淺析CSAMT法近場地電信息與利用

張 凱，許傳建，黃素荷，汪青松，崔先文，張 旭

(安徽省勘查技術院，合肥 230031)

0 引言

近年來，隨著地質找礦向縱深發展，具有探測深度大、勘探能力強、分辨率高等特點的可控源音頻大地電磁法(CSAMT)被廣泛應用[1-2]。CSAMT法是在大地電磁法(MT)、音頻大地電磁法(AMT)基礎上發展起來的，基本原理相同，均是研究地下介質導電性差異的方法。不同的是，MT、AMT法使用的是天然場源，而CSAMT法則使用人工場源，CSAMT法所觀測電磁場的頻率、場強和方向可由人工控制，克服了因天然場相對較弱、人文干擾較大時觀測的困難，其極化方向明顯，信噪比高，易于觀測。

然而，正因為CSAMT法采用了人工場源，從而出現了許多在MT、AMT法中不會或很少遇到的因人工場源而引起的場源效應問題，如:過渡帶效應、近區效應、附加效應、陰影效應等。其中，最為突出的近區效應問題，直接制約了CSAMT法的有效探測深度，嚴重影響了CSAMT法的勘探能力[3-4]。

1 近區場的產生

CSAMT法是一種人工源頻率域電磁測深方法，其理論基礎遵循電磁場理論。生產中，CSAMT法通常采用電偶極子場源，它產生的電磁場由電磁場理論完整地描述[5]。

CSAMT法電偶極子場源是通過布設在地面長導線AB兩端的電極向地下供以正弦交變電流，從而在AB導線上產生的電磁波向四面八方輻射，就其波的傳播途徑可分為天波、地面波和地層波三種。因CSAMT法使用的是音頻波，所以只研究到達MN接收端的地面波和地層波。

電磁波在地下的波長遠比空氣中的波長小得多。這樣，沿地表傳向MN的地面波和直接在地層中傳播的地層波,在某一時刻由于波程的差別，就會在地面附近形成一個近于水平的波陣面，造成一個幾乎是垂直向下傳播的水平極化平面波[6]。在傳播過程中，地面波、地層波和平面波均與地下地質體發生電磁作用，并把作用的結果反映到地面觀測點[6]。當然，哪種波占主導能被地面儀器觀測到，這又與收發距r大小有關了。

理論上，當r≥δ(δ為趨膚深度，δ=λ/2π，λ為波長)，可認為地層波的影響已基本消失。當r≥2πδ時或當r≥6H時(H為最大探測深度)，定義為遠區；當r≤6H時，定義為近區。實際上，可將場源效應成份在總的卡尼亞視電阻率參數響應中不超過10%的區域稱為“遠區”，把電場E和磁場H完全飽和并且磁場H按衰減的帶稱“近區”，二者之間則為過渡帶[7]。

遠區中，認為地層波的影響已經消失，但是當發射頻率f大大降低以后，或者波長λ很大時，地層波的影響又會加大。當r≥6H且r≥δ時，CSAMT所測的測深曲線稱為波曲線或稱完全波曲線。在這種情況下，觀測結果只與垂直入射的水平極化平面波有關，這是至今CSAMT法中最好的利用場區。當r≥6H且r≤δ時，稱為遠區中的S區，在低頻段地層波又起了主導作用，此區段的測深曲線稱為S曲線，其觀測值與地電層的關系甚微，或只與總的縱向電導有關，其分辨力降低，測深曲線等值作用加大，地層各向異性影響增加。在近區測量時，其測深曲線的大部分或全部已成為S曲線，無法完成地質探測任務[6]。應盡可能避免在近區工作。

2 近區場的表現形式

2.1 在單點視電阻率與阻抗相位曲線上的表現

CSAMT法主要是采用在地面上同時觀測兩個正交的電場和磁場(如Ex和Hy)，通過兩者的比值來求得其視電阻率，稱為卡尼亞視電阻率，計算公式如下：

式中f為工作頻率。理論上，該式只適用于遠區或者平面波區域，而對過渡帶或近區所計算的視電阻率則不能真實反映地下電阻率變化。圖1示出了有限場源條件下，均勻大地模型和層狀大地模型上CSAMT法卡尼亞視電阻率和阻抗相位測深曲線的基本特征[8]。

圖1顯示，在遠區，隨地下真電阻率的變化而變化，在π/4值附近。在過渡帶，均勻大地模型反映不明顯，則呈下降趨勢；層狀大地模型與反映均較強烈，出現下沖的低阻假極值，顯示與斜率有關的明顯變化，快速趨向零甚至出現負值。在近區，隨頻率減小極速增大，趨于零[7]。在過渡帶呈現凹形，在近區呈45°的直線上升這一特點，是識別CSAMT法是否進入近區場的主要標志。

圖1 CSAMT法視電阻率與阻抗相位曲線基本特征[4]Figure 1 CSAMT apparent resistivity and impedance phase curves basic features[4]

圖2、圖3分別為泥河鐵礦區CSAMT法實測的單點測深曲線，其曲線特征與圖1中理論曲線是一致的。

2.2 在電阻率斷面圖上的表現

在電阻率斷面圖中，電阻率等值線在近區呈相互平行、數值快速增大特征。圖4為二層電性結構，在高程約-60～-80m附近密集的等值線將斷面分為上下兩大電性層，上層電阻率小于下層。礦區鉆孔揭示，上層相對均勻的低阻區主要為第四紀黏土覆蓋層，下層高阻區則為前寒武紀變質巖地層，變質基底反映得非常清楚。顯然，下部高阻既是變質巖地層的反映也包含著強烈的近區效應成分。

圖5中，高程-300m附近存在一條波浪狀的橫向低阻條帶，很明顯是過渡帶的反映，其下電阻率隨深度急劇增大，電阻率等值線等間距平行變化、同步起伏，顯然存在嚴重的近場效應。

由此可見，近區內大片巨厚的高阻掩蓋掉有效的地電信息，嚴重影響對深部地質認識。

3 近場效應校正

為了取得好的勘查效果，理論上要求CSAMT法應保持在遠區測量。但在實際工作中由于種種條件的限制，往往不得不在近區場內觀測，特別是在高阻區或小收發距的時候，低頻段很容易就進入近區場。在資料使用時，極易將深部近區場內的大片高阻誤認為是高阻體而解釋成巖體、灰巖等，誤將過渡帶形成的低阻條帶理解為低阻地層。為了避免這種誤解，在數據處理過程中常進行近場效應校正[3-4]。

當前，近場校正的方法很多，幾乎都是針對卡尼亞電阻率的，主要有：直接刪除近場頻段法、數據“三角形”校正法、K值校正法、多項式校正法、等效電阻率全頻域視電阻率校正法[3]及分段逼近全頻域視電阻率校正法[9]等。但所有近場校正方法都不是最有效和最完善的，處理后的近場成分還是無法消除，仍然影響著對深部信息的提取和認識。

圖2 泥河鐵礦區CSAMT法實測卡尼亞視電阻率曲線Figure 2 Nihe iron ore area CSAMT measured Cagniard apparent resistivity curves

圖3 泥河鐵礦區CSAMT法實測阻抗相位曲線Figure 3 Nihe iron ore area CSAMT measured impedance phase curves

圖4 焦大郢鐵礦Ⅲ線CSAMT法電阻率斷面圖Figure 4 Jiaodaying iron ore line III CSAMT resistivity section

圖5 高甸CSAMT法4線電阻率斷面圖Figure 5 Gaodian line 4 CSAMT resistivity section

4 勘查實例

近場效應主要產生在反映深部信息的低頻段，它的存在嚴重掩蓋和干擾深部有用的地電信息，目前已有的近場校正方法又不能完全消除近場效應的影響，那么，近場區內的資料就無法利用了嗎？實際上，生產中有大量實例表明，有些經過近場校正處理后的地電斷面，仍有許多有益的地電信息可以利用，并取得一定的找礦效果。

4.1 深部斷裂構造(破碎帶)

由于深部隱伏斷裂構造往往位于反映深部信息的低頻段，絕大部分低頻段都處于近區或受近區場影響，能否在近區場內有效識別深部信息是所期望的。好在深部斷裂構造(破碎帶)與圍巖常有明顯的電性差異，尤其是含水或地熱水時電阻率會顯著降低，呈明顯的低阻顯示。而近區場總以高阻形式表現，越向深部阻值越高。不難想象，位于高阻體(高阻圍巖與近場的綜合體)內的低阻斷裂構造(破碎帶)應該會有所體現。

焦大郢鐵礦與西梢地熱皆處于皖北平原，圖4與圖6所示的地電斷面結構相似。圖6電性也是二層結構，在高程約-160m附近致密等值線將斷面分為上下兩層。已知鉆孔揭示，上層電阻率幾十Ω·m為第四系松散覆蓋層，下層電阻率由近百至上千Ω·m為新太古界霍邱群變質巖地層。下層近場效應特征明顯。與圖4不同的是，圖6在-1 100～-1 800點，水平電阻率等值線明顯出現擾動、下凹現象，尤其在高程-1 200 m以深的深部，出現“倒U形”低阻異常，表明深部存在隱伏斷裂構造的可能。

進一步將測區內所有測線的CSAMT法電阻率斷面圖按實際位置組合在一起，深部“倒U形”低阻異常的空間展布形態和特征明顯，如圖7所示。

后在7線該低阻異常附近布置兩個驗證孔(ZK1與ZK2)，如圖6所示。ZK1孔鉆進至孔深476.92m時開始涌水，起初涌水量較小，水溫也較低，在繼續向下鉆進過程中水溫漸高，涌水量漸大。在鉆進至518.92m時，高溫、高壓的地熱流體噴涌而出，孔口水溫為55.5℃，孔底(500m)水溫58.33℃，自流量約300m3/d。ZK2孔鉆至407m噴涌熱水，水溫及涌水同ZK1孔。兩孔均因熱水壓力太大無法施工而提前終孔。 ZK1、 ZK2兩孔皆在近場區內低阻異常處發現了含地熱水的斷裂構造(破碎帶)F2。后進一步查明，F2斷裂走向北西，傾向北東，正斷層，為區內主要張性斷裂。

4.2 深部礦體

圖8為朱沖鐵銅礦CSAMT法13線反演電阻率斷面圖，粗看起來圖中電性不甚規整，規律性不強。但除局部可能因電磁干擾而引起的擾動異常外，電性分布還是較為正常的，斷面大體以 “K”型測深曲線為主，自上而下中部電阻率高于淺部與深部。由于該區電阻率整體較高，通常在n×103～n×104Ω·m，較早進入近場效應，高程-300 m以下即存在近場效應。

注意到4 175～4 575點，在高程-1 000 m以下存在一開口向下的局部“倒U形”低阻異常，阻值小于1 000 Ω·m，內部最低值僅為400Ω·m，其頂部和側邊電阻率值達1 500～4 000 Ω·m。 此地段現場無明顯外部電磁等干擾源，測深曲線也很圓滑、規整，原始數據品質較高，因此確定深部低阻異常應為地質因素形成， 異常深度位于月山巖體內部。但本區找礦近40多年來，沒有在巖體內部發現規模礦體[10]。

圖6 西梢地熱7線CSAMT法電阻率斷面圖Figure 6 Xishao geothermal energy line 7 CSAMT resistivity section

圖8 朱沖鐵銅礦13線CSAMT法電阻率斷面圖Figure 8 Zhuchong iron-copper ore line 13 CSAMT resistivity section

在深埋1 000多米的深部出現如此形態姣好的低阻異常應該引起足夠的重視，為此，結合其他CSAMT剖面對該類異常進行綜合分析，進一步總結、挖掘出該類異常特征:

①與上部異常明顯分離，在剖面垂向電阻率等值曲線出現低→高→低明顯特征。下部低阻異常不受上部低阻干擾，且下部低阻值只有400Ω·m，顯著低于頂部2 000～4 000 Ω·m，異常獨有特征明顯。

②異常深度范圍在標高-1 100～-1 500 m之間。

③異常寬度達400 m。

④低阻異常向下延伸，其上部高值可達4 000 Ω·m，呈“倒U形”高阻環繞下部低阻異常。形成的電阻率等值線在剖面中呈對稱性，且兩側曲線較陡立。

⑤13線分別與其他多條測線交會。從各自的電阻率斷面圖上可清楚地看出，靠近該“倒U形”低阻異常區附近，深部皆有相似的低阻異常特征，由北向南，異常走向可以相連，且13線異常規模最大、中部電阻率最低、形態也較規則，異常埋深北淺南深。

進一步分析區域地質資料，該區巖體中有一南寬北窄的透鏡體大理巖向北延展，可能到達13線低阻異常區，在巖體作用下具有成礦的可能。綜合分析認為處于4 175～4 575點間高程-1 000 m以下開口向下的局部 “倒U形”低阻異常很可能是礦致異常，保守說也可能與成礦有關，因此決定布置鉆孔ZK0803進行深部異常驗證。在鉆孔ZK0803還未搬遷時，已先期布置在附近的鉆孔ZK0706預測能在接觸帶打到礦體卻在穿過接觸帶時并未見到礦體。經對4 175～4 575點間異常在延展方向上的分析，認為向北可能延展到鉆孔ZK0706部位，決定此孔打到巖體后再加深300m，率先進行巖體內深部異常驗證。結果打入巖體160m后(孔深1 151.40～1 160.42 m)見富鐵礦體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處又見35.28m富磁鐵礦(TFe品位在49.48%，mFe品位45.88%，銅品位0.14%)。首孔驗證獲得成功。接下來在鉆孔ZK0706向西100m布置0807孔，鉆孔ZK0803、ZK0807穿過閃長巖體160～290 m均見礦，見礦深度44～64 m，實現了重大突破(圖9)。從而證實13線4 175～4 575點間異常是成礦異常，推斷是正確的。并且查明隱伏礦體頂部(板)巖體厚度具有北部薄、南部厚的明顯特征。

圖9 ZK0807、ZK0706、ZK0803孔鉆探驗證結果Figure 9 Drilling verification results of the well ZK0807, ZK0706 and ZK0803

同時，通過礦體分析對比和異常延展特征分析，北部朱沖一帶發現的接觸帶礦體與南部閃長巖體內部礦體是同一礦體。這可能是朱沖地區巖體接觸帶相對向下傾伏，接觸帶與礦體直接接觸的原因所致?；蛘呔植康V體頂部出現“天窗”，礦體進入上部接觸帶并擴散形成。

5 結語

①采用人工場源的CSAMT法，存在場源效應是必然的，近場效應只是其中之一。近場效應一般出現在反映深部的低頻段。有效識別過渡帶與近場效應意義重大：在單點測深曲線上，視電阻率曲線開始下凹出現假極值(過渡帶)，隨即呈約45°上升(近場)，阻抗相位曲線開始下探后(過渡帶)由正變負或趨于零(近場)；在地電斷面上，在出現條帶狀低阻后(過渡帶)，阻值隨深度快速增大且電阻率等值線平行變化(近場)，這些都是識別過渡帶與近場效應出現的標志。

②過渡帶低阻假極值總是出現在深部近場效應引起高阻異常的頂部。假極值現象(國外稱之為下沖效應)是自然界中一種普遍的物理現象，即一個物理量從低值突然升到高值時，往往在向高值轉折之前，先向下沖一下，然后繼續上升，類似于“反彈”效應。在CSAMT方法中，假定有一低阻層覆蓋在高阻層上，在其地面上測出的電阻率曲線應該是隨頻率的降低而逐漸升高，但事實上，往往發現在電阻率曲線升高之前，有一個下沖現象，然后再升高[2]。由此可見，過渡帶低阻假極值的出現往往不但預示著近區場的開始，而且也可能暗示著兩個電性層的分界面，這一點在地質分層時可作為參考。但切勿簡單地將過渡帶低阻假極值理解為某一低阻地層。

③實際生產中，為了避免或降低近場效應對成果資料的影響，常采用增大收發距、提高工作頻率等措施，使觀測的電磁場接近平面波，盡可能保持在遠區測量。但事實上，由于種種條件的限制而不得不在非平面波內觀測，過渡帶和近場影響嚴重。常規的辦法是在后期數據處理時進行近場校正。

④關于近場校正目前有許多嘗試解決的辦法，但都不是最為完善的，只是在一定程度上能起到有效壓制、降低這些影響的作用。也就是說并不能從根本上解決近場(包括過渡帶)的影響。有人為了解決近場的影響，在資料利用時采取直接舍去近場數據[11]，只取遠場的數據，而對于近場甚至過渡場的數據都摒棄不用，顯然造成資料的較大浪費。

⑤在實踐中，通過對CSAMT法實測資料的研究，在對近場進行適當校正處理后，有近場的資料還是有許多地電信息可以利用的。特別是深部存在一定規模低阻體時。本文中的西梢地熱、朱沖鐵銅礦皆說明了這一點。當然，也希望今后有更好方法來解決近場效應問題。