吐哈盆地八仙口地區(qū)瞬變電磁動(dòng)源組合裝置測(cè)量方法試驗(yàn)及應(yīng)用

郗昭

（核工業(yè)二〇三研究所，陜西 咸陽 712000）

我國(guó)瞬變電磁法研究受到前蘇聯(lián)影響較多，20 世紀(jì)80 年代起，牛之璉、蔣邦遠(yuǎn)、李貅等一批著名學(xué)者開始進(jìn)行相關(guān)研究和技術(shù)推廣［1，3，7］，在測(cè)量方法上，主要采用重疊回線、中心回線裝置和框內(nèi)定源測(cè)量［2］，普遍認(rèn)為這兩種裝置場(chǎng)強(qiáng)均勻，分辨率高，測(cè)量效果好，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，因而一直沿用至今［3-6］。筆者有幸于2017 年赴加拿大進(jìn)行技術(shù)交流，根據(jù)交流成果和大量的數(shù)據(jù)和實(shí)例分析，認(rèn)為目前國(guó)際上對(duì)于瞬變電磁方法的應(yīng)用范圍和數(shù)據(jù)處理理念與國(guó)內(nèi)有較大差異。20 世紀(jì)90 年代開始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理理論的不斷創(chuàng)新，在西方一些國(guó)家，以B.R.Spies 和T.Lee 等一批學(xué)者為代表，推崇采用大定源回線框外測(cè)量裝置應(yīng)用于礦產(chǎn)勘查［3］。美國(guó)EMP、澳大利亞SIROTEM-ⅡSM、加拿大EM-37、DEEPEM 及UTEM 等儀器系統(tǒng)主要適用于大定源回線裝置［7］，這種方式具有對(duì)構(gòu)造識(shí)別較為靈敏等特點(diǎn)。

隨著礦產(chǎn)資源勘查深度的不斷加大，重疊回線和中心回線測(cè)量裝置的測(cè)量深度受到限制［8］。核工業(yè)二〇三研究所物探項(xiàng)目組通過多年的技術(shù)方法試驗(yàn)和探索，提出了以動(dòng)源組合裝置搭配一維反演處理的瞬變電磁動(dòng)源組合裝置測(cè)量方法，該裝置在吸收了中心回線裝置分辨率高的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，兼顧了框外測(cè)深裝置測(cè)量可以壓制數(shù)據(jù)尾支噪音干擾，加大測(cè)量深度的特點(diǎn)，極大地拓寬了瞬變電磁法的應(yīng)用范圍［9］。目前動(dòng)源組合裝置測(cè)量方法已在吐哈盆地八仙口等地區(qū)開始推廣［10-12］，其在地層結(jié)構(gòu)查明、斷裂構(gòu)造識(shí)別及砂體范圍圈定等方面效果顯著，取得了較好的地質(zhì)找礦成果，應(yīng)用前景廣闊。

1 研究區(qū)地質(zhì)及地球物理特征

1.1 地質(zhì)概況

吐哈盆地位于哈薩克斯坦、西伯利亞和塔里木三大板塊的交接部位［13］?？蓜澐譃楸辈扣晗?、艾丁湖斜坡帶、南湖隆起三個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元［14］。八仙口地區(qū)位于艾丁湖斜坡帶之上。

測(cè)區(qū)地勢(shì)平坦，地層整體呈單斜狀產(chǎn)出，新生界從山前向盆內(nèi)逐漸增厚，其地質(zhì)及測(cè)線布置圖如下（圖1）。盆地蓋層為侏羅系（J）、古近系（E）及第四系（Q），基底為石炭系（C）。其中中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2x）為本次鈾礦找礦目的層，縱向上發(fā)育有四段砂體。侏羅系表現(xiàn)為低阻，石炭系視電阻率值較高。

圖1 八仙口測(cè)區(qū)地質(zhì)及測(cè)線布置簡(jiǎn)單圖Fig.1 Geological sketch map and the exploration line of Baxiankou area

區(qū)內(nèi)多發(fā)育隱伏斷裂，鷹咀崖斷裂為典型代表。該斷裂特征是：主斷面向南西傾，傾角較大［15-16］。

1.2 地層電性特征

通過收集區(qū)內(nèi)鉆探測(cè)井資料，重點(diǎn)分析了其電阻率值分布特征，發(fā)現(xiàn)測(cè)區(qū)地層的電性差異較大（表1），縱向上可劃分為三層：

表1 八仙口測(cè)區(qū)地層視電阻率統(tǒng)計(jì)表［17］Table 1 Statistics of apparent resistivity of strata in study area

1）上部視電阻率值大于20 Ω·m 且變化大的高阻層，通過地表露頭觀察，主要為近地表第四系風(fēng)成沙、干燥松散砂礫層（Q）或古近系（E）。

2）下伏視電阻率值小于8 Ω·m 的低阻層，為侏羅系（J）找礦目的層，主要反映侏羅系水西溝群西山窯組、三工河組及八道灣組砂礫巖、泥巖等電性特征。

3）底部視電阻率值大于20 Ω·m 的高阻層，為石炭系，巖性以凝灰?guī)r等為主。

總之，八仙口地區(qū)找礦目的層——侏羅系水西溝群西山窯組為穩(wěn)定的低阻層，為電法勘查提供了物性前提。

2 瞬變電磁動(dòng)源組合裝置測(cè)量方法

2.1 方法簡(jiǎn)介

儀器采用加拿大生產(chǎn)的EM67 瞬變電磁儀，可適用于偶極及中心回線等測(cè)量裝置，具有穩(wěn)定性好、信噪比高、探測(cè)深度大等特點(diǎn)。

本次測(cè)量裝置將框中心測(cè)量和框外測(cè)量相結(jié)合來布設(shè)，使測(cè)量分辨率和深度均可保證，即動(dòng)源組合裝置。其測(cè)量裝置在布置100 m 邊長(zhǎng)發(fā)射線框的基礎(chǔ)上，分別在框中心及框外20 m 測(cè)量測(cè)深點(diǎn)，具體示意圖見圖2。該測(cè)量方法每次測(cè)量完畢可以利用線圈翻滾來完成下一回線的布設(shè)，工作效率相對(duì)較高，非常適合詳查測(cè)區(qū)精細(xì)剖面測(cè)量，以及對(duì)復(fù)雜地質(zhì)情況進(jìn)行測(cè)量。

圖2 動(dòng)源組合裝置示意圖Fig.2 The schematic diagram of the combined dynamic source configuration

2.2 數(shù)據(jù)處理解釋方法

本次框外測(cè)深點(diǎn)視電阻率計(jì)算方法采用Spies 等人提出的大定源回線全區(qū)視電阻率計(jì)算方法［3］。假設(shè)大定源回線Tx 其中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，回線寬為L(zhǎng)x，長(zhǎng)為L(zhǎng)y，接收線圈Rx可位于回線內(nèi)或外，接收線圈坐標(biāo)為（xr，yr）。在電導(dǎo)率為σ 的均勻半空間上，接收垂直dBz/dt 響應(yīng)，由Raiche 給出的頻率域公式出發(fā)，經(jīng)變換得到時(shí)間域里總的瞬變響應(yīng)為：

式中F（x，y）計(jì)算采用分部積分計(jì)算。

式中ux＝（σμ0x2/（4t））1/2及uy＝σμ0y2/（4t））1/2。當(dāng)u 很小時(shí)，上式計(jì)算F（x，y）會(huì)引起誤差，為此展開成級(jí)數(shù)形式

這樣利用公式（1）、（3）和（4）就能夠計(jì)算出大定源均勻半空間的瞬變電磁響應(yīng)ε（t）。

假設(shè)實(shí)測(cè)場(chǎng)值為εm（t），利用最小二乘法，求以下目標(biāo)函數(shù)極小值：

根據(jù)u＝（μ0σl2/（4t））1/2可求得視電阻率

式中l(wèi)＝（LxLy）1/2。中心回線公式與該公式略有差別，主要體現(xiàn)在中心回線公式中l(wèi) 為發(fā)射半徑，而公式（7）中l(wèi) 為邊框邊長(zhǎng)。

數(shù)據(jù)反演采用Occam 反演方法，該方法通過引入一個(gè)描述模型光滑程度的參數(shù)—粗糙度C。經(jīng)過一系列迭代過程，就可以得到一個(gè)具有最小粗糙度并達(dá)到希望擬合差的結(jié)果模型，具體公式推導(dǎo)過程在此不再贅述。

3 方法試驗(yàn)

本次瞬變電磁動(dòng)源組合裝置測(cè)量的方法有效性試驗(yàn)按不同發(fā)射頻率、發(fā)射線框大小、發(fā)射電流、增益及積分時(shí)間五方面進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分析如下。

1）不同發(fā)射頻率

不同的發(fā)射的頻率，具有不同的觀測(cè)時(shí)窗長(zhǎng)度，測(cè)量的深度也不一樣。從圖3 中可以看出，6.25 Hz 測(cè)量曲線尾支的數(shù)據(jù)跳點(diǎn)較多，測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，這說明該頻率對(duì)噪聲的抗干擾能力差。2.5 Hz 測(cè)量曲線尾支噪音明顯偏小，抗干擾能力較強(qiáng)，本次測(cè)量采用較為合適。

2）發(fā)射線框大小

理論上，線框大小的選擇與測(cè)量深度無關(guān)，但野外數(shù)據(jù)采集時(shí)，發(fā)射電流不可能無限大。發(fā)射線框邊長(zhǎng)小時(shí)，發(fā)射磁矩小，激發(fā)的一次場(chǎng)強(qiáng)度小，感應(yīng)產(chǎn)生的二次場(chǎng)強(qiáng)度弱，采集數(shù)據(jù)的信噪比低，無法準(zhǔn)確獲得深部的信息［18-20］。

試驗(yàn)發(fā)射線框邊長(zhǎng)分別采用100 m 和200 m，可以看出，從圖4 框內(nèi)測(cè)量中，當(dāng)電流確定時(shí)，200 m 邊長(zhǎng)框探測(cè)深度略大于100 m邊長(zhǎng)框，數(shù)據(jù)建模結(jié)果兩者也較為符合。100 m 邊長(zhǎng)框完全可以滿足測(cè)量任務(wù)的要求，而且100 m 邊長(zhǎng)框相比200 m 邊長(zhǎng)框施工效率可以提高30%以上。此外，圖5 框外測(cè)量中，100 m 邊長(zhǎng)框測(cè)量曲線基本正常，200 m邊長(zhǎng)框測(cè)量曲線前幾門感應(yīng)電壓值出現(xiàn)先變大再衰減趨勢(shì)，雖屬正?，F(xiàn)象，但對(duì)后期測(cè)點(diǎn)曲線反演擬合精度會(huì)產(chǎn)生影響。綜上所述，本次測(cè)量選擇100 m 邊長(zhǎng)框較為適宜。

圖3 不同發(fā)射頻率框內(nèi)單點(diǎn)測(cè)量曲線對(duì)比圖Fig.3 Comparison of measurement curve with different transmission frequency

圖4 不同發(fā)射線框大小框中心測(cè)量擬合曲線與建模分層結(jié)果對(duì)比圖Fig.4 Comparison chart of fitting curve central-loop measurement of with different transmission loop size and modeling layering results

3）發(fā)射電流

實(shí)際工作中，可通過調(diào)節(jié)電流大小來增加一次場(chǎng)的強(qiáng)度，從而達(dá)到提高信噪比的目的。從圖6 中可以看出，框中心測(cè)點(diǎn)當(dāng)電流為9.2A 時(shí)，曲線除尾支有跳點(diǎn)外，基本是光滑的。發(fā)射電流增大后，曲線同樣比較光滑，但早期曲線出現(xiàn) “平頭” 現(xiàn)象，說明電流過大，導(dǎo)致早期信號(hào)出現(xiàn)溢出現(xiàn)象。圖7 中框外20 m 測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，電流分別采用22A和24A，可以看出，兩條測(cè)量曲線除尾支有跳點(diǎn)外，基本是光滑的，差別較小，但是由于儀器發(fā)射電流上限為25A，鑒于對(duì)儀器的保護(hù)角度考慮，本次框外電流采用22A。

4）增益

增益的選擇和設(shè)定是一個(gè)TEM 操作員最重要的和最關(guān)鍵的任務(wù)之一。將接收機(jī)增益調(diào)節(jié)的太小會(huì)導(dǎo)致勘探信號(hào)太微弱以至于無法準(zhǔn)確測(cè)量。而將接收機(jī)增益調(diào)節(jié)的太高，可以導(dǎo)致環(huán)境噪音太大，破壞信號(hào)質(zhì)量，使得接收機(jī)無法正常識(shí)別所需信號(hào)。衡量增益設(shè)置成功與否的主要因素就是觀察輸出信號(hào)的飽和性。飽和性體現(xiàn)在早期的時(shí)間門都飽和了（平頭現(xiàn)象），但是接下來的時(shí)間門數(shù)據(jù)均可采用。

圖5 不同發(fā)射線框大小框外測(cè)量曲線對(duì)比圖Fig.5 Measured results outside the loop with different transmission loop size

圖6 不同發(fā)射電流框中心測(cè)量曲線對(duì)比圖Fig.6 Measurement curve of central-loop with different transmission current

圖7 不同發(fā)射電流框外測(cè)量曲線對(duì)比圖Fig.7 Outside-loop measurement curves of different transmission current

圖8 中可以看出，當(dāng)增益選擇3 時(shí)，曲線基本是光滑的。當(dāng)增益選擇4 時(shí)，早期曲線有 “平頭” 現(xiàn)象出現(xiàn)，說明增益選擇過大。很明顯，測(cè)量增益選擇3 是比較合適的。

5）積分時(shí)間

通常情況下積分時(shí)間越長(zhǎng)信號(hào)質(zhì)量越好，所需積分時(shí)間取決于周圍噪音的影響（電線影響，球狀干擾），系統(tǒng)重復(fù)頻率以及信號(hào)響應(yīng)。通過60 s 和30 s 測(cè)量曲線的對(duì)比（見圖9），可以看出，60 s 測(cè)量曲線顯然相對(duì)更為光滑，主要表現(xiàn)在曲線尾支，說明增大積分時(shí)間，可將出現(xiàn)的偶然噪音進(jìn)行平滑和消除，減少跳點(diǎn)，信噪比會(huì)提高。

通過以上幾方面開展的瞬變電磁動(dòng)源組合裝置測(cè)量方法有效性試驗(yàn)。最終確定了八仙口地區(qū)該裝置的最佳數(shù)據(jù)采集方案：發(fā)射頻率為2.5 Hz，發(fā)射與接收回線邊長(zhǎng)100 m×100 m，供電電流框中心、框外分別為9.2 A和22 A，增益為3，積分時(shí)間為60 s。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果參數(shù)進(jìn)行測(cè)量工作，取得的數(shù)據(jù)質(zhì)量和準(zhǔn)確性更高。

4 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)論，采用EM67 瞬變電磁儀動(dòng)源組合裝置測(cè)量方法在八仙口地區(qū)進(jìn)行了生產(chǎn)測(cè)量，主要目的是查明深部含礦砂體的范圍及展布形態(tài)。以下是本次測(cè)量取得的部分成果和認(rèn)識(shí)。

圖8 不同增益測(cè)量曲線對(duì)比圖Fig.8 Measurement curves of different gain

圖9 不同積分時(shí)間測(cè)量曲線對(duì)比圖Fig.9 Measurement curves of different integration time

圖10 是八仙口地區(qū)48 線單點(diǎn)電阻率光滑模型及二維反演電阻率斷面與地質(zhì)剖面對(duì)比圖，圖10 a 是單點(diǎn)電阻率光滑模型斷面，該圖和二維反演電阻率斷面相比可以更直觀的表現(xiàn)出視電阻率的細(xì)微變化，也可單獨(dú)提取進(jìn)行專門研究。圖中可以看到，斷面200～400 m 深度發(fā)育大面積低阻體，且低阻體內(nèi)部同時(shí)存在一些微小的電阻率變化。由于這種低阻異常變化趨勢(shì)成帶出現(xiàn)，引起了項(xiàng)目組的重視。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，1、2 號(hào)低阻異常處曲線呈 “魚腹” 狀，形態(tài)深度兩者略有差異。項(xiàng)目組決定在這兩處形態(tài)較好的低阻“魚腹” 部位部署鉆孔進(jìn)行查證，結(jié)果在1、2號(hào)低阻異常處施工的鉆孔，分別見到了砂體和鈾礦體，反演深度與實(shí)際埋深相差較小。具體驗(yàn)證情況見表2。

圖10 b 是二維反演視電阻率斷面圖，結(jié)合圖10 c 實(shí)際鉆孔揭露情況，顯示圖中視電阻率值較低的綠色部分是砂體，其分布范圍和展布形態(tài)都很清楚，分別代表了水西溝群西山窯組各個(gè)巖性段。該測(cè)線北部1 300～1 700 m 處，在單點(diǎn)電阻率光滑模型斷面中，埋深300 m 以下有連續(xù)低阻出現(xiàn)。視電阻率斷面圖也顯示出埋深300 m 左右有較厚的砂體存在，該區(qū)段前期已有施工鉆孔，且在第三、第四巖性段見到一些異常和礦化，由于鉆孔最深揭露到第三巖性段底部，孔深不到300 m，未能揭露到視電阻率斷面推測(cè)的第二巖性段砂體，為了對(duì)范圍大、連續(xù)性較好的第二巖性段進(jìn)行控制，建議后期在測(cè)線1 400 m處施工深孔ZK48-X，以驗(yàn)證其砂體是否存在。

此外，南部和北部的低阻范圍出現(xiàn)了錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，顯示了斷裂構(gòu)造的特征，推測(cè)其性質(zhì)為南西傾逆斷裂，在一維反演剖面圖上也有比較明顯的反映，后經(jīng)鉆探驗(yàn)證其為鷹咀崖斷裂，再次證實(shí)了測(cè)量結(jié)果的可靠性。

總之，瞬變電磁動(dòng)源組合裝置測(cè)量方法可以有效的查明低阻砂體的展布形態(tài)和深度，識(shí)別斷裂構(gòu)造存在的位置，可以對(duì)水西溝群西山窯組四個(gè)巖性段進(jìn)行大致分層，在解決吐哈盆地八仙口砂巖工作區(qū)復(fù)雜地質(zhì)問題方面具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)八仙口地段目前鈾礦體規(guī)模小、形態(tài)復(fù)雜，變化大不穩(wěn)定，連續(xù)性較差，礦體形態(tài)難以有效控制等特點(diǎn)?？梢圆捎迷摲椒ㄟM(jìn)行更為詳細(xì)的測(cè)量，以解決目前鉆探工作部署中存在的問題，指導(dǎo)該區(qū)段鈾礦找礦工作。

5 結(jié)論

圖10 吐哈盆地八仙口地區(qū)48 線單點(diǎn)電阻率光滑模型及二維反演電阻率斷面與地質(zhì)剖面對(duì)比圖Fig.10 Single-point resistivity smooth model and 2-D inversion resistivity and geological section along Line 48 in Baxiankou area of Turpan-Hami basin

表2 48 線鉆探驗(yàn)證情況一覽表Table 2 Drilling verification results along Line 48

通過上述方法試驗(yàn)和應(yīng)用，認(rèn)為瞬變電磁動(dòng)源組合裝置在搭配合理試驗(yàn)參數(shù)的條件下，不但提高了資料解釋精度和加大了探測(cè)深度，而且對(duì)于查明深部地層結(jié)構(gòu)、斷裂構(gòu)造位置和骨架砂體展布范圍等方面效果明顯，并且鉆孔驗(yàn)證結(jié)果良好。該方法測(cè)量精度較高、效率較高、成本較低，其效果能夠滿足實(shí)際地質(zhì)工作需要，對(duì)今后的砂巖型鈾礦找礦工作具有一定的指導(dǎo)作用。