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可控源音频大地电磁法(CSAMT)在茅山地热资源勘查中的应用

更新时间:2016-07-05

0 引 言

可控源音频大地电磁法(CSAMT)是20世纪70年代兴起的一种测量卡尼亚电阻率和相位的电磁探测技术(石昆法,1999)。该方法改善了大地电磁法(MT)和音频大地电磁法(AMT)的场源随机性、信号微弱、易受自然环境和人文环境因素影响的缺点,具有探测深度大、横向分辨率高、抗干扰性能强等特点(汤井田等,2005)。目前,该方法已经成功地应用于油气、金属矿产、工程地质及地热资源勘查等领域,成为越来越重要的一种地球物理方法(底青云等,2008;王彩会等,2014)。

以江苏句容茅山地热勘查为例,探讨该方法在地热勘查中的应用。

1 方法原理

CSAMT法是采用可以控制人工场源的一种电磁法(何继善,1990)。其中最常用的场源是将可以改变频率的发射机产生的交变电流,通过一定长度的导线连接到2个供电电极(A和B),将交变电流供入大地,通常称为水平电偶极子。假设ABX方向,沿AB供入某一音频的谐变电流I=I0e-iωt(ω=2πf),在距离AB一侧 60°张角的扇形区域内,沿X方向布置测线,沿测线逐点观测相应频率的电场分量EX和与之正交的磁场分量HY,进而计算卡尼亚视电阻率:

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(1)

在音频段(n×10-1n×103 Hz)逐次改变供电电流和测量频率,便可测出卡尼亚视电阻率随频率的变化,从而得到变化曲线,完成频率测深观测(石昆法,1999)。

根据电磁波的趋肤效应理论,导出趋肤深度公式:

(2)

式(2)中,H为探测深度,ρ为电阻率,f为频率,k一般取值356。

由式(2)可见,当电阻率固定时,电磁波的传播深度(或探测深度)与频率成反比:高频时,探测深度浅;低频时,探测深度深。可见,通过改变发射频率可以改变勘探深度,从而达到变频测深的目的,最终得到深度与电阻率的剖面图,供地质解译(穆海杰等,2008)。

2 野外测量

调查区位于金坛市薛埠镇西侧约3 km,茅东水库南侧约1 km,方山和磨盘山山脚下。

2.1 仪器设备

(2) 建立TRU记录文件,先后导入AVG文件及测线坐标文件,进行点位偏差校正。用均匀半空间上的偶极子电场公式来校正由点位不准引起的电场方向与场源方向不平行时产生的卡尼亚电阻率误差值。

2.2 测量方法

在CSAMT法野外工作中,将观测区域布置在一个梯形范围内(图1)。发射偶极连线AB平行于测线布置,AB到测线的距离应大于3倍趋肤深度,一般为8~10 km,AB长视现场数据信号而定,一般为1~3 km(祝杰,2012)。为了达到2 km勘探深度,采集频率范围选择为0.25~6 400 Hz, 采用自动采集方式,每40~60 min可采集6~9个点,因此测量效率高,成本较低;发射和接收采用GPS时钟对时,达到时间上的严格一致;发射AB长2 km,收发距8.2~8.9 km(江苏省工程物理勘察院,2010)。

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图1 CSAMT野外施工示意图 Fig.1 Sketch showing the field operation of CSAMT

2.3 数据采集

数据采集时确保供电电极A、B和测量电极的接地良好,施工中采用浇水、填土的方法,对每一电极都精心处理,确保其满足采集的技术要求(郭道强,2013),其中AB点均远离强干扰源,且接地电阻均小于30 Ω,供电和测量线的绝缘达到2.5MΩ。采用水平尺及森林罗盘放置磁棒,确保水平放置,其方位垂直于AB,方位角误差<1°,磁棒附近20 m范围内无磁性干扰。每一供电电极点有专人看守,严防无关人员靠近测点,做好技术安全措施后才通知供电。观测时根据信噪比的情况选择最佳信噪比的增益。

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3 数据处理

CSAMT原始测量数据资料存在近场效应、阴影效应及静态位移效应等,因此在数据资料解释之前必须进行一定的处理,使测量资料能较好地反映客观地质情况(严盛新,2008)。CSAMT数据采用的CSAMT-SW V2.0软件进行处理(图2)。

调查区大部分位于山区,人为电磁干扰较少。部分测线穿过公路及村庄时,为取得较好效果,确保第一手资料准确可靠,除保证供电电流强度外,又采取增加4~5次叠加次数、延长1个周期的观测时间等措施,确保所有测线的数据质量,质检率为6.5%,视电阻率和相位的均方相对误差分别为3.5%、4.6%(江苏省工程物理勘察院,2010)。

图2 CSAMT数据处理流程图 Fig.2 Data processing chart of CSAMT

(1) 通过预处理软件将测量数据转录成处理反演软件所要求的AVG文件,检查ASCⅡ码文本数据体是否有非法字符和字符超限错位现象存在,查看数据转换须给定的排列采集参数是否存在、是否正确,并对其进行编辑并修正。

使用V8电法系统(加拿大凤凰公司),包括发电机组、发射机和接收机3个部分。接收机由V8(多功能电法仪)和2个RXU(辅助采集站)组成,发射机为TXU-30(20 kW),最高电压1 kV(I=20 A),最大电流为40 A(V=500 V),发电机组为30 kW的24GF型(德国)柴油发电机组(江苏省工程物理勘察院,2010)。

(5) 使用不同的方法,包括近场Bostick反演以及二维带地形反演计算,输出反演结果并绘制成断面电阻率等值线图,供地质解译用。Bostick反演基于介质为均匀地电模型的假设的反演,具有高分辨率、全自动的特点;二维带地形反演假设起伏地形和地电断面均为二维,且走向相同(张作宏等,2014)。选择使用天然场源的二维数值模拟进行正演,共轭梯度法进行反演。

(4) 画频谱图,判断频谱曲线是否合格,若不合格再进行预处理,若合格则进行反演拟合。

(3) 进行人工剔除跳点、近场校正、静态位移校正、计算全频率视电阻率值等预处理。近场采用分段逼近全频域视电阻率来校正,静态位移采用空间滤波法校正,处理时通过改变滤波因子实现。

4 地质概况

4.1 地层

研究区茅山山脉基岩出露良好,发育古生代—新生代地层,出露最老地层为志留系下统(图3)。

图3 调查区地质图 Fig.3 Geological map of the survey area

4.2 构造

调查区大地构造上位于茅山推凸与直溪桥—亚溪港凹陷2个构造单元交接部位。燕山三期,在南东东—北西西向的强烈挤压应力作用下,沿软弱的高家边组页岩发生较大规模的推覆,形成了茅山推凸,其西侧推覆至句容凹陷的东缘,东侧则形成拉张的直溪桥—亚溪港凹陷。调查区地质构造以茅山推凸、直溪桥凹陷为背景,以磨盘山倒转向斜和方山倒转背斜为主。

文化管理:管理之所当然—对管理之“体”“故”“理”的文化哲学研究………………………………………周可真(1)

4.2.1 磨盘山倒转向斜 位于茅东水库—磨盘山—方山,轴向20°左右,向北西倒转,向北东扬起,长约3 km,宽约1 km,北东端被第四系覆盖,南西端被黄山墩—瓦屋山逆冲断裂切割,南端有花岗斑岩侵入体,在方山及磨盘山顶被新生代玄武岩覆盖。核部为坟头组上段,北西翼为坟头组下段,倾向南东,倾角30°~55°,南东翼亦为坟头组下段,地层倒转,倾向南东,倾角60°~70°,南东与方山倒转背斜连接。

4.2.2 方山倒转背斜 位于河西、方山。轴向20°左右,向北西倒转,长约4 km,宽约2 km。北段被浦口组不整合覆盖,东侧被野猪塘—青龙洞逆断层切割,南端为第四系覆盖。核部由高家边组组成,北西翼为坟头组下段,地层倒转;南东翼为坟头组—茅山组,倾向112°~145°,倾角30°~40°。核部偏北西翼发育1条纵向逆断层。

4.2.3 野猪塘断裂组 由1组走向近东西、北西、北北东向断裂组成,呈放射状,向东收敛,使石炭系、二叠系支离破碎,性质以平移为主,兼有逆断层,测线南西端经过该断裂组。

4.2.4 茅东断裂 位于茅山山脉东侧山麓,沿北北东向分布,向北穿过宁镇山脉及长江,延至江都隆起东缘,长200多km,向南被青阳—宁国近东西向断裂所截,是调查区溧水火山岩盆地与直溪桥—桠溪港凹陷之间的分界断裂。在高淳花山、溧水芝山、溧阳竹簧煤矿分别见白垩系砂岩与三叠系下统、二叠系龙潭组呈断层接触。

(1) A线成果解释: A线长3 750 m,根据现场施工条件和地质构造方向,北东向布置。剖面显示1 400~2 500 m之间有一北东倾的低阻异常,结合地质资料,推测由2条断裂引起,分别为F1和F2;在2 800 m左右两侧电阻率值差异较大,显然存在1条断裂,编号为F3。F1、F2和F3分别经过A线1 400、2 000、2 800 m,该3条断裂均北东倾,倾角较陡。

在这股追求手工品质的个性化设计思潮之中,英国、荷兰两地的“设计师—造物人运动”、英美两国家具领域的“手工艺复兴运动”最具有代表性和影响性,并诞生了“设计师—造物人”(Designer-maker)这一新词,以区别于传统的设计师(Designer)一词。随着手工设计的不断发展,“设计师—造物人” 也演变为今天的“手造人”(Hand-maker)一词,更加强调手工的重要性。

本项目对卡钻问题主要采取了钢丝绳套取的方法。即先探明钻头位置,用钢丝绳套将其套牢,利用冲击钻机滑轮组或油压千斤拔拉出钻头。对卡钻无法取出且已伸入基岩不影响防渗效果的,不予采取后期措施。卡钻未伸入基岩时,对其受影响的部位采取帷幕灌浆等方法处理。

4.3 电性特征

调查区内地层岩性主要有灰岩、砂岩、页岩、砾岩、火山岩和第四系黏土、粉砂、砾石层。由于各岩层成分、结构、胶结物和含水情况不一,在电性上的反映有所区别,根据前人研究及本次探测成果,区内各岩层电性如下。

4.3.1 灰岩层 厚层至薄层状都有,结构致密,导电性差,电阻率高,如下三叠统青龙灰岩,下二叠统栖霞灰岩,石炭系黄龙、船山灰岩等,都是研究区的主要高阻层。

4.3.2 砂岩、砂页岩层 泥盆系五通组砂岩层,中厚至厚层状,石英质成分,硅质胶结,致密,质纯,导电性差,属于中高阻层位。

上二叠统—龙潭组:中厚—薄层的砂页岩互层,泥质及少量钙质胶结,一般为中等导电性。

古近—新近系泥岩、砂岩层:泥质胶结为主,导电性良好,为该区低阻电层。

4.3.3 砾岩层 泥盆系底部的石英砾岩为硅质胶结,厚层,致密,导电性差,电阻率高;白垩系的浦口组砾岩为灰岩成分,灰质胶结,电阻率稍低于泥盆系底部的砾岩层。

4.3.4 岩浆岩 块状、致密的喷出岩(如玄武岩)及侵入岩(如二长花岗斑岩、花岗斑岩、石英斑岩等),电阻率高。

4.3.5 黏土层、粉砂、砂砾岩层 由于湿度及含砾量的不同,电阻率有所变化,结合本次电法资料,主要表现为低阻。

4.3.6 断裂构造带部位 由于裂隙发育、岩石破碎、富水性好(杜建国等,2012),常表现为低阻,为寻找岩溶裂隙水和碎屑岩类构造裂隙水提供了地球物理前提。

5 资料解释

ABC线(图3)的CSAMT反演电阻率解释成果分别见图4—图6。

钻孔揭示该段茅东断裂断面陡立,有时翻转,形成急剧拐弯的弧形弯曲。此外,从茅山山体一系列呈边幕式排列的逆冲断裂和倒转褶皱与该断裂的组合关系分析,该断裂具强烈左行平移性质。物探推断断裂深切上地壳,该断裂是1条燕山期—喜马拉雅期多期活动的、具左行平移特征的压扭性断层(早期拉张,晚期挤压),且在茅山北段表现为由1组断裂组成的断裂带。

(2) B线成果解释: B线长1 800 m,与A线平行布置。剖面显示1 400~2 400 m之间有一北东倾的低阻异常,基本形态与A线相似,应为F1和F2引起;在2 700 m左右两侧电阻率值差异较大,应为F3断裂引起。F1、F2和F3分别经过B线1 400、2 000、2 700 m。

(3) C线成果解释:由于现场施工条件限制,C线较短,长1 050 m,与A线平行布置。AB线上北东倾的低阻异常在C线上未完全显示,仅F2断裂的迹象显示较全,F1和F3断裂未完整显示,F2断裂经过C线的1 300 m。

国际市场:国际氮肥价格上涨,市场供应紧张,中国尿素有少部分出口。国际磷肥价格保持稳定,印度受卢比贬值影响,对中国二铵的采购放缓。国际钾肥价格小幅上涨,印度钾肥大合同谈判结果出炉,业内看涨态势较强。

图4 A线CSAMT反演电阻率及解释成果图 Fig.4 Map showing inverted resistivity and its interpretation along the Line A with CSAMT

图5 B线CSAMT反演电阻率及解释成果图 Fig.5 Map showing inverted resistivity and its interpretation along the Line B with CSAMT

图6 C 线CSAMT反演电阻率及解释成果图 Fig.6 Map showing inverted resistivity and its interpretation along the Line C with CSAMT

(4) 综合分析:3条断裂均为北北东向(图3),倾向均为南东东,F1和F2断裂断在高阻中生代和古生代地层内,而F3断裂是直溪桥—亚溪港凹陷边界断裂,推测为茅东断裂。显然地热井应该选择在F1和F2断裂上,对比A线和B线上F1和F2引起的低阻异常,最终将地热井(DR01)定在B线的1 750 m(图5),设计井深1 600 m,推测为石炭纪和泥盆纪地层的岩溶水或者基岩裂隙水(江苏省工程物理勘察院,2010)。

(5) 地热井结果:DR01井深1 616 m,钻遇地层由浅至深依次为浦口组、栖霞组、丁山组、五通组和茅山组,出水地层主要是-700~-1 100 m之间的栖霞组灰岩和五通组砂岩,水量1 008 m3/d,井口水温40.3 ℃(江苏省地质环境勘查院,2014)。该地热井钻遇的地层和断裂与本次可控源音频大地电磁法(CSAMT)资料推断结果基本一致。

6 结 论

(1) 可控源音频大地电磁法(CSAMT)以其理论、仪器设备及实际发射功率,具有其他常规电法所无法比拟的技术优势,通过野外施工和资料处理、解释,达到了地热勘查的目的。

(2) 茅东断裂在薛埠地区为直溪桥—亚溪港凹陷边界断裂,切割较深,倾向北北东,倾角较陡。

例如在语言《秋天的收获》中,教师抛出问题“秋天到了,哪些水果和农作物成熟了?”提问后,教师让幼儿进行分组讨论,汇总出秋天到底有哪些水果和农作物成熟。在分组讨论过程中,每位幼儿都参与其中,有的幼儿通过回忆说出成熟的水果与农作物,有的幼儿则根据讲述的答案进行记录。当每组进行分享时,幼儿仔细倾听每组的讲解,并找出自己组没有说出的水果与农作物。

(3) 本次探测结果与地质及地热井资料吻合较好,说明可控源音频大地电磁法(CSAMT)在地热资源勘查方面是一种行之有效的物探方法。该方法工作成本低、效率高,是当前地热勘查首选也是较为有效的方法。

参考文献

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王军成,黄仕茂,徐燕燕
《地质学刊》 2018年第01期
《地质学刊》2018年第01期文献

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