可控源音频大地测深（共9篇）
可控源音频大地测深 篇1
0 引言
目前,在输油、输气管道系统中,对隧道进行地质勘察时,浅层地震勘探一直是工程物探的主要手段,在地震勘探难以施工地区和需要查清隧道洞深所在范围内富水情况时,多采用直流电阻率测深或瞬变电磁测深方法等常规电磁法。在通常情况下,常规电磁法勘探深度较小,同时受到地表条件影响,在复杂地形条件下,直流电阻率测深和瞬变电磁测深方法很难完成相应的勘探工作。少数也采用了音频大地电磁测深法(AMT),但是音频大地电磁测深法由于采用天然场源,易受到外界干扰,效率也比较低。
可控源音频大地电磁测深法(CSAMT)是近二十年来迅速发展起来的一种电磁法勘探技术,是用接地导线或不接地回线作为场源,在波区测量相互正交的电、磁场切线分量,并计算卡尼亚电阻率,通过改变供电频率(高频—低频)逐渐加大勘探深度来达到测深目的的一种电磁测深方法。它具有探测深度大、工作效率高、抗干扰性强、受地形影响相对较小及成本较AMT低廉等特点。且在2km深度范围内,CSAMT能发现所有电阻率差异较大的不均匀体,近年来已成功地应用在矿产、地热及水工环等各个方面[1~3],在公路、铁路隧道勘察方面的运用,也取得了很好的效果[4~6]。此外,对于探测隧道洞身范围内的岩层分布、断层和构造破碎带的位置以及延展情况,都能取得理想的效果。
1 方法基本原理
可控源音频大地电磁测深法是在音频大地电磁测深法的基础上发展起来的人工源频率域测深方法。它基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程组导出的水平电偶极源在地面上的电场及磁场公式,推导出亥姆霍兹波动方程,进而可得到大地介质电场E、磁场H、电磁波频率f与大地视电阻率ρs见(1)式的卡尼亚公式:
式中:Ex—沿x方向的电场,Hy—沿y方向的磁场。
根据电磁波的趋肤效应理论,由于电磁波在地下传播时,其能量随传播距离的增加逐渐被吸收,故电磁波强度逐渐衰减。当电磁波振幅减小到地表振幅的1/e时,其传播的距离称为趋肤深度δ,即为电磁法理论勘探深度d。其趋肤深度公式为:
实际工作中,虽然趋肤深度与电磁波在介质中穿透的深度有关,但它并不代表电磁勘探中实际的有效深度。这是因为探测深度是指某种测深方法的体积平均探测深度,其经验公式为:
式(3)表明,随着电阻率的减小或频率增大,探测深度变浅;反之,随着电阻率的增大或频率减小,探测深度加深。因此,当大地电阻率一定时,通过对不同频率电磁场强度的测量,就可以得到该频率对应深度的地电参数,从而达到测深的目的[7,8]。
2 测区概况及地球物理特征
2.1 测区概况
永定河隧道位于北京市门头沟区妙峰山镇丁家滩村和担礼村境内,为输气管道穿越河流和山岭的隧道。隧道纵向形式为“斜巷+平巷+斜巷”,其中进洞口段坡度为39.25%(约21.4°),洞身段坡度为3.49%(约2.0°),出洞口段坡度为32.5%(约18°)。隧道水平长1004.7m,实长1043m,其中穿越永定河河道段属水下隧道,见图1。
2.2 测区地球物理特征
测区位于华北断坳、西山迭坳褶和门头沟迭陷褶的东部。区内褶皱构造发育,是北京地区中生代向斜构造规模较大、分布相对集中的地区,其中以北东向褶皱规模最大,东西向和北北东向次之,近南北向者规模最小且不发育。断裂构造发育程度与褶皱构造一样,以北东向为主,东西向和北北东向次之,逆冲断层较发育,正断层相对较少。
区内主要出露以下地层:第四系全新统地层,永定河道内主要沉积砂卵石层及卵石层;厚度较大的、第四系下伏地层为下古生界奥陶系下统亮甲山组地层。
由河北省区域物性资料可知:第四系砂砾石、卵石等地层的电阻率常见值为50~350Ω·m,该类土层的电阻率变化范围较大,主要取决于松散物的成分、粒级及含水情况;另据统计,奥陶系灰岩电阻率均值为9283Ω·m,见表1。
注:σ为密度;κ为磁化率;Jr为剩磁强度;Q值为RQD值;ρ为电阻率;η为激化率(据《河北省物性资料》)
理论及实践表明,岩石的导电性与其物质成份和结构、构造有着十分密切的联系,上述资料提供的岩石电阻率特征为本次工作的推断解释提供了参考依据。本次音频大地电磁测深法的工作成果宏观上显示了主要岩石的电性特征。同一种岩性分布范围内,电阻率分布特征出现明显的不连续性和局部低阻异常,其主要原因可能是岩石风化、破碎及含水所致,即为本次工作判断不良地质现象的依据。
3 野外工作方法
本次勘探采用赤道偶极装置进行标量测量,同时观测与场源平行的电场水平分量Ex和与场源正交的磁场水平分量Hy。然后利用电场振幅Ex和磁场振幅Hy计算阻抗电阻率ρs。观测电场相位Ep和磁场Hp,用以计算阻抗相位φs。用阻抗电阻率和阻抗相位联合反演计算可控源电磁测深反演电阻率参数,最后利用反演电阻率进行地质推断解释。
可控源音频大地电磁测深法标量测量方式是用电偶源供电,观测点位于电偶源中垂线两侧各30°角组成的扇形区域内,见图2[9]。
本次野外工作使用美国Zonge公司生产的GDP-32Ⅱ多功能电法仪。该仪器有八个接收通道,能够完成时域激发极化(TDIP)、频域激发极化(RPIP)、复电阻率法(CR)、瞬变电磁法(TEM)、可控源音频大地电磁测深法(CSAMT)测量,其性能指标为:工作频率0.007~8192Hz,工作温度-20~60℃,工作湿度5%~100%,时钟稳定度<5×10-10/24h,输入阻抗10MΩ/DC,动态范围190d B,最小检测信号电压0.03μv、相位±0.1mard(毫弧度),最大输入信号电压±32V,自动补偿电压±2.25V(自动),增益1/8~65536(自动)。
为更好地完成地质任务,需要选择最佳工作参数。通常在电磁测深工作中,需要根据地质任务及当地的地电环境对供电电极距AB、测量电极距MN、收发距r、工作频率范围、可测扇区的夹角θ等项参数作选择。
我们使用的场源是有限的,因此对收发距r的大小就有一定要求。最小收发距r受到进入近区带的限制,理论上要求rmin>0.5δ。最大收发距则受到最小可探测信号的限制。为了使大部分频点位于远区并满足信噪比的要求,需要选择一个适当大小的收发距;供电电极距AB增大可使信噪比加大,但其负面影响则是降低了工作效率,从而使成本加大;接收电极距MN加大,可滤掉地表不均匀体的影响,但同时降低了横向分辨率。因此也需要选一个适当的值;规范中规定可测扇区的夹角θ≤60°;理论上工作频率越低勘探深度越大,但这也受近区的限制。总的来说,这些参数彼此之间关系密切,需要综合考虑来加以确定。
结合本区地质任务和地电分布情况,选择如下装置参数:供电电极距AB=1500m;接收电极距MN=20m;可测扇区的夹角θ≤60°;工作频率范围f=1~8192Hz;收发距r=6000~7000m。
本次勘探测线沿隧道走向布设,为了有效地探测洞体,使其尽可能地满足探测要求,测线布设的起始点和终点向洞口的外侧延伸约50m。山岭部分点距20m,在河道内对测点进行了加密,点距为10m。用GPS RTK确定各测点的位置,记录各点的坐标和高程。测线基本沿隧道中线布设,在地形变化剧烈的局部地段,实际点位偏离隧道中线5~15m。在测线布设时,记录了测线实际位置以及到隧道中线的投影桩号,以便室内进行校正。
4 数据处理
数据处理采用与GDP32Ⅱ电法工作站配套引进的Zonge公司的专业软件处理包进行,数据处理分以下几个步骤进行。
(1)数据编录:为了正确使用野外观测数据,需对原始观测数据进行编录,数据编录先用手工方式,再用程序的方式。(1)手工方式编录:将野外观测数据进行浏览,择出质量检查点、废弃点等多余的数据模块,检查并保留与剖面直接相关的观测信息,将不同时间分批完成的剖面观测数据归并到一个数据文件中,为下一步处理准备好数据文件;(2)程序方式编录:用Zonge公司的专业软件中shred408.exe和amtavg.exe程序将野外数据按剖面点号、工作频率、观测值等进行排序,合并重复点信息,输出供下一步处理的数据文件。
(2)工区信息资料准备:建立工区信息文件(mde文件),工区信息文件中应包含承担单位信息,工作者信息,剖面装置参数信息等,而剖面装置参数信息应包含供电偶极子信息(如偶极子长度、方位,偶极子中心点坐标等)和测量偶极子信息(如偶极子长度、方位、偶极子中心点坐标、点距等),绘制装置布置图,检查校对无误后保存工区信息文件,进入后续的数据处理过程。
(3)导入高程,建立模型:将测点的点位坐标及高程成果X、Y、H等输入,建立测点坐标文件(stn文件),为下步数量处理作准备。
(4)数据预处理:数据预处理进行了三个步骤,即摘除畸变点数据、数据圆滑和静态改正,均使用Zonge公司的专业软件包中astatic.exe程序自动进行。其中,摘除畸变点数据使用该程序中的drop skipped data模块进行;数据圆滑使用robust smoothing filter模块进行;静态改正使用static corrections模块进行。
(5)全区视电阻率计算:将进行了各项改正的数据按全区电阻率公式计算剖面全区视电阻率,使用Zonge公司的专业软件处理包scs2d程序进行。
(6)二维联合反演:二维联合反演使用Zonge公司的专业软件处理包scs2d程序进行。(1)反演参数设定:为了不损失剖面两端边部的信息进行边界延拓,即将剖面观测成果向剖面两端各延拓3~5个测点点位,程序按默认的延拓范围进行;(2)初始反演模型设定:根据本区地质结构的复杂程度和程序处理数据的能力,将本区地下电性模型设计为16个电性层,电性层的顶层厚度设计为30m,向下按10%的比例递增,电性单元的宽度按程序默认的点距宽度设定为20m,电性单元初始电阻率参数设定范围为0.01Ω·m~1000000Ω·m;(3)反演精度设定:电场强度和磁场强度反演拟合精度为5%,电场磁场相位反演拟合精度为1%;(4)叠代次数设定:根据数据质量、模型复杂程度、拟合精度等事件,设定本区二维联合反演叠代次数为3~8次。
(7)结果成图输出:根据全区视电阻率计算成果和二维联合反演成果,使用surfer作图软件制作地下电性分布图。
数据处理全部流程见图3。
5 数据解释
测区内地形起伏较大,给资料的处理带来了一定的困难,通过精细的资料处理后,获得可控源音频大地电磁测深(CSAMT)反演视电阻率断面图。受区内构造变化复杂的影响,探测成果的解释难度大,因此解释工作参考了工程钻探成果、1∶50000地质图和工程地质测绘的成果,提高了解释成果的可靠性,力求使解释成果满足探测要求。
断层划分依据:断层切割地层,断层处岩石破碎,或者含裂隙水,呈现低阻异常,两侧呈现高阻异常。
永定河隧道CSAMT反演断面成果见图4,由图中可以看出,断面内视电阻率值在100~10000Ω·m,电阻率差异很大。其中地表小于500Ω·m的区域,推测为第四系及卵砾石,厚度变化较大,其中山岭部分大部分为基岩出露;覆盖层以第四系浮土和碎石土为主,一般厚度在0.5~2.5m,局部超过3m。河谷部分以卵石为主,厚度变化剧烈,一般厚度在20~30m,在桩号480~540(25~28号测点之间)处出现一个“V”字形深谷,厚度超过90m。
全区共发现断层7条,分别命名为F1~F7,F1:桩号60~100(4~6号测点之间)、F2:桩号180~200(9~10号测点之间)、F3:桩号280~300(14~15号测点之间)、F4:桩号380(19号测点)、F5:桩号440(22号测点)、F6:桩号480~520(24~26号测点之间)和F7:桩号860~900(43~45号测点之间)。这些断层处均呈现为相对近直立的低阻异常,推测为断层和断层破碎带的反映。
灰岩内明显低阻的地段推断为因构造破碎引起的富水区。
推断成果见图5。
通过与后期河谷布置的工程钻探成果对比,推测出的覆盖层厚度、断层破碎带和“V”字形深谷均与钻孔揭露的情况基本相吻合,说明该方法能够满足地质勘察的精度要求。由于山岭部分受场地的限制没有钻孔资料,建议后期对异常区进行钻孔验证,以更准确地指导隧道施工。
6 结论
隧道多分布在山岭河谷地区,具有地形起伏大,变化剧烈,地层结构复杂等特点,使得隧道勘察成为勘察工作中的一个难点。可控源音频大地电磁测深法能解决一些传统的工程物探方法无法解决的问题,通过它在永定河隧道勘察中的应用,得出以下结论。
(1)可控源音频大地电磁测深法具有探测深度大,工作效率高,抗干扰性能强,受地形影响相对较小及成本低廉等特点,而且能够满足隧道勘察的不同要求。
(2)可控源音频大地电磁测深法对低阻非常敏感,可有效地划分断层破碎带,圈定地下水富集区,可有效避免高阻屏蔽,解决常规电法以及地震折射法不能解决的地质问题。
(3)由于本次勘探只布设了一条测线,给勘探的处理解释带来了很大的难度,也影响了解释的精度。
(4)测区内缺乏钻孔,资料不完整,无法做更好的对比解释,解释成果可能存在偏差。必要时应对解释的异常区布置钻孔进行验证。
摘要：可控源音频大地电磁测深法是近些年发展起来的一种物探方法,已广泛应用于矿产资源开发勘探和公路、铁路隧道的勘察中。本文主要论述了可控源音频大地电磁测深法的工作原理、野外工作方法及数据采集过程中几个重要参数的选择。通过对永定河隧道工程的实际应用和详细分析得知,可控源音频大地电磁测深法能有效查明深埋隧道的地质构造(如断层、破碎带)及其赋水性,为地质钻孔布置及隧道设计、施工提供可靠的地球物理依据。
关键词：可控源音频大地电磁测深,隧道勘察,地质构造
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可控源音频大地测深 篇2
关键词：可控源音频；大地电磁测深法；金属矿勘探；铁锌矿；深部勘测方法；人工源频率 文献标识码：A
中图分类号：P631 文章编号：1009-2374（2016）18-0153-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.076
1 概述
可控源音频大地电磁测深法，它是一种根据人工源频率进行地球物理深部探测的一种方法。它发展于20世纪50年代，但是自80年代起才开始大面积应用于实际探测中。可控源音频大地电磁测深法自实际应用以来，以其他探测方法无法比拟的优势，在各个领域取得了相当的成就。不管是金属矿、煤炭、石油、天然气的勘探，还是地热、地质、水文的探测，可控源音频大地电磁测深法都能以其强大的勘查功能，完成测探作业。
2 可控源音频大地电磁测深法工作原理与优势
2.1 可控源音频大地电磁测深法探测原理
可控源音频大地电磁测深法克服了大地电磁测深方法等旧有技术的缺点，在矿体勘探中可以从纵向和横向两个方面进行地质辨别，形成准确的勘探结果。
可控源音频大地电磁测深法在勘探作业中，是根据电偶源发射出不同频率的电磁波，然后根据这个不同频率电磁波的反应数据，观测电场响应水平分量振幅以及磁场响应水平分量振幅，然后根据公式计算对应频率的视电阻率和阻抗相位。视电阻率公式如下：
（1）
阻抗相位公式如下：
（2）
式中：Ex表示电场响应水平分量振幅；Hy表示磁场响应水平分量振幅。
根据电磁波传播原理可得其穿透深度即趋肤深度的方程公式：
（3）
然后根据趋肤深度可计算出探测深度：
（4）
2.2 可控源音频大地电磁测深法的应用优势分析
可控源音频大地电磁测深法和传统的音频大地电磁测探法、大地电磁法等，其优点表现为：首先，可控源音频大地电磁测深法对于低阻地质的辨别反应极为灵敏，可快速分辨物理性质，而对于高阻地质，则可以削弱其屏蔽性，快速穿透阻隔层，探查深处地质性质。不管是高阻地质还是低阻地质，可控源音频大地电磁测深法的查找速度均快于普通勘探方法，探测信号强，抗干扰能力高；其次，可控源音频大地电磁测深法垂直方向分辨能力非常好，定位准确度高，对于断层的识别尤其擅长，且地形对可控源音频大地电磁测深法带来的影响性是比较小的，校正也简单，具有非常高的作业效率。
3 可控源音频大地电磁测深法在铁锌矿中的应用
可控源音频大地电磁测深法的应用非常广泛，本次以其在某铁锌矿体勘查中的应用实例进行分析。
3.1 矿区地质概况分析
该矿区内出露岩石主要为变质岩类、花岗岩类以及沉积岩类，铁锌矿主要集中在太古宙花岗绿岩带内，花岗岩化作用对该区域古老变质岩产生了一定的作用，产生了大面积的不同形态的条带状混合岩与钾质、钠质混合花岗岩。矿区岩石为中高级变质岩系，地区地质构造复杂，铁锌矿床主要受花岗绿岩带的岩层以及结构控制，影响铁锌矿成矿的主要因素包括褶皱系、地层以及古火山机构。矿床属于火山喷气-沉积型矿床，铁锌矿的成矿方式为矿液流在海底岩石和海水上沉积块状层逐渐累积成矿。
3.2 矿区地球物理特征
该矿区的岩性主要包括混合岩、角闪片麻岩、黑云斜长片麻岩等，没有矿化之前地层中只含有少量的岩性金属硫化物，甚至有的地层不含硫化物，而矿体、矿化带中硫化物的质量分数显著增加，随着金属硫化物含量的增加，则矿体铁锌含量越高。该矿区的无矿化岩石电阻率超过n×103Ωm，而矿脉电阻率介于n×
10-4～n×10Ωm之间，即无矿化与矿脉的电阻率变化存在明显的差别，因此可以采用可控源音频大地电磁测探法对该矿区的铁锌矿进行探测。
3.3 方法分析
3.3.1 布置测线。由于该矿区植被众多，给矿区测量工作增加了很大的难度，因此采用手持GPS对矿区的四角端点进行定点，根据矿山勘探线的方向，最终确定剖面的方向。基线设置表现为：采用手持GPS沿着基线方向间隔100m进行定点，然后插上小红旗，以此作为基线点，基线方向选定北东62°，矿山地质勘探方向选定333°，在整个矿区总共布置2条基线。在进行剖面测量时，采用手持GPS沿着剖面方向间隔100m进行定点，并采用GPS对中间点进行定向，间隔25m插小红旗，用测绳进行量距，然后间隔100m进行定桩，标注电线号，并将其当作物探观测点。
3.3.2 野外探测与资料整理。野外探测主要采用ANT/6探头、7个不极化电极、GDP32Ⅱ多功能接收机，设置7个通道对6个观测点进行测量，以此获得磁场值与电场值，然后转换成卡尼亚电阻率。在实际探测的过程中，对各探测点的阻抗相位、视电阻率对其层厚度、层电阻率进行反演，然后对地质进行解释。在可控源音频大地电磁测探法反演解释过程中，通常采用一维层状模型与拟二维反演解释方法，第二种方法是基于第一种方法之上，对各测点的数据信息进行反演。采用一维层状模型进行反演，无法克服二维、三维地质环境所取数据信息的复杂地形的影响。因此，该矿区采用带有地形的二维模型反演软件，能够有效地解决上述问题，能够客观、真实地反映该矿区的地下电状况。根据不同深度获得的视电阻率值，绘制该矿区不同深度的视电阻率拟断面图，并根据相关地质资料对地质断面进行解释。通过对该矿区的第42条探线进行实际测量，测得800m标高、1000～1100m标高位置，视电阻率出现异常，仅仅只有525Ωm，在矿山-830m左右探测存在32m厚铁矿，以此判断导致视电阻率降低的原因是铁矿所致。在第55条探线上，-100～-800m标高位置，出现视电阻率小于495Ωm的状况，通过观察该区域的成矿条件与低40条探线类似，因此該区域也是查找铁矿矿的有利区域，并且在该探线上布置了两个实验钻孔，即ZK55-2、ZK55-4。
3.4 结果验证
通过对ZK55-2实验钻孔进行测探，因为受到构造以及地层的影响，钻孔并没有按照既定的异常方向漂浮，因此并没有检测到视电阻率异常的现象。通过对ZK55-4实验钻孔进行测探，表明在标高1126～1156m之间，检测出视电阻率异常的现象，即存在30m厚的工业铁锌矿体。由此可见，钻探结果和可控源音频大地电磁测探法异常推测结果相吻合，即验证了可控源音频大地电磁测探法在金属矿探测中的可行性、准确性以及可靠性。
4 结语
综上所述，将可控源音频大地电磁测探法应用在金属矿查找中，具有设备轻便、分辨率高、探测深度大、准确度高等众多优点。同样，因为可控源音频大地电磁测探法属于频率域卡尼亚电阻率测探法，在找矿的过程中，会有众多因素对岩矿间的电阻率产生影响，在实践应用的过程中，应该充分地考虑地质特征、矿床成因以及围岩电性等，以此提高探测的准确性与可靠性。
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可控源音频大地测深 篇3
1 勘查思路
内蒙古自治区对已发现含煤盆地不同程度的进行了勘查工作, 现阶段已大致查明了各盆地赋煤情况, 并估算了煤炭资源的远景量, 在现阶段勘查程度下进一步提高远景资源量难度很大, 提高勘查程度只会对资源量级别有影响, 而对总量影响不大;这样下一步需要加大对成煤环境条件复杂地区和受构造影响的沉积等地区的工作力度。
1.1 推覆体下、火山岩下赋煤盆地
这一类型含煤建造在我国的福建连城县及吉林省长白山地区已得到验证, 内蒙古自治区东部有着相似的构造条件。
1.2 构造断陷盆地
晚侏罗世晚期至早白垩世, 内蒙古东北部出现构造活跃期, 较多地堑、半地堑式断陷盆地在此期间形, 它们是伸展作用下的产物。煤层格架就此形成, 同时构成了盆地充填序列。断线盆地的形成和演化, 控制着煤层的展布方向、横向分带和纵向分区、煤层旋回结构及煤变质程度。
1.3 老矿区的深部找煤
已开发矿区深部仍然可能具有煤炭资源开发潜力, 应对老矿区深部开展找煤勘探工作以实现资源可持续开发, 应在以往勘探资料分析研究的基础上, 结合矿井实际开采资料, 对老矿区深部开展进一步的勘查工作。
在这样工作的背景下, 以往仅靠重力资料寻找赋煤区域的方法已不再有优势, 尤其对构造复杂区和老矿区深部赋煤情况较难了解, 而地震勘探成本又太高, 不宜大面积开展工作;在这样的工作背景下, 可控源音频大地电磁测深法 (CSAMT) 作为一种成熟的电磁勘查手段恰好可以弥补这一空缺。
可控源音频大地电磁测深法 (CSAMT) 作为资源勘查的新技术, 在构造复杂地区、地形变化较大的山区及目标层较深的勘查区, 该方法有不可替代的优势, 它的优点主要表现在工作效率高、勘探深度大、垂直及水平分辨能力高、受高阻屏蔽作用小等优点。
可控源音频大地电磁测深法用于煤炭勘查时可以解决煤系地层赋存范围及深度的问题, 利用煤系地层与上下接触地层及煤层与顶底板之间的物性差异, 能够分析判定煤层赋存范围及大致深度。该方法对在火成岩下、推覆地层下、红层下赋煤情况勘查效果显著, 常规的直流电法勘探遇到高阻层时会与浅层低阻层并联, 直接导致电流通过低阻层形成回路, 很难将高阻层信息返回地面, 同时直流电法测深有效测量深度较小, 一般在500m以浅;而采用大地电磁测深可以解决这一问题, 该方法是通过电磁感应机理测量深部地层物性参数的。
在其他勘查手段难以取得较好效果的情况下, 利用可控源音频大地电磁测深法 (CSAMT) 可有效的反映纵向物性剖面, 该工作方法已经在吉林长白山地区、福建连城地区火山岩下找煤取得了较好的成果。可以借鉴这些地区的工作方法, 火成岩下赋煤、推覆地层下含煤情况在物探模型中是不受地质年代影响的, 也就是说上述两地区地层物性上与兴安盟地区火山岩下找煤在电性物理模型上是视相似的, 我们可以考虑应用该方法解决我们的问题。
2 可控源音频大地电磁测深法
可控源大地电磁简称CSAMT法[1], 在二十世纪80年代我国开始研究并在地质勘探期间应用, 该方法具有较大勘探深度和分辨率, 利用该方法在能源、矿产及地下水的研究中应用广泛。
该方法的理论基础是基于电磁波传播和麦克斯韦方程组利用公式表达为:
式中f代表频率, 地下介质视电阻率ρs等于电场Ex与磁场Hy比值。
由上式可知, 只要地面能观察到正交的水平电磁场 (Ex, Hy) 就可获得地下的卡尼亚电阻率ρs。
根据电磁波的趋肤效应理论, 导出了趋肤深度的表达式:
由趋肤深度表达式可见, 要解决的岩浆岩或推覆体下煤系地层正是高阻-低阻的层状物性层, 可以考虑用这一方法来解决实际问题。
内蒙古自治区含煤时期主要为侏罗纪及白垩纪, 局部地区石炭纪地层含煤, 兴安盟地区是内蒙古自治区少数缺煤的盟市, 由于其特殊的地质环境, 成煤条件较差, 且受构造及岩浆热液多期次侵入等因素影响, 在煤炭勘查方面一直没有明显的突破, CSMAT法可以帮助确定煤系地层赋存范围及大致确定赋存深度, 为煤炭勘查选区提供依据。
3 可控源音频大地电磁测深法应用
兴安盟地区区域出露地层由老到新地层有上元古界变质混合岩;早寒武系碳酸岩, 夹少量的碎屑岩;石炭系地层主要岩性为沉积碎屑岩、碳酸岩;二叠系主要岩性为泥质粉砂岩、细粉砂岩, 侏罗系主要岩性为凝灰质砂岩, 粉砂岩, 炭质泥岩, 是主要的含煤地层, 白垩系主要岩性为粉砂岩、细砂岩, 第三系主要岩性为黑色致密状安山玄武岩、沙砾岩;第四系冲洪积局部覆盖。
据牤牛海工作资料及经验, 中侏罗统煤系含煤段岩石基本为砂岩, 泥岩, 电阻率值较低, 与围岩电阻率有明显差异, 具体岩性物性特征见表1。
通过物性参数可以把该区地层岩性按电阻率大致分为高、中、中低和低阻四类, 高阻地层岩性为上元古界、华力西期、燕山期的侵入岩, 其视电阻率大于2000Ω·m, 中高阻地层电阻率在500~1000+Ω·m之间, 岩性为石炭系的碳酸盐岩及第三系的玄武岩, 中低阻地层为侏罗系煤层电阻率一般在200~610Ω·m, 低阻地层为侏罗系泥岩及泥质粉砂岩。按地层层序和火山岩物性特征, 电阻率断面可以明显区分, 该区域主要成煤时期是在燕山期火山间歇期, 沉积岩和火山岩电性差异明显, 应用可控源大地电磁法CSMAT可较好的确定火山岩覆盖下的煤系地层, 在沉积地层尽可能利用煤层与顶底板的物性差异进行划分。这一方法可以在煤炭勘查选区及预查阶段提供有利信息, 很大程度缩小找煤靶区。
4 存在问题
大地电磁测深已经是一种较为成熟的方法技术, 该方法在实践中不断完善, 但仍有部分技术问题有待解决。如该方法的抗干扰能力较弱, 特别是在矿区和经济发达区受到工业用电干扰很难控制数据质量。为了提高大地电磁的应用效果, 需要研究强干扰等特殊地区的数据采集方法技术及特殊处理技术。通过在实验区的大地电磁观测实验, 研究适用于不同地质条件及干扰水平地区的大地电磁数据采集方法技术以及精细处理与反演方法以及大地电磁探测与地震探测的集成与约束反演方法, 将推动大地电磁探测方法的技术进步[2], 提高大地电磁的应用效果, 为获取地下不同深度的准确的电性结构分布以及进行壳幔结构特征研究提供技术支撑。
在技术角度讲即使没有外界干扰, 同样也是存在的如有场源效应、进场效应、静电效应及测量电阻率参数单一等因素增加了解释难度, 这也说明任何一种物探方法都有使用条件, 只有因地制宜选择最有效的方法, 结合地质资料综合解释, 才是最可靠最现实的。
5 结论
针对内蒙古自治区下一步煤炭勘查方向, 可控源大地电磁法 (CSMAT) 可以帮助解决构造复杂区和老矿山深部找煤的问题。
摘要：内蒙古自治区是煤炭大省, 煤炭储量全国第一, 现已勘查含煤盆地103个, 煤炭资源远景含量13000亿吨, 累计探明资源量8080.65亿吨, 以往工作主要集中在已发现盆地及矿区;进一步提高资源量有待于新的含煤盆地的发现和深部资源量提高, 可控源音频大地电磁CSAMT作为一种成熟的勘查手段在调查选区及确定煤系地层赋存范围过程中有着不可替代的作用。
关键词：煤炭,火山岩,构造,可控源音频大地电磁
参考文献
[1]王赟, 杨德义.CSAMT法基本理论及在工程中的应用[J].煤炭学报, 2002, 4.
可控源音频大地测深 篇4
关键词：可控源音频大地电磁法；隐伏活动；断裂层；探测
前言：可控源音频大地电磁法是电磁法的一种，其具备很多自身的特点和优势。由于地壳运动及地震的频频发生，导致矿区隐伏活动大量出现，导致地层发生断裂，对周边环境等造成较大的安全威胁。利用相应的电磁法对所在区域加以测量和探测，搜集相关数据，并制定解决方法，提高隐伏活动断裂的探测水平及效率，丰富数据资料。
1 CSAMT工作原理
CSAMT（可控源音频大地电磁法）主要利用人工控制场源加以频率探测。由于人工场源能够有效解决信号微弱的问题，通过此方式将地面的波全部当做平面波，在频率较低的情况下会发生电阻减少的状况，并且坐标中出现45度角的现象，从而产生进场效应。在将数值校正后，加以CSAMT的反演[1]。CSAMT主要观察地面，而由于电极产生的波来自不同的方向，且其运输方法通常为地面波、地层波、天波等。而不同的波種类其长度存在一定的差异。
2区域地质状况
山东省某地区为平原，其地质构成主要为断裂层，断裂方向为北东及西东两个方向，断裂区域繁多，褶皱发育较为完整。依照相关地质数据，此地区的北东断裂区和西东断裂区有交点。此区域共有4系构成，主要为奥陶系、青白口系、侏罗系、石炭系等等。利用对不同岩层的计算和搜集，并且结合原有的岩石电阻数值，可以将此地区的电阻率划分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的等级。此区域的不同岩层存在很显著地电阻差异，而因此电磁法师应用岩石的电性差异加以测深的，所以此地区能够满足此电磁法的要求和使用条件。如图1为山东省某地区地形地势图。
图1：山东省某地区地形地势图
3野外数据搜集
本次测量中，采用V-8（加拿大凤凰公司生产）设备展开勘探，通过利用此电磁法对资料加以搜集。通过运用其中的一个场源计算电场和磁场的分量。而分别设置水平和竖直两条测量线，并且保证竖直方向呈90°角[2]。整个CSAMT系统还包括磁探头、不同电极、辅助接收机、发射机等等。发射机应保证最高功率为20000瓦，且最高输电U为1千伏。
如要达到搜集到准确有效的数值，应选用恰当的参数（电流值、信号频率、收发之间的距离等）加以探测和工作。发射偶极之间的距离为1200米，收发距离为600米。由于有用的信号并无法全面地防止信号变弱。然而由于其所在地区的地势、周边环境、物质等都存在不同，会对发射信号、场源、电阻值等形成一定的影响。因此如果要保证信号的有效，则应选择正确的收发距离，并且确定电极长度，由此能够很大限度上保证得到的资料和数值的准确有效。勘探过程中，选取合适的频率，最大频率值为7.7×103赫兹，最小频率值为1赫兹。并且对水平分辨能力，设置其接收信号的距离是30米。并且将相关信号发射等设备纳入考察标准中，增加控制信号的性能，实现数值准确率提高的目标。如想最大程度保证数据的重叠数量科学合理，避免被周边环境影响，需要将整体频率值的搜集时间定到40分钟到90分钟之间。
4数据处理
通常情况下，数据处理的成果和野外数据采集的成果有着极大的相关性，在将相关野外数据进行搜集整理过程中，应将不合理和不需要的数据排除，避免其影响整个测量结果。利用V-8仪器设备，并采用可视软件等进行数据的统计和计算管理，其能够在很大程度上达到勘探目标[3]。在讲数据存入和统计后，保存在计算机中，并且将其打印出来，使得数据表达更加直观和直接。数据反演也是对隐伏活动断裂探测的重要流程之一，利用合适的反演方式加以准确评价，并且利用NLGG技术实现所有数据的反演。对此地区的反演方法可以选择二维模式，选择光滑度适当的参数（20左右），将视电阻率与相关数据的差错空载在2%～4%之间。由此观察到，其断裂区域的断距是200米，另一断距为100米，两个断面呈65°角，且断裂的S方向与N方向的岩层存在非常显著的不同和差异，可见其S方向的岩石构造主要为泥岩，且视电阻率较低，而N方向的岩石主要为火山岩，视在电阻率较高。在此基础上确定钻孔位置，则可实现深度勘探。
结论：隐伏活动断裂的出现很大程度上受到地震、地壳运动的影响，为煤矿开采等工作造成一定的困扰和安全隐患。利用人工场源能够提高抗干扰能力，保证信号的强度。而可控源音频大地电磁法正确利用这种方式实现探测的，应广泛并深入应用到隐伏活动断裂探测中。
参考文献：
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[2]成江明.可控源音频大地电磁法在隐伏煤矿区的应用[J].地球物理学进展，2010，04（12）：1269-1272.
[3]李立民.可控源音频大地电磁法在秦岭输水隧洞断裂勘察中的应用[J].中国农村水利水电，2014，08（03）：131-133.
可控源音频大地测深 篇5
1 CSAMT二维正演及反演
1.1 二维正演数值模拟
本文在进行二维正演模拟时建立如下模型,场源放置在坐标原点,构造走向方向y轴,电性参数沿构造走向方向不变,仅在x-z平面中变化。
我们取电磁场随时间变化的因子为eiωt,忽略位移电流影响的时候[6],二次场满足的麦克斯韦方程组为
图1二维正演模型Fig.1 2D Model
式中,ω为角频率;μ0为真空中磁导率;σ为二维电导率;Δσ为异常电导率;σ0为背景电导率;Δσ=σ-σ0。沿y方向利用傅里叶变换公式为
从频率空间域过渡到频率波数域得
解方程组得
和
式(7)~式(10)为波数域中的二次场的计算公式。其中,为阻抗率;为导纳率;ke2=ky2=k2,k2=-iωμ0σ。将式(8)、式(10)带入(4)得
式(11)和式(12)为正演计算所要求的电磁场偏微分方程组[7,8,9]。通过解方程组可求得电磁场分量各方向的二次场。通过有限差分形成的矩阵方程为[10,11]
式(13)中,k为系数矩阵[12];Eys和Hys为二次场值;其余各参数为
给出一次场的值,即可求解方程(13)。
1.2 数据空间occam反演理论
数据空间OCCAM反演方法通过数学公式将模型迭代序列的计算从模型空间(M×M)转化到数据空间形式(N×N),达到减少计算量(weerachai siripunvaraporn,2000)[13,14]和提高计算效率的目的。OCCAM反演目标函数为
式(16)中,m为模型向量;d为观测数据;F[m]为正演数据;Cm为协方差矩阵;Cd是数据方差矩阵;λ为拉格朗日乘子[15—18]。用泰勒级数进一步推导可得
式(17)中,Jk为N×M的雅克比矩阵;为
为了使目标函数最小,对目标函数求偏导,且令偏导为0,得
令Xk=d-F[mk]+Jk(mk-m0),Γkm=JkTCd-1Jk为M×M矩阵,则
对式(21)通过一系列数学变换,得
于是
式中
将式(23)带入式(17)得到数据空间occam目标函数的表达式
式(25)中数据空间叉积矩阵Γkn=JkCm-1JkT,是一个N×N的半对称正定阵。通过这些变换,将模型空间数据转换为数据空间数据。在数据空间反演中仅需解N×N阶的方程,在实际应用中观测数据的个数要远小于模型数据的个数,所以数据空间反演中的计算量要远小于模型空间中的计算量[19]。
2 CSAMT的MPI并行反演算法
2.1 MPI并行计算
通过MPI实现了数据的广播[20,21,22]、发送、接收和数据的同步。MPI也支持多种数剧类型,包括复数。虽然看起来MPI的程序是一套程序,但是可以通过进程ID号进行区分,各进程可分配不同的计算任务。
MPI程序中,所有的变量(包括全局变量和局部变量)和函数,只要没有明确的区分,那么每个进程都享有这个变量和函数,这些变量对各进程来说名字是相同的,但是装载的信息很可能不相同,各进程若想了解其他进程的数据须进行通信。同时,对于alloctable的数据类型来说,每个进程可以为指针分配大小不一的内存空间。特别是MPI应用在频率域的时候,每个进程分配的任务很可能不完全相同,那么就需要灵活的分配空间[23,24,25]。
2.2 CSAMT的MPI并行反演算法
通过对CSAMT数据空间OCCAM反演算法研究后,发现在进行二维反演计算的过程中,根据频率的变化进行循环,求解雅克比矩阵和视电阻率消耗了大部分时间,占用总计算时间的90%以上,这个环节是进行并行化的首要部分。搜索λ值时根据不同的频率求解视电阻率,对于给定的不同频率值,在求取视电阻率的过程中,各个环节不需要交互数据,可独立自主地执行运算任务,根据二维反演程序的上述特性,可以将算法通过不同的频率进行分配,将若干个频率对应的计算任务分配到若干个进程上同时进行计算,通过对任务进行分配,每个进程需要执行的任务和顺序执行时间相比变少了。
图2为CSAMT数据空间OCCAM反演MPI并行的流程图。程序使用了10个频率。各个进程都被分配了计算任务,但是进程中有一个进程作为管理进程来分配任务。在并行程序里,将0进程设为管理进程,0进程负责读取参数文件,向各个计算进程分配计算任务,将读取的参数广播到其他进程,回收各进程的计算结果并广播给各进程以及将计算结果输出到文件。计算进程从管理进程那里接收参数,执行分配任务的计算,并将计算结果发回管理进程。同时管理进程也作为计算进程,参与计算相应的分配任务,以合理使用管理进程。二维正反演并行计算按下列步骤进行。
(1)初始化并行环境MPI_INIT(),主进程读入所有频率值和模型网格剖分数据和观测数据,MPI_Bcast()将其广播给所有子进程。其中,模型部分数据全部使用背景电阻率作为初始模型。
(2)主从进程按照分配的频率(表1),同时各自独立计算,通过第一次正演求解观测点的视电阻率ρa和雅克比矩阵,所有进程按频率计算完后,利用函数MPI_Gatherv()让主进程收集所有进程的视电阻率ρa,雅克比矩阵记录了10个频率所产生的视电阻率值和雅克比矩阵值。还需对这些值进行排序得到视电阻率ρa。雅克比矩阵主进程完成上述操作后,MPI_Bcast()将视电阻率ρa和雅克比矩阵广播给所有子进程。
(3)通过计算目标函数,主进程可得到拟合差rms,若rms<1,则循环中止,转到第(3)步,否则程序求取Xk=d-F[mk]+Jk(mk-m0)和Γkn=JkCm-1JkT,分别通过λa、λx、λb更新了三套模型,每套模型主从进程按照分配的频率同时各自独立的计算视电阻率ρa,待所有进程完成求解视电阻率ρa后,主进程收集所有进程的视电阻率ρa数据,视电阻率ρa记录了根据10个频率计算出的FFC,还需对视电阻率ρa进行排序。MPI_Bcast()将视电阻率ρa广播给所有子进程。得到视电阻率ρa后可计算拟合差以选取合适的λ值,得到λ值后,可对模型更新,程序转到第(2)步。
(4)达到循环中止条件后,主进程将视阻率和相位输出,MPI_FINALIZE()结束并行环境。
3 算例分析
3.1 模型
低阻模型,异常体顶面埋深50 m,大小为80 m×200 m。背景电阻率为100Ω·m,异常体电阻率为10Ω·m。模型网格为63×37,数据采集点为地表28~53点处。10个频率为1 000.000,464.160,215.440,100.000,46.416,21.544,10.000,4.642,2.154,1.000 Hz。X、Z方向剖分网格单元数:横向(x)63纵向(z)37。模型如图3。
3.2 正演及反演结果对比
通过并行计算得到的TM模式频率为1 000 Hz时,与串行结果正演效果对比(视电阻率)如图4所示。
图4中,频率为1 000 Hz,横轴为测点的位置,纵轴为正演视电阻率取对数,MPI并行算法计算的结果用+表示,串行计算的结果用o表示,计算结果完全重合。
通过并行计算得到的TM模式反演效果如图5所示。
色棒的取值为视电阻率取对数,背景视电阻率为100Ω·m,取对数为2,异常体视电阻率为10Ω·m,取对数为1,通过图4可看出程序较好地恢复了异常体的位置。
3.3 程序正确性验证及效率分析
根据各频率的计算是独立的特点,本文的并行计算是将多个频率的计算任务分配给多个进程并行处理,各进程的计算过程与顺序执行时计算过程是相同的,因此,计算结果应与串行计算结果相同,从而验证并行程序的正确性。图5是CSAMT数据空间occam反演并行程序TM模式反演出来的视电阻率断面图,通过这张图,看到了恢复的目标体及初始模型的位置与视电阻率基本一致,证明了程序的运行结果是正确的。同时,也用串行程序的反演结果图进行对比,也证明了并行程序的结果正确。
以并行效率对表2进行分析,当使用2个进程计算时并行效率最高;当进程数为5时,加速比有较大的提高,并行效率略有下降,这是因为当节点数增加时,进程通信会占用一定的时间。从表2可以看出并行计算的效果还是比较明显的,采用5进程计算时比顺序计算少用了约17.5 h。
4 结论
可控源音频大地测深 篇6
关键词：可控源音频大地电磁法,地热,电阻率法,含水构造
CSAMT源于大地电磁法 (MT) 和音频大地电磁法 (AMT) 。CSAMT是针对大地电磁法在音频频段信号微弱和信号具有极大随机性问题, 对大地电磁法进行的改进, 采用人工可以控制的场源来加强地层反射信号[1,2,3], 又因使用的频率属音频段频率, 所以称作可控源音频大地电磁法。
1 CSAMT工作原理
CSAMT法是基于电场在大地电磁场传播过程中存在的电磁波传导规律 (趋肤效应) , 即高频电流主要集中在近地表流动, 并随着频率的降低, 电流就越趋于往深处流。对于这一物理过程, 通常使用式 (1) 计算不同频率的视电阻率ρ。
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式中, EX为接收电极距, m;HY为接收磁极距, m。
利用式 (2) 求取它们相对应频率的穿透深度h:
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在勘查工作中, 通常采用标量测量装置, 即用1个发射源和在勘查线上用1组与供电电场平行的接收电极接收电信号, 1个与电场正交的磁探头接收磁信号。CSAMT标量测量装置如图1所示。
2 CSAMT工作方法
为了获取较大的探测深度, 此次探测时采用的接收—发射距离为7 500 m, 可实现对3 000 m左右深度地层的控制。测线布置则随需控制范围而定, 如测点间距为20 m, 则测试深度为2 800 m (图2) 。
为了保证观测信号的可靠性, CSAMT法一般采用目前国际上最为先进的GDP-32Ⅱ多功能电法仪[4,5]。该仪器可进行多种电法的数据采集, 也可同时进行多道数据采集, 其频率范围为1/64 Hz~8 kHz (其中可控源的频率为8 192~0.125 Hz) , 频率系列为2n系列和2/3×2n系列。模数转换器 (ADC) 为每道24位、96 000个样点;点 (主道) 由16位 (高频部分) 到24位 (低频部分) 。
接收系统或发射系统之间为无线连接, 参考站的局域网之间为无线或有线通信, 发射机和局域网均通过石英钟实现同步。该系统施工灵活、基本不受地形条件限制, 发射功率大, 适合探测从地表到地下3 km的范围。
进行可控源数据采集时, 使用GDP-32Ⅱ接收机和GGT-10发射机系统。为确保取得较好的效果, 在数据采集过程中, 采用了多次叠加和重复观测等技术。
3 技术措施
为保证采集数据的质量, 采取了以下措施:
(1) 选取适当的采样道数 (窗口) 及叠加次数, 确保记录的晚期道接收的目的层信号清晰。
(2) 利用各种方法、仪器进行数据采集时, 严格避免在强干扰源、强磁场及金属堆积物的附近采集数据, 以减少人为电磁场干扰与影响。
(3) CSAMT法MN//AB, 误差不大于2°;AMT探头垂直于AB, 误差不大于2°。
(4) MN接地电阻一般应低于2 kΩ, 最大不得大于10 kΩ。
(5) 在供电之前, 应观测噪声水平, 根据噪声情况, 设定叠加次数, 单个频点一般至少3次读数, 直至达到质量要求为止;在干扰较强时, 应增加观测和叠加次数;当工频干扰较严重时, 可选取有效的陷波滤波器抑制噪声。强干扰条件下应选择避开干扰严重的时间段进行数据采集或暂停数据采集。
(6) 每个测点的数据采集均进行2次以上重复观测与记录。
4 应用实例
拟建的综合园区占地面积88 560 m2。为满足综合园区未来功能用水的需要, 拟在综合园区内开凿深层地热井。为此, 河南省煤田地质局资源环境调查中心实地进行了地面物探勘查工作, 由北向南依次布置了4条东西向勘探线, 分别为1120、1080、1040及1000号线, 以了解综合园区地层结构、地质构造、地下水异常等地质条件, 最终确定地下热水的空间配置及平面位置。
4.1 断面图综合分析
从 (图3) 各断面图视电阻率变化情况看, 由西向东, 同一水平地层视电阻率呈递增趋势, 而同一视电阻率趋势线由西向东呈由深变浅的趋势, 这通常反映某一地层的埋藏深度变化情况——地层总体为向东抬升, 或者说是由东向西地层呈倾伏之态。
4.2 构造与含水性分析
从1040线与1080线2 000 m深度视电阻率对比情况看, 1080线视电阻率在600 Ωm, 而1040线在300 Ωm左右, 两线间存在较大的视电阻率差异。造成短距离内视电阻率出现较大差异的原因, 通常是岩性发生突然变化。导致岩性突然变化的因素往往是有断裂构造或裂隙发育带存在[6]。结合相邻视电阻率断面图分析, 从1040线100点附近向南西方向存在一个低阻异常带, 该异常经1000线320点附近延伸出控制范围。从该低阻异常带分布情况及数值看, 为构造裂隙水的可能性较大, 而且温度较高。
5 结论
利用计算机对此次物探勘测所获CSAMT数据进行处理, 结合已知资料进行分析、解释, 对拟建综合园区下地层的赋水性作出了评价。
(1) 勘测区内地层由浅至深, 视电阻率呈规律性升高, 表明地层由浅至深变质程度逐渐增高, 地层沉积稳定, 没有大的褶曲构造存在。
(2) 在测区南部1040线附近, 有一低阻异常向南西方向延伸, 可能为构造富水带, 有热泉上升的可能性。
(3) 从获得的视电阻率断面图上看, 在300 m左右深度存在一低阻异常区域, 可能为富水含水层, 但地下水温度要明显低于构造富水带。
参考文献
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可控源音频大地测深 篇7
关键词：可控源音频大地电磁法,地热,地热勘察
前言
随着国民经济的快速发展, 城市居民生活水平的不断提高, 在一些大中城市中出现对地下热水 (温泉) 的开发利用热潮。地热资源是一种大地深层资源, 但由于埋藏深度大, 对与直接开发利用有较高的难度难度。
可控源音频大地电磁法 (CSAMT) 是近些年来迅速发展起来的一种勘探方法, 现已广泛应用于矿山勘察和地热勘察中。通过开展可控源音频大地电磁测深数据采集和一维、二维反演计算, 结合地质资料对物探异常作相应的地质解释:主要是推断地热调查物探工作区的断层分布及发育情况, 推测隐伏岩体界面及典型电性层分布情况, 寻找含水构造带或深部含水层, 为下步地质工作提供进一步的依据。本文讲述了CSAMT的工作原理、野外发射源的布设原则和各测量参数的选择与确定, 系统阐述了CSAMT法在地热勘察中的应用问题。
1 方法原理及技术路线
1.1 方法原理
可控源音频大地电磁法 (简称为CSAMT) 是在Maxwell方程组完整统一的电磁场理论【1, 2】基础上发展起来的一种的人工源电磁测深方法。
可控源音频大地电磁法勘探 (简称CSAMT) 是以有限长的人工接地场源 (电偶源) 向地下发送不同频率的交变电流, 在距偶极中心一定距离范围内同时观测正交的电磁场参数, 计算卡尼亚电阻率及阻抗相位, 通过分析获取的不同深度地层的电阻率连续变化特征, 达到探测不同深度的地质目标体的一种频率域电磁测深方法。CSAMT勘探的对象为岩矿石的导电性, 应用的前提是勘探对象与围岩介质间存在一定的电性差异。CSAMT勘探具有工作效率高、勘探深度大的特点, 广泛应用于固体矿产地质、天然气石油地质、水文地质、地热资源勘探等领域。
由此可见探测深度与频率成反比, 我们可以通过改变发射频率来达到测深的目的。
在实际勘查中, 由于发射功率总是有限的, 要保证有足够的信噪比, 收发距就不能太大。这样往往不可能满足远区的条件, 一部分频点可能处于过渡区。这时就要进行过渡区改正。在进行过渡区改正的前提下, 要求Rmin>0.5δ。
1.2 仪器技术指标
GDP-32II是美国ZONGE公司的第四代电法仪产品, 发射系统输出功率达30KW, GDP-32II接收机工作频率为0.0007Hz~8192Hz, 安装几乎囊括勘探地球物理中所使用的全部电法和电磁法功能, 其主要功能有:直流电阻率法 (Res) 、时间域和频率域激发极化法 (Time/Frequency domain IP) 、复电阻率法 (CR) 、可控源音频大地电磁法 (CSAMT) 、天然源大地电磁法 (MT) 或音频大地电磁法 (AMT) 、瞬变电磁法 (TEM) 、超浅层瞬变电磁法 (Nano TEM) 等。
GDP-32II属当今世界少数几个最先进的多功能电法仪之一, 特别是在CSAMT的数据采集和数据解释方面, 具有世界领先水平。
1.3 方法技术
CSAMT测量方式主要有标量测量方式、矢量测量方式、张量测量方式三种。在探测一维层状介质或走向已知的二维地质目标体多采用标量测量方式, 对于三维地质体则需要进行面积测量。
下面以标量测量方式简单介绍CSAMT的工作方法原理。
标量测量方式是用电偶极源方式不断地向地下发送不同频率的电场, 然后在电偶源 (AB) 中垂线两侧各30度角组成的扇形区域内的观测点上布置与电偶源平行的电场接收电极排列和垂直正交的磁参数接收探头, 同时接收采集电场参数 (Ex) 、磁场参数 (Hy) 或电场参数 (Ey) 、磁场参数 (Hx) , 通过软件计算相应的卡尼亚电阻率值。
当接收点距发射偶极源足够远时 (测点处于远区) , 所有的电磁场参数均表现为随地电阻率变化而变化, 且测点处电磁场可近似于平面波, 由于电磁波在地下传播时, 其能量随传播距离的增加逐渐被吸收, 当电磁波振幅减小到地表振幅的1/e时, 其传播的距离称为趋肤深度 (δ) , 即电磁法理论勘探深度。其经验公式为【3】:
CSAMT的实际探测深度 (D) 略小于趋肤深度 (δ) , 与介质的电阻值成正比, 与发射频率 (f) 成反比, 我们可以通过改变发射频率来达到频率测深的目的。
2 工程实例分析
根据项目要求, 结合本区地质任务和地电分布情况, 我们采用赤道偶极装置。
对各反演剖面的解释描述总结如下:
2.1 5条剖面较好地反映了不同地电特征的岩性界面。本区一个特点是, 断裂为充水断裂, 其主要特征表现为电阻率等值线的为低阻或密集梯度带, 并伴有等值线同向扭曲现象。根据这个特征, 在每条剖面的断面图上推断并划分数条断裂构造, 根据其连续性和相似性, 推断断裂14条, 编号为F1至F14。
2.2 A线的F3断裂, B线的F1、F2断裂, C线的F1断裂, D线的F7、F8断裂及E线的F10有可能为深层断裂, 对地热的导热, 储水有一定的作用。
2.3 A、B、C线在一定深度上都有一层近似水平的低阻异常带, 经推测引起低阻异常的因素主要是:一为层状分布的泥质等低阻地层, 二为为古侵蚀面, 充水形成。C线呈现低阻延断裂延伸, 应为水随着断裂向上流动形成。因此认为此低阻带为古侵蚀面, 充水形成的可能性较大。这层古侵蚀面处在志留系和泥盆系交界, 为很好的热储水层。
2.4 根据泥盆系与志留系, 白垩系与志留系及浸入的花岗岩或花岗斑岩的电性差异, 大致画出盆地基底界面及主要地层界面, 由于泥盆系与志留系地层的主要岩性较为接近, 岩浆岩或致密砂岩、灰岩为高阻可形成较清晰的高阻界面以及泥岩或充水古侵蚀面形成层状低阻异常。
2.5 在D线4300-4700深部及E线3100-3500深部有一高阻异常, 推断为晚白垩纪花岗斑岩侵入形成, 对地热的形成提供热源。
3 结语
通过上面工程实例的分析, 可以CSAMT有如下特点:
可控源音频大地电磁法 (CSAMT) 具勘探穿透深度大, 对低阻异常敏感的特点, 能有效地划分断层破碎带并圈定地下水聚集区。此外可控源音频大地电磁法 (CSAMT) 可以解决常规电法以不能解决的深层地质问题。
参考文献
[1]何继善等.可控源音频大地电磁法[M].长沙:中南工业大学出版社, 1989.
[2]石昆法.可控源音频大地电磁法理论与应用[M].北京:科学出版社, 1999.
可控源音频大地测深 篇8
1 方法简介
可控源音频大地电磁法 (CSAMT) 结合了大地电磁法和音频大地电磁法的优点, 并以此为基础发展出一种探测方法, 它基于电磁波在介质中传播的趋肤效应原理, 通过改变人工场源的频率, 实现不同深度的探测, 该方法具有探测深度大、分辨率高等优点, 同时, 由于人工场源采用大功率的发射设备, 使其具有很强的抗干扰能力。测量装置如图1所示。
该方法的基本原理是根据电磁波传播理论和麦克斯韦方程组导出卡尼亚电阻率计算公式为:
式中:f为发射频率 (Hz) ;Ex为与场源平行电场水平分量;Hy为磁场分量。由上式得出, 只要在地表从高频到低频逐个改变频率时, 同时观测到Ex和Hy两个分量参数, 就能计算出阻抗电阻率, 通过多测点、多深度的反演电阻率数据建立电性结构以及对电性结构特征的研究, 达到解决地质构造问题的目的。
1.供电电源;2.供电电极;3.测线;4.发射机;5.八道接收机同测量相邻7个测点的Ex和排列中心的Hy.
2 应用实例
2.1 地质概况
工作区位于甘肃东南部, 是典型的黄土塬地区类型, 此次勘查的目的是查明白垩系罗汉洞组含水层的位置, 同时对富水性进行简单的评价, 为下一步井位设计提供地球物理依据。
据《鄂尔多斯盆地陇东能源基地地下水勘查可控源音频大地电磁测深法》中的物性资料, 认为, 区内第四系电性变化不大, 形成次低阻;新近系为区内次高阻电性层;白垩系中间厚层为低阻电性层;三叠系和二叠系中间厚层为低阻电性层, 上部和下部为高阻电性层。总体上, 在地层层序和岩性上存在一定的电性差异, 具备开展电法工作的地球物理前提。
2.2 工作方法
数据采集采用美国Zonge公司生产的GDP-32Ⅱ型多功能电法工作站, 发电机功率为10kW。场源采用赤道电偶极装置, 采用接地电偶极距AB为1.2km向地下供电, AB方向误差小于3°, 测量电极采用不极化电极, 接地电阻小于10kΩ, 发射频率:1~8192Hz, 收发距选择6km左右。
数据处理与反演采用美国Zonge公司GDP-32仪器配置的scsinv处理软件。在数据预处理方面, 观测数据进行了畸变点剔除、曲线圆滑等工作。数据处理时进行了近场、静态较正, 根据本区的实际情况, 反复试验选择了参数。处理后利用surfer软件绘制各条测线的视电阻率断面图。
2.3 成果分析
本着”从已知到未知“的物探工作原则, 在工作区的城关镇已知井 (深度490.6m) 处以同样的装置进行了测量。从已知井视电阻率断面图与测井图对比, 可以看出, 各地层岩性与电阻率的对应关系, 标高1420~1330m为第四系 (Q) 老黄土;标高1330~1100m为白垩系罗汉洞组 (K15) 粘土、中砂岩、细砂岩、泥质砂岩、泥岩, 深度在90~320m左右, 为本次找水的目的层。标高1100~830m为白垩系环河组 (K14) 中砂岩、细砂岩、泥质砂岩、泥岩, 深度在320~590m左右。标高830~580m为白垩系华池组 (K13) 泥质砂岩、中细砂、中粗砂岩, 深度在590-840m左右, 电阻率为40~159Ω.m, 含水性相对较好。如图2所示。
根据已知水井岩性与电阻率的对应关系, 结合其他两个地点的电阻率反演剖面, 推断两个拟定井位的地层岩性及水文地质条件, 为水井设计提供依据。
通过CSAMT二维反演资料, 结合一维资料及区域水文地质特征, 推断划分了勘探点的地层, 自上而下分别为:第四系 (Q) 黄土 (0~110m) , 白垩系罗汉洞组 (K15) (75~410m) , 白垩系环河组 (K14) 砂质泥岩 (355~690m) , 白垩系华池组 (K13) (451-920m) 。地下水含水层在各地层段有分布, 区域水文地质资料显示, 各段矿化度差异较大。较理想的取水层位为罗汉洞组 (K15) 和白垩系环河组 (K14) , 取水层位为255~700m, 预计出水量约500~1000m3/d, 矿化度约1g/L。初步设计了水井的位置和深度, 通过钻孔验证, 证明与可控源音频大地电磁法推断的地质情况较吻合, 减小了打井成孔的盲目性, 产生了很好的经济效益。
3 结论
可控源音频大地电磁法对查明地下地质情况, 寻找低阻体赋存位置、划分深部地质构造具有很明显的优势, 充分利用这些优势可以勘查黄土塬区地下水资源的状况, 为水资源后期开发利用提供地球物理依据, 从而提高地下水资源的开发效益, 减少风险投资, 为当地经济发展做出巨大贡献。
摘要：可控源音频大地电磁法 (CSAMT) 具有探测深度大、分辨能力高等特点, 广泛应用于地下水资源勘查、金属矿产勘查和石油勘查等领域, 尤其适用于圈定地下水资源的空间位置、规模、连通性等钻前勘查工作。应用该方法在甘肃黄土塬地区寻找地下水, 取得了良好的地质效果, 说明, 可控源音频大地电磁法用于黄土塬地区找水是行之有效的。
关键词：可控源音频大地电磁法,黄土塬地区,地下水,应用
参考文献
[1]李相民.可控源音频大地电磁法在变质岩地区找水一例[J].地质学刊, 2010, 300-303.
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[3]侯光才, 张茂省.鄂尔多斯盆地地下水勘查研究[M].地质出版社, 2008, 54-73.
[4]孙林.可控源音频大地电磁法在地热资源勘查中的应用[J].河北煤炭, 2010, 47-49.
可控源音频大地测深 篇9
关键词：可控源音频大地电磁,铁路隧道,不良地质现象,电阻率
0 引言
铁路隧道洞身穿过地段的断裂破碎带、软弱或含水岩体、岩溶发育等地质现象是隧道施工过程中的巨大隐患,先期的不良地质调查可规避可能存在的巨大施工风险[1,2]。隧道洞身埋深多超过百米,直接有效的方法当然是钻探,但由于其间距大,成本高且效率低,特别是在地质条件复杂地区缺乏代表性,因而,采用高效快捷的高密度阵列测深法有比较现实的意义。研究表明完整岩体和破碎、软弱岩体以及富水和岩溶发育区在电阻率参数上存在明显差异,通过研究电阻率参数的变化及差异可以实现对不良地质体和围岩级别的划分。V8可控源音频大地电磁法(CSAMT)是主动源频域电磁测深法,具有工作效率高(单排列可采集9个测深点)、水平分辨率强(点距一般10~20m)、纵向频点数灵活(可灵活设置频率表范围和频点数)、受高阻屏蔽作用小、对低阻层(体)反映灵敏、探测深度适中等优点;同时采用单发双收或双发双收可极大降低生产成本和提高工作效率,因而在铁路隧道勘察阶段得到广泛推广和使用。文章结合云桂线定测阶段可控源成果进行具体实例分析。
1 工作方法及参数选择
CSAMT法野外测量采用赤道偶极装置进行标量(TM)方式观测[3]。选择发射源位置时应结合测线平面位置,确保发射偶极距平行于测线;收发距选择原则是保证接收站在远区范围且信号强度足够大,一般要求收发距不小于10km,供电电流11~19 A,因而处理接地电阻是施工顺利开展的保证;为增加观测信号的强度兼顾供电线质量,供电距一般选择2~3km。接收距MN一般为20m,观测曲线的不连续或误差棒大多是信号弱的表现,需增大供电电流。频率表参数设置遵循趋肤深度公式,也就是根据勘探深度和围岩的电阻率设置,同时兼顾工作效率,通过加密测点可一定程度上提高纵向分辨率。发射机按频率表循环发射基于每天UTC时间00:00:00的波形,高频最大发射电流与供电线感抗相关,可以通过拐点频率的设置来调整。
2 资料处理
2.1 数据解编
V8可控源资料的预处理首先是利用自身CMTpro程序把通过GPS同步采集的数据进行单排列计算,获得视电阻率和相位,继而进行初步的挑选编辑后输出处理软件所需要的文件格式。在此基础上再次进行数据的剔非值、去噪、圆滑、静校等处理。
2.2静态识别与校正
静态效应是频域电磁法普遍存在的问题,处理的好坏直接影响到资料的解释结果。引起静态的主要原因是地表电性体横向不均匀性引起的电荷积累效应[4]。相对于相邻测点而言,受静态影响的视电阻率曲线形态连续性基本是一致的,仅表现为在双对数坐标中整体的上升或下降,相位曲线的形态和位置不受影响,否则,应考虑与地质构造因素有关。图1(a)相邻测点的曲线形态相似,表现为沿坐标轴的整体平移,图1(b)经剖面汉宁窗口滤波后受静态影响的曲线得到较好的归一。
2.3 资料反演
V8可控源反演配套软件一般为专用于大地电磁处理的MTsoft 2D和地球物理非地震处理软件包Winglink。前者接口友好,反演信息丰富,在降低静态效应和二维反演方面有其独到之处,但电阻率反演模型的优化需结合一定的先期经验和地质认识;后者二维反演模型采用非线性共轭梯度法,可进行用户自定义的带地形二维电阻率反演,能有效地降低因地形等因素造成的静态影响,其模型初始设置和参数选择比较关键。
3 应用实例
3.1 基本概况
新建铁路云桂线起于广西南宁市,经隆安、平果、田东、田阳、百色,云南富宁、广南、丘北、石林、宜良,终止于昆明市南站。铁路线全长745.7 km,沿线地质构造复杂,岩性变化大,穿过南盘江坳陷、马关隆起、昆明盆地等构造单元。数据资料统计表明:砂岩、泥岩、板岩及页岩的电阻率值低,在10~200Ω·m;灰岩的电阻率最高,数值可达几千甚至上万欧姆米;断裂破碎带、富水和岩溶发育、矿化区电阻率相对围岩则明显偏低。
3.2 解译原则
CSAMT法属于电磁类物探方法,利用的是不同地层或同一地层中不同赋存结构之间电阻率参数差异,依阻值高低及分布形态来判识地层界线、地质构造及不良地质体,继而实现隧道围岩分级。影响岩(土)电阻率大小的主要因素是矿物成分、结构、构造及含水情况等。解译时应遵循定性、定量认识与地质剖面调查、钻探相结合的原则。首先基于隧道实际地质情况和二维反演剖面整体电阻率阻值大小来确定划分围岩级别的标准,而后根据不同的岩性中电性特征圈定不良地质现象。局部岩溶发育、破碎、软弱或含水岩体在电测深曲线上比较典型的现象为视电阻率曲线在上升或下降期间出现局部相对下凹、缓平或相位曲线陡变(如图2所示),在电阻率断面图上显示为团块状闭合圈或片状低阻异常;断裂破碎带及影响带在曲线上多表现为横向突变、不连续,电阻率断面图上多表现为成条带状或串珠状低阻异常,等值线梯度变化最大处对应破碎带的边缘;岩性边界在曲线上表现为横向突变,在电阻率断面上表现为梯度带两侧电阻率阻值的明显差异或高低阻团块状相间的过渡带。
3.3 成果分析
根据铁路隧道围岩分级标准,宏观上可以把物探数据解释的异常区域等级与围岩级别相对应[5]。以表1灰岩(板、砂、页岩)为代表的高阻(低阻)分布区围岩级别划分标准为例,物探Ⅴ类异常对应极破碎、极软弱或富水岩体或岩溶强烈发育区,电阻率小于150Ω·m(10Ω·m);物探Ⅳ类对应破碎、软弱或含水岩体或岩溶中等发育区,电阻率阻值在150~560Ω·m(10~40Ω·m);物探Ⅲ类异常区域对应较破碎和较软弱岩体,电阻率阻值在560~2000Ω·m(40~200Ω·m);物探Ⅱ类异常区域对应较完整岩体,电阻率阻值大于2000Ω·m(200Ω·m)。异常区域等级划分需依据隧道穿越的岩性地质构造整体情况和反演断面图中电阻率阻值大小、变化(梯度)以及低阻异常形态、高阻(低阻)空间展布等特征,并结合地质调查、测绘及钻探资料,重点判释隧道洞身附近。由此知,不同岩性、不同工段在级别划分上标准存在差异,地质地层的综合认识是隧道围岩级别划分和成果认识的基础。
3.3.1 高阻分布区
隧道洞身穿越地段为石炭—二叠系灰岩,多伴有喀斯特地貌,岩溶发育。电性特征表现为电阻率以高阻为背景,阻值在几千至上万欧姆米,局部偶夹团块状或片状低阻,阻值小于1000Ω·m,围岩总体上较完整,岩溶较发育。
灰岩区电阻率类型大致分两类,一类为KH、K型,曲线首支总体表现为A型,上升变化缓慢,为浅部风化地层的电性反映,而后平缓上升,为较破碎、软弱岩体或较完整基岩的电性反映;第二类为Q、H、QH型,首支上升及下降均较缓,岩体相对较完整。两种曲线在上升或下降过程中局部的平直或下凹与不良地质体的存在有关,如相对整条剖面而言出现连续多个测点,且总体上电阻率值偏低,则考虑断层破碎带的存在。围岩分级如图3(a)所示,在电阻率断面图中DK491+740~DK491+800和DK492+430~DK492+455两段洞身附近,电阻率等值线畸变,成低阻团块状圈闭,相对围岩阻值变化大,灰岩内部的低阻圈闭多与岩溶发育富水关系密切,表明该段岩体极破碎、极软弱或岩溶强烈发育。在DK493+550~DK493+635段电阻率普遍偏低,近地表相对偏高,约上万欧姆米,其洞身下部等值线畸变,片状低阻范围较大,电阻率阻值在100Ω·m以下;该段附近沿线存在沟谷河流,其低阻电性特征与岩体极破碎、极软弱、岩溶强烈发育富水密切相关;DK492+875~DK493+265段两侧等值线呈密集梯度变化,其间存在纵向条带状和串珠状分布的低阻闭合圈,为断层破碎带及影响带。在上述地段施工中要注意预防涌水、突泥和塌方等不良地质现象,并做好隧道超前预报工作。
3.3.2 低阻分布区
研究区上覆第四系粘土及碎石土,部分地段可见风化破碎的变质板岩、片岩或炭质页岩、白云岩及零星铁镁质火成岩。电性特征主要表现为电阻率普遍偏低(10~200Ω·m),且低阻异常体多呈片状展布,局部地段仅见少量高阻团块或条带,围岩总体上极破碎、极软弱富水或矿化。
视电阻率曲线相对比较简单,一类为Q、H型,高频段电阻率值较高,继而缓慢下降,表明地表电阻率较高,随着深度的增加,电阻率值逐渐降低,说明浅部基岩相对完整,中深部基岩破碎、富水、岩溶发育或岩体金属矿化。二类为K型,曲线高频段电阻率值较低,进而缓慢上升,表现为相对缓平的上凸畸变,尾支曲线下降较快,反映了浅部基岩风化破碎、中部基岩相对完整、深部基岩破碎、软弱富水或矿化的电性特征。如图3(b)所示,在DK360+300段附近两侧电阻率值发生比较明显的变化,左侧在10Ω·m以下,右侧约在10~500Ω·m,从低阻体的展布形态上看也表现出片状分布和近带状低阻分布的差异。该段左侧是含铁镁质火山岩,右侧为板岩夹页岩,在二者接触带附近电阻率等值线表现出明显的梯度变化,两侧电性特征也存在明显的差异。
注:等值线标注数值为电阻率值取对数;Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的划分同表1
岩体中导电矿物的含量直接影响到了围岩的分级,一般来讲火山岩的电阻率偏高,而含铁镁质火山岩的电阻率值则偏低,该段分布的片状低阻块体与金属矿床的辅存有极大关系,在距隧道入口段(DK359+100)附近钛矿开采场的存在也为上述认识提供了依据。
4 结语
铁路隧道施工中应用可控源成果资料结合地质钻探调查能有效地对围岩级别做出划分,圈定不良地质体,为隧道的设计和施工提供宝贵资料,在超长隧道深层地质勘察中更具有高效、快捷的优点。
观测数据的质量是资料解释的关键,保证高质、高效的措施有处理发射偶极距接地电阻、加大供电电流、增加观测信号强度、适当加密观测频点。
在围岩级别的划分上需结合隧道穿越不同地段岩性地质的认识,合理地掌握分级标准,同时要注意呈低阻特性的金属矿化体对围岩级别划分上的干扰作用,并建议在矿化围岩区做进一步物探工作,以提高隧道勘察副产品的经济效益。
参考文献
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