可控源音頻大地電磁測量法在礦山地質環境研究中的應用

羅有春

摘要：礦產資源對國家經濟發展和人民生產生活都發揮著重要的作用，是人們不可或缺的資源。然礦產資源開采難度大，難以掌握其地質環境。可控源音頻大地電磁測量法是地質環境勘探的重要方式，本文主要研究在礦山地質環境勘探中運用此方法。首先，通過分析某地區的礦山地質環境，然后再進行數據采集、數據處理和反演正演模擬，最后分析地質模型。結果表明，可控源音頻大地電磁測量法能夠提供關于巖石和結構最完整的數據，能夠勘探到深度很高的地質，勘探精準度也高。

關鍵詞：可控源音頻大地電磁測量法;勘探;地質環境

中圖分類號：P631文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）07-0109-04

礦產資源在我國發揮著重要的作用，隨著我國經濟的快速發展，滿足人民生產生活的需要，我國的礦產資源利用在不斷增多。但是礦產資源的開發卻很難做到，因為其埋藏在幾百米甚至幾千米的地下，難以發現其位置，而且對地下環境不了解，開采過程中容易遇到很多困難。所以，礦山地質環境勘探是開采礦產之前的必要步驟，而且勘探的作用關系到開礦能否順利進行，是一項非常重要的工作。文章以四川盆地的某個礦產地區為例，通過可控源音頻大地電磁測量法對該礦產進行勘察，考察其地質環境。

1 礦山地質概況

四川盆地屬于碳酸鹽地層，含有碳酸鹽巖、白云巖等，這些巖石在構造上容易破碎和風化，是可滲透，能充當含水層。但是今天的這些巖石是一堆不透水的巖石，粘土和泥灰巖，所以整個包裝都是一個不透水的屏障。在地質歷史中，這些白云巖在幾個階段受到過強烈的構造活動。由于這個原因，產生了次生的裂縫孔隙度，白云巖的地面巖體已經成為四川盆地這一地區的主要含水層，具有顯著的供水潛力。鑒于不透性碎屑和可滲透碳酸鹽通過其電阻率明顯區分的事實，可以使用可控源音頻大地電磁測量法非常有效地研究該地域情況。

2 可控源音頻大地電磁測量法的應用分析

2.1數據采集

電子斷層掃描輪廓長700m。使用Wenner電極陣列進行測量，單位電極間距為10um，因此研究深度為135um。使用基于10ke和Barker算法的軟件完成反演。由于預期深度相當小，并且電阻率層析成像對這些深度的分辨率良好，因此可用于可控源音頻大地電磁測量法測量的控制和評估。可控源音頻大地電磁測量法測量在沿著電子斷層攝影剖面分布的16個可控源音頻大地電磁測量法探測站點進行。前3個站點之間的距離為25m，其他站點之間的距離為50m，因此輪廓的總長度為700m。

2.2數據處理

可控源音頻大地電磁測量法用于現場測量時的系統選擇美國的GeometricsStratagemEH4探測儀器，該探測儀器允許記錄高達10kHz的頻率。調查深度取決于頻率，它與頻率的平方根成反比。根據應用的頻率范圍并且取決于地下電阻率，系統可以達到500m到1000m之間的深度。該系統還使用受控源天線來補充lkHz至70kHz范圍內的自然信號，從而獲得更可靠的數據和更好的淺層特征分辨率。這是由于自然場各種高頻噪聲的影響而特別強烈地變形的事實。用于產生人造場的發射器和天線必須放置在距剖面的特定距離處，以便用平面波電磁場逼近信號。因此，發射器和天線放置在距離剖面大于400m的位置。

在水平分層的地球中，每層均勻且各向同性，電磁波傳播使得電場和磁場矢量正交。電場強度與磁場強度之比（Ex/Hy）是稱為特征阻抗（Z）的電磁特性的特征量度。表面阻抗復雜，與頻率有關并且是張量：

對于2D導電結構的情況，當在平行于電擊方向的坐標系中測量時，阻抗張量Zxx和Zyy的對角元素為零。沖擊方向是水平方向，對于2D結構，電導率不會改變。因此，表面阻抗的計算依據如下：

其中i和j在x和y方向。視電阻率和阻抗相位由阻抗分量計算得出：

對于均勻的半空間，相位差等于π/4。因此，對于均勻電阻率，相位在所有頻率下都是恒定的，并且更復雜的地下結構的指示是相位和視電阻率隨頻率的變化。使用四個通道GeometricsStratagemEH4探測儀器，在兩個垂直偶極子上測量電場分量（E_x，E_y）。偶極子長度在10～20m之間，以獲得良好的數據質量。使用感應線圈（EMIBF-6）測量水平磁場分量（H_x，H_y）。在兩個正交方向上記錄的電場和磁場分量用于計算測量位置處的表面阻抗（Z）。使用張量處理技術計算表面阻抗分量，并且根據阻抗分量計算視電阻率和相位曲線。

在2D結構的情況下，測量數據可以分成兩種不同的模式，并且這些模式被稱為E和H極化。對于E偏振模式（TE），電場平行于打擊方向偏振，并且對于H偏振模式（TM），磁場在打擊方向上偏振。測得的視電阻率和相位數據如圖1所示，數據是最嘈雜的。yx方向的視電阻率曲線在低于3000Hz的頻率下具有不同的形狀，這可以指示結構的維度（2D或3D）。站MT-6處的xy曲線顯示較低頻率的電阻率增加。

2.3可控源音頻大地電磁測量法數據的反演和正演模擬

沿剖面記錄的可控源音頻大地電磁測量法數據被解釋為獲得電阻率模型，其使用反向和正演模型以兩種方式反映地下地質。使用用于MT數據ZondMT2D的二維解釋的軟件進行逆和正向建模。

觀測數據的自動反演是更快的解釋方法，以恢復地下電阻率分布。反演通常通過迭代過程來執行，其中包括正向建模以計算初始模型的電阻率響應。對于第一個初始模型，假設恒定電阻率的半空間。解釋器的唯一影響是定義反演算法和幾個反演參數，例如電阻率限制，平滑因子和平滑度比。根據數據質量和噪聲，反演模型有時會產生不可靠的結果。此外，我們必須記住，反演是非獨特的，許多電阻率模型可以適合觀測數據。然而，反演模型將基于反向電阻率分布提供內在的一般結構。

對巖性約束模型進行正演模擬。該模型使用先驗地質數據或其他地球物理方法的結果來定義。以這種方式，由于解釋模型在解釋器的控制下，可能的解決方案的數量顯著減少。在正演模擬期間，可以測試幾個可選模型，因為有時可能存在不同的邊界深度和電阻率對比。由于最終模型需要同時適應先驗地質知識和觀察到的可控源音頻大地電磁測量法的數據，因此最終解釋模型通常比通過自動反演獲得的模型更可靠。

可以僅使用視電阻率數據，僅相位或兩者來完成反演。在本分析中，我們采用了奧克姆反演，使用平滑算子和額外的對比度最小化來獲得簡單且相當平滑的電阻率模型。輸人數據是來自StratagemEH-4的視電阻率和相位數據。在反演之前，可控源音頻大地電磁測量法的數據需要由于噪聲而平滑，因為噪聲數據可能會導致模型中出現不切實際的特征。為每個工作站目視檢查數據，以消除尖峰并平滑數據。根據地質趨勢確定撞擊角度，并將數據旋轉至TE（電極化）和TM（磁極化）模式。測量數據相當嘈雜，在存在噪聲和局部失真的情況下，基于場數據的打擊角確定是不穩定的。由于從數據本身確定打擊角度是值得懷疑的，我們選擇了地質趨勢的幫助。

反演的起始模型由恒定電阻率構成，并由由表面層厚度，增量因子和決定底層深度的層數定義的網格表示。塊寬度被縮放以匹配站點間距與站點之間的兩個附加節點，并且由于站點均勻間隔，因此產生幾乎等距的網格。根據輪廓，第一層的起始厚度設定為1um，層數38～40。增量因子為1.2，這意味著每個后續層的厚度相對于其上方層的厚度乘以1.2。它導致底層的深度在5000～7000m之間。

通過TE和TM數據的聯合反演以及可以被認為是TE和TM數據的算術平均值的行列式（D）來完成計算。阻抗張量的行列式與假設的走向方向無關，因此發現最佳擬合模型實際上與所使用的起始模型無關。迭代地完成反演以使計算的模型適合于測量的可控源音頻大地電磁測量法的數據，直到達到給定的標準，其可以是最大迭代次數或最大RMS誤差。我們使用了許多迭代作為停止標準;在大多數情況下為5～7，因為大量的迭代有時會使模型不必要地復雜化并且可能導致模型具有不切實際的細節。我們的目標是反轉模型，以便給出主要結構的圖片。

基于反電阻率模型和其他可用數據，構建了正演模擬的初始模型。電阻率模型以塊模式創建，其中場地與場地布局間隔并考慮地形。在正向建模中，近似網格的每個單元格中的字段線性變化。定義電阻率模型的響應（電阻率和相位）計算兩種模式和行列式（D）。由于低電阻率的淺層可以顯著影響計算的數據，因此電阻率斷層掃描和電探測的結果可用于定義淺層。通過這種方式，我們可以更可靠地確定更深的邊界，即碎屑巖和碳酸鹽巖之間的界面。

3 地質模型

在四川盆地，表面附近的低電阻率和在剖面的某些部分延伸到更大的深度，被解釋為不可滲透的碎屑巖的影響。低于它們的高電阻率是由作為含水層的裂縫和風化碳酸鹽引起的。兩個電阻率模型，即反向和向前，沿著輪廓MP-1（圖2和3）表明在200m的距離處的斷層接觸。接觸是垂直的，因此假定跳躍很大（約200m）的正常故障（圖4）。最低電阻率（約20Ωm）靠近地表，這些被解釋為粘土和泥灰巖沉積物。在地下室的這些層和三疊紀白云巖之間，存在不可滲透和滲透性差的新近系碎屑層的變化：泥灰巖，砂質泥灰巖和粘土砂巖。該模型表明，由于構造活動，該區域可能出現大的斷層跳躍。它將有助于考慮所選微位置的水文地質潛力。

基于地表地質繪圖和周圍環境中的先前數據，人們會期望復合石灰石界面相對陡峭的傾斜。在這種情況下，探測鉆孔應盡可能靠近山坡上的這個邊界，以便在可接受的深度處捕獲碳酸鹽巖。但是，基于可控源音頻大地電磁測量法數據的模型顯示界面形狀完全不同，并且在山谷中可以預期最淺的碳酸鹽深度，這意味著勘探鉆孔的成本將降低。

4 結語

在深度超過100m的水文地質目標的情況下，可控源音頻大地電磁測量法提供了關于巖石和結構關系的最完整數據。它可以以更低的成本到達更大深度的目標，可以進行密集空間采樣。在厚層碎屑不透水沉積層下的碳酸鹽巖的繪圖中，可控源音頻大地電磁測量法提供了有關含水層存在及其一般埋藏深度的信息，然后可以通過在選定的潛在微觀位置上使用地震反射來更精確地確定。通過近表面電阻率斷層攝影數據可以顯著降低可控源音頻大地電磁測量法反演方法的解釋模糊性，特別是在更深的地方。可以說，可控源音頻大地電磁測量法在礦山地質環境中發揮著重要的作用，能夠降低人力成本，而且還可以節約勘探時間，最重要的是提高了勘探的精準度。可控源音頻大地電磁測量法的一個缺點在于該設備的成本過高，如果能將設備成本降低將會在地質勘探中運用更加廣泛。