可控源音频大地电磁测深在隐伏断裂勘察中的应用研究

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The Application Research of CSAMT Depthsounding in the Exploration of Concealed Fault

Chen Changjing；Ding Peichao；Luo Shixin

（①Wuhan Institute of Geology and Mineral Resources，Wuhan 430205，China；②College of Earth Sciences，Jilin University，Changchun 130061，China）

摘要： 为了给城市工程建设规划提供基础地质资料,需查明区内断裂的准确位置、产状以及覆盖层厚度。利用CSAMT方法进行了勘察工作,为避免区内人文干扰和电磁的严重干扰,野外施工时采用了多种手段以保证观测数据的可信度;数据处理时首先利用五点平滑进行去噪处理,然后利用空间滤波消除静态效应,最后采用基于遗传算法的CSAMT全资料反演程序对野外数据进行反演。分析反演结果并结合已知地质资料,给出了区内断裂的准确位置等信息。

Abstract: In order to provide basic geological information for a city construction plan, it is necessary to identify the precise location of the faults, the thickness of the overburden, and estimate the activity of the faults. We used CSAMT method for survey work. As there was strong electromagnetic interference in the survey area, we took many means to ensure the data obtained credible. By employing genetic algorithms full data inversion program for data inverse, we achieved a good result. With comprehensive analysis of the geophysics and geological data, we have determined the precise locations of faults.

关键词： 可控源音频大地电磁测深 空间滤波 遗传算法 全资料反演

Key words: CSAMT；spatial filtering；genetic algorithm；full data inversion

中图分类号：G31文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）29-0295-03

0引言

隐伏断层是在地表无显示或出露不明显，而潜伏在地表以下的断层。这种断层可以是切穿基岩的断层被新沉积物覆盖，或者是断层被侵位岩体占据，也可以形成于地下深处没有切穿至地表的盲断层。

用可控源音频大地电磁法研究隐伏断层是近几年来才逐渐开始的。根据大量学者的研究可得出结论：采用可控源音频大地电磁法对低阻非常敏感，可有效地划分断层破碎带，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[1、2、3、4、5]。

根据前人研究工作，珠三角地区发育两条NW向断裂及它们的次生断裂，由于工作程度不够，断裂的位置、产状、活动性等信息不清楚。为了更好地进行区域建设规划，在区域内开展了可控源音频大地电磁测深工作，力求查明区内断裂的具置和产状及覆盖层厚度，为区域建设规划提供基础地质资料。

1测区地质地球物理概况

珠江三角洲地区地层隶属华南地层大区中的东南地层区，主体为东江地层分区。地层出露齐全，从震旦系至第四系均有出露，在工作区范围内以中酸性岩浆岩为主，第四系广泛分布于珠江三角洲平原（见图1）。

因隐伏断层潜伏地表以下，因此单凭通过野外的地质调查难以发现线索。但由于断层切断了岩层的水平连续性，上下盘的错动和断层滑动面的破碎导致岩层中地震波的传播特征和电性特征发生明显变化，当这种地震波的传播异常和电性异常突出到一定程度就能够通过地面的地球物理探测而反映出来。一般而言，相对于围岩介质的电阻率，断层可表现为低阻断层或高阻断层，取决于断层的性质、破碎带宽度、胶结程度、含水特征、岩脉侵入等特性及围岩电阻率特性。根据断层的发育情况及其与两侧岩层的电性差异，断层的电性特征主要有以下几种表现：当断层破碎带宽、断层电阻率与两侧岩层电阻率差异明显时，断层表现为高阻或低阻板状体；当断层带不发育或断层电阻率与两侧岩层电阻率差异不明显时，如果断层两侧岩性不同，断层将表现为岩性分界面[6、7]。根据以上特征我们在测区开展了可控源音频大地电磁测深工作。

2方法原理

可控源音频大地电磁法[8、9、10]简称CSAMT法。20世纪70年代Goldstein和Strangway引入该方法，是20世纪80年代末开始兴起的一种地球物理新技术，其勘探深度较大和分辨率较高，使得它在油气勘查、矿产资源探测、地下水以及工程地质研究中应用颇多[11、12、13]。

该法基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程组，推导出电场（E）、磁场（H）与电阻率（ρs）的关系式：ρ■=■■（1）

式中f代表频率。式（1）说明：在地面上测定的电场与磁场之比具有阻抗概念，可获得地电阻率，称之为卡尼亚电阻率。

又根据电磁波的趋肤效应理论，导出了趋肤深度公式：

H≈356■（2）

式中H代表探测深度，ρ代表地表电阻率，f代表频率。

由（2）式可见，当地表电阻率固定时，电磁波的传播深度（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。因此人们可以通过改变发射频率来改变探测深度，从而达到变频测深的目的。

3野外工作方法

勘探采用仪器为骄鹏公司E60系统，根据探测任务，采集频率选择为10000~0.325Hz，共计59个频点。发射极供电采用30Kw大功率发电机，最大发射电流30A。

根据区域地质资料以及前人工作，在区内布置了两条测线：1号线长1400m，点距100m；2号线长度800m，点距50m。

CSAMT法在开展大面积工作之前，进行方法试验和参数选择是必要的，尤其是对发射和接收的频率以及对发射与接收距离R进行选择[14、15]。在本区由于探测目标较深，因此利用中低频段，选择的频率为10000~0.325Hz，此频段可实现从地表探测到地下2000m的深度。CSAMT法的探测深度既受到频率的控制，又受到收发距R的限制[10]，选取R为7000m，AB长为1000m，可保证地表到地下1000m的深度范围内探测结果的可靠性。

为接收保证接收信号的可靠性，在每次观测前，要测量接地电阻，接地电阻小于1000Ω时可获得较强的电场信号和较高的信噪比。对于磁探头的埋设，使其与供电电极AB方向垂直，并保证其水平放置，同时将其埋实,以避免环境干扰。

4数据处理与资料解释

在获得了可信的原始数据后,首先对资料进行预处理。工作中虽采取各种措施，但还是受到比较严重的电磁干扰，数据出现飞点，因此数据预处理首先是去噪和静态校正。对于五点三次、五点二次平滑及三点、五点汉宁窗滤波等去噪方法，经对比发现采用五点二次平滑在忠于原始曲线趋势的情况下能最大限度的平滑飞点，取得较好的效果。

静态效应[16~18]严重影响着处理解释的结果，为此需要对CSAMT资料进行静态校正来提高处理解释质量。空间滤波法做静态校正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的，而地表局部不均匀体或局部地形不水平则会引起视电阻率沿测线急剧变化，采用此种滤波方式，可压制“高频”的静态效应[19]。结合本次勘探深度范围为地下50m-1000m，所以采用空间滤波法做静态校正。

经过上述处理步骤以后，还需要对CSAMT数据进行反演计算。近年来国内外一些地球物理学家开始寻求不考虑近场校正的全场资料的数值模拟和反演方法，并成功开发出基于遗传算法[20~26]的CSAMT全资料反演程序。本次将基于遗传算法的CSAMT全场资料反演程序应用到本次数据处理。

5资料解释

图2、图3是综合剖面解释图,图中横轴为测点位置，纵轴为探测深度。电阻率从小到大的变化用不同的颜色变化规律来表示。

1号线综合解释结果如图2所示。从CSAMT反演剖面的电性特征来看，该测线的浅部为低阻层，这一电性层判定为第四系沉积物。该层上下电性层细分不明显，在500m-650m之间出现浅部局部高阻，是由于该段测线在马路旁边，来往车辆对高频信号造成的干扰。在本区，我们推断断裂的依据为：当基岩中有断裂破碎带时，往往由于充水，电阻率显著降低；当纵向地层存在电阻率差异时，断层上下盘的错动，也可以形成电性界面。

结合以上讨论从剖面图可以看出：600m-800m、1000m-1200m之间有明显的断裂显示，分别定为F1、F2，断层产状较陡。

2号线综合解释结果如图3所示，横轴代表点位，纵轴代表深度。从CSAMT反演剖面的电性特征来看，该测线的浅部为低阻层，从左侧到右侧低阻层逐渐加厚，厚度由200m逐渐变为400m，在300m-500m之间浅部出现2个局部的高阻，该段穿过马路，判定为来往车辆所形成的高频干扰造成的。从剖面图看出，在深度500m以下，0m-300m范围的电性明显变化，推断为F3断裂。

结合地质资料分析，F1断裂对第四系的沉积厚度影响较明显，F2断裂应该为F1断裂的次生断裂。F3断裂对第四系沉积物的沉积厚度影响不明显，故F1断裂较F3断裂活动性更强一些。

6结论

6.1 CSAMT法是电阻率频率测深法，采用人工场源，信号强度大，信噪比高，在工业电磁干扰、人文干扰因素较大的地区进行隐伏断裂的探测发挥了重要作用，取得了较好的地质成果。说明该方法具有较强的抗干扰能力，在高噪声地区仍能较好的开展工作。

6.2 由于干扰的存在，数据预处理是有必要的。采用基于遗传算法的CSAMT全场资料反演程序进行数据反演，不但具有对初始值依赖小、抗干扰能力强的特点，而且不用进行近场校正，能最大限度的利用数据。并能够定量反映地下电性参数，给地质解释带来更大的实用价值。

6.3 经过本次工作，准确的定位了区内断裂的位置、产状及其覆盖层厚度。后期钻探工程施工中，在推断断裂F1、F3处发现破碎带进一步证明了CSAMT法具有准确探测隐伏断层的能力。

6.4 通过本项目的隐伏断裂的探测工作证明，CSAMT法成本低、效率高、成果可靠。在地形起伏较大的工作区或山区等不易开展常规物探方法的地区较适合开展此工作。此方法在地质灾害调查等工程物探领域具有广阔的应用前景。

6.5 CSAMT法探测深度大、准确度高，不仅能够推测断裂构造或破碎带，而且能够电性分层，圈出低阻区等，如果能与工区地质相结合，在寻找隐伏矿床和地下水资源方面可有广泛的应用。

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