磁通門探頭在瞬變電磁法勘探中的應用

王興春 ，張 杰 ，鄭學萍 ，鄧曉紅 ，武軍杰 ，楊 毅

(1.中國地質科學院 地球物理地球化學勘查研究所,廊坊 065000；2.中國石油天然氣管道工程有限公司,廊坊 065000)

0 引言

近年來，隨著深部找礦工作的進一步開展，時間域瞬變電磁法如何在勘探深度上取得進一步突破，是實現瞬變電磁法在深部找礦中發揮作用的前提。傳統的時間域電磁法一直以感應線圈測量地下目標體產生的感應電動勢(dB/dt)為主導，也就是這種線圈主要對磁場隨時間的變化率比較敏感。在時間域電磁法中測量磁場(B)，國內、外已有諸多案例，如戴遠東等人[1]在電偶源和中心回線條件下，對高溫超導和感應探頭進行了相關公式推導結果比較，分析高溫超導測量磁場的優勢；物化探所陳曉東等人[2]利用高溫超導探頭測量磁場，較傳統的感應探頭，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了相同條件下感應電動勢和磁場在晚期的衰減規律，感應電動勢在晚期道隨t-5/2變化，而垂直磁場在晚期隨t-3/2變化，這種結論對中心回線也是成立的，因為兩者具有相同的歸一化磁場表達式；2001年James B.Lee等人[4]在航空瞬變電磁法嘗試用高溫超導探頭結合GEOTEM系統開展了克服低阻屏蔽層的試驗研究，并與傳統的感應線圈結果進行比較分析；Foley、Le Roux[5-6]通過高低溫探頭試驗和實際應用認為，低溫和高溫超導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，Foley et al.[7]對超導探頭在瞬變電磁法勘探中的試驗效果進行了總結和分析；Smith 等[8]提出了一種通過整合線圈響應獲取磁場數據的方法；Vallée等人[9]指出瞬變電磁法在礦產勘探中結合磁場測量是一種有效的方法。Michael W. Asten等人根據McCraken等人[10]的研究結果，對自由空間的低阻線框的瞬變電磁階躍響應作了簡化推導，通過低阻蓋層下目標體模擬計算分析等案例，以模擬計算和實測數據為依據，對TEM工作中測量磁場的諸多優點進行說明。

磁通門探頭作為一種新型的測量磁場的探頭，近些年來在國外逐漸被用于常規瞬變電磁法勘探中，如澳大利亞最新的SM24系統，磁通門探頭為標配探頭，作者通過模擬計算和實際測量數據的反演解釋，對磁通門探頭在瞬變電磁測量中的優點進行分析說明。

1 模擬計算

作者以澳大利亞EMIT公司生產的專業瞬變電磁法軟件Maxwell為計算平臺，在相同模型條件下，分別計算磁場和感應電動勢的響應，對計算結果分析表明，對于深部礦體，測量磁場更具實際意義。

模型見圖1，測線長為2 km，點距為50 m，在均勻空間(800 Ω·m)分別放置大小、埋深、電導率不同的兩個水平板狀體，板狀體1大小400 m×200 m，中心位置坐標為(500，0，-200)，電導率為5 s；板狀體2大小為800 m×400 m，中心位置坐標為(1200，0，-300)，電導率為100 s；采用中心回線裝置，發射框100 m×100 m，發射電流為20 A，接收面積為10 000 m2，采樣時間采用Crone 30 Channel 標準采樣道時間序列，下降沿50 us，基頻為12.5 Hz，磁場單位為pT，感應電動勢單位為nT/s。

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

感應電動勢和磁場模擬計算結果分別如圖2、圖3所示，由圖2結果表明：當測量感應電動勢時，淺部良導體較深部良導體的響應更明顯，且兩個目標體的異常疊加在一起，實際工作中很容易忽略深部異常體的微弱信息；而圖3結果則剛好相反，磁場對深部相對良導體較淺部良導體反應的異常更明顯，幅度遠大于良導體響應，同時就剖面曲線異常形態而言，磁場對應剖面曲線上，相鄰目標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，可見在瞬變電磁法中測量磁場對于發現深部礦體有著潛在的利用價值，同時有較高的橫向分辨率，這也為瞬變電磁法開展深部找礦提供了可能，同時也有利于區分深部不同礦體的地表響應特征，為我們合理的判斷和解釋瞬變電磁反演結果提供了依據。

圖2 感應電動勢模擬計算剖面曲線Fig．2 Model profile for induced voltage

圖3 磁場模擬計算剖面曲線Fig．3 Model profile for magnetic field

那么在低阻覆蓋條件下，磁場的特性又將如何？為此設置三層模型，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分別放置兩個大小相同(400 m×400 m)深度分別-200 m、-400 m水平板狀體，電導率分別為10 s、100 s，其余參數與上述模型相同，分別計算了磁場和感應電動勢響應曲線，模型如圖4所示。

磁場和感應電動勢剖面曲線如圖5所示，圖5(a)為感應電動勢剖面曲線，圖5(b)為磁場剖面曲線，剖面曲線上每隔5道用紅線標示，1 400 m 處對應的深部板狀體曲線形態在兩個剖面曲線上位置截然不同，感應電動勢對低阻板狀體的響應在22道(2.92 ms)逐漸變強；且這種反應在1 nT/s以下形態最好，而實際工作中很容易被噪聲掩蓋而忽略；磁場響應在16道(1.37 ms)開始對深部板狀體的響應逐漸增強，在36道逐漸平緩，分析其變化數量級可見，磁場數據在0.05 pT～100 pT都出現了形態較好異常響應，且遠高于噪聲水平，觀察600 m處板狀在感應電動勢剖面曲線上的形態可見，在15道～25道響應最好，而磁場響應在5道～25道(ms)響應最好，從時間上分析，相同條件下，磁場對目標體的響應時間較感應電動勢更早，從目標體的所處的地層特性而言，低阻覆蓋層條件下，磁場具有更強的“穿透”能力，磁場的這種特性更有助于發現深部異常信息。

圖5 感應電動勢和磁場剖面曲線Fig．5 Profile for induced voltage and magnetic data (a)感應電動勢剖面曲線；(b)磁場剖面曲線

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

2 實測資料分析

通過在某銅鎳礦開展瞬變電磁方法有效性試驗工作，現場采用常規感應電動勢探頭和磁通門探頭同時采集，以其中L05線為例進行說明。L05測線長900 m，采用加拿大Crone生產的PEM系統，中心回線裝置，發射框大小100 m×100 m，發射電流為15 A，點距為50 m，時基為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處都出現了峰值，從剖面曲線形態判定，兩峰值對應異常相對較高，初步判斷雙峰異常之間存在電阻 率相對高的介質, 而在相對深的位置彼此分開；就峰值變化形態而言，感應電動勢探頭對應剖面曲線在中晚期依然保持兩個峰值的特征，但在10道～18道和19道～27道，500 m處的峰值響應相對較弱，而磁通門探頭對應的剖面曲線自始至終雙峰特征明顯，且在中晚期道500 m處對應的峰值異常更明顯，根據前文模擬計算結果，500 m處峰值應為相對深部礦體的響應特征。

圖8為地質斷面圖，巖體基本由輝石巖、橄欖巖、橄輝巖、輝橄巖和輝長巖組成，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片麻巖、花崗質片麻巖、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。物性測量結果表明，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剖面上達不到工業級別或者標示為非含礦巖體，但其同樣具有低阻的特性而在瞬變電磁反演剖面上擴大礦體電異常的范圍或單獨形成異常。

圖9為感應探頭和磁場數據1D電阻率反演斷面圖(圖9(a)為感應電動勢反演剖面，圖9(b)為磁上橫向不連續而在電阻率剖面上變現為連續的低阻，可能與該地段存在黃鐵礦化、褐鐵礦化巖石有關。

圖6 L05感應電動勢探頭剖面響應曲線Fig．6 L05 induced voltage profile

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

比較圖9中(a)、(b)兩個電阻率斷面采用相同初始模型，對晚期噪聲水平以下測道進行剔除后1D場反演剖面)，鉆孔ZK511和ZK504分別位于TEM剖面40 m和600 m處，兩者反演結果與地質剖面礦體展布形態對應較好，部分地段在地質剖面電阻率反演斷面圖，(a)、(b)斷面圖在100 m～450 m表現為橫向連續的低阻層，圖9(a)在該段縱向不連續，存在相對高阻值，這與剖面上脈狀礦體有一定對應關系，而圖9(b)中磁場反演剖面上并不存在這種不連續現象，這是由于感應電動勢是在磁場的基礎上對時間求導，在某種意義上就是對深度的求導，對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，磁場反演的低阻厚度明顯大于感應電動勢，且在500 m～900 m范圍內，出現一南傾的低阻帶，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電動勢反演剖面，這與前文模型計算結論磁場響應時間更早、衰減更緩慢，而導致其勘探深度更大是一致的。

圖8 L05線地質剖面圖Fig．8 L05 geological section

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

地質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和深部礦脈的電性、規模等綜合因素相關。

3 結論與展望

理論計算和實測結果表明：在瞬變電磁法中采用磁通門測量磁場具有較高的橫向分辨力和晚期信號強且平穩的特點，尤其在低阻目標體上方，磁場數據在早、中、晚期都有明顯反應，這為瞬變電磁勘探增大勘探深度提供了可能，在發現深部異常信息方面具有感應線圈無法比擬的優點；同時實測資料反演結果表明，對于縱向電性變化較大的似層狀地電斷面，感應電動勢在縱向的分辨率明顯優于磁場。

致謝

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

參考文獻：

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