物探方法在湘潭梅林地質勘查中的應用

易秋清

（廣東中煤江南工程勘測設計有限公司，廣東 廣州 510440）

0 引言

地熱是一種自然資源，既可以做為一種清潔能源為人們提供熱源，也可以做為一種旅游資源進行開發，提供醫療、溫泉服務和周邊休閑服務，特別是其他資源較為匱乏的地區，利用好地熱資源往往會改變當地的經濟發展模式。湖南省湘潭梅林地區為擴大當地的資源開發力度，對該地區進行地質勘查，以探明資源發布和可利用價值，以便為后續的開發提供依據，在此種情況下，我們利用多種物探方法對梅林地區進行勘測，通過可控源音頻大地電磁法（CSAMT）剖面測量[1]，查明區內控熱、控水斷裂構造的空間分布，并據電阻率異常評價斷裂構造的賦水性，為下一步鉆探提供依據。

1 湘潭梅林地區的地質概況

湘潭梅林勘查區位于湖南東北部，在勘查區內廣泛分布著中元古界冷家溪群和上元古界板溪群地質，但在部分區域內也有泥盆統跳馬澗組外露，這些情況都說明該地區地層比較古老[2]。同時該地區也存在第四系（Q）沉積物發育，沉積物厚道為1 m～49.5 m，大致分為2層，上層為棕紅色、磚紅色網紋狀黏土、粉質黏土，下層為砂礫石層。

通過對既往地質調查報告的研究，發現梅林勘查區夾持于長沙-株洲-雙牌與連云山-雙牌2個斷裂之間，并屬于長沙-株洲-雙牌斷裂的一部分，而長沙-株洲-雙牌斷裂帶屬于地熱異常區域，連云山-雙牌在地質構造上呈現產狀陡立，長沙-株洲-雙牌斷裂為基底斷裂，規模、延深大，斷裂帶整體傾向東南，傾角度大約為65°。

2 湘潭梅林地區的地質電性特征

根據物探與地質資料綜合顯示，梅林地區巖土大致分為3種，分別是淺表第四系殘坡積層、元古界完整變質巖和切割元古界地層[3]。這3種地質巖層其電性特征存在著較大的差異，淺表第四系殘坡積層屬于低阻體巖層，其電阻率多數小于3.3 kΩ/·m;元古界完整變質巖屬于高阻體巖層，其電阻率在2.0 kΩ·m～6.0 kΩ·m;切割元古界地層的充水斷裂（破碎）帶屬于中-低阻體巖層，其電阻率一般為0.2 kΩ·m～1.3 kΩ·m針對梅林地區地質電性特征，認為可控源音頻大地電磁測深（ CSAMT）法是最適合在該地區進行探測的物探法，因為可控源音頻大地電磁深法就是利用不同深度的地下電阻率所呈現的變化特征來推斷深部隱伏斷裂構造的空間分布。另外該地區內低阻的殘坡積土在地層上部，深度較淺垂直厚度較小，對后續地層內部斷裂帶加推斷不會產生干擾。

3 梅林地區物探野外工作

3.1 可控源音頻大地電磁測深（CSAMT）物探的優勢

可控源音頻大地電磁測深（ CSAMT） 為人工源頻率測深方法，與其他物探方法相比其優勢在于勘測深度深、勘測清晰率高和受高電阻率屏蔽作用少，另外該物探法在勘測過程中工作效率高，費用較低[4]。

3.2 野外工作布置

梅林地區勘測的野外工作主要由2個部分組成：1）對野外測點的布置。2）利用使用可控源音頻大地電磁測儀器在測點進行物理探測。這2部分野外工作中使用的儀器分別是華測天驕X90型RTK GPS和美國Zonge公司生產的GDP-32Ⅱ多功能電法儀。這些儀器都具有十分優良的性能，華測天驕X90設備使用便捷，綜合性能強，在野外電磁抗干擾能力強，被廣泛的應用于物探作業中。

3.2.1 野外測點布置與測量

綜合對梅林地區既有地質資料的研究和GDP-32Ⅱ多功能電法儀的工作特性，布置了2條物探測線橫貫勘測區域，2條勘測線布置時垂直于長沙-株洲-雙牌與連云山-雙牌2個斷裂構造走向，兩條勘測線走向夾角為121°。L10線長2.4 km，L20線長1.6 km，點距40 m。測點定位為220個，點位周邊檢查點15個，檢查率5.8%，測點水平位置誤差控制在0.15 m以內，垂直誤差控制在0.10 m以內，相鄰測點點距誤差控制在0.35%以內。

工作區域測點布置執行標準為《地質調查GPS測量規程》（DD 2004—03）、《物化探工程測量規范》（DZ/T 0153—95）[5]。布置過程中采用華測天驕X90型RTK GPS來布設測點。

在使用華測天驕X90測量時，工作隊將基站設置在附近的山頂，這樣勘測地區上空沒有遮擋，可以達到360°視角的觀測目的，因為基站處于山頂，所以距離周圍山體障礙物比較遠，GPS信號和數據通信信號強，干擾比較少，有效地保證了數據通信的暢通。同時根據該儀器作業距離遠的特點，將流動站設置在與基準站相距15 km～20 km的有效控制半徑。在測點時我們按照設計的測線方位、測點距和測線距，計算出各測線、測點的北京54坐標值，由計算機傳輸給GPS；野外測量時逐點進行測點放樣，并按順序將放樣點坐標和高程，存儲于儀器內，再用木樁、彩旗標記測點。如果遷站過程中衛星失鎖，則在前一測點上重新進行初始化后再遷站。然后利用華測天驕X90GPRS通信模塊，將測量所得的GPRS數據鏈在RTK GPS上的全部記錄，測點定位采用實時動態載波相位差分法，二維平面坐標轉換采用七參數轉換法[6]。將T14、T15、T17 3個控制點的西安 80 坐標值輸入GPS中，GPS的內置程序可自動求解。

3.2.2 可控源音頻大地電磁測深的野外工作

該可控源音頻大地電磁測深使用的是 GDP-32 Ⅱ多功能電法儀，該儀器系統主要由接收機、GGT-30發射機、XMT-32S同步機和發電機等組成； GGT-30型發射機主要技術參數：工作頻率：8 kHz；最大輸出功率為30 kW；最大輸出電流為45 A；最高輸出電壓為1 000 V；關斷時間 ≤125 μs；穩流精度為0.2%。XMT-32S型同步機主要技術參數：時鐘準確度：＜5×10-10/24 h，占空比為50%或100%；時間頻率范圍為1 024 Hz～8 192 Hz；溫度范圍為-40 ℃～60 ℃。ANT 6型磁探頭主要技術參數：工作頻率：0.1 Hz～10 000 Hz；靈敏度為250 mV/nT[7]。

可控源音頻大地電磁測深工作裝置采用赤道偶極裝置標量測量方式，裝置示意圖如圖1所示。

圖1 CSAMT標量測量裝置示意圖

這次可控源音頻大地電磁測深野外工作執行《可控源聲頻大地電磁法勘探技術規程》（SY/T 5772 —2002）的相關要求。

在野外勘測工作前使用GDP-32Ⅱ儀器進行校準。在校準過程中將內部校準電壓設為1 V，6個通道的電壓幅值為0.9958 V～1.0005 V，與輸入電壓的偏差小于0.005 V；6個通道之間的相位差在低頻段小于0.002°。這說明儀器性能正常，其6個通道的工作性能一致性很好）。同時對勘測系統也進行全面檢查，系統檢查從RPIP（激發電位程序）開始。

在正式開始勘測前，要先對接收機和 XMT-32S 進行同步調節，然后預熱1 h，為確保不極化電極接地電阻小于2 kΩ，我們在測點的電極坑清除了坑內的碎石，將電極底部向下放入測點坑的中部，四周放入土壤壓實并在坑內灌入一定量的飽和食鹽水。測量時，將接收機安置在據ANT/6型磁探頭8 m的位置，同時在測點5 m范圍內設置隔離帶，禁止無關人員進入測試區域，風力較大時采取墊平、掩埋等措施，減小了探頭震動。電極連線和磁棒連線沿地壓實鋪設，防止了晃動干擾。磁探頭定向采用森林羅盤，保證定向準確度達1°。相鄰2個測點的距離為40 m。勘測時接收機與GGT-30發射機之間的距離控制在10 km左右；供電偶極子AB2點之間為1 323 m；且采用遠場觀測電偶極子AB垂直平分線兩側20°角扇形范圍內。測量電偶極距為40 m。在測試時將電源限頻濾波器的檔位設置在50/5處，并采用50/5濾波器壓制50 Hz的5次諧波干擾；在測試時將電磁場的發射和觀測點從高頻至低頻，工作頻率范圍為16 Hz～8 192 Hz，采用加密頻點，f=2nHz（n=0、1、2、…13）（f=2n為加密頻點頻率的取值函數）進行，發射電流：低頻段為11 A，中高頻段>8 A；高頻段>6 A；測試時選擇在20:00到次日05:00之間外界干擾較小的時間段內進行，一般情況下每個頻點觀測3次，在日間測試時因為相對干擾較大，通常觀測4次或更多，并要進行前后對比，從中選擇最優數據進行存儲。疊加次數為 128～16 384次。

為提高勘測的準確性我們又增加音頻大地電磁法（AMT）測深點58個。在音頻大地電磁法（AMT）測線按照CSAMT測量的10號和20號測線，其測點也是在CSAMT測量的點位，但是音頻大地電磁法（AMT）使用的頻率10 Hz～10 000 Hz，同時采集10號和20號測線兩電場分量，為確保測點定位準確，使用高精度手持 GPS儀逐點展開，并將定點誤差控制在3.5 m以內。確定電極方位是使用精度較高的森林羅盤儀完成的，角度誤差控制在1.2%以內。測量使用的電極就是CSAMT測量不極化電極。

3.3 勘測質量檢查及評價

該次工作實測物理點100個，質檢點6個，質檢率6%。總均方相對誤差11.96%，平均相對誤差眾值3.23%；誤差中約95%的數據的相對誤差≤5.0%，說明絕大部分數據是優秀的，只有少數頻點數據一致性相對較差，這是工區旁側的高壓線和電線造成的。增加音頻大地電磁法（AMT）測深點58個，是整個勘測點的58%，基本上實現了對CSAMT測量數據的驗證。由于音頻大地電磁法（AMT）測試時利用的是天然電磁場，該天然電磁場因為頻帶寬、信號弱和極化方向隨機因此其極易受到其他電磁波的干擾，音頻大地電磁法（AMT）使用的頻率為0.1 Hz～10 000 Hz，在小于10 Hz的頻率極易受到太陽風磁場的干擾，而大于10 Hz又基本上與自然雷電的電磁頻率相當，因此音頻大地電磁法（AMT）的干擾基本來自于太陽風和雷電，為降低自然界對大地電磁的干擾，我們基本將測試時間設置在夜間和凌晨。

4 室內數據分析

室內數據分析，就是將野外實測數據去噪和數據轉換，將*.raw數據文件轉換為反演的數據文件*.avg。

4.1 數據的整理

由于是依靠地層的電阻率來探測內部結構，而電阻率在接受時存在突變點，在接收圖像上表現為上下跳動狀、鋸齒狀干擾曲線，所以首先須對阻抗相位進行+π或-π的改正，使接收圖像呈現光滑和有規律的曲線，并采用可控源音頻大地電磁法（CSAMT）實時系統軟件，利用“任意頻點任意區間（常見值，測深平移）”的方式靜校效果較佳，靜校主頻率選在2 882 Hz～8 192 Hz。反演采用美國ZONGE公司SCS2D軟件。通過反復對比試驗得到：采用不同的濾波方式反演所表現的效果是不同的，采用“2D moving average of data”濾波方式反演更能突出巖體構造形態。

4.2 結果分析

經過反復推演得出在電阻率斷面深度100 m以上淺層，電阻率一般小于200 Ω·m，是對淺水面以及水面上方風化層的反映。隨著深度加大，電阻率逐漸升高，至深度1 000 m時電阻率達2 000 Ω·m以上，這是對元古界變質巖層的反映[8]。

在深度200 m之下，橫向上看，高阻背景圖像上存在一些串珠狀或“凹型”低阻異常帶，延深和規模較大，電阻率明顯較兩側的電阻率低，一般為200 Ω·m～400 Ω·m。據以往經驗，這些低阻異常是由于切割元古界變質巖層的斷裂破碎帶充水導致的[9]。串珠狀或“凹型”低阻異常帶一般可作為推斷斷裂破碎帶的依據。

地下水電阻率一般100 Ω·m，斷裂破碎帶因賦水程度的不同而表現出不同的電阻率特征，賦水豐富，電阻率低，反之則高。基于上述分析可知，F1較F2（F1為長沙-株洲-雙牌斷裂，F2為連云山-雙牌F2斷裂）賦水性總體好，而且在F1延深至標高-1800 m時賦水依然豐富。

依據解釋推斷原則，對CSAMT和AMT 2種方法形成的電阻率斷面進行綜合斷裂構造解釋推斷。F1線號為10點號1920處電阻率在200 Ω·m～400 Ω·m，為等值線“凹”型相對低阻異常延深大于2 000 m，傾向北西西。F2線號為10和20點號2520處電阻率在300 Ω·m～1300 Ω·m，為等值線“凹”型相對低阻異常延深大于2 000 m，產狀陡立，傾角為（90±3）°。

5 結論

通過在測區內開展CSAMT、AMT測量，以“查明區內深度2 000 m以淺的斷裂破碎帶空間分布長沙-株洲-雙牌與連云山-雙牌2個斷裂2條斷裂的空間位置、地質要素。長沙-株洲-雙牌由單測線、兩種物探方法控制，其延深大于2 000 m，傾角為80°左右，解釋推斷可靠；連云山-雙牌由2條測線、2種物探方法控制，延深大于2 000 m，產狀陡立，107國道兩側的數據受電線影響，導致該段內連云山-雙牌的解釋推斷可信度較長沙-株洲-雙牌降低。長沙-株洲-雙牌斷裂為控熱、控水斷裂，其電阻率在200 Ω·m～400 Ω·m表明斷裂面巖石破碎程度高，賦水豐富，值得鉆探驗證。

建議在10線在1700測點處布置1查證鉆孔，孔深2 100 m。通過對梅林地區勘測資料與其他地區地熱井相近資料的分析，認為將梅林地區將鉆孔500 m以下作為取水段，能保證每天500 m3的水量；在深度800 m以下，溫度應該達到40 ℃。

在這次勘測過程中采用可控源音頻大地電磁法CSAMT數據和AMT數據進行了處理及反演，長沙-株洲-雙牌斷裂帶為控熱、控水斷裂，這與研究該地區既有的地質資料相吻合，在勘測中使用了AMT 測量技術，AMT測量使用的是天然場源，無須建立人工場，具有不受高阻屏蔽層影響、探測深度大的優勢，但是又存在信號弱、極化方向隨機和易受干擾等缺點，因此勘測中使用的是可控源音頻大地電磁法CSAMT數據和AMT數據，使兩者強強聯手，并且兩者的測試數據可以相互驗證，提高的勘測的準確性。