張量可控源音頻大地電磁法及其應(yīng)用效果

王 剛， 張振宇， 李永博， 朱 威， 姚大為

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所， 廊坊 065000)

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張量可控源音頻大地電磁法及其應(yīng)用效果

王 剛， 張振宇， 李永博， 朱 威， 姚大為

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所， 廊坊 065000)

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)是一種重要的勘探手段，在資源勘查中得到廣泛應(yīng)用，其中張量CSAMT是最近幾年才在國(guó)內(nèi)興起。這里介紹了張量CSAMT方法原理和野外采集技術(shù)，使用V8多功能電法儀在某鉛鋅礦區(qū)進(jìn)行了野外試驗(yàn)，并通過(guò)分析野外數(shù)據(jù)判斷地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的維數(shù)，選擇適合的反演方法，對(duì)不同模式的的張量CSAMT數(shù)據(jù)的進(jìn)行了反演研究，得出了試驗(yàn)剖面可靠的二維電性結(jié)構(gòu)，結(jié)合已有的地質(zhì)、物探資料表明，該方法對(duì)礦體的整體形狀、傾向都有較好地反映。

張量CSAMT; 張量阻抗; 二維偏離度

0 引言

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)是在由Strangway和Goldstein提出的可控的場(chǎng)源，向地下發(fā)射電磁波，在地面觀測(cè)水平和垂直的音頻段的電磁場(chǎng)，計(jì)算出阻抗或者視電阻率和阻抗相位，從而推斷地下地質(zhì)情況[1-4]。因?yàn)樵摲椒ɡ玫氖侨斯ぴ矗姶艌?chǎng)信號(hào)強(qiáng)，抗干擾能力突出，彌補(bǔ)了天然場(chǎng)源信號(hào)弱、隨機(jī)性強(qiáng)的缺點(diǎn)，所以在金屬礦、地?zé)豳Y源、煤炭、石油天然氣等勘探領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，取得了很好的效果。

CSAMT可以分為標(biāo)量測(cè)量、矢量測(cè)量、張量測(cè)量。標(biāo)量測(cè)量是布設(shè)一個(gè)場(chǎng)源，觀測(cè)單個(gè)電場(chǎng)分量Ex和與之垂直的磁場(chǎng)分量Hy，計(jì)算標(biāo)量阻抗(Ex/Hy)；張量測(cè)量是至少布設(shè)兩個(gè)不同方向的場(chǎng)源，觀測(cè)Ex、Ey、Hx、Hy、Hz各兩次，共計(jì)10個(gè)分量，計(jì)算張量阻抗[5]。矢量測(cè)量是介于標(biāo)量與張量測(cè)量之間，只需要一個(gè)場(chǎng)源，觀測(cè)Ex、Ey、Hx、Hy、Hz這5個(gè)分量，計(jì)算標(biāo)量阻抗。

在二、三維情況下，阻抗與x、y兩個(gè)方向的電、磁場(chǎng)水平分量都有關(guān)，而標(biāo)量測(cè)量只觀測(cè)單個(gè)電磁場(chǎng)分量，得到的標(biāo)量阻抗，只適合探測(cè)一維地質(zhì)情況，所以說(shuō)張量測(cè)量的結(jié)果更加可靠[6-11]。

這里首先簡(jiǎn)單介紹了張量CSAMT的工作原理，然后給出一個(gè)例子，說(shuō)明了張量CSAMT的應(yīng)用效果。

1 張量CSAMT方法

張量CSAMT是利用兩個(gè)極化方向不同的場(chǎng)源，向地下發(fā)射電磁波，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)水平正交的電磁場(chǎng)分量(Ex、Ey、Hx、Hy)和垂直磁場(chǎng)分量(Hz)，共測(cè)量10個(gè)分量，觀測(cè)裝置圖見(jiàn)圖1。

圖1 張量CSAMT觀測(cè)裝置簡(jiǎn)圖Fig.1 Deployment of tensor CSAMT

如果場(chǎng)源與觀測(cè)點(diǎn)之間的距離大于三倍趨膚深度，大地電磁平面波的近似是正確的,那么阻抗可認(rèn)為幾乎與天然場(chǎng)源音頻大地電磁法(AMT)測(cè)量所推導(dǎo)的阻抗一樣[9]。

在二維或三維地電斷面條件下，在頻率域中兩個(gè)場(chǎng)源的張量阻抗和水平電磁場(chǎng)分量之間的關(guān)系為：

Ex1=ZxxHx1+ZxyHy1

(1)

Ey1=ZyxHx1+ZyyHy1

(2)

Ex2=ZxxHx2+ZxyHy2

(3)

Ey2=ZyxHx2+ZyyHy2

(4)

式中每個(gè)量都是復(fù)數(shù)，求出Zxx、Zxy、Zyx、Zyy這四個(gè)阻抗，式中下標(biāo)1和2指的是兩個(gè)源。所以4個(gè)張量阻抗元素可以表示為：

(5)

(6)

(7)

(8)

視電阻率ρ可以由式(9)得到。

(9)

其中：f為頻率，視電阻率由Zxx、Zyy、Zxy和Zyx的模決定。

利用加拿大鳳凰公司的V8儀器進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的振幅R和相位θ，并非以復(fù)數(shù)的方式保存。引入歐拉公式：

eiθ=cos θ+i sin θ

(10)

其中：e是自然對(duì)數(shù)的底；i是虛數(shù)單位。電、磁場(chǎng)譜值A(chǔ)可表示為：

(11)

這樣就可以把電場(chǎng)和磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換成復(fù)數(shù)形式，利用式(5)～式(9)可以得到每個(gè)測(cè)點(diǎn)的張量阻抗和視電阻率。

2 測(cè)區(qū)地質(zhì)與地球物理概況

2.1 地層

礦區(qū)與成礦有關(guān)的地層主要為震旦紀(jì)洗腸井群(ZX)，主要呈現(xiàn)近東西向展布，區(qū)內(nèi)出露二、三、四巖組。

1)二巖組(ZXa)為一套淺變質(zhì)的、淺海相泥質(zhì)巖建造，整體巖性單一，在其內(nèi)穿插大量酸性斑巖脈和石英脈。

2)三巖組(ZXc)為一套淺海相碳酸鹽巖及泥質(zhì)巖建造。巖性主要由含粒狀石英的大理巖夾絹云千枚巖及粉砂質(zhì)板巖等組成。按巖性及組合特征自下而上可劃分為三個(gè)巖段：①一巖段主要由大理巖夾千枚巖組成，為礦區(qū)鉛鋅礦主要賦礦層位；②二巖段主要為絹云千枚巖，為礦體的主要蓋層；③三巖段主要由條帶狀大理巖、黑云石英角巖、堇青黑云角巖、千枚巖、變砂巖等組成。

3)四巖組(ZXd)為板巖和角巖等。

2.2 構(gòu)造

礦區(qū)斷裂較為發(fā)育，分為區(qū)域性斷裂及其相伴生的次級(jí)東西或近東西向壓(扭)性、北西和北東向扭性及近南北向張(扭)性斷裂構(gòu)造，與成礦關(guān)系較為密切的為近東西向區(qū)域性斷裂派生的次級(jí)斷裂。

(1) 工程海域的潮流周期為12 h，為典型的半日潮。工程海域潮流運(yùn)動(dòng)受風(fēng)向以及近岸輻射狀沙洲地形綜合影響，其中，南、中、北三個(gè)水道的潮流分布呈橢圓狀，潮流流向受南北兩側(cè)沙洲引導(dǎo)，與深槽方向趨近，且流向受潮汐影響，呈往復(fù)流特征。潮流傳遞呈典型駐波狀態(tài)。

2. 3 礦體特征

礦體賦存于一套角巖化細(xì)碎屑巖-碳酸鹽巖巖系中，礦體主要沿兩種巖性接觸帶及其附近層間水平錯(cuò)動(dòng)破碎帶產(chǎn)出。礦化巖石以泥質(zhì)條帶狀薄層大理巖為主，次為絹云母千枚巖和變粉砂巖等。礦體多呈似層狀、次為扁豆?fàn)?、透鏡體狀，少量為囊狀、柱狀等。

2. 4 礦區(qū)地球物理特征

研究區(qū)銀鉛鋅礦體與圍巖電性有明顯差異，銀鉛鋅礦石具有高極化率和相對(duì)低的電阻率特征;而圍巖(大理巖、千枚巖等)具有低極化率和相對(duì)高的電阻率。具體電性特征如表1所示。

表1 巖礦石電性參數(shù)

3 測(cè)線(xiàn)布置與數(shù)據(jù)采集

在已知地質(zhì)剖面上布置了一條測(cè)線(xiàn)Line1。野外數(shù)據(jù)采集使用的是加拿大鳳凰公司的V8多功能電法儀。經(jīng)過(guò)場(chǎng)源試驗(yàn)，最終采用“×”型源，兩個(gè)場(chǎng)源(T1、T2)互相垂直，每個(gè)場(chǎng)源與測(cè)線(xiàn)的夾角都為45°(圖2)，場(chǎng)源長(zhǎng)度都為1.2 km，交替供電，收發(fā)距為9 km。張量觀測(cè)裝置測(cè)量，主要觀測(cè)Ex、Ey和Hx、Hy、Hz五個(gè)分量，一個(gè)子機(jī)只采集電場(chǎng)數(shù)據(jù)，

共用主機(jī)(V8)的磁場(chǎng)分量。觀測(cè)頻率是1 Hz～8 533.33 Hz，點(diǎn)距為50 m，15個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，剖面長(zhǎng)700 m。沿測(cè)線(xiàn)方向?yàn)閄方向，垂直測(cè)線(xiàn)方向?yàn)閅方向。圖3為400號(hào)點(diǎn)觀測(cè)的視電阻率和阻抗相位曲線(xiàn)圖。兩個(gè)方向的曲線(xiàn)圓滑，首枝重合，在100 Hz左右進(jìn)入近區(qū)。

圖2 工作布置圖Fig.2 Diagram of work layout

圖3 400號(hào)點(diǎn)觀測(cè)曲線(xiàn)圖Fig.3 Apparent resistivity and phase curves of NO.400(a)視電阻率；(b)阻抗相位

4 介質(zhì)維數(shù)判斷

嚴(yán)格來(lái)講地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)都是三維的，但是只有地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)接近二維，利用現(xiàn)在的二維反演軟件計(jì)算得到的地電模型才更符合地下實(shí)際情況。度量介質(zhì)維數(shù)的指標(biāo)有很多，如張量阻抗元素二維偏離度、張量阻抗元素橢圓軌跡的偏心率、橢率、傾子元素二維偏離度、傾子元素橢圓軌跡的偏心率等。作者利用張量阻抗元素二維偏離度，來(lái)討論礦區(qū)的地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的維數(shù)。

二維偏離度S是利用張量阻抗元素來(lái)定義的，表示為：

(12)

因?yàn)閆1和Z4與坐標(biāo)方位無(wú)關(guān)，所以S可以用來(lái)表示地電結(jié)構(gòu)的特性。二維介質(zhì)中，S=0，在三維介質(zhì)中，S>0。S越小，地下結(jié)構(gòu)越接近二維；反之，越接近三維。部分文獻(xiàn)指出，當(dāng)S≤0.2～0.5時(shí)，地下結(jié)構(gòu)可以近似地看成二維的[1]。

圖4是測(cè)線(xiàn)Line1二維偏離度等值線(xiàn)圖，從圖4中可以看出，這條剖面只有個(gè)別測(cè)點(diǎn)的中頻段的二維偏離度值大于0.5，大部分測(cè)點(diǎn)的值在0.5以下，所以進(jìn)行二維反演是合理的。

圖4 測(cè)線(xiàn)Line1二維偏離度等值線(xiàn)圖Fig.4 The skewnesses of line1

5 資料處理與解釋

Line1測(cè)線(xiàn)方向是垂直于測(cè)區(qū)的近東西向斷裂布置的，規(guī)定沿測(cè)線(xiàn)方向是x方向，所以ρxy為T(mén)M極化，ρyx為T(mén)E極化。由于在近區(qū)和過(guò)渡區(qū)的電磁波是非平面電磁波，近區(qū)和過(guò)渡區(qū)的數(shù)據(jù)不完全是地下地質(zhì)體的反應(yīng)，于是我們只選用遠(yuǎn)區(qū)數(shù)據(jù)反演。

在反演前，首先剔除跳點(diǎn)，然后采用美國(guó)zonge公司的SCS2D軟件，進(jìn)行了遠(yuǎn)區(qū)視電阻率、阻抗相位的TM模式、TE模式和TM+TE模式的二維反演，并參考測(cè)區(qū)的地質(zhì)和地球物理資料對(duì)三種模式的反演結(jié)果進(jìn)行了分析，最終認(rèn)為T(mén)M模式的反演結(jié)果與實(shí)際地質(zhì)情況比較符合。

圖5為L(zhǎng)ine1線(xiàn)的激電曲線(xiàn)、張量CSAMT的TM模式二維反演電阻率斷面和地質(zhì)剖面。從圖5(b)圖上可以看出，對(duì)巖體、礦脈的反映比較清楚，整體上表現(xiàn)為大理巖為最高電阻率，千枚巖為中高電阻率，鉛鋅礦、大理巖(礦化)和千枚巖(礦化)為中低電阻率。在310號(hào)點(diǎn)1 900 m處和330號(hào)點(diǎn)1 500 m處的低阻，電阻率最低達(dá)到十幾歐姆米，與圖5(c)圖上的礦脈對(duì)應(yīng)得很好，礦脈的傾向也一致；圖5(a)在310與320之間處也呈現(xiàn)出低阻高極化，電阻率在100 Ω·m以下，極化率在10%左右。圖5(b)在370號(hào)～400號(hào)點(diǎn)間1 700 m處存在一個(gè)低阻體，圖5(a)在該處也呈現(xiàn)出相對(duì)低阻高極化的特征，由于這部分沒(méi)有地質(zhì)和鉆孔資料，我們推測(cè)這個(gè)低阻體也是鉛鋅礦體。

圖5 Line1線(xiàn)激電曲線(xiàn)、張量CSAMT二維反演電阻率斷面和地質(zhì)剖面Fig.5 IP curve、2D inversion resistivity section of tensor CSAMT and geological section (a)激點(diǎn)曲線(xiàn)；(b)張量CSAMT二維反演電阻率斷面；(c)地質(zhì)剖面

6 結(jié)語(yǔ)

張量CSAMT繼承了傳統(tǒng)標(biāo)量CSAMT的抗干擾能力強(qiáng)、分辨率高的特點(diǎn)，也具有一般天然場(chǎng)電磁法(MT、AMT)的觀測(cè)數(shù)據(jù)多(Ex、Ey、Hx、Hy和Hz)、提供信息豐富(阻抗張量旋轉(zhuǎn)、介質(zhì)維數(shù)分析、張量阻抗主軸方向和傾子等)的優(yōu)點(diǎn)，這有利于提高反演解釋的精度和可靠性。張量CSAMT在電磁干擾嚴(yán)重的礦區(qū)取得了較好的勘探效果，對(duì)礦體的形狀、傾向都有較好地反映。因此，可以觀測(cè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的多分量的張量CSAMT，在深部復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造和礦體探測(cè)方面的應(yīng)用前景十分廣泛。

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The method of tensor CSAMT and its application effects

WANG Gang, ZHANG Zhen-yu, LI Yong-bo, ZHU Wei, YAO Da-wei

(Institute of Geophysical and Geochemical Exploration,CAGS,Langfang 065000,China)

Controlled source audio magnetotelluric method (CSAMT) is an important method of exploration, which has been widely used in resource exploration filed, whilst the tensor CSAMT has been focused recent years in the country. This paper introduces the basic principles of tensor CSAMT and the field data acquisition technology with the using of V8 multifunctional electrical meter to conduct a field test in a lead-zinc mining area. By analyzing the field data for determining the dimension of underground geological structures, selecting the appropriate inversion method, and by inversion of the different modes of the tensor CSAMT data, the two-dimensional cross-section electrical structure of test profile is obtained by the inversion of the different modes of the field data. Combined with the existing geological and geophysical data, it indicates that the method is very well to show the shape and tendency of the ore bodies.

tensor CSAMT; tensor impedance; skewness

2015-08-13 改回日期：2015-12-03

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(12120113100800);中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理化學(xué)勘查研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(AS1016J03)；中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(YYWF201633)

王剛(1981-)，男，碩士，主要從事電磁法的研究與應(yīng)用工作,E-mail：wanggang@igge.cn。

1001-1749(2016)05-0598-05

P 631.3

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2016.05.04