CSAMT方法在鐵礦勘探中的應(yīng)用

段文旭， 肖宏躍， 劉 壘， 陳思宇

(成都理工大學(xué) 地球物理學(xué)院， 成都 610059)

0 前言

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)，是利用水平接地電偶源為發(fā)射源的一種電磁測深方法。該方法的工作頻率為音頻范圍，其原理和普通大地電磁測深類似，其實質(zhì)是用人工激發(fā)的電磁場來彌補天然場能量的不足。CSAMT方法具有地形條件限制小,、抗干擾能力好、勘探深度大、接收效果好，并且同時具有測深和剖面的特點。作者根據(jù)CSAMT方法在某地區(qū)鐵礦勘察中的應(yīng)用實例，從數(shù)據(jù)采集到資料解釋，結(jié)合工區(qū)地質(zhì)情況與資料成果圖，論述了CSAMT方法在鐵礦勘察中的應(yīng)用效果，并對其在勘探過程中的可能遇到的問題和細(xì)節(jié)談幾點初淺的看法。

1 CSAMT方法原理

CSAMT的理論基礎(chǔ)源于以Maxwell方程組為核心的電磁場理論。垂直入射到地面的平面電磁波在地下傳播時，地面電磁場與地下介質(zhì)的電阻率之間存在密切的關(guān)系。在直角坐標(biāo)系下，假定Z軸垂直向下，X、Y軸位于地表水平面上，低頻諧變場的Maxwell方程組中的旋度方程為：

(1)

(2)

式中σ為均勻介質(zhì)中的電導(dǎo)率；μ為磁導(dǎo)率。

由于相互正交的電場和磁場間的相關(guān)性，通常測量相互正交的電磁場分量，是通過在地面測量的電場和磁場的分量來計算卡尼亞視電阻率：

(3)

由于介質(zhì)對電磁波有吸收作用，電磁場衰減到1/e時的電磁波傳播的距離即趨膚深度δ表示為：

(4)

探測深度D與工作頻率和大地電阻率有如下關(guān)系：

(5)

式(5)表明，隨著電阻率的增大或者頻率的減小，探測深度加深；反之隨著電阻率的減小或頻率的增大，探測深度變淺。因此當(dāng)大地電阻率為常數(shù)時，通過測量不同頻率的電磁場強度，就可以得到不同深度對應(yīng)的地電參數(shù)，從而達(dá)到探測的目的。

2 CSAMT工作流程

2.1 野外數(shù)據(jù)采集

本次勘探采用加拿大鳳凰公司開發(fā)的地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)——V8，該系統(tǒng)分為發(fā)射端和接收端兩部分。發(fā)射端為大功率發(fā)電機和發(fā)射機，接收端為數(shù)字化多功能接收機和磁探頭。發(fā)射機與接收機通過GPS衛(wèi)星時鐘同步測量，極大提高了測量精度。

由電磁場理論可知：電偶極子激發(fā)的電磁場主要分布在其連線的中垂線兩側(cè)30°范圍內(nèi)，該區(qū)域信號強度最大。因此，為了提高采集精度，一般選取該區(qū)域的波區(qū)進(jìn)行采集。CSAMT的觀測系統(tǒng)布置如圖1所示。在圖1中，AB為電偶極；R為收發(fā)距離(不小于3倍最大探測深度)，探測范圍為虛線之間的扇形區(qū)域。

圖1 CSAMT觀測系統(tǒng)布置示意圖Fig．1 The observing system of CSAMT

2.2 數(shù)據(jù)處理

野外原始資料預(yù)處理采用V8系統(tǒng)的處理軟件系統(tǒng)(CMT Pro Version 2.0)進(jìn)行，預(yù)處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MTSoft 2D大地電磁二維處理和解釋軟件。在數(shù)據(jù)處理之前，必須剔除明顯的干擾點，再對存在靜態(tài)效應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間濾波，繪制頻率-視電阻率等值線圖，再通過二維反演，繪制出二維反演斷面圖。分析以上圖件，劃分出異常區(qū)域，并結(jié)合地質(zhì)資料做出初步地質(zhì)推斷，繪制推測斷面圖。數(shù)據(jù)處理流程見圖2。

圖2 CSAMT數(shù)據(jù)處理流程Fig．2 CSAMT data processing

3 工區(qū)實例

3.1 工區(qū)地質(zhì)與地球物理特征

工區(qū)內(nèi)除局部有零星的青白口系、震旦系和寒武系出露處，余者均為第四系覆蓋，第四系之下分布有較大面積的中生代地層。區(qū)內(nèi)第四系覆蓋物電阻率較低，一般為10 Ω·m左右，巖性較單一，以黃土和砂質(zhì)粘土為主；第三系地層的電阻率與第四系沒有明顯差異，巖性以粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖為主；侏羅-白堊系地層的電阻率在10 Ω·m ～110 Ω·m范圍變化，巖石組成較復(fù)雜；石炭-奧陶系電阻率較高，可達(dá)7 500 Ω·m，巖性以灰?guī)r為主；震旦系一般電阻率值均達(dá)到

4 000 Ω·m以上，且具有分布廣、厚度大的特點；新太古界變質(zhì)巖系電阻率高且變化范圍大，可達(dá)5 000 Ω·m～10 000 Ω·m，巖性構(gòu)成復(fù)雜，但工區(qū)老地層中的鐵礦層等賦礦層位的電阻率相對較低，通常僅為500 Ω·m，遠(yuǎn)低于老地層中其他巖石的電阻率而又高于第四系覆蓋物的電阻率。因此工區(qū)巖石電阻率的差異，為開展可控源音頻大地電磁測深工作提供了良好的地球物理前提。

3.2 測線布置及工作參數(shù)

本次CSAMT工作共完成測線4條，實測測點441個，點距40 m，為了使測區(qū)盡可能處于遠(yuǎn)場區(qū)同時保證接收信噪比的要求，收發(fā)距定為10 km～11.5 km。根據(jù)勘探深度要求及工區(qū)電性特征，本次勘探采用頻率范圍8 533 Hz～0.117 Hz,共17個頻點。假定工區(qū)內(nèi)平均電阻率為10 Ω·m，根據(jù)式(5)：

(6)

由此可見，選取最低頻率0.117 Hz，滿足本次勘探深度2 000 m的需要。

3.3 資料成果解釋

根據(jù)野外采集資料，結(jié)合已有地質(zhì)資料進(jìn)行地質(zhì)推斷，在解釋工作中，按照如下原則對CSAMT資料進(jìn)行了劃分和解釋：①相鄰點曲線形態(tài)變異；②定性定量圖件中等值線密集帶；③定量計算成果中相鄰點電性參數(shù)的改變等；④反演剖面中低阻異常的連續(xù)分布區(qū)域。

本次野外共采集四條剖面的CSAMT數(shù)據(jù)，本文以一線(L1)為例,按前文方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用相關(guān)軟件反演成圖(圖3)，同時結(jié)合地質(zhì)資料繪出整條剖面推測地質(zhì)圖(圖4)。

由圖4可見三處主要低阻異常，編號分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，在深度0 m～400 m范圍的淺層，存在連續(xù)性較好的低阻層，電阻率小于10 Ω·m，該低阻層主要為黃土、粉砂巖和砂礫巖等第三、四系覆蓋物；在深度400 m～1 200 m，存在一相對于上覆地層的高阻電性層，以含砂礫巖和泥巖為主，視電阻率值介于16 Ω·m ～250 Ω·m，電性層橫向連續(xù)性較好。

在1 200 m～2 000 m處，巖性主要是泥質(zhì)灰?guī)r、花崗巖和大理巖等震旦系、新太古界變質(zhì)巖系，視電阻率整體表現(xiàn)為高阻，且變化范圍很大。在此區(qū)域的三個主要異常，其視電阻率均在150 Ω·m～250 Ω·m之間，由之前的地質(zhì)資料推測，該三處低阻異常主要由鐵礦層等賦礦層位引起。其中Ⅰ號異常，上界面埋藏深度約1 200 m，下界面約為1 900 m，異常平均寬度約150 m，異常呈橢圓形；Ⅱ號異常，上界面埋藏深度約1 000 m，下界面埋藏深度約1 600 m，異常平均寬度約150 m，異常呈橢圓形；Ⅲ號異常，上界面埋藏深度約1 200 m，下界埋藏深度約1 800 m，異常平均寬度約250 m，異常近似呈圓形。

圖3 反演視電阻率斷面圖Fig．3 The inversion figure of apparent resistivity

圖4 地質(zhì)推測斷面圖Fig．4 Cross-sectional figure of geological speculation

結(jié)合以往鉆探結(jié)果顯示，在深度1 390 m～1 400 m和1 420 m～1 423 m處可見兩層磁鐵礦層，據(jù)此推斷該三處低阻異?？赡苁浅傻V有利部位或礦化巖層地反映。

4 結(jié)論與建議

(1)CSAMT法具有野外采集數(shù)據(jù)質(zhì)量高、重復(fù)性好、反演剖面橫向分辨率高、不受高阻屏蔽層影響和工作成本低等優(yōu)點。

(2)本次勘探獲取的低阻異常，與之前的鉆探和磁測資料吻合度較高，因此認(rèn)為該區(qū)應(yīng)作為下一步工作的重點區(qū)域。

(3)工區(qū)以東、以南緊鄰河流，這將對數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生一定影響，在這種情況下，依然采集到了質(zhì)量較好的數(shù)據(jù)，取得了令人滿意的效果，說明CSAMT法具有較強地抗干擾能力。

(4)發(fā)射端供電點處要有明顯標(biāo)志，供電導(dǎo)線連接處應(yīng)用絕緣膠布包裹，沿線有專人查護(hù)，確保人畜生命安全。

(5)針對勘探的地質(zhì)任務(wù)并結(jié)合工區(qū)的實際情況，在采集過程中應(yīng)盡量避開明顯的干擾源，如公路、供電線、通訊線等，以保證所采集數(shù)據(jù)的可靠性。

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