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透视地球的慧眼——电磁法勘探

中国矿业报 0评论 2021-11-16

  ◎  李建华 丁卫忠

  地球是最适合人类居住的场所,经过漫长的地质演化,不仅地表形成了无数鬼斧神工般的奇特景观,深部更是蕴藏了丰富的自然资源宝藏。但绝大部分资源宝藏形成于地球深部、赋存于地下,由于植被覆盖、沙土披覆以及岩层阻隔,让人们不能直接看到它们的模样。要探寻深藏不露的宝藏则需要我们具有透视功能的“慧眼”。地球物理电磁法勘探技术就是这么一双“慧眼”,作为“透视和照明”地球内部的一类主体地球物理技术,她可以带领我们去一览地下的精彩。

  电磁法勘探的原理解读

  电磁法勘探,也常被简称为电法勘探,它是使用专用的方法技术和仪器设备,以地下地质体的电性差异为前提条件,观测和研究地壳周围电磁场的变化和分布规律,进而实现对地探测,达到解决各类地质问题的目的。可见,电磁法勘探的实施过程基本上由野外数据采集、室内资料处理与资料综合解释三个环节组成(图1)。

  (a)电磁法勘探数据采集示意图

  (b)电磁法成像

  (c)电磁法解释地质结果

  图1 电磁法勘探实现过程

  首先是电磁法勘探的野外数据采集工作。在进行勘探之前,根据要解决的地质问题,进行方法技术的选择和勘探区域的规划,数据采集系统主要由激发系统和记录系统的仪器设备组成,将记录数据的仪器按设计网度放置在采集点上,通过电传感器或者磁传感器与大地的耦合,再经线缆将电传感器或者磁传感器接收到的信号传递给记录仪器,这样就获取了每个采集点上的数据信息。

  其次是室内资料精细处理。它的任务是根据电磁波理论,利用计算机采用专业的处理软件对野外取得的原始数据进行多种运算和处理,包括波形解码、多次叠加、去除各种噪声、突出有效信号等,最终得到反映地下地质情况的电性特征成像图。图1(b)为电法处理的三维显示图,图中“红红火火”的暖色说明岩石电性为高电阻率,一般对应为岩体、白云岩、灰岩等,而像大海般深蓝的冷色调则说明岩石电性为低电阻率,对应为砂岩、页岩和泥岩等。

  最后是电磁法资料的综合解释。在这一阶段,为了减少由于深部地质构造的复杂性造成的多解问题,往往需要充分利用地质、钻井和其它物探资料,进行综合分析,针对前述得到的电性特征成像图,进行“看图说话”,地质学家们就可以据此推测地层分布和结构关系,研究它的构造与沉积演化历史,去找油、找气、找矿、找水……实现透视地球,一览深部资源宝藏的精彩。

  电磁法勘探的分类与应用

  电磁法勘探种类繁多,应用极其广泛。可以按场源区分为两大类:一是天然源电磁法,它是通过研究地表观测的天然电磁场信号来研究地下电性结构;二是人工源电磁法,它是通过人工向地下供入可控制的电流,再在地面上测定人工电磁场的变化规律。常见的天然源电磁法主要有自然电场法(SP)、大地电磁法(MT/AMT),人工源电磁法主要有高密度电阻率法、直流电法、激发极化法、可控源音频大地电磁法(CSAMT)、瞬变电磁法(TEM)等(图2)。

  图2 电磁法勘探分类及应用示意图

  各种电磁勘探方法是适应不同地质任务的需要而发展起来的,其各具特点,应用范围也不尽相同。地球物理学者们会根据不同资源的特点和地质背景来选择合适的电磁勘探方法来进行宝藏的发掘。金属矿产埋藏相对较浅,一般在千米以内,人们发现矿化岩石与围岩相比有良好的激发极化效应,于是在金属矿勘查中我们就常常看到“激发极化法”的身影,而且它成为寻找矿产资源的重要方法之一。在我国南方海相地区,富有机质页岩往往和灰岩伴生,二者具有显著的电性差异,富有机质的页岩储层又普遍含有具有明显激发极化效应的黄铁矿,地球物理勘探者当然会抓住这种物性特点,将在金属矿勘查中较为成熟的电磁法勘探技术运用到我国的非常规能源勘查中。

  此外,电磁法勘探具有对流体识别的优势,因此地热资源和油气资源成为了电磁法勘探的主战场。热储构造的电阻率在地层温度和地层破碎双重作用下会发生明显改变,而往往呈现为低电阻率的现象,再结合揭示的源、运、储、盖地热资源四要素的电性特征,电磁法勘探能为地热井位的优选提供可靠的支撑。在油气勘查中,大深度探测的MT能应用于盆地普查及沉积层发育、基底深度及深大断裂带等研究,而高精度的人工源电磁法CSAMT等则能成为检测是否为油气圈闭的重要技术手段之一。

  总体来说,电磁法勘探具有低成本、适用性广、绿色、高效等优点,在工程地质和水文地质勘察、石油、天然气和煤田地质构造调查,寻找金属及非金属矿产,环境监测、地质填图等方面,它都能有用武之地,还可用于地壳与上地幔结构的研究之中。可以说,顺应人类对自然资源需求的发展,电磁法勘探技术的应用领域不仅逐步在拓展,其自身也形成了一套完整的从浅到深的方法技术体系。

  随着科学技术的发展,新方法、新理论的应用,电磁法勘探技术和电磁法仪器得到了飞速发展,并日趋完善。同时,地球物理专家学者们也在不懈地努力来发展高分辨大深度精细探测的电磁法勘探技术,这不仅是人类对自然奥秘和科学进步的追求,更是人类获取资源、保障自身安全的基本需要。我们相信,要适应新时代地质调查工作的需求,全力支撑国家能源资源安全保障,电磁法勘探技术必定大有可为。

  项目支持:中国地质调查局地质调查项目“北方重要油气盆地地球物理调查”(DD20211340);基本科研业务费项目“水力压裂监测技术研究与试验”(AS2021Y01)。

  (作者单位:中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所)

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