可控源一维正反演技术在地热勘查中的应用

韦光景 张艳军 孟繁星 陈万利

摘  要  可控源音频大地电磁测深（CSAMT）法被广泛应用于各类工程勘查中，本文以湖南省溆浦龙田地热勘查为例，首先通过采用一维正演技术，为野外装置参数的确定提供依据，同时利用逼近实测曲线的方式获取模型响应曲线，从而获得地质体模型;再采用一维数据反演，充分的利用野外采集数据信息，获得更好的成果解译。通过反演剖面图与构建的模型对比研究，找出它们共性特征，对物探成果的解译提供一定的理论依据。研究结果表明，采用一维正演技术确定野外装置是有效的，通过正演模型与反演结果对比，表明反演解译成果是可靠的。

关键字  CSAMT;一维正演;一维反演;模型响应

中图分类号：P319.3 文献标识码：A

文章编号：1672-5603（2020）03-25-6

Abstract： Controlled source audio magnetotelluric sounding （CSAMT） is widely used in various engineering exploration. This paper takes prospecting geothermal resources of Xupu Longtian in Hunan province as an example. Firstly， 1D forward modeling technique is adopted，It provides a basis for the determination of field equipment parameters，Meanwhile， the response curve of the model is obtained by approximating the measured curve，The geological model is obtained. Then， 1D whole area data inversion is used， Make full use of field data to obtain better interpretation. A comparative study was made between the inversion profile and the constructed model.Find out their common characteristics and provide some theoretical basis for the interpretation of geophysical achievements. The results show that the 1D forward modeling technique is effective in determining the field equipment. The comparison between the forward model and the inversion results shows that the inversion interpretation results are reliable.

Keywords： CSAMT; 1D Forward modeling; 1D inversion; Model response

可控源音频大地电磁测深法（CSAMT），是在音频大地电磁法（AMT）和大地电磁法（MT）的基础上发展起来的一种人工源测深方法。近年来被广泛用于矿产资源、煤炭资源、水资源、工程质量检测、考古及深部地球物理探测中[1-2]。CSAMT法数据处理使用较多的使用一维和二维反演方法[3]。为了更好的利用好数据，国内先后一批学者采用不同的算法，对数据进行一维反演[4-6]，都取得了较好的反演效果。

在实际工作中，一般通过地电模型响应的一般规律，分析视电阻率响应随层厚度、中间层电阻率、收发距等变化而改变的特征[7-11]，可以直接指导野外装置的选择。对野外装置布设以及参数的设置通常是经验判断，或采用多次试验的方式进行，这两者都有一定的缺陷，前者依据不足，后者浪费大量的人财物力。

本文在前人研究的基础上，通过一维模型正演，通过计算获得野外装置相关参数，并将实测数据与正演响应曲线相比较，通过模型逐渐逼近法，从而获得与实测数据相一致的曲线。最后对野外数据进行一维数据反演，将反演结果与模型相对比，验证反演结果的可靠性。

1  研究区概况

1.1 地层

研究区主要分布地层是第四系湘江群，灰黄色砂砾层，成分为花岗闪长岩、变质砂岩及角岩化砂质板岩。除此之外，均为凉风界岩体，岩性为电气石二云母二长花岗岩，具有似斑状结构，块状结构。斑晶主要为钾长石，基质成分为钾长石。

1.2 構造

研究区内断裂变形显著，主要有南北向、北东向和北东东向三组断层，从时间分布来看，这些断层既具有多期活动的共同特点，又各具拉张-又行剪切等不同性质;横向上看，规模大小不一，产生的岩石构造变形也各具特色。

1.3 地球物理特征

研究区内主要出露岩石为第四系粘土、花岗岩，以及部分裂隙发育。由于并未开展过地球物理勘查工作，本次通过露头小四极装置，对研究区内不同位置的不同岩石做了电性测试，具体参数如下：

地热的形成必须要有热源、热储、控热断裂和盖层等结构[12]。研究区地处白山岩体的中心部位，其热源主要来源于大地热流和深部花岗岩余热，热储层主要为花岗岩内部的裂隙，控热构造主要为深大断裂以及地质活动形成的次级断裂带中。通过表1所示，研究区内各地质结构体之间具有较为明显的电性差异，因此CSAMT法探测地热控热构造方面具有明显的优势。

2  CSAMT法一维模型正演响应

在CSAMT实际测量中，一般采用标量的测量方法（成本低、效率高）。标量测量方式是利用单一的场源观测两个场的分量（Ex、Hy或者Ey、Hx），标量测量方式对于一维层状介质和走向已知的二维地质目标体具有较好的响应。通常情况下，为了保证采集可用数据均在 “远区”，CSAMT发射偶极源极距在1-3km，收发距大于探测目标体趋肤深度的4倍[13]。在实际测量中，由于地质结构的多样性，以及受限于野外场地的选择，极距和收发距的选择显得比较“随意”。

本文主要是在获取研究区电性特征的基础上建立正演模型，通过CSAMT带源正演，获取电阻率-频率的响应曲线。获得不同收发距对应过渡区的最低频率，通过简单计算获得装置参数，从而指导野外装置的布置。

2.1 一维正演理论

如图1所示：N层水平层状介质中第n层的电阻率和层厚度分别记为 和 ，AB为发射位置，MN为数据测量剖面。为CSAMT将均匀半空间表面电偶极源产生的电场、磁场经简化后，取N=1时，最终获得直角坐标系下的电磁场分量的表达式：

将（1）、（2）带入（3）式即可得到视电阻率公式：

式（1）～（5）中：Ex表示与发射源同向的电场水平分量;Hy表示与发射源垂直方向的磁场分量;IdL是偶极矩;r为接收点到偶极中心距;e为自然指数;?和ρ分别是均匀半空间的导磁率和电阻率;ω代表角频率;?0表示为大地的磁导率;k表示电磁波传播波数，I1、I0 和 K1、K0 分别是第一和第二类以为宗量的虚宗量贝塞耳函数，0和1代表阶数，ρxy是卡尼亚视电阻率，φxy是阻抗相位，Zxy为阻抗[14-15]。

2.2 CSAMT一维模型视电阻率响应特征

本文研究以模型作为基础，根据地质体的电性特征建立模型，再经过CSAMT一维正演获得视电阻率响应曲线，获取远区最小频率，通过正演获得合适的收发距。

据表1可知，在研究区内，主要出露岩石为花岗岩，平均电阻率在10350 ?·m，强风化花岗岩电阻率约为2000 Ω·m，第四系粘土层电阻率为约为80 ?·m，断裂带电阻率平均值约为320 ?·m，断裂带产状为65°。据此可以建立地质体模型（图2）。

正演模型参数的设定：根据地质体平面模型可知，选取图3中的220点作为估算点，自上而下地层结构为0～70m为风化花岗岩（约2000?·m）、70～400m为花岗岩（约2000?·m～10000?·m）、400～500m为断裂破碎带（约500?·m）、500～2000m为风化花岗岩（约10000?·m）。选用共41个频率从1-9600Hz（9600＼7680＼6400＼5120＼3840＼3200＼2560＼1920＼1600＼1280＼1024＼853.3333＼711.111111＼512＼426.6666667＼341.333333＼256＼213.3333334＼170.6666665＼128＼106.6666667＼85.33333325＼64＼53.33333334＼42.66666662＼32＼26.66666667＼21.33333331＼16＼13.33333333＼10.6666666＼8＼6.666666667＼5.333333328＼4＼3.333333334＼2.666666664＼2＼1.666666667＼1.333333332＼1Hz）。

由图3可知，随着收发距的增大，曲线进入过渡区的频率越来越小，曲线尾支逐渐下移。收发距为2km时，1280Hz进入过渡场，曲线未出现畸变;收发距为8Km时，曲线在512Hz进入过渡场，且进入过渡场以后出现畸变现象。收发距为20km时，曲线在106.67Hz进入过渡场。由此可以看出在信号足够强的条件下，收发距越远，远区数据越多。

根据博斯蒂克基本理论，得到有效探测深度公式：

研究区花岗岩视电阻率均值为10000 ?·m，要求勘查深度1000m，根據公式（6）理论计算最小频率为1267Hz进入过渡场。理论分析，为保证数据在远区，要求最小收发距大于4，即大于4000m。根据图4曲线响应特征分析，收发距越远最小频率进入过渡场越靠后，又最大收发距受到设备的灵敏度和信噪比影响，结合野外布设条件因此确定本次收发距为8km左右。

3  CSAMT一维数据反演

3.1 装置的选择

由于受到实际地形条件的影响，本次在研究区野外采集装置选择为：AB极长1.5km，收发距为8.4km，极距20m，场源中心点偏移测线中心点300m，实测20个频点为8533.3Hz～1.2Hz（8533.3＼7680＼5120＼3072＼2133＼1280＼853.3＼512 ＼341.3＼213.3＼128＼85.3＼53.3＼32＼21.3＼13.3＼8＼4.8＼2.4＼1.5＼1.2）。

3.2 典型点实测曲线与正演曲线特征

野外采集数据，由于地质条件不同导致形态也不一致。选取典型点的视电阻率与正演响应对比曲线如图5：

由图5可知，实测电阻率曲线110点视电阻率曲线形态为典型花岗岩地层响应曲线。而250m点视电阻率曲线高频正常进入过渡区，133.3Hz视电阻率曲线开始呈下降趋势，最终在4.8Hz出现畸变点后，又呈现出上升趋势。

根据实测曲线形态，采用渐逼视电阻率的方式，获得相对应的理论相应曲线。

110点模型设置：为A型地电模型，厚度h1=200m，ρ1=10000Ω·m;厚度h2=800m，ρ2=10000Ω·m;厚度h3=1000m，ρ3=50000Ω·m;

250点模型设置：为HK型地电模型，厚度h1=200m，ρ1=2000Ω·m;厚度h2=400m，ρ2=5000Ω·m;厚度h3=500m，ρ3=100Ω·m;厚度h1=800m，ρ1=10000Ω·m。

正演模型响应曲线采用的收发距、频率等参数与实测相同。正演模型及曲线分析，110点为正常的花岗岩区，视电阻率曲线特征为远区-过渡区-近场区。250m点模型响应曲线在深部有一个超低阻异常体，模型设计为断裂带，其特征为远区-过渡区-异常区。

综上所述，若实测数据准确可靠，可以根据实测曲线编辑相应的正演模型响应曲线，从而反推模型的结构，为反演成果的解译提供依据。

3.3 典型剖面一维反演结果与理论模型

本次数据反演采用的是一维数据反演，即不剔除近场数据。数据处理的流程：利用所有测得的电场（E）分量和磁场（H）分量的振幅和相位，计算视电阻率和相位差，剔除那些明显的误差和噪声、静态效应矫正。通过预处理达到可以接受的条件时，可以得到可供解释用的原始Bostick视电阻率和相位差参数，为一维反演做准备。

本次一维反演采用的主要参数是，迭代20次，拟合精度0.01，采用均匀半空间模型。反演结果如图6。

由图6可知：由于出露地层较为简单，区域上都属于花岗岩岩体。断面上可以见到两条明显的低阻异常带，异常的中心位置分别是210m、430m，推断为断裂带F1、F2，两条断裂在深部交汇，由此推测该断裂带具有一定的含水性。相对低阻体视电阻率在10000Ω·m以内，浅表层主要为第四系覆盖层及强风化层，视电阻率在2000Ω·m。

结合理论构建模型分析，模型数据显示在深度为600m以下，有一厚度约600m的低阻异常体，与一维反演成果的的解译基本一致，说明数据可靠，反演参数合适。后在该剖面240m出实施了一口井，钻孔资料显示与物探解译成果完全吻合。在70-110m处揭穿推测断裂带。

4  结论

（1）通过一维正演技术计算，推算出最短收发距，最低频率等工作参数，并通过正演模型响应曲线，直观的看到不同收发距，曲线特征，远区-过渡区-近区一目了然，指导野外数据采集。

（2）根据野外实测数据，采用逼近法构造地质结构模型，使得模型正演曲线趋近于实测曲线，从而可以从理论上判断地质体在地下的结构特征。

（3）通过一维反演技术，获得较可靠的反演结果，再与正演理论模型对比，对于物性有差异的地方进行甄别，减少由物探多解性导致的与地质体不吻合的异常体。

（4）通过正反演技术的应用，尽可能的增加约束条件，减少物探的多解性，从而提高解译精度，更好的指导实际生产。

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