大定源回线装置磁源瞬变电磁法深部找矿应用与问题探讨

张国鸿，廖圣柱

(安徽省地球物理地球化学勘查技术院， 安徽合肥 230022)

大定源回线装置磁源瞬变电磁法深部找矿应用与问题探讨

张国鸿，廖圣柱

(安徽省地球物理地球化学勘查技术院， 安徽合肥 230022)

磁源瞬变电磁法常用于金属矿的勘探工作中，为了加大勘探深度和提高工作效率，常采用大定源回线装置进行测量。本文给出了一个在深部找矿工作中大定源回线装置磁源瞬变电磁法应用实例，通过Occam一维反演工作，提出和探讨了一些实际应用问题。

磁源;瞬变电磁法;大定源回线;深部找矿

0 引言

瞬变电磁法是以接地导线或不接地回线通以脉冲电流作为场源，以激励探测目标物感生二次电流，在脉冲电流间隙测量二次场随时间变化的响应。二次场从产生到结束的时间是短暂的，这就是“瞬变”名词的由来[1]。

瞬变电磁法可在地面、井中和空中进行。地面磁源瞬变电磁法的工作装置很多，有分离回线、同点回线、定源回线等。瞬变电磁法观测的参数有三种：感生电动势、磁场和电场，测量电场属于接地系统。目前使用的测量仪器主要是测量感生电动势，不同的测量仪器实测电动势方式的显示不同，有的直接显示电动势ε，单位为μV；有的用发射电流归一，即ε/I，单位为μV/A；有的是用接收线圈的面积归一，即ε/AR,单位为μV/m2（AR—接收线圈有效面积）；有的用发射电流和接收面积归一，即ε/（I·AR）,单位为μV(A·m2)。

本文给出的应用实例采用的是定源回线装置，测量结果是二次场电动势值。

1 大定源回线装置及其特点

1.1 大定源回线装置

大定源回线装置如图1所示。所谓大定源回线装置，就是发射回线（Tx）大且固定不动，测量线圈（Rx）在大回线内、外逐测点采集数据。

1.2 装置特点

图1 大定源回线装置示意图Fig.1 Large transmitter loop unit

由图1可见，该装置可在发射线圈内外、前后、左右均可进行测量，因此只要铺设一次大回线，就可完成多剖面、多测点的测量，所以工作效率很高，大大降低了勘探工作的成本。

目前，人们基本习惯于在大回线中心部位进行测量工作，这是因为在发射线的圈内、外垂向的一次磁场方向是不同的；而且离发射线圈的远近，一次磁场的也是不均匀的，因此，在发射线圈的不同部位适应探测不同产状的矿体。所以，在某一地区普查某一产状的目标物而采用三种（远离线圈、靠近线圈、线圈中部）不同形态的场是不合理的[1]。

2 深部找矿应用实例

2.1 应用区地质概况及地球物理特征

2.1.1 地质概况

矿区全为第四系覆盖区，经钻探揭示第四系厚度350～400m。隐伏的地层以太古代五河岩群（Ar3W.）为主，自下而上分为下亚群西堌堆岩组、庄子里岩组、峰山李岩组和上亚群小张庄岩组、殷家涧岩组。Ⅱ线勘探剖面地段基岩主要为庄子里岩组（Ar2zh.）地层，其岩性下段为角闪钾长变粒岩、角闪变粒岩及少量浅粒岩，夹大理岩、石英岩和黑云片岩，上段为单一的厚层大理岩，夹浅粒岩及斜长角闪岩，岩性稳定。基岩地层中，穿插有大量的正长斑岩、流纹斑岩、花岗闪长斑岩、石英二长岩、英安斑岩等脉岩。

磁铁矿主要赋存于大理岩、条带状大理岩、白云石大理岩及蚀变透辉石岩中，属接触交代型（矽卡岩型）矿床；金、铜、铅多金属矿脉体与花岗闪长斑岩、流纹斑岩等岩脉关系密切（图2）。

图2 Ⅱ线勘探剖面地质图Fig.2 Geological map of line II exploration profile

2.1.2 地球物理特征

矿区基岩主要是蚀变变质岩类

地层和正长斑岩、花岗闪长斑岩等侵入岩体。用数字磁化率仪和电阻率测井获得的岩矿石电、磁参数如表1所示。

表1 勘探区电、磁参数统计表Table1 Statistics of electric and magnetic parameters for the survey area

2.2 工作装置参数

发射回线采用边长为800m×800m的正方形线框；接收线圈为空气芯线圈，有效面积为200m2；发射电流波形为双极性方波，占空比50%，脉冲电流宽度400ms，电流强度I=17～18A，关断延时40μs对数等间隔采样，采样时长为4.83×10-4s～7.02×10-2s，时窗30个。

2.3 一维反演方法与结果

2.3.1 一维反演方法

一维反演采用Occam反演算法，它是一种简单、有效地获取最平缓模型的反演方法，实际是求一个多层的地电模型最光滑解。它通过给定初始模型的层数和层厚度来最终获取模型的电阻率参数。其基本原理为[2～3]：

首先给定地电模型的粗糙度R定义为

上式中，n为观测数据个数，σj为第j个数据的标准差。

根据不同的约束条件，即对模型粗糙度目标函数构建方法的不同，Occam反演软件二级菜单中又有不同的选项，常用的有三种构建方法——模型参数的平方和最小、模型参数一阶导数的平方和最小、模型参数二阶导数的平方和最小。它们分别称为：最小模型约束、最平缓模型约束和最光滑模型约束反演。

2.3.2 一维反演结果

反演软件为美国劳雷公司推出的IX1Dv3电法软件包中的瞬变电磁模块。给出的初始地电模型如下：

初始地电模型层号： 5最小深度： 100 (m)最大深度： 1200 (m)初始电阻： 10( Ω·m)

图3是Ⅱ线勘探剖面一维反演结果的电阻率等值线断面图。

图3 Ⅱ线勘探剖面一维反演电阻率等值线断面图Fig.3 Line II exploration profile one-dimension inversion resistivity isoline section

图3显示，埋深大于400m，电阻率断面图中十分显目地表现出在横向上为多个等距的“M”型高阻异常，“M”型异常的鞍部大多对应于钻孔位置。究其原因，笔者认为，由于进行勘探工作时，该勘探剖面上部大约150～400m埋设有钻孔的金属套管，金属套管对附近的测点的晚期信号起到了干扰的作用——低阻效应。由于金属套管埋藏于第四系盖层中，该区第四系电阻率低（约10～15Ω.m），所以对上层第四系电阻率的分布影响很小。

将图3与地质勘探剖面（图2）对比，Ⅱ线勘探剖面的瞬变电磁法测量结果，只起到了勘探第四系盖层厚度或基岩面埋深的作用，由于钻孔金属套管的存在，测量结果没能给出深部地质信息。

3 问题探讨

3.1 一次场的不均匀性

以上已提及，大定源回线装置目前人们习惯在回线框内进行测量，但在框内多大范围内进行测量合适？这就需要了解回线框内一次磁场的分布特征。

根据比渥萨伐定理很容易得出场的表达式如下：

边长为2l的正方形回线地面上的一次磁场的垂直分量为：位于边长为2l的正方形回线平面内，通过回线中心，并平行回线一边的测线上一次磁场的垂直分量为：

式（6）、（7）是回线源通电时在自由空间的磁场强度分布特征。

取正方形回线边长2l=800m，函数f(x)的曲线如图4所绘。

图4 回线源一次磁场垂直分量沿x轴变化Fig.4 Vertical component of loop source primary field changing along x-axis

图4表明，在回线框内一次磁场的垂直分量在回线中心四分之一范围内变化不大，靠近回线边缘，一次场逐渐增大，所以，为了在一次场大致相等的条件下观测二次场，应该在回线框内不大于四分之一范围内进行瞬变电磁测量工作。现将回线框内不同位置一次场增量相对回线中心x=0的变化量列于表表2。

表2 回线框内不同位置一次场变化情况Table2 Primary field change in different sites of the loop frame

以上是自由空间获得的理论计算结果，实际勘探工作中，大地表面为不均匀导电层，靠近线圈的测点的一次场相对于线圈中心测点的变化量会更大。图5是Ⅱ线勘探剖面上一个线框内8个测点一次场观测结果。

图5是Ⅱ线勘探剖面上由800m×800m大定源回线内一次磁场沿侧线方向实际观测值，点距为40m，8个测点的观测段为280m。可见，靠近回线的176号点相对于回线的中心部位的160号点，一次场相对变化量达20.3%，大大超过自由空间情况下的5%的变化量，一次场曲线具有中心对称分布特征。

图5 回线源一次磁场垂直分量沿测线的变化Fig.5 Vertical component of loop source primary field changing along survey line

由于一次场的强度不一致，所以，瞬变电磁法观测的二次场信号强度受到一次场的激励程度是不同的。特别对于一维反演来说，应对一个回线内观测的所有测点的二次场信号进行一次场归一校正。

3.2 地中钻孔套管的影响

在地质钻探勘探工作后期，往往施工过的钻孔因上层第四系松散盖层厚，封孔时无法将钻孔套管全部取出，此时地质勘探剖面下存在钻孔金属套管，特别是经过详查地质勘探工作，钻孔十分密集，地中存在大量的钻孔套管。然而，为了进行深部找矿或进一步查明勘探区地质构造细节，进行电磁法勘探工作时，钻孔的金属套管会对勘探工作带来影响，使勘探结果的地电断面与实际的地质现象极不吻合，给物探资料解释带来偏差甚至错误的结果。因此在了解勘探区钻孔的金属套管分布、埋深后，必须对电磁法测量数据进行校正或在测量的数据中剔除。

本次勘探区Ⅱ线地质勘探剖面上钻孔基本以200m等间隔分布，因第四系厚度400m左右，封孔时拔掉了上部一部分套管，大约在150m～400m深度上存在套管，所以应把此深度上的瞬变电磁响应在二次场整个时间窗内去除。

磁源瞬变电磁法是在发射线圈中电流突然断开时，测量下半空间的感应涡流产生二次磁场。一次磁场产生的感应涡流在断电后的任一给定时间里呈环带分布，在早期涡流集中于地表附近，到了中、晚期涡流将随时间延长而向下及向外扩展，通常称之为“烟圈”效应，如图6所示。

图6 半空间中的等效感应电流圈Fig.6 Equivalent induction current loop in half space

等效电流环所在的深度的表达式为[4]：

式中，时间t单位:s；电阻率ρ单位:Ω·m；μ0=4π×10-7单位:H/ m；深度d单位:m。

利用（8）式，取d=400m，ρ=15Ω·m，得t≈8ms。所以应将实测的二次场响应值中小于8ms×2=16ms的数据去除掉。

3.3 对问题的修正

针对同一大回线框内不同位置的测点其一次磁场垂直分量的不同和勘探剖面下第四系覆盖层中存在钻孔套管影响的两个问题，笔者对实测数据进行了一次场归一校正和早期（采样时长小于16ms）的实测数据进行剔除，用同一个反演软件重新进行了Occam一维反演，反演结果如图7所示。

图7 修正后Ⅱ线勘探剖面一维反演电阻率等值线断面图Fig.7 Line II exploration profile one-dimension inversion resistivity isoline section after revision

通过一次场的归一校正和去除早期数据后重新反演结果的电阻率断面图（图7）中，深部不再有多个等间距的“M”型异常，而在剖面的西南端（ZK203孔左侧）呈现出相对高阻异常，在剖面的北东端（ZK203孔右侧）为相对低阻异常。根据地质钻探剖面（图2），异常分布特征可以解释为剖面北东端庄子里岩组（Ar2zh）斜长片麻岩和斜长角闪岩类的变质岩增多，剖面西南端主要为花岗闪长斑岩，这与钻探结果和目前地质界认识是一致的。

4 结论

（1）磁源瞬变电磁法大定源回线装置在框内测量时，应在框内中部进行测量，测量范围不易大于边长的四分之一。

（2）同一框内不同测点的一次场变化较大时（与中心测点相比达到10%），建议对二次场进行一次场归一校正。

（3）当覆盖层中存在电磁干扰物时，应斩去早期测量数据，斩去的数据长度可根据等效电流环的等效深度的时间的2倍估算。

[1]蒋邦远.实用近区磁源瞬变电磁法勘 探[M].北京：地质出版社，1998.

[2]柳建新，童孝忠，郭荣文，等.大地电 磁测深法勘探[M].北京：科学出版社，2012.

[3]吴小平，徐果明.大地电磁数据的Occam反演改进[J].地球物理学报：1998,41(4)：547～553.

[4]牛之琏.脉冲瞬变电磁法及应用[M].长沙：中南工业大学出版社，1986.

[5]黄高元，张国鸿.CSAMT法张量与标量测量在已知铁矿区上的对比试验[J].物探与化探，2014，38(6)：1207～1211.

[6]张国鸿，李仁和.可控源音频大地电磁法深部找矿实验效果[J].物探与化探，2010，34(1):66～70.

APPLICATION OF LARGE FIXED TRANSMITTER LOOP MAGNETIC SOURCE TRANSIENT EM METHOD TO DEEP ORE EXPLORATION AND DISCUSSION OF RELEVANT ISSUES

ZHANG Guo-hong, LIAO Seng-zhu ( Institute of Geophysical and Geochemical Survey Technology of Anhui Province , Hefei,Anhui 230022, China)

Magnetic source transient EM method is usually used in exploration of metallic ores, and large fixed transmitter loop unit often used for surveying in order to improve exploring depth and work efficiency.This paper gave such an application case, raised and discussed some issues by Occam one-dimension inversion.

magnetic source; transient EM method; large fixed transmitter loop; deep ore exploration

P631.3

：A

1005－6157(2015)04－0283－5

2015-06-10

张国鸿（1956-），男，安徽合肥人，教授级高级工程师，长期从事地球物理勘探和电磁法方法技术研究工作。