郗昭

（核工業(yè)二〇三研究所，陜西 咸陽 712000）

我國瞬變電磁法研究受到前蘇聯(lián)影響較多，20 世紀(jì)80 年代起，牛之璉、蔣邦遠(yuǎn)、李貅等一批著名學(xué)者開始進(jìn)行相關(guān)研究和技術(shù)推廣［1，3，7］，在測量方法上，主要采用重疊回線、中心回線裝置和框內(nèi)定源測量［2］，普遍認(rèn)為這兩種裝置場強(qiáng)均勻，分辨率高，測量效果好，數(shù)據(jù)處理簡單，因而一直沿用至今［3-6］。筆者有幸于2017 年赴加拿大進(jìn)行技術(shù)交流，根據(jù)交流成果和大量的數(shù)據(jù)和實(shí)例分析，認(rèn)為目前國際上對于瞬變電磁方法的應(yīng)用范圍和數(shù)據(jù)處理理念與國內(nèi)有較大差異。20 世紀(jì)90 年代開始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理理論的不斷創(chuàng)新，在西方一些國家，以B.R.Spies 和T.Lee 等一批學(xué)者為代表，推崇采用大定源回線框外測量裝置應(yīng)用于礦產(chǎn)勘查［3］。美國EMP、澳大利亞SIROTEM-ⅡSM、加拿大EM-37、DEEPEM 及UTEM 等儀器系統(tǒng)主要適用于大定源回線裝置［7］，這種方式具有對構(gòu)造識別較為靈敏等特點(diǎn)。

隨著礦產(chǎn)資源勘查深度的不斷加大，重疊回線和中心回線測量裝置的測量深度受到限制［8］。核工業(yè)二〇三研究所物探項(xiàng)目組通過多年的技術(shù)方法試驗(yàn)和探索，提出了以動源組合裝置搭配一維反演處理的瞬變電磁動源組合裝置測量方法，該裝置在吸收了中心回線裝置分辨率高的優(yōu)點(diǎn)的同時，兼顧了框外測深裝置測量可以壓制數(shù)據(jù)尾支噪音干擾，加大測量深度的特點(diǎn)，極大地拓寬了瞬變電磁法的應(yīng)用范圍［9］。目前動源組合裝置測量方法已在吐哈盆地八仙口等地區(qū)開始推廣［10-12］，其在地層結(jié)構(gòu)查明、斷裂構(gòu)造識別及砂體范圍圈定等方面效果顯著，取得了較好的地質(zhì)找礦成果，應(yīng)用前景廣闊。

1 研究區(qū)地質(zhì)及地球物理特征

1.1 地質(zhì)概況

吐哈盆地位于哈薩克斯坦、西伯利亞和塔里木三大板塊的交接部位［13］?？蓜澐譃楸辈扣晗?、艾丁湖斜坡帶、南湖隆起三個一級構(gòu)造單元［14］。八仙口地區(qū)位于艾丁湖斜坡帶之上。

測區(qū)地勢平坦，地層整體呈單斜狀產(chǎn)出，新生界從山前向盆內(nèi)逐漸增厚，其地質(zhì)及測線布置圖如下（圖1）。盆地蓋層為侏羅系（J）、古近系（E）及第四系（Q），基底為石炭系（C）。其中中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2x）為本次鈾礦找礦目的層，縱向上發(fā)育有四段砂體。侏羅系表現(xiàn)為低阻，石炭系視電阻率值較高。

圖1 八仙口測區(qū)地質(zhì)及測線布置簡單圖Fig.1 Geological sketch map and the exploration line of Baxiankou area

區(qū)內(nèi)多發(fā)育隱伏斷裂，鷹咀崖斷裂為典型代表。該斷裂特征是：主斷面向南西傾，傾角較大［15-16］。

1.2 地層電性特征

通過收集區(qū)內(nèi)鉆探測井資料，重點(diǎn)分析了其電阻率值分布特征，發(fā)現(xiàn)測區(qū)地層的電性差異較大（表1），縱向上可劃分為三層：

表1 八仙口測區(qū)地層視電阻率統(tǒng)計(jì)表［17］Table 1 Statistics of apparent resistivity of strata in study area

1）上部視電阻率值大于20 Ω·m 且變化大的高阻層，通過地表露頭觀察，主要為近地表第四系風(fēng)成沙、干燥松散砂礫層（Q）或古近系（E）。

2）下伏視電阻率值小于8 Ω·m 的低阻層，為侏羅系（J）找礦目的層，主要反映侏羅系水西溝群西山窯組、三工河組及八道灣組砂礫巖、泥巖等電性特征。

3）底部視電阻率值大于20 Ω·m 的高阻層，為石炭系，巖性以凝灰?guī)r等為主。

總之，八仙口地區(qū)找礦目的層——侏羅系水西溝群西山窯組為穩(wěn)定的低阻層，為電法勘查提供了物性前提。

2 瞬變電磁動源組合裝置測量方法

2.1 方法簡介

儀器采用加拿大生產(chǎn)的EM67 瞬變電磁儀，可適用于偶極及中心回線等測量裝置，具有穩(wěn)定性好、信噪比高、探測深度大等特點(diǎn)。

本次測量裝置將框中心測量和框外測量相結(jié)合來布設(shè)，使測量分辨率和深度均可保證，即動源組合裝置。其測量裝置在布置100 m 邊長發(fā)射線框的基礎(chǔ)上，分別在框中心及框外20 m 測量測深點(diǎn)，具體示意圖見圖2。該測量方法每次測量完畢可以利用線圈翻滾來完成下一回線的布設(shè)，工作效率相對較高，非常適合詳查測區(qū)精細(xì)剖面測量，以及對復(fù)雜地質(zhì)情況進(jìn)行測量。

圖2 動源組合裝置示意圖Fig.2 The schematic diagram of the combined dynamic source configuration

2.2 數(shù)據(jù)處理解釋方法

本次框外測深點(diǎn)視電阻率計(jì)算方法采用Spies 等人提出的大定源回線全區(qū)視電阻率計(jì)算方法［3］。假設(shè)大定源回線Tx 其中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，回線寬為Lx，長為Ly，接收線圈Rx可位于回線內(nèi)或外，接收線圈坐標(biāo)為（xr，yr）。在電導(dǎo)率為σ 的均勻半空間上，接收垂直dBz/dt 響應(yīng)，由Raiche 給出的頻率域公式出發(fā)，經(jīng)變換得到時間域里總的瞬變響應(yīng)為：

式中F（x，y）計(jì)算采用分部積分計(jì)算。

式中ux＝（σμ0x2/（4t））1/2及uy＝σμ0y2/（4t））1/2。當(dāng)u 很小時，上式計(jì)算F（x，y）會引起誤差，為此展開成級數(shù)形式

這樣利用公式（1）、（3）和（4）就能夠計(jì)算出大定源均勻半空間的瞬變電磁響應(yīng)ε（t）。

假設(shè)實(shí)測場值為εm（t），利用最小二乘法，求以下目標(biāo)函數(shù)極小值：

根據(jù)u＝（μ0σl2/（4t））1/2可求得視電阻率

式中l(wèi)＝（LxLy）1/2。中心回線公式與該公式略有差別，主要體現(xiàn)在中心回線公式中l(wèi) 為發(fā)射半徑，而公式（7）中l(wèi) 為邊框邊長。

數(shù)據(jù)反演采用Occam 反演方法，該方法通過引入一個描述模型光滑程度的參數(shù)—粗糙度C。經(jīng)過一系列迭代過程，就可以得到一個具有最小粗糙度并達(dá)到希望擬合差的結(jié)果模型，具體公式推導(dǎo)過程在此不再贅述。

3 方法試驗(yàn)

本次瞬變電磁動源組合裝置測量的方法有效性試驗(yàn)按不同發(fā)射頻率、發(fā)射線框大小、發(fā)射電流、增益及積分時間五方面進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分析如下。

1）不同發(fā)射頻率

不同的發(fā)射的頻率，具有不同的觀測時窗長度，測量的深度也不一樣。從圖3 中可以看出，6.25 Hz 測量曲線尾支的數(shù)據(jù)跳點(diǎn)較多，測量數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，這說明該頻率對噪聲的抗干擾能力差。2.5 Hz 測量曲線尾支噪音明顯偏小，抗干擾能力較強(qiáng)，本次測量采用較為合適。

2）發(fā)射線框大小

理論上，線框大小的選擇與測量深度無關(guān)，但野外數(shù)據(jù)采集時，發(fā)射電流不可能無限大。發(fā)射線框邊長小時，發(fā)射磁矩小，激發(fā)的一次場強(qiáng)度小，感應(yīng)產(chǎn)生的二次場強(qiáng)度弱，采集數(shù)據(jù)的信噪比低，無法準(zhǔn)確獲得深部的信息［18-20］。

試驗(yàn)發(fā)射線框邊長分別采用100 m 和200 m，可以看出，從圖4 框內(nèi)測量中，當(dāng)電流確定時，200 m 邊長框探測深度略大于100 m邊長框，數(shù)據(jù)建模結(jié)果兩者也較為符合。100 m 邊長框完全可以滿足測量任務(wù)的要求，而且100 m 邊長框相比200 m 邊長框施工效率可以提高30%以上。此外，圖5 框外測量中，100 m 邊長框測量曲線基本正常，200 m邊長框測量曲線前幾門感應(yīng)電壓值出現(xiàn)先變大再衰減趨勢，雖屬正?，F(xiàn)象，但對后期測點(diǎn)曲線反演擬合精度會產(chǎn)生影響。綜上所述，本次測量選擇100 m 邊長框較為適宜。

圖3 不同發(fā)射頻率框內(nèi)單點(diǎn)測量曲線對比圖Fig.3 Comparison of measurement curve with different transmission frequency

圖4 不同發(fā)射線框大小框中心測量擬合曲線與建模分層結(jié)果對比圖Fig.4 Comparison chart of fitting curve central-loop measurement of with different transmission loop size and modeling layering results

3）發(fā)射電流

實(shí)際工作中，可通過調(diào)節(jié)電流大小來增加一次場的強(qiáng)度，從而達(dá)到提高信噪比的目的。從圖6 中可以看出，框中心測點(diǎn)當(dāng)電流為9.2A 時，曲線除尾支有跳點(diǎn)外，基本是光滑的。發(fā)射電流增大后，曲線同樣比較光滑，但早期曲線出現(xiàn) “平頭” 現(xiàn)象，說明電流過大，導(dǎo)致早期信號出現(xiàn)溢出現(xiàn)象。圖7 中框外20 m 測點(diǎn)進(jìn)行測量時，電流分別采用22A和24A，可以看出，兩條測量曲線除尾支有跳點(diǎn)外，基本是光滑的，差別較小，但是由于儀器發(fā)射電流上限為25A，鑒于對儀器的保護(hù)角度考慮，本次框外電流采用22A。

4）增益

增益的選擇和設(shè)定是一個TEM 操作員最重要的和最關(guān)鍵的任務(wù)之一。將接收機(jī)增益調(diào)節(jié)的太小會導(dǎo)致勘探信號太微弱以至于無法準(zhǔn)確測量。而將接收機(jī)增益調(diào)節(jié)的太高，可以導(dǎo)致環(huán)境噪音太大，破壞信號質(zhì)量，使得接收機(jī)無法正常識別所需信號。衡量增益設(shè)置成功與否的主要因素就是觀察輸出信號的飽和性。飽和性體現(xiàn)在早期的時間門都飽和了（平頭現(xiàn)象），但是接下來的時間門數(shù)據(jù)均可采用。

圖5 不同發(fā)射線框大小框外測量曲線對比圖Fig.5 Measured results outside the loop with different transmission loop size

圖6 不同發(fā)射電流框中心測量曲線對比圖Fig.6 Measurement curve of central-loop with different transmission current

圖7 不同發(fā)射電流框外測量曲線對比圖Fig.7 Outside-loop measurement curves of different transmission current

圖8 中可以看出，當(dāng)增益選擇3 時，曲線基本是光滑的。當(dāng)增益選擇4 時，早期曲線有 “平頭” 現(xiàn)象出現(xiàn)，說明增益選擇過大。很明顯，測量增益選擇3 是比較合適的。

5）積分時間

通常情況下積分時間越長信號質(zhì)量越好，所需積分時間取決于周圍噪音的影響（電線影響，球狀干擾），系統(tǒng)重復(fù)頻率以及信號響應(yīng)。通過60 s 和30 s 測量曲線的對比（見圖9），可以看出，60 s 測量曲線顯然相對更為光滑，主要表現(xiàn)在曲線尾支，說明增大積分時間，可將出現(xiàn)的偶然噪音進(jìn)行平滑和消除，減少跳點(diǎn)，信噪比會提高。

通過以上幾方面開展的瞬變電磁動源組合裝置測量方法有效性試驗(yàn)。最終確定了八仙口地區(qū)該裝置的最佳數(shù)據(jù)采集方案：發(fā)射頻率為2.5 Hz，發(fā)射與接收回線邊長100 m×100 m，供電電流框中心、框外分別為9.2 A和22 A，增益為3，積分時間為60 s。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果參數(shù)進(jìn)行測量工作，取得的數(shù)據(jù)質(zhì)量和準(zhǔn)確性更高。

4 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)論，采用EM67 瞬變電磁儀動源組合裝置測量方法在八仙口地區(qū)進(jìn)行了生產(chǎn)測量，主要目的是查明深部含礦砂體的范圍及展布形態(tài)。以下是本次測量取得的部分成果和認(rèn)識。

圖8 不同增益測量曲線對比圖Fig.8 Measurement curves of different gain

圖9 不同積分時間測量曲線對比圖Fig.9 Measurement curves of different integration time

圖10 是八仙口地區(qū)48 線單點(diǎn)電阻率光滑模型及二維反演電阻率斷面與地質(zhì)剖面對比圖，圖10 a 是單點(diǎn)電阻率光滑模型斷面，該圖和二維反演電阻率斷面相比可以更直觀的表現(xiàn)出視電阻率的細(xì)微變化，也可單獨(dú)提取進(jìn)行專門研究。圖中可以看到，斷面200～400 m 深度發(fā)育大面積低阻體，且低阻體內(nèi)部同時存在一些微小的電阻率變化。由于這種低阻異常變化趨勢成帶出現(xiàn)，引起了項(xiàng)目組的重視。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，1、2 號低阻異常處曲線呈 “魚腹” 狀，形態(tài)深度兩者略有差異。項(xiàng)目組決定在這兩處形態(tài)較好的低阻“魚腹” 部位部署鉆孔進(jìn)行查證，結(jié)果在1、2號低阻異常處施工的鉆孔，分別見到了砂體和鈾礦體，反演深度與實(shí)際埋深相差較小。具體驗(yàn)證情況見表2。

圖10 b 是二維反演視電阻率斷面圖，結(jié)合圖10 c 實(shí)際鉆孔揭露情況，顯示圖中視電阻率值較低的綠色部分是砂體，其分布范圍和展布形態(tài)都很清楚，分別代表了水西溝群西山窯組各個巖性段。該測線北部1 300～1 700 m 處，在單點(diǎn)電阻率光滑模型斷面中，埋深300 m 以下有連續(xù)低阻出現(xiàn)。視電阻率斷面圖也顯示出埋深300 m 左右有較厚的砂體存在，該區(qū)段前期已有施工鉆孔，且在第三、第四巖性段見到一些異常和礦化，由于鉆孔最深揭露到第三巖性段底部，孔深不到300 m，未能揭露到視電阻率斷面推測的第二巖性段砂體，為了對范圍大、連續(xù)性較好的第二巖性段進(jìn)行控制，建議后期在測線1 400 m處施工深孔ZK48-X，以驗(yàn)證其砂體是否存在。

此外，南部和北部的低阻范圍出現(xiàn)了錯動現(xiàn)象，顯示了斷裂構(gòu)造的特征，推測其性質(zhì)為南西傾逆斷裂，在一維反演剖面圖上也有比較明顯的反映，后經(jīng)鉆探驗(yàn)證其為鷹咀崖斷裂，再次證實(shí)了測量結(jié)果的可靠性。

總之，瞬變電磁動源組合裝置測量方法可以有效的查明低阻砂體的展布形態(tài)和深度，識別斷裂構(gòu)造存在的位置，可以對水西溝群西山窯組四個巖性段進(jìn)行大致分層，在解決吐哈盆地八仙口砂巖工作區(qū)復(fù)雜地質(zhì)問題方面具有其獨(dú)特的優(yōu)勢。針對八仙口地段目前鈾礦體規(guī)模小、形態(tài)復(fù)雜，變化大不穩(wěn)定，連續(xù)性較差，礦體形態(tài)難以有效控制等特點(diǎn)?？梢圆捎迷摲椒ㄟM(jìn)行更為詳細(xì)的測量，以解決目前鉆探工作部署中存在的問題，指導(dǎo)該區(qū)段鈾礦找礦工作。

5 結(jié)論

圖10 吐哈盆地八仙口地區(qū)48 線單點(diǎn)電阻率光滑模型及二維反演電阻率斷面與地質(zhì)剖面對比圖Fig.10 Single-point resistivity smooth model and 2-D inversion resistivity and geological section along Line 48 in Baxiankou area of Turpan-Hami basin

表2 48 線鉆探驗(yàn)證情況一覽表Table 2 Drilling verification results along Line 48

通過上述方法試驗(yàn)和應(yīng)用，認(rèn)為瞬變電磁動源組合裝置在搭配合理試驗(yàn)參數(shù)的條件下，不但提高了資料解釋精度和加大了探測深度，而且對于查明深部地層結(jié)構(gòu)、斷裂構(gòu)造位置和骨架砂體展布范圍等方面效果明顯，并且鉆孔驗(yàn)證結(jié)果良好。該方法測量精度較高、效率較高、成本較低，其效果能夠滿足實(shí)際地質(zhì)工作需要，對今后的砂巖型鈾礦找礦工作具有一定的指導(dǎo)作用。