廣域電磁法與可控源音頻大地電磁法探測效果對比研究
——以浙西北巨厚沉積巖地區(qū)為例

劉澤丞, 梁紅波,2, 王漢卿, 朱國強(qiáng),2

(1.浙江省工程物探勘察院有限公司，浙江 杭州 310000; 2.浙江省地球物理地球化學(xué)勘查院，浙江 杭州 310000)

0 引言

位于浙江西北部的湍口俗稱蘆荻墩，早在1300多年前就有蘆荻泉，溫泉文化一貫有之[1,2]。1992年，在湍口地區(qū)展開了以土壤測汞為主的物化探勘察工作，圈定了3處汞異常區(qū)域，查明了湍口盆地基底構(gòu)造及控?zé)岬刭|(zhì)條件[3]，認(rèn)為北西向張扭性斷裂匯水；2012年，通過湍口村201號井勘探表明，井深600.6 m，水量430 t，水溫27 ℃，水質(zhì)類型為含氡氟水[4]。因此，該地區(qū)具有較好的地?zé)豳Y源開發(fā)潛力，進(jìn)一步開展勘查工作可為該地區(qū)尋找更好的地?zé)豳Y源。

該地區(qū)前期采用的地球物理方法均為可控源音頻大地電磁法(Controlled Source Audio Magnetotelluric Method，CSAMT)[5]。雖然廣域電磁法(Wide Field Electromagnetic Method，WFEM)在其他地區(qū)地?zé)峥碧街袘?yīng)用較為廣泛[6-9]，但在浙西北巨厚沉積巖地區(qū)尚無應(yīng)用案例。為了比較WFEM法和CSAMT法的探測效果，在浙西北巨厚沉積巖地區(qū)進(jìn)行了對比試驗(yàn)，這是WFEM法在浙西北巨厚沉積巖地?zé)崽綔y中的首次應(yīng)用。

1 基本原理

1.1 CSAMT法

CSAMT法是20世紀(jì)80年代末興起的一種物探新技術(shù)，在油氣、金屬礦產(chǎn)、地?zé)峥辈橐约肮こ痰刭|(zhì)研究中應(yīng)用頗廣。

CSAMT法針對大地電磁測深法的場源隨機(jī)性、信號微弱和觀測困難的弱點(diǎn)，改用人工控制場源，獲得了較好效果。該方法以有限長接地電偶極子為場源，在距偶極中心一定距離處同時(shí)觀測電、磁場參數(shù)，采用赤道偶極裝置進(jìn)行標(biāo)量測量，同時(shí)觀測與場源平行的電場水平分量Ex和場源正交的磁場水平分量Hy，計(jì)算卡尼亞視電阻率ρs。

1.2 WFEM法

WFEM法是在CSAMT和梅洛斯(MELOS)電磁法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的[10]，繼承了MELOS方法非遠(yuǎn)區(qū)測量的思路，摒棄了CSAMT法遠(yuǎn)區(qū)信號微弱的劣勢，擴(kuò)展了觀測適用的范圍，并且摒棄了MELOS的校正方法，保留了計(jì)算公式中的高次項(xiàng)。它既不是沿用卡尼亞公式，也不是把非遠(yuǎn)區(qū)校正到遠(yuǎn)區(qū)，而是用適合于全域的不進(jìn)行簡化的公式進(jìn)行迭代反演。

此次WFEM法測量使用的儀器是繼善高科研制的廣域電磁法發(fā)送機(jī)和廣域電磁接收儀，采用赤道偶極裝置的E-Ex觀測方法進(jìn)行探測，測線及測點(diǎn)位置和CSAMT法保持一致。其中測量頻率為0.0117～8 192 Hz，共53個(gè)頻點(diǎn)。

2 地?zé)岬刭|(zhì)條件

2.1 地層巖性

勘查區(qū)處于一面積不足2 km2的山間盆地中，周圍山脈海拔250～350 m。盆地呈橢圓形，南北寬約1 km，東西長約1.5 km，第四系較發(fā)育，厚12 m左右。周邊出露地層包括奧陶系下統(tǒng)印渚埠組(O1y)，巖性為鈣質(zhì)泥巖和泥巖；寒武系西陽山組(∈3x)，巖性為泥質(zhì)灰?guī)r、餅狀灰?guī)r；華嚴(yán)寺組(∈3h)，巖性為條帶狀灰?guī)r；楊柳崗組(∈2y)，巖性為泥質(zhì)灰?guī)r、透鏡狀灰?guī)r和碳質(zhì)硅質(zhì)巖；荷塘組(∈1h)主要成分為碳質(zhì)、硅質(zhì)頁巖(圖1)。

圖1 湍口地區(qū)地質(zhì)圖

從表1中可見，奧陶系地層總體呈中低電阻率特征，印渚埠組電阻率最低，寒武系地層電阻率均比奧陶系地層高，為中高電阻率特征。另外，斷裂破碎帶、裂隙等構(gòu)造，由于含水及碎屑物等的充填，會使其視電阻率明顯降低，在視電阻率斷面圖上表現(xiàn)為高阻中的低阻或者視電阻率的梯級帶。從出露地層厚度看，本地區(qū)沉積巖厚度巨厚(超過1 000 m)且存在著荷塘組質(zhì)硅質(zhì)巖等不利于電磁法的干擾因素。

表1 地層及圍巖物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

本區(qū)位于揚(yáng)子—錢塘準(zhǔn)地槽系中的錢塘槽背斜上，南西鄰接江南臺背斜。下古生界為巨厚(約11 000 m)的類復(fù)理石建造，向上過渡成上古生界穩(wěn)定的碎屑—碳酸鹽建造(厚約2 200 m)。本區(qū)構(gòu)造系統(tǒng)較為復(fù)雜，以褶皺為主，斷裂也較發(fā)育，北東向構(gòu)造線清晰，褶皺軸線向北東傾伏。

本區(qū)內(nèi)主要發(fā)育NNE、NW及EW向三組斷裂構(gòu)造，其中NNE向湍口斷裂帶及NW向朱里坑斷裂是區(qū)內(nèi)主要控水構(gòu)造。

湍口斷裂帶(F1)：由2～3條平行逆沖斷層組成，長約7 km，總體走向NE20°～30°，傾向NW，傾角70°～80°，破碎帶寬100～150 m。斷層上盤分布西陽山組灰?guī)r，下盤為楊柳崗組地層。斷裂帶在淺部(200～300 m以內(nèi))，相應(yīng)巖溶較發(fā)育。

東西向斷裂(F2)：斷層傾角上陡(70°～80°)下緩(40°左右)，寬度上寬(40 m左右)下窄(10～20 m)，斷層?xùn)|段沿河谷延伸。該組斷層形成時(shí)間最晚，斷層上下盤第四系具明顯落差。

朱里坑斷裂(F3)：由三條斷層組成，屬湍口斷裂的配套構(gòu)造，走向320°～340°，傾向NE，傾角70°～80°，長3 km，具張扭性特征，斷層破碎帶寬10 m左右，構(gòu)造角礫間均為方解石脈充填。

本區(qū)物探工作在上述斷裂交匯處優(yōu)選孔位。

3 數(shù)據(jù)采集

此次在湍口地區(qū)共布設(shè)了2條WFEM法測線(4線、9線)，均為CSAMT法和WFEM法在相同地質(zhì)條件下的共同測線。本次主要對比4線特征，4線總長2 km，點(diǎn)距50 m。

4 資料處理解釋與對比

WFEM法數(shù)據(jù)采用中南大學(xué)開發(fā)的“重磁電三維反演成像解釋一體化系統(tǒng)”進(jìn)行處理。經(jīng)過對數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理、飛點(diǎn)編輯、靜態(tài)校正和濾波后，再進(jìn)行定性分析、參數(shù)點(diǎn)分析和曲線類型分析，最后建立模型進(jìn)行反演，最終結(jié)合其他資料進(jìn)行綜合解釋。CSAMT數(shù)據(jù)采用CSAMT-SW軟件進(jìn)行處理，包括去除飛點(diǎn)、近場校正、靜態(tài)校正以及反演電阻率成圖等，最后進(jìn)行結(jié)果解釋。

4.1 反演結(jié)果對比

通過對測井資料破碎帶識別分析，WFEM法與CSAMT法測量結(jié)果的低阻反映為破碎帶，兩者反映較為接近，對破碎帶均有較好的反映。測井結(jié)果顯示，ZK401自上而下有4處破碎帶，其中標(biāo)高-294～-491 m、厚度為227 m和標(biāo)高-983～-1 363 m、厚度為380 m破碎帶在反演斷面圖上均表現(xiàn)為梯級帶，有直觀清晰的反映，可以較好識別；但在標(biāo)高-700 m左右存在的27 m以及51 m破碎帶均未有明顯反映(圖2)。

對測井資料物性層識別分析表明，WFEM法反演結(jié)果優(yōu)于CSAMT法反演結(jié)果。從測井資料看，自上而下可以分為11個(gè)物性層，其中物性層4和物性層5為泥質(zhì)灰?guī)r和硅質(zhì)巖的分界線。從廣域電磁法成果圖上看，物性層4和物性層5分界線位于低阻等值線上，能夠較好識別；而CSAMT法對于兩種物性層位無法明顯識別。特別是物性層5的厚度與WFEM法反演圖中低阻層位吻合度較高；其余層位(如物性層3、物性層7)WFEM法反映也較CSAMT法明顯(圖2)。

圖2 廣域電磁法(a)、CSAMT法(b)對破碎帶及物性層識別對比圖

5 結(jié)論

(1)相對于CSAMT法，WFEM法不舍棄高次項(xiàng)求取的視電阻率更嚴(yán)謹(jǐn)，因其不受近區(qū)以及過渡區(qū)的影響，測量深度更深，精度更高。

(2)WFEM法獨(dú)創(chuàng)的2n偽隨機(jī)信號多頻波發(fā)射，一次發(fā)射7個(gè)頻點(diǎn)，各頻點(diǎn)間距更為合理，深部分布率相對于可控源音頻大地電磁法更高。野外只需觀測單一電場Ex分量，抗干擾能力更強(qiáng)。

(3)首次利用WFEM法在浙西北巨厚沉積巖地區(qū)進(jìn)行地?zé)峥辈?，與CSAMT法相比，其在分層能力上更強(qiáng)，能夠?qū)Φ妥鑼幼龅骄?xì)分層。