陳易玖

(廣東省地質(zhì)局,廣東 廣州 510080)

0 引言

AMT、CSAMT勘查是利用電磁場(chǎng)的音頻段分辨率高于低頻(MT)段的屬性,研究淺部電性定量不均勻性,從中區(qū)分出礦體或目標(biāo)地質(zhì)體。文章在提要AMT、CSAMT的約定勘查方法技術(shù)形成的背景后,按其技術(shù)要點(diǎn)、找礦成果和勘查效果、技術(shù)依據(jù)三部分?jǐn)⑹觥?/p>

AMT、CSAMT約定勘查之“勘查”,嚴(yán)格界定在應(yīng)用于固體礦產(chǎn)、地下冷熱水及干熱巖、頁巖氣等勘查范疇內(nèi),根據(jù)所采用的技術(shù)不同,調(diào)查、預(yù)查、普查、詳查各階段均可使用。到目前為止,CSAMT約定勘查最大勘探深度約2800 m,AMT約定勘查最大勘探深度約6500 m、鉆探間接查證最深約3500 m。

約定勘查技術(shù)要點(diǎn)主要是解決三個(gè)關(guān)鍵問題,一是提高數(shù)據(jù)收錄真實(shí)性的野外方法技術(shù),二是提高分辨率的數(shù)據(jù)處理與反演技術(shù),三是按約定條件實(shí)現(xiàn)大眾可操作性。

約定勘查技術(shù)在中南地區(qū)危機(jī)礦找礦中解決找礦關(guān)鍵問題方面成果顯著,異常查證找到了超大型礦床1處、異常查證擴(kuò)大為大型礦床1處、中型礦床2處和一批見礦有遠(yuǎn)景的異常,另有40處異常查證及“考試式”對(duì)比都達(dá)到了地質(zhì)目的。

文章主要篇幅用于介紹約定勘查技術(shù)的理論依據(jù),并附較多查證對(duì)比圖件。鑒于AMT野外裝置的重要性和在此領(lǐng)域存在不同做法的事實(shí),文章對(duì)此做了重點(diǎn)探討。

1 約定勘查形成背景簡介

本文的研究主要依托于“全國危機(jī)礦山找礦”、“找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)”、“整裝勘查”等國家項(xiàng)目,以找礦為目的,在大量AMT、CSAMT勘查工作基礎(chǔ)上,在鉆探主動(dòng)查證的巨大壓力下,以金屬礦為主勘查歷經(jīng)10年探索獲得成功,研究工作大致分為三個(gè)階段:

2006—2008年,危機(jī)礦湖北、海南CSAMT勘查失利,問題在于現(xiàn)有數(shù)據(jù)處理軟件不能對(duì)“強(qiáng)靜態(tài)位移”進(jìn)行有效的校正。2007年下半年初步突破了CSAMT數(shù)據(jù)“靜校正”這個(gè)關(guān)鍵技術(shù),2008年用于廣東大寶山CSAMT勘查,經(jīng)異常查證和地質(zhì)詳查,發(fā)現(xiàn)了超大型斑巖型鎢鉬礦床(圖1)。

圖1 廣東大寶山鎢鉬礦區(qū)54線CSAMT反演電阻率剖面圖(a)與查證后地質(zhì)詳查剖面圖(b)(據(jù)廣東物探隊(duì)勘查資料[1])

2008—2010年,針對(duì)中、小目標(biāo)體研究,提出更具普遍意義的AMT和CSAMT勘查方法技術(shù),隨即被多家勘查單位使用,取得明顯的勘查效果,并在“危機(jī)礦安徽冬瓜山礦區(qū)電磁法比對(duì)”(以下簡稱“冬瓜山比對(duì)”)中獲得成功。至此,所提出的“勘查方法技術(shù)”有效性基本被確認(rèn),于2010年將其定名為“AMT、CSAMT的約定勘查方法技術(shù)”,簡稱“約定勘查”。

2010—2016年,為了進(jìn)一步檢驗(yàn)AMT、CSAMT的約定勘查方法技術(shù)的“普遍適用性”,選擇不同景觀、不同地質(zhì)背景、不同規(guī)模及礦種的40個(gè)項(xiàng)目,以AMT勘查方法為主,采用異常查證或“考試式”對(duì)比方式,對(duì)該方法的技術(shù)和勘查效果進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證、審定。

2 約定勘查方法技術(shù)約定要點(diǎn)

2.1 野外主要技術(shù)

(1) AMT野外主要技術(shù):TM測(cè)量裝置(磁棒垂直測(cè)線、電極沿測(cè)線),無參考,磁電道比1∶1。一般勘查點(diǎn)距為20～40 m,對(duì)于大勘探深度或大目標(biāo)體的勘查,點(diǎn)距可適當(dāng)放寬;所采集信號(hào)最低頻點(diǎn)的設(shè)計(jì),主要依據(jù)勘查任務(wù)規(guī)定的最大勘探深度來確定,并非一定要采集到儀器硬件的最小頻點(diǎn),全頻段數(shù)據(jù)都參與質(zhì)量統(tǒng)計(jì)是個(gè)誤區(qū),如“冬瓜山比對(duì)”BD-1剖面AMT受50 Hz干擾嚴(yán)重,采用避開主干擾能量段辦法獲得成功(圖2、圖3)。除部分儀器外,V8、GDP-32、EH-4等儀器應(yīng)避免在無大區(qū)域雷電場(chǎng)源補(bǔ)充的“死頻”季使用。

圖2 “冬瓜山比對(duì)”BD-1剖面AMT數(shù)據(jù)相干度分布圖及質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

圖3 “冬瓜山比對(duì)” BD-1剖面的AMT反演電阻率剖面圖

(2) CSAMT野外主要技術(shù): TM測(cè)量裝置,磁電道比為1∶1,僅利用“遠(yuǎn)區(qū)”數(shù)據(jù)參與數(shù)據(jù)處理、反演。最低頻點(diǎn)需滿足勘探深度需求,尤其要保證與收發(fā)距有關(guān)的高頻信號(hào)數(shù)據(jù)質(zhì)量。一般勘查點(diǎn)距為20～40 m,對(duì)于大目標(biāo)體,點(diǎn)距可適當(dāng)放寬。

共磁道不宜很重要,共磁道可能丟失異?；虺霈F(xiàn)假異常,共磁道也有成功的,主要限于大目標(biāo)體(圖1),但大量失敗與之關(guān)系密切的情況已經(jīng)愈來愈明了,20世紀(jì)80年代當(dāng)CSAMT剛剛引入我國時(shí),就有著名學(xué)者尖銳指出“這種系統(tǒng)常常是以降低數(shù)據(jù)的可解釋性為代價(jià)來換取經(jīng)濟(jì)上的合算”[2]。

容易產(chǎn)生明顯“陰影效應(yīng)”的地質(zhì)和野外環(huán)境條件有:地下存在炭質(zhì)層或煤系地層、古近系低阻“紅層”、低阻向斜軸部,以及工區(qū)內(nèi)分布大片水塘、礦湖、河流、沿走向大的低阻斷層破碎帶等,尤以古近系“紅盆”和淺部炭質(zhì)層的陰影效應(yīng)強(qiáng)且發(fā)生幾率高。

注:“考試式”對(duì)比,EH-4儀器,點(diǎn)距50 m,MN 25 m,TM+TE裝置,TM 126-25100z數(shù)據(jù)處理反演。中部相對(duì)低阻形態(tài)與已知礦體近似,頂深誤差約為5%,已知礦體下部還有弱異常,可進(jìn)一步找礦。參加“比對(duì)”單位為廣東物探隊(duì)

(3)數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計(jì):以剖面為單位,參與反演頻段的所有頻點(diǎn),統(tǒng)計(jì)其平均相對(duì)誤差。

(4)其他方法技術(shù)的要求按有關(guān)“技術(shù)設(shè)計(jì)”或“規(guī)范”。

(5)關(guān)于AMT與CSAMT方法選擇的一般原則。

AMT方法的激勵(lì)場(chǎng)為平面波場(chǎng),較人工源重要優(yōu)勢(shì)在于由空氣垂直入射至地下介質(zhì),沒有場(chǎng)源的影響,能較真實(shí)地反映地下導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)特征,所采集信號(hào)的頻點(diǎn)密,對(duì)地下被探測(cè)目標(biāo)體的分辨率較高,優(yōu)于由人工場(chǎng)源激勵(lì)的CSAMT方法。

目前對(duì)CSAMT還難以預(yù)測(cè)和去除可能存在的陰影復(fù)制和場(chǎng)源效應(yīng)影響,尤其歪曲場(chǎng)的共磁道已成為習(xí)俗的現(xiàn)狀,使得一般勘查應(yīng)該優(yōu)先考慮使用AMT,將場(chǎng)源“真實(shí)性”放在第一位,否則做出的結(jié)果質(zhì)量雖好但不一定真實(shí)(圖4)。

圖4 廣東某銅多金屬礦區(qū)5線AMT、CSAMT反演電阻率及異常查證剖面圖(據(jù)廣東省地質(zhì)調(diào)查院勘查資料)

至于CSAMT水平場(chǎng)發(fā)射場(chǎng)轉(zhuǎn)換為大致垂直場(chǎng),其遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的真實(shí)性有問題的發(fā)生率有多少?目前尚未見專門的研究報(bào)道,廣東兩個(gè)物探單位的研究可供參考:在有CSAMT資料和鉆探對(duì)比條件下的9個(gè)案例中(其中7個(gè)案例同時(shí)開展了AMT,并有5例查證),不同程度的陰影復(fù)制的有7例,其中顛覆性陰影復(fù)制的有5例(比率高),應(yīng)引起注意,尤其是南方地區(qū)。

在弱或無干擾工作區(qū)、干旱接地困難無干擾偏遠(yuǎn)地區(qū)也一律上CSAMT,是明顯欠妥的。強(qiáng)的周期波干擾,AMT、CSAMT兩者均無法對(duì)抗;抗民用電干擾CSAMT強(qiáng)于AMT。兩者均有對(duì)抗隨機(jī)干擾能力,并以AMT優(yōu)于CSAMT。

AMT(傳統(tǒng)儀器)抗干擾有許多有效的辦法,主要有增加疊加(時(shí)間)次數(shù)、偏移或改變電極距避開干擾采樣、嚴(yán)重干擾點(diǎn)的空點(diǎn)、采樣中實(shí)時(shí)在功率譜篩選數(shù)據(jù)、保存重復(fù)觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)以便于挑選,以及根據(jù)任務(wù)、勘探深度選擇有效頻段避開主干擾(圖2、圖3)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

只需了解勘查目的任務(wù)和勘查區(qū)景觀,一般無需具體地質(zhì)資料,約定勘查有可操作約定步驟,主要有:

(1)選擇滿足勘探深度的頻段(低頻需適當(dāng)留點(diǎn)余地,改正完再最后確定頻段),分別對(duì)卡尼亞電阻率、阻抗相位超過規(guī)范或設(shè)計(jì)誤差的數(shù)據(jù)進(jìn)行人工在相鄰誤差合格測(cè)點(diǎn)之間的“內(nèi)插”改正,改正依據(jù)是誤差而不是曲線的光滑度。阻抗相位有時(shí)還需做+π或-π改正。

但是復(fù)雜條件下的數(shù)據(jù)處理仍需點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)(圖2、圖3),比如根據(jù)勘探深度任務(wù)上調(diào)最低頻點(diǎn)、放寬數(shù)據(jù)處理的內(nèi)插點(diǎn)數(shù)、適當(dāng)放寬數(shù)據(jù)質(zhì)量誤差等。

(2)靜態(tài)效應(yīng)改正是根據(jù)經(jīng)典的測(cè)深平移改正原理,結(jié)合阻抗相位判斷,軟件“一鍵”自動(dòng)瞬間完成“無損”改正,基本解決了最難、最多樣性、經(jīng)常是在誤差中占比最大的環(huán)節(jié)。

(3)嚴(yán)禁全頻段數(shù)字濾波或變相數(shù)字濾波。

2.3 反演

反演軟件(SCS-2D,反演軟件的有關(guān)算法等見儀器廠家的軟件說明書)參數(shù)多且過于靈活,幾乎無所適從,約定勘查已將其總結(jié)和“傻瓜”步驟化,一般說來只需了解勘查目的任務(wù),無需具體地質(zhì)資料,下面是普遍適用(包括非約定勘查)的AMT反演步驟及參數(shù)選擇。

(1)直接選擇2d Bostick模型反演。如數(shù)據(jù)質(zhì)量差(嚴(yán)重不合格),應(yīng)選2d data模型,這時(shí)僅保留構(gòu)造骨架。

(2)根據(jù)勘查任務(wù)和礦種,有機(jī)地綜合處理好初始層厚與層比及層數(shù)的關(guān)系,使得目標(biāo)深度層厚不會(huì)過大而影響目標(biāo)形態(tài)和分辨率。

初始層厚一般在1/3～1個(gè)點(diǎn)距,多數(shù)用約1/2點(diǎn)距,目標(biāo)區(qū)在淺部、中部、深部,分別用小的、中等的、稍大的初始層厚。

層比比較敏感,一般用1.03～1.8,多數(shù)用1.05～1.06,大點(diǎn)距可以用1.0。在滿足深度前提下,用小的層比為好。

按任務(wù)深度,選擇層數(shù),不一定非要用到30層和31層,要使得目標(biāo)區(qū)在層厚的合理區(qū)域且已留有足夠的深部背景。

在保證探深情況下,大且層狀目標(biāo)體勘查的初始層厚、層比、層數(shù)都用中偏大值,而小且陡目標(biāo)體勘查的初始層厚、層比、層數(shù)都較小值。

(3)關(guān)閉二維平均濾波,但如果數(shù)據(jù)誤差普遍偏大,可開啟適當(dāng)值。當(dāng)反演深度較大(如大于2500 m)或以大目標(biāo)體為目的時(shí),二維平均濾波可按默認(rèn)值1/2或按默認(rèn)值選取。

(4)電阻率模型約束濾波擋不動(dòng)(按軟件默認(rèn)值)。

(5)迭代2～4次,一般3次;脈狀目標(biāo)體一般迭代2次。

(6)對(duì)于未知區(qū),可依前述參數(shù)選擇,做兩種深度的反演剖面,比較好地處理好最低頻點(diǎn)-初始層厚-層比-層數(shù)的關(guān)系,達(dá)到較好的反演效果。

(7)經(jīng)常需要試反演。強(qiáng)調(diào)試反演(除探深有時(shí)估不準(zhǔn)外),主要是因?yàn)榕c最大反演深度無關(guān)的過多的低頻點(diǎn)參與反演將影響反演結(jié)果。這個(gè)影響有時(shí)很大,且不易發(fā)現(xiàn),因此不是越小頻點(diǎn)越好。

3 約定勘查方法技術(shù)的應(yīng)用效果

約定勘查定名之前在廣東、湖北、廣西“全國危機(jī)礦山找礦”、“找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)”、“整裝勘查”使用該技術(shù),取得好的找礦效果(表1)。

表1 方法異常查證見礦統(tǒng)計(jì)

顯然,用表1的找礦效果來評(píng)價(jià)約定勘查技術(shù)是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?因?yàn)槲锾秸业V全過程包括物探方法技術(shù)和異常的解釋推斷兩個(gè)方面,其中異常的解釋推斷多解導(dǎo)致絕大多數(shù)異常是非礦所致,這不能說明方法技術(shù)及反演不對(duì),也就是說兩者要分開評(píng)判。有鑒于此,提出“約定勘查產(chǎn)品”概念,即“約定勘查的產(chǎn)品”僅指反演剖面,與解釋推斷無關(guān)。

評(píng)價(jià)“約定勘查產(chǎn)品”正確與否的證據(jù),是鉆探+鉆孔原位電性(或已有電性):要求產(chǎn)品刻畫的電性體空間形態(tài)與鉆孔巖性及其電性的空間定量分布基本吻合,目標(biāo)體頂深誤差一般不超過10%,產(chǎn)狀基本正確。這種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是嚴(yán)格的、科學(xué)的。

為了嚴(yán)格考驗(yàn)約定勘查技術(shù)正確性和普遍適用性,廣州連新地球物理勘查技術(shù)有限公司于2010—2016年投入研究,完成異常查證及“考試式”對(duì)比40例(表2、表3列出其中查證的26例),產(chǎn)品正確率達(dá)97.5%,并主要側(cè)重于AMT爭議比較多的重要技術(shù)。至此,實(shí)測(cè)AMT及利用以往AMT、CSAMT數(shù)據(jù)累計(jì)達(dá)數(shù)萬個(gè)測(cè)深點(diǎn),使得全國大多數(shù)省區(qū)都有約定勘查技術(shù)研究實(shí)例,基本涵蓋了不同景觀(第四系土層、高原、海邊灘涂、準(zhǔn)沙漠等)、不同規(guī)模(似層狀、浸染狀、大小陡脈狀等)、不同礦種(多金屬及金、鈾、熱水等)的勘查區(qū)。

表2 廣東2012—2015年CSAMT異常查證匯總

表3 廣東等地2012—2016年AMT異常查證匯總

4 約定勘查方法技術(shù)的依據(jù)

與MT不同的是AMT、CSAMT優(yōu)勢(shì)在于可查證性,也就是說可獲得正確與否的證據(jù),約定勘查依證據(jù)去反思過去的一些關(guān)鍵傳統(tǒng)技術(shù)和理論上的一些問題,提出了新的不同見解。

4.1 AMT采用TM測(cè)量裝置的技術(shù)依據(jù)

4.1.1 AMT適合采用與CSAMT同樣的常用TM裝置

音頻段的場(chǎng)構(gòu)成復(fù)雜、是隨機(jī)的,但其中遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)—較強(qiáng),TM裝置收錄的數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好,達(dá)到隨機(jī)平穩(wěn),是相對(duì)穩(wěn)定的場(chǎng),因此適用于TM裝置(同CSAMT常用裝置)。

AMT主頻段(我國大部分地區(qū)0.25～100 kHz)與MT主頻段(0.001～340 Hz)相差甚遠(yuǎn),根據(jù)有關(guān)研究[3],認(rèn)為我國17個(gè)省42個(gè)有代表性測(cè)點(diǎn)頻譜分析認(rèn)為,在10～100 kHz的頻段電場(chǎng)與磁場(chǎng)變化規(guī)律基本一致,基本都是穩(wěn)定的。

AMT約定勘查及其他勘查單位10多年AMT的大量勘查實(shí)踐證實(shí),用現(xiàn)代ATM儀器的TM裝置收錄的音頻段遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)數(shù)據(jù)不存在場(chǎng)的穩(wěn)定性、重復(fù)性差問題,恰恰相反音頻段遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)除“死頻”季外,場(chǎng)的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性總體是好的,各頻段有各自特點(diǎn),分述如下:

(1) 幾十赫茲以上主要勘查用頻段的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)且穩(wěn)定,不存在數(shù)據(jù)收錄質(zhì)量問題。此頻段勘查深度為1500～2500 m。

(2) 10 Hz至幾十赫茲場(chǎng)也是主要勘查用頻段,遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)信號(hào)較強(qiáng)也較穩(wěn)定的,采取適當(dāng)增加疊加次數(shù)措施也容易收錄到符合質(zhì)量的數(shù)據(jù)。10 Hz以上頻段勘查深度為2500～3500 m。

(3) 0.05～10 Hz遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)相對(duì)弱很多,容易受到非遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的干擾,收錄質(zhì)量與干擾水平、儀器性能(疊加速率或疊加時(shí)間)和磁棒頻寬密切相關(guān),每個(gè)測(cè)點(diǎn)多花一點(diǎn)收錄時(shí)間,同樣可以收錄到合格數(shù)據(jù);0.05 Hz以上頻段勘查深度為5000～6000 m。

(4) 新一代芯片儀器超大數(shù)據(jù)量疊加,在一般干擾區(qū),測(cè)量幾分鐘就行了。

4.1.2 張量阻抗理論表達(dá)式

電磁場(chǎng)沿任意水平正交方向上分解為兩組線性水平偏振波[4]:

(1)

式中電、磁場(chǎng)Ex、Ey、Hx、Hy都是實(shí)測(cè)的(下同),采用多次重復(fù)觀測(cè),解超定方程得到TM+TE裝置的Zxx、Zxy、Zyx、Zyy阻抗張量元素。

4.1.3 TM裝置的阻抗

將式(1)改寫成[4]:

TM裝置Ex/Hy=Zxy+Zxx(Hx/Hy), (MGSK單位制)

(2)

TE裝置Ey/Hx=Zyx+Zyy(Hy/Hx)

(3)

式(2)進(jìn)一步改寫成:

TM裝置Zxy=Ex/Hy-Zxx(Hx/Hy)

(4)

因TM裝置沒有測(cè)量Hx,即Hx=0,Zxx(Hx/Hy)=0,

Zxy=Ex/Hy(只與Hy有關(guān))

(5)

式(5)僅適合理想二維介質(zhì)中垂直單一目標(biāo)體的剖面(圖5a中剖面Ⅰ)。對(duì)于野外一般勘查情況,如二維或三維地質(zhì)背景,或斜交礦體的剖面(圖5a中剖面Ⅱ),或多走向礦體(圖5b)等,TM裝置除接收Ex、Hy外,還同步接收了與之對(duì)應(yīng)的TE電磁場(chǎng)Ey、Hx及其阻抗“投影”,因此Hx≠0(=投影值,“投影”相當(dāng)于“修正項(xiàng)”),于是有

圖5 二維介質(zhì)中單一礦體及其不同方向剖面視產(chǎn)狀與AMT阻抗關(guān)系

Zxy= (Ex·cosα) /(Hy·cosα)+

Ey(1-cosα)/Hx(1-cosα)

(6)

式中,Ey、Hx分別是空間中已存在的TE場(chǎng)在TM傳感器上的投影(Ex/Hy)TE投影,式(6)化簡為

Zxy= (Ex/Hy)TM+(Ex/Hy)TE投影

(7)

圖5中剖面Ⅲ,α=90°,接收的是TE分量,(Ex/Hy)TM=0,Zxy=(Ey/Hx)TE投影。

在傳感器上的場(chǎng)投影簡單地理解為野外為什么要重視磁棒的方位擺正確了沒有?因?yàn)槿绻轿徊粶?zhǔn),就會(huì)有其他方向場(chǎng)的影響,這個(gè)影響就是“投影”。當(dāng)多走向地質(zhì)體時(shí)(圖5b),式(6)或式(7)將是多走向地質(zhì)體的場(chǎng)的“投影”疊加。

4.1.4 TM+TE裝置

此裝置分為磁棒垂直/平行測(cè)線、磁棒南北/東西放置兩種。

(1)勘查界使用TM+TE(垂直/平行測(cè)線)裝置的不少,經(jīng)過大量實(shí)踐及查證對(duì)比,數(shù)據(jù)處理與反演僅用其中的TM數(shù)據(jù)者占絕大多數(shù)。

(2)勘查界一般不用磁棒南北/東西放置的TM+TE裝置。因?yàn)榇搜b置屬于非既定剖面裝置,數(shù)據(jù)處理涉及復(fù)雜的阻抗旋轉(zhuǎn)問題,下面將進(jìn)一步討論。

4.1.5 不同裝置數(shù)據(jù)處理與反演效果比較與探討

3種裝置:TM裝置、TM+TE(磁棒垂直/平行測(cè)線)裝置、TM+TE(磁棒南北/東西放置)。

4種數(shù)據(jù):TM裝置數(shù)據(jù)、TM+TE裝置(磁棒垂直/平行測(cè)線)的TM數(shù)據(jù)、TM+TE裝置(磁棒垂直/平行測(cè)線)的TM+TE數(shù)據(jù)、TM+TE裝置(磁棒南北/東西)的TM+TE數(shù)據(jù)。由于裝置數(shù)據(jù)的不同,導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理和反演方法不同,反演結(jié)果不同,甚至差別很大。

(1) TM裝置數(shù)據(jù)處理與反演: TM裝置的優(yōu)勢(shì)是與所有物探方法相同,探測(cè)既定地質(zhì)剖面電性時(shí),簡單有效、最大限度削弱走向電磁場(chǎng)及其阻抗的影響,也就是按式(6),只接收剖面方向反演所須的電磁場(chǎng),人為地將E偏振波在剖面上的影響削弱至最小,但又含有TE投影的在傳感器上接收的阻抗(“修正項(xiàng)”),從而達(dá)到真實(shí)反映既定地質(zhì)剖面電性的空間定量分布,大幅度提高了剖面的分辨率和真實(shí)性,如表3、圖6等,尤其是高分辨的小目標(biāo)體勘查(圖7),須用TM裝置。

圖6 內(nèi)蒙半沙漠景觀脈狀銅礦AMT靜改后(a)與未靜改(b)反演電阻率剖面圖與已知礦體(c)對(duì)比

圖7 廣東某地富冷水的巖溶發(fā)育區(qū)高難度高分辨熱水勘查AMT反演電阻率與查證鉆孔剖面圖

(2) TM+TE裝置(磁棒垂直/平行測(cè)線)中的TM數(shù)據(jù)處理反演: 采用此類數(shù)據(jù)者,是因?yàn)門M+TE數(shù)據(jù)反演結(jié)果遠(yuǎn)不如TM數(shù)據(jù)反演效果好,才改為TM數(shù)據(jù)反演的,對(duì)于中大目標(biāo)體或粗略需求對(duì)象,少量查證實(shí)例表明大致可行,如圖3、圖4、圖8。從式(2)與式(6)或式(7)對(duì)比看,兩者的Zxy有所不同。

圖8 云南某頁巖氣普查AMT部分段剖面反演電阻率與云參1井對(duì)比剖面圖

(3) TM+TE裝置(磁棒垂直/平行測(cè)線)的TM+TE數(shù)據(jù)處理反演: 效果差,如圖3、圖4、圖8實(shí)例中對(duì)應(yīng)的TM+TE反演未見異常。

(4) TM+TE(磁棒南北/東西)裝置的TM+TE數(shù)據(jù)處理及反演: 為非既定剖面數(shù)據(jù)處理及反演(同MT方法),即將阻抗旋轉(zhuǎn)消去走向阻抗后數(shù)據(jù)處理反演。音頻段勘查不同走向地質(zhì)體多,阻抗旋轉(zhuǎn)帶來大的誤差不可避免,此與求深部大地構(gòu)造目標(biāo)體巨大、淺部復(fù)雜地質(zhì)體可以忽略區(qū)別很大。A.A.考夫曼等[5]強(qiáng)調(diào)要用張量測(cè)量是基于探求未知走向的深部大地構(gòu)造,張量阻抗旋轉(zhuǎn)后反演,才能得出正確的構(gòu)造走向,即反演結(jié)果隨著目標(biāo)體走向的改變,該反演剖面已經(jīng)不代表原設(shè)計(jì)勘查剖面方位了。也有人將TMT+TE阻抗旋轉(zhuǎn)到測(cè)線方向,但是這種方式數(shù)據(jù)處理無法很好地消去走向阻抗。

4.2 AMT的主頻段不宜使用遠(yuǎn)參考

信號(hào)的強(qiáng)相關(guān)與噪聲的不相關(guān)是使用參考的條件,然而:

(1) AMT頻段的磁場(chǎng)是變化的。AMT激發(fā)場(chǎng)是平面波,但工區(qū)都不大,探測(cè)深度也不大(幾十米至10 km),一個(gè)頻率或一個(gè)頻段的激發(fā)場(chǎng),探測(cè)深度在距場(chǎng)源3～5倍以上距離的具足夠場(chǎng)強(qiáng)的電磁擾動(dòng),在測(cè)點(diǎn)上都可視為平面波激發(fā)場(chǎng)源,因此工區(qū)內(nèi)外相對(duì)于測(cè)點(diǎn)的場(chǎng)源一般是變化的,尤其是中高頻。

(2)三大巖類磁導(dǎo)率變化在1.004～1.4,磁鐵礦區(qū)可達(dá)1.55。AMT頻段對(duì)應(yīng)淺部可以是無或弱磁性的地質(zhì)體,也可能對(duì)應(yīng)中強(qiáng)磁性的巖體或磁鐵礦體,但由于體積巨大,磁感應(yīng)強(qiáng)度場(chǎng)B將是變化的,磁場(chǎng)H在數(shù)值上可能與B差異明顯。磁化率較大的磁性局部體模型研究認(rèn)為,音頻段TM模式磁導(dǎo)率主要影響幾十周以上的中高頻,其中低阻情況下磁感應(yīng)強(qiáng)度場(chǎng)y分量By導(dǎo)致電場(chǎng)和視電阻率均有明顯變化,而低頻基本不受影響。

(3)除了前述兩個(gè)因素可能造成工區(qū)各測(cè)點(diǎn)收錄的Hy不同外,影響更普遍更大的是異常體的響應(yīng)場(chǎng)(By=μHy+By異常,見下文)。在AMT探深范圍,基本無法判斷哪里是正常地質(zhì)體,哪里有礦、哪里沒有礦,很難找到符合遠(yuǎn)參考條件的參考點(diǎn)。

4.3 CSAMT共磁道的缺點(diǎn)

儀器接收的Hy,實(shí)際是By[6]。假設(shè)在一維條件下,忽略大地介質(zhì)中的位移電流導(dǎo)出的卡尼亞電阻率用的Hy,實(shí)際是By,應(yīng)寫為

(8)

By=μHy+By異常, (MGSK單位制)

(9)

式(8)、式(9)中,ρ是卡尼亞電阻率,Hy是磁場(chǎng)y分量,Ex是電場(chǎng)x分量,By是磁感應(yīng)強(qiáng)度y分量,μ是地質(zhì)介質(zhì)磁導(dǎo)率,ω是角頻率。

By異常是磁感應(yīng)強(qiáng)度μHy在不同電性地質(zhì)體(含礦體等目標(biāo)體)產(chǎn)生感應(yīng)電流引起的異常磁場(chǎng),各測(cè)點(diǎn)不同,越是復(fù)雜的、越是有礦的礦區(qū),By與Hy量值差別越大,相位差別也越大,這就是CSAMT共磁道歪曲阻抗、歪曲或丟失異常的原因。

注:AMT儀器為V8,點(diǎn)距40 m,TM裝置,“考試式”對(duì)比。AMT異常顯示深部有厚大低阻異常,推測(cè)為隱伏主銅礦體。伴隨的布格重力高異常,推測(cè)為隱伏巖體(成礦地質(zhì)體)接觸帶蝕變角巖銅礦化帶引起(鉆孔見高密度角巖化巖石)。對(duì)于以定量圈定礦體為主要目的AMT勘查,即使在內(nèi)蒙這樣淺層干燥地區(qū),仍要注意靜態(tài)位移的改正?？辈閱挝粸閮?nèi)蒙有色物探隊(duì)。

4.4 約定勘查產(chǎn)品的靜改誤差占主體

由于地質(zhì)體是由不同地質(zhì)體單元構(gòu)成的,因此存在地質(zhì)界面是不可避免的、常見的,比如淺層(不同程度的風(fēng)化層等)與基巖往往就是最大的界面之一,所以實(shí)際沒有理論上一維各向同性的介質(zhì),有界面就要考慮位移電流產(chǎn)生的場(chǎng),也就是

Maxwell方程 ?×H=J+?D/?t的第二項(xiàng)位移電流[7]引起了電阻率ρ靜

ρ卡(實(shí)測(cè))=ρ卡(j引起)+ρ靜(?D/?t引起),(MGSK單位制)

(10)

式(10)全面表達(dá)了實(shí)測(cè)卡尼亞電阻率ρ卡(實(shí)測(cè))。式中,ρ卡(j引起)為傳導(dǎo)電流引起的卡尼亞電阻率,ρ靜是位移電流引起的(靜態(tài)效應(yīng))卡尼亞電阻率,j為傳導(dǎo)電流,D為電位移矢量,?D/?t為位移電流。

很明顯ρ靜是地質(zhì)體界面的函數(shù),不同于干擾,必須重視和合理地改正。ρ靜具有兩面性,不利的一面是淺層或炭質(zhì)等非目標(biāo)層強(qiáng)烈靜態(tài)位移使得(用于反演的)ρ卡失真甚至經(jīng)常面目全非,有利的一面正是由于(礦體、含礦層、成礦地質(zhì)體、找礦指示層等)地質(zhì)界面的ρ靜存在,使得層間電性差異增大,電磁法分辨率大為提高,尤其是深部分辨出中小目標(biāo)體異常,深部的靜態(tài)位移是不可或缺的、須保護(hù)的。

注:AMT使用儀器為EH-4,點(diǎn)距20 m,TM裝置,勘查難點(diǎn)在于要避開低阻的富冷水區(qū),尋找相對(duì)封閉的高阻區(qū)段中的相對(duì)線狀低阻,因此要求AMT的定量精度高、真實(shí)性好。異常查證孔位于原ZK3(孔深81 m,水溫37,水量400 m3)旁,孔深280 m,于168～186 m見到熱水破碎帶?？辈閱挝粸閺V州連新物探公司。

注:AMT 使用儀器為EH-4,點(diǎn)距100～200 m,低頻探頭,TM+TE裝置(磁棒垂直和平行測(cè)線),TM數(shù)據(jù)處理反演。與已知地質(zhì)構(gòu)造“考試式”對(duì)比:凹陷、凹中隆、區(qū)域斷裂等與實(shí)際基本相符;與已知深鉆孔對(duì)比:層位電性及含與不含有機(jī)質(zhì)層位,均與鉆孔符合;三疊系至下泥盆系為有機(jī)質(zhì)中心、電阻率ρ低(最低50 Ω·m),1216 m深為有機(jī)質(zhì)中心及樣品采樣位置、高阻灰?guī)r盆地基底電性及位置定量均符合實(shí)際情況。該例說明大目標(biāo)體、大勘探深度仍需靜改?？辈閱挝粸樵颇鲜〉卣{(diào)院。

AMT及CSAMT在野外方法技術(shù)符合要求的前提下,其產(chǎn)品(反演剖面)總誤差 = 數(shù)據(jù)收錄誤差+數(shù)據(jù)處理誤差+反演誤差。其中:

(1)數(shù)據(jù)收錄誤差,屬偶然誤差。占總數(shù)據(jù)的3%～7%。但是采用共磁道的CSAMT數(shù)據(jù)中偶然誤差只占小部分,主要是共磁道歪曲異常或可能存在的陰影復(fù)制等誤差,使得數(shù)據(jù)雖然合格但不真實(shí)。

(2)數(shù)據(jù)處理誤差 = 偶然誤差+地形影響誤差+靜態(tài)效應(yīng)誤差。大量實(shí)踐證實(shí),其中靜改誤差往往遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)收錄、偶然、地形影響及反演誤差之和。這是約定勘查對(duì)其產(chǎn)品總誤差的重要認(rèn)知。

① 偶然誤差改正:對(duì)于誤差超差頻點(diǎn),使用內(nèi)插平均或多項(xiàng)式插值,近似于點(diǎn)距放大一倍的離散頻點(diǎn)影響。除非關(guān)鍵點(diǎn)位的連續(xù)壞點(diǎn),此改正對(duì)結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生明顯可見的影響。

② 地形誤差改正:由于是平面波,地形影響相對(duì)要小一些,但“尖”地形例外。地形影響與靜態(tài)位移是并存的,除尖地形明顯可識(shí)別地形影響外,兩者比較難區(qū)分,均可歸到靜改和帶地形反演來綜合解決,除尖地形外,效果都較好。

③ 靜態(tài)效應(yīng)誤差改正:靜態(tài)效應(yīng)改正是音頻段電磁法最難掌控的、對(duì)反演結(jié)果影響最大的一個(gè)環(huán)節(jié),靜改結(jié)果也是各家都不同,導(dǎo)致同一數(shù)據(jù)的反演剖面可能相差甚遠(yuǎn),與鉆孔結(jié)果甚至于呈顛覆性差異。

約定勘查靜改突出可操控性,改正目的=A+B+C。其中:A為消除或大幅削弱靜態(tài)位移;B為改正后阻抗基本符合實(shí)際情況;C為提高了分辨率和真實(shí)性。

約定勘查靜改是一種“無損”自動(dòng)化靜改,其原理為經(jīng)典理論的測(cè)深平移為主體的多方法集成,結(jié)合阻抗相位判斷,利用人工智能技術(shù)找出最佳解,瞬間實(shí)現(xiàn)A,實(shí)現(xiàn)或基本實(shí)現(xiàn)B,達(dá)到C,小、中、大目標(biāo)體通用,初步突破了這個(gè)世界難題,改正后反演剖面與實(shí)際符合度高—較高,如圖1、圖3、圖4、圖6、圖7、圖8、圖9[8]。

圖9 廣東某超大型鉛鋅礦232線CSAMT數(shù)據(jù)靜改前(b)、后(a)反演電阻率異常查證剖面圖

(3)反演誤差。按2.3節(jié)給出的專家系統(tǒng)的反演步驟與參數(shù)選擇,基本可達(dá)到反演階段誤差較小。

注:CSAMT儀器為GDP-32,點(diǎn)距25 m,共磁道1∶4,靜改后在成礦有利的壺天灰?guī)r層位出現(xiàn)弱異常,查證見塊狀富鉛鋅礦及塊狀富硫鐵礦,且礦化及黃鐵礦化遠(yuǎn)大于礦體。該例說明,深部局部體靜態(tài)效應(yīng)明顯?？辈閱挝粸閺V東有色物探隊(duì)。

5 結(jié)論

(1)AMT野外采用TM裝置,這是關(guān)鍵技術(shù)之一。音頻場(chǎng)是穩(wěn)定和基本穩(wěn)定的,適用于TM裝置,并從理論上論證了TM場(chǎng)的矢量表達(dá)式。TM裝置簡單有效、最大限度削弱走向電磁場(chǎng)的影響、客觀反映了剖面上的音頻場(chǎng),保證了收錄場(chǎng)的真實(shí)性。

(2)AMT遠(yuǎn)參考不宜且無需遠(yuǎn)參考。音頻段遠(yuǎn)參考會(huì)降低分辨率和場(chǎng)的真實(shí)性。

(3)對(duì)于收錄場(chǎng),將過去都認(rèn)為是磁場(chǎng)Hy(因此工區(qū)內(nèi)處處相同),修正為磁感應(yīng)強(qiáng)度By(含異常,因此工區(qū)內(nèi)處處不同)。共磁道是共用By,以降低分辨率換取經(jīng)濟(jì)上合算。

(4)小點(diǎn)距和有效頻段,小點(diǎn)距簡單有效地提高了目標(biāo)信息控制密度,提高了分辨率。滿足勘探深度條件下的有效頻段選擇,規(guī)避了強(qiáng)干擾頻段、擴(kuò)大了適宜工作區(qū),是“抗干擾”有效手段,同時(shí)避免了大于勘探深度地質(zhì)體信息參與反演,是提高反演擬合真實(shí)性的重要措施。

(5)自動(dòng)“無損”靜改,文章對(duì)卡尼亞電阻率的公式,補(bǔ)充了位移電流引起項(xiàng),并證實(shí)位移電流造成的誤差,往往占了總誤差大頭的極為重要的實(shí)踐認(rèn)知。自動(dòng)“無損”靜改屬于關(guān)鍵技術(shù)之二,初步突破了該領(lǐng)域世界難題,大幅度提高了反演結(jié)果真實(shí)性與分辨率。

(6)“約定”,是將專家技術(shù)系統(tǒng)大眾化、形成可操作的步驟,這是關(guān)鍵技術(shù)之三。

致謝：全國危機(jī)礦山辦有關(guān)專家領(lǐng)導(dǎo)、廣東監(jiān)審專家組長伍廣宇教授級(jí)高級(jí)工程師、伍卓鶴教授級(jí)高級(jí)工程師、陳貴生高級(jí)工程師、高寶龍教授級(jí)高級(jí)工程師、何俊飛高級(jí)工程師、物探監(jiān)審專家吳玉章教授級(jí)高級(jí)工程師、陳元坤教授級(jí)高級(jí)工程師以及廣東省物探隊(duì)、廣東有色地勘院物探隊(duì)、中南冶金地質(zhì)局物探隊(duì)、廣東省地調(diào)院、云南省地調(diào)院、廣東有色935地質(zhì)隊(duì)等對(duì)約定勘查研究提供了支持和幫助;何俊飛幫助英文翻譯;沈長明協(xié)助文稿編輯。