CSAMT法供电场源的选取与探讨——以广西武宣县盘龙铅锌矿区为例

莫亚军, 区小毅, 黎海龙, 杨富强, 陆怀成

(1.广西壮族自治区地球物理勘察院，柳州 545005；2.中国-东盟地学合作中心(南宁)，南宁 530023)

0 引言

为了克服大地电磁法场源的随机性和信号微弱，导致观测十分困难这一状况，加拿大多伦多大学的D.W.Strangway教授和他的研究生Myron Goldtein[1]提出了可控源音频大地电磁法。该方法使用接地导线或不接地回线作为场源，在波区测量相互正交的电、磁场切向分量，并计算得到卡尼亚视电阻率，从而进行地质推断解释[2]。20世纪80年代后，随着方法理论和仪器硬件的飞速发展，该方法在金属矿产、石油天然气、地热、水工环等勘查领域得到了广泛而成功的应用[3]。

任何一种地球物理方法都有其优缺点和局限性，CSAMT也不例外；该方法具有勘探深度大、抗干扰能力强、工作效率高等优点的同时，也存在着受源效应及静态效应等因素的制约。由于场源效应的存在，使得原本在波区能客观反映地电断面垂向变化的广义波区视电阻率，在过渡区和近区发生了严重的畸变，因此，在实际工作中克服、压制该因素的影响，是取得CSAMT法理想勘探效果的关键[4-5]。

图1 场源效应二层大地二维模拟图Fig.1 2D simulation diagram of the field source additional effect

1 场源效应

Zonge等[6]首次指出了收-发之间的地质情况可能影响CSAMT测深数据。如过渡带有时出现在比预期更高的频率，有时过渡带低谷的特点，这些现象统称为场源效应[7]。场源效应是由地层波所携带的源与观测点之间以及源下方真实地质情况的信息所决定的，当进入远区场地层波的作用减弱之后，场源效应也随之减弱，CSAMT观测强调要在远区场进行，但实际工作中想要做到完全远区观测是不现实、也是不可能的原因有：①最大收发距受最小可探测信号的制约，收发距过大则无法采集到有效的人工场源信号；②最小收发距受近区的制约，收发距过小则采集到的信号过早进入近区。因此，实际工作中需要合理的方法有效性试验和系统的地质信息研究，进而获得工作区最适宜的工作采集参数和工作装置，达到最理想的勘探效果。

MacIness[8-9]给出了一个场源效应二维模拟结果(图1)。对于同收发距的层状模型A和缓变地层模型B，虽然在接收端的地层情况完全一样，但因发射区域的地层不同，导致过渡带和近场部分的曲线也完全不同：曲线的低谷区域往高频段方向偏移，总的地下电阻率升高，而过渡带也往高频段方向偏移了(若测深点下方基底变浅也可能产生类似的结果)。另外，模型B的低谷较模型A陡峭得多，这也与测深点下基底变浅的效果相类似。因此，由场源下具体地质情况引起的曲线偏移现象，其响应趋向于与测深点下具有同样地质分布的响应相类似[10]。

图2 同一测深点不同场源CSAMT测深曲线图Fig.2 CSAMT sounding curves of different field sources at the same point

图3 场源附加效应模型计算结果图Fig.3 The diagram of field source additive effect model calculation result

图2所示为一个野外实例，两条曲线为两个不同场源在同一测深点的测量结果。第1个场源位于被薄冲积层覆盖、相对较新的安山岩之上；第2个场源位于较厚的冲积层上，其下伏为较老的安山岩。两个源的测深曲线在远区几乎是一致的，但16 Hz以下曲线呈现出明显地分离，覆盖较薄处的场源其曲线低谷位于较高频率，且更为陡峭，这与文献[8]给出的模拟计算结果是一致的。

图3是另一组三维理论模型算例，激励源位于板状体正上方，收发距为4 km。与均匀半空间结果相比，当源下方存在低阻体时，电场、磁场和卡尼亚视电阻率同时受到了影响，曲线低频段均出现了向下偏移；过渡带的下凹、上凸特征明显且向高频方向偏移。对于视电阻率而言，它所受的影响则要小得多，中高频段基本不受影响，低频段有微弱的偏移现象。此时，当三度体的埋深不断增加时，场源效应也随之增强。

综上所述，场源效应对电场、磁场和卡尼亚视电阻率有明显影响，但几乎不影响卡尼亚电阻率的远区数据。高阻基底可能使观测数据更早地进入过渡带和近区，造成严重的场源效应。这种效应的校正很复杂，因此选择最优的观测装置尽量压制这一效应非常必要，比如尽可能地将源选择在和测深区具有相同地电结构的地区，或是选择在低阻基底上[11-17]。

表1 研究区电物性参数统计表

图4 研究区地质简图Fig.4 Geological map of the study area

图5 供电试验工作布置示意图Fig.5 Layout of the power supply test

2 CSAMT法场源选择与分析

2.1 研究区地质、地球物理概况

研究区位于广西武宣县盘古村一带，地处桂中凹陷来宾断褶带与大瑶山凸起的交接部位，区内出露地层从老到新主要有寒武系、泥盆系中下统以及第四等。其中W24物探测线段出露泥盆系下统上伦组(D1sl)白云岩，下伏依次为郁江组(D1y)、那高岭组(D1n)、莲花山组(D1l)以及寒武系黄洞口组第一段(∈h1)等地层(图4)。

研究区构造较为发育，褶皱以单斜构造为主，倾向北西、倾角为50°～85°；区内通挽-东乡深大断裂(F1)是本区域主要的成矿和贮矿构造，北北东向断裂F2将F1与盘龙矿床错断，北东向断裂F3断裂性质不明。

本次研究工作是以物探W24线为基础，进行CSAMT法的电场源供电试验研究，探索供电装置与场源效应之间的关系，以确定本研究区最优工作方式(图5)。经收集整理前人资料及进行岩(矿)石标本测定统计结果显示，研究区内白云岩、灰岩、泥质灰岩视电阻率范围为432 Ω·m～6 000 Ω·m；黏土层视电阻率平均为659 Ω·m；铁锰堆积层视电阻率平均为734 Ω·m；重晶石视电阻率平均为7 600 Ω·m；铅锌矿、铅锌矿化白云岩视电阻率分别为412 Ω·m、607 Ω·m。由此可见，区内铅锌矿、铅锌矿化白云岩表现为高极化率、中低电阻率，围岩表现为低极化率、高电阻率的特征(表1)。

表2 供电试验参数一览表

图6 电场-频率(Ema-f)、磁场-频率(Hma-f)频点曲线图Fig.6 Frequency point graph of Ema-f and Hma-f(a)电场-频率;(b)磁场-频率

2.2 试验工作及测量装置

本次研究工作使用GDP-32Ⅱ多功能电法仪，采用CSAMT赤道偶极装置、标量测量。具体工作布置为：W24线位于盘古村北东约400 m，穿越水稻田、缓坡丘陵；测线长度为800 m，测点距为50 m，接收极矩MN为50 m，研究深度为600 m；试验测点记录段为其中的241 625～242 175(对应图8中的0 m～800 m)，计数间隔50，共16个测点；发射频率采用加密频点，共计23个频点(4 Hz～8 192 Hz)，供电极距AB长度为1 200 m，最大供电电流为10 A，每一频点重复观测2次～3次；低频段(4 Hz～1 441 Hz)叠加次数为128次～2 048次，高频段(1 441 Hz～8 192 Hz)叠加次数为2 048次～16 384 次；分别在测线的北东和南西两侧平行布设A1B1和A2B2供电电偶极子，收发距分别为6 000 m和4 000 m(表2)。

2.3 数据处理及解释

在此对每一个测点分别绘制了卡尼亚视电阻率-频率曲线(ρω-f)、电场强度-频率曲线(Ema-f)、磁场强度-频率(Hma-f)以及阻抗相位-频率曲线(Ph-f)，然后使用近场校正程序进行了近场校正，并做了对比分析。从曲线形态上观察，均反应出地电断面为A型，高频段相似性较好，数据稳定、曲线圆滑连续，以W24线的241 625号测点进行分析。

如图6所示，第2次观测的电场信号和磁场信号均明显强于第1次，且全频段接收到的信号十分稳定；Ex和Hy受源效应影响均较大，无论是均匀大地还是层状大地，两者在过渡区和远区对大地电阻率变化十分敏感，而在近区则呈现出与频率无关的特征。第2次观测曲线从频率90 Hz左右已经进入近区，而第1次则在60 Hz左右才逐渐进入近区。

如图7所示，两个测深点的视电阻率曲线尾支均呈现明显的45°上升，卡尼亚视电阻率值达到104Ω·m以上，低频段数据已完全进入近区而发生了严重的畸变，无法反映真实的中深部地电信息。随后，对2条测深曲线进行近场校正处理，通过校正后得到的曲线来看，校正后高频段数据重合性较好，视

图7 不同测点近场校正前、后视电阻率-频率曲线图Fig.7 Apparent resistivity - frequency curve before and after near-field correction(a)A点;(b)B点

图8 W24线不同场源观测数据二维反演断面等值线图Fig.8 2D inversion section contour map of different field source observation data for W24(a)A1B1;(b)A2B2

表3 反演参数一览表

电阻率曲线整体形态较好地反映了区内地下的地电特征，中、低频段数据更真实地反映出了深部的电性分布和变化规律。

经过室内数据处理和反演计算之后，从二者的二维反演断面等值线图来看(图8)，反映的地电特征具有一定的相似性、异常规律差异不大，整体视电阻率断面呈现出由浅往深逐渐升高、相对左高右低的形态特征。从地质概况与物性特征可知，研究区内W24测线段经过之处，地表主要出露相对高阻的泥盆系下统上伦组深灰色白云岩、白云质灰岩；下伏为泥盆系下统郁江组褐黄色泥岩、那高岭组浅灰绿色细砂岩，以及莲花山组的紫红色砂岩等相对低、中阻地层，并且区域断裂构造F2从测段约130 m附近穿过；可见A2B2得到的反演结果相对A1B1而言，更符合研究区的基本地质特征。

3 结论

1)本次试验的研究区及周边地质条件多变、地质构造较为复杂，局部地区地层缺失，且有3条具有一定规模的区域次级断裂构造从区内及周边穿过，这些因素对CSAMT测量工作均产生了一定的影响。

2)通过两次不同收发距的试验结果表明，供电电偶极子布设在测线北东侧、收发距为4 000 m的A2B2，与布设在南西侧、收发距为6 000 m的A1B1相较而言，接收到的信号更强、更稳定，信噪比更高，数据离差更小。

3)在本研究区内虽然收发距布设较远时，能够接收稍多一些的远区频点数据，但由于大收发据引入了更多的噪音，无法接收到稳定而强度足够的人工源信号。

4)经过后期近场校正等数据处理后，图8(a)断面整体呈现左高右低的视电阻率特征，对地下各层的地电信息反映并不明显；而图8(b)中对地表至-400 m深度范围的电性分层反映则更符合本地区地质规律。因此，在该地区工作选择4 km的收发距能够有效压制噪音干扰，采集到信噪比较高的人工源信号。

总而言之，本次对供电场源的探讨为该研究区今后的CSAMT工作中对于场源的选取提供了借鉴。在本研究区地质情况复杂、背景噪音较强以及场源效应影响严重的情况下，收发距不宜选择过大，确保在目标勘探深度中尽可能采集到足够强的人工源有效信号即可。后期再通过近场校正等处理手段，对低频段的数据进行校正，从而获得更符合研究区地质规律的物探成果。