可控源音频大地电磁法（CSAMT）的应用

（一）CSAMT的仪器设备和野外工作方法

1.仪器设备

CSAMT仪器的主机：目前主要有美国ZONGE公司生产的GDP-32和加拿大凤凰公司生产的V8多功能电法仪。

CSAMT的仪器应该具有实时处理的数字化仪,频率范围要求从0.1～2000Hz。为了使用更为有效,仪器应为多道的。最高采样率要求达到0.25ms,每道都要用去假频滤波器和抑制电源干扰的滤波器,同时整机的特性必须噪声低、输入阻抗高、道间干扰小。CSAMT的电源应该能提供频率范围很宽的、高稳定度的标准波形的电源,其输出电流为20～100A,电压高达1000V。为了获得高质量的相位资料,供电设备和测量装置之间必须有同步设备。

2.野外工作方法与技术

（1）工作布置

标量测量的野外工作布置如图3-25所示。CSAMT的供电偶极距一般为1～3km长,测点距供电偶极的距离（收—发距）5～10km。一般用不极化电极接收电场,其电极距10～300m不等。接收的磁场信号经绝缘线输送到接收器中与电场同时记录。

（2）最佳测量分量和位置的选择

实际工作中,如供电偶极布在x方向,一般选Ex/Hy作为标量CSAMT的测量值,称供电偶极的赤道区为“垂向区”,轴向区为“共轴区”的话,则在垂向区r＞4δ为远区,在共轴区r＞5δ为远区。用Ex、Hy装置在垂向区工作时,图中测区部分为测量Ex、Hy,计算标量ρxy的最佳区域。用Ex、Hy装置在垂向区工作时（图3-25）,不但场的信号强,而且野外工作也方便。不仅测站移动时不需要重新定向,就是布极和布线也都很方便,因此,在垂向区测量Ex、Hy分量,是标量CSAMT最常应用的装置。

（3）影响观测质量的几个因素

地形和表层电性不均匀的影响：所有需要测量电场分量的电法勘探方法都受到地形和表层电性不均匀的影响,CSAMT也不例外。理论和实际都证明,山谷和表层低阻区具有高电流密度,相反在山峰和表层高阻区具有低电流密度。前者导致视电阻率升高,后者则引起视电阻率降低。因此,在工作设计和测点布置时必须认真考虑地形和地表层不均匀的影响,或者在测量时设法避开,或者在测量之后进行校正。如果采用后者,在校正之前就必须区分哪些是地形,哪些是表层不均匀给测量结果带来的影响。

场源对CSAMT测量结果的影响：场源对CSAMT测量结果的影响是十分明显的,尤其是近场区和过渡区测量的影响。在保证信号有一定强度的情况下,应尽量在远区测量。实际工作时如果出现了在过渡区测量的情况（特别是高阻区、低频段时）,解释过程中也必须进行校正。场源的影响,本质上就是非平面波的影响,因为近区和过渡区,由人工场源产生的波都不是平面波。除此而外,场源下面或场源和测点下面复杂的地质构造,也会导致近区、过渡区甚至远区电磁场的畸变,这种畸变也表现为非平面波。

（二）资料处理及解释

现在的CSAMT仪器都是数字式仪器,采集的所有数据都存贮在磁带（盘）上以备进一步处理。实际记录的数据有：电场振幅和相位,磁场振幅和相位。目前用于生产的大多数CSAMT仪器都具有实时或现场处理软件,可将所采集的电磁场数据整理为CSAMT所需的物理量,如视电阻率ρω及相位φ等,这些是CSAMT资料解释的基础和依据。由于在远区CSAMT和MT不仅原理相同,而且资料的处理和解释也有许多共同之处,因此,这里我们只讨论近场源影响及其校正问题。

如前所述,只有远区场才近似大地电磁场,计算视电阻率Cagniard公式才有效。一般,当发射偶极与接收点之间的距离r≥3δ时,CSAMT的场才具有平面电磁波的特性。但是,穿透深度δ不仅与电阻率有关,而且与电磁波的频率有关,实际工作时很难保证在一个测深点上所有频率都具有平面电磁波的特性。多数CSAMT测量得到中间区及开始进入近区的数据。因此,本方法关键问题是如何实现近区场和过渡场效应的改正问题,从而计算卡尼亚视电阻率。如果在不同区（近场区、过渡区和远场区）,我们都用Cagniard公式计算电阻率,结果会怎样呢?

图3-26是均匀介质表面CSAMT的Cagniard视电阻率曲线。在近区,它呈45°直线的渐近线。

图3-26 均匀半空间表面Cagniard视电阻率曲线（介质电阻率1000Ω·m）

同理,如不分近区和远区,都用

电法勘探技术

计算,则可得如图3-27所示的视电阻率曲线。

这里k（r）是收发距r的函数,收发距r越小,k（r）值越大。由图3-27可以看出,此时在远场区视电阻率曲线呈30°渐近线。

图3-26和图3-27清楚地表明,在远场区用Cagniard公式和在近场区用式（3-39）计算的视电阻率都是正确的,都等于均匀介质的真电阻率。然而在过渡区关系却比较复杂,呈如图3-28所示的过渡三角形形态。理论研究说明,均匀半空间的电阻率的高低与过渡三角形的形态和大小无关,但过渡三角形的形状和大小却是收发距的函数。收发距大则三角形小,反之三角形大,这是一个十分有益的结论。它表明,只要收发距r不变,就可利用同三角形对过渡场的影响进行校正。

电法勘探技术

基于上述讨论,近场区、过渡区CSAMT资料一阶校正法的步骤如下：

第一步,用式（3-39）和式（3-38）计算每个频率之近场区和Cagniard视电阻率；第二步,计算两条视电阻率曲线之过渡三角形,并对过渡区进行校正；

第三步,在过渡三角形低频一边用近场区视电阻率曲线,高频一边用Cagniard曲线,而过渡三角形区用上述方法校正过后的曲线构成一条新的CSAMT视电阻率曲线,即经非平面波校正后的视电阻率曲线。

CSAMT的资料解释也分定性和定量两大阶段,具体解释方法与常规MT相似,故不再重复。

图3-28 过渡三角形

（三）应用实例

野外工作使用美国ZONGE公司生产的GDP-32多功能电法仪,发射系统采用功率30kW,一般选择供电极距AB＝1000～1500m,收发距5～6km,测量极距MN＝20m。电阻率反演采用光滑模型反演方法,利用反演电阻率断面图进行地质解释。

在隧道勘察中,首先进行地质及物性资料的研究,结合CSAMT方法的特点及地质目的建立异常识别标志。断裂破碎带由于岩体破碎空隙度大,一般会充水或成为地下水的运移通道,电阻率一般呈低阻条带显示,受其影响周围裂隙一般较发育,影响带较宽；岩性分界线（两种岩性有较大差异时）一般会表现为两侧介质电性有明显差异,或数值可能接近但两侧曲线形态有明显不同；深部富水带一般会呈低阻层分布或较大规模的低阻圈闭异常。

龙井隧道地层主要是三叠系的石英砂岩、砂砾岩、粉砂岩、碳质粉砂岩、泥质粉砂岩以及二叠系的碳质粉砂岩、泥质粉砂岩及细砂岩,北东向、东西向断裂发育区根据电阻率异常进行了构造划分,发现多处低阻条带异常,电阻率小于300Ω·m或呈明显相对低阻显示,推断为断裂破碎带或裂隙发育带,结果与钻孔钻遇结果吻合非常好,如图3-29、图3-30所示。

图3-29 龙井隧道CSAMT反演电阻率及地质解释

图3-30 龙井隧道地质断面图（左线）

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