地面電磁探測(SEP)系統對比試驗
——內蒙曹四夭鉬礦

底青云, 許誠, 付長民, 王中興, 張文秀, 安志國, 王若

中國科學院地質與地球物理研究所 中國科學院頁巖氣與地質工程重點實驗室， 北京 100029

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地面電磁探測(SEP)系統對比試驗
——內蒙曹四夭鉬礦

底青云, 許誠, 付長民, 王中興, 張文秀, 安志國, 王若

中國科學院地質與地球物理研究所 中國科學院頁巖氣與地質工程重點實驗室， 北京 100029

為了檢驗自主研制的地面電磁探測(SEP)系統各組成部分在實際勘查中的性能與可靠性，以及整體系統的野外實際工作能力，在內蒙古烏蘭察布市興和縣的曹四夭鉬礦開展了SEP不同類型磁傳感器之間以及SEP整套系統與國外商業儀器系統的全面對比試驗.試驗采用多種方案，分別進行了高溫超導磁傳感器和感應式磁傳感器之間的性能對比試驗；磁通門磁傳感器和感應式磁傳感器之間的性能對比試驗；SEP發射機與GGT-30發射機、TXU-30發射機的發射性能對比試驗；SEP系統與V8、GDP-32II等國際先進儀器的CSAMT法綜合對比試驗；以及SEP系統和V8系統的MT法對比試驗.本文對試驗結果進行了分析，表明自主研制的SEP系統已經基本達到甚至優于國外同類產品的性能，能夠很好地勝任野外實際勘查工作.

電磁法勘探系統; 磁傳感器; 對比試驗; CSAMT; MT

1 引言

近年來，國內大地電磁法(MT)、可控源音頻大地電磁法(CSAMT)等感應類深部電磁找礦方法有了迅猛的發展(張賽珍等, 1994; 吳璐萍等, 1996; 何繼善, 1997; 王家映, 1998; 石昆法, 1999; 底青云等, 2002, 2005, 2006,2008; 魏文博, 2002; 湯井田和何繼善, 2005; 李帝銓等, 2008)，但所用電磁法儀器基本上都是美、加、德三國地球物理公司所生產.從2010年開始，中國科學院地質與地球物理研究所牽頭在國土資源部深部探測技術與實驗研究專項(SinoProbe)中承擔了《地面電磁探測(SEP)系統研制》項目的研究，目前已取得階段性成果(滕吉文, 2010; 張一鳴, 2011; 黃大年等, 2012; 董樹文等, 2012; 底青云等, 2012,2013; 朱萬華等, 2013).

SEP系統是自主研發的地面電磁探測系統，可用于MT、AMT和CSAMT方法探測.2012年以來，分別在河北固安、張北及遼寧興城(葫蘆島)楊家杖子、甘肅金昌金川鎳礦進行了多次SEP系統的集成與優化試驗.在此基礎上，SEP課題組總結了系統存在的問題，并對其進行了優化改進.

2013年，為了進一步檢驗SEP系統各組成部分在實際勘查中的性能及可靠性，以及SEP系統的野外實際工作能力，在內蒙古烏蘭察布市興和縣的曹四夭鉬礦進行了SEP系統各組成部件都參與的綜合試驗.為便于對比，此次試驗采用了多套主流進口儀器，包括美國Zonge公司的GDP-32II多功能電法儀、加拿大Phoenix公司的V8多功能電法測量系統及美國Geometrics公司和EMI公司的EH4連續電導率成像系統.試驗采用多種方案，分別進行了SEP高溫超導磁傳感器與感應式磁傳感器的性能對比試驗；SEP磁通門磁傳感器與感應式磁傳感器的性能對比試驗；SEP發射機與GGT-30發射機、TXU-30發射機3種發射機的發射性能對比試驗；SEP系統與V8、GDP-32II等國際先進儀器的CSAMT法綜合對比試驗；以及SEP系統和V8系統的MT法對比試驗，均取得了很好的效果.

2 試驗區地質與地球物理特征

2.1 地質特征

試驗區位于華北地臺北緣桑干地體與集寧地體的拼貼帶——大同—尚義構造-巖漿巖帶，該斷裂為地殼斷裂，且有多次開合伴隨有多期次巖漿活動的構造演化歷史.構造運動的疊加不僅產生復雜的構造裂隙系統給礦液運移提供了通道和礦質沉淀存儲提供了場所，且多期次的巖漿侵入也為成礦熱液提供了礦源質及熱動力.

圖1為測區范圍的地質示意圖，測區內新生界覆蓋較厚，在黃土窯巖組(Ar2h)及花崗斑巖出露區斷裂較發育，主要為北東向、北西向，其次為近南北向.北東向斷裂為區內的主要斷裂，主要分布于曹四夭和小紅土窯一帶，其中對鉬礦體產生影響的主要為曹四夭斷裂(大同—尚義構造—巖漿巖帶).

試驗區出露地層主要為中太古界集寧巖群黃土窯巖組(Ar2h)、新生界古近系漸新統呼爾井組和烏蘭戈楚組(E3wl+h)、新近系中新統老梁底組(N1l)、漢諾壩組(N1h)及上新統寶格達烏拉組(N2b)，沿河谷低地發育第四系全新統沖積物(Qhal).礦體主要賦存于中太古界黃土窯巖組，新生界地層對礦體具覆蓋作用.

試驗區巖漿巖在地表主要出露中生代早白堊世多斑花崗斑巖(K1C1γπ)、少斑花崗斑巖(K1C2γπ)；在鉆孔深部可見隱伏晚侏羅世黑云母二長花崗巖(J3ηγ)、隱伏少斑花崗斑巖，以及角礫狀流紋斑巖(K1λπ)；區內中生代輝綠巖脈(βμ)、花崗斑巖脈發育.

2.2 地球物理特征

2.2.1 區域重力異常

根據1∶20萬區域重力成果，試驗區位于北東向重力梯級帶上，北部為小大青山重力低異常，該梯級帶所處位置與大同—尚義北東向斷裂帶吻合，根據小大青山重力低異常特征綜合推斷小大青山至曹四夭一帶存在隱伏中酸性巖體，通過工作現已在曹四夭村南發現有早白堊世花崗斑巖出露(李香資等，2012).

2.2.2 區域磁異常

根據1∶5萬地面高精度磁測成果，區域磁場主要由大面積分布的北東向平穩場、北東向負磁異常帶、北東向高值磁異常帶和北西向低正值異常條帶組成.正、負磁異常絕大多數呈北東向，與區內主要構造線方向一致.北東向正、負磁異常多被北西向低正磁異常帶切斷，但沿大同—尚義北東向斷裂帶，北西向低正值異常又被北東向負磁異常帶截切，反映該斷裂帶具有長期、多期活動特征.在曹四夭村南，北東向與北西向磁異常條帶交匯部位為一明顯的扇葉狀似環狀正負磁異常組合，高正值異常位于多斑花崗斑巖與黃土窯巖組接觸帶，低值負異常位于少斑花崗斑巖出露區.該環形磁異常推斷與斑巖體及其內外接觸帶熱液蝕變有關(丁守良等，2015).

圖1 試驗區地質圖1.沖洪積砂、礫石松散堆積；2.風積黃土狀亞粘土、亞砂土；3.寶格達烏拉組砂質粘土砂礫石夾泥灰巖；4.漢諾壩組橄欄玄武巖夾砂礫石、粘土薄層；5.老梁底組:砂礫巖、粉砂巖；6.呼爾井組烏蘭戈楚組；7.中太古界黃土窯組石榴石淺粒巖夾石榴斜長石英巖、矽線石榴正常片麻巖；8.淺肉紅色少斑花崗斑巖；9.灰白色多斑花崗斑巖；10.少斑花崗斑巖脈；11.花崗細晶巖脈；12.石英脈；13.輝綠巖脈；14.中色二輝斜長麻粒巖中色二輝斜長麻粒巖；15.實測地質界線；16.不整合接觸線；17.斷裂破碎帶；18.地層產狀及傾角；19.片麻理產狀及傾角；20.化探綜合異常.Fig.1 Geologic map of test area

3 試驗安排

為了控制鉬礦的整體形態、外圍成礦特征及周邊斷層構造，本次試驗共布設測線12條，東西向、南北向、北西向各4條，其中東西向的測線與鉆孔的主勘探線吻合或平行.東西向測線長3500 m，南北向和北西向測線長度為2500 m，線距均為200 m.圖2為測線位置示意圖，針對不同方向的測線布設了3個發射極，分別位于測區的西向、北向及北東向，收發距均為10 km左右.

圖2 內蒙曹四夭鉬礦SEP系統對比試驗測線布置圖Fig.2 Survey line layout of SEP contrast test at Caosiyao molybdenum mine, inner mongolia

在全部12條測線上采用自主研發的SEP系統進行了CSAMT試驗，點距為25 m，采用陣列式觀測，16臺SEP接收機同時接收(四條測線同時進行，每條線上4臺儀器).試驗中采用GGT-30發射機、TXU-30發射機輪流發射，進行發射對比試驗.并在三個方向的每個方向上的中心2條測線上(H08、H12、Z00、Z04、BX02、BX03測線)，利用GDP-32II系統和V8系統進行了CSAMT法數據采集，與SEP系統進行對比試驗，在進行對比觀測的6條測線上SEP系統同時配置磁通門磁傳感器，高溫超導磁傳感器以及感應式磁傳感器，進行磁傳感器的性能對比試驗.

選擇在干擾源較少的東西向的H08線以及南北向的Z04線進行了SEP系統與V8系統的MT法對比試驗.V8系統采用3磁2電的五分量測量，而SEP系統在此基礎上另外配置了3分量的磁通門磁傳感器，與感應式磁傳感器進行磁傳感器的對比試驗.MT法試驗的點距為125 m，電極距為50 m.

4 試驗結果分析

4.1 磁通門磁傳感器試驗結果分析

利用磁通門磁傳感器完成了CSAMT和MT法的試驗，并與同測點感應式磁傳感器進行了對比.圖3為Z00線400 m點的磁通門磁傳感器與感應式磁傳感器實測數據經處理后的功率譜對比圖.從圖中可以看出，X方向當頻率低于0.3 Hz時，磁通門數據優于感應式磁傳感器數據，當頻率高于0.3 Hz時感應式磁傳感器數據更好；Y方向分界點為0.2到0.3 Hz之間；Z方向在0.2 Hz左右.

上述初步分析表明，對于CSAMT法測量數據，在音頻范圍內磁通門磁傳感器數據噪聲明顯大于感應式磁傳感器數據，其效果不能滿足于CSAMT勘查.但磁通門磁傳感器可用于深部電性結構的探測，探測效果將優于感應式磁傳感器.

4.2 高溫超導磁傳感器試驗結果分析

采用高溫超導磁傳感器完成了CSAMT法試驗，與同測點的感應式磁傳感器進行了對比，其目的在于檢驗研發的高溫超導磁傳感器在實際勘查中的性能及可靠性.在此基礎上，優化系統參數，確保其能夠滿足CSAMT法的野外探測需要.

圖4是實測數據對比曲線.在一些測點由于受到村莊、公路及輸電線干擾的影響，高溫超導磁傳感器與感應式磁傳感器在低頻和高頻段存在較大差異，在中頻段兩者觀測的磁場和卡尼亞視電阻率曲線重合性較好(見圖4左圖).而在干擾較小的測點，高溫超導傳感器與感應式磁傳感器觀測的磁場和卡尼亞視電阻率曲線形態一致，兩條曲線重合性很好(見圖4右圖).

高溫超導磁傳感器用于CSAMT法探測尚未見報道，我們的試驗表明，高溫超導磁傳感器表現出較好的穩定性，在液氮供應充足的情況下，可以連續長期地穩定工作.高溫超導磁傳感器可以有效地接收CSAMT磁場信號，較為準確地獲得有效信號.由于高溫超導磁傳感器具有靈敏度高、帶寬大、觀測數據穩定等特點，若能克服野外施工的復雜性，其應用前景將非常廣泛.

4.3 CSAMT法試驗結果分析

采用SEP系統、GDP-32II系統和V8系統進行了CSAMT法野外對比試驗，并且進行了三種發射機供電SEP接收機接收的發射機性能對比試驗，目的是通過不同方法的對比，驗證SEP發射機和接收機的性能、實用性.

4.3.1 發射機對比試驗結果分析

在接收裝置和點位不變的情況下，進行了SEP、GDP32(GGT-30)和V8(TXU-30)3種不同發射機發射、SEP接收機接收的發射性能對比試驗.

圖5為三種發射機供電情況下實測曲線對比結果.SEP和V8發射機供電電場振幅和磁場振幅曲線較為一致，GDP32發射機供電電流較小，對比圖中并未對電場和磁場振幅進行歸一化，所以其曲線明顯低于其它兩個發射機供電時的曲線.通過Ex/Hy比值計算卡尼亞視電阻率后，三條卡尼亞視電阻率曲線除了兩個最低頻點由于觀測時間短的緣故其數據有差別之外(對于低頻，觀測時間需要足夠長，才能保證疊加場的穩定)，其一致性較好.

圖3 磁通門磁傳感器與感應式磁傳感器功率譜對比圖(Z00線400 m點)Fig.3 Power Spectrum contrast between fluxgate magnetic sensor and coil magnetic sensor (Line Z00 Site 400)

圖4 高溫超導磁傳感器與感應式磁傳感器CSAMT實測數據對比曲線Fig.4 Contrast of CSAMT observed data between HTSC magnetic sensor and coil magnetic sensor

圖5 三種發射機供電情況下實測曲線對比(Z04線2312.5 m點)Fig.5 Contrast of observed data among three different transmitters (Line Z04 Site 2312.5)

需要注意的是，通過觀察電場與磁場振幅曲線可以發現，在高頻段(大于1000 Hz)，SEP系統的場值出現了蹦跳.經過認真的分析，我們發現SEP發射機在高頻發射時存在著發射精度不穩的現象，導致設定的發射頻點能量降低.針對此問題，課題組從GPS授時原理和時鐘基準入手，將GPS秒脈沖用于時鐘源頻率的校準，消除了高頻段的相位噪聲，從而獲得了高精度的發射頻率，完美解決了此問題.

4.3.2 SEP系統與GDP-32II、V8系統對比試驗

不同系統對比試驗是利用SEP系統、GDP32系統和V8系統在同發射源地點、同接收點分別進行測量，得到V8T-V8R(藍線)、GDPT-GDPR(綠線)、SEPT-SEPR(紅線)三種系統的探測結果，同時在SEP接收時，也采用了V8發射機進行發射，得到了V8T-SEPR(粉線)數據，然后對四種數據進行對比分析.由于文稿篇幅所限，這里給出BX02測線2037.5米測點上的三個系統電場、磁場、視電阻率、視相位實測數據，如圖6所示.其中GDP32發射電流較小，兩次V8發射的電流也并不相同，導致未歸一的場值對比曲線存在著偏離.我們通過對比卡尼亞視電阻率可以看出，除最低兩個頻率稍有差別之外，四條卡尼亞視電阻率曲線總體一致性很好.

圖6 不同儀器CSAMT實測曲線對比(BX02線2037.5 m點)Fig.6 Contrast of CSAMT observed data among three different receivers (Line BX02 Site 2037.5)

圖7 H08線CSAMT反演電阻率斷面圖(GDP-32II)Fig.7 Inversion profile of CSAMT apparent resistivity of Line H08 (GDP-32II)

4.3.3 反演結果對比

SEP系統、V8系統和GDP32系統均在相同的Z00、Z04、BX02、BX03、H08和H12測線上做了同點位、同剖面的測量.由于文稿篇幅限制，這里只對主勘探線H08線的反演結果進行對比分析.

圖7—9分別為GDP32、V8和SEP系統CSAMT觀測數據的反演結果.三個反演結果具有較強的相似性和一致性，都明確的顯示出西側低阻區和中部高阻之間的接觸帶(1250 m處)與平面地質圖(圖1)及地質剖面圖(圖10)中的斷裂位置對應較好；西側淺部低阻對應著第四系、深部的中阻為中太古界黃土窯巖組巖體；中部的高阻區對應著含礦體和從地下深部向地表穿插的早白堊世少斑花崗斑巖巖脈，以及斷裂；東側2500～2700 m之間的低阻對應著平面地質圖中的呼爾井組烏蘭戈楚組地層.

在三個CSAMT反演斷面圖中，SEP數據反演的電阻率等值線與V8的相似性較高，與GDP32有所差別，但整體形態是一致的，在剖面中部的高阻帶對應著礦體和上部花崗斑巖巖脈.

4.4 MT法試驗結果分析

在H08和Z00線上進行了SEP和V8接收機觀測的MT數據對比試驗，觀測中使用的是SEP感應式磁傳感器.圖11—12為兩套儀器實測曲線對比圖.Z00線900 m點實測曲線形態并不是很圓滑(圖11)，但兩套接收機觀測的曲線形態非常一致，甚至在50 Hz及其附近頻率觀測的XY和YX模式的視電阻率吻合得都非常好.在Z00線1920 m點的兩套儀器觀測的實測曲線(圖12)形態一致，除高頻段的視電阻率和相位有所差異，在中低頻段的曲線重合性較好.

圖8 H08線CSAMT反演電阻率斷面圖(V8)Fig.8 Inversion profile of CSAMT apparent resistivity of Line H08 (V8)

圖9 H08線CSAMT反演電阻率斷面圖(SEP)Fig.9 Inversion profile of CSAMT apparent resistivity of Line H08 (SEP)

圖10 H08線地質剖面圖1.新生界；2中太古界黃土窯巖組；3.輝綠巖脈；4.早白堊世少斑花崗斑巖；5.早白堊世多斑花崗斑巖；6.晚侏羅世大青山二長花崗巖；7.斷層；8.少斑花崗斑巖；9.多斑花崗斑巖；10.粗中粒二長花崗巖；11.隱爆角礫巖；12.工業鉬礦體；13.低品位鉬礦體；14.鉛鋅礦體；15.圍巖裂隙.Fig.10 Geological profile of Line H08

圖11 SEP與V8實測MT對比曲線(Z00線900號點)Fig.11 Contrast of MT observed data between SEP and V8 (Line Z00 Site 900)

圖12 SEP與V8實測MT對比曲線(Z00線1920號點)Fig.12 Contrast of MT observed data between SEP and V8(Line Z00 Site 1920)

綜上對比結果，表明了SEP接收機和磁傳感器工作正常，能適應野外長時間的MT觀測，其MT功能的性能與V8相當.

5 結論

此次試驗是在已知礦區進行的一次綜合性生產試驗，試驗過程中對SEP系統的各組成部分以及系統整體進行了性能對比，檢驗了系統的野外實際工作能力，取得了不錯的效果，通過對試驗結果的分析，可以得到以下結論：

(1) SEP的發射機和接收機同步性較好，整套儀器工作正常.發射機總體性能與GDP-32II、V8發射機性能相當，接收機具有性能穩定、觀測精度高等特點.

(2) 磁通門磁傳感器的優勢在于在頻帶0.1～0.001 Hz范圍內測量時，其噪聲明顯優于感應式磁傳感器，適合于MT的低頻段測量.

(3) 高溫超導傳感器與感應式磁傳感器的對比結果一致，其性能穩定，具有靈敏度高、帶寬大、觀測數據穩定等特點.

(4) 通過SEP系統與GDP-32II、V8系統的CSAMT法對比試驗，表明SEP儀器系統可以獲得穩定的、可靠的觀測數據，具有較強的抗干擾能力，可以在生產中推廣應用.

(5) SEP接收機和感應式磁傳感器能適應野外長時間的MT觀測，性能與V8相當.

(6) SEP系統整機系統性能與國際同類產品相當，可以勝任野外實際勘查工作.

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(本文編輯 劉少華)

Surface Electromagnetic Prospecting System (SEP) contrast test in Caosiyao molybdenum mine, inner mongolia

DI Qing-Yun, XU Cheng, FU Chang-Min, WANG Zhong-Xing, ZHANG Wen-Xiu, AN Zhi-Guo, WANG Ruo

KeyLaboratoryofShaleGasandGeoengineering,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China

In order to test the performance and reliability of each component of surface electromagnetic prospecting (SEP) system in practical exploration, and the overall ability of SEP system in field work, a test is conducted at Caosiyao molybdenum mine in Xinghe, Inner Mongolia, which is a comprehensive test involving each component of SEP system. Using a number of schemes, several contrast tests had been carried out, including contrast test between high-temperature superconducting magnetic sensors and coil magnetic sensors, contrast test between fluxgate magnetic sensors and coil magnetic sensors, transmitting performance contrast test among SEP, GGT-30 and TXU-30 transmitters, CSAMT contrast test among SEP, V8 and GDP-32II systems, and MT contrast test between SEP and V8 systems. This paper analyzes the test results which show that self-developed SEP system has basically reached or exceeded the level of the similar foreign products, and is competent for the practical exploration work in the field.Keywords Electromagnetic exploration system; Magnetic sensor; Contrast test; CSAMT; MT

國家深部探測技術與實驗研究專項SinoProbe-09-02(201011079)資助，國家重大科研裝備研制項目“深部資源探測核心裝備研發”(ZDYZ2012-1)—05子項目“多通道大功率電法勘探儀”—05課題“M-TEM系統整體設計及集成優化與方法試驗”資助.

底青云,女,1964年生,博士生導師,研究員,主要從事電磁成像理論與技術及電磁探測裝備研究. E-mail:qydi@mail.iggcas.ac.cn

10.6038/cjg20150805.

10.6038/cjg20150805

P631

2014-10-19，2015-07-17收修定稿

底青云, 許誠, 付長民等. 2015. 地面電磁探測(SEP)系統對比試驗——內蒙曹四夭鉬礦.地球物理學報，58(8):2654-2663,

Di Q Y, Xu C, Fu C M, et al. 2015. Surface Electromagnetic Prospecting System (SEP) contrast test in Caosiyao molybdenum mine, inner mongolia.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(8):2654-2663,doi:10.6038/cjg20150805.