可控源音頻大地電磁測深法在特殊地貌區(qū)地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

楊 勇，楊文明，馬立榮，宋 城

（寧夏回族自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，寧夏 銀川 750021）

在特殊地貌區(qū)地質(zhì)調(diào)查工作中，地球物理探測技術(shù)的應(yīng)用發(fā)揮了重要的作用。覆蓋區(qū)地質(zhì)調(diào)查中針對(duì)劃分沉積地層層序、探測隱伏活動(dòng)斷層等基礎(chǔ)地質(zhì)問題，必須依靠高精度的地球物理探測技術(shù)。地球物理探測技術(shù)是在地面上利用儀器觀測地球物理場的變化來獲取地下信息的技術(shù)手段，在覆蓋區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)工作中發(fā)揮著越來越重要的作用。目前應(yīng)用較廣且成熟的物探方法有淺層地震、放射性測量、高密度電法、（可控源）音頻大地電磁測深、磁法、重力探測等。已有研究表明，采用綜合地球物理方法在覆蓋區(qū)垂向地層結(jié)構(gòu)劃分以及隱伏斷層探測等基礎(chǔ)問題上均能取得較好的效果[1—3]。

本文依托武威—固原地貌邊界帶基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目，通過在寧夏固原盆地和中衛(wèi)盆地開展實(shí)施的可控源音頻大地電磁測深方法，分析解譯了0～1 km深度的地層結(jié)構(gòu)和斷層展布特征。結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造背景，對(duì)該方法在覆蓋區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查中的有效性進(jìn)行分析，對(duì)方法體系進(jìn)行研究和對(duì)比。

1 研究區(qū)背景

1.1 地質(zhì)背景

研究區(qū)大地構(gòu)造位置位于柴達(dá)木—華北板塊（Ⅲ）阿拉善微陸塊（Ⅲ-4），也稱寧南弧形構(gòu)造帶，處在青藏高原向東北隆升的前鋒地帶。研究區(qū)南側(cè)為祁連早古生代造山帶、北側(cè)為阿拉善地塊、東側(cè)為鄂爾多斯地塊。在青藏高原向北東逆沖推覆的動(dòng)力學(xué)背景下，巖石圈撓曲變形，在寧南弧形構(gòu)造帶形成了一系列的前陸盆地，包括該次的研究區(qū)——固原盆地和中衛(wèi)盆地。

研究區(qū)地表出露地層主要為第四系、新近系和古近系（圖1）。結(jié)合已有基礎(chǔ)地質(zhì)研究及區(qū)域地球物理解譯成果[4]，中衛(wèi)盆地新生界厚度多在0.5～1.5 km，新生界之下為古生界。固原盆地新生界厚度在1.5 km左右，新生界之下為白堊系。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造地質(zhì)圖

1.2 主要地層巖性的電性特征

本研究以區(qū)內(nèi)水文鉆孔測井?dāng)?shù)據(jù)以及鄰區(qū)巖石物性標(biāo)本測定結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)研究區(qū)主要地層巖性的電性特征進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，見表1。

表1 研究區(qū)主要地層電性結(jié)構(gòu)

研究區(qū)地表出露第四系洪積角礫、黃土層呈相對(duì)高阻，電阻率多大于100 Ω·m；新近系干河溝組整體呈中阻特征，電阻率一般低于第四系洪積角礫層，但高于彰恩堡組和清水營組，以泥巖為主的低阻地層，電阻率一般在40～100 Ω·m；新近系彰恩堡組和古近系清水營組以泥巖為主，呈明顯低阻異常，電阻率一般小于15 Ω·m；白堊系乃家河組和馬東山組為固原盆地主要的含鹽地層，電阻率多在20～50 Ω·m；石炭系羊虎溝組、靖遠(yuǎn)組和臭牛溝組均以砂質(zhì)頁巖、泥巖和粉砂巖為主，電阻率一般小于30 Ω·m；泥盆系和中-上奧陶統(tǒng)以砂巖為主，呈明顯高阻異常，電阻率多大于100 Ω·m。

2 方法技術(shù)

2.1 方法原理

可控源音頻大地電磁測深法通過觀測人工場源在地下介質(zhì)中激發(fā)的電磁波來探測地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)。該方法是針對(duì)天然場源的隨機(jī)性和信號(hào)微弱的不足在音頻大地電磁測深的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，其電磁場在空間的分布和傳播滿足麥克斯韋方程組。在滿足遠(yuǎn)區(qū)條件下，大地介質(zhì)電場E、磁場H、電磁波頻率f與卡尼亞視電阻率的關(guān)系為[5]

式中：Ex為沿x 方向的電場分量，mv/km；Hy為沿y 方向的磁場分量，mv/km。

假設(shè)電磁波為平面波，電磁波在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播時(shí)，其幅值按照指數(shù)規(guī)律衰減，能量隨著傳播距離的增加而逐漸被吸收。當(dāng)電磁波振幅衰減到原來的1/e 時(shí)，電磁波穿透介質(zhì)的深度為趨膚深度δ[5]：

式中：ρ 為大地電阻率，Ω·m；f 為工作頻率，Hz?？梢钥闯?，電磁波穿透深度僅取決于大地電阻率ρ和工作頻率f，即電阻率的減小或頻率增高，穿透深度變淺，反之亦然。因此，在一定工作區(qū)域內(nèi)，可以通過改變信號(hào)的頻率，達(dá)到測深的目的。但在實(shí)際工作中，趨膚深度反映了電磁波在介質(zhì)中穿透的深度，不代表實(shí)際有效探測深度。目前計(jì)算探測深度D 較好的經(jīng)驗(yàn)公式為[6]

2.2 工作方法

采用旁側(cè)裝置標(biāo)量測量方式，點(diǎn)距為100 m?？紤]到研究區(qū)地質(zhì)背景的差異，通過技術(shù)參數(shù)試驗(yàn)，確定研究區(qū)的主要技術(shù)參數(shù)：北部中衛(wèi)盆地工作頻率1～8 192 Hz，收發(fā)距10 km，發(fā)射端供電極距1.8 km，接收端極距為100 m，供電電流15 A，有效勘探深度為1.2 km。南部固原盆地工作頻率0.125～9 600 Hz，收發(fā)距為8.5 km，發(fā)射端供電極距2 km，接收端極距為100 m，供電電流為18 A，有效勘探深度為1.5 km。

3 應(yīng)用效果

3.1 深部斷層識(shí)別情況

由GC02 剖面可控源音頻大地電磁測深成果（圖2）可見，剖面1 km 位置存在明顯的電性曲線扭曲和梯度變化，該位置地面氡氣濃度呈明顯的單峰異常，為隱伏斷層的反應(yīng)；剖面11 km 位置0～1.2 km 深度存在明顯的電阻率曲線錯(cuò)斷和扭曲，對(duì)應(yīng)位置地面氡氣測量結(jié)果亦顯示為十分明顯的氡氣異常。該位置與區(qū)域上所顯示的清水河斷裂吻合，推斷為隱伏斷層的反應(yīng)。

圖2 GC02 測線綜合解釋成果圖

綜合2 種不同地球物理結(jié)果對(duì)比，異常位置吻合，從地球物理特征看，均為斷層的反應(yīng)，說明可控源音頻大地電磁測深的方法對(duì)斷層解釋是可靠的。

3.2 地層劃分情況

WC01 剖面位于中衛(wèi)盆地南緣，由南向北布設(shè)。剖面0.5～2.0 km 段（圖3a），以剖面1.1 km 位置為界，1.1km以南呈明顯高阻，電阻率大于100 Ω·m；1.1 km 以北電阻率明顯較低，電阻率小于10 Ω·m。從地表出露地層情況（圖3c）看，1.1 km 以南對(duì)應(yīng)奧陶系磨盤井組，1.1 km 以北對(duì)應(yīng)彰恩堡組，與該次測量結(jié)果對(duì)應(yīng)較好。

剖面0.5～3.0 km 段（圖3b），以剖面2.3 km 位置為界，2.3 km 以南淺部電阻率小于15 Ω·m，2.3 km 以北電阻率多大于30～80 Ω·m，較南段呈明顯的高阻異常。從地表出露地層情況（圖3d）看，2.3 km 以南為彰恩堡組，2.3 km以北為干河溝組。結(jié)合研究區(qū)主要地層巖性的電性特征，該次測量結(jié)果與地表出露地層對(duì)應(yīng)較好。

圖3 WC01 剖面可控源音頻大地電磁測深（局部）成果與地表出露情況對(duì)比圖

4 主要技術(shù)參數(shù)及技術(shù)對(duì)比分析

以該次完成的可控源音頻大地電磁測深剖面成果為基礎(chǔ)，結(jié)合在研究區(qū)內(nèi)開展實(shí)施的其他地球物理工作，對(duì)覆蓋區(qū)可控源音頻大地電磁測深的方法體系進(jìn)行研究。

4.1 技術(shù)參數(shù)

覆蓋區(qū)開展可控源音頻大地電磁測深方法的主要技術(shù)參數(shù)需根據(jù)具體工作任務(wù)開展參數(shù)試驗(yàn)后確定。從該次工作結(jié)果看，針對(duì)覆蓋區(qū)地質(zhì)調(diào)查工作，可控源音頻大地電磁測深的點(diǎn)距不宜太大，該次設(shè)定的100 m 點(diǎn)距較為合適。

另外，開展工作前要充分收集已有電性資料，初步估算有效探測深度、工作頻率。該次工作根據(jù)具體工作區(qū)塊的參數(shù)試驗(yàn)，最終確定的工作頻率分別為1～8 192 Hz 和0.125～9 600 Hz，有效探測深度在1.2 km左右，能較好地分辨研究區(qū)主要垂向地層結(jié)構(gòu)和斷層展布特征。

4.2 方法組合應(yīng)用

地球物理資料處理和解釋受多種因素制約，存在一定的多解性。結(jié)合該次工作以及以往工作經(jīng)驗(yàn)，多手段的綜合地球物理探測方法在覆蓋區(qū)深部探測中組合應(yīng)用，對(duì)減少多解性、提高解釋可靠程度具有很明顯的效果。其中，可控源音頻大地電磁測深法能夠有效獲取中部，尤其是1.2 km 以淺的精細(xì)電性結(jié)構(gòu)，能夠有效地劃分垂向地層界面和局部斷層。常規(guī)氡氣測量對(duì)確定斷裂的地面位置十分有效。重力測量對(duì)區(qū)分新生界低界面、劃分深大斷裂、圈定巖體等方面具有較好效果。上述方法的綜合應(yīng)用對(duì)解譯淺部結(jié)構(gòu)和深部構(gòu)造問題效果較為明顯。

5 結(jié)論

（1）從該次工作成果看，可控源音頻大地電磁測深法在覆蓋區(qū)地質(zhì)填圖中能夠有效解譯垂向地層結(jié)構(gòu)和隱伏斷層的空間展布特征。

（2）地球物理場在介質(zhì)中傳播受很多因素影響，地面所獲取的地球物理數(shù)據(jù)資料是地下介質(zhì)的綜合反映，因此存在一定多解性。常規(guī)氡氣測量、重力測量等地球物理方法均能獲得關(guān)鍵的地球物理信息；多方法、多手段的綜合地球物理探測技術(shù)對(duì)解決特殊地貌區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)問題十分關(guān)鍵。