。實際工作中，由于地質結構的非均勻大地性，就要求對CSAMT法的適用條件和方法有效性進行分析研究。這些影響的地質因素很多，也很復雜，但主要包括：場源區與測區的地形地貌條件、場源區與測區的地層結構特征和地質構造復雜程度、場源區與測區之間地域的地質條件及地表的河流、湖泊、海洋等大型水體等，要完全消除它們的不良影響，到目前還沒有一種比較完善的處理方法。因此，在深部地熱勘探中，若能很好的結合地質條件，地球物理特征及其它相關資料進行綜合分析，對工作區進行CSAMT法適用性做出合理的判斷，有預知性的、有條件性的、有針對性的開展CSAMT法工作，就能在深部地熱資源的勘探中取得良好的地質效果，降低地熱鉆探風險。

1 張德權，石生明，程建祥，等. 物探方法在湯河地熱勘查中的應用效果［J］. 水文地質工程地質，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 黃力軍，孟銀生，陸桂福.可控源音頻大地電磁測深法在深部地熱資源勘查中的應用［J］.物探化探計算技術，2007，增刊29（1）:60～64

4 徐光輝，余欽范，袁學誠.深部地熱勘查方法在北京地區應用的探討［J］.物探與化探，2007， 31（1）:9～13

5 石昆法.可控源音頻大地電磁法理論與應用［M］.北京：科學出版社，1999

6 詹少全，錢美平，馮戔戔.CSAMT全區視電阻率電場正演迭代擬合近場校正方法［J］.物探與化探，2011， 35（5）:663～665 7 鐘幼生，韓自強，羅姣，等.關于可控源音頻大地電磁法探測深度的探討［J］.物探與化探，2015， 39（4）:768～774 8 黃高元，張國鴻. CSAMT法張量與標量測量在已知鐵礦區上的對比試驗［J］.物探與化探，2014， 38（6）:1207～1211 9 湯井田，何繼善.可控源音頻大地電磁法及其應用［M］.長沙：中南大學出版社，2005

10 王剛，楊生， 雷達，等. CSAMT場源效應的三維模擬試驗［J］.物探與化探，2015， 29（1）:132～135

11許廣春. CSAMT法在實際應用中的若干問題［J］.物探與化探， 2011， 35（6）:809～812

12 胡瑞華，林君，孫彩堂，等.均勻大地CSAMT靜態效應模擬及其特征研究［J］.物探與化探，2015， 39（6）:1150～1155 13 魯景峰，楊紹南，宋慶春，等.遼寧省地熱資源調查評價報告［R］.沈陽：遼寧省國土資源廳，2011

14 李樹軍，孫榮厚，李萬榮，等.遼寧省錦州市百股～紫荊山地段地熱地質普查報告［R］.錦州：遼寧省化工地質勘查院，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

李樹軍（1965～），男，從事綜合物探工作及電磁法類探測深層地熱資源的研究工作，高級工程師

2016-12-28；改回日期：2017-01-05