铜川市地处关中盆地与陕北黄土高原的过渡地带,位于渭河水系的洛河和石川河两大支流的分水岭地带,主要地貌类型有山地、丘陵、黄土台塬与河谷等,厚黄土大面积覆盖,地质灾害多发。铜川市是陕西省的工矿(业)城市,是全国煤炭、建材、陶瓷生产的重要基地之一,煤炭储量达30多亿吨。由于多年的矿山开采使铜川市采空区面积不断加大,地面塌陷不断发生,成为城市发展的隐患,影响城市经济发展和工程建设。

在城市环境地质调查中采取适合的物探方法尤为重要。音频大地电磁测深法(AMT)是利用天然交变电磁场为场源,通过观测不同频率达到探测不同深度岩石电性特征的一种电法勘探^[1,2]。铜川市调查区沟壑纵横,音频大地电磁测深法采用单点测量,适合铜川区域地质调查工作的实施,同时工区内黄土覆盖层较厚,局部黄土覆盖层厚度可达500 m,常规电法勘探技术受低阻屏蔽影响,很难获得深部电性信息,而AMT不受低阻屏蔽影响,因此采用该方法具有可行性。然而,天然电磁场频带范围宽、信号微弱、极化方向随机,在实际测量中大地电磁信号很容易受到各种电磁噪声干扰。文中采用远参考技术提高AMT资料质量,以期获得地下的真实电性结构。

国内对远参考方法进行了很多应用研究。1998年,严良俊、胡文宝^[5]把远参考方法应用到了南方强干扰地区,改善了中低频数据,同时论证了使用远参考方法和robust方法联合进行阻抗估算的优点;2001年,陈高^[6]阐述了远参考野外采集系数,并分析了远参考处理后MT资料的效果;黄哲^[7]通过实例证明了远参考方式的有效性,并给出了不同频段远参考点和本地测点之间的一个合理距离;2002年,张全胜、杨生^[8]系统研究了大地电磁测深中几种去噪方法的原理和效果,得出远参考处理效果优于一般robust估计的结论;2002年,杨生^[9]从信号检测的角度阐述了远参考方法的原理,并讨论了其在压制各种干扰方面所发挥的作用;陈清礼、胡文宝^[10]进行了长距离远参考试验研究,研究表明在进行大面积勘探或利用近距离参考无法压制区域性噪声时,可将参考点设在1 000 km之外;2014年,徐志敏等^[11,12,13]通过对庐枞矿集区大地电磁数据的远参考处理,总结了不同参考距离下的远参考法处理效果,结果显示远参考法可以有效改善电磁噪声干扰下的数据质量。文中对庐枞矿集区大地电磁数据应用远参考法处理,研究不同参考距离下卡尼亚电阻率—相位曲线、相干度以及信噪比的改善效果,进而总结出有益于实际应用的规律。

研究区地貌单元属陕北黄土高原南缘,铜川残塬与残塬沟壑亚区,地表多为黄土覆盖,岩层出露范围小。由于长期的剥蚀切割作用,地表树枝状沟谷十分发育,呈现出黄土梁、塬、峁及沟谷相互交织的地貌景观。梁间沟谷坡度较大,大部分呈“V”型,地表相对高差一般为150~200 m左右,植被发育一般,以灌木、杂草为主。区内滑坡、崩塌、采空区塌陷等地质灾害发育,环境地质调查难度较大。

区内在大地构造上属中朝准地台上的鄂尔多斯台向斜东南缘渭北隆地带上,由于受EW向渭河地堑的切割,该区形成了构造呈过渡性质的叠瓦式断块和南升北降的断阶,总体上为NW向缓倾斜的单斜构造,其间发育有宽缓的背向斜和断层。地质构造影响了区内的水文地质、工程地质及环境地质问题的发育。区内地质构造发育,分布有傲背神背斜、周家沟向斜和麻庄背斜,断层构造有史家河断层(F8)和陈炉镇北断层(F9)以及断层构造带等。

区域地层沉积类别复杂,岩性变化大,从ES—WN,由老至新呈现出规律的带状分布。由下至上分布为太古宇白云母绿泥石片岩及花岗片麻岩,为鄂尔多斯盆地的基底,仅出露于韩城禹门口附近。其上为震旦系的石英岩及硅质灰岩夹砾岩层,震旦系之上为寒武系的结晶灰岩、泥岩及白云岩。中下奥陶统石灰岩呈NEE及NE向山脉断续展布于渭北煤田之南,为煤系沉积的基底;其上见有石炭系太原组、二叠系山西组煤系地层及二叠系上、下石盒子组,石千峰组,三叠系以及新近系、第四系地层。区内含煤地层主要为石炭系太原组,以海陆交互相沉积为主。综上所述,区内地质构造发育,为物探工作提供了较好的物性基础。

远参考大地电磁测深法(remote reference MT,简称RRMT)^[4,5,6]以远参考点与测点之间噪声的不相关性特征为依据,即两观测点相距较远时,两观测点间电磁分量中的噪声一般满足相互独立即不相关,同时,利用大地电磁测深中磁信号在相当一段距离范围内变化缓慢这一特点,提出了将一远参考点处磁信号作为测点处的磁分量来估算张量阻抗,此时一般有

<HyrHyr*>=<HyrsHyrs*>=<HysHys*>,<ExHyr*>=<HyrsExs*>=<ExsHys*>,<HyrnHyn*>=0。

其中:下标r代表参考点,s和n代表信号和噪声;r_s和r_n代表参考点的信号和噪声。通常,对于二维介质可以写出以磁道为参考的张量阻抗的表达式

Zxy=<HxExr*><HyHyr*>-<ExHyr*><HyHxr*>D,Zxy=<ExEyr*><HxHxr*>-<ExHxr*><HxHyr*>D,Zxy=<EyExr*><HyHyr*>-<EyHyr*><HyHxr*>D,Zxy=<EyEyr*><HxHxr*>-<EyHxr*><HxHyr*>D;

其中:

D=<HxHxr*><HyHyr*>-<HxHyr*><HyHxr*>。

从以上各式可以看出,每一对互功率谱均包含参考道的磁分量,在满足勘探深度的前提下,远参考点和测量点相应频段范围内噪声的特性是非相关的,远参考处理便能提高张量阻抗的计算精度^[13]。

本次大地电磁远参考技术试验数据采集共投入3套加拿大凤凰公司的V5-2000宽频带大地电磁系统,配备AMTC-30磁传感器。测点点距100 m,共计采集AMT测点51个。数据处理时,首先人工分析时间序列数据,剔除飞点,对数据进行远参考处理及Robust处理,以压制干扰,提高数据信噪比,得到张量阻抗。然后,采用非线性共轭梯度反演(NLCG)方法对AMT数据进行反演,对比分析远参考处理前后的NLCG反演成果,探讨如何在城市强干扰复杂地质环境条件下开展音频大地电磁测深工作。

远参考法需要在“远区”架设一台基站。远参考站地址的选取原则:首先,要选择干扰与噪声弱的地区,如图1所示,远参考点位于山区,参考点距离测线最近为17 km,最远为19 km,这样可以保证电磁场数据平稳,波形无畸变,频域阻抗各频点功率谱数据稳定,无明显跳变,视电阻率、相位曲线光滑平稳,误差棒小;其次,要保证其与工区内测点信号相关,噪声不相关,所以选择的远参考站点视电阻率数据与测区大部分测点视电阻率数值相当、形态无明显差异^{[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]}。

图2中远参考点高频TS2时间序列曲线无明显噪声干扰的波形,电场信号波形一致,磁场信号波形相反,电、磁幅值变化均匀。

图3中远参考点中频TS3时间序列曲线无明显噪声干扰的波形,大地电磁信号均缓慢变化,只有几处出现脉冲波形。

图4显示远参考点低频TS4时间序列曲线大地电磁信号均缓慢变化, 其中脉冲波形幅值不大,总体远参考点电磁信号吻合大地电磁信号特征。

图5a、b为远参考点卡尼亚电阻率—相位曲线,曲线光滑连续,10~10 000 Hz的视电阻率约为20 Ω·m, 相位为45°;1~10 Hz视电阻率为1~10 Ω·m,相位为30°~45°;0.35~1 Hz数据受“近源效应”影响视电阻率曲线呈近似45°上升,相位趋近于0°,误差棒较大。

图5c远参考点电场信噪比均在0.9以上,图5d远参考点相干度均在0.9以上,表明远参考点数据质量较好,本次工作探测深度为500 m。根据趋肤深度公式,工区地表视电阻率取20 Ω·m,最低频率为 1 Hz时有效探测深度可达1 km, 远参考点有效改善最低频率为0.9 Hz,使用远参考点1 Hz以上的数据即满足远参考要求,因此远参考点数据可用。

图6给出了xy方向和yx方向的卡尼亚电阻率、相位曲线,可见曲线形态基本一致,局部视电阻率及相位幅值有所浮动,但相差较小,表明远参考点一致性较好。

图7远参考点相干度在10 Hz以上均大于0.9,1~10 Hz相干度在0.5~0.9,相干度曲线光滑连续,相邻频率相干度变化较小。

图8远参考点电道信噪比10 Hz以上均大于0.8,1~10 Hz信噪比在0.3~0.8,信噪比曲线光滑连续,表明远参考质量较好,能够满足远参考需要。

如图9a所示,测点AMT-7原始TM模式视电阻率曲线200~4 000 Hz段和TE模式10~1 000 Hz段视电阻率曲线下掉,相位曲线上升,分析该测点由于位于城市矿区附近,畸变曲线受电磁干扰所致,该类型数据参与反演会导致电性剖面中高阻特征下存在低阻层假异常。

如图9b所示,测点 AMT-7经过远参考处理后两种模式视电阻率曲线均得到了较好的恢复,但相位曲线未得到明显改善。

如图10a所示,测点 AMT-38原始卡尼亚电阻率—相位曲线两种模式1 000~8 000 Hz段视电阻率曲线下掉,分析该频段为天然电磁场的“弱区”即“死频带”,北半球天然电磁场信号强度在夏季相对较强,冬季较弱,夜间较强,白天较弱,死频带数据具有正交分离信号相关度低,电磁场功率谱密度低,数据曲线脱节等特征,无法通过人工圆滑得到恢复。

如图10b所示,测点 TC1-38经过远参考处理后两种模式视电阻率曲线均得到了较好的恢复,但误差棒有所增大,远参考法需要大量的数据参与计算才能取得较好的处理效果,本文中远参考点测量时间较短(10 h),造成死频带和低频段数据的误差棒较大。

如图11a所示:测点 AMT-42原始卡尼亚电阻率—相位曲线两种模式800~7 000 Hz视电阻率曲线均下掉,其中TM模式视电阻率曲线“飞点”较多,分析该测点受随机噪声干扰,曲线所反映的电性特征是失真的。

如图11b所示;测点 AMT-42经过远参考处理后卡尼亚电阻率—相位曲线两种模式曲线均得到了较好的改善,飞点明显减少,曲线光滑连续,有效地压制了随机噪声干扰。

综上所述,远参考法能够有效地改善AMT数据质量,更加真实地反映地电信息,为后续反演提供更加可靠的原始数据。

非线性共轭梯度算法(nonlinear conjugate gradients,NLCG)由Rodi与Mackie提出^[17],是一种快速、稳定、分辨率高的二维反演方法,其方法原理如下。

目标函数: ψ=ψ1+λψ2,其中ψ是反演目标函数,ψ₁和ψ₂分别表示数据目标函数项和模型数据函数项,可表示为:

ψ=(d-F(m))TV-1(d-F(m))=eTV-1e,ψ2=mTLTLm。

反演的问题就是求解它的极小值问题,即:

ψ=ψ1+λψ2→min,

其中:λ为两者的权重因子,也叫正则化因子,一般大于零,是一个需要外部输入的经验值。

如图12所示,地质剖面与物探剖面基本平行布设,物体测线与断层近垂直相交;图中史家河断层(F8)展布于史家河以南,为桃园矿的北部边界,延展长度达10.5 km,断距40 m, 为张性断层, 走向60°,倾向EN,倾角75°正断层;陈炉镇北断层(F9)位于黄堡向斜南侧,东起任家湾,向南西经关家咀延出图外,呈60°方向延展,长约18 km,该断层由两条相互平行的正断层组成,主要发育在奥陶系灰岩中,对二叠、石炭系太原组地层也有一定破坏。在任家湾水库旁,奥陶系马家沟组灰岩形成的陡壁上,可见断层破碎带,为一北盘下落的正断层。

图13为该区地质剖面。剖面上覆地层为第四系,主要包含风积相黄土和沉积黏性土,下伏基岩为二叠系石英砂岩、粉砂质泥岩、黏土矿层和粉砂岩等组成,煤层和采空区分布于石炭系太原组石英砂岩和页岩中,煤层和采空区以下为奥陶系灰岩;褶皱构造有周家沟向斜和傲背神背斜,断层分布有F8史家河断层和F9陈炉镇北断层以及分布于测线中间的断层构造带。该剖面图由多个煤田地质勘探钻孔和现场地质调查资料绘制而成,地层岩性和构造、水文地质和采空区等环境地质情况清晰,为物探反演分析提供了详细的地质背景数据。

图14a为原始AMT数据NLCG反演成果。图中显示电性剖面整体呈层状分布,结合地质资料分析,表层视电阻率值一般小于50 Ω·m,推测为第四系黄土覆盖层反映,中间层视电阻率值50~150 Ω·m,推测为二叠系、石炭系砂、泥页岩反映,下伏基岩视电阻率值150~500 Ω·m,推测为奥陶系灰岩反映,基岩面标高西北低,东南高,灰岩地层在东南方向出露,与地质剖面相吻合,其中电性剖面里程800~1 300 m、1 600~1 900 m电阻率等值线凸起,分析该段里程原始数据可能受到矿区电磁干扰,导致数据畸变,产生了假高阻异常反映。图14b为AMT数据经远参考处理后NLCG反演成果,整体电性结构与图14a基本一致,电性剖面反映的地质构造信息更加丰富、准确,结合地质资料分析如下。

电性剖面浅部视电阻率值一般小于50 Ω·m,推测为第四系覆盖层及强风化层,富水;下伏基岩视电阻率值50~100 Ω·m,推测为二叠系砂泥岩;煤层分布于石炭系砂、页岩中,视电阻率值100~150 Ω·m,煤田采空积水区主要分布于该层位及以上地层;底部基岩视电阻率值150~500 Ω·m,推测为奥陶系灰岩;局部低阻特征为断层破碎带或采空区积水、岩溶裂隙带反映。

电性剖面里程0~1 000 m,发育褶皱构造,电阻率等值线下凹,结合地质资料推测该褶皱构造为周家沟向斜;同时里程350~450 m,发育一南倾正断层,倾向较陡,对应于地质剖面断层F8,分析该段里程受断层和褶皱影响基岩较破碎且富水性较好。

电性剖面里程2 000~2 600 m,发育褶皱构造,电阻率等值线向上凸起,结合地质资料推测该褶皱构造为傲背神背斜,背斜核部电阻率等值线起伏,分析该段地层岩性为石英砂岩,受构造控制,裂隙较发育,在里程2 400~4 100 m发育多条正断层,推测为断层构造带;其中里程2 400~2 600 m推测为南倾正断层,对应于地质剖面断层F527,里程2 900~3 100 m推测为北倾正断层,对应于地质剖面断层F101,里程3 400~3 500 m、4 000~4 100 m电阻率等值线下降,发育两组正断层,里程为4 500~4 700 m电阻率等值线下降,推测为北倾正断层,对应地质剖面断层F9。断层带及采空区有一定的富水现象。

结合图14A分析,图12B经过远参考处理后得到的AMT反演剖面,分布于周家沟向斜与傲背神背斜之间的局部高阻异常得到了校正,按电阻率等值线趋势变化解译的地质构造和富水区域与地质剖面和实际调查信息更加吻合。

1) 大地电磁测深法的技术优势适合于覆盖层厚且不均、地形起伏大、地质与水文条件复杂、有采空区发育、城市矿区强电磁干扰等复杂情况下的区域环境地质调查物探工作。

2) 远参考法可以有效恢复“死频带”数据,校正畸变的卡尼亚电阻率—相位曲线,为后续反演工作提供更加真实的原始数据。

3) 本次远参考法大地电磁试验工作成果与实际地质调查情况相吻合,通过试验效果分析认为该方法具有一定的示范意义,可以推广到类似地区的物探勘查工作。

4) 采用一个远参考点进行远参考处理时,有一定局限性,表现在数据误差棒的增加,如采用两个或者更多的远参考点同时对数据进行远参考处理,效果会有更好的改善。