磁通門探頭在瞬變電磁法勘探中的應(yīng)用

王興春 ，張 杰 ，鄭學(xué)萍 ，鄧曉紅 ，武軍杰 ，楊 毅

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所,廊坊 065000；2.中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司,廊坊 065000)

0 引言

近年來(lái)，隨著深部找礦工作的進(jìn)一步開(kāi)展，時(shí)間域瞬變電磁法如何在勘探深度上取得進(jìn)一步突破，是實(shí)現(xiàn)瞬變電磁法在深部找礦中發(fā)揮作用的前提。傳統(tǒng)的時(shí)間域電磁法一直以感應(yīng)線圈測(cè)量地下目標(biāo)體產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(dB/dt)為主導(dǎo)，也就是這種線圈主要對(duì)磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化率比較敏感。在時(shí)間域電磁法中測(cè)量磁場(chǎng)(B)，國(guó)內(nèi)、外已有諸多案例，如戴遠(yuǎn)東等人[1]在電偶源和中心回線條件下，對(duì)高溫超導(dǎo)和感應(yīng)探頭進(jìn)行了相關(guān)公式推導(dǎo)結(jié)果比較，分析高溫超導(dǎo)測(cè)量磁場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)；物化探所陳曉東等人[2]利用高溫超導(dǎo)探頭測(cè)量磁場(chǎng)，較傳統(tǒng)的感應(yīng)探頭，有效地提高了勘探深度；蘇朱劉等人[3]以電偶源條件下例推導(dǎo)了相同條件下感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng)在晚期的衰減規(guī)律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在晚期道隨t-5/2變化，而垂直磁場(chǎng)在晚期隨t-3/2變化，這種結(jié)論對(duì)中心回線也是成立的，因?yàn)閮烧呔哂邢嗤臍w一化磁場(chǎng)表達(dá)式；2001年James B.Lee等人[4]在航空瞬變電磁法嘗試用高溫超導(dǎo)探頭結(jié)合GEOTEM系統(tǒng)開(kāi)展了克服低阻屏蔽層的試驗(yàn)研究，并與傳統(tǒng)的感應(yīng)線圈結(jié)果進(jìn)行比較分析；Foley、Le Roux[5-6]通過(guò)高低溫探頭試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用認(rèn)為，低溫和高溫超導(dǎo)探頭在提高瞬變電磁法勘探深度方面是一種行之有效的方法，F(xiàn)oley et al.[7]對(duì)超導(dǎo)探頭在瞬變電磁法勘探中的試驗(yàn)效果進(jìn)行了總結(jié)和分析；Smith 等[8]提出了一種通過(guò)整合線圈響應(yīng)獲取磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的方法；Vallée等人[9]指出瞬變電磁法在礦產(chǎn)勘探中結(jié)合磁場(chǎng)測(cè)量是一種有效的方法。Michael W. Asten等人根據(jù)McCraken等人[10]的研究結(jié)果，對(duì)自由空間的低阻線框的瞬變電磁階躍響應(yīng)作了簡(jiǎn)化推導(dǎo)，通過(guò)低阻蓋層下目標(biāo)體模擬計(jì)算分析等案例，以模擬計(jì)算和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)TEM工作中測(cè)量磁場(chǎng)的諸多優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

磁通門探頭作為一種新型的測(cè)量磁場(chǎng)的探頭，近些年來(lái)在國(guó)外逐漸被用于常規(guī)瞬變電磁法勘探中，如澳大利亞最新的SM24系統(tǒng)，磁通門探頭為標(biāo)配探頭，作者通過(guò)模擬計(jì)算和實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的反演解釋，對(duì)磁通門探頭在瞬變電磁測(cè)量中的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行分析說(shuō)明。

1 模擬計(jì)算

作者以澳大利亞EMIT公司生產(chǎn)的專業(yè)瞬變電磁法軟件Maxwell為計(jì)算平臺(tái)，在相同模型條件下，分別計(jì)算磁場(chǎng)和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的響應(yīng)，對(duì)計(jì)算結(jié)果分析表明，對(duì)于深部礦體，測(cè)量磁場(chǎng)更具實(shí)際意義。

模型見(jiàn)圖1，測(cè)線長(zhǎng)為2 km，點(diǎn)距為50 m，在均勻空間(800 Ω·m)分別放置大小、埋深、電導(dǎo)率不同的兩個(gè)水平板狀體，板狀體1大小400 m×200 m，中心位置坐標(biāo)為(500，0，-200)，電導(dǎo)率為5 s；板狀體2大小為800 m×400 m，中心位置坐標(biāo)為(1200，0，-300)，電導(dǎo)率為100 s；采用中心回線裝置，發(fā)射框100 m×100 m，發(fā)射電流為20 A，接收面積為10 000 m2，采樣時(shí)間采用Crone 30 Channel 標(biāo)準(zhǔn)采樣道時(shí)間序列，下降沿50 us，基頻為12.5 Hz，磁場(chǎng)單位為pT，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)單位為nT/s。

圖1 Maxwell正演模型Fig．1 Forward model in Maxwell

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果分別如圖2、圖3所示，由圖2結(jié)果表明：當(dāng)測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)時(shí)，淺部良導(dǎo)體較深部良導(dǎo)體的響應(yīng)更明顯，且兩個(gè)目標(biāo)體的異常疊加在一起，實(shí)際工作中很容易忽略深部異常體的微弱信息；而圖3結(jié)果則剛好相反，磁場(chǎng)對(duì)深部相對(duì)良導(dǎo)體較淺部良導(dǎo)體反應(yīng)的異常更明顯，幅度遠(yuǎn)大于良導(dǎo)體響應(yīng)，同時(shí)就剖面曲線異常形態(tài)而言，磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)剖面曲線上，相鄰目標(biāo)體之間異常分界明顯，更有利于我們判斷橫向礦體的分布情況，可見(jiàn)在瞬變電磁法中測(cè)量磁場(chǎng)對(duì)于發(fā)現(xiàn)深部礦體有著潛在的利用價(jià)值，同時(shí)有較高的橫向分辨率，這也為瞬變電磁法開(kāi)展深部找礦提供了可能，同時(shí)也有利于區(qū)分深部不同礦體的地表響應(yīng)特征，為我們合理的判斷和解釋瞬變電磁反演結(jié)果提供了依據(jù)。

圖2 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)模擬計(jì)算剖面曲線Fig．2 Model profile for induced voltage

圖3 磁場(chǎng)模擬計(jì)算剖面曲線Fig．3 Model profile for magnetic field

那么在低阻覆蓋條件下，磁場(chǎng)的特性又將如何？為此設(shè)置三層模型，其中蓋層和基底電阻率分別為200 Ω·m、500 Ω·m，中間層電阻率為5 Ω·m，蓋層和第二層厚度分別為100 m、50 m，在600 m、1 400 m分別放置兩個(gè)大小相同(400 m×400 m)深度分別-200 m、-400 m水平板狀體，電導(dǎo)率分別為10 s、100 s，其余參數(shù)與上述模型相同，分別計(jì)算了磁場(chǎng)和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)響應(yīng)曲線，模型如圖4所示。

磁場(chǎng)和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)剖面曲線如圖5所示，圖5(a)為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)剖面曲線，圖5(b)為磁場(chǎng)剖面曲線，剖面曲線上每隔5道用紅線標(biāo)示，1 400 m 處對(duì)應(yīng)的深部板狀體曲線形態(tài)在兩個(gè)剖面曲線上位置截然不同，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)低阻板狀體的響應(yīng)在22道(2.92 ms)逐漸變強(qiáng)；且這種反應(yīng)在1 nT/s以下形態(tài)最好，而實(shí)際工作中很容易被噪聲掩蓋而忽略；磁場(chǎng)響應(yīng)在16道(1.37 ms)開(kāi)始對(duì)深部板狀體的響應(yīng)逐漸增強(qiáng)，在36道逐漸平緩，分析其變化數(shù)量級(jí)可見(jiàn)，磁場(chǎng)數(shù)據(jù)在0.05 pT～100 pT都出現(xiàn)了形態(tài)較好異常響應(yīng)，且遠(yuǎn)高于噪聲水平，觀察600 m處板狀在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)剖面曲線上的形態(tài)可見(jiàn)，在15道～25道響應(yīng)最好，而磁場(chǎng)響應(yīng)在5道～25道(ms)響應(yīng)最好，從時(shí)間上分析，相同條件下，磁場(chǎng)對(duì)目標(biāo)體的響應(yīng)時(shí)間較感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)更早，從目標(biāo)體的所處的地層特性而言，低阻覆蓋層條件下，磁場(chǎng)具有更強(qiáng)的“穿透”能力，磁場(chǎng)的這種特性更有助于發(fā)現(xiàn)深部異常信息。

圖5 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng)剖面曲線Fig．5 Profile for induced voltage and magnetic data (a)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)剖面曲線；(b)磁場(chǎng)剖面曲線

圖4 低阻屏蔽計(jì)算模型Fig．4 Forward model for low resistive shielding

2 實(shí)測(cè)資料分析

通過(guò)在某銅鎳礦開(kāi)展瞬變電磁方法有效性試驗(yàn)工作，現(xiàn)場(chǎng)采用常規(guī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)探頭和磁通門探頭同時(shí)采集，以其中L05線為例進(jìn)行說(shuō)明。L05測(cè)線長(zhǎng)900 m，采用加拿大Crone生產(chǎn)的PEM系統(tǒng)，中心回線裝置，發(fā)射框大小100 m×100 m，發(fā)射電流為15 A，點(diǎn)距為50 m，時(shí)基為50 ms，下降沿50 us，兩種探頭剖面曲線如圖6、圖7所示，剖面曲線在500 m和750 m處都出現(xiàn)了峰值，從剖面曲線形態(tài)判定，兩峰值對(duì)應(yīng)異常相對(duì)較高，初步判斷雙峰異常之間存在電阻 率相對(duì)高的介質(zhì), 而在相對(duì)深的位置彼此分開(kāi)；就峰值變化形態(tài)而言，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)探頭對(duì)應(yīng)剖面曲線在中晚期依然保持兩個(gè)峰值的特征，但在10道～18道和19道～27道，500 m處的峰值響應(yīng)相對(duì)較弱，而磁通門探頭對(duì)應(yīng)的剖面曲線自始至終雙峰特征明顯，且在中晚期道500 m處對(duì)應(yīng)的峰值異常更明顯，根據(jù)前文模擬計(jì)算結(jié)果，500 m處峰值應(yīng)為相對(duì)深部礦體的響應(yīng)特征。

圖8為地質(zhì)斷面圖，巖體基本由輝石巖、橄欖巖、橄輝巖、輝橄巖和輝長(zhǎng)巖組成，含礦巖性主要為二輝橄欖巖和輝石巖，巖石普遍具有綠泥石化、碳酸鹽化、透閃石化、蛇紋石化，礦石礦物主要為黃銅礦、鎳黃鐵礦、磁鐵礦、磁黃鐵礦、紫硫鎳礦等，底板巖石主要為黑云母斜長(zhǎng)片麻巖、花崗質(zhì)片麻巖、大理巖、石英片巖等，鉆孔資料表明，在含礦段或非含礦段均存在不同程度的黃鐵礦化、褐鐵礦化、黃銅礦化。物性測(cè)量結(jié)果表明，這些礦化巖石具有“高磁、低阻、高極化”的特征，盡管這些礦化巖石在地質(zhì)剖面上達(dá)不到工業(yè)級(jí)別或者標(biāo)示為非含礦巖體，但其同樣具有低阻的特性而在瞬變電磁反演剖面上擴(kuò)大礦體電異常的范圍或單獨(dú)形成異常。

圖9為感應(yīng)探頭和磁場(chǎng)數(shù)據(jù)1D電阻率反演斷面圖(圖9(a)為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反演剖面，圖9(b)為磁上橫向不連續(xù)而在電阻率剖面上變現(xiàn)為連續(xù)的低阻，可能與該地段存在黃鐵礦化、褐鐵礦化巖石有關(guān)。

圖6 L05感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)探頭剖面響應(yīng)曲線Fig．6 L05 induced voltage profile

圖7 L05磁通門探頭剖面響應(yīng)曲線Fig．7 L05 magnetic field profile

比較圖9中(a)、(b)兩個(gè)電阻率斷面采用相同初始模型，對(duì)晚期噪聲水平以下測(cè)道進(jìn)行剔除后1D場(chǎng)反演剖面)，鉆孔ZK511和ZK504分別位于TEM剖面40 m和600 m處，兩者反演結(jié)果與地質(zhì)剖面礦體展布形態(tài)對(duì)應(yīng)較好，部分地段在地質(zhì)剖面電阻率反演斷面圖，(a)、(b)斷面圖在100 m～450 m表現(xiàn)為橫向連續(xù)的低阻層，圖9(a)在該段縱向不連續(xù)，存在相對(duì)高阻值，這與剖面上脈狀礦體有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，而圖9(b)中磁場(chǎng)反演剖面上并不存在這種不連續(xù)現(xiàn)象，這是由于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是在磁場(chǎng)的基礎(chǔ)上對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，在某種意義上就是對(duì)深度的求導(dǎo)，對(duì)縱向電阻率變化具有更高的敏感性；圖9兩剖面100 m～250 m范圍內(nèi)，磁場(chǎng)反演的低阻厚度明顯大于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，且在500 m～900 m范圍內(nèi)，出現(xiàn)一南傾的低阻帶，但阻值與礦體電阻率相比稍有偏高，反演深度明顯大于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反演剖面，這與前文模型計(jì)算結(jié)論磁場(chǎng)響應(yīng)時(shí)間更早、衰減更緩慢，而導(dǎo)致其勘探深度更大是一致的。

圖8 L05線地質(zhì)剖面圖Fig．8 L05 geological section

圖9 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng)1D電阻率反演斷面圖Fig．9 1D resistivity inversion profile for induced voltage and magnetic field data(a)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；(b)磁場(chǎng)

地質(zhì)剖面上深部脈狀礦體反映不明顯，這可能與淺部低阻礦體的屏蔽效應(yīng)和深部礦脈的電性、規(guī)模等綜合因素相關(guān)。

3 結(jié)論與展望

理論計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果表明：在瞬變電磁法中采用磁通門測(cè)量磁場(chǎng)具有較高的橫向分辨力和晚期信號(hào)強(qiáng)且平穩(wěn)的特點(diǎn)，尤其在低阻目標(biāo)體上方，磁場(chǎng)數(shù)據(jù)在早、中、晚期都有明顯反應(yīng)，這為瞬變電磁勘探增大勘探深度提供了可能，在發(fā)現(xiàn)深部異常信息方面具有感應(yīng)線圈無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)實(shí)測(cè)資料反演結(jié)果表明，對(duì)于縱向電性變化較大的似層狀地電斷面，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在縱向的分辨率明顯優(yōu)于磁場(chǎng)。

致謝

感謝青海省第五礦產(chǎn)勘查院高永旺高級(jí)工程師、楊啟安工程師在工作中的支持和幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1] 戴遠(yuǎn)東，王世光. 在瞬變電磁法大地電磁測(cè)量中高Tc sQuID探頭與常規(guī)探頭的比較[J].低溫物理學(xué)報(bào),1996, 18 (1):11-15.

[2] 陳曉東，趙毅，張杰，等．高溫超導(dǎo)磁強(qiáng)計(jì)在瞬變電磁法中的應(yīng)用研究[J]．地球物理學(xué)報(bào)，2012,55(2):702-706.

[3] 蘇朱劉，張交東，胡文寶，等. 瞬變電磁法中磁場(chǎng)的特性及測(cè)量方法[J]. 工程地球物理學(xué)報(bào), 2004,1(1):70-75.

[4] JAMES B. LEE, ROBERT J, TURNER MARK A. DOWNEY. Airborne TEM surveying with a SQUID magnetometer sensor[J].Geophysics, 2002,67(2):468-471.

[5] FOLEY C P, K. E. LESLIE, R. BINKS. A history of the CSIRO’s development of high temperature superconducting rf SQUIDs for TEM prospecting[J].ASEG Extended Abstracts, 2006(1):1-4.

[6] LE ROUX C, MACNAE J. SQUID sensors for EM systems[C]//Milkereit B. Exploration in the new millennium: Proceedings of the Fifth Decennial International Conference on Mineral Exploration. 2007: 417-423.

[7] SMITH R S,ANNAN A P. Using an induction coil sensor to in-directly measure the B-field response in the bandwidth of the transient electromagnetic method[J]. Geophysics, 2000,65(5): 1489-1491.

[8] SMITH R S,ANNAN P. The use of B-field measurements in an airborne time-domain system: Part I. Benefits of B-field versus dB∕dt[J]. Exploration Geophysics, 1998,29(2):24-26.

[9] VALLEE M A,SMITH R S. P. KEATING. Metalliferous mining geophysics —State of the art after a decade in the new millennium[J]. Geophysics, 2011,76(4):31-36.

[10] MICHAEL W,ASTEN, ANDREW C. DUNCAN. The quantitative advantages of using B-field sensors in time-domain EM measurement for mineral exploration and unexploded ordnance search[J]. Geophysics, 2012, 77(4):137-139.