王志宏，江民忠，彭莉紅，程莎莎

(1.核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊 050002； 2.中核集團(tuán)鈾資源地球物理勘查技術(shù)中心(重點實驗室)，河北 石家莊 050002)

0 引言

航空大地電磁法是利用全球范圍內(nèi)雷電活動引起的電磁場信號，依據(jù)地下介質(zhì)的導(dǎo)磁性和導(dǎo)電性的差異，通過飛行器來測量不同頻率的電磁場的頻率特性和空間分布，由此來獲取地下地電結(jié)構(gòu)信息的一種物探方法。該方法垂直磁場分量在空中測量，水平磁場分量則在地面某一基站觀測，通過遠(yuǎn)參考技術(shù)來降低垂直與水平磁場之間的噪聲相關(guān)性，通過傾子將磁場的垂直分量與水平分量聯(lián)系起來[1]。該方法具有工作效率高、勘探深度大的特點，可以快速獲得地下三維電性結(jié)構(gòu)特征信息。

目前國際上一些學(xué)者利用航空大地電磁法探測深部的地質(zhì)構(gòu)造和礦體，并且已取得了較為豐富的成果[2-4]。國內(nèi)學(xué)者關(guān)于傾子的研究大都集中在大地電磁測量方法，航空大地電磁傾子方面相對較少[5-9]，且多側(cè)重于理論、模擬數(shù)據(jù)研究等，較少涉及應(yīng)用。許智博等研究了傾子資料起伏地形的二維正反演研究[10]，李志強等研究了傾子數(shù)據(jù)的三維正反演[11]，張銘等通過對航空大地電磁法傾子響應(yīng)特征影響因素分析，提出了一種利用傾子及其梯度的異常位置和異常幅度對地下二維異常體進(jìn)行快速、定量識別的方法[12]。核工業(yè)航測遙感中心近年來利用航空大地電磁法開展了大量的生產(chǎn)、研究工作[13]，本文是在大量生產(chǎn)研究的基礎(chǔ)上，對方法原理、測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用等方面進(jìn)行了探索與研究，為國內(nèi)航空電磁法研究提供技術(shù)支撐，進(jìn)而填充國內(nèi)航空電磁法技術(shù)的空白。

1 航空大地電磁法原理

通常在三維條件下，電場的水平分量與磁場的水平分量之間存在著復(fù)系數(shù)線性關(guān)系，它們直接通過阻抗張量聯(lián)系起來；而磁場的垂直分量和水平分量之間也存在復(fù)系數(shù)線性關(guān)系，二者通過傾子矢量聯(lián)系起來[14]。

一般而言，大地電磁傾子表示地表同一測點處垂直磁場分量與兩個水平磁場分量之間的關(guān)系，而航空大地電磁法傾子則表示地面以上空中同一平面不同位置的垂直磁場與地表某一基站處的兩個水平磁場的關(guān)系，其關(guān)系表達(dá)式如下：

Hz(r)=Tzx(r,r0)Hx(r0)+Tzy(r,r0)Hy(r0) 。

解方程組可得到傾子的計算表達(dá)式;

航空大地電磁法場源與大地電磁法相同，均可以看成是垂直入射的平面波，磁場的水平分量在一定范圍內(nèi)可以近似為均勻，可使用某一點的水平磁場來表征[16]，垂直磁場分量在空中進(jìn)行測量，與基站處的水平磁場相對較遠(yuǎn)，通過采用遠(yuǎn)參考技術(shù)，可以降低空中垂直磁場(Hz)與地面基站水平磁場(Hx、Hy)之間的噪聲相關(guān)性，從而提高信噪比，消除一些未知的噪聲影響[17-18]。

2 傾子響應(yīng)模擬

傾子作為航空大地電磁法的主要參數(shù)，其能夠作為復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的表征，不依賴于絕對電導(dǎo)，對電阻率橫向不均勻性反應(yīng)非常靈敏，特別是在探測垂直或者傾斜異常體(蝕變帶、斷層帶等)的空間分布情況時作用非常明顯，在地質(zhì)解釋中起到十分重要的作用。在均勻大地中建立如圖1所示的地電模型，其背景電阻率為50 Ω·m，模型長度2 000 m，測點41個(點距50 m)，平距500 m處存在一250 Ω·m的高阻異常，埋深為400 m，厚度為150 m；平距 1 350 m處存在一25 Ω·m的低異常，異常體寬為100 m，下延深度大于1 500 m，傾向小號點。

圖1 地電模型Fig.1 Geoelectric model

采用有限元法對傾子響應(yīng)進(jìn)行了計算，模擬頻率為10～10 000 Hz，共20個頻率。圖2為沿測線方向傾子實部、虛部、振幅及相位響應(yīng)，由圖2可以看出傾子對高、低阻異常體反映十分靈敏，實、虛部在異常體邊界處顯示出正、負(fù)極值異常，異常體位置一般位于傾子極值之間，邊界十分清楚；傾子的振幅和相位在異常體邊界處也顯示出類似特征，證明傾子響應(yīng)具有橫向分辨率高的特點。

圖2 模型傾子響應(yīng)擬斷面Fig.2 Model tipper response section

1—第四系；2—侏羅-白堊系未分小嶺組；3—蓋縣組；4—大石橋組；5—高家峪組；6—里爾峪組；7—白堊紀(jì)二長花崗巖；8—侏羅紀(jì)二長花崗巖；9—三疊紀(jì)二長花崗巖；10—古元古代花崗巖；11—花崗斑巖；12—實測正斷層；13—實測逆斷層；14—實測性質(zhì)不明斷裂；15—鉛鋅礦；16—金礦；17—航空大地電磁測線1—Quaternary；2—Jurassic-Certaceous Xiaoling Group；3—Daixian Group；4—Dashiqiao Group；5—Gaojiayu Group；6—Lieryu Group；7—Cretaceous monzogranite；8—Jurassic monzogranite；9—Triassic monzogranite；10—Paleoproterozoic granite；11—granite porphyry；12—measured normal fault；13—measured reverse fault；14—unknown fault measured；15—lead zinc ore；16—gold mine；17—aeromagnetotelluric line

3 應(yīng)用實例

3.1 地質(zhì)概況

測區(qū)地層主要含古元古界遼河群高家峪組、大石橋組及蓋縣組，東南地段見有少量侏羅—白堊系小嶺組，巖漿巖主要包括古元古代花崗巖、三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)及白堊紀(jì)二長花崗巖。古元古代花崗巖主要分為兩類：一類為鉀長花崗巖、混合巖，有周家堡子巖體；另一類為斜長花崗巖(鈉質(zhì)花崗巖)，有大頂子、方家隈子和石家?guī)X巖體，部分資料認(rèn)為，大頂子巖體與方家隈家?guī)r體距離較近，可能為同一個巖體的兩個露頭，而石家?guī)X巖體距離較遠(yuǎn)，推測可能在深部相連。三疊紀(jì)二長花崗巖以雙頂溝和新嶺巖體為代表，部分地球物理資料顯示雙頂溝巖體與新嶺巖體二者同期同源并具有相似性，兩巖體深部可能相連[19-21]。侏羅紀(jì)二長花崗巖以姚家溝花崗斑巖體為代表。

區(qū)內(nèi)經(jīng)歷了多次構(gòu)造運動，斷裂構(gòu)造以NW、NE向為主，主要包括青城子斷裂、尖山子斷裂、大磨嶺溝斷裂等，幾乎所有礦床都分布在尖山子斷裂及二道溝斷裂圍限的區(qū)域內(nèi)[20]，青城子斷裂控制了青城子礦區(qū)鉛鋅礦床的分布，尖山子斷裂控制了白云、林家三道溝、小佟家堡子等一系列金銀礦床的分布(圖3)。

3.2 數(shù)據(jù)采集

航空大地電磁數(shù)據(jù)采集使用ZTEM(Z-axis tipper electromagnetic)測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)空中水平線圈直徑7.4 m，有效面積為1 200 000 m2，吊掛在直升機(jī)下方90 m處，線圈上的不同位置分別安裝3個GPS接收機(jī)監(jiān)測線圈姿態(tài)(圖4)。地面基站接收線圈長2.3 m，有效面積為660 000 m2(圖5)。

圖5 基站接收線圈Fig.5 ZTEM Hx-Hy reference coil

圖4 空中接收線圈Fig.4 ZTEM Hz reciver coil

航空大地電磁法測線布置為SN向，共布置60條，測線間距400 m。數(shù)據(jù)采集時直升機(jī)沿地形飛行，空中接收線圈平均離地高度97.2 m，飛行速度平均為95.04 km。對采集的航空大地電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、補償及傅里葉變換后獲得25、37、75、150、300、600 Hz六個頻率沿測線方向、垂直測線方向傾子的實部、虛部數(shù)據(jù)，航空大地電磁數(shù)據(jù)采集同時獲得高精度航磁數(shù)據(jù)。

3.3 定性解釋

圖6為航磁ΔT及航空大地電磁150 Hz總散度平面,箭頭所指為斷裂或巖體位置。可以看出，兩種資料中斷裂構(gòu)造具有明顯的線性磁異常、總散度線性高值異常等，如NE向二道溝斷裂，NW向青城子、尖山子斷裂，白云金礦北側(cè)斷裂等。中生代雙頂溝、洼嶺巖體在兩種資料中也有明顯的特征，古元古代方家隈子、大頂子巖體無明顯的航磁異常，然而在航空大地電磁測量資料中則具有明顯電磁異常，一般表現(xiàn)為巖體內(nèi)部為低值特征，巖體與圍巖接觸帶存在明顯的高值電磁異常環(huán)。測量資料證明航空大地電磁、航磁兩種資料具有互補性，也進(jìn)一步反映了航空大地電磁測量對構(gòu)造、巖體等的探測能力。

a—航磁ΔT；b—150 Hz TD；1—斷裂；2—巖體分布范圍；3—航空大地電磁測線a—ΔT；b—150 Hz TD；1—fracture; 2—rock mass distribution range; 3—aeronautical magnetotelluric survey line

由前文可知，對導(dǎo)體、電阻等電阻率異常體，傾子在電性不均勻體附近均會出現(xiàn)由正到負(fù)或由負(fù)到正的交叉異常，為了使傾子異常更加明顯，對傾子分別進(jìn)行了總散度(TD)及總相位旋轉(zhuǎn)(TPR)計算?？偵⒍?TD)計算是沿測線和垂直測線方向的傾子(實部或虛部分量)導(dǎo)數(shù)之和，計算公式為

(1)

對傾子沿測線和垂直測線方向(實部或虛部分量)進(jìn)行90°相位旋轉(zhuǎn)(PR)，獲得總相位旋轉(zhuǎn)(TPR)，TPR可以彌補總散度資料的不足，保留長波信息，在導(dǎo)體上方顯示最大值，計算公式為

TPR=PR(Tzx)+PR(Tzy) 。

(2)

由不同頻率TD、TPR(圖7、圖8)可以看出，在青城子鎮(zhèn)附近存在強電磁干擾外，其他地段傾子TD、TPR與航磁測量反映區(qū)內(nèi)的斷裂構(gòu)造基本一致，沿斷裂、巖體接觸帶等巖性變化地段，TD、TPR多反映為高值異常。由資料可知，NE向二道溝斷裂、NW向尖山子斷裂隨著測量頻率降低，異常特征無明顯變化，推測斷裂或蝕變在測量深度范圍內(nèi)變化不大；NW向青城子斷裂及白云金礦北側(cè)斷裂則隨著測量頻率降低，異常有逐漸增強特征，推測隨深度增加，斷裂或蝕變發(fā)育更強烈。

a—300 Hz；b—75 Hz；圖例同圖6a—300 Hz；b—75 Hz；the legend is the same as that in Fig. 6

a—300 Hz；b—75 Hz；圖例同圖6a—300 Hz；b—75 Hz；The legend is the same as that in Fig. 6

方家隈子、大頂子、雙頂溝、石家?guī)X、洼嶺巖體在TD、TPR資料反映巖體內(nèi)部為低值異常(高阻)，巖體與圍巖接觸帶則為明顯的似環(huán)狀高值異常帶(低阻)，反映了巖體與圍巖接觸帶附近巖石破碎或蝕變發(fā)育等。方家隈子、大頂子巖體隨著測量頻率的降低，異常特征逐漸減弱，推測兩巖體主要分布在淺部；雙頂溝巖體隨著測量頻率的降低異常特征基本不變，推測該巖體由淺至深均有分布；洼嶺巖體隨著測量頻率的降低異常特征有逐漸增強的特征，推測該巖體主要分布于深部。

3.4 反演處理及推斷解釋

3.4.1 反演處理

二維反演使用AV2DTOPO軟件，使用正則化牛頓-高斯非線性算法進(jìn)行反演，反演數(shù)據(jù)為沿測線方向(Tzx)的6個頻率的傾子實部、虛部，反演時空中接收線圈與地面設(shè)置為空氣層，數(shù)據(jù)誤差設(shè)置為 6.6%，初始模型為半空間均勻模型，背景電阻率設(shè)置為750 Ω·m，經(jīng)過5次迭代后模型收斂，得到反演結(jié)果。三維反演使用ZTEM_MT3Dinv軟件，反演時把地形和電磁接收線圈離地高度作為反演約束參數(shù)，中心區(qū)網(wǎng)格尺寸為200 m×200 m×10 m，垂直網(wǎng)格大小隨著深度增加幾何增長，反演數(shù)據(jù)為25～600 Hz沿測線及垂直測量線分量的傾子實部、虛部數(shù)據(jù)，初始電阻率根據(jù)全區(qū)二維反演結(jié)果設(shè)為 1 000 Ω·m，電阻率范圍為1～1 000 000 Ω·m，相對誤差設(shè)置為20%，傾子噪聲設(shè)置為1%。經(jīng)過20次疊加得到反演結(jié)果。

3.4.2 推斷解釋

圖9為區(qū)內(nèi)不同深度的反演電阻率切片，可以看出電阻率切片反映的斷裂構(gòu)造、巖體分布等與航磁、航空大地電磁TD、TPR反映基本一致。青城子斷裂、白云金礦北側(cè)斷裂隨著深度的增加，電阻率異常特征逐漸增加，二道溝斷裂、尖山子斷裂由淺至深電阻率異常特征基本一致。古元古代方家隈子、大頂子巖體僅分布于淺部，隨著深度增加至 1 000 m，其電性特征逐漸消失，而三疊紀(jì)雙頂溝、新嶺、姚家溝巖體由淺至深均反映為高阻，進(jìn)一步證明了區(qū)內(nèi)的鉛鋅礦體、金礦體與中生代巖體有密切關(guān)系。

a—深度200 m；b—深度1 000 m；圖例同圖6a—200 m depth；b—1 000 m depth；the legend is the same as that in Fig. 6

圖10為L6480線反演電阻率斷面，圖10a的箭頭代表巖體分布位置?？梢钥闯?D與3D反演結(jié)果電阻率整體形態(tài)基本一致，3D反演剖面中花崗巖侵入體的形態(tài)和分布范圍更清晰，測線間電性特征連續(xù)性更好。圖中古元古代巖體多反映為高電阻率特征，周家堡子巖體由淺至深分布于斷面圖左側(cè)，方家隈子、大頂子巖體呈飄浮狀分布于斷面圖淺部，厚約300 m，均為獨立巖體。資料中關(guān)于巖體的分布特征與前人認(rèn)為大頂子與方家隈子巖體為同一個巖體的兩個露頭，與石家?guī)X巖體深部可能相連的地質(zhì)認(rèn)識具有一定的差異。

圖10 L6480線二維、三維反演電阻率斷面Fig.10 Resistivity sections of survey along line L6480

4 結(jié)論

正演模擬計算表明傾子資料的實部、虛部、振幅和相位響應(yīng)能較好地分辨橫向不均勻異常體，傾子響應(yīng)的最大值與橫向分界面對應(yīng)；計算了實測傾子的總散度、總旋轉(zhuǎn)相位等，結(jié)合航磁資料及實測傾子數(shù)據(jù)的2D、3D反演資料，推斷解釋了區(qū)內(nèi)巖體、控礦構(gòu)造等的分布特征。實測結(jié)果表明，航空大地電磁法在探測巖體、斷裂等橫向不均體方面具有明顯效果。