基于瞬變電磁法的深層礦體探測有效性研究

張 超

（山東省物化探勘查院及山東省地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250013）

礦產(chǎn)資源是人類生產(chǎn)活動(dòng)不可或缺的原料，隨著社會(huì)工業(yè)化進(jìn)程不斷加快，對礦產(chǎn)資源的需求量逐步擴(kuò)大[1]。在地質(zhì)勘查工作的不斷深入的同時(shí)，許多近地表礦產(chǎn)和露天礦體已被發(fā)現(xiàn)，在近地表找到大型礦產(chǎn)的可能性越來越小，需要探測人員對未發(fā)現(xiàn)的資源進(jìn)行勘探，往更深部尋找礦體。目前，礦山正面臨著資源枯竭，礦產(chǎn)埋深較大，野外條件復(fù)雜，探測難度大的問題。如何進(jìn)行探測技術(shù)的升級和革新成為了礦體探測突破的關(guān)鍵。近年來，國家越來越重視對危機(jī)礦山的深部礦體探測，為了緩解資源危機(jī)，必須攻堅(jiān)克難，借助其他方法和技術(shù)。瞬變電磁法是基于電磁感應(yīng)原理，利用瞬變電磁場發(fā)射線圈的一種物探方法，不同地質(zhì)體的信號，會(huì)產(chǎn)生不同的反饋信息，在有用的信號基礎(chǔ)上綜合推測引起不同地質(zhì)情況的地質(zhì)體[2]。瞬變電磁法具有諸多優(yōu)點(diǎn)，最顯著的特點(diǎn)就是探測深度大，其電磁法的一次磁場發(fā)射線圈距離遠(yuǎn)，同時(shí)探測的分辨率較高，如何運(yùn)用此方法進(jìn)行深層礦體探測，是目前重要的研究發(fā)展方向，對日后礦體的深部探測提供一定的參考意義。

1 基于瞬變電磁法的深層礦體探測有效性

1.1 布置測網(wǎng)采集探測數(shù)據(jù)

為了實(shí)現(xiàn)對深層礦體的精準(zhǔn)探測，證明瞬變電磁法在實(shí)際應(yīng)用中具有一定有效性，需要在執(zhí)行野外探測作業(yè)前，根據(jù)瞬變電磁法的技術(shù)規(guī)程對電磁觀測參數(shù)的分析，結(jié)合研究區(qū)域的實(shí)際情況，進(jìn)行區(qū)域測網(wǎng)與測線的布置。測線的布置一般要使測線方向與地質(zhì)體走向有大角度交叉，盡量垂直于地層和礦脈走向，采樣間隔和瞬變頻點(diǎn)距要滿足探測精度的要求[3]。從地形角度出發(fā)，布置東西走向的測線共5條，在初查階段，線距不大于礦脈走向的長度，在二次探測階段的間距不應(yīng)大于礦脈走向的一半，設(shè)置每條測線長60m，布置測點(diǎn)10個(gè)，將點(diǎn)距設(shè)為8m，在點(diǎn)據(jù)的設(shè)置上應(yīng)保證區(qū)域內(nèi)與4個(gè)異常記錄，選用較為適宜的回線組合裝置進(jìn)行探測，結(jié)合使用的測網(wǎng)密度選定?；鼐€邊長需要根據(jù)探測礦體的規(guī)模、埋深以及典型作為參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。利用回線裝置的探測一般進(jìn)行前后兩次，在初查時(shí)應(yīng)使線框不重疊，線框之間不留過大空隙，將線框邊長設(shè)置為與點(diǎn)距相同的長度。在此基礎(chǔ)上，選擇野外礦區(qū)作業(yè)的裝置與儀器，此次測量工作優(yōu)選METW-01型號的瞬變電磁探測器、大功率發(fā)電設(shè)備（運(yùn)行功率應(yīng)>10.0kW）、信號發(fā)射機(jī)，同時(shí)，對接探測裝置與信號接收裝置，確保裝置保持同步運(yùn)行且良好通信狀態(tài)。為了確保探測工作的實(shí)施可以達(dá)到既定效果，應(yīng)在完成上述布置工作后，對布設(shè)的勘測環(huán)境與裝置進(jìn)行運(yùn)行檢測，確保裝置運(yùn)行無誤，且可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的反饋后，才能將其投入真實(shí)作業(yè)環(huán)境使用。在此過程中應(yīng)注意的中心回線的選擇，此次探測作業(yè)前，選擇了大定源、重疊回線兩種不同型號的裝置，將發(fā)射線進(jìn)行現(xiàn)場固定后，在線圈的有效接收范圍內(nèi)對回線進(jìn)行沿線移動(dòng)檢測?？紤]到礦體想野外探測作業(yè)區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，周邊地形與地勢的起伏變化較大，植被發(fā)育條件良好，而這些因素都是可能對測網(wǎng)測量反饋結(jié)果造成影響的因素。為此，在完成對地質(zhì)作業(yè)環(huán)境的匹配后，優(yōu)選大定源回線作為野外探測作業(yè)的主要裝置，并在區(qū)域內(nèi)布置300.0m×400.0m或300.0m×300.0m的發(fā)射機(jī)線框。完成上述設(shè)計(jì)工作后，對布置的作業(yè)環(huán)境進(jìn)行16.0Hz、8.0Hz、4.0Hz、2.0Hz的野外試運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)踐結(jié)果，選擇4.0Hz的裝置信號發(fā)射頻率，并在此基礎(chǔ)上控制探測端發(fā)射的電流應(yīng)大于或等于10.0A，通過此種方式，確保在區(qū)域內(nèi)布置的測網(wǎng)可以在實(shí)現(xiàn)對信息的反饋。完成上述相關(guān)布置后，輔助使用遙感技術(shù)，對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行勘查。在裝置接收有用信號時(shí)，應(yīng)使發(fā)射線框長邊平行于礦脈走向，這樣的設(shè)置下能夠得到最好的電磁組合。在探測時(shí)應(yīng)盡量選擇在時(shí)間寬裕的范圍內(nèi)記錄有用信號，為了保證觀測速度，應(yīng)使觀測的疊加次數(shù)盡量少。一般在探測采集開始之前，先以電流輸進(jìn)匹配負(fù)荷的方法進(jìn)行干擾電平的觀測，以避免在采集數(shù)據(jù)時(shí)觀測時(shí)間過長，疊加次數(shù)較多，信號受到嚴(yán)重干擾，不能對實(shí)際的深部地層有所響應(yīng)的情況，在干擾電平下的數(shù)據(jù)是不可用的，若最后觀測數(shù)據(jù)的讀數(shù)是噪聲天平，則說明所有信號已被全部記錄，若在最后讀數(shù)出現(xiàn)信號波動(dòng)較大，并且超過噪聲天平時(shí)，應(yīng)延長觀測時(shí)間和疊加次數(shù)，直到有用信號趨于穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上，通過前端反饋的色彩信息與波長數(shù)據(jù)，對礦層的類型、賦存形態(tài)、礦產(chǎn)資源分布進(jìn)行解譯識別，以此種方式，提取空間中有效信號與價(jià)值信息。此外，應(yīng)注意裝置反饋信號的特性，包括光譜信息中的灰度信息、折射率信息等，完成對具有代表性信息的獲取后，探測礦產(chǎn)資源在其中的分布方式，根據(jù)信號的邊緣性分布，識別具有連續(xù)性特點(diǎn)的信號。對于空間數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù)，可以獲取信號時(shí)，采用多次成像的方式，獲取信號中非重疊區(qū)域的信息，將重疊區(qū)域的信息進(jìn)行迭代分析，根據(jù)信號的重疊層數(shù)，進(jìn)行信息的單層提取。綜上所述，實(shí)現(xiàn)對礦區(qū)測網(wǎng)的布置與探測數(shù)據(jù)的初步獲取。

1.2 應(yīng)用相對介電常數(shù)處理數(shù)據(jù)

完成對測網(wǎng)的布置與探測數(shù)據(jù)的初步獲取后，考慮到獲取的數(shù)據(jù)或反饋的信號中可能存在大量冗余信息，因此，需要在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用相對介電常數(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行針對性處理。數(shù)據(jù)處理要保證原始數(shù)據(jù)不受影響，能夠反映地質(zhì)體特征的情況下進(jìn)行，相對介電常數(shù)是表征電磁場的物理參量，被廣泛應(yīng)用于巖土勘測。相對介電常數(shù)受溫度等因素的影響極大，為了便于數(shù)據(jù)的處理，眾多學(xué)者通常用公式進(jìn)行研究，先設(shè)定電阻率和相對介電常數(shù)作為參考值，實(shí)際測量得到的相對介電常數(shù)會(huì)有一定的變化，利用線性回歸方程計(jì)算探測數(shù)據(jù)，并對上述數(shù)據(jù)公式加以驗(yàn)證，不同的介質(zhì)和參數(shù)會(huì)影響公式的系數(shù)[4]。通過研究區(qū)域的地質(zhì)特征進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，得到適合本次深層礦體探測反演的公式：

式中j為相對介電常數(shù)，k為電阻率值。在數(shù)據(jù)處理過程中，首先要對探測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，運(yùn)用小波變換，去噪得到比較平滑的曲線。瞬變電磁法與其他電磁法相比，受地形因素影響較小，但一般研究區(qū)域的地形都較為復(fù)雜，所以地形校正是處理數(shù)據(jù)的過程中最重要的環(huán)節(jié)。若測線經(jīng)過的地形有起伏，需要及時(shí)進(jìn)行校正，避免因地形反映的錯(cuò)誤影響解譯。在布設(shè)發(fā)射線框時(shí)，所收到的有用信號都來自垂直方向地層的響應(yīng)，因此會(huì)出現(xiàn)空間位置發(fā)生變化的異常探測信息，造成判讀失誤。通過上式進(jìn)行改正的數(shù)據(jù)，能夠使相對介電常數(shù)對低阻異常在深度范圍的響應(yīng)穩(wěn)定，在高阻薄層處也有響應(yīng)。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對獲取數(shù)據(jù)中價(jià)值數(shù)據(jù)的獲取，將上述處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geo Elector電法數(shù)據(jù)處理軟件中，利用其中的定源瞬變電磁信號處理工具，進(jìn)行數(shù)據(jù)的優(yōu)化。在此過程中，需要先將野外觀測或測網(wǎng)測得的數(shù)據(jù)錄入計(jì)算機(jī)，確保數(shù)據(jù)錄入后，打開軟件操作界面，滑動(dòng)操作界面窗口，對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，編輯的主要目的是實(shí)現(xiàn)對實(shí)測邊緣數(shù)據(jù)的圓滑處理。處理時(shí)，根據(jù)測點(diǎn)的響應(yīng)程度與可視化深度，對所有完成處理的信號進(jìn)行濾波反演，輸出在完成處理后的電阻率斷面，提取斷面中的非重疊信息與新增信息，將對應(yīng)的信息與信號按照空間表達(dá)方式進(jìn)行存儲(chǔ)。根據(jù)數(shù)據(jù)與信息對應(yīng)的空間位置，將其表示為（X，Y，Z）格式的數(shù)據(jù)，在完成數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換后，使用surfer軟件，繪制獲取信息在礦區(qū)內(nèi)的電阻率等值線斷面圖，通過此種方式，實(shí)現(xiàn)對獲取數(shù)據(jù)的針對性處理。

1.3 基于瞬變電磁法識別與分析異常區(qū)域

異常區(qū)域的識別能夠判斷深層地質(zhì)體是否存在可疑礦體，是礦體探測中非常關(guān)鍵的步驟，在大量數(shù)據(jù)信息中提取出可疑礦體的出現(xiàn)位置，然后對礦體位置進(jìn)行反演[5]。選取研究區(qū)域的地面數(shù)據(jù)做背景場，選取不同變化幅度的2處分別截取1個(gè)數(shù)據(jù)，不同部位的背景場數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 背景磁場變化數(shù)據(jù)（10000m×10000m）

由圖1可知，為了更好的模擬背景磁場變化情況，在磁場數(shù)據(jù)中選擇了具有代表性的2個(gè)區(qū)域，圖中（a）、（b）區(qū)域的磁場變化較大，利用截取出的面積數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行加密插值得到背景場數(shù)據(jù)。背景場數(shù)據(jù)一般是在礦體異常范圍內(nèi)，利用實(shí)測背景場相加產(chǎn)生疊加場，這個(gè)疊加場在異常區(qū)域的值可以近似看做是背景場附加的一個(gè)線性量。異常區(qū)域背景值的偏離在整個(gè)區(qū)域上可以看做是背景場整體的上移或下移，通過反演方法去除偏離值。完成上述步驟后，根據(jù)磁場的空間分布情況，礦脈產(chǎn)狀、形態(tài)以及礦體的走向，與現(xiàn)有的地質(zhì)資料結(jié)合分析，確定引起異常的特征，在通過不同維度的分析基礎(chǔ)上，對地層深部構(gòu)造、分布、賦存位置和形態(tài)等進(jìn)行解譯。特征點(diǎn)法通過磁異常曲線的各極值點(diǎn)、坐標(biāo)點(diǎn)位以及特征點(diǎn)距，判斷礦體賦存位置和產(chǎn)狀，特征點(diǎn)法的曲線在異常中心的極大值上方，異常中心在異常曲線的垂直下方[6]。明確在礦區(qū)異常區(qū)域的識別與分析中，異常行為在工程中通常是以相對狀態(tài)呈現(xiàn)的，因此，應(yīng)在完成上述對異常區(qū)域的初步劃分后，明確基于等值線的礦山異常區(qū)域劃分原則表示為：鄰近等值線發(fā)生形態(tài)的變異（包括異常彎曲、曲變等）、在定性類圖件中等值線呈現(xiàn)的十分密集等。但無論基于任何一個(gè)角度進(jìn)行此方面工作的實(shí)施，都需要結(jié)合探測區(qū)域的物理資料進(jìn)行解釋。

2 應(yīng)用效果分析

本文圍繞已知礦體的區(qū)域展開，探測深層礦體分布情況，向更深區(qū)域拓展。經(jīng)上文對探測數(shù)據(jù)的采集和處理，利用電磁探測曲線和視電阻率斷面進(jìn)行解譯，視電阻率參數(shù)主要用以劃定構(gòu)造帶，根據(jù)視電阻率等值線形態(tài)及等值線梯度變化情況，結(jié)合地質(zhì)資料，以視電阻率的取值區(qū)間明確地層邊界，根據(jù)梯度變化分析與識別構(gòu)造成分布情況，具體如圖2所示。

由圖2可知，本研究區(qū)域的測深剖面有高極化率、高電阻率反映的深層礦體脈狀的綜合異常。結(jié)合已有的地質(zhì)資料，本文方法所得的瞬變電磁探測綜合異常狀態(tài)與實(shí)際地質(zhì)接近，探測剖面的硅質(zhì)巖層位置基本吻合，推測高極化率和高電阻率的綜合異常由硅質(zhì)巖引起。該研究區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)為層狀，剖面厚度在350m～550m之間，中部薄兩翼厚，硅質(zhì)巖以相似的產(chǎn)狀賦存與地層中，高電阻率異常特征反映明顯，很可能是形成硅質(zhì)巖脈的通道，而另一條探測線的視電阻率異常在深部，有可能是巖漿順圍巖水平巖層形成的巖床狀硅質(zhì)巖。該特點(diǎn)在瞬變電磁視電阻率剖面中顯示尤為明顯，表明視電阻率參數(shù)用以確定研究區(qū)域深層礦體的空間分布范圍具有良好的效果，證明本文方法具有有效性。在證明本文設(shè)計(jì)的瞬變電磁法深層礦體探測行為在實(shí)施中具有一定可行性后，設(shè)計(jì)針對此區(qū)域的探測深度對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇物探法作為傳統(tǒng)方法，將其與本文方法在使用中的探測性能進(jìn)行比對，經(jīng)過實(shí)踐應(yīng)用對比后發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)的方法可以實(shí)現(xiàn)對>500.0m礦體的有效探測，而傳統(tǒng)方法探測的有效范圍僅在300.0m以內(nèi)，由此可見，本文設(shè)計(jì)方法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性更高，相比物探法等相關(guān)探測方法，瞬變電磁法的有效探測深度更大。綜上所述，完成此次實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，證明了本文設(shè)計(jì)方法的可行性、有效性與其在使用中的優(yōu)勢。

圖2 瞬變電磁測深綜合效果圖

3 結(jié)語

本文基于瞬變電磁法探測深層礦體，根據(jù)研究區(qū)域的地質(zhì)情況，將得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解譯，得到了區(qū)域異常特征，推測礦體產(chǎn)狀與實(shí)際已有地質(zhì)資料基本一致，得到了一定的研究成果。同時(shí)也存在著諸多不足，需要在今后進(jìn)行更深入的研究，如將瞬變電磁數(shù)據(jù)與三維激光掃描相結(jié)合，用立體模型展示深層礦體的分布情況，在數(shù)據(jù)的反演中，應(yīng)該提高反演結(jié)果的精度，數(shù)值模擬對實(shí)際情況的反映可以進(jìn)一步提高，對復(fù)雜地形和圍巖進(jìn)行深入了解，瞬變電磁法在實(shí)際探測過程中會(huì)缺少淺層資料，因此所得數(shù)據(jù)不能完全反映探測位置的情況，用其他物探手段輔助進(jìn)行，可在異常區(qū)域上方布置鉆探進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，確保得到的數(shù)據(jù)會(huì)更加充分有效。為了進(jìn)一步落實(shí)此項(xiàng)工作，可在后續(xù)的研究中，加大對瞬時(shí)電磁法科技研究的投入，通過此種方式，優(yōu)化礦區(qū)深部區(qū)域低阻體的尋找效果。但在完成此次研究后應(yīng)明確，盡管本文提出的瞬時(shí)電磁法具有較強(qiáng)的實(shí)用性，但仍無法使用此項(xiàng)技術(shù)代替礦山作業(yè)中的其他勘探手段。尤其是在進(jìn)行大規(guī)模金屬礦山的勘查時(shí)，使用瞬時(shí)電磁法獲取的地質(zhì)數(shù)據(jù)極有可能存在偏差。因此，在實(shí)際作業(yè)時(shí)，還需要技術(shù)人員根據(jù)礦山現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行探測技術(shù)與勘查手段的選擇。