劉俊峰，程云濤，鄧志強(qiáng)，周芳春，曹創(chuàng)華，劉翔，曾美強(qiáng)，李杰，黃志彪，陳虎

(1.湖南省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，湖南 長沙 410011; 2.湖南省核工業(yè)地質(zhì)局 311大隊(duì)，湖南 長沙 410100; 3.湖南省地質(zhì)調(diào)查院，湖南 長沙 410011; 4.湖南省生態(tài)環(huán)境事務(wù)中心，湖南 長沙 410014; 5.湖南省地質(zhì)院，湖南 長沙 410014)

0 引言

AMT方法為音頻段MT方法，通常使用的頻率范圍在0.01～10 000 Hz，勘探深度可達(dá)數(shù)千米(通常為2 km以淺)。AMT方法數(shù)據(jù)質(zhì)量與高空大地電磁活動(dòng)強(qiáng)弱有直接聯(lián)系，北半球通常表現(xiàn)為夏強(qiáng)冬弱，夜強(qiáng)日弱，且一般在1～4 kHz 頻帶天然場信號強(qiáng)度通常很低，容易造成阻抗畸變，通常將這個(gè)頻帶稱為“死頻帶”[1-2]。針對死頻帶干擾，A. Müller提出采用避開白天信號弱時(shí)段在夜間采集減小死頻帶干擾[3]；Gamble T等提出了用于改進(jìn)采集點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量的遠(yuǎn)參考法[4]，可以在一定程度上減小畸變曲線，但通常參考點(diǎn)也受死頻帶影響，導(dǎo)致效果不佳；楊生和仇根根等提出相位校正法[5-6]，該方法要求相位質(zhì)量相對較好，目前實(shí)際運(yùn)用較少；Garcia X和 Jones A G提出采用連續(xù)小波變換的處理方法，但容易出現(xiàn)離散[7]；李紅領(lǐng)等通過刪除不滿足相關(guān)度的時(shí)間序列去噪減小死頻帶干擾[8]，取得一定效果，但是時(shí)間序列的刪選需要有一定的時(shí)間序列長度，否則處理效果將會(huì)受到影響。人工剔除飛點(diǎn)圓滑曲線也是“死頻帶”校正常用的方法[9]，但該方法通常人為影響很大，人工調(diào)整的畸變曲線不能真實(shí)反映實(shí)際情況。譚捍東等用Rhoplus校正方法處理大地電磁測深數(shù)據(jù)[10]；湯井田等和譚潔用Rhoplus校正方法處理校正“死頻帶”取得了較好的效果[11-13]；在改進(jìn)觀測方式方面，Garcia和Jones提出的T-MT法為一種基于大地電流法(TT)和電流—電磁法(T-MT)相結(jié)合的一種混合數(shù)據(jù)獲取與處理方法[14]；喬寶強(qiáng)等展示了EH4儀器自帶的場源增強(qiáng)信號的實(shí)例效果[15]。

CSAMT是利用人工場源的AMT方法，通過控制收發(fā)信號，能有效抑制噪聲，減少“死頻帶”干擾。該法實(shí)際運(yùn)用較多，但目前國內(nèi)大部分儀器(GDP-32與V8)發(fā)射功率有限，收發(fā)距常設(shè)置偏小，頻率進(jìn)入近區(qū)過早，導(dǎo)致探測深度有限。針對近區(qū)校準(zhǔn)，不少學(xué)者做了工作，但很少運(yùn)用到實(shí)際數(shù)據(jù)處理當(dāng)中，CSAMT的解釋處理大多數(shù)情況下仍然是基于“遠(yuǎn)區(qū)”進(jìn)行[16-17]。因此，如能結(jié)合AMT 與CSAMT各自優(yōu)點(diǎn)，則有可能達(dá)到減少“死頻帶”干擾提高數(shù)據(jù)質(zhì)量之目的。

已有數(shù)據(jù)表明，CSAMT的遠(yuǎn)區(qū)數(shù)據(jù)與AMT具有相似性，同測點(diǎn)的曲線形態(tài)基本一致[18]，CSAMT的遠(yuǎn)區(qū)數(shù)據(jù)與AMT數(shù)據(jù)拼接具可行性。本文通過均勻模型模擬計(jì)算證實(shí)上述兩種方法響應(yīng)數(shù)據(jù)拼接是可行的。以湖南仁里鈮鉭礦床7號剖面采集的CSAMT和AMT數(shù)據(jù)為例，展示了這種“拼接”的方法處理過程：將CSAMT近區(qū)和過渡帶數(shù)據(jù)刪除，同時(shí)將AMT中“死頻帶”畸變數(shù)據(jù)剔除，將兩者拼接，經(jīng)過靜校正等數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行反演。與地質(zhì)勘探剖面對比，表明這種數(shù)據(jù)處理方式對地電斷面的淺層顯示有一定的改善，且深部地電信息有更豐富的展示。

1 基本理論與數(shù)值模擬

1.1 基本理論

采用直角坐標(biāo)系時(shí)，CSMAT遠(yuǎn)區(qū)各分量如下[19]：

(1)

Hy=Hrsinφ+Hφcosφ=

(2)

(3)

則視電阻率可以表示為：

(4)

(5)

式(5)也為AMT定義視電阻率公式。當(dāng)收發(fā)距達(dá)到一定“足夠”距離時(shí)，CSAMT遠(yuǎn)區(qū)數(shù)據(jù)與MT的偏差較小，可以近似等同[20-21]。

1.2 數(shù)值模擬

為了符合實(shí)際地層信息，曹創(chuàng)華等結(jié)合長株潭地區(qū)地層特點(diǎn)，進(jìn)行了CSAMT收發(fā)距等相關(guān)實(shí)測參數(shù)的理論計(jì)算和實(shí)例分析[22]，得到了較好的結(jié)論。本文借鑒其思路，結(jié)合筆者團(tuán)隊(duì)在湘東北幕阜山仁里礦區(qū)實(shí)際觀測的參數(shù)，設(shè)計(jì)CSAMT正演采用赤道偶極，收發(fā)距為5 000 m，電偶極源長為 1 000 m，接收點(diǎn)在中垂線上，正演頻率為野外數(shù)據(jù)采集常用頻率。

理論模擬計(jì)算采用均勻半空間電阻率模型，電阻率為2 000 Ω·m，采集頻點(diǎn)共55個(gè)：分別為10 400、8 800、7 200、6 000、5 200、4 400、3 600、3 000、2 600、2 200、1 800、1 500、1 300、1 100、900、780、640、530、460、390、320、265、229、194、159、132、115、97、79、66、57、49、40、33、27.5、22.5、18.8、16.2、13.7、11.2、9.4、8.1、6.9、5.6、4.7、4.1、3.4、2.81、2.34、2.03、1.72、1.41、1.17、1.02、0.86 Hz。按照式(1～5)進(jìn)行計(jì)算，得到正演模擬結(jié)果如圖1所示。由圖可見，CSAMT數(shù)據(jù)大于800 Hz為遠(yuǎn)區(qū)，AMT和CSAMT數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)區(qū)電阻率與相位數(shù)值基本接近，誤差較小，表明兩種方法數(shù)據(jù)拼接具有可行性。

圖1 理論模擬計(jì)算曲線Fig.1 Theoretical simulation calculation curve

2 實(shí)例驗(yàn)證

2.1 地質(zhì)概況

實(shí)例數(shù)據(jù)在湖南仁里鈮鉭礦床7號剖面取得。該礦床為近年來華南地區(qū)發(fā)現(xiàn)的超大型、高品位花崗偉晶巖型鈮鉭礦，為我國華南地區(qū)新發(fā)現(xiàn)的超大型高品位花崗偉晶巖型鈮鉭礦，被評為2017年全國十大地質(zhì)找礦成果之一。該礦床位于揚(yáng)子陸塊與華夏陸塊交匯之江南隆起造山帶中段北緣之湘東北斷隆帶，揚(yáng)子陸塊與華夏陸塊的過渡部位，幕阜山巖體西南緣。區(qū)域上出露地層有青白口系、震旦系、寒武系、白堊系和第四系。礦區(qū)主要出露地層為冷家溪群，屬于揚(yáng)子陸塊變質(zhì)褶皺基底，為一套淺變質(zhì)碎屑巖系，以片巖為主。區(qū)域構(gòu)造表現(xiàn)為褶皺基底構(gòu)造與蓋層組成近東西向褶皺構(gòu)造，斷裂構(gòu)造為燕山運(yùn)動(dòng)形成的NNE、NE向斷裂構(gòu)造[23-24]。

區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)頻繁，南部和東南部出露的雪峰期梅山巖體，梅仙巖體、三墩巖體、傳梓源巖體和幕阜山巖體，其中以北面燕山期侵入為主的幕阜山大型復(fù)式巖體體量最大，產(chǎn)出面積為2 360 km2[25]。礦區(qū)地質(zhì)簡圖見圖2。

1—第四系;2—冷家溪群片巖;3—細(xì)?；◢忛W長巖;4—細(xì)粒二云母二長花崗巖;5—中粒似斑狀黑云母二長花崗巖;6—粗中粒片麻狀黑云母二長花崗巖;7—新元古代中細(xì)粒黑云母斜長花崗巖;8—偉晶巖脈及其編號; 9—主要斷裂及編號;10—物探測線及編號1—Quaternary alluvium; 2—Lengjiaxi group schist; 3—fine-grained granodiorite; 4—fine-grained two-mica porphyritic biotite monzogranite; 5—medium-grained porphyritic biotite monzogranite；6—medium-grained gneissic biotite monzogranite; 7—Neoproterozoic two-mica plagioclase granite; 8—pegmatite and its serial number;9—main faultsand and its serial number; 10—measuring line and serial number圖2 礦區(qū)地質(zhì)與測線布置[24]Fig.2 Layout of geology and survey line in the mining area[24]

區(qū)內(nèi)花崗質(zhì)偉晶巖脈發(fā)育，主要呈脈狀體產(chǎn)出于幕阜山復(fù)式巖體及其圍巖冷家溪群片巖中，富含鈮鉭礦化的偉晶巖脈主要產(chǎn)于距離巖體接觸帶0.2～2 km 范圍內(nèi)的冷家溪群片巖中。典型的2、3、5、6 號脈走向總體呈NW向平行，傾向南西，規(guī)模大，其資源量占礦區(qū)Ta2O5資源量的97%，其中又以5號偉晶巖脈鈮鉭資源量最為顯著，5號礦脈中的3個(gè)礦體(5-1,5-2，5-3)中Ta2O5資源量占全礦區(qū)Ta2O5資源量的67%[26-27]。

根據(jù)小比例尺航空磁測的研究推斷[28-29]，幕阜山巖體西南緣(包含仁里段)存在隱伏磁性巖體，對中低溫?zé)嵋盒投嘟饘俚V及與巖體相關(guān)的稀有金屬礦產(chǎn)較為有利。相關(guān)研究[30-33]表明，含礦偉晶巖與花崗巖關(guān)系密切。

2.2 地球物理特征

礦區(qū)地層以冷家溪群淺變質(zhì)碎屑巖系為主，主要為片巖，第四系在溪溝附近地表少量分布，厚度普遍較小。礦區(qū)北東為幕阜山巖體，南西為梅仙巖體。偉晶巖脈賦存于幕阜山復(fù)式巖體及其圍巖冷家溪群片巖中。物性參數(shù)測試根據(jù)《湖南省區(qū)域地質(zhì)志》相關(guān)物性參數(shù)章節(jié)[34]，并經(jīng)地表對稱小四極和巖心標(biāo)本測試驗(yàn)證取得：第四系電阻率最低，為10～30 Ω·m；板溪群、冷家溪群變質(zhì)片巖的電阻率為20～104Ω·m，大部分介于800～1 500 Ω·m之間。絕大部分偉晶巖和花崗巖電阻率接近，無統(tǒng)計(jì)學(xué)上明顯差別，電阻率為中高阻—高阻，電阻率區(qū)間為102～106，大部分介于103～104之間，但值得注意的是少部分變質(zhì)程度較深的變質(zhì)巖與花崗巖(偉晶巖)電阻率接近。地表風(fēng)化嚴(yán)重的偉晶巖和花崗巖(松散狀)物性接近第四系電阻率。

礦區(qū)地質(zhì)—地球物理特征與四川甲基卡鋰礦田偉晶巖脈具有可類比性，即稀有金屬礦床含礦體密度低而電阻率高，變質(zhì)巖圍巖電阻率低導(dǎo)電性高的特點(diǎn)。利用偉晶巖與圍巖(片巖)之間電阻率的差異可指導(dǎo)找礦[35-36]。仁里礦區(qū)圍巖為變質(zhì)巖，含礦地質(zhì)體為花崗質(zhì)偉晶巖，具有開展電磁探測的前提條件，即可借助地電探測區(qū)分中低阻的片巖和中高阻的偉晶巖(或花崗巖)。

2.3 工作布置

針對典型剖面勘探7線進(jìn)行了物探測線布置，物探測線與地質(zhì)勘探剖面線重合，同時(shí)垂直于偉晶巖脈走向，測線方位角為40°。定義測線方向?yàn)閥方向，垂直y方向?yàn)閤方向, CSAMT觀測方式為Ey/Hx模式(本測區(qū)為TM模式)，AMT的Ey/Hx模式與CSAMT的Ey/Hx模式電磁道數(shù)據(jù)方向一致。CSAMT采用GDP-32儀器進(jìn)行采集，儀器采用電偶極源，發(fā)射偶極子長1 000 m，發(fā)射機(jī)功率為10 kW，發(fā)射頻率為8 192～1 Hz，收發(fā)距約5 000 m，采集時(shí)間為2018年5月。AMT采用V8多功能電法工作站，采用矢量觀測方式，觀測時(shí)長為30～45 min，野外施工時(shí)間為2019年8～10月白天，根據(jù)已有資料,該段時(shí)間為北半球信號天然電磁場信號弱的時(shí)段，容易造成“死頻帶”干擾。AMT起點(diǎn)位置為0 m，終點(diǎn)位置為4 520 m，起點(diǎn)和終點(diǎn)位置均與巖體相接，起點(diǎn)為梅仙巖體，終點(diǎn)為幕阜山巖體；CSAMT測量位置與AMT測點(diǎn)在1 600～4 400 m段為重合位置，兩種方法點(diǎn)距和極距均為40 m。測線布置見圖2。

2.4 實(shí)測CASMT與AMT典型曲線特征

實(shí)測CSAMT由于收發(fā)距短，且由于該區(qū)地下整體電阻率較高，信噪比較高，曲線整體較圓滑，大部分曲線在1 200 Hz開始進(jìn)入過渡帶(圖3)。取平均電阻率為2 000 Ω·m，可得勘探深度約為500 m。

圖3 2 360 m測點(diǎn)處CSAMT電阻率與相位曲線Fig.3 Resistivity and phase curves of CSAMT at 2 360 m

AMT曲線整體質(zhì)量較好，大部分測點(diǎn)在500～5 000 Hz頻段，ρxy和ρyx均出現(xiàn)視電阻率曲線畸變的趨勢[11]，主要表現(xiàn)為曲線不光滑，曲線魯棒性變差。阻抗相位曲線在該頻帶亦出現(xiàn)不光滑現(xiàn)象。在功率譜上表現(xiàn)為該頻段信號強(qiáng)度低，考慮為該段天然場信號弱，以2 360 m測點(diǎn)為例，實(shí)測曲線見圖4。

圖4 2 360 m測點(diǎn)處AMT電阻率與相位曲線Fig.4 Resistivity and phase curves of AMT at 2 360 m

2.5 拼接方法

數(shù)據(jù)拼接采用同測點(diǎn)拼接方式，步驟如下：

1) 取CSAMT遠(yuǎn)區(qū)數(shù)據(jù)，將過渡帶和近場區(qū)數(shù)據(jù)剔除。

2) 將AMTEy/Hx模式死頻帶數(shù)據(jù)去除。

3) 將編輯后的CSAMTρyx與編輯后同方向的AMT數(shù)據(jù)ρyx數(shù)據(jù)拼接，相位拼接方式相同。

4) 靜態(tài)校準(zhǔn)：因多種因素影響，比如地形起伏、場源效應(yīng)，數(shù)據(jù)采集時(shí)間段不同(地表巖土干濕狀態(tài)不同)接地電阻不一致，CSAMT部分測點(diǎn)遠(yuǎn)區(qū)視電阻率與AMT相比呈現(xiàn)整體偏大或偏小情況，對此，可以整體平移到大體一致，然后進(jìn)行5點(diǎn)濾波校準(zhǔn)。

5) 數(shù)據(jù)插值：本次CSAMT 遠(yuǎn)區(qū)數(shù)據(jù)大部分為1 200～9 000 Hz頻率段，而AMT“死頻帶”主要集中在500～5 000 Hz頻率段，因此Ey/Hx模式方向數(shù)據(jù)拼接后可能仍然存在一定的數(shù)據(jù)空白段(如500～1 200 Hz)，可以適當(dāng)用插值來解決。這時(shí)可以使用Ey/Hx模式數(shù)據(jù)進(jìn)行反演(本次為TM模式)。

為了更加有效利用AMTEx/Hy模式數(shù)據(jù)，AMTEx/Hy模式“死頻帶”數(shù)據(jù)結(jié)合Ex/Hy模式曲線形態(tài)及同頻段Ex/Hy模式數(shù)據(jù)進(jìn)行人工調(diào)整編輯，使曲線較光滑，此段數(shù)據(jù)調(diào)整主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷。拼接后數(shù)據(jù)示例見圖5，可以看出，拼接后數(shù)據(jù)形態(tài)整體較好，較有效地減少了“死頻帶”的干擾。

圖5 2 360 m測點(diǎn)處數(shù)據(jù)拼接曲線Fig.5 Data splicing curve at 2 360 m measuring point

2.6 反演成果及地質(zhì)解釋

圖6 7線拼接數(shù)據(jù)反演結(jié)果Fig.6 Inversion diagram of line 7 mosaic data

地電成果剖面整體展現(xiàn)為中高阻—高阻，淺地表電阻率較低，深部電阻率大于地表。在剖面起始端0～300 m和4 000～4 520 m段電阻率呈現(xiàn)高阻，并往深部延伸，分別對應(yīng)梅仙巖體和幕阜山巖體。300～4 000 m段電阻率總體可分為低—高—低—高結(jié)構(gòu)：剖面標(biāo)高0～500 m深度，淺地表為低阻，對應(yīng)于片巖；中間深度有數(shù)十個(gè)向上延伸的“脈狀”高阻侵入體，推測為侵入偉晶巖花崗巖；偉晶巖表現(xiàn)為中低阻，推測為Pt板溪群片巖并夾雜有偉晶巖(花崗巖)通道。

其中2 500～3 000 m段位置，“脈狀”高阻與已知勘探剖面(圖7)有一定的對應(yīng)關(guān)系：ZK716、ZK708、ZK704的片巖，對應(yīng)于剖面的中低阻，偉晶巖與花崗巖對應(yīng)于地電剖面的中高阻。偉晶巖在反演圖上分辨不明顯，體現(xiàn)在高低阻的接觸過渡帶上。結(jié)合上面物性參數(shù)分析可知偉晶巖與花崗巖物性參數(shù)相近，無法區(qū)別，但結(jié)合地質(zhì)解釋，可以大致判別片巖與巖脈的界線；根據(jù)如圖7b所示勘查成果[23]，AMT與CSAMT數(shù)據(jù)拼接處理后對應(yīng)的地電剖面如圖7a所示。可見拼接處理后地電剖面能較好地呈現(xiàn)偉晶巖(或花崗巖)形態(tài)，對該區(qū)勘查工作有較大的指導(dǎo)意義。

1—冷家溪群片巖;2—花崗巖;3—偉晶巖脈及其編號;4—礦體及編號;5—鉆孔及編號;6—槽探及編號1—Lengjiaxi group schist; 2—granites; 3—pegmatite and its numbered; 4—ore body and its numbered; 5—drilling engineering and its numbered; 6—pit engineering and its numbered圖7 7線已有鉆孔段地電剖面(a)和地質(zhì)勘探剖面(b)[23]Fig.7 Geoelectric profile of drilling verification section (a) and geological exploration section(b) of line 7 [23]

3 結(jié)論與討論

本文從已有理論出發(fā)，分析了CSAMT與AMT數(shù)據(jù)拼接進(jìn)行數(shù)據(jù)處理反演的正確性，表明CSAMT遠(yuǎn)區(qū)數(shù)據(jù)與AMT數(shù)據(jù)拼接是可行的。在實(shí)例上展示了數(shù)據(jù)拼接處理的過程和處理后的反演效果,利用在仁里7號勘探剖面采集的CSAMT與AMT數(shù)據(jù)，對AMT數(shù)據(jù)“死頻帶”數(shù)據(jù)去除和CSAMT近區(qū)數(shù)據(jù)剔除后拼接，通過靜校正等處理手段后反演取得了較好的效果，在淺部地質(zhì)體對照和深部巖體探測方面均取得效果，表明該組合方法既結(jié)合了CSAMT淺層分辨較高，AMT勘探深度大的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)不受AMT“死頻帶”和CSAMT近區(qū)干擾的影響。

值得注意的是，受場源效應(yīng)(CSAMT法)、收發(fā)距(CSAMT法)、地形(CSAMT法和AMT 法)等影響，實(shí)際數(shù)據(jù)與AMT仍然存在一定的偏差，因此實(shí)際數(shù)據(jù)處理過程中需要認(rèn)真分析數(shù)據(jù)造成偏差的原因后進(jìn)行處理，避免“硬拼接”。