音頻大地電磁測深方法在江西豐城的應(yīng)用

1巖體覆蓋深度和連通性地?zé)豳Y源是一種清潔、可回存的新型能源。它具有易開采、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點。為讓豐城地區(qū)的地?zé)豳Y源得到充分利用,帶動該地區(qū)經(jīng)濟(jì),因而需要采取一種行之有效的方法來查明勘查區(qū)內(nèi)主要巖體分布范圍,控?zé)針?gòu)造的形態(tài)、位置、產(chǎn)狀,地下水深度和連通性,為地?zé)崴_發(fā)利用提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料。而音頻大地電磁測深法(AMT)的工作頻率是0.1Hz到100kHz,測量深度從幾米到2000m,滿足地?zé)峥辈橹袑ι疃鹊男枰?。AMT方法的工作效率高,成本低,受地形起伏影響小,可以有效查明與液體和巖層相關(guān)的低阻區(qū)和高阻區(qū)的分布情況,同時對低阻體敏感,可以有效圈定地下低阻異常范圍,劃分儲層構(gòu)造2研究區(qū)域的地質(zhì)特征和地球物理特征2.1地層及鄰區(qū)地層研究區(qū)位于江西省豐城市西北,隍城鎮(zhèn)境內(nèi)仙姑嶺,距豐城市區(qū)約30km,距南昌市約70km,距昌樟高速梅林出口約15km?？辈閰^(qū)及鄰區(qū)地層主要為第四系、第三系、下侏羅系、上三疊系、二疊系、泥盆系和前震旦系。整個勘查區(qū)大致上屬于萍樂坳陷帶的中段,松湖旋卷構(gòu)造和華夏系構(gòu)造的復(fù)合部位。雷王嶺—尖古嶺背斜和一系列的斷裂是該區(qū)域較為明顯的構(gòu)造行跡。由于多期次多形式構(gòu)造運動的影響,區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜多樣。2.2下第三系—地球物理特征通過對萍樂坳陷帶的實測標(biāo)本進(jìn)行分析,并綜合南昌盆地孔旁測深與測井等資料可知,本區(qū)主要有以下幾個電性界面:第四系表土層、第四系礫石層、白堊系底部礫巖、下第三系—白堊系紅層、三疊系大治組—二疊系長興組、三疊系安源組—侏羅系林山組、雙橋山群、二疊系下統(tǒng)—泥盆系等。其中下第三系—白堊系紅層為本區(qū)主要電性層,綜合電阻率值20~50Ω·m,在斷面上可形成大面積低阻異常,屬江西省紅盆標(biāo)志性層位。而二疊系下統(tǒng)—泥盆系為本次勘探目標(biāo)層位,電阻率值700~3000Ω·m,異常相對復(fù)雜,往往形成高、低相間的異常面貌。各電性界面中主要地層巖性電性相關(guān)地球物理參數(shù)如表1所示。3測線及數(shù)據(jù)采集勘查區(qū)測線兩兩相交以“井”字形布設(shè)了4條剖面,測線方向均與主要構(gòu)造(斷裂)的走向垂直或平行。分別為2條西南向測線L1、L2和2條東北向測線L3、L4,點距為40m,共布設(shè)測點數(shù)96個,測線總長3.68km。使用音頻大地電磁法進(jìn)行勘探,采用標(biāo)準(zhǔn)十字形布極,20m極距連續(xù)張量模式進(jìn)行采集。數(shù)據(jù)采集使用加拿大鳳凰地球物理公司生產(chǎn)的大地電磁儀(MTU-5A)。在對音頻大地電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行二維反演前,由于觀測的是天然場源,故數(shù)據(jù)受噪聲的影響較大,而若沒有噪聲干擾,測深曲線會是一條平滑的曲線4豐城地基采用反演參數(shù)組合的實例本文采用非線性共軛梯度法(NLCG)進(jìn)行反演,為找到適用于本區(qū)的AMT二維反演數(shù)據(jù)體和反演參數(shù),選擇豐城地?zé)峥辈閰^(qū)L4線為例,對其進(jìn)行極化模式和拉格朗日乘子的試驗,選出最佳反演參數(shù)組合。為保證試驗的一致性,對初始模型進(jìn)行相同的設(shè)置,反演選用的視電阻率和相位誤差均為5%,最小頻率為1Hz,頻率級數(shù)為4,并采用默認(rèn)的剖分網(wǎng)格和背景電阻率。4.1極化模式對比AMT數(shù)據(jù)二維反演的極化模式分別為TE、TM和TE+TM三種,而選擇的不同極化模式會產(chǎn)生完全不同的反演結(jié)果,因此選擇合適勘查區(qū)的極化模式,在二維反演中很重要。而實際情況中,TE和TM兩種模式所受到的干擾程度不相同,導(dǎo)致2種模式實測的視電阻率和相位頻率響應(yīng)曲線畸變程度也不相同,因此在決定反演模式前,必須對實測數(shù)據(jù)不同極化模式二維反演效果進(jìn)行對比由圖1可知,無論是何種極化模式,得到的反演結(jié)果與其他都不相同,而擬合差(RMS)的差異也較大。TE模式的數(shù)據(jù)擬合差為5.11,TM模式的數(shù)據(jù)擬合差為3.45,TE+TM模式的數(shù)據(jù)擬合差為2.14。TE模式的電阻率斷面圖表現(xiàn)為中低阻表層,中間為連續(xù)的高阻區(qū)域并夾有小部分低阻圈層,而下部為大面積低阻區(qū),與不符合實際的地質(zhì)情況。TM模式的電阻率斷面圖表現(xiàn)為低阻表層,中間高阻、低阻區(qū)域交替出現(xiàn),下部呈現(xiàn)出大面積高阻區(qū),與實際地質(zhì)情況也不符合。而TE+TM模式的數(shù)據(jù)擬合差最小,電阻率斷面圖表現(xiàn)為表層低阻,中間層和底部的高、低阻交替出現(xiàn),這基本吻合測區(qū)剖面地質(zhì)的特征。由上述試驗結(jié)果可知,對于勘查區(qū)的AMT實測數(shù)據(jù),綜合反演結(jié)果和擬合差大小,應(yīng)該選用TE+TM模式進(jìn)行二維反演。4.2值對反演結(jié)果的影響進(jìn)行AMT二維反演時,拉格朗日乘子的選擇很重要,其大小決定了反演擬合效果。利用L曲線法可以有效地確定合適的τ值由圖3可知,相同極化模式,不同τ值條件下,反演結(jié)果均能較好地反映出地下介質(zhì)的形態(tài)位置。而隨著τ值的遞增,反演模型變得更加光滑,而數(shù)據(jù)擬合差變大。具體表現(xiàn)當(dāng)τ值取5、10時,擬合差相對較大,但對L4線部分區(qū)域,中、深部的分辨率不高。當(dāng)τ值取1和3時擬合差相對較小,能清楚分辨中、深部的高阻區(qū)域。而結(jié)合由L曲線可知,τ值為1時,比τ值為3時的粗糙度高出了許多。因此,本文AMT二維反演的τ值確定為3最佳。4.3地質(zhì)和鉆孔資料本文利用非線性共軛梯度反演方法(NLCG),利用Winglink軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和反演,選用TE+TM聯(lián)合模式為最終的二維反演結(jié)果,結(jié)合地質(zhì)和鉆孔等資料,對勘查區(qū)進(jìn)行解釋和分析。以西南向的L1線例(見圖4)。圖4為L1線AMT二維非線性共軛梯度反演電阻率斷面圖,以沿剖面方向為水平軸,深度為縱軸。在圖件上方標(biāo)注了每個AMT測點的位置。圖4中大體上電阻率剖面,淺部呈現(xiàn)少部分低阻區(qū)域,中部為大面積高阻區(qū)域,底部為連續(xù)低阻區(qū)域。結(jié)合地質(zhì)與鉆孔資料推斷,淺部低阻區(qū)域為第三系和第四系粘土巖覆蓋層。結(jié)合地?zé)峥辈閰^(qū)主要地層巖性電性參數(shù)信息,推斷中部高阻區(qū)域為下二疊系灰?guī)r(P5地下水賦存狀態(tài)本文利用音頻大地電磁測深方法對江西豐城地區(qū)進(jìn)行地?zé)峥碧?通過對AMT數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,選擇適合該區(qū)的極化模式和拉格朗日乘子等反演參數(shù)組合,利用非線性共軛梯度法(NLCG)進(jìn)行二維反演。結(jié)合勘查區(qū)域的地質(zhì)資料和鉆井資料,以及地球物理電阻率反演結(jié)果,推斷該區(qū)地下水賦存于地下深度200m到大約800m的范圍內(nèi),在電阻率