CSAMT与CYT联合探测法在深部盐穴储气库建设中的应用*

王志荣　王泉更　张利民

(①郑州大学水利与环境学院　郑州　450001) (②河南省煤田地质局资源环境调查中心　郑州　450053)



CSAMT与CYT联合探测法在深部盐穴储气库建设中的应用*

王志荣①王泉更①张利民②

(①郑州大学水利与环境学院郑州450001) (②河南省煤田地质局资源环境调查中心郑州450053)

针对深部盐穴探测问题的特殊性，结合平顶山叶县盐田储气工程，简要探讨了可控源音频大地电磁法(CSAMT)与大地电场岩性探测法(CYT)的理论基础、探测原理以及解译方法，并对试验区盐穴的几何形态、空间分布以及物性信息反馈特征展开了研究。首先应用CSAMT法进行初探，大致圈定目标体的空间范围； 其次在CSAMT法探测结果基础上选择有利地段，采用CYT法进行精探，详细圈定目标体的空间形态。探测结果表明，试验区盐穴空间形态复杂，剖面上呈现不规则的空穴群，埋深大约为 -1400～-1000m； 但单个溶腔体积较小，半径大致为8～60m。研究成果可用于指导地下盐穴储气库址的选择和建设，为我国深部盐穴探测方法和电场岩性解译提供了参考。

平顶山盐田CYT与CSAMT法盐穴探测应用实例

0　引　言

电磁法是根据地下岩土层与目标体的电磁性差异，通过地面接收器获取其场强与电磁场变化等信息，进而探测其空间分布的一种地面物探方法。除传统的电剖面法与电测深法外，目前用途最广的主要有瞬变电磁法、音频大地电场法以及地质雷达法等(李天斌等， 2009)。电磁法于20世纪50年代初开始在国外出现并得到快速发展，同时促进了其他传统电、磁法的发展，衍生出包括可控源等方法在内的多种新的电磁法技术。60年代我国开始发展大地电磁法，起初主要研究强震区深部结构，后逐步发展成为探测包括深部结构、油气构造、金属矿床、地热资源、地震和火山活动等众多领域的重要地球物理方法(邓居智等， 2001； 李建平等， 2005； 李术才等， 2008; 薛国强等， 2008a， 2008b)。

平顶山盐田工业储量十分丰富，经过近20余年的深部开采，形成了众多的采空溶腔，为地下储气库建设提供了宝贵的空间资源。然而，与国外厚层盐岩储层条件相比，平顶山盐田的地层结构比较独特，具有薄层状盐岩与薄层状泥岩相间互层而且埋藏较深等特点，因而形成十分复杂的溶腔储藏特征(丁国生等， 2010； 王志荣等， 2015)。本文研究内容属于西气东输二线—平顶山盐穴储气库建设的前期工作，应用大地电场岩性探测法(CYT)与可控源音频大地电磁法(CSAMT)对平顶山地下盐岩溶腔的空间形态、几何大小与相互配置展开联合探测，为建立地下复杂空间的数值计算模型提供地质依据，进而指导盐穴库址的规划和建设工作。

1　盐田地质背景

勘探资料表明，工作区可采盐层赋存于古近系核桃园组(E2h)，为灰色泥岩、盐岩与含石膏泥岩相间互层，总厚度为489～1070m，可划分为22个盐群组合。盐田内盐层层数最多达61层，其中单层厚度最高达27.7m(602井，核十四段)，最薄不足1m，单层厚度大多集中在10m以内。盐层间距小，对应的夹层以厚度薄、层数多为特点，平均为2.8m，最大为12.32m，厚度普遍在5m以内，泥岩夹层总厚度约占互层状盐岩总厚度的30%左右。平顶山盐田位于豫西舞阳凹陷西部，新生代形成的舞阳凹陷属断陷式构造盆地，一系列倾向北东的大型正断层构成阶梯状断层组合，上盘依次断陷控制着盐田的内、外边界。断块内含盐地层产状平缓，大致呈单斜构造，倾向南东，倾角9°～17°(图1)。

图1　舞阳凹陷断裂构造纲要图Fig. 1　Fault structure section of Wuyang depression1.地层界线； 2.地层时代； 3.正断层

中盐皓龙马庄矿段年产2×106t液体盐，采区面积约1.01km2。盐岩呈互层状，赋存在古近系核桃园组中，岩性主要为盐岩夹泥岩，埋深均为1000～2000m(图2)。由于中盐皓龙马庄五里铺盐矿段(以下简称：马庄矿段)的勘探程度较高，均已探明其地层分布及构造特征。矿区地质条件简单，面积大小适宜(1km2)，是进行地面物探的相对理想场所。故选择该矿段内典型的系列井(孔)，作为地面物探进行盐穴探测的试验靶区，进而建立地下三维盐穴的地质、力学立体计算模型(赵志成等， 2004； 郤宝平等， 2008； 班凡生等， 2012)。

图2　中盐皓龙采区盐井地质剖面图Fig. 2　Section of salt wells in Gaolong Mining areas of China Salt Corporation

根据试验要求，本次地面物探分为初查与精查两个阶段，共布置测线4条，其中CSAMT法测线3条，呈“廿”字状分布，测点55个，剖面长2080m； 由于在CSAMT法L1、L2、L3测线上发现大批视电阻率低值区，又加设CYT法测线1条实施精确探测，测点24个，剖面长920m(图3)。

图3　电磁法测线平面布置图Fig. 3　Plane setting map of probe line of EM

2　CSAMT地下溶腔探测方法

CSAMT又称可控源音频大地电磁法，目前广泛应用于各种地质灾害超前预报与矿产勘查中(葛纯朴等， 2007； 黄力军等， 2007a，2007b； 李坚等， 2009； 宋国阳等， 2009)。本文通过河南叶县盐岩溶腔储气工程实例，对深部(深度近2000m)复杂地下空穴的探测做了初步的尝试。

2.1CSAMT工作原理

CSAMT法是基于大地中普遍存在的电磁波传播规律，即趋肤效应。对于这一自然现象，下式可以反映它们在不同频率的视电阻率分布状况。

(1)

式中，ρ为视电阻率值(Ω·m)； Ex为接收电极距(m)； Hy为接收磁极距(m)。利用式(2)可求取它们相对应频率的传播深度：

(2)

在实际物探工作中，一般利用1个发射源，并且在测线上使用1组与供电电场平行的接收电极(Ex)来接收电信号，同时使用1个与电场正交的磁探头(Hy)来接收磁信号。

2.2CSAMT工作方法

一般条件下，接收-发射距离要求大于探测深度的4倍。为了达到较大的探测深度，本次勘探采用的接收-发射距离为6000m，可对2000m深度的地质目标体实现有效控制。测线布置则根据试验区条件而定，测点间距暂定为40m，测试深度为2000m(图4)。

图4　旁侧排列装置示意图Fig. 4　The flanking collating unit

为了保证深部探测的可行性与精确性，本次CSAMT法探测试验采用目前国际上公认的，由美国Zonge公司生产的GDP-32Ⅱ多功能电法仪。野外数据采集完成后，进行相应的一维和二维反演程序计算，最终获得相应的地球物理参数。

2.3CSAMT探测结果

平顶山盐田马庄井田D系列井区域作为CSATM溶腔测试试验首选区，共布置测线3条：L1线、L2线、L3线，合计测点55个，点距40m。为了初步查明地下溶腔的大致空间范围， 3条剖面线总体成十字交叉布置，即L1与L2平行，呈南北向； L3与L1、L2垂直成十字交叉，呈东西向，测线总长2080m (图3)。

从L1、L2、L3线在-1000～-1400深度的视电阻率 (图5)对比情况看，三线视电阻率背景值均较低，大约为0～16Ω·m，总体反映了较大范围内盐岩的低异常特征。而L1与L2线在该深度横向上出现明显梯度，即 L1北部和L2南部分别存在一个不连续的低阻区。造成短距离内视电阻率出现较大差异的原因，通常是地下水作用的结果，故推测为疑似地下含水溶腔群。L3线呈现大面积低阻，表明盐田在该方向存在条带状溶腔群。值得注意的是，L1、L2、L3剖面的低阻区均延伸至第四系，说明古近系岩盐溶腔及局部围岩的空隙特征与第四系土壤相同，今后应注意气体渗透问题(陈卫忠等， 2009)。

3　CYT地下溶腔探测方法

大地电场岩性探测法(CYT)(以下简称：CYT)是我国具有自主知识产权的，一种利用天然大地单一电磁场场量进行勘测的频率域电磁法(杨庆锦等， 1999； 陈志平等， 2010)，其使用场源与MT、AMT相同，均为交变电磁场。探测原理也较为简单，即根据交变电磁场在地层中的传播趋肤效应，利用不同频率电磁波具有不同穿透能力的特性，首先在地面进行观测接受信息，然后经计算来查明地层视电阻率ρ的垂向变化，以此推测地下岩性与构造等地质状况。

众所周知，一定频率的电磁波场具有一定的穿透能力：高频电磁场穿透能力弱，平均效应涉及范围小； 低频电磁场穿透能量强，平均效应涉及范围大。CYT利用的是频率在0.001～1000Hz长波部分。由趋肤深度理论确定的深度与电阻率及频率(周期)关系式：

(3)

式中，H为深度(km)；K为常数；ρ为视电阻率(Ω·m)；T为周期(s)；f为频率(Hz)。式(3)就是CYT等电磁类物探方法探测地下电性与深度关系的物理基础。

因CYT具有探测深度大，不易受高阻层屏蔽，对低阻层特别敏感等特点，除广泛应用于我国油气部门外，近年来在众多地下工程领域得到重视并取得较好效果。毋庸置疑，CYT是一种电信分辨率高，且能够相对准确确定含水层层位、厚度及埋藏深度的地面物探方法。在本次盐穴勘查实践中，根据测试数据能精确圈画出盐穴的几何形态、空间组合以及边界条件，并为建立岩盐溶腔的地质、物理力学三维立体计算模型提供强有力的地质保障。

图5　CSAMT测线视电阻率剖面图(单位：Ω·m)Fig. 5　The profiles of apparent resistivity of CSAMT

3.1工程布置

根据试验要求，对CSAMT最大异常区L1线进行进一步勘探。共布设一条CYT精细测线，长度为920m，测点共计24个，测点间距为40m。测点编号由南向北依次为：A1、A2、……A24(图3)。

测线A1点位于D1-1孔南侧，A24点靠近KY1孔附近，其间跨越有D1-1单井、D2-1～D2-2对井、XL3-7～XL3-8对井、XL3-5～XL3-6对井和KY1～KY4对井。数据采集使用CYT-Ⅳ型仪器，测试深度1500m，采样步长为2m。

3.2曲线异常分析

3.2.1层位确定

根据CYT测试数据进行层位标定，就是将钻孔旁测试数据对照钻探揭露岩层埋深或标高资料，在某岩层埋深处查看对应曲线特征。本次CYT测线通过处有多个钻孔资料可用于层位标定，为数据解释奠定了良好基础。

以D1-1孔为例。该孔揭露新近系上寺组底埋深420m； 古近系廖庄组底埋深1066.5m； 古近系核桃园组含膏泥岩底埋深1110.7m； 含膏泥岩下为近290m的盐岩与泥岩互层，是马庄矿区主要的开采层段，其埋深在1110.7～1400m左右。都为较松散、固结程度相对差的第三纪、第四纪岩层。

从距D1-1孔约22m的A6点测试曲线看，在420m附近曲线存在一低频波峰，其上波形相对圆滑，其下波形相对为折线状，圆滑成分较低。由此作为划分新近系与古近系的分界特征。按此模式对其他层段岩层进行标定，均可在层段界面处发现有明显的频率差异现象。根据曲线中频率变化，确定了各主要岩层的曲线特征和分界面特征。

3.2.2层位追踪

依据CYT曲线特征，可进行层位追踪与解释。由于本次测线穿越段附近有多个钻孔资料可以辅助进行层位标定，为盐穴的准确定位和追踪，起到了很好的指导和校正作用，保证了层位追踪的准确性和可靠性。

3.2.3盐穴的识别

盐穴的识别是在盐岩层解释基础上进行的。本次试验表明，盐岩溶腔及其围岩电磁信息反馈的数据具有一定规律性，即盐岩与泥岩互层，其完整性与岩体质量较好，ρs值可达40～15Ω·m； 盐岩和含水盐穴一般表现为电阻率的低异常，ρs值仅为0～5Ω·m； 无水盐穴则表现为视电阻率的略低异常，为5～15Ω·m。考察垂向上的连续探测曲线，在盐岩赋存层位对应处，若曲线频率变低、振幅增高、曲线变圆滑，则该段为盐穴，其波形与正常盐岩层曲线特征——低振幅、折线状特征是不一致的。

3.3盐穴异常解译

针对盐田盐穴特征对5个(D1-1、D2-1～D2-2、XL3-5～LX3-6、XL3-7～LX3-8、KY1～KY4)采井附近的曲线分析后认为，有10个测点曲线有盐穴特征。受页面限制剖面不能按比例显示，为看清异常细部，删去了含膏泥岩以上层段，并对保留层段曲线纵向拉伸，这使曲线频率人为改变显得较低，特此说明。

3.3.1盐穴水平范围

测线控制范围，共跨越或靠近5个单井或对井。盐穴或对井盐穴通道半径为22～60m，其中，D1-1井的盐穴半径为22m～48m变化，特征是上部(深度为1147～1278m)盐穴半径小于下部(1300～1363m)； D2-1井的盐穴半径为8m～32m间变化，盐穴上部(深度为1176～1309m)空穴厚度较大； LX3-7井盐穴半径在15m～53m间变化，盐穴特征为各盐穴层厚度不大，较为分散，相对讲中部(深度为1278～1358m)的盐穴厚度较大； XL3-6井盐穴半径为27～32m，该盐穴特征为盐穴层分散、厚度小； KY1井盐穴半径为30～60m，特征是盐穴层厚度小，层位分散，有向A24点方向增厚的趋势。

3.3.2盐穴深度范围

D1-1井的盐穴深度为1148～1369m，高度大于220m； D2-1～D2-2对井的盐穴深度为1176～1409m，高度大于233m； LX3-7～XL3-8对井的盐穴深度为1193～1424m，高度大于231m； XL3-6～XL3-5对井盐穴深度为1196～1356m，高度大于160m； KY1～KY4对井的盐穴深度为1252～1405m，高度大于153m。

了解各测点曲线特征后，进一步实施分段追踪解释，则得到相应的岩电剖面 (图6)。图6 显示，CYT测线A控制段(核桃园组)岩层向北倾斜，盐穴的空间形态极其复杂，剖面上呈现若干不规则的空穴群，单个溶腔体积较小，且没有呈现典型的向顶部收敛的壶穴状。运用CYT法解释的含盐岩地层及盐穴的分布与钻孔揭露的互层地质情况基本吻合，为建立岩盐溶腔的计算模型提供了强有力的地质保障。由此可知，CYT能较细致地反映出盐岩溶腔位置及范围，若采用较为密集的测网，预计能勾绘出更精确的盐穴三维立体形态。

4　结　论

(1)应用电磁法对平顶山叶县盐田地下盐穴进行探测，实践证明，“大地电场岩性探测法(CYT)”与“可控源音频大地电磁法(CSAMT)”联合工作，不失为一种较好的深部空穴探测方法。CSAMT作为一种便利高效与辅助验证的地面物探方法，可大致推测地下深部空穴的分布范围，尤其是对充满地下水的空穴，其探测效果则更好。

(2)CYT作为一种精细探测手段，对地下盐穴甚至深部大型空穴探测显示出巨大的优越性，展示出其良好的应用前景和发展潜力。本次试验表明，研究区CYT测线A控制段(核桃园组)岩层向北倾斜，盐穴的空间形态极其复杂，剖面上呈现若干不规则的空穴群，单个溶腔体积较小，且没有呈现典型的向顶部收敛的壶穴状。运用CYT法解释的含盐岩地层及盐穴的分布与钻孔揭露的互层地质情况基本吻合，可以为进一步建立地质模型与计算模型提供技术支持。

(3)CSAMT作为一种探测精度较低的初探方法，对现场及周边环境非常敏感，首先就是地下一些金属结构比如钢拱架、锚杆等对测量结果影响较大，然后就是发射圈和接收圈之间的相互感应对测量精度也有影响。CYT在含盐地层解释中，需投入大量人力与物力，且客观上需要其他勘探手段指导与验证，因此应用联合探测法能取得较为理想的互补地质效果。

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APPLICATION OF BOTH CSAMT AND CYT ELECTROMAGNETIC METHOD TO DETECTION OF DEEP SALT CAVES

WANG Zhirong①WANG Quangeng①ZHANG Limin②

(①SchoolofWaterConservancyandEnvironmentEngineering，ZhengzhouUniversity，Zhengzhou450001) (②InvestigationCenterofResourceandEnvironmentofHenanBureauofCoalGeology，Zhengzhou450053)

This paper is based on the particularity in exploration of deep salt caves. The theoretical foundation， detection principle and interpretation methods of earth electric field lithology detection(CYT) and Controlled source audio magnetic telluric(CSAMT) are discussed using the Yexian salt field gas storage project in Pingdignshan. The geometry， space distribution and feedback physical information of salt caves are studied as well． Firstly， the spatial range of target body is confirme-droughly with CSAMT method. Then the spatial form is determined in detail with CYT method on the basis of CSAMT results in favorable area. Exploration results show that the spatial form of salt cave is complex. The irregular holes appear on the geological section with depth of-1000～-1400m. But the single cavern is small and the radius is about 8～60m. The research results can be used to guide the site selection and construction of underground salt cavern gas storage， and provide some reference for deep salt caves detection and interpretation of lithology electric fields．

Pingdingshan salt field， CYT and CSAMT detection， Salt rock cavity detection，Application example

10.13544/j.cnki.jeg.2016.01.018

2014-11-26;

2015-09-01.

王志荣(1963-)，男，博士，教授，主要从事地质工程与地质灾害防治研究. Email：wangzhirong513@sina.com

P631.3

A