可控源一維正反演技術在地熱勘查中的應用

韋光景 張艷軍 孟繁星 陳萬利

摘? 要? 可控源音頻大地電磁測深（CSAMT）法被廣泛應用于各類工程勘查中，本文以湖南省溆浦龍?zhí)锏責峥辈闉槔?，首先通過采用一維正演技術，為野外裝置參數(shù)的確定提供依據(jù)，同時利用逼近實測曲線的方式獲取模型響應曲線，從而獲得地質(zhì)體模型;再采用一維數(shù)據(jù)反演，充分的利用野外采集數(shù)據(jù)信息，獲得更好的成果解譯。通過反演剖面圖與構(gòu)建的模型對比研究，找出它們共性特征，對物探成果的解譯提供一定的理論依據(jù)。研究結(jié)果表明，采用一維正演技術確定野外裝置是有效的，通過正演模型與反演結(jié)果對比，表明反演解譯成果是可靠的。

關鍵字? CSAMT;一維正演;一維反演;模型響應

中圖分類號：P319.3 文獻標識碼：A

文章編號：1672-5603（2020）03-25-6

Abstract： Controlled source audio magnetotelluric sounding （CSAMT） is widely used in various engineering exploration. This paper takes prospecting geothermal resources of Xupu Longtian in Hunan province as an example. Firstly， 1D forward modeling technique is adopted，It provides a basis for the determination of field equipment parameters，Meanwhile， the response curve of the model is obtained by approximating the measured curve，The geological model is obtained. Then， 1D whole area data inversion is used， Make full use of field data to obtain better interpretation. A comparative study was made between the inversion profile and the constructed model.Find out their common characteristics and provide some theoretical basis for the interpretation of geophysical achievements. The results show that the 1D forward modeling technique is effective in determining the field equipment. The comparison between the forward model and the inversion results shows that the inversion interpretation results are reliable.

Keywords： CSAMT; 1D Forward modeling; 1D inversion; Model response

可控源音頻大地電磁測深法（CSAMT），是在音頻大地電磁法（AMT）和大地電磁法（MT）的基礎上發(fā)展起來的一種人工源測深方法。近年來被廣泛用于礦產(chǎn)資源、煤炭資源、水資源、工程質(zhì)量檢測、考古及深部地球物理探測中[1-2]。CSAMT法數(shù)據(jù)處理使用較多的使用一維和二維反演方法[3]。為了更好的利用好數(shù)據(jù)，國內(nèi)先后一批學者采用不同的算法，對數(shù)據(jù)進行一維反演[4-6]，都取得了較好的反演效果。

在實際工作中，一般通過地電模型響應的一般規(guī)律，分析視電阻率響應隨層厚度、中間層電阻率、收發(fā)距等變化而改變的特征[7-11]，可以直接指導野外裝置的選擇。對野外裝置布設以及參數(shù)的設置通常是經(jīng)驗判斷，或采用多次試驗的方式進行，這兩者都有一定的缺陷，前者依據(jù)不足，后者浪費大量的人財物力。

本文在前人研究的基礎上，通過一維模型正演，通過計算獲得野外裝置相關參數(shù)，并將實測數(shù)據(jù)與正演響應曲線相比較，通過模型逐漸逼近法，從而獲得與實測數(shù)據(jù)相一致的曲線。最后對野外數(shù)據(jù)進行一維數(shù)據(jù)反演，將反演結(jié)果與模型相對比，驗證反演結(jié)果的可靠性。

1? 研究區(qū)概況

1.1 地層

研究區(qū)主要分布地層是第四系湘江群，灰黃色砂礫層，成分為花崗閃長巖、變質(zhì)砂巖及角巖化砂質(zhì)板巖。除此之外，均為涼風界巖體，巖性為電氣石二云母二長花崗巖，具有似斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀結(jié)構(gòu)。斑晶主要為鉀長石，基質(zhì)成分為鉀長石。

1.2 構(gòu)造

研究區(qū)內(nèi)斷裂變形顯著，主要有南北向、北東向和北東東向三組斷層，從時間分布來看，這些斷層既具有多期活動的共同特點，又各具拉張-又行剪切等不同性質(zhì);橫向上看，規(guī)模大小不一，產(chǎn)生的巖石構(gòu)造變形也各具特色。

1.3 地球物理特征

研究區(qū)內(nèi)主要出露巖石為第四系粘土、花崗巖，以及部分裂隙發(fā)育。由于并未開展過地球物理勘查工作，本次通過露頭小四極裝置，對研究區(qū)內(nèi)不同位置的不同巖石做了電性測試，具體參數(shù)如下：

地熱的形成必須要有熱源、熱儲、控熱斷裂和蓋層等結(jié)構(gòu)[12]。研究區(qū)地處白山巖體的中心部位，其熱源主要來源于大地熱流和深部花崗巖余熱，熱儲層主要為花崗巖內(nèi)部的裂隙，控熱構(gòu)造主要為深大斷裂以及地質(zhì)活動形成的次級斷裂帶中。通過表1所示，研究區(qū)內(nèi)各地質(zhì)結(jié)構(gòu)體之間具有較為明顯的電性差異，因此CSAMT法探測地熱控熱構(gòu)造方面具有明顯的優(yōu)勢。

2? CSAMT法一維模型正演響應

在CSAMT實際測量中，一般采用標量的測量方法（成本低、效率高）。標量測量方式是利用單一的場源觀測兩個場的分量（Ex、Hy或者Ey、Hx），標量測量方式對于一維層狀介質(zhì)和走向已知的二維地質(zhì)目標體具有較好的響應。通常情況下，為了保證采集可用數(shù)據(jù)均在 “遠區(qū)”，CSAMT發(fā)射偶極源極距在1-3km，收發(fā)距大于探測目標體趨膚深度的4倍[13]。在實際測量中，由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的多樣性，以及受限于野外場地的選擇，極距和收發(fā)距的選擇顯得比較“隨意”。

本文主要是在獲取研究區(qū)電性特征的基礎上建立正演模型，通過CSAMT帶源正演，獲取電阻率-頻率的響應曲線。獲得不同收發(fā)距對應過渡區(qū)的最低頻率，通過簡單計算獲得裝置參數(shù)，從而指導野外裝置的布置。

2.1 一維正演理論

如圖1所示：N層水平層狀介質(zhì)中第n層的電阻率和層厚度分別記為 和 ，AB為發(fā)射位置，MN為數(shù)據(jù)測量剖面。為CSAMT將均勻半空間表面電偶極源產(chǎn)生的電場、磁場經(jīng)簡化后，取N=1時，最終獲得直角坐標系下的電磁場分量的表達式：

將（1）、（2）帶入（3）式即可得到視電阻率公式：

式（1）～（5）中：Ex表示與發(fā)射源同向的電場水平分量;Hy表示與發(fā)射源垂直方向的磁場分量;IdL是偶極矩;r為接收點到偶極中心距;e為自然指數(shù);?和ρ分別是均勻半空間的導磁率和電阻率;ω代表角頻率;?0表示為大地的磁導率;k表示電磁波傳播波數(shù)，I1、I0 和 K1、K0 分別是第一和第二類以為宗量的虛宗量貝塞耳函數(shù)，0和1代表階數(shù)，ρxy是卡尼亞視電阻率，φxy是阻抗相位，Zxy為阻抗[14-15]。

2.2 CSAMT一維模型視電阻率響應特征

本文研究以模型作為基礎，根據(jù)地質(zhì)體的電性特征建立模型，再經(jīng)過CSAMT一維正演獲得視電阻率響應曲線，獲取遠區(qū)最小頻率，通過正演獲得合適的收發(fā)距。

據(jù)表1可知，在研究區(qū)內(nèi)，主要出露巖石為花崗巖，平均電阻率在10350 ?·m，強風化花崗巖電阻率約為2000 Ω·m，第四系粘土層電阻率為約為80 ?·m，斷裂帶電阻率平均值約為320 ?·m，斷裂帶產(chǎn)狀為65°。據(jù)此可以建立地質(zhì)體模型（圖2）。

正演模型參數(shù)的設定：根據(jù)地質(zhì)體平面模型可知，選取圖3中的220點作為估算點，自上而下地層結(jié)構(gòu)為0～70m為風化花崗巖（約2000?·m）、70～400m為花崗巖（約2000?·m～10000?·m）、400～500m為斷裂破碎帶（約500?·m）、500～2000m為風化花崗巖（約10000?·m）。選用共41個頻率從1-9600Hz（9600＼7680＼6400＼5120＼3840＼3200＼2560＼1920＼1600＼1280＼1024＼853.3333＼711.111111＼512＼426.6666667＼341.333333＼256＼213.3333334＼170.6666665＼128＼106.6666667＼85.33333325＼64＼53.33333334＼42.66666662＼32＼26.66666667＼21.33333331＼16＼13.33333333＼10.6666666＼8＼6.666666667＼5.333333328＼4＼3.333333334＼2.666666664＼2＼1.666666667＼1.333333332＼1Hz）。

由圖3可知，隨著收發(fā)距的增大，曲線進入過渡區(qū)的頻率越來越小，曲線尾支逐漸下移。收發(fā)距為2km時，1280Hz進入過渡場，曲線未出現(xiàn)畸變;收發(fā)距為8Km時，曲線在512Hz進入過渡場，且進入過渡場以后出現(xiàn)畸變現(xiàn)象。收發(fā)距為20km時，曲線在106.67Hz進入過渡場。由此可以看出在信號足夠強的條件下，收發(fā)距越遠，遠區(qū)數(shù)據(jù)越多。

根據(jù)博斯蒂克基本理論，得到有效探測深度公式：

研究區(qū)花崗巖視電阻率均值為10000 ?·m，要求勘查深度1000m，根據(jù)公式（6）理論計算最小頻率為1267Hz進入過渡場。理論分析，為保證數(shù)據(jù)在遠區(qū)，要求最小收發(fā)距大于4，即大于4000m。根據(jù)圖4曲線響應特征分析，收發(fā)距越遠最小頻率進入過渡場越靠后，又最大收發(fā)距受到設備的靈敏度和信噪比影響，結(jié)合野外布設條件因此確定本次收發(fā)距為8km左右。

3? CSAMT一維數(shù)據(jù)反演

3.1 裝置的選擇

由于受到實際地形條件的影響，本次在研究區(qū)野外采集裝置選擇為：AB極長1.5km，收發(fā)距為8.4km，極距20m，場源中心點偏移測線中心點300m，實測20個頻點為8533.3Hz～1.2Hz（8533.3＼7680＼5120＼3072＼2133＼1280＼853.3＼512 ＼341.3＼213.3＼128＼85.3＼53.3＼32＼21.3＼13.3＼8＼4.8＼2.4＼1.5＼1.2）。

3.2 典型點實測曲線與正演曲線特征

野外采集數(shù)據(jù)，由于地質(zhì)條件不同導致形態(tài)也不一致。選取典型點的視電阻率與正演響應對比曲線如圖5：

由圖5可知，實測電阻率曲線110點視電阻率曲線形態(tài)為典型花崗巖地層響應曲線。而250m點視電阻率曲線高頻正常進入過渡區(qū)，133.3Hz視電阻率曲線開始呈下降趨勢，最終在4.8Hz出現(xiàn)畸變點后，又呈現(xiàn)出上升趨勢。

根據(jù)實測曲線形態(tài)，采用漸逼視電阻率的方式，獲得相對應的理論相應曲線。

110點模型設置：為A型地電模型，厚度h1=200m，ρ1=10000Ω·m;厚度h2=800m，ρ2=10000Ω·m;厚度h3=1000m，ρ3=50000Ω·m;

250點模型設置：為HK型地電模型，厚度h1=200m，ρ1=2000Ω·m;厚度h2=400m，ρ2=5000Ω·m;厚度h3=500m，ρ3=100Ω·m;厚度h1=800m，ρ1=10000Ω·m。

正演模型響應曲線采用的收發(fā)距、頻率等參數(shù)與實測相同。正演模型及曲線分析，110點為正常的花崗巖區(qū)，視電阻率曲線特征為遠區(qū)-過渡區(qū)-近場區(qū)。250m點模型響應曲線在深部有一個超低阻異常體，模型設計為斷裂帶，其特征為遠區(qū)-過渡區(qū)-異常區(qū)。

綜上所述，若實測數(shù)據(jù)準確可靠，可以根據(jù)實測曲線編輯相應的正演模型響應曲線，從而反推模型的結(jié)構(gòu)，為反演成果的解譯提供依據(jù)。

3.3 典型剖面一維反演結(jié)果與理論模型

本次數(shù)據(jù)反演采用的是一維數(shù)據(jù)反演，即不剔除近場數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理的流程：利用所有測得的電場（E）分量和磁場（H）分量的振幅和相位，計算視電阻率和相位差，剔除那些明顯的誤差和噪聲、靜態(tài)效應矯正。通過預處理達到可以接受的條件時，可以得到可供解釋用的原始Bostick視電阻率和相位差參數(shù)，為一維反演做準備。

本次一維反演采用的主要參數(shù)是，迭代20次，擬合精度0.01，采用均勻半空間模型。反演結(jié)果如圖6。

由圖6可知：由于出露地層較為簡單，區(qū)域上都屬于花崗巖巖體。斷面上可以見到兩條明顯的低阻異常帶，異常的中心位置分別是210m、430m，推斷為斷裂帶F1、F2，兩條斷裂在深部交匯，由此推測該斷裂帶具有一定的含水性。相對低阻體視電阻率在10000Ω·m以內(nèi)，淺表層主要為第四系覆蓋層及強風化層，視電阻率在2000Ω·m。

結(jié)合理論構(gòu)建模型分析，模型數(shù)據(jù)顯示在深度為600m以下，有一厚度約600m的低阻異常體，與一維反演成果的的解譯基本一致，說明數(shù)據(jù)可靠，反演參數(shù)合適。后在該剖面240m出實施了一口井，鉆孔資料顯示與物探解譯成果完全吻合。在70-110m處揭穿推測斷裂帶。

4? 結(jié)論

（1）通過一維正演技術計算，推算出最短收發(fā)距，最低頻率等工作參數(shù)，并通過正演模型響應曲線，直觀的看到不同收發(fā)距，曲線特征，遠區(qū)-過渡區(qū)-近區(qū)一目了然，指導野外數(shù)據(jù)采集。

（2）根據(jù)野外實測數(shù)據(jù)，采用逼近法構(gòu)造地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，使得模型正演曲線趨近于實測曲線，從而可以從理論上判斷地質(zhì)體在地下的結(jié)構(gòu)特征。

（3）通過一維反演技術，獲得較可靠的反演結(jié)果，再與正演理論模型對比，對于物性有差異的地方進行甄別，減少由物探多解性導致的與地質(zhì)體不吻合的異常體。

（4）通過正反演技術的應用，盡可能的增加約束條件，減少物探的多解性，從而提高解譯精度，更好的指導實際生產(chǎn)。

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