可控源音频大地电磁测深法在特殊地貌区地质调查中的应用

杨 勇，杨文明，马立荣，宋 城

（宁夏回族自治区地质调查院，宁夏 银川 750021）

在特殊地貌区地质调查工作中，地球物理探测技术的应用发挥了重要的作用。覆盖区地质调查中针对划分沉积地层层序、探测隐伏活动断层等基础地质问题，必须依靠高精度的地球物理探测技术。地球物理探测技术是在地面上利用仪器观测地球物理场的变化来获取地下信息的技术手段，在覆盖区基础地质工作中发挥着越来越重要的作用。目前应用较广且成熟的物探方法有浅层地震、放射性测量、高密度电法、（可控源）音频大地电磁测深、磁法、重力探测等。已有研究表明，采用综合地球物理方法在覆盖区垂向地层结构划分以及隐伏断层探测等基础问题上均能取得较好的效果[1—3]。

本文依托武威—固原地貌边界带基础地质调查项目，通过在宁夏固原盆地和中卫盆地开展实施的可控源音频大地电磁测深方法，分析解译了0～1 km深度的地层结构和断层展布特征。结合地质构造背景，对该方法在覆盖区基础地质调查中的有效性进行分析，对方法体系进行研究和对比。

1 研究区背景

1.1 地质背景

研究区大地构造位置位于柴达木—华北板块（Ⅲ）阿拉善微陆块（Ⅲ-4），也称宁南弧形构造带，处在青藏高原向东北隆升的前锋地带。研究区南侧为祁连早古生代造山带、北侧为阿拉善地块、东侧为鄂尔多斯地块。在青藏高原向北东逆冲推覆的动力学背景下，岩石圈挠曲变形，在宁南弧形构造带形成了一系列的前陆盆地，包括该次的研究区——固原盆地和中卫盆地。

研究区地表出露地层主要为第四系、新近系和古近系（图1）。结合已有基础地质研究及区域地球物理解译成果[4]，中卫盆地新生界厚度多在0.5～1.5 km，新生界之下为古生界。固原盆地新生界厚度在1.5 km左右，新生界之下为白垩系。

图1 研究区构造地质图

1.2 主要地层岩性的电性特征

本研究以区内水文钻孔测井数据以及邻区岩石物性标本测定结果为基础，对研究区主要地层岩性的电性特征进行整理统计，见表1。

表1 研究区主要地层电性结构

研究区地表出露第四系洪积角砾、黄土层呈相对高阻，电阻率多大于100 Ω·m；新近系干河沟组整体呈中阻特征，电阻率一般低于第四系洪积角砾层，但高于彰恩堡组和清水营组，以泥岩为主的低阻地层，电阻率一般在40～100 Ω·m；新近系彰恩堡组和古近系清水营组以泥岩为主，呈明显低阻异常，电阻率一般小于15 Ω·m；白垩系乃家河组和马东山组为固原盆地主要的含盐地层，电阻率多在20～50 Ω·m；石炭系羊虎沟组、靖远组和臭牛沟组均以砂质页岩、泥岩和粉砂岩为主，电阻率一般小于30 Ω·m；泥盆系和中-上奥陶统以砂岩为主，呈明显高阻异常，电阻率多大于100 Ω·m。

2 方法技术

2.1 方法原理

可控源音频大地电磁测深法通过观测人工场源在地下介质中激发的电磁波来探测地球内部结构。该方法是针对天然场源的随机性和信号微弱的不足在音频大地电磁测深的基础上发展而来，其电磁场在空间的分布和传播满足麦克斯韦方程组。在满足远区条件下，大地介质电场E、磁场H、电磁波频率f与卡尼亚视电阻率的关系为[5]

式中：Ex为沿x 方向的电场分量，mv/km；Hy为沿y 方向的磁场分量，mv/km。

假设电磁波为平面波，电磁波在导电介质中传播时，其幅值按照指数规律衰减，能量随着传播距离的增加而逐渐被吸收。当电磁波振幅衰减到原来的1/e 时，电磁波穿透介质的深度为趋肤深度δ[5]：

式中：ρ 为大地电阻率，Ω·m；f 为工作频率，Hz。可以看出，电磁波穿透深度仅取决于大地电阻率ρ和工作频率f，即电阻率的减小或频率增高，穿透深度变浅，反之亦然。因此，在一定工作区域内，可以通过改变信号的频率，达到测深的目的。但在实际工作中，趋肤深度反映了电磁波在介质中穿透的深度，不代表实际有效探测深度。目前计算探测深度D 较好的经验公式为[6]

2.2 工作方法

采用旁侧装置标量测量方式，点距为100 m。考虑到研究区地质背景的差异，通过技术参数试验，确定研究区的主要技术参数：北部中卫盆地工作频率1～8 192 Hz，收发距10 km，发射端供电极距1.8 km，接收端极距为100 m，供电电流15 A，有效勘探深度为1.2 km。南部固原盆地工作频率0.125～9 600 Hz，收发距为8.5 km，发射端供电极距2 km，接收端极距为100 m，供电电流为18 A，有效勘探深度为1.5 km。

3 应用效果

3.1 深部断层识别情况

由GC02 剖面可控源音频大地电磁测深成果（图2）可见，剖面1 km 位置存在明显的电性曲线扭曲和梯度变化，该位置地面氡气浓度呈明显的单峰异常，为隐伏断层的反应；剖面11 km 位置0～1.2 km 深度存在明显的电阻率曲线错断和扭曲，对应位置地面氡气测量结果亦显示为十分明显的氡气异常。该位置与区域上所显示的清水河断裂吻合，推断为隐伏断层的反应。

图2 GC02 测线综合解释成果图

综合2 种不同地球物理结果对比，异常位置吻合，从地球物理特征看，均为断层的反应，说明可控源音频大地电磁测深的方法对断层解释是可靠的。

3.2 地层划分情况

WC01 剖面位于中卫盆地南缘，由南向北布设。剖面0.5～2.0 km 段（图3a），以剖面1.1 km 位置为界，1.1km以南呈明显高阻，电阻率大于100 Ω·m；1.1 km 以北电阻率明显较低，电阻率小于10 Ω·m。从地表出露地层情况（图3c）看，1.1 km 以南对应奥陶系磨盘井组，1.1 km 以北对应彰恩堡组，与该次测量结果对应较好。

剖面0.5～3.0 km 段（图3b），以剖面2.3 km 位置为界，2.3 km 以南浅部电阻率小于15 Ω·m，2.3 km 以北电阻率多大于30～80 Ω·m，较南段呈明显的高阻异常。从地表出露地层情况（图3d）看，2.3 km 以南为彰恩堡组，2.3 km以北为干河沟组。结合研究区主要地层岩性的电性特征，该次测量结果与地表出露地层对应较好。

图3 WC01 剖面可控源音频大地电磁测深（局部）成果与地表出露情况对比图

4 主要技术参数及技术对比分析

以该次完成的可控源音频大地电磁测深剖面成果为基础，结合在研究区内开展实施的其他地球物理工作，对覆盖区可控源音频大地电磁测深的方法体系进行研究。

4.1 技术参数

覆盖区开展可控源音频大地电磁测深方法的主要技术参数需根据具体工作任务开展参数试验后确定。从该次工作结果看，针对覆盖区地质调查工作，可控源音频大地电磁测深的点距不宜太大，该次设定的100 m 点距较为合适。

另外，开展工作前要充分收集已有电性资料，初步估算有效探测深度、工作频率。该次工作根据具体工作区块的参数试验，最终确定的工作频率分别为1～8 192 Hz 和0.125～9 600 Hz，有效探测深度在1.2 km左右，能较好地分辨研究区主要垂向地层结构和断层展布特征。

4.2 方法组合应用

地球物理资料处理和解释受多种因素制约，存在一定的多解性。结合该次工作以及以往工作经验，多手段的综合地球物理探测方法在覆盖区深部探测中组合应用，对减少多解性、提高解释可靠程度具有很明显的效果。其中，可控源音频大地电磁测深法能够有效获取中部，尤其是1.2 km 以浅的精细电性结构，能够有效地划分垂向地层界面和局部断层。常规氡气测量对确定断裂的地面位置十分有效。重力测量对区分新生界低界面、划分深大断裂、圈定岩体等方面具有较好效果。上述方法的综合应用对解译浅部结构和深部构造问题效果较为明显。

5 结论

（1）从该次工作成果看，可控源音频大地电磁测深法在覆盖区地质填图中能够有效解译垂向地层结构和隐伏断层的空间展布特征。

（2）地球物理场在介质中传播受很多因素影响，地面所获取的地球物理数据资料是地下介质的综合反映，因此存在一定多解性。常规氡气测量、重力测量等地球物理方法均能获得关键的地球物理信息；多方法、多手段的综合地球物理探测技术对解决特殊地貌区基础地质问题十分关键。