孫曉峰，張國鴻

(1.安徽省公益性地質調(diào)查管理中心，安徽 合肥 230601；2.安徽省地球物理地球化學勘查技術院，安徽 合肥 230022)

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張量CSAMT法在深部礦體上的試驗結果

孫曉峰1，張國鴻2

(1.安徽省公益性地質調(diào)查管理中心，安徽 合肥 230601；2.安徽省地球物理地球化學勘查技術院，安徽 合肥 230022)

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)是地球物理界在深部找礦工作中使用的主要方法之一，長期以來，人們一直采取CSAMT的標量測量方式。然而，標量測量僅適用于地下介質為一維的電性結構。張量CSAMT法滿足二、三維地下介質的探測條件，開展張量CSAMT法深部找礦的試驗工作、研究數(shù)據(jù)采集技術、考察它的地質勘探效果對深部找礦工作有著重要的指示意義。本文給出了一個在大型已知深部多金屬礦床區(qū)張量CSAMT法三種不同激發(fā)方式場源的應用實例，展示了不同結構的發(fā)射場源的張量CSAMT法試驗工作的效果。試驗工作結果表明，根據(jù)地質構造走向或礦體走向采用不同方向交替發(fā)射的電偶極子場源，張量CSAMT法在對地層、巖體的劃分以及圈定巖體內(nèi)部的礦體分布等方面獲得的地電異常特征不盡相同，在實際工作中需考慮發(fā)射場源的方向問題。

張量CSAMT；深部找礦；試驗結果

1　引　言

可控源音頻大地電磁測深法(Control-Source Audio Magnetotelluric Sounding，簡稱 CSAMT)，最早由加拿大多倫多大學Strangway教授和他的研究生Goldstein提出。這種方法采用人工的電性源發(fā)射電磁波，以彌補天然場信號弱的不足，具有發(fā)射功率大、分辨能力高和抗干擾能力強等特點，探測深度可達數(shù)公里，所以地球物理界一直認為它具有尋找深部礦床的能力。CSAMT法依據(jù)場源結構和測量的地電結構屬性，可分為標量測量、矢量測量和張量測量等方式[1]。在國外，由德國科研和教育部(BMBF)支持的多學科研究項目EeoEn，使用張量CSAMT系統(tǒng)來探測地熱能儲，二氧化碳捕獲、運輸和地下存儲地點以及天然氣頁巖富集區(qū)[2]。1987年，日本學者在日本Akenobe礦床上開展了張量CSAMT試驗，獲得了較好的應用效果[3]。1993年，加拿大地質調(diào)查局的Boerner等在加拿大的紐芬蘭地區(qū)的Buchans礦上開展了張量CSAMT測量，較好地解決了與礦床有關的地質問題[4]。隨后，美國電磁法著名學者Wannamaker在新墨西哥灣的Valles Caldera開展了張量CSAMT研究，他認為標量CSAMT的近源效應有時被嚴重低估，在地質情況復雜的三維地區(qū)必須進行張量CSAMT測量與解釋[5,6]。在國內(nèi)，張量CSAMT測量的應用研究工作目前仍處于起步階段，黃高元等在已知礦床區(qū)進行了CSAMT法的張量測量與標量測量的對比試驗工作[7]。雷達等對張量可控源大地電磁法進行了初步實際應用[8]。本文針對張量CSAMT法的不同結構的發(fā)射場源在已知深部體上進行了對比試驗，給出了三種不同結構的發(fā)射場源測量結果。結果表明由于發(fā)射場源的激發(fā)方向不同，得到的測量結果是不同的，在實際工作中需考慮發(fā)射場源激發(fā)方向的問題。

2　試驗區(qū)地質與地球物理特征

試驗區(qū)位于安徽省銅陵市東約40km的姚家?guī)X大型銅鉛鋅多金屬礦區(qū)。該礦區(qū)是新一輪找礦工作以來在安徽省境內(nèi)發(fā)現(xiàn)的一個大型多金屬礦床，處于銅陵礦集區(qū)最東部[9]。

2.1地質概況

1)地層：礦區(qū)南部出露有志留系中下統(tǒng)至泥盆系上統(tǒng)的一套淺海相至陸相碎屑巖。礦區(qū)中部及東部主要分布有石炭系至三疊系中下統(tǒng)的灰?guī)r、白云質灰?guī)r、白云巖等淺海相碳酸鹽巖，夾硅質頁巖和煤系地層。礦區(qū)北部的大片地區(qū)分布了白堊系下統(tǒng)蝌蚪山組火山碎屑巖(圖1)。

2)褶皺：區(qū)內(nèi)褶皺構造為戴公山背斜，背斜長約20km，軸向50°～60°，軸面傾向南東，傾角55°左右。核部地層為志留系高家邊組、墳頭組、茅山組,北西翼地層出露齊全，從泥盆系上統(tǒng)五通組至三疊系下統(tǒng)南陵湖組均有出露，地層倒轉，傾向南東，傾角30°～50°；南東翼地層因斷陷出露零星，地層正常，傾向南東，傾角40°～60°。

3)巖漿巖：區(qū)內(nèi)巖漿活動強烈，主要為燕山期侵入活動，分布有沙灘角花崗閃長巖體、姚家?guī)X花崗閃長斑巖體和青山花崗閃長斑巖體。沙灘角花崗閃長巖體位于礦區(qū)西部，平面呈半圓狀，面積5.5 km2，呈巖株狀侵入；姚家?guī)X花崗閃長斑巖體位于礦區(qū)內(nèi)，與成礦關系密切；青山花崗閃長斑巖體位于礦區(qū)北東部，與姚家?guī)X巖體為同源侵入體且礦化特征相似。另外，礦區(qū)北部分布有大片白堊系蝌蚪山旋回噴出巖，主要巖性為流紋巖、安山巖、玄武巖。

4)礦體特征：礦區(qū)內(nèi)銅鉛鋅礦體主要呈透鏡狀、脈狀賦存在隱爆斑巖體內(nèi)大理巖捕擄體的層間裂隙和角礫狀花崗閃長斑巖中。從上到下礦體大致呈雁行排列，總體走向南東東，傾向北北東，傾角淺部30°～40°，深部變陡為50°～60°。

2.2地球物理特征

1)激電異常[10]：在姚家?guī)X巖體上方及其兩側為近東西向的高極化異常帶，且具有兩個異常中心(Ⅰ、Ⅱ號異常)，視極化率(ηs，單位：%)異常幅值達到8%～9%(圖2)。

2)礦區(qū)巖礦石電性參數(shù)如表1所示。由表1可知，銅鉛鋅礦石具有低阻、高極化特征。

圖1　礦區(qū)地質圖Fig.1　Geological map of mining area

圖2　礦區(qū)視極化率異常等值線平面Fig.2　The contour of the apparent polarization anomaly in the mining area

巖礦石ηs/%ρs/Ω·m灰?guī)r2.4n×103砂巖3.2993花崗閃長巖2.8n×102銅礦石18.5280鉛鋅礦石19.0360硫鐵礦石18.0220

3　試驗工作

3.1工作原理

大地電磁阻抗與電磁場的關系為[11-14]

Ex=ZxxHx+ZxyHy

(1-1)

Ey=ZyxHx+ZyyHy

(1-2)

式中，Ex、Ey是地面上一對相互正交的電場水平分量(單位：mV/km)；Hx、Hy是地面上一對相互正交的磁場水平分量(單位：A/m)；Zxx、Zxy、Zyx、Zyy稱為張量阻抗元素(單位：Ω)。

根據(jù)(1)式，在一維情況下，阻抗張量的對角線元素Zxx=Zyy=0，反對角線元素大小相等且符號相反，即Zxy=-Zyx=Z。在二維情況下，當測量坐標軸旋轉到電性主軸方向時，阻抗張量的對角線元素Zxx=Zyy=0，而反對角線一般不相等，即Zxy≠Zyx。在三維構造情況下，電場Ex(Ey)不僅與Hy(Hx)有關，而且與Hx(Hy)有關，此時阻抗張量對角線元素既不為零也不相等。根據(jù)數(shù)學原理可知，由(1)式求出四個張量阻抗元素Zxx、Zxy、Zyx、Zyy，至少要有兩組相互獨立的電磁場觀測值(即要有兩個獨立的發(fā)射場源)，構成如下聯(lián)立方程式：

E1x=ZxxH1x+ZxyH1y

(2-1)

E1y=ZyxH1x+ZyyH1y

(2-2)

E2x=ZxxH2x+ZxyH2y

(2-3)

E2y=ZyxH2x+ZyyH2y

(2-4)

解(2)式得

(3-1)

(3-2)

(4-1)

(4-2)

以上公式中的下角碼1和2表示不同極化方向的發(fā)射場源。

由此可見，通過在地面上觀測不同頻率的電磁場信號Ex、Ey和Hx、Hy，就可獲得張量阻抗元素值Zxx、Zxy、Zyx、Zyy，進而了解地下不均勻地質體的分布特征。

張量CSAMT測量與標量CSAMT測量的最大不同之處在于，發(fā)射場源應有兩個或兩個以上不同激發(fā)方向的水平電偶極子來接收相互正交的電場水平分量Ex、Ey和磁場水平分量Hx、Hy。當采用兩個水平電偶極子的發(fā)射裝置時，一般采用相互正交的一對水平電偶極子進行交替發(fā)射，在地中建立一對互為垂直的電流矢量，交替發(fā)射偶極裝置見圖3。

圖3　張量CSAMT交替偶極發(fā)射裝置示意圖(圖中TXM-22為發(fā)射機)Fig.3　Schematic of alternating dipole transmitter devices of tensor CSAMT(figure TXM-22 for the transmitter)

在圖3(a)中，先向供電電極U、W注入電流，可形成W←→U方向的發(fā)射偶極；再向供電電極對V、W注入電流，可形成W←→V方向的發(fā)射偶極。在圖3(b)中，分別使電極U←→V、U←→W間有等強度的電流，其合成的電流矢量方向為0°，然后再向電極W、V同時供電，形成W←→V間的電流矢量為90°，結果就得到了交替偶極發(fā)射方式。

3.2試驗工作

試驗工作在姚家?guī)X礦區(qū)主礦帶的地質勘探39號線上進行(圖1)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖4所示。發(fā)射系統(tǒng)(TXM-22)同時向供電電極U、V、W注入電流至地下，規(guī)定測線方向為0°,使合成電流方向分別形成0°—90°、45°—135°、30°—165°的三組相互交替發(fā)射的電偶極子。供電電極U、V、W相距1 000 m，接收電偶極距MN=40 m，收

圖4　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作示意圖Fig.4　Working diagram of data acquisition system

發(fā)距R=7 350 m，測點距=50 m，工作頻率f=0.125～8 192 Hz。試驗儀器為德國Metronix公司產(chǎn)的GMS-07e綜合電磁儀，發(fā)射系統(tǒng)采用兩個相互交替電偶極子發(fā)射，同時接收電場水平分量(Ex、Ey)和磁場水平分量(Hx、Hy)。

4　觀測結果與分析

4.1觀測結果

圖5是不同激發(fā)方向的發(fā)射場源張量CSAMT觀測結果。

圖5(a)是地質勘探剖面。規(guī)定測線方向為0°(圖4)，其中，圖5(b)是0°～90°一組的交替發(fā)射場源(平行于測線和垂直于測線的正交電偶極子)測量結果的TM模式二維反演電阻率等值線斷面圖；圖5(c)是45°～135°一組的交替發(fā)射場源(正交電偶極子)測量結果的TM模式二維反演電阻率等值線斷面圖；圖5(d)是30°～165°一組的交替發(fā)射場源(不正交電偶極子)測量結果的TM模式二維反演電阻率等值線斷面圖。

圖5(b)中108號測點以北的200 m以淺的低阻異常區(qū)與地質勘探剖面中的白堊系下統(tǒng)蝌蚪山組(K1k)火山碎屑巖的分布范圍和產(chǎn)狀一致。圖中上部(108號測點以南)和中深部(>400 m深度)的高阻異常反映了不含礦體的花崗閃長斑巖分布狀況。深部存在一個明顯的傾向北東的低阻異常區(qū)，低阻異常的傾斜形態(tài)與礦體、二疊系灰?guī)r以及花崗閃長斑巖的傾向一致，但與礦體富集區(qū)間并不完全對應。

圖5　不同激發(fā)方向電偶極子張量CSAMT觀測結果Fig.5　Inverted results of Tensor CSAMT with different electric dipole polarization directions

圖5(c)中大于200 m深度表現(xiàn)為兩側高阻異常中間夾一漏斗狀低阻異常區(qū)，異常特征揭示了該區(qū)斑巖型礦床的特點。漏斗狀低阻異常中心往深部略向南西(剖面左端)偏移，低阻異常區(qū)的寬度與礦體富集區(qū)間大體相等，低阻異常等值線略向南西扭曲，與礦體在地質剖面圖中深部多層呈“雁行排列”的銅、鉛、鋅礦體方向一致；二維反演電阻率等值線斷面圖上部低阻異常除與第四系蓋層有關外，還與白堊系下統(tǒng)蝌蚪山組(K1k)火山碎屑巖分布大體吻合。

圖5(d)中200 m以下顯示為大范圍向南西傾斜的低阻異常區(qū)，但低阻異常中心大約在120號測點的400 m深度處，與礦體富集中心(大約為115號測點的700 m處)差異大，二維反演電阻率等值線斷面圖表現(xiàn)出的地電異常特征，無論是對巖體的分布，還是對礦體的賦存狀況，其觀測結果對深部找礦的效果均很差。

4.2觀測結果分析

圖6是姚家?guī)X礦床區(qū)主礦帶上1 200 m以上銅、鉛、鋅礦體的平面投影圖。由圖6可見，礦區(qū)主礦帶位于戴公山背斜北東端的轉折部位，主礦帶的走向約北東東70°，而測線方向為北東20°，測線方向與主礦帶不垂直，它們之間的夾角為50°左右。根據(jù)礦區(qū)地質資料[9]，戴公山背斜軸部在39線西發(fā)生了向東轉折，使北西翼地層走向呈近東西向，測線方向與戴公山背斜軸部和北西翼地層近似垂直。

鑒于上述測線方向與主礦帶和地質構造(戴公山背斜)走向的關系，對三種激發(fā)場源的張量CSAMT測量結果做分析。

圖5(b)是一對平行于測線和垂直于測線的交替電偶極子場源(0°～90°)的測量結果。由于一個電偶極子大致垂直于背斜軸部和地層走向，另一個電偶極子大致平行于背斜軸部和地層走向，所以測量結果對測線下方的地層分布以及產(chǎn)狀反映得很好；圖5(a)顯示，呈透鏡狀或脈狀的礦體主要賦存于花崗閃長斑巖巖體中二疊系灰?guī)r捕虜體的層間裂隙和層間破碎帶中，致使深部低阻異常形態(tài)與地層產(chǎn)狀和礦體傾向比較一致；由于發(fā)射場源方向與礦體走向夾角較小(50°左右)，使得深部的低阻異常范圍與礦體匯集區(qū)間不一致。

圖6　礦區(qū)主礦帶礦體平面投影Fig.6　Plane projection of ore bodies in main mining belt

圖5(c)是一對與測線呈45°～130°的正交的交替電偶極子場源的測量結果。由于測線與主礦帶夾角50°左右，所以該激發(fā)場源為一個電偶極子大致平行于主礦帶走向，另一個電偶極子大致與主礦帶傾向一致，這時，激發(fā)場源與礦體的耦合效果最好，所以圖5(c)測量結果的深部低阻異常區(qū)與礦體匯集區(qū)吻合得較好。

圖5(d)是一對與測線呈30°～165°的不正交的交替電偶極子場源的測量結果。由測線與背斜、主礦帶的關系，此場源無論是與地質構造、地層，還是與礦體的走向，既近似不平行，又近似不垂直，因此，它與地層和礦體的耦合效果最差。所以，二維反演電阻率等值線斷面圖的地電異常特征無論是對地層的分布，還是對礦體賦存位置，觀測結果表現(xiàn)得都差。

在姚家?guī)X銅、鉛、鋅礦區(qū)39號地質勘探線上進行的張量CSAMT測量，盡管采用了三種不同激發(fā)方向的交替發(fā)射電偶極子的場源，但測量剖面仍為同一條測線，圖5(b)、圖5(c)和圖5(d)的二維反演電阻率等值線斷面圖在反演前沒有進行電性主軸方向旋轉，反演工作是把測量坐標軸默認為電性主軸。

圖7(a)是根據(jù)姚家?guī)X39號地質勘探剖面和礦區(qū)電性參數(shù)建立的二維正演地電模型，x方向為測線方向，并垂直于礦體走向，發(fā)射場源為一對正交的電偶極子，一個電偶極子平行于測線方向，另一個垂直于測線方向。圖7(b)是正演計算結果的TM模式的電阻率等值線斷面。由圖7(b)可見，在礦體的對應部位形成了一個橢圓狀低阻異常，橢圓的長軸方向反映了地電模型剖面內(nèi)上、下兩層礦體的排列方向，低阻異常區(qū)外圍的電阻率等值線的延展方向與礦體傾向一致。

圖7　礦區(qū)39號勘探線正演計算模型與電阻率計算結果Fig.7　The forward modeling and resistivity calculation results of No.39 line in the mining area

5　結　論

張量CSAMT法的發(fā)射場源采用一對正交的電偶極子作為場源，特別適合探測具有一定走向的地質體。因為，該方法可將其中一個電偶極子布置成地質體的走向方向上，另一個電偶極子布置成地質體的傾向方向上，使激發(fā)場與待探測的目標體達到最佳有效耦合。因此，當事先知道待測的目標體走向的情況下，張量CSAMT測量宜采用一對正交的電偶極子作為場源，同時，應將一個電偶極子方向平行于目標體走向，另一個電偶極子垂直于目標體的走向進行布設場源。

當探測深覆蓋層下的隱伏地質構造或礦體時，因為對地質體的走向不甚清楚，造成測量坐標軸與電性主軸偏移大，此時張量CSAMT法的測量結果應進行電性主軸旋轉，以提高地電斷面的二維反演工作效果。

金屬礦區(qū)地質構造往往比較復雜，地下電性結構不再是一維或二維的。用可控源大地電磁法進行深部找礦，建議采用張量CSAMT測量，以彌補標量CSAMT測量的缺陷。但是由于發(fā)射的電偶極子數(shù)目越多，采樣時間將成倍增加，使得工作效率降低、成本加大，因此建議采用一對正交的電偶極子作為發(fā)射場源比較合適。

張量CSAMT法的場源結構設計方案和觀測技術需進一步進行試驗研究，以提高張量CSAMT法解決復雜地質構造問題的能力。由于張量CSAMT法反演計算仍是基于天然大地電磁場理論，因此急需研發(fā)張量CSAMT法二、三維的反演方法和計算軟件，加速推進張量CSAMT法的實際應用。

致謝：本文得到了中國地質大學(武漢)地球物理與空間信息學院徐義賢教授的大力幫助和指導，在此表示衷心的感謝！

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The Experimental Results of Tensor CSAMT Method in Deep Ore Area

Sun Xiaofeng1，Zhang Guohong2

(1.PublicGeologicalSurveyManagementCenterofAnhuiProvince,HefeiAnhui230601,China;2.InstituteofGeophysicalandGeochemicalSurveyTechnologyofAnhuiProvince,HefeiAnhui230022,China)

Controlled-source magnetotelluric (CSAMT) is the main method used in the field of geophysical prospecting. It has been used for a long time by scalar CSAMT measurement mode. Scalar measurement is only applicable to the one-dimensional electrical structure of the underground medium. Tensor CSAMT measurement satisfies the conditions of two and three dimensional underground medium, and testing of its abilities in deep ore exploration has important significance for further application. In this paper, as real-world-example, the tensor CSAMT method has been applied to a large-scale deep multi-metal mine area with the well-controlled geological structure and mine distribution, aiming to discriminate the efficiencies of three different exciting sources and demonstrate its potentials in minerals exploration. The experiment results show that the efficiencies in imaging the strata, rock bodies division and ore bodies distribution are significantly dependent on coupling of field polarization directions and strikes of structure and ore deposits. And the direction of the emission source should be considered in practice.

tensor CSAMT; deep ore prospecting; Test results

1672—7940(2016)04—0435—08

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.04.006

安徽省國土資源科技項目(編號：2013-k-4)

孫曉峰(1965-)，男，高級工程師，主要從事物探技術及管理工作。E-mail：sxf65@163.com

P631.3

A

2016-06-01