HACSAMT法與CSAMT法在湖南安仁龍海地熱勘查中應用效果對比研究

韋光景 張艷軍 孟繁星

摘 要 ?可控源音頻大地電磁法（CSAMT）具有勘探深度大，抗干擾能力強、受地形影響小等優(yōu)點，被廣泛應用到中深部地熱資源勘查工作中。本次數(shù)據(jù)采集通過改變發(fā)射頻率與接收頻率之間的關系，從而獲得單頻諧波觀測，即諧波可控源大地電磁測深法（HACSAMT），可以有效提高縱向分辨率。本文通過湖南安仁龍海地熱勘查項目的實施，對兩種方法應用進行對比研究。研究結果表明，對于區(qū)域性的地質構造、溶洞的空間展布情況，具有較好的效果，但對于低阻異常體存在分辨率相對較低的現(xiàn)象。HACSAMT法信號較弱，但其具有更高的分辨率，可以更精細的反應出地質構造的形態(tài)，尤其對于低阻異常體反應更靈敏，為同類工作提供了依據(jù)。

關鍵詞 ?CSAMT;HACSAMT;采集模式;分辨率

中圖分類號：P319.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： The Controlled Source Audio Magnetotelluric Method （CSAMT） has many advantages， such as large exploration depth， strong anti-jamming ability and little influence by topography. It is widely used in the exploration of geothermal resources in the middle and deep regions. In this data acquisition， by changing the relationship between the transmitting frequency and the receiving frequency， the single frequency harmonic observation， namely the Harmonic Controlled Source Magnetotelluric sounding （HACSAMT）， which can effectively improve the vertical resolution. Its implementated in the Anren Longhai thermal exploration project in Hunan Province. The application of the two methods was compared. The results show that it has a good effect on regional geological structure and spatial distribution of karst caves， but it has a relatively low resolution for low resistivity abnormal bodies. HACSAMT method is weak in signal， but it has higher resolution and can reflect the shape of geological structure more precisely， especially for low resistivity abnormal body， which provides a basis for similar work.

Keywords： CSAMT; HACSAMT; acquisition mode; resolution ratio

0 ?引言

地熱資源作為一種清潔能源，用途極其廣泛，不僅可用于洗浴和治病，還可以應用于蒸氣發(fā)電、工業(yè)烘干、空調(diào)制冷、供暖、溫室種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖、飲用礦泉、農(nóng)業(yè)灌溉等領域。根據(jù)資料顯示，地熱水綜合利用后，用途可達30多項[1]。

和可控源音頻大地電磁法（CSAMT）一樣，諧波可控源具有勘探深度大，抗干擾能力強、受地形影響小等優(yōu)點，被廣泛應用到中深部地熱資源勘查之中[2-13]。但是，隨著深度的增加，縱向分辨率逐漸降低，深度越大分辨率越低。目前，諧波可控源音頻大地電磁法（HACSAMT）主要是采用GDP-32儀器，由于GDP系統(tǒng)中諧波采集數(shù)據(jù)為復電阻率法，只要發(fā)送機發(fā)送某一頻率的基波電流，用復電阻率法程序就可測量其基波和諧波的振幅、相位[2]。通過軟件將采集到的基波信號進行傅里葉變換，獲取諧波數(shù)據(jù)，增加頻率，從而達到提高縱向分辨率。

本次研究HACSAMT法采用是V8多功能電法儀，通過改變接收與發(fā)射的模式，直接觀測諧波數(shù)據(jù)。通過對兩種方法采集的數(shù)據(jù)以及反演斷面圖的對比與研究，并結合鉆探成果資料綜合分析，HACSAMT法相對CSAMT法具有更高的分辨率，對于低阻異常體具有更好的分辨能力。

1 ?工作原理

1.1 CSAMT法原理

2 ?應用實例

2.1 地質背景概述

研究區(qū)位于湖南省郴州市安仁縣龍海鎮(zhèn)，區(qū)內(nèi)主要發(fā)育北東向斷裂，傾向南東，逆斷層居多。其中F2斷裂貫穿研究區(qū)，為南大唐-山下斷裂，該斷裂呈舒緩波狀延伸，南北兩端均交于牌樓市-涌水灌-塘門前斷裂，斷裂帶北邊充水，沿斷裂帶有多處泉水出露。

研究區(qū)內(nèi)有多處地熱異常出露，分布不規(guī)律，自流井水量小，水溫不高，周邊有小規(guī)模的開采利用。我院在此處開展了水文地質調(diào)查，且開展了40m點距的CSAMT法測深，基本上查明地質構造的空間展布情況，并在1線推測斷裂帶部位實施了鉆探工作。經(jīng)過抽水試驗，水量達2000t/d，但距離鉆孔20m處一自流井水量、水溫、水位并未出現(xiàn)變化。推測該地控熱斷裂分布并未查明，為了進一步查明地質構造空間展布情況，又在該鉆孔周圍開展本次工作。

出露地層主要為侏羅系（J）、石炭系（C）、泥盆系（D）、第四系（Q）。侏羅系地層（J）巖性：黃綠色石英砂巖、泥巖、粉砂質泥巖。石炭系（C）地層巖性：深灰色白云質灰?guī)r、白云巖，夾細砂巖。石炭系余田橋組（D3s）：上部為暗灰色厚層含粉砂質灰?guī)r，下部為暗灰色中厚層-厚層白云質、粉砂質灰?guī)r，間夾泥質灰?guī)r。石炭系錫礦山組（D3x）：下段灰黑色白云質灰?guī)r、隱晶質灰?guī)r夾泥質灰?guī)r，含硅質結核，普遍含粉砂質、泥質、白云質條帶。第四系（Q）：巖性為網(wǎng)紋紅土、粉砂土、粉砂亞粘土、粉砂、礫石層。

2.2 地球物理特征

研究區(qū)采用根據(jù)已有鉆孔資料，采用露頭小四極測試法，對巖芯取樣測試獲得，統(tǒng)計平均數(shù)值如下表。

由表1可知，第四系粘土及砂礫卵石平均卡尼亞視電阻率平均為100Ω· m，屬低阻地質體;巖溶、裂隙帶平均為100Ω·m，屬中低阻地質體，二者平均卡尼亞視電阻率變化范圍有較大重疊，可從分布形態(tài)區(qū)分，巖溶呈團簇狀低阻體。第四系地層一般在地表呈近水平分布，且沿淺地表;斷裂構造在第四系下呈近條帶狀分布;灰?guī)r視電阻率平均為8000Ω·m，與斷裂構造比較，視電阻率具有較大的差異，可以較好的把灰?guī)r與斷裂帶以及溶洞區(qū)分開。

2.3 工作方法與技術要求

研究區(qū)及周邊，北東向斷裂發(fā)育，并切割了基底巖層且經(jīng)過多次重復頻繁的活動，使之形成較寬的破碎帶，特別是在基底脆性巖石中形成控熱構造帶。北東向、北北東向構造帶、裂隙密集帶為主要地下水的補給、逕流、儲存的主要通道和空間。因此在研究區(qū)選用CSAMT法進行勘查，主要目的查明斷裂帶空間展布情況，從而達到地熱資源勘查目的。

研究區(qū)的前期開展了40m、20m點距的CSAMT法工作，大致查明了構造的空間展布情況，并在1線推測斷裂帶部位開展鉆探工作。經(jīng)過正規(guī)抽水試驗，水量達2000t/d，距離鉆孔20m 處一自流井水量、水溫未出現(xiàn)變化，與物探成果不吻合。推測點距過大，分辨率并未達到要求。因此重新增加工作量，設計5m點距，并且提出采用HACSAMT與CSAMT法進行重復測量，兩種測量成果進行比較，根據(jù)物探成果開展下一步工作。

本次研究所采用的測量點距為5m，由于點距較小，且諧波信號相對基波信號較弱，因此采用小收發(fā)距，大電流供電。設計發(fā)發(fā)射極至接收機間的距離為2km，AB=800m，電流=15A，測點偏離發(fā)射偶極子中垂線最大角度10°，符合理論上小于30°的要求，最低頻率為 30Hz。研究區(qū)工程布置圖如圖2。

基波與諧波發(fā)射機與接收頻率表（表2、表3）如下：

2.4 效果對比研究

2.4.1 CSAMT與HACSAMT 單點曲線對比

在研究區(qū)域分別用CSAMT法與HACSAMT法做了兩條對比測線。23號線單測點相位與視電阻率對比圖如圖4、圖5，其中藍色線為基波信號測量，紅色線為三次諧波信號測量。

根據(jù)以上兩圖，點-2.5m處的基波與諧波的低頻段視電阻率以及相位曲線基本一致，高頻段略有差異，但整體上趨于一致。點-22.5m的基波信號視電阻率以及相位信號均有較大的差異。

由圖可見基波和諧波在工作環(huán)境相同的條件下，基波與諧波的視電阻率以及相位曲線差別不大;但是地質結構不同，基波與諧波的視電阻率以及相位曲線有明顯的差異，并且是同步變化的。

2.4.2 ?CSAMT與HACSAMT反演斷面圖對比

根據(jù)要求，數(shù)據(jù)處理采用成都理工大學研發(fā)的MTsoft2D進行二維反演，其中反演的參數(shù)為為默認參數(shù)，二維反演采用均勻半空間反演的結果為模型，反演斷面圖如圖5、圖6。

由圖5可知，左側為23線基波二維反演斷面圖，-30～30m段為條帶狀低阻體，推斷該處存在一條大斷裂f4;30～90m段為山峰狀高阻體，推斷為灰?guī)r。右側為諧波該斷面 -30m～15m點下方低阻異常推斷f1斷裂;45m～70m下方低阻異常帶推斷為斷裂f4，斷面上高推斷為灰?guī)r。

由圖6可知，左側為基波二維反演斷面圖，0～60m段為條帶狀低阻體，推斷該處存在一條大斷裂;60～120m段為山峰狀高阻體，推斷為灰?guī)r。基波二維反演斷面圖與三次諧波一維反演斷面圖形態(tài)大致一樣，推斷存在一條斷裂帶，三次諧波反演斷面圖有更多的細節(jié)反應。

由以上分析可知，在23線-15m處實施的鉆孔ZK1，熱泉來源于斷裂f1，因此該鉆孔抽水時， 距離鉆孔20m處一自流井水量、水溫、水位并未出現(xiàn)變化，而該自流井受斷裂f2控制。

2.4.3 成果驗證

為驗證地球物理勘查成果異常是否可靠，在結合水文地質資料的基礎上，在異常比較好的23線的點號為20m處設計了鉆孔（ZK3），孔深為350m，鉆孔傾角88度。

根據(jù)鉆孔成果，在56m～67m段溶洞發(fā)育，溶洞的頂、底板溶蝕現(xiàn)象非常明顯，含水性較好;160m～186m段發(fā)育四處溶洞發(fā)育，溶洞底板沉積厚度大小不等的砂礫、砂黃土，含水性較好，隔板溶蝕現(xiàn)象明顯;200m-260m段，見構造角礫，構造發(fā)育含水性好。經(jīng)過抽水試驗，水量達到1800m3/d，水溫41℃，成果較為顯著。

根據(jù)鉆孔資料與地球物理勘查成果對比，顯然HACSAMT法斷面推測的斷裂與鉆探成果更加吻合。

3 ?結論

根據(jù)本次在研究區(qū)開展兩種方法的對比研究取得成果有以下幾點認識：

（1）在研究區(qū)開展電磁法測深取得較好效果，基本查明地質構造、溶洞的空間展布情況，為當?shù)氐責豳Y源的開發(fā)與利用提供科學依據(jù)。

（2）在研究區(qū)通過兩種方法成果的對比，HACSAMT法具有更高的分辨率，在保證數(shù)據(jù)質量的情況下，HACSAMT法斷面的表現(xiàn)出更多的細節(jié)，尤其對于低阻異常體有更好的分辨能力。

（3）針對大點距電磁法分辨率達不到要求時，可以縮短點距，采用HACSAMT法觀測。由于諧波相對于基波而言，信號會相對較弱，因此小點距的HACSAMT法觀測時，宜采用短收發(fā)距、短AB極、大電流供電。

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