青藏高原冻土区AMT探测天然气水合物采集试验
裴发根1,2,3, 何梅兴1,2,3, 仇根根1,2,3, 杜炳锐1,2,3, 白大为1,2,3
1.国土资源部地球物理电磁法探测技术重点实验室,河北 廊坊 065000
2.国家现代地质勘查技术研究中心,河北 廊坊 065000
3.中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所,河北 廊坊 065000

作者简介: 裴发根(1984-),男,硕士,毕业于中国地质大学(北京),主要从事大地电磁测深与岩石物理方面的研究工作。

摘要

音频大地电磁测深(AMT)在“死频带”(500~5 000 Hz)内,容易引起视电阻率与相位曲线畸变。为获得探测天然气水合物的高质量AMT数据,在青藏高原冻土区开展了AMT采集试验研究,涉及到5个采集参数,分别为采集时段、采集时长、天气、电极距与测点密度。通过参数对比试验发现:为获取高质量的AMT数据,采集时段应选择在下午至晚上区间,采集时长≥40 min,选用较小的电极距(50~100 m),选择多云或阴天进行采集,此外,采用密度较高的点距布设(点距100 m或更小)有利于构建准确的电性模型。

关键词: 天然电磁场; 音频大地电磁测深; 冻土区; 死频带; 反演
中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)06-1113-08
AMT acquisition experimental study of gas hydrate exploration in the permafrost region of the Tibetan Plateau
PEI Fa-Gen1,2,3, HE Mei-Xing1,2,3, QIU Gen-Gen1,2,3, DU Bing-Rui1,2,3, BAI Da-Wei1,2,3
1.Electromagnetic Detection Technology Key Laboratory of the Ministry of Land and Resources,Langfang 065000,China
2.National Modern Geological Exploration Technology Research Center,Langfang 065000,China
3.Institute of Geophysical and Geochemical Exploration,CAGS,Langfang 065000,China
Abstract

Obtaining high-quality original data is a key step. Especially in the "dead band" (500 ~ 5000 Hz), the signal of the AMT field source which is the natural electromagnetic field is weak and the apparent resistivity and phase curve are distorted in the dead band. To obtain high-quality data in the permafrost region of the Tibetan Plateau, the authors carried out AMT acquisition experiments of the natural gas hydrate exploration. These experiments included five acquisition parameters, i.e., the acquisition range of time, the acquisition time length, the weather, the electrode length and the density of measuring points. The experiments show that, for the purpose of obtaining high-quality AMT data, the acquisition time range should be selected from the afternoon to the evening, the acquisition time length should be more than 40 minutes, a smaller electrode length (eg. 50~100 m) should be chosen, and the cloudy days are favorable. In addition, the use of high density of measuring points is helpful to building an accurate electrical model.

Keyword: natural electromagnetic fields; audio-frequency magnetotelluric; permafrost region; dead band; Inversion
0 引言

音频大地电磁测深(AMT)利用天然电磁场作为场源, 由于天然场源信号弱, 极化方向随机, 容易受各类噪声干扰, 给AMT的应用带来了诸多难题, AMT需要取得良好的应用效果, 获取高质量的原始数据是关键的一步, 它是地质解译与推断的前提。为提高AMT观测数据质量, 需采用合理的采集参数或采集方案。国内诸多学者进行了相关的研究, 如针对公路深埋隧道勘察, 李斌等开展了提高AMT数据质量的常见干扰的处理方法及野外观测方案的设计研究, 研究表明:为提高AMT数据质量, 应采用对称十字形、电极距选用20 m× 20 m方式布设[1]; 汤井田等以天然源电磁法观测方案的发展历程为关键节点总结出数据采集方案由单点张量采集向多点同步、多参考道、三维阵列的方向发展[2]; 汤井田等开展接地电阻的稳定性对AMT测量的影响研究, 研究表明接地电阻的变化对视电阻率、相位具有不可忽视影响, 尤其是在高频段[3]; 乔宝强等通过AMT野外观测时间试验认为野外开展AMT工作的最佳时间为7~9月, 该时间段能采集到较高质量的AMT数据[4]; 杜炳锐等对AMT在青藏高原冻土探测出现的“ 跳点” 现象进行分析, 表明不同地区、采集时长、电极距等参数对AMT数据质量存在影响[5]; 杨承志等开展AMT野外数据采集参数(测线长度、点距、频点数)对二维反演效果的影响研究, 研究表明, 为更好地探测目标体, 测线长度应大于目标体宽度和探测深度的2倍以上, 异常体上方测点数及探测深度范围内的频点数至少大于3个[6], 等等。此外, 国外也开展了相应的研究, Garcia与Jones[7]、Sternberg[8]、Schennen和Ritter[9]在加拿大、德国、美国等地区进行了系统、详细的观测, 表明在AMT的“ 死频带” (500~5 000 Hz)范围内, 天然场信号特征是夏强冬弱, 夜强日弱。

由于不同地区针对不同研究目标对象, 不同野外观测方案均会影响AMT数据质量, 本次研究针对青藏高原冻土区的天然气水合物探测特点:成藏要素— — 冻土厚度、断裂构造和水合物, 从野外实际出发, 在满足规范的条件下开展了采集参数对AMT数据质量的研究, 以获取高质量的AMT数据, 消除“ 死频带” 畸变的影响。本次试验使用的是加拿大V5-2000大地电磁测深系统, 采集地区均为青藏高原冻土区, 不同参数试验区域略有不同, 均选择无电磁干扰的(较)平坦地方开展, 涉及采集时段、采集时长、天气、电极距与测点密度5个参量的试验研究。

1 AMT方法与试验区简介

音频大地电磁法(AMT)是以岩矿石的电性差异为基础, 在地面测量音频范围内电磁场水平分量, 并通过对其变化规律的研究, 用来解决水文、工程地质和找矿勘探等地质任务的一种交变电磁方法[10, 11, 12], 主要场源为远处的雷电活动与雷暴, 观测频率为1~10 000 Hz的电磁信息。

针对中低纬度青藏高原冻土试验区的特征, 与普通的人工场源CSAMT与直流电法相比, 选用AMT探测具有以下优势:其一, 可避免高阻冻土或冻岩层的影响, 具有较大的勘探深度, 可达1 km以上, 这是直流电法无法相比的; 其二, 表层高阻冻土或冻岩对CSAMT供电有较大的影响, 尤其是在高频段, 同样容易引起“ 死频带” 信噪比低, 引起曲线畸变, 而夏季作业时AMT受此影响较小, 且具有装置轻便, 工作效率高, 不易受高阻冻土层屏蔽影响等优点。因此, AMT是青藏高原冻土区探测天然气水合物性价比较高的电磁勘探方法。

2 AMT试验
2.1 采集时段

周聪等在长江中下游地区为研究采集时段及季节对音频电磁场的“ 死频带” 数据的影响发现:夏季受影响程度弱, 冬季强; 夜间受影响程度弱, 日间强[13]; 实际上, 夏季或秋冬季夜间的测量结果质量较高, 畸变影响不明显。为分析高原冻土区天然场的频谱随时间变化规律, 开展了夏季采集时段对AMT数据质量的试验(其他季节不宜在高原冻土区开展AMT野外工作, 地表冻结及积雪覆盖, 接地电阻过高, 引起视电阻率与相位曲线畸变)。实验区域选择在平坦、无电磁干扰的草地进行, 图1给出了各采集时段的视电阻率(ρ s)与相位(φ )曲线。采集结果表明:①上午时段, 在“ 死频带” 天然电磁场的信噪比较低, 视电阻率曲线与相位均产生了不连续跳点的畸变, 相比而言, 相位曲线受采集时段的干扰较视电阻率的要小; ②下午到晚上各时段的视电阻率与相位曲线与采集12 h(12:00~24:00)的数据基本一致, 且曲线圆滑、连续, 研究表明, 下午至晚上时段区间内, 天然电磁场信号在“ 死频带” 内影响较小, 观测数据质量较高。因而, 采集时段试验表明, 选择中午以后的时段开展采集可获取高质量的AMT数据。

图1 采集时段对AMT数据质量的影响

2.2 采集时长

通过不同采集时长试验, 得到了20→ 40→ 80 min采集时长的结果(图2), 采集时间为下午。对比结果发现, 采集时长40 min和80 min的数据质量均较好, 视电阻率与相位的曲线形态基本一致; 而采集时长为20 min的视电阻曲线在电磁信号微弱的“ 死频带” 与采集叠加次数较少的“ 低频带” 内产生畸变, 相位曲线受到的影响相对较小。分析其主要原因是:其他采集条件相同的情况下, 采集时间越长、AMT数据的同一频点数越多、叠加次数越多, 对消除随机噪声等干扰效果越好、数据信噪比越高、数据质量越好。为兼顾效能与数据质量两方面因素, 选择采集时间≥ 40 min, 特殊条件下除外。

2.3 天气因素

音频电磁场的天然场源主要为雷暴, 天气对其数据采集质量的影响较大。为考察天气对AMT观测数据的影响, 选取了不同天气的下午时段对同一测点进行数据观测。对比无云的晴天与多云时AMT数据(图3)可以看出:无论是在“ 死频带” 还是在“ 低频段” (1 Hz左右), 多云天气采集的视电阻率曲线与相位曲线的质量均要优于无云晴天时的数据。其可能原因是:多云天气时的天空中电离云层电磁响应要比无云的晴天要强, 以致在整个音频段内, 多云天气的电磁响应信噪比均较高, 采集到较高质量的AMT数据。因此, 采集时, 尽量避开无云晴天, 特别是大雨或大雪后的少云的晴天, 选择多云或阴天的天气进行AMT数据采集。此外, 大风、雨雪等极端天气对AMT数据质量也会产生影响, 应采取措施予以应对, 如加大磁探头的埋藏深度、把电极线掩埋, 等等。

图2 采集时长对AMT数据质量的影响

图3 天气对AMT数据质量的影响

图4 电极距对AMT数据质量的影响

2.4 电极距

为对比研究不同电极距对AMT数据质量的影响, 采用了三种电极距参数, 分别为50 m、100 m与200 m, 得到了相应的视电阻率与相位曲线(图4)。图中显示, 电极距对相位曲线的影响不大, 但对视电阻率存在一定的影响, 如电极距为200 m时, 因电极距过大的缘由, 引起了yx视电阻率曲线一定静位移, 而在实际资料处理时需要校正。这与方胜[14]、杜炳锐[5]等加大电极距可提高信噪比、改善数据质量的结果有一定出入。究其原因, 其一, 由于高原地质条件复杂多变, 加大电极距可造成电极跨断裂构造、岩性变化等地质环境的变化, 从而引起地表不均匀体的影响, 产生静态效应; 其二, 青藏高原地区水系发育, 地表湖泊多, 矿化度高, 加大电极距易引起电位差的变化, 进而影响数据质量; 其三, 测点区域一定时, 电极距过长, 地形起伏变大, 可引起视电阻率曲线畸变。因而, 在青藏高原水合物调查中开展AMT野外数据采集时, 应采用中小极距的电极距(如选用50~100 m), 以提高AMT数据采集质量。

2.5 点距

除了研究上述各采集参数对AMT数据质量的影响, 还研究了测点密度对AMT二维反演电性模型的影响, 开展了两种电极距(测点点距分别为100 m、200 m)试验, 得到二维反演模型(图5)。

1)两者均呈现三层层状形态, 即表层的冻土层、第二层的低阻层、第三层的基底高阻层, 表明两者在宏观电性上的反映基本一致。

2)点距为100 m的电性模型对表层冻土层厚薄反映比点距为200 m的更为清晰, 如在D113_40位置处出现冻土层明显变薄, 但在点距为200 m的剖面基本无反映。

3)点距为100 m的电性模型对冻土层下方的局部电性细节的刻画比点距200 m的电性剖面更为精细。如图5b中, 剖面距1 200 m埋深200 m处表现为旁边2个测点的过渡电性特征, 而在图5a中, 该处纵向上呈现“ 高— 低— 中— 高” 的电性特征, 与测井的电阻率曲线对应较好, 分别对应着冻土层— 黏土层— 砂砾层1— 砂砾层2。在高阻冻土层下方存在一个明显的低阻层, 200 m间距剖面对应深度层段内则反映的是中阻特征, 由于该处在200 m间距剖面无测点, 显示为两旁侧测点的过渡电性特征, 为一假电性异常。

因此, 在针对130~400 m埋深的中高阻水合物的探测时, 应选择点距更密的参数(如点距100 m)进行AMT探测。

图5 测点密度对AMT二维反演模型的影响

3 结语与讨论

AMT依靠天然电磁场作为场源, 在无人文电磁干扰的高原冻土区作业具有装置轻便、探测深度大、不受高阻冻土层屏蔽等优点。通过采集参数试验可知, 在高原冻土区, 为采集高质量的AMT数据, 采集时段应选择在下午至晚上区间、采集时长≥ 40 min、较小的电极距(50~100 m)、选择多云或阴天进行采集, 此外, 选择密度较高的测点点距布设(点距100 m或更小)有利于构建准确的电性模型。AMT数据的影响因素较多, 不同地区影响的主要因素不尽相同, 需根据野外采集作业的实际情况时, 综合考虑多方面影响因素, 兼顾效率与质量, 制定相应的采集方案。

(本文编辑:沈效群)

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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