音频大地电磁测深反演南沙新区地下空间岩性构造特征

2020-12-23陈长敬黄理善赵信文

华南地质 2020年3期

陈松，陈长敬，黄理善，赵信文，曾敏

CHEN Song1， CHEN Chang－Jing1， HUANG Li－Shan2， ZHAO Xin－Wen1， ZENG Min1

（1.中国地质调查局武汉地质调查中心（中南地质科技创新中心），武汉 430205；2.中国有色桂林矿产地质研究院，广西桂林 541000）

（1.Wuhan Center of Geological Survey（Central South China Innovation Center for Geosciences）， Wuhan 430205， Hubei， China；2.China Nonferrous Metals（Guilin） Geology and Mining Company Limited， Guilin 541000， Guangxi， China）

音频大地电磁测深（Auto magnetotelluric sounding，简称AMT）是一种较为成熟的地球物理勘探方法，广泛应用在诸如地质构造、矿产、页岩气、天然气水合物、冻土、海水入侵、水资源等勘查领域。

谭红艳等利用音频大地电磁测深技术对鄂东南丰山隐伏矿体靶区进行了定位预测，发现了隐伏金属矿体，实现了危机矿山区深部找矿突破[1]。朱自串等分析了老挝万象盆地呵叻钾盐矿AMT 二维反演剖面，指出高阻凸起反映了盐岩层隆起全貌、顶板埋深，AMT 资料可为找矿靶区优选、定孔位提供依据[2]。渝东南锰矿靶区勘查深度加大，需要借助音频大地电磁法认识区内地堑构造，何帅等根据AMT 电性特征，划分了小茶园、楠木庄地堑构造，提供了锰矿深部勘查的方向[3]。刘祜等、吴翔等均分析了盆地页岩气调查中AMT 的应用效果，AMT 反演资料可给出页岩层的埋藏深度、厚度、分布特征[4－5]，为盆地页岩气评价、钻孔位置选址提供部署依据。方慧等在青藏高原永久冻土区开展了音频大地电磁测深探测天然气水合物的试验，结果表明天然气水合物矿体呈现水平分布的高阻特征[6]。何梅兴等根据AMT 反映的电性结构特征，圈定了祁连山哈拉湖地区凹陷区、凸起区与断裂构造，进一步分析了冻土特征[7]。严小丽等在鳌山卫地区布置了AMT方法，得到了2000 m 以浅的电性结构，划定的断裂构造为钻孔布置提供了依据[8]，武斌等阐述了AMT技术是一种有效的勘查地热资源的手段[9]。红层基岩赋存多种形式的水体，邬健强等开展了怀化地区红层找水的研究，利用音频大地电磁测深可较好的划定异常特征，达到与钻井验证一致的勘探结果[10]。杨学明等利用音频大地电磁法监测莱州湾地区海水动态，认识到该技术可划分咸淡水界面，监测界面的运移规律[11]。

音频大地电磁测深在上述领域应用中均是反演地下空间二维电阻率分布特征，进而推断岩性、构造变化，本文依托城市地质调查需要了解地下空间岩性的变化、断裂构造的分布，同样可借鉴该方法，查明500 m 以浅的地质构造特征。研究区域位于珠江入海口，南沙中部地区，目前开展过较多的常规电法工作，电磁法手段应用的较少，借助音频大地电磁法采集手段灵活、工作效率高，对该区开展长剖面的试验研究，取得了较好的勘探效果。

1 研究区位置与地形地貌

广州南沙新区地处粤港澳大湾区几何中心，位于广东省广州市地理位置南端（图1），南处珠江入海口，被沙湾水道、狮子洋、洪奇沥水道围绕，与东莞市、中山市相对，面向伶仃洋。该区为广东省珠江三角洲冲积平原的腹地，城市化程度较高，为海上丝绸之路的起点，国内外著名的经济发展地区，同时也是连接港澳的节点。

南沙新区地貌多表现为三角洲冲海积、人工堆积平原，其中黄阁镇、南沙街等地分布隆起的丘陵或台地，丘陵主要为分散分布的剥蚀残丘，地台处于丘陵的边缘地带。珠江河口被大量沙泥淤积，加上龙穴岛、新垦镇、万顷沙镇大面积的人工填海造地，形成宽缓的平原区地貌。平原区地势整体呈现北高南低、地面平均标高较低特点。

2 地质地球物理特征

南沙新区地层隶属华南地层大区东南地层区中的东江地层分区。区内地层由老至新有元古宇、白垩系、古近系及第四系。其中，第四系分布最广。从垂向上分析，第四系从下至上可划分为礼乐组（Qpl）、桂洲组（Qhg）。地表只大面积出露桂洲组灯笼沙段（Qhgdl）砂质粘土、粉砂质淤泥等。莘庄村组（E1x）出露于万顷沙镇、东涌镇-黄阁镇一带，为冲洪积相砾砂沉积、湖泊相砾砂泥建造，岩性主要为砖红及紫红色砾岩、砂砾岩、砂岩、粉砂岩，局部含钙质。三叠纪岩体（T3ηγ）岩性为中细-细中粒斑状黑云母二长花岗岩，为酸性侵入岩。

图1 研究区交通位置图Fig. 1 Traffic location map of study area

南沙新区区域性东西向断裂、北西向断裂和北东向断裂相互切割，控制了南沙新区地貌形态、基底断块的形状，构成了断裂构造格架。东西向断裂以南沙-东莞断裂为主，北东向断裂以新会-市桥断裂带为主干断裂，北西向断裂发育有白坭-沙湾断裂带、狮子洋断裂组，具一定活动迹象。

通过收集常规电法及电磁法勘探剖面资料，揭示研究区覆盖层视电阻率值集中在2～250 Ω·m，花岗岩视电阻率值在700～2500 Ω·m，砂岩视电阻率值在300～1200 Ω·m。研究区具有明显的电性差异，可为区分空间岩性分布特征提供依据。

3 工作方法与数据处理

3.1 工作方法

研究区地形地貌特点为人工填埋造地，每间隔1 km 左右开挖1 条宽50-100 m 不等的涌沟，整个测区分布1 涌至19 涌共19 条涌沟，常规电法勘探受制于野外采集方式制约，一般遇到障碍物尤其是万顷沙地区涌沟等阻隔，很难采集到连续的数据剖面，无法更全面的了解整个测区地下空间电性或者地质体的电性结构等重要信息。鉴于此，优先选择采集方式灵活、勘探深度大、横向分辨率高的音频大地电磁法，音频大地电磁测深采用点测模式，当遇到难以通过的障碍物，可以相对少量的丢点，最后数据成图时仍然能保持电阻率空间上的连续性，同时，音频大地电磁的测点采用25 m 点距，点距比较小，测点数量密，可以保障数据量支撑长剖面精度要求。

本文采用的是EH4 连续电导率成像系统，其在地质矿产勘查、工程勘探等领域使用广泛，勘探效果较好。为从空间上控制整个研究区的岩性分布、构造展布形态，EH4 数据采集工作共布置2 条长剖面（图 2），剖面长度分别为 3625 m、9625 m，其中 1 线横跨 3 涌－5 涌，2 线横跨 7 涌－14 涌。测点点距为25 m，采集时长20 分钟，垂直叠加12 次。

3.2 数据预处理

音频大地电磁数据预处理主要包括压制强干扰，消除静态效应。音频大地电磁采集数据过程中或多或少会受到电磁噪声干扰，视电阻率－相位曲线发生畸变，影响数据质量，导致误判地下电性结构特征，采用一定手段压制干扰非常重要，压制强干扰方法主要有小波变换法、S 变换法、Hilbert－Huang 变换法、Robust 法、变分模态分解法、信号识别递归法、字典学习法等[12－13]，各种方法都有其压制干扰的特点。音频大地电磁实测环境中下伏地层通常发育不均匀地质体，局部不均匀体产生与外电场强度正相关的附加电场，周围电流密度明显区别于其他测点，导致畸变视电阻率曲线，发生视电阻率曲线平移的静态效应。同时，地形、地貌的剧烈变化也会引起静态效应。静态效应主要表现为强度与深度呈负相关，主要影响电场数据，在垂向上密集陡立（挂面条现象），横向上影响范围小，会造成视电阻率曲线的整体移动但不改变曲线形态[14]。

目前主要采用数字滤波技术来处理静态效应，包括小波分析、相位换算、曲线平移、空间滤波、首支重合等。较为常用的有曲线平移法，通过区分静态效应影响的曲线，整体平移达到恢复真实位置，该方法需要了解背景场、静态位移的程度。

本文采用首支重合法，消除不均匀地质体引起的局部假异常数据，提高实测数据质量。如图3，本次实测的一段AMT 数据在静校正之前，局部畸变非常明显，出现密集垂向陡立数据，经过静校正后压制了电阻率畸变现象，反演电阻率分布均匀连续，解译的电性结构信息更为真实，符合地质规律。在多次资料处理过程中，需要比较处理结果与原始数据的曲线形态，判别处理过程正确与否，同时应评估多次处理引进的误差，保留或改善原始数据中的固有真实信息。

图2 研究区AMT测线布置图Fig. 2 Layout of survey line of audio magnetotelluric in study area

3.3 二维反演

音频大地电磁采集到的是时间域数据，需要经过傅里叶变换转换到频率域、计算功率谱、估算张量阻抗。音频大地电磁反演按模式可分为TM 模式、TE 模式、TM+TE 模式，较多实例应用表明TM+TE 模式联合反演的效果优于单模式的反演[15]，本位采用TE+TM 模式联合反演。 AMT 按主流的反演方法可分为Occam 反演、NLCG 非线性共轭梯度反演、RRI 快速松弛反演。 RRI 快速松弛反演算法利用静态效应校正量、视电阻率、相位、视电阻率及相位误差多参数参与反演，算法稳定，缺点是侧重于计算速度，复杂地电断面的拟合效果较差[16]。Occam反演属于光滑模型反演，具有稳定收敛特点，唯一性反演的主要方法，但是需要计算雅克比矩阵，反演耗时。 NLCG 非线性共轭梯度则无需计算雅克比矩阵和其转置矩阵，节省计算时间，缺点是比较依赖初始模型[17-18]。实际资料处理中根据一维Occam反演数据为初始模型，形成二维地电断面，采用NLCG 非线性共轭梯度算法对二维地电断面进行二维反演，得到的结果更接近真实构造[19-20]。

4 研究区岩性构造分析

4.1 视电阻率-相位曲线分析

图3 静态校正前后电阻率反演断面图Fig. 3 Resistivity inversion section before and after static correction

图4 I级质量测点视电阻率-频率、相位-频率曲线Fig. 4 Apparent resistivity-frequency and phase-frequency curves of grade I quality measuring point

本次音频大地电磁测深工作采集到的测点视电阻率曲线和相位曲线整体均较圆滑，畸变频点少，I 级质量（数据曲线连续性好，能严格确定曲线类型）测点占总测点71%（图4），II 级质量（数据曲线无明显脱节现象，曲线形态明确）测点占总测点24%，因测区位于城市人口密集地段，区内存在大量干扰因素，如民房、高压输电线路、厂房、公路等，所以也存在部分III 级质量（数据点分散，不能满足II 级的要求）测点约占总量的5%，这部分数据点经过重复观测，仍无法提高数据采集质量，进行数据处理时需剔除这部分数据，总体分析，本次工作数据采集质量较高，满足后期进一步反演的精度要求。

4.2 二维长剖面地质构造分析

目前处理大地电磁的软件主要有美国Zone 公司 SCS2D、加拿大凤凰公司 SSMT2000、意大利Geosystem 公司WinGlink 系统、成都理工大学开发的 MTSOFT2.0、吉林大学 GeoElectro 等，每款软件都有其特色模块。本文二维剖面数据处理采用TE+TM 模式联合反演，准备点位信息文件（＊.STN）、状态信息文件（＊.MDE）、数据文件（＊.AVG），根据AVG 文件，进行选择是否采用静态校正，设置正反演参数，利用SCS2D 软件进行数据反演。利用一维圆滑模型反演结果或者移动平均视电阻率生成背景电阻率，加上约束条件如钻孔资料或者已知地质信息，作为初始模型进行反演。调节模型单元的电阻率值，计算电阻率与阻抗相位拟合观测值的误差。圆滑模型反演将观测数据转换为目标体的电阻率断面模型，是反演电阻率模型断面的可靠方法。

对1 线、2 线音频大地电磁数据剔除噪音、静态校正，再进行精细二维反演，反演结果如图5-图7。

图5 为1 线音频大地电磁反演成果图，剖面长度达3625 m。结合测线地质背景，剖面表层蓝色区域反应的为灯笼沙段（Qhgdl），电阻率较低，下伏黄色-红色区域反应的为T3ηγ 花岗岩，岩体电阻率较高，从剖面横向上分析，里程600-900 m 段，接近3 涌位置，有相对较为完整的块状高阻区，推断为 T3ηγ 花岗岩岩体出露；里程 1200-1400 m 段，深度100-300 m 区域，出现局部低阻区域，推断为地层局部凹陷现象，测线3230 m 位置处，深度150-280 m 区域出现较低电阻率区域，较大可能是储水构造带，测线的2500-2700 m 段共200 m 长范围下伏岩性整体为低电阻区，分析可能是早期的古河道。

总结1 线的音频大地电磁结果，基本确定了2涌到6 涌之间下伏100-500 m 地层的电性结构，电阻率整体呈现第四纪地层低于250 Ω·m，下伏隐伏T3ηγ 花岗岩电阻率大于 300 Ω·m，下伏基岩电阻率参数横向上并无明显渐变特征，说明2 涌至6 涌之间地下空间基岩岩性主要表现为晚三叠世花岗岩，无明显的断裂构造发育特征。

2 线空间展布较长，分3 段解释，如图6 所示。

对比6 涌-14 涌AMT 的电阻率反演结果，测线 1200-4800 m（7 涌、8 涌、9 涌、10 涌）段的下伏岩体电阻率值明显低于6 涌、11 涌-14 涌，结合8涌钻孔（位置见图6（a））资料，该钻孔进尺到500 m位置仍未打穿红层地层，以钻孔所在位置电性特征为标定依据，横向对比剖面电阻率空间分布规律，推断该区域岩性不同于其他几涌。因此，结合区域地质资料对2 线地下空间岩性划定分区，可揭示7涌、8 涌、9 涌、10 涌发育的是莘庄村组（E1x）砂砾岩，其中9 涌有小范围的花岗岩地层发育，其他几涌发育的是T3ηγ 侵入花岗岩。同时，分析反演断面图 6（b），里程桩号 5350-5600 m 段、5800-6100 m段下伏空间也呈现出低于250 Ω·m 的电性特征，依据钻孔标定岩性，可解释为T3ηγ 侵入花岗岩上覆盖的莘庄村组（E1x）砂砾岩。

图5 1线音频大地电磁反演断面图Fig. 5 Inversion section of line-1 audio magnetotelluric sounding

图6 2线音频大地电磁反演断面图（分3段显示）Fig. 6 Inversion section of line－2 audio magnetotelluric sounding（display in 3 sections）

测线里程8775 m 位置处，下伏出现条带状低阻区域，电阻率在 50－200 Ω·m 之间，两侧岩体的电阻率大于800 Ω·m，综合整体电阻率分布形态，推断此处为断裂构造带F2，测线里程2700 m 位置处下伏空间电性特征分布，也表现出了低阻条带现象，可推断为断裂构造F1，两者位置与区域地质资料推断的断裂位置基本吻合。

因2 线AMT 反演结果电阻率变化范围大（几Ω·m 到上万Ω·m），为断面上电阻率显示更为圆滑连续，对反演电阻率取以10 为底的对数值，并成图（图7），可见2 线长剖面基本揭露了万顷沙地区6－14 涌下伏地质体的岩石结构，反应了岩性从晚三叠世（T3ηγ）花岗岩到莘庄村组（E1x）砂砾岩再到晚三叠世（T3ηγ）花岗岩变化的过程，局部莘庄村组砂砾岩埋深超过500 m 未见底，有较大范围砂砾岩覆盖在花岗岩顶部。