韦光景 张艳军 孟繁星

摘 要  可控源音频大地电磁法（CSAMT）具有勘探深度大，抗干扰能力强、受地形影响小等优点，被广泛应用到中深部地热资源勘查工作中。本次数据采集通过改变发射频率与接收频率之间的关系，从而获得单频谐波观测，即谐波可控源大地电磁测深法（HACSAMT），可以有效提高纵向分辨率。本文通过湖南安仁龙海地热勘查项目的实施，对两种方法应用进行对比研究。研究结果表明，对于区域性的地质构造、溶洞的空间展布情况，具有较好的效果，但对于低阻异常体存在分辨率相对较低的现象。HACSAMT法信号较弱，但其具有更高的分辨率，可以更精细的反应出地质构造的形态，尤其对于低阻异常体反应更灵敏，为同类工作提供了依据。

关键词  CSAMT;HACSAMT;采集模式;分辨率

中图分类号：P319.3                    文献标识码：A

Abstract： The Controlled Source Audio Magnetotelluric Method （CSAMT） has many advantages， such as large exploration depth， strong anti-jamming ability and little influence by topography. It is widely used in the exploration of geothermal resources in the middle and deep regions. In this data acquisition， by changing the relationship between the transmitting frequency and the receiving frequency， the single frequency harmonic observation， namely the Harmonic Controlled Source Magnetotelluric sounding （HACSAMT）， which can effectively improve the vertical resolution. Its implementated in the Anren Longhai thermal exploration project in Hunan Province. The application of the two methods was compared. The results show that it has a good effect on regional geological structure and spatial distribution of karst caves， but it has a relatively low resolution for low resistivity abnormal bodies. HACSAMT method is weak in signal， but it has higher resolution and can reflect the shape of geological structure more precisely， especially for low resistivity abnormal body， which provides a basis for similar work.

Keywords： CSAMT; HACSAMT; acquisition mode; resolution ratio

0  引言

地热资源作为一种清洁能源，用途极其广泛，不仅可用于洗浴和治病，还可以应用于蒸气发电、工业烘干、空调制冷、供暖、温室种植、水产养殖、饮用矿泉、农业灌溉等领域。根据资料显示，地热水综合利用后，用途可达30多项[1]。

和可控源音频大地电磁法（CSAMT）一样，谐波可控源具有勘探深度大，抗干扰能力强、受地形影响小等优点，被广泛应用到中深部地热资源勘查之中[2-13]。但是，随着深度的增加，纵向分辨率逐渐降低，深度越大分辨率越低。目前，谐波可控源音频大地电磁法（HACSAMT）主要是采用GDP-32仪器，由于GDP系统中谐波采集数据为复电阻率法，只要发送机发送某一频率的基波电流，用复电阻率法程序就可测量其基波和谐波的振幅、相位[2]。通过软件将采集到的基波信号进行傅里叶变换，获取谐波数据，增加频率，从而达到提高纵向分辨率。

本次研究HACSAMT法采用是V8多功能电法仪，通过改变接收与发射的模式，直接观测谐波数据。通过对两种方法采集的数据以及反演断面图的对比与研究，并结合钻探成果资料综合分析，HACSAMT法相对CSAMT法具有更高的分辨率，对于低阻异常体具有更好的分辨能力。

1  工作原理

1.1 CSAMT法原理

2  应用实例

2.1 地质背景概述

研究区位于湖南省郴州市安仁县龙海镇，区内主要发育北东向断裂，倾向南东，逆断层居多。其中F2断裂贯穿研究区，为南大唐-山下断裂，该断裂呈舒缓波状延伸，南北两端均交于牌楼市-涌水灌-塘门前断裂，断裂带北边充水，沿断裂带有多处泉水出露。

研究区内有多处地热异常出露，分布不规律，自流井水量小，水温不高，周边有小规模的开采利用。我院在此处开展了水文地质调查，且开展了40m点距的CSAMT法测深，基本上查明地质构造的空间展布情况，并在1线推测断裂带部位实施了钻探工作。经过抽水试验，水量达2000t/d，但距离钻孔20m处一自流井水量、水温、水位并未出现变化。推测该地控热断裂分布并未查明，为了进一步查明地質构造空间展布情况，又在该钻孔周围开展本次工作。

出露地层主要为侏罗系（J）、石炭系（C）、泥盆系（D）、第四系（Q）。侏罗系地层（J）岩性：黄绿色石英砂岩、泥岩、粉砂质泥岩。石炭系（C）地层岩性：深灰色白云质灰岩、白云岩，夹细砂岩。石炭系余田桥组（D3s）：上部为暗灰色厚层含粉砂质灰岩，下部为暗灰色中厚层-厚层白云质、粉砂质灰岩，间夹泥质灰岩。石炭系锡矿山组（D3x）：下段灰黑色白云质灰岩、隐晶质灰岩夹泥质灰岩，含硅质结核，普遍含粉砂质、泥质、白云质条带。第四系（Q）：岩性为网纹红土、粉砂土、粉砂亚粘土、粉砂、砾石层。

2.2 地球物理特征

研究区采用根据已有钻孔资料，采用露头小四极测试法，对岩芯取样测试获得，统计平均数值如下表。

由表1可知，第四系粘土及砂砾卵石平均卡尼亚视电阻率平均为100Ω· m，属低阻地质体;岩溶、裂隙带平均为100Ω·m，属中低阻地质体，二者平均卡尼亚视电阻率变化范围有较大重叠，可从分布形态区分，岩溶呈团簇状低阻体。第四系地层一般在地表呈近水平分布，且沿浅地表;断裂构造在第四系下呈近条带状分布;灰岩视电阻率平均为8000Ω·m，与断裂构造比较，视电阻率具有较大的差异，可以较好的把灰岩与断裂带以及溶洞区分开。

2.3 工作方法与技术要求

研究区及周边，北东向断裂发育，并切割了基底岩层且经过多次重复频繁的活动，使之形成较宽的破碎带，特别是在基底脆性岩石中形成控热构造带。北东向、北北东向构造带、裂隙密集带为主要地下水的补给、迳流、储存的主要通道和空间。因此在研究区选用CSAMT法进行勘查，主要目的查明断裂带空间展布情况，从而达到地热资源勘查目的。

研究区的前期开展了40m、20m点距的CSAMT法工作，大致查明了构造的空间展布情况，并在1线推测断裂带部位开展钻探工作。经过正规抽水试验，水量达2000t/d，距离钻孔20m 处一自流井水量、水温未出现变化，与物探成果不吻合。推测点距过大，分辨率并未达到要求。因此重新增加工作量，设计5m点距，并且提出采用HACSAMT与CSAMT法进行重复测量，两种测量成果进行比较，根据物探成果开展下一步工作。

本次研究所采用的测量点距为5m，由于点距较小，且谐波信号相对基波信号较弱，因此采用小收发距，大电流供电。设计发发射极至接收机间的距离为2km，AB=800m，电流=15A，测点偏离发射偶极子中垂线最大角度10°，符合理论上小于30°的要求，最低频率为 30Hz。研究区工程布置图如图2。

基波与谐波发射机与接收频率表（表2、表3）如下：

2.4 效果对比研究

2.4.1 CSAMT与HACSAMT 单点曲线对比

在研究区域分别用CSAMT法与HACSAMT法做了两条对比测线。23号线单测点相位与视电阻率对比图如图4、图5，其中蓝色线为基波信号测量，红色线为三次谐波信号测量。

根据以上两图，点-2.5m处的基波与谐波的低频段视电阻率以及相位曲线基本一致，高频段略有差异，但整体上趋于一致。点-22.5m的基波信号视电阻率以及相位信号均有较大的差异。

由图可见基波和谐波在工作环境相同的条件下，基波与谐波的视电阻率以及相位曲线差别不大;但是地质结构不同，基波与谐波的视电阻率以及相位曲线有明显的差异，并且是同步变化的。

2.4.2  CSAMT与HACSAMT反演断面图对比

根据要求，数据处理采用成都理工大学研发的MTsoft2D进行二维反演，其中反演的参数为为默认参数，二维反演采用均匀半空间反演的结果为模型，反演断面图如图5、图6。

由图5可知，左侧为23线基波二维反演断面图，-30～30m段为条带状低阻体，推断该处存在一条大断裂f4;30～90m段为山峰状高阻体，推断为灰岩。右侧为谐波该断面 -30m～15m点下方低阻异常推断f1断裂;45m～70m下方低阻异常带推断为断裂f4，断面上高推断为灰岩。

由图6可知，左侧为基波二维反演断面图，0～60m段为条带状低阻体，推断该处存在一条大断裂;60～120m段为山峰状高阻体，推断为灰岩。基波二维反演断面图与三次谐波一维反演断面图形态大致一样，推断存在一条断裂带，三次谐波反演断面图有更多的细节反应。

由以上分析可知，在23线-15m处实施的钻孔ZK1，热泉来源于断裂f1，因此该钻孔抽水时， 距离钻孔20m处一自流井水量、水温、水位并未出现变化，而该自流井受断裂f2控制。

2.4.3 成果验证

为验证地球物理勘查成果异常是否可靠，在结合水文地质资料的基础上，在异常比较好的23线的点号为20m处设计了钻孔（ZK3），孔深为350m，钻孔倾角88度。

根据钻孔成果，在56m～67m段溶洞发育，溶洞的顶、底板溶蚀现象非常明显，含水性较好;160m～186m段发育四处溶洞发育，溶洞底板沉积厚度大小不等的砂砾、砂黄土，含水性较好，隔板溶蝕现象明显;200m-260m段，见构造角砾，构造发育含水性好。经过抽水试验，水量达到1800m3/d，水温41℃，成果较为显著。

根据钻孔资料与地球物理勘查成果对比，显然HACSAMT法断面推测的断裂与钻探成果更加吻合。

3  结论

根据本次在研究区开展两种方法的对比研究取得成果有以下几点认识：

（1）在研究区开展电磁法测深取得较好效果，基本查明地质构造、溶洞的空间展布情况，为当地地热资源的开发与利用提供科学依据。

（2）在研究区通过两种方法成果的对比，HACSAMT法具有更高的分辨率，在保证数据质量的情况下，HACSAMT法断面的表现出更多的细节，尤其对于低阻异常体有更好的分辨能力。

（3）针对大点距电磁法分辨率达不到要求时，可以缩短点距，采用HACSAMT法观测。由于谐波相对于基波而言，信号会相对较弱，因此小点距的HACSAMT法观测时，宜采用短收发距、短AB极、大电流供电。

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