CSAMT法在地热勘探中的应用

CSAMT法在地热勘探中的应用[摘要]:本文介绍了CSAMT方法的基本原理和应用，以黑龙江省佳木斯地区的地热勘查为例，讲述了CSAMT法的野外采集、数据处理的方法以及效果成图。

该方法是在总结了MT法和AMT法的基础上发展而来，具有勘探深度范围大，分辨力高，低阻敏感性，地形影响小，场源影响小，抗干扰能力强，设计灵活和高效便捷等巨大优点。

[关键词]:佳木斯地区视电阻率相位静态校正非线性反演可控源音频大地电磁法（CSAMT）是在大地电磁测深法（MT）和音频大地电磁测深法（AMT）的基础上发展起来的一种人工源频率域测深方法。

本世纪50年代，在卡尼亚（L.Cagniard）著名论文的基础上，发展形成了基于观测超低频天然大地电场和磁场正交分量，计算视电阻率的大地电磁法。

所观测大地电磁场的场源，主要是与太阳辐射有关的大气高空电离层中带电离子的运动有关。

由于频率很低，MT法的探测深度很大，达数十公里乃至一百多公里，是研究大地构造的经济和有效的手段。

不过，由于其频率偏低，对浅层的分辨能力较差，而且生产效率较低。

为了更好地研究人类当前采矿活动深度范围内（几十米至几千米）的地电构造，在MT法的基础上，形成了音频大地电磁法（AMT）。

其工作方法、观测参数和MT法相同。

不过，它观测主要由于雷电作用产生的音频大地电磁场。

因为它的工作频率较高，故其探测深度对资源勘查比较合适，而且生产效率也比MT法高。

但另一方面，在音频段内，天然大地电磁场的强度较弱，同时，人文干扰强度较大。

很低的信噪比使AMT法的野外观测十分困难，为了取得符合质量要求的观测数据，需要采用多次叠加技术，一个测深点的观测往往要用四、五个小时，甚至更久。

为了克服AMT法的上述困难，70年代初，加拿大多伦多大学的D.W.Strangway教授和他的学生M.A.Goldstein提出沿用AMT的测量方式，观测人工供电产生的音频电磁场。

由于所观测电磁场的频率、场强和方向可由人工控制，而其观测方式又与AMT法相同，故称这种方法为可控源音频大地电磁法（CSAMT）。

CSAMT法采用人工场源有磁源和电性源两种。

目前在地热、油气藏和煤田探测及固体矿产深部找矿中，主要利用电性源。

1、CSAMT法的原理CSAMT(可控源音频大地电磁测深)方法与MT(大地电磁法)、AMT(音频大地电磁法)方法同属频率电磁测深范畴，三者不同之处在于CSAMT的激励场源可以人工控制；工作中通过调整二次场观测频率进而采集各观测点不同频率下不同方位的电、磁场振幅及相位数据，通过各种复杂的数据处理、反演手段，最终反映出地下电阻率三维分布特征，从而达到测深的目的。

CSAMT方法的激励场源为可以人工控制发射电流及其频率的电偶极子或磁偶极子，观测端(测深点)位于距场源较远地段(依观测装置、目标勘查深度而定)，通过观测不同发射频率下电磁场的正交电磁分量及其相位差，计算出不同频率下的视电阻率；由于不同频率的激励场具有不同的趋肤深度，因而观测结果可以反映测点下电阻率随深度的变化特征；通过对各测深点数据进行汇总、处理及反演计算，则可得到整个测区内电阻率的空间分布状态，为进一步的地质解释提供翔实可靠的深部资料。

由CSAMT方法的原理决定了该方法具有如下特点：(1)勘探深度范围大。

根据不同地质目的及实地地电条件，CSAMT方法的勘探深度可以灵活控制；工作中依据当地电性特征设定测量频点的上下限并调整收发距离，一般可将勘查深度限定在0.03～ 2.5km 范围内的某个区段。

(2)分辨率高。

垂向分辨率(电性层或目标地质体厚度与埋深之比)可达10%，水平分辨率约为接收偶极子长度(浅部可控制在20 m 以内)(3)低阻敏感性。

由于CSAMT方法使用交变电磁场，因而可以穿透高阻盖层或浅部高低阻间互地层，对反映深部低阻地质体具有较好效果。

(4)地形影响小。

由于观测区场源在大部分频点下为平面波场，同时电磁分量的观测计算已进行了归一化，因而该方法的测量结果受地形影响较小且易于校正。

(5)场源影响小。

在同一发射场源下可以进行大面积(一般控制在10～20 km。

)观测，避免了常规电法中频繁移动场源位置所带来的不利影响。

(6)抗干扰能力强。

目前应用于该方法的物探仪器大多配备大功率发射机(发射功率可达30kW)，整套仪器具备精确分频、高灵敏度、高次叠加、高稳定性等性能对有效压制各种地电及人文干扰效果显著。

(7)设计灵活。

可根据地质任务、地形、地质特征等灵活设计施工方案。

(8)高效便捷。

施工效率明显优于其他测深方法。

由于该方法技术含量较高，项目施工中除确保数据采集质量、实时变通工作方法以应对具体地质情况外，还应在后续工作中注意以下几个方面：(1)数据处理工作应与工作目的密切结合。

工作目的不同，所应关注的数据信息自然不同，曲线处理及静态效应校正中应采用符合实际、灵活变通的有效手段以极大地突出目标信息。

(2)依赖场源效应改正时应慎重。

目前多采取对远、近场区数据直接拟合的方法进行反演计算，对于使用类似MT反演方法时所采取的场源效应改正手段则应谨慎选择，由此所生成的深部反演数据亦应参考使用。

(3)使用反演方法应与测区地质情况相适应。

由于物探方法不可避免的多解性问题，反演计算中必须考虑当地的具体地质情况，有效利用钻孔等已知资料以提高解释结果的可靠性与精度。

2、野外方法与技术2. 1 CSAMT 采集和观测方法CSAMT的供电偶极距一般为0.5～2公里长，测点距供电偶极的距离（收发距）3～8公里。

一般用不极化电极接收电场，其电极距10～50米不等。

由磁棒接收磁场信号。

在实际工作中究竟布置一个还是两个供电偶极，测量哪些分量，这完全取决于所选择的工作方法是标量、矢量还是张量CSAMT。

标量CSAMT用于一维或已知构造主轴方向的二维地区。

在构造复杂的地区，标量CSAMT成功与否完全取决于场源和测量方位的选择以及资料采集的密度。

根据该区地形与构造特点，结合地质任务要求，本次施工采取标量CSAMT 方式。

标量CSAMT布置一个场源，而在测点同时测量互相垂直的水平磁场分量和电场分量，野外布置图如图1所示，由观测的正交电磁场分量计算Cagniard 视电阻率，然后进行反演解释。

标量CSAMT 之所以对地球物理学家有吸引力，就是它的效率高、成本低，这也是为什么目前大多数CSAMT 工作仍为标量测量的原因。

图1 CSAMT的工作原理图2.2 野外工作方法与技术（1）场源的布置场源位置选择的原则是尽量使测点落在其最佳测量区内。

场源的最佳测量区或为平行于测线方向的场源的垂向区和垂直于测线方向的场源的共轴区的公共部分，是一张角为60 度左右的扇形区域。

此外，场源最好与测量区同处于同一个构造单元，且地势尽量平坦，并保持场源水平，倾斜度小于 5 度。

为了提高场源的强度，降低接地电阻，增大源偶极距长度，以获取最大信号强度。

（2）收发距R 的确定为获得远区资料，必需满足R＞3δ（δ为电磁波的趋肤深度）。

但是收发距的选择又必需保证信号有一定的强度，故不能选得太远。

其大小的选择取决于上覆盖层的电阻率值、最低工作频率及信号强度等因素。

（3）观测方法与技术CSAMT 标量观测时，通常是一次测量多道电场、一道磁场，称之为一个排列。

电道与磁道垂直，与电源偶极子方向基本平行，也即电道沿着测线方向。

电场测量：采用不极化电极，接地电阻一般控制在2 千欧姆以内，电极距为15 至30 米，根据实际地形而定。

磁场测量：采用磁棒探头作为磁传感器，水平埋于地下30 至50 厘米，方位角保持与电道垂直即可。

3、资料处理与成果解释3.1 资料预处理针对CSAMT资料易受静态偏移和地形影响等特点，在CSAMT资料处理时，采取从功率谱开始进行有效的编辑，然后进行圆滑和剔除飞点处理，在做这些处理时特别注意了与相邻点的对比（逐个频点），从而保证了曲线形态的连续性；其次是CSAMT曲线的静校，静校方法主要是EMAP方法和TEM相结合来完成。

3.2CSAMT 资料处理与反演方法（1）视电阻率与相位的计算对于标量观测方式，视电阻率与相位按下式计算：（2）静态校正CSAMT和MT法一样，测量结果常受静态效应的影响而畸变。

所谓静态效应是指当近地表存在局部导电性不均匀体时，电流流过不均匀体表面而在其上形成“积累电荷”，由此产生一个与外电流成正比（比例系数不随频率变化）的附加电场。

它使实测的各个频率的视电阻率，相对于不存在局部不均匀体时变化一个常系数。

从而使绘于双对数坐标系中的频率测深曲线，沿视电阻率轴（即纵轴）发生上下平移。

当局部不均匀体为低阻体时，测深曲线向下平移；而若为高阻体，则向上平移。

故通常称静态效应为静态位移或静位移。

小范围的地形起伏对地表电场的影响产生的畸变，也同表层局部不均匀体的影响相同—产生静态位移。

静态效应会使测深曲线的（一维）定量解释结果，无论电阻率或层厚度都产生误差；而在对拟断面图作定性解释时，会使粗心的解释者误将静态效应推断为陡立的深大断裂或垂向大延深的异常体。

因此，对静态效应作校正，消除或减小其影响，是CSAMT资料处理的一项不可缺少的重要任务。

我们基于前人对MT法作静校正的思想，结合CSAMT法的特点，研究了多种静校正方法。

这些方法的共同特点是，充分利用CSAMT法自身采集的野外数据，而不增加辅助的野外工作。

一般采用利用空间滤波法作静校正。

为了进行静校正，MT法中发展了电磁阵列剖面法（EMAP）。

这是一种利用空间域（或转换到波数域）低通滤波，压制静态效应的有效方法。

不过，它要求以密集的测点（点距几十到几百米）进行MT观测，在经济上很不划算（通常MT法的点距为几到几十公里），因而目前还没有在MT法中推广使用。

CSAMT法有较高的生产效率，其观测点距通常为几十到几百米。

因此，EMAP的基本思想—利用数字滤波压制静态效应，很适用于CSAMT法的静校正。

利用空间滤波法作静校正的基本出发点，是认为地下电性异常体或地质构造引起的视电阻率沿测线的变化是平缓渐变的；而地表局部电性不均匀体或局部地形不平则会引起视电阻率沿测线急剧变化。

这样，若设计某种低通滤波器沿测线作空间滤波，则可压制“高频”的静态效应。

在上述空间滤波法的基础上，我们进一步发展和形成了“中值空间滤波法”。

它保持其余处理步骤不变，只是用一种非线性滤波—“中位数”法，替代线性滤波运算式。

其作法是首先将滤波窗口内各测点按大小排序；然后选其“中位数”（排序处于正中间的值）作为值，即若按大小排序后。

新序排为，则取中值空间滤波具有如下特点：1.它绝对阻止高频噪声，只取中位数而不会取异常数，因此对具有高频特性的静位移有很好的压制作用；2.它不改变阶跃函数的空间形态和位置，因而特别适用于地下存在陡立电性分界面的情况，不致因采用空间滤波而使地电构造变平缓和移位。