大定源回線裝置磁源瞬變電磁法深部找礦應用與問題探討

張國鴻，廖圣柱

(安徽省地球物理地球化學勘查技術(shù)院， 安徽合肥 230022)

大定源回線裝置磁源瞬變電磁法深部找礦應用與問題探討

張國鴻，廖圣柱

(安徽省地球物理地球化學勘查技術(shù)院， 安徽合肥 230022)

磁源瞬變電磁法常用于金屬礦的勘探工作中，為了加大勘探深度和提高工作效率，常采用大定源回線裝置進行測量。本文給出了一個在深部找礦工作中大定源回線裝置磁源瞬變電磁法應用實例，通過Occam一維反演工作，提出和探討了一些實際應用問題。

磁源;瞬變電磁法;大定源回線;深部找礦

0 引言

瞬變電磁法是以接地導線或不接地回線通以脈沖電流作為場源，以激勵探測目標物感生二次電流，在脈沖電流間隙測量二次場隨時間變化的響應。二次場從產(chǎn)生到結(jié)束的時間是短暫的，這就是“瞬變”名詞的由來[1]。

瞬變電磁法可在地面、井中和空中進行。地面磁源瞬變電磁法的工作裝置很多，有分離回線、同點回線、定源回線等。瞬變電磁法觀測的參數(shù)有三種：感生電動勢、磁場和電場，測量電場屬于接地系統(tǒng)。目前使用的測量儀器主要是測量感生電動勢，不同的測量儀器實測電動勢方式的顯示不同，有的直接顯示電動勢ε，單位為μV；有的用發(fā)射電流歸一，即ε/I，單位為μV/A；有的是用接收線圈的面積歸一，即ε/AR,單位為μV/m2（AR—接收線圈有效面積）；有的用發(fā)射電流和接收面積歸一，即ε/（I·AR）,單位為μV(A·m2)。

本文給出的應用實例采用的是定源回線裝置，測量結(jié)果是二次場電動勢值。

1 大定源回線裝置及其特點

1.1 大定源回線裝置

大定源回線裝置如圖1所示。所謂大定源回線裝置，就是發(fā)射回線（Tx）大且固定不動，測量線圈（Rx）在大回線內(nèi)、外逐測點采集數(shù)據(jù)。

1.2 裝置特點

圖1 大定源回線裝置示意圖Fig.1 Large transmitter loop unit

由圖1可見，該裝置可在發(fā)射線圈內(nèi)外、前后、左右均可進行測量，因此只要鋪設(shè)一次大回線，就可完成多剖面、多測點的測量，所以工作效率很高，大大降低了勘探工作的成本。

目前，人們基本習慣于在大回線中心部位進行測量工作，這是因為在發(fā)射線的圈內(nèi)、外垂向的一次磁場方向是不同的；而且離發(fā)射線圈的遠近，一次磁場的也是不均勻的，因此，在發(fā)射線圈的不同部位適應探測不同產(chǎn)狀的礦體。所以，在某一地區(qū)普查某一產(chǎn)狀的目標物而采用三種（遠離線圈、靠近線圈、線圈中部）不同形態(tài)的場是不合理的[1]。

2 深部找礦應用實例

2.1 應用區(qū)地質(zhì)概況及地球物理特征

2.1.1 地質(zhì)概況

礦區(qū)全為第四系覆蓋區(qū)，經(jīng)鉆探揭示第四系厚度350～400m。隱伏的地層以太古代五河巖群（Ar3W.）為主，自下而上分為下亞群西堌堆巖組、莊子里巖組、峰山李巖組和上亞群小張莊巖組、殷家澗巖組。Ⅱ線勘探剖面地段基巖主要為莊子里巖組（Ar2zh.）地層，其巖性下段為角閃鉀長變粒巖、角閃變粒巖及少量淺粒巖，夾大理巖、石英巖和黑云片巖，上段為單一的厚層大理巖，夾淺粒巖及斜長角閃巖，巖性穩(wěn)定?；鶐r地層中，穿插有大量的正長斑巖、流紋斑巖、花崗閃長斑巖、石英二長巖、英安斑巖等脈巖。

磁鐵礦主要賦存于大理巖、條帶狀大理巖、白云石大理巖及蝕變透輝石巖中，屬接觸交代型（矽卡巖型）礦床；金、銅、鉛多金屬礦脈體與花崗閃長斑巖、流紋斑巖等巖脈關(guān)系密切（圖2）。

圖2 Ⅱ線勘探剖面地質(zhì)圖Fig.2 Geological map of line II exploration profile

2.1.2 地球物理特征

礦區(qū)基巖主要是蝕變變質(zhì)巖類

地層和正長斑巖、花崗閃長斑巖等侵入巖體。用數(shù)字磁化率儀和電阻率測井獲得的巖礦石電、磁參數(shù)如表1所示。

表1 勘探區(qū)電、磁參數(shù)統(tǒng)計表Table1 Statistics of electric and magnetic parameters for the survey area

2.2 工作裝置參數(shù)

發(fā)射回線采用邊長為800m×800m的正方形線框；接收線圈為空氣芯線圈，有效面積為200m2；發(fā)射電流波形為雙極性方波，占空比50%，脈沖電流寬度400ms，電流強度I=17～18A，關(guān)斷延時40μs對數(shù)等間隔采樣，采樣時長為4.83×10-4s～7.02×10-2s，時窗30個。

2.3 一維反演方法與結(jié)果

2.3.1 一維反演方法

一維反演采用Occam反演算法，它是一種簡單、有效地獲取最平緩模型的反演方法，實際是求一個多層的地電模型最光滑解。它通過給定初始模型的層數(shù)和層厚度來最終獲取模型的電阻率參數(shù)。其基本原理為[2～3]：

首先給定地電模型的粗糙度R定義為

上式中，n為觀測數(shù)據(jù)個數(shù)，σj為第j個數(shù)據(jù)的標準差。

根據(jù)不同的約束條件，即對模型粗糙度目標函數(shù)構(gòu)建方法的不同，Occam反演軟件二級菜單中又有不同的選項，常用的有三種構(gòu)建方法——模型參數(shù)的平方和最小、模型參數(shù)一階導數(shù)的平方和最小、模型參數(shù)二階導數(shù)的平方和最小。它們分別稱為：最小模型約束、最平緩模型約束和最光滑模型約束反演。

2.3.2 一維反演結(jié)果

反演軟件為美國勞雷公司推出的IX1Dv3電法軟件包中的瞬變電磁模塊。給出的初始地電模型如下：

初始地電模型層號： 5最小深度： 100 (m)最大深度： 1200 (m)初始電阻： 10( Ω·m)

圖3是Ⅱ線勘探剖面一維反演結(jié)果的電阻率等值線斷面圖。

圖3 Ⅱ線勘探剖面一維反演電阻率等值線斷面圖Fig.3 Line II exploration profile one-dimension inversion resistivity isoline section

圖3顯示，埋深大于400m，電阻率斷面圖中十分顯目地表現(xiàn)出在橫向上為多個等距的“M”型高阻異常，“M”型異常的鞍部大多對應于鉆孔位置。究其原因，筆者認為，由于進行勘探工作時，該勘探剖面上部大約150～400m埋設(shè)有鉆孔的金屬套管，金屬套管對附近的測點的晚期信號起到了干擾的作用——低阻效應。由于金屬套管埋藏于第四系蓋層中，該區(qū)第四系電阻率低（約10～15Ω.m），所以對上層第四系電阻率的分布影響很小。

將圖3與地質(zhì)勘探剖面（圖2）對比，Ⅱ線勘探剖面的瞬變電磁法測量結(jié)果，只起到了勘探第四系蓋層厚度或基巖面埋深的作用，由于鉆孔金屬套管的存在，測量結(jié)果沒能給出深部地質(zhì)信息。

3 問題探討

3.1 一次場的不均勻性

以上已提及，大定源回線裝置目前人們習慣在回線框內(nèi)進行測量，但在框內(nèi)多大范圍內(nèi)進行測量合適？這就需要了解回線框內(nèi)一次磁場的分布特征。

根據(jù)比渥薩伐定理很容易得出場的表達式如下：

邊長為2l的正方形回線地面上的一次磁場的垂直分量為：位于邊長為2l的正方形回線平面內(nèi)，通過回線中心，并平行回線一邊的測線上一次磁場的垂直分量為：

式（6）、（7）是回線源通電時在自由空間的磁場強度分布特征。

取正方形回線邊長2l=800m，函數(shù)f(x)的曲線如圖4所繪。

圖4 回線源一次磁場垂直分量沿x軸變化Fig.4 Vertical component of loop source primary field changing along x-axis

圖4表明，在回線框內(nèi)一次磁場的垂直分量在回線中心四分之一范圍內(nèi)變化不大，靠近回線邊緣，一次場逐漸增大，所以，為了在一次場大致相等的條件下觀測二次場，應該在回線框內(nèi)不大于四分之一范圍內(nèi)進行瞬變電磁測量工作。現(xiàn)將回線框內(nèi)不同位置一次場增量相對回線中心x=0的變化量列于表表2。

表2 回線框內(nèi)不同位置一次場變化情況Table2 Primary field change in different sites of the loop frame

以上是自由空間獲得的理論計算結(jié)果，實際勘探工作中，大地表面為不均勻?qū)щ妼?，靠近線圈的測點的一次場相對于線圈中心測點的變化量會更大。圖5是Ⅱ線勘探剖面上一個線框內(nèi)8個測點一次場觀測結(jié)果。

圖5是Ⅱ線勘探剖面上由800m×800m大定源回線內(nèi)一次磁場沿側(cè)線方向?qū)嶋H觀測值，點距為40m，8個測點的觀測段為280m?？梢?，靠近回線的176號點相對于回線的中心部位的160號點，一次場相對變化量達20.3%，大大超過自由空間情況下的5%的變化量，一次場曲線具有中心對稱分布特征。

圖5 回線源一次磁場垂直分量沿測線的變化Fig.5 Vertical component of loop source primary field changing along survey line

由于一次場的強度不一致，所以，瞬變電磁法觀測的二次場信號強度受到一次場的激勵程度是不同的。特別對于一維反演來說，應對一個回線內(nèi)觀測的所有測點的二次場信號進行一次場歸一校正。

3.2 地中鉆孔套管的影響

在地質(zhì)鉆探勘探工作后期，往往施工過的鉆孔因上層第四系松散蓋層厚，封孔時無法將鉆孔套管全部取出，此時地質(zhì)勘探剖面下存在鉆孔金屬套管，特別是經(jīng)過詳查地質(zhì)勘探工作，鉆孔十分密集，地中存在大量的鉆孔套管。然而，為了進行深部找礦或進一步查明勘探區(qū)地質(zhì)構(gòu)造細節(jié)，進行電磁法勘探工作時，鉆孔的金屬套管會對勘探工作帶來影響，使勘探結(jié)果的地電斷面與實際的地質(zhì)現(xiàn)象極不吻合，給物探資料解釋帶來偏差甚至錯誤的結(jié)果。因此在了解勘探區(qū)鉆孔的金屬套管分布、埋深后，必須對電磁法測量數(shù)據(jù)進行校正或在測量的數(shù)據(jù)中剔除。

本次勘探區(qū)Ⅱ線地質(zhì)勘探剖面上鉆孔基本以200m等間隔分布，因第四系厚度400m左右，封孔時拔掉了上部一部分套管，大約在150m～400m深度上存在套管，所以應把此深度上的瞬變電磁響應在二次場整個時間窗內(nèi)去除。

磁源瞬變電磁法是在發(fā)射線圈中電流突然斷開時，測量下半空間的感應渦流產(chǎn)生二次磁場。一次磁場產(chǎn)生的感應渦流在斷電后的任一給定時間里呈環(huán)帶分布，在早期渦流集中于地表附近，到了中、晚期渦流將隨時間延長而向下及向外擴展，通常稱之為“煙圈”效應，如圖6所示。

圖6 半空間中的等效感應電流圈Fig.6 Equivalent induction current loop in half space

等效電流環(huán)所在的深度的表達式為[4]：

式中，時間t單位:s；電阻率ρ單位:Ω·m；μ0=4π×10-7單位:H/ m；深度d單位:m。

利用（8）式，取d=400m，ρ=15Ω·m，得t≈8ms。所以應將實測的二次場響應值中小于8ms×2=16ms的數(shù)據(jù)去除掉。

3.3 對問題的修正

針對同一大回線框內(nèi)不同位置的測點其一次磁場垂直分量的不同和勘探剖面下第四系覆蓋層中存在鉆孔套管影響的兩個問題，筆者對實測數(shù)據(jù)進行了一次場歸一校正和早期（采樣時長小于16ms）的實測數(shù)據(jù)進行剔除，用同一個反演軟件重新進行了Occam一維反演，反演結(jié)果如圖7所示。

圖7 修正后Ⅱ線勘探剖面一維反演電阻率等值線斷面圖Fig.7 Line II exploration profile one-dimension inversion resistivity isoline section after revision

通過一次場的歸一校正和去除早期數(shù)據(jù)后重新反演結(jié)果的電阻率斷面圖（圖7）中，深部不再有多個等間距的“M”型異常，而在剖面的西南端（ZK203孔左側(cè)）呈現(xiàn)出相對高阻異常，在剖面的北東端（ZK203孔右側(cè)）為相對低阻異常。根據(jù)地質(zhì)鉆探剖面（圖2），異常分布特征可以解釋為剖面北東端莊子里巖組（Ar2zh）斜長片麻巖和斜長角閃巖類的變質(zhì)巖增多，剖面西南端主要為花崗閃長斑巖，這與鉆探結(jié)果和目前地質(zhì)界認識是一致的。

4 結(jié)論

（1）磁源瞬變電磁法大定源回線裝置在框內(nèi)測量時，應在框內(nèi)中部進行測量，測量范圍不易大于邊長的四分之一。

（2）同一框內(nèi)不同測點的一次場變化較大時（與中心測點相比達到10%），建議對二次場進行一次場歸一校正。

（3）當覆蓋層中存在電磁干擾物時，應斬去早期測量數(shù)據(jù)，斬去的數(shù)據(jù)長度可根據(jù)等效電流環(huán)的等效深度的時間的2倍估算。

[1]蔣邦遠.實用近區(qū)磁源瞬變電磁法勘 探[M].北京：地質(zhì)出版社，1998.

[2]柳建新，童孝忠，郭榮文，等.大地電 磁測深法勘探[M].北京：科學出版社，2012.

[3]吳小平，徐果明.大地電磁數(shù)據(jù)的Occam反演改進[J].地球物理學報：1998,41(4)：547～553.

[4]牛之璉.脈沖瞬變電磁法及應用[M].長沙：中南工業(yè)大學出版社，1986.

[5]黃高元，張國鴻.CSAMT法張量與標量測量在已知鐵礦區(qū)上的對比試驗[J].物探與化探，2014，38(6)：1207～1211.

[6]張國鴻，李仁和.可控源音頻大地電磁法深部找礦實驗效果[J].物探與化探，2010，34(1):66～70.

APPLICATION OF LARGE FIXED TRANSMITTER LOOP MAGNETIC SOURCE TRANSIENT EM METHOD TO DEEP ORE EXPLORATION AND DISCUSSION OF RELEVANT ISSUES

ZHANG Guo-hong, LIAO Seng-zhu ( Institute of Geophysical and Geochemical Survey Technology of Anhui Province , Hefei,Anhui 230022, China)

Magnetic source transient EM method is usually used in exploration of metallic ores, and large fixed transmitter loop unit often used for surveying in order to improve exploring depth and work efficiency.This paper gave such an application case, raised and discussed some issues by Occam one-dimension inversion.

magnetic source; transient EM method; large fixed transmitter loop; deep ore exploration

P631.3

：A

1005－6157(2015)04－0283－5

2015-06-10

張國鴻（1956-），男，安徽合肥人，教授級高級工程師，長期從事地球物理勘探和電磁法方法技術(shù)研究工作。