王興春， 楊　毅， 鄧曉紅， 張　杰， 武軍杰

(中國地質科學院　地球物理地球化學勘查研究所，廊坊　065000 )

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定源回線三分量測量在夏日哈木銅鎳礦礦區(qū)有效性試驗

王興春， 楊毅， 鄧曉紅， 張杰， 武軍杰

(中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所，廊坊065000 )

摘要：通過定源回線三分量模擬計算，歸納了定源回線三分量變化特征與地下板狀體產(chǎn)狀對應關系。在此基礎上對夏日哈木銅鎳礦區(qū)已知剖面的定源回線三分量數(shù)據(jù)進行分析和反演解釋。結果表明，①充分利用三分量數(shù)據(jù)信息，有利于快速圈定異常中心在地面的位置；②根據(jù)水平分量的零等值線與發(fā)射框對稱剖面(南北和東西向)的相對位置關系，可定性判斷地下礦體頂界面的起伏狀況或礦體產(chǎn)狀變化情況；③結合Z分量一維反演結果與水平分量定性解釋成果對照分析，表明了三分量數(shù)據(jù)聯(lián)合解釋有助于提高定源回線解釋成果的可靠性。

關鍵詞：瞬變電磁； 零等值線; 定源回線； 三分量； 產(chǎn)狀； 銅鎳礦

0引言

在以往的瞬變電磁法勘探中，垂直分量往往是被關注和研究的主要對象。這主要是由于垂直分量容易測量、信噪比高、易于反演和解釋，而水平分量信號弱，信噪比低等因素，使得水平分量的反演解釋相對滯后。隨著三分量瞬變電磁 (以下簡稱三分量)探頭的出現(xiàn)，三分量解釋技術的研究逐步成為該研究領域的又一方向[1-6]，席振銖等[7]、劉劍[8]開展了定源回線三分量模擬計算，分析不同產(chǎn)狀的板狀體三分量的特征，結合實際地質剖面，說明了綜合分析三分量信息有助于異常解釋；劉金濤等[9]就三分量解釋的諸多優(yōu)點進行了分析，并結合水文勘查中實測三分量數(shù)據(jù)解釋取得了良好效果；韓子豪[10]對磁偶源瞬變電磁場各磁場分量進行了推導計算，研究結果表明，二次磁場水平分量較垂直分量對低阻體有更高的敏感性；譚劭聰[11]通過對瞬變電磁場模擬計算，以定義的垂直分量和水平分量比值特征函數(shù)為解釋工具，說明了三分量解釋的優(yōu)越性。國外如Zonge、Carlson[12]和Zonge[13]等分別探討了三分量在管線探測中的作用和實際測量工作，水平分量發(fā)現(xiàn)了垂直異常未能識別的地下電纜等；McNill等[14-15]對三分量的測量意義進行了分析說明，但沒有對其規(guī)律性進行總結分析；Chen等[16]進行了三分量模擬計算和已知礦區(qū)試驗，取得了良好效果。由此可見，三分量的聯(lián)合解釋，對提高解釋精度具有重要意義。

在模擬計算基礎上，以夏日哈木實測數(shù)據(jù)為例，開展了三分量數(shù)據(jù)的聯(lián)合處理解釋。對均勻半空間條件下不同產(chǎn)狀板狀體的三分量特征進行分析后認為，三分量的變化與板狀體的產(chǎn)狀密切相關，當測線垂直板狀體走向且板狀體有一定傾角時，Z分量異常中心與板狀體中心在地面的投影相重合，平行測線的水平分量零值點位置偏離中心位置且與傾向方向反向。通過對實測數(shù)據(jù)的三分量的特征分析對比，取得了良好效果。

1模擬計算

1.1不同產(chǎn)狀板狀體定源回線三分量特征

理論上，均勻半空間或水平層狀地層在發(fā)射線框中心處的二次磁場水平分量為零，這是由于水平分量接收線圈位于地下瞬變電磁響應的無感應角位置。當?shù)叵陆橘|不滿足一維假設條件時，其水平分量不再為零，據(jù)此可以推斷地下不均勻體的賦存情況及地層的產(chǎn)狀等[11]。

圖1(a)為均勻半空間內一傾斜板狀體定源回線三維模型。設置參數(shù)為：線距為100 m，點距為50 m，采用Crone 50 ms標準采樣道，下降沿為1 ms，發(fā)射框大小為600 m×600 m,發(fā)射電流為20 A，均勻半空間電阻率為600 Ω·m，板狀體大小為400 m×200 m，電導率為100 s，埋深為175 m，向北35°傾斜，采用框內測量，測線正南北布設，測線最南端從50號測點起算。如圖1(b)所示，紅色600 m×600 m正方形大框為發(fā)射框，內部綠色矩形框為傾斜板狀體在地面的投影。在Maxwell軟件中，規(guī)定以測線正(北)方向為X分量正方向，Y分量正方向垂直X分量，且遵循右手定則，Z分量垂直向上。

圖1　定源回線正演計算Fig．1　Fix forward modeling(a)定源回線三維正演模型；(b)測線和發(fā)射框平面位置關系；(c)均勻半空間Z分量15測道響應等值線圖；(d)均勻半空間X分量15測道響應等值線圖；(e)均勻半空間Y分量15測道響應等值線圖；(f) 均勻半空間含傾斜板狀體條件下Z分量15測道響應等值線圖；(g)均勻半空間含傾斜板狀體條件下X分量15測道響應等值線圖；(h) 均勻半空間含傾斜板狀體條件下Y分量15測道響應等值線圖

圖1(c)～圖1(h)分別為均勻半空間和均勻半空間含傾斜板狀體條件下第15采樣道的Z、X、Y分量響應幅值平面等值線圖。當?shù)叵聻榫鶆虬肟臻g或層狀介質時，Z分量響應幅值等值線以(300,300)為中心對稱，X和Y分量幅值則分別以N300和E300對稱，見圖1(c)～圖1(e)。L13線E坐標為300，發(fā)射框南北向坐標為N300；由于板狀體的存在，這種對稱性已不復存在，Z分量異常中心明顯南移，與板狀體在地面投影位置相吻合，X分量的零等值線由于板狀體的傾斜，向傾向反方向移動，而Y分量由于板狀體的對稱性，零等值線幾乎與E300線重合，見圖1(f)～圖1(h)。

1.2模擬計算結果

X、Y分量具有等價性，只是規(guī)定測線方向與X分量相同而已，在不同傾角條件下分別開展了正演模擬計算，當板狀體西傾時，Y分量表現(xiàn)出與X分量類似的特性，即零等值線向傾向反向方向移動。

結果表明，不同產(chǎn)狀板狀體條件下，水平分量的變化特征與板狀體的產(chǎn)狀密切相關。水平分量零等值線圖表明，①當板狀體傾斜時，垂直走向的水平分量零等值線總是偏離發(fā)射框的對稱中心，并和板狀體傾向方向相反，該偏移距離與板狀體的傾斜角度呈正比關系；②垂直分量的異常中心總是和板狀體在地面的投影中心相對應?？梢姡至宽憫卣髋c地下礦體產(chǎn)狀密切相關。聯(lián)合三分量開展解釋工作，對快速圈定礦體異常中心、判斷礦體產(chǎn)狀有著實際意義。

2定源回線三分量實例分析

結合青海夏日哈木銅鎳礦區(qū)定源回線三分量數(shù)據(jù)反演解釋為例，說明聯(lián)合三分量開展解釋工作必要性和重要性。

2.1測區(qū)地質及地球物理特征

夏日哈木礦區(qū)為一巖漿熔離型銅鎳硫化物礦床。其中HS26號異常區(qū)為本次瞬變電磁有效性試驗的首選區(qū)。該區(qū)內超基性-基性雜巖體呈橢圓狀近東西向展布，南西段隱伏與金水口群之下，剖面上表現(xiàn)為北部南傾，南部北傾。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。礦石礦物主要為黃銅礦、鎳黃鐵礦、磁鐵礦、磁黃鐵礦等。礦體多呈厚大的似層狀，一般上部以浸染狀、團塊狀礦石為主，中下部及底部多為稠密浸染狀、致密塊狀礦石，少數(shù)礦體呈透鏡狀、漏斗狀位于巖體上部成上懸礦體或呈條帶狀分布于巖體中。

物性測量結果表明，夏日哈木礦區(qū)巖(礦)石具有“低阻、高極化、高磁、高密度 ”的特征，在該地區(qū)具備開展重力、磁法、電法工作的物性前提條件。

2.2方法技術

由于夏日哈木礦區(qū)地形較陡，在礦區(qū)開展定源回線三分量測量避免了中心回線在陡峭地段施工難的問題。采用加拿大Crone公司的PEM系統(tǒng)開展野外數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場根據(jù)地質資料和情況，部署了600 m×600 m的發(fā)射框，發(fā)射電流15 A，采樣時間采用Crone 50 ms標準時間道。由于是方法有效性試驗工作，瞬變電磁測線與勘探線線距保持一致都為80 m，點距為50 m，測線近乎南北向布設，與發(fā)射框相對位置關系如圖2所示。局部由于地勢陡峭，個別測點放棄數(shù)據(jù)采集,圖2中800號點所在東西向線及L13線分別為發(fā)射框東西和南北對稱剖面。

圖2　定源回線平面布置圖Fig．2　Plane for fix loop

2.3成果處理與解釋

圖3為三分量剖面曲線，由上而下依次為L09、L11、L13、L15、L17測線三分量剖面曲線。圖4 由上而下依次為CH4、CH8、CH12、…、CH28測道Z分量響應等值線圖與相應測道水平分量零等值線的對照圖。

由圖3可知：①L09、L11測線Z分量剖面曲線異常響應較大，隨著測線西移，響應值逐漸變緩；②X分量在剖面曲線上有一個明顯的零值過渡點，隨著測量時間增大，X分量零等值線逐漸南移，最后趨于穩(wěn)定，變化相對較緩，位置在800號點以南，這表明礦體產(chǎn)狀北傾的特征；③Y分量隨著測線西移，經(jīng)歷了一個由負到正的變化過程，且前三條測線都為正異常響應，通過對Y分量繪制平面等值線分析發(fā)現(xiàn)，在早、中期過渡階段Y分量的零等值線由西向東發(fā)生了較大的移動,且在L13線以東，這表明地下異常體產(chǎn)狀在東西向變化較南北向變化更劇烈，礦體產(chǎn)狀具有強烈的西傾特征。

圖3　定源回線三分量剖面曲線Fig．3　Three Component profile for Fix loop

由圖4可見，隨著采樣時間增大，Z分量異常由早期的零散異常逐漸向東南方向收斂，表明地下異常體在淺部分散，而在深部主要集中在測區(qū)東南部，而X、Y分量隨著時間增大，零等值線位置逐漸趨于穩(wěn)定，且兩者交點向Z分量異常中心靠攏。根據(jù)模擬計算結果，測區(qū)東南部Z分量高異常區(qū)及水平分量零等值線交點部分即為礦體的中心部位。此外，對于Y分量，L9測線為負異常響應且值最大，這表明地下異常中心在其正異常方向，且距離較近，可見水平分量對異常中心具有指向性。

圖4　Z分量等值線圖與水平分量零等值線對應關系Fig．4　Z component and horizontal component zerocontour relation correspondence

據(jù)此，根據(jù)現(xiàn)場收集地質剖面，對含礦巖體的頂界面起伏情況進行了繪圖分析(圖5)。含礦巖體頂界面在測區(qū)東南部ZK1105附近(對應測點范圍700 m～750 m)達到了最大，而在測區(qū)西北方向最小。測區(qū)內，礦體頂界面南北方向變化相對較緩，而東西方向變化劇烈，這與前面X、Y分量的變化趨勢是相對應的。

圖5　含礦巖體頂界面高程等值線圖Fig．5　Contour for ore top

2.4瞬變電磁1D反演

對Z分量1D反演結果與實際地質剖面進行分析，并結合水平分量定性分析結果對一維反演結果進行分析，說明三分量聯(lián)合解釋的可靠性和優(yōu)越性。如圖6～圖8所示，地質剖面近乎南北向，鉆孔間距為80 m。勘探剖面成果表明，含礦巖體接近層狀分布，在布設發(fā)射回線時，將該部分礦體置于發(fā)射框內，以達到最佳耦合效果，瞬變電磁剖面向13號鉆孔北邊延伸100 m，以確保有一定規(guī)模的背景場。

L11、L13號測線礦體厚度較大且產(chǎn)狀平緩，隨著測線西移，礦體厚度變薄、產(chǎn)狀變陡，表現(xiàn)為明顯的向北傾斜的特征。此處選擇L11、L13、L17線反演結果進行分析。圖6～圖8為L11、L13、L17線瞬變電磁Z分量一維電阻率反演斷面圖與地質剖面的對照圖。由圖6～圖8可知,反演結果中低阻部分形態(tài)較好地反應了含礦巖體的產(chǎn)狀、埋深等參數(shù)。L11、L13測線反演結果也表明，下部含礦巖體頂界面相對平緩。而L17測線反演斷面表明，含礦巖體頂界面出現(xiàn)明顯的北傾特征，這與地質剖面中含礦巖體分布形態(tài)高度吻合，同時這種北傾的特征與上面X分量零等值線始終保持在800號測點以西相一致。L11、L13測線下方存在相對較厚礦體且礦體埋深小于L15、L17測線，礦體這種西傾特征與圖4中Y分量在中晚期零等值線嚴重向東偏離,東西向對稱中心(L13線)相一致。

圖6　　L11線1D電阻率反演斷面圖及地質剖面Fig．6　1D resistivity inversion section and geology profile for L11

圖7　　L13線1D電阻率反演斷面圖及地質剖面Fig．7　1D resistivity inversion section and geology profile for L13

圖8　　L17線1D電阻率反演斷面圖及地質剖面Fig．8　1D resistivity inversion section and geology profile for L17

綜上所述，在未知區(qū)開展定源回線瞬變電磁時，根據(jù)Z分量反演結果與水平分量的對應關系，可快速圈定異常區(qū)域、有效地判斷地下礦體的產(chǎn)狀、分布形態(tài)等因素。

3結論與存在問題

野外采集工作中地形起伏較大(最大落差84 m)，反演工作是基于發(fā)射、接收在同一平面內開展的，導致剖面反演深度存在一定誤差,但并不影響說明問題。通過模擬計算和實測數(shù)據(jù)反演、分析后認為，開展瞬變電磁三分量反演解釋工作存在以下優(yōu)點和問題：

1)充分利用三分量信息，克服了單一分量的局限性，有利于快速圈定地下異常體在地表的異常中心范圍。

2)利用水平分量零等值線與發(fā)射框對稱軸的相對位置關系，可定性判斷地下礦體的產(chǎn)狀等參數(shù)，結合垂直分量反演結果，兩者相互印證，確保了反演結果的可靠性。

3)在面積性測量工作中，在測區(qū)內開展1～2條三分量測量，充分利用水平分量指向性的特點，可快速判斷地下異常體相對測線的方位，后期有針對性地開展工作，能有效節(jié)約勘探成本。

4)目前水平分量僅限于定性解釋，由于地下礦體為不規(guī)則三維體，開展單一的板狀體擬合工作很難得到理想的結論，水平分量的定量化反演解釋還需要進一步開展理論研究，最大限度地利用水平分量信息，提高瞬變電磁綜合解釋推斷能力。

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收稿日期：2015-03-12改回日期：2015-04-03

基金項目:地質大調查項目(12120113031700，12120113100500)

作者簡介：王興春(1975-)，男，碩士，高級工程師，主要從事瞬變電磁法研究工作，E-mail:wangxingchun@igge.cn。

文章編號：1001-1749(2016)03-0327-07

中圖分類號：P 631.3

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.03.06

Effective test for three-component data of fixed TEM in Xiarihamu Cu-Ni ore mine

WANG Xin-chun, YANG Yi, DENG Xiao-hong, ZHANG Jie, WU Jun-jie

(Institute of Geophysical and Geochemical Exploration,CAGS065000,China)

Abstract:We summarized the corresponding relation between three-component variation and plate’s occurrence after the three-component simulation. On the basis of this analysis, we make an analysis, inversion and interpretation on field data from known section in Xiarihamu mine. The results indicate that it is helpful to locate anomaly center position on the ground by taking full advantage of three component data information; According to the relative position between horizontal component’s zero contours and transmitter loop symmetrical profile (north-south and east-west) we can make a qualitative judgment about variation of ore top interface or its occurrence; After comparison between Z component 1D inversion section and qualitative interpretation from horizontal components data we think it has a practical significance to improve the reliability about fixed loop interpretation.

Key words:TEM; zero contour; fixed loop; three component; occurrence; Cu-Ni ore