張 凱，許傳建，黃素荷，汪青松，崔先文，張 旭

(安徽省勘查技術(shù)院，合肥 230031)

0 引言

近年來(lái)，隨著地質(zhì)找礦向縱深發(fā)展，具有探測(cè)深度大、勘探能力強(qiáng)、分辨率高等特點(diǎn)的可控源音頻大地電磁法(CSAMT)被廣泛應(yīng)用[1-2]。CSAMT法是在大地電磁法(MT)、音頻大地電磁法(AMT)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，基本原理相同，均是研究地下介質(zhì)導(dǎo)電性差異的方法。不同的是，MT、AMT法使用的是天然場(chǎng)源，而CSAMT法則使用人工場(chǎng)源，CSAMT法所觀測(cè)電磁場(chǎng)的頻率、場(chǎng)強(qiáng)和方向可由人工控制，克服了因天然場(chǎng)相對(duì)較弱、人文干擾較大時(shí)觀測(cè)的困難，其極化方向明顯，信噪比高，易于觀測(cè)。

然而，正因?yàn)镃SAMT法采用了人工場(chǎng)源，從而出現(xiàn)了許多在MT、AMT法中不會(huì)或很少遇到的因人工場(chǎng)源而引起的場(chǎng)源效應(yīng)問(wèn)題，如:過(guò)渡帶效應(yīng)、近區(qū)效應(yīng)、附加效應(yīng)、陰影效應(yīng)等。其中，最為突出的近區(qū)效應(yīng)問(wèn)題，直接制約了CSAMT法的有效探測(cè)深度，嚴(yán)重影響了CSAMT法的勘探能力[3-4]。

1 近區(qū)場(chǎng)的產(chǎn)生

CSAMT法是一種人工源頻率域電磁測(cè)深方法，其理論基礎(chǔ)遵循電磁場(chǎng)理論。生產(chǎn)中，CSAMT法通常采用電偶極子場(chǎng)源，它產(chǎn)生的電磁場(chǎng)由電磁場(chǎng)理論完整地描述[5]。

CSAMT法電偶極子場(chǎng)源是通過(guò)布設(shè)在地面長(zhǎng)導(dǎo)線AB兩端的電極向地下供以正弦交變電流，從而在AB導(dǎo)線上產(chǎn)生的電磁波向四面八方輻射，就其波的傳播途徑可分為天波、地面波和地層波三種。因CSAMT法使用的是音頻波，所以只研究到達(dá)MN接收端的地面波和地層波。

電磁波在地下的波長(zhǎng)遠(yuǎn)比空氣中的波長(zhǎng)小得多。這樣，沿地表傳向MN的地面波和直接在地層中傳播的地層波,在某一時(shí)刻由于波程的差別，就會(huì)在地面附近形成一個(gè)近于水平的波陣面，造成一個(gè)幾乎是垂直向下傳播的水平極化平面波[6]。在傳播過(guò)程中，地面波、地層波和平面波均與地下地質(zhì)體發(fā)生電磁作用，并把作用的結(jié)果反映到地面觀測(cè)點(diǎn)[6]。當(dāng)然，哪種波占主導(dǎo)能被地面儀器觀測(cè)到，這又與收發(fā)距r大小有關(guān)了。

理論上，當(dāng)r≥δ(δ為趨膚深度，δ=λ/2π，λ為波長(zhǎng))，可認(rèn)為地層波的影響已基本消失。當(dāng)r≥2πδ時(shí)或當(dāng)r≥6H時(shí)(H為最大探測(cè)深度)，定義為遠(yuǎn)區(qū)；當(dāng)r≤6H時(shí)，定義為近區(qū)。實(shí)際上，可將場(chǎng)源效應(yīng)成份在總的卡尼亞視電阻率參數(shù)響應(yīng)中不超過(guò)10%的區(qū)域稱為“遠(yuǎn)區(qū)”，把電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H完全飽和并且磁場(chǎng)H按衰減的帶稱“近區(qū)”，二者之間則為過(guò)渡帶[7]。

遠(yuǎn)區(qū)中，認(rèn)為地層波的影響已經(jīng)消失，但是當(dāng)發(fā)射頻率f大大降低以后，或者波長(zhǎng)λ很大時(shí)，地層波的影響又會(huì)加大。當(dāng)r≥6H且r≥δ時(shí)，CSAMT所測(cè)的測(cè)深曲線稱為波曲線或稱完全波曲線。在這種情況下，觀測(cè)結(jié)果只與垂直入射的水平極化平面波有關(guān)，這是至今CSAMT法中最好的利用場(chǎng)區(qū)。當(dāng)r≥6H且r≤δ時(shí)，稱為遠(yuǎn)區(qū)中的S區(qū)，在低頻段地層波又起了主導(dǎo)作用，此區(qū)段的測(cè)深曲線稱為S曲線，其觀測(cè)值與地電層的關(guān)系甚微，或只與總的縱向電導(dǎo)有關(guān)，其分辨力降低，測(cè)深曲線等值作用加大，地層各向異性影響增加。在近區(qū)測(cè)量時(shí)，其測(cè)深曲線的大部分或全部已成為S曲線，無(wú)法完成地質(zhì)探測(cè)任務(wù)[6]。應(yīng)盡可能避免在近區(qū)工作。

2 近區(qū)場(chǎng)的表現(xiàn)形式

2.1 在單點(diǎn)視電阻率與阻抗相位曲線上的表現(xiàn)

CSAMT法主要是采用在地面上同時(shí)觀測(cè)兩個(gè)正交的電場(chǎng)和磁場(chǎng)(如Ex和Hy)，通過(guò)兩者的比值來(lái)求得其視電阻率，稱為卡尼亞視電阻率，計(jì)算公式如下：

式中f為工作頻率。理論上，該式只適用于遠(yuǎn)區(qū)或者平面波區(qū)域，而對(duì)過(guò)渡帶或近區(qū)所計(jì)算的視電阻率則不能真實(shí)反映地下電阻率變化。圖1示出了有限場(chǎng)源條件下，均勻大地模型和層狀大地模型上CSAMT法卡尼亞視電阻率和阻抗相位測(cè)深曲線的基本特征[8]。

圖1顯示，在遠(yuǎn)區(qū)，隨地下真電阻率的變化而變化，在π/4值附近。在過(guò)渡帶，均勻大地模型反映不明顯，則呈下降趨勢(shì)；層狀大地模型與反映均較強(qiáng)烈，出現(xiàn)下沖的低阻假極值，顯示與斜率有關(guān)的明顯變化，快速趨向零甚至出現(xiàn)負(fù)值。在近區(qū)，隨頻率減小極速增大，趨于零[7]。在過(guò)渡帶呈現(xiàn)凹形，在近區(qū)呈45°的直線上升這一特點(diǎn)，是識(shí)別CSAMT法是否進(jìn)入近區(qū)場(chǎng)的主要標(biāo)志。

圖1 CSAMT法視電阻率與阻抗相位曲線基本特征[4]Figure 1 CSAMT apparent resistivity and impedance phase curves basic features[4]

圖2、圖3分別為泥河鐵礦區(qū)CSAMT法實(shí)測(cè)的單點(diǎn)測(cè)深曲線，其曲線特征與圖1中理論曲線是一致的。

2.2 在電阻率斷面圖上的表現(xiàn)

在電阻率斷面圖中，電阻率等值線在近區(qū)呈相互平行、數(shù)值快速增大特征。圖4為二層電性結(jié)構(gòu)，在高程約-60～-80m附近密集的等值線將斷面分為上下兩大電性層，上層電阻率小于下層。礦區(qū)鉆孔揭示，上層相對(duì)均勻的低阻區(qū)主要為第四紀(jì)黏土覆蓋層，下層高阻區(qū)則為前寒武紀(jì)變質(zhì)巖地層，變質(zhì)基底反映得非常清楚。顯然，下部高阻既是變質(zhì)巖地層的反映也包含著強(qiáng)烈的近區(qū)效應(yīng)成分。

圖5中，高程-300m附近存在一條波浪狀的橫向低阻條帶，很明顯是過(guò)渡帶的反映，其下電阻率隨深度急劇增大，電阻率等值線等間距平行變化、同步起伏，顯然存在嚴(yán)重的近場(chǎng)效應(yīng)。

由此可見，近區(qū)內(nèi)大片巨厚的高阻掩蓋掉有效的地電信息，嚴(yán)重影響對(duì)深部地質(zhì)認(rèn)識(shí)。

3 近場(chǎng)效應(yīng)校正

為了取得好的勘查效果，理論上要求CSAMT法應(yīng)保持在遠(yuǎn)區(qū)測(cè)量。但在實(shí)際工作中由于種種條件的限制，往往不得不在近區(qū)場(chǎng)內(nèi)觀測(cè)，特別是在高阻區(qū)或小收發(fā)距的時(shí)候，低頻段很容易就進(jìn)入近區(qū)場(chǎng)。在資料使用時(shí)，極易將深部近區(qū)場(chǎng)內(nèi)的大片高阻誤認(rèn)為是高阻體而解釋成巖體、灰?guī)r等，誤將過(guò)渡帶形成的低阻條帶理解為低阻地層。為了避免這種誤解，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中常進(jìn)行近場(chǎng)效應(yīng)校正[3-4]。

當(dāng)前，近場(chǎng)校正的方法很多，幾乎都是針對(duì)卡尼亞電阻率的，主要有：直接刪除近場(chǎng)頻段法、數(shù)據(jù)“三角形”校正法、K值校正法、多項(xiàng)式校正法、等效電阻率全頻域視電阻率校正法[3]及分段逼近全頻域視電阻率校正法[9]等。但所有近場(chǎng)校正方法都不是最有效和最完善的，處理后的近場(chǎng)成分還是無(wú)法消除，仍然影響著對(duì)深部信息的提取和認(rèn)識(shí)。

圖2 泥河鐵礦區(qū)CSAMT法實(shí)測(cè)卡尼亞視電阻率曲線Figure 2 Nihe iron ore area CSAMT measured Cagniard apparent resistivity curves

圖3 泥河鐵礦區(qū)CSAMT法實(shí)測(cè)阻抗相位曲線Figure 3 Nihe iron ore area CSAMT measured impedance phase curves

圖4 焦大郢鐵礦Ⅲ線CSAMT法電阻率斷面圖Figure 4 Jiaodaying iron ore line III CSAMT resistivity section

圖5 高甸CSAMT法4線電阻率斷面圖Figure 5 Gaodian line 4 CSAMT resistivity section

4 勘查實(shí)例

近場(chǎng)效應(yīng)主要產(chǎn)生在反映深部信息的低頻段，它的存在嚴(yán)重掩蓋和干擾深部有用的地電信息，目前已有的近場(chǎng)校正方法又不能完全消除近場(chǎng)效應(yīng)的影響，那么，近場(chǎng)區(qū)內(nèi)的資料就無(wú)法利用了嗎？實(shí)際上，生產(chǎn)中有大量實(shí)例表明，有些經(jīng)過(guò)近場(chǎng)校正處理后的地電斷面，仍有許多有益的地電信息可以利用，并取得一定的找礦效果。

4.1 深部斷裂構(gòu)造(破碎帶)

由于深部隱伏斷裂構(gòu)造往往位于反映深部信息的低頻段，絕大部分低頻段都處于近區(qū)或受近區(qū)場(chǎng)影響，能否在近區(qū)場(chǎng)內(nèi)有效識(shí)別深部信息是所期望的。好在深部斷裂構(gòu)造(破碎帶)與圍巖常有明顯的電性差異，尤其是含水或地?zé)崴畷r(shí)電阻率會(huì)顯著降低，呈明顯的低阻顯示。而近區(qū)場(chǎng)總以高阻形式表現(xiàn)，越向深部阻值越高。不難想象，位于高阻體(高阻圍巖與近場(chǎng)的綜合體)內(nèi)的低阻斷裂構(gòu)造(破碎帶)應(yīng)該會(huì)有所體現(xiàn)。

焦大郢鐵礦與西梢地?zé)峤蕴幱谕畋逼皆瑘D4與圖6所示的地電斷面結(jié)構(gòu)相似。圖6電性也是二層結(jié)構(gòu)，在高程約-160m附近致密等值線將斷面分為上下兩層。已知鉆孔揭示，上層電阻率幾十Ω·m為第四系松散覆蓋層，下層電阻率由近百至上千Ω·m為新太古界霍邱群變質(zhì)巖地層。下層近場(chǎng)效應(yīng)特征明顯。與圖4不同的是，圖6在-1 100～-1 800點(diǎn)，水平電阻率等值線明顯出現(xiàn)擾動(dòng)、下凹現(xiàn)象，尤其在高程-1 200 m以深的深部，出現(xiàn)“倒U形”低阻異常，表明深部存在隱伏斷裂構(gòu)造的可能。

進(jìn)一步將測(cè)區(qū)內(nèi)所有測(cè)線的CSAMT法電阻率斷面圖按實(shí)際位置組合在一起，深部“倒U形”低阻異常的空間展布形態(tài)和特征明顯，如圖7所示。

后在7線該低阻異常附近布置兩個(gè)驗(yàn)證孔(ZK1與ZK2)，如圖6所示。ZK1孔鉆進(jìn)至孔深476.92m時(shí)開始涌水，起初涌水量較小，水溫也較低，在繼續(xù)向下鉆進(jìn)過(guò)程中水溫漸高，涌水量漸大。在鉆進(jìn)至518.92m時(shí)，高溫、高壓的地?zé)崃黧w噴涌而出，孔口水溫為55.5℃，孔底(500m)水溫58.33℃，自流量約300m3/d。ZK2孔鉆至407m噴涌熱水，水溫及涌水同ZK1孔。兩孔均因熱水壓力太大無(wú)法施工而提前終孔。 ZK1、 ZK2兩孔皆在近場(chǎng)區(qū)內(nèi)低阻異常處發(fā)現(xiàn)了含地?zé)崴臄嗔褬?gòu)造(破碎帶)F2。后進(jìn)一步查明，F(xiàn)2斷裂走向北西，傾向北東，正斷層，為區(qū)內(nèi)主要張性斷裂。

4.2 深部礦體

圖8為朱沖鐵銅礦CSAMT法13線反演電阻率斷面圖，粗看起來(lái)圖中電性不甚規(guī)整，規(guī)律性不強(qiáng)。但除局部可能因電磁干擾而引起的擾動(dòng)異常外，電性分布還是較為正常的，斷面大體以 “K”型測(cè)深曲線為主，自上而下中部電阻率高于淺部與深部。由于該區(qū)電阻率整體較高，通常在n×103～n×104Ω·m，較早進(jìn)入近場(chǎng)效應(yīng)，高程-300 m以下即存在近場(chǎng)效應(yīng)。

注意到4 175～4 575點(diǎn)，在高程-1 000 m以下存在一開口向下的局部“倒U形”低阻異常，阻值小于1 000 Ω·m，內(nèi)部最低值僅為400Ω·m，其頂部和側(cè)邊電阻率值達(dá)1 500～4 000 Ω·m。 此地段現(xiàn)場(chǎng)無(wú)明顯外部電磁等干擾源，測(cè)深曲線也很圓滑、規(guī)整，原始數(shù)據(jù)品質(zhì)較高，因此確定深部低阻異常應(yīng)為地質(zhì)因素形成， 異常深度位于月山巖體內(nèi)部。但本區(qū)找礦近40多年來(lái)，沒(méi)有在巖體內(nèi)部發(fā)現(xiàn)規(guī)模礦體[10]。

圖6 西梢地?zé)?線CSAMT法電阻率斷面圖Figure 6 Xishao geothermal energy line 7 CSAMT resistivity section

圖8 朱沖鐵銅礦13線CSAMT法電阻率斷面圖Figure 8 Zhuchong iron-copper ore line 13 CSAMT resistivity section

在深埋1 000多米的深部出現(xiàn)如此形態(tài)姣好的低阻異常應(yīng)該引起足夠的重視，為此，結(jié)合其他CSAMT剖面對(duì)該類異常進(jìn)行綜合分析，進(jìn)一步總結(jié)、挖掘出該類異常特征:

①與上部異常明顯分離，在剖面垂向電阻率等值曲線出現(xiàn)低→高→低明顯特征。下部低阻異常不受上部低阻干擾，且下部低阻值只有400Ω·m，顯著低于頂部2 000～4 000 Ω·m，異常獨(dú)有特征明顯。

②異常深度范圍在標(biāo)高-1 100～-1 500 m之間。

③異常寬度達(dá)400 m。

④低阻異常向下延伸，其上部高值可達(dá)4 000 Ω·m，呈“倒U形”高阻環(huán)繞下部低阻異常。形成的電阻率等值線在剖面中呈對(duì)稱性，且兩側(cè)曲線較陡立。

⑤13線分別與其他多條測(cè)線交會(huì)。從各自的電阻率斷面圖上可清楚地看出，靠近該“倒U形”低阻異常區(qū)附近，深部皆有相似的低阻異常特征，由北向南，異常走向可以相連，且13線異常規(guī)模最大、中部電阻率最低、形態(tài)也較規(guī)則，異常埋深北淺南深。

進(jìn)一步分析區(qū)域地質(zhì)資料，該區(qū)巖體中有一南寬北窄的透鏡體大理巖向北延展，可能到達(dá)13線低阻異常區(qū)，在巖體作用下具有成礦的可能。綜合分析認(rèn)為處于4 175～4 575點(diǎn)間高程-1 000 m以下開口向下的局部 “倒U形”低阻異常很可能是礦致異常，保守說(shuō)也可能與成礦有關(guān)，因此決定布置鉆孔ZK0803進(jìn)行深部異常驗(yàn)證。在鉆孔ZK0803還未搬遷時(shí)，已先期布置在附近的鉆孔ZK0706預(yù)測(cè)能在接觸帶打到礦體卻在穿過(guò)接觸帶時(shí)并未見到礦體。經(jīng)對(duì)4 175～4 575點(diǎn)間異常在延展方向上的分析，認(rèn)為向北可能延展到鉆孔ZK0706部位，決定此孔打到巖體后再加深300m，率先進(jìn)行巖體內(nèi)深部異常驗(yàn)證。結(jié)果打入巖體160m后(孔深1 151.40～1 160.42 m)見富鐵礦體9.02 m(TFe品位在47.99%，mFe品位43.23%，Cu品位0.11%)。在1180.32～1 215.60 m處又見35.28m富磁鐵礦(TFe品位在49.48%，mFe品位45.88%，銅品位0.14%)。首孔驗(yàn)證獲得成功。接下來(lái)在鉆孔ZK0706向西100m布置0807孔，鉆孔ZK0803、ZK0807穿過(guò)閃長(zhǎng)巖體160～290 m均見礦，見礦深度44～64 m，實(shí)現(xiàn)了重大突破(圖9)。從而證實(shí)13線4 175～4 575點(diǎn)間異常是成礦異常，推斷是正確的。并且查明隱伏礦體頂部(板)巖體厚度具有北部薄、南部厚的明顯特征。

圖9 ZK0807、ZK0706、ZK0803孔鉆探驗(yàn)證結(jié)果Figure 9 Drilling verification results of the well ZK0807, ZK0706 and ZK0803

同時(shí)，通過(guò)礦體分析對(duì)比和異常延展特征分析，北部朱沖一帶發(fā)現(xiàn)的接觸帶礦體與南部閃長(zhǎng)巖體內(nèi)部礦體是同一礦體。這可能是朱沖地區(qū)巖體接觸帶相對(duì)向下傾伏，接觸帶與礦體直接接觸的原因所致。或者局部礦體頂部出現(xiàn)“天窗”，礦體進(jìn)入上部接觸帶并擴(kuò)散形成。

5 結(jié)語(yǔ)

①采用人工場(chǎng)源的CSAMT法，存在場(chǎng)源效應(yīng)是必然的，近場(chǎng)效應(yīng)只是其中之一。近場(chǎng)效應(yīng)一般出現(xiàn)在反映深部的低頻段。有效識(shí)別過(guò)渡帶與近場(chǎng)效應(yīng)意義重大：在單點(diǎn)測(cè)深曲線上，視電阻率曲線開始下凹出現(xiàn)假極值(過(guò)渡帶)，隨即呈約45°上升(近場(chǎng))，阻抗相位曲線開始下探后(過(guò)渡帶)由正變負(fù)或趨于零(近場(chǎng))；在地電斷面上，在出現(xiàn)條帶狀低阻后(過(guò)渡帶)，阻值隨深度快速增大且電阻率等值線平行變化(近場(chǎng))，這些都是識(shí)別過(guò)渡帶與近場(chǎng)效應(yīng)出現(xiàn)的標(biāo)志。

②過(guò)渡帶低阻假極值總是出現(xiàn)在深部近場(chǎng)效應(yīng)引起高阻異常的頂部。假極值現(xiàn)象(國(guó)外稱之為下沖效應(yīng))是自然界中一種普遍的物理現(xiàn)象，即一個(gè)物理量從低值突然升到高值時(shí)，往往在向高值轉(zhuǎn)折之前，先向下沖一下，然后繼續(xù)上升，類似于“反彈”效應(yīng)。在CSAMT方法中，假定有一低阻層覆蓋在高阻層上，在其地面上測(cè)出的電阻率曲線應(yīng)該是隨頻率的降低而逐漸升高，但事實(shí)上，往往發(fā)現(xiàn)在電阻率曲線升高之前，有一個(gè)下沖現(xiàn)象，然后再升高[2]。由此可見，過(guò)渡帶低阻假極值的出現(xiàn)往往不但預(yù)示著近區(qū)場(chǎng)的開始，而且也可能暗示著兩個(gè)電性層的分界面，這一點(diǎn)在地質(zhì)分層時(shí)可作為參考。但切勿簡(jiǎn)單地將過(guò)渡帶低阻假極值理解為某一低阻地層。

③實(shí)際生產(chǎn)中，為了避免或降低近場(chǎng)效應(yīng)對(duì)成果資料的影響，常采用增大收發(fā)距、提高工作頻率等措施，使觀測(cè)的電磁場(chǎng)接近平面波，盡可能保持在遠(yuǎn)區(qū)測(cè)量。但事實(shí)上，由于種種條件的限制而不得不在非平面波內(nèi)觀測(cè)，過(guò)渡帶和近場(chǎng)影響嚴(yán)重。常規(guī)的辦法是在后期數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行近場(chǎng)校正。

④關(guān)于近場(chǎng)校正目前有許多嘗試解決的辦法，但都不是最為完善的，只是在一定程度上能起到有效壓制、降低這些影響的作用。也就是說(shuō)并不能從根本上解決近場(chǎng)(包括過(guò)渡帶)的影響。有人為了解決近場(chǎng)的影響，在資料利用時(shí)采取直接舍去近場(chǎng)數(shù)據(jù)[11]，只取遠(yuǎn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，而對(duì)于近場(chǎng)甚至過(guò)渡場(chǎng)的數(shù)據(jù)都摒棄不用，顯然造成資料的較大浪費(fèi)。

⑤在實(shí)踐中，通過(guò)對(duì)CSAMT法實(shí)測(cè)資料的研究，在對(duì)近場(chǎng)進(jìn)行適當(dāng)校正處理后，有近場(chǎng)的資料還是有許多地電信息可以利用的。特別是深部存在一定規(guī)模低阻體時(shí)。本文中的西梢地?zé)帷⒅鞗_鐵銅礦皆說(shuō)明了這一點(diǎn)。當(dāng)然，也希望今后有更好方法來(lái)解決近場(chǎng)效應(yīng)問(wèn)題。