张量可控源音频大地电磁法及其应用效果

王 刚， 张振宇， 李永博， 朱 威， 姚大为

(中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所， 廊坊 065000)



张量可控源音频大地电磁法及其应用效果

王 刚， 张振宇， 李永博， 朱 威， 姚大为

(中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所， 廊坊 065000)

可控源音频大地电磁法(CSAMT)是一种重要的勘探手段，在资源勘查中得到广泛应用，其中张量CSAMT是最近几年才在国内兴起。这里介绍了张量CSAMT方法原理和野外采集技术，使用V8多功能电法仪在某铅锌矿区进行了野外试验，并通过分析野外数据判断地下地质结构的维数，选择适合的反演方法，对不同模式的的张量CSAMT数据的进行了反演研究，得出了试验剖面可靠的二维电性结构，结合已有的地质、物探资料表明，该方法对矿体的整体形状、倾向都有较好地反映。

张量CSAMT; 张量阻抗; 二维偏离度

0 引言

可控源音频大地电磁法(CSAMT)是在由Strangway和Goldstein提出的可控的场源，向地下发射电磁波，在地面观测水平和垂直的音频段的电磁场，计算出阻抗或者视电阻率和阻抗相位，从而推断地下地质情况[1-4]。因为该方法利用的是人工源，电磁场信号强，抗干扰能力突出，弥补了天然场源信号弱、随机性强的缺点，所以在金属矿、地热资源、煤炭、石油天然气等勘探领域应用广泛，取得了很好的效果。

CSAMT可以分为标量测量、矢量测量、张量测量。标量测量是布设一个场源，观测单个电场分量Ex和与之垂直的磁场分量Hy，计算标量阻抗(Ex/Hy)；张量测量是至少布设两个不同方向的场源，观测Ex、Ey、Hx、Hy、Hz各两次，共计10个分量，计算张量阻抗[5]。矢量测量是介于标量与张量测量之间，只需要一个场源，观测Ex、Ey、Hx、Hy、Hz这5个分量，计算标量阻抗。

在二、三维情况下，阻抗与x、y两个方向的电、磁场水平分量都有关，而标量测量只观测单个电磁场分量，得到的标量阻抗，只适合探测一维地质情况，所以说张量测量的结果更加可靠[6-11]。

这里首先简单介绍了张量CSAMT的工作原理，然后给出一个例子，说明了张量CSAMT的应用效果。

1 张量CSAMT方法

张量CSAMT是利用两个极化方向不同的场源，向地下发射电磁波，在每个测点观测水平正交的电磁场分量(Ex、Ey、Hx、Hy)和垂直磁场分量(Hz)，共测量10个分量，观测装置图见图1。

图1 张量CSAMT观测装置简图Fig.1 Deployment of tensor CSAMT

如果场源与观测点之间的距离大于三倍趋肤深度，大地电磁平面波的近似是正确的,那么阻抗可认为几乎与天然场源音频大地电磁法(AMT)测量所推导的阻抗一样[9]。

在二维或三维地电断面条件下，在频率域中两个场源的张量阻抗和水平电磁场分量之间的关系为：

Ex1=ZxxHx1+ZxyHy1

(1)

Ey1=ZyxHx1+ZyyHy1

(2)

Ex2=ZxxHx2+ZxyHy2

(3)

Ey2=ZyxHx2+ZyyHy2

(4)

式中每个量都是复数，求出Zxx、Zxy、Zyx、Zyy这四个阻抗，式中下标1和2指的是两个源。所以4个张量阻抗元素可以表示为：

(5)

(6)

(7)

(8)

视电阻率ρ可以由式(9)得到。

(9)

其中：f为频率，视电阻率由Zxx、Zyy、Zxy和Zyx的模决定。

利用加拿大凤凰公司的V8仪器进行观测，结果是电场和磁场的振幅R和相位θ，并非以复数的方式保存。引入欧拉公式：

eiθ=cos θ+i sin θ

(10)

其中：e是自然对数的底；i是虚数单位。电、磁场谱值A可表示为：

(11)

这样就可以把电场和磁场转换成复数形式，利用式(5)～式(9)可以得到每个测点的张量阻抗和视电阻率。

2 测区地质与地球物理概况

2.1 地层

矿区与成矿有关的地层主要为震旦纪洗肠井群(ZX)，主要呈现近东西向展布，区内出露二、三、四岩组。

1)二岩组(ZXa)为一套浅变质的、浅海相泥质岩建造，整体岩性单一，在其内穿插大量酸性斑岩脉和石英脉。

2)三岩组(ZXc)为一套浅海相碳酸盐岩及泥质岩建造。岩性主要由含粒状石英的大理岩夹绢云千枚岩及粉砂质板岩等组成。按岩性及组合特征自下而上可划分为三个岩段：①一岩段主要由大理岩夹千枚岩组成，为矿区铅锌矿主要赋矿层位；②二岩段主要为绢云千枚岩，为矿体的主要盖层；③三岩段主要由条带状大理岩、黑云石英角岩、堇青黑云角岩、千枚岩、变砂岩等组成。

3)四岩组(ZXd)为板岩和角岩等。

2.2 构造

矿区断裂较为发育，分为区域性断裂及其相伴生的次级东西或近东西向压(扭)性、北西和北东向扭性及近南北向张(扭)性断裂构造，与成矿关系较为密切的为近东西向区域性断裂派生的次级断裂。

(1) 工程海域的潮流周期为12 h，为典型的半日潮。工程海域潮流运动受风向以及近岸辐射状沙洲地形综合影响，其中，南、中、北三个水道的潮流分布呈椭圆状，潮流流向受南北两侧沙洲引导，与深槽方向趋近，且流向受潮汐影响，呈往复流特征。潮流传递呈典型驻波状态。

2. 3 矿体特征

矿体赋存于一套角岩化细碎屑岩-碳酸盐岩岩系中，矿体主要沿两种岩性接触带及其附近层间水平错动破碎带产出。矿化岩石以泥质条带状薄层大理岩为主，次为绢云母千枚岩和变粉砂岩等。矿体多呈似层状、次为扁豆状、透镜体状，少量为囊状、柱状等。

2. 4 矿区地球物理特征

研究区银铅锌矿体与围岩电性有明显差异，银铅锌矿石具有高极化率和相对低的电阻率特征;而围岩(大理岩、千枚岩等)具有低极化率和相对高的电阻率。具体电性特征如表1所示。

表1 岩矿石电性参数

3 测线布置与数据采集

在已知地质剖面上布置了一条测线Line1。野外数据采集使用的是加拿大凤凰公司的V8多功能电法仪。经过场源试验，最终采用“×”型源，两个场源(T1、T2)互相垂直，每个场源与测线的夹角都为45°(图2)，场源长度都为1.2 km，交替供电，收发距为9 km。张量观测装置测量，主要观测Ex、Ey和Hx、Hy、Hz五个分量，一个子机只采集电场数据，

共用主机(V8)的磁场分量。观测频率是1 Hz～8 533.33 Hz，点距为50 m，15个观测点，剖面长700 m。沿测线方向为X方向，垂直测线方向为Y方向。图3为400号点观测的视电阻率和阻抗相位曲线图。两个方向的曲线圆滑，首枝重合，在100 Hz左右进入近区。

图2 工作布置图Fig.2 Diagram of work layout

图3 400号点观测曲线图Fig.3 Apparent resistivity and phase curves of NO.400(a)视电阻率；(b)阻抗相位

4 介质维数判断

严格来讲地下地质结构都是三维的，但是只有地下地质结构接近二维，利用现在的二维反演软件计算得到的地电模型才更符合地下实际情况。度量介质维数的指标有很多，如张量阻抗元素二维偏离度、张量阻抗元素椭圆轨迹的偏心率、椭率、倾子元素二维偏离度、倾子元素椭圆轨迹的偏心率等。作者利用张量阻抗元素二维偏离度，来讨论矿区的地下地质结构的维数。

二维偏离度S是利用张量阻抗元素来定义的，表示为：

(12)

因为Z1和Z4与坐标方位无关，所以S可以用来表示地电结构的特性。二维介质中，S=0，在三维介质中，S>0。S越小，地下结构越接近二维；反之，越接近三维。部分文献指出，当S≤0.2～0.5时，地下结构可以近似地看成二维的[1]。

图4是测线Line1二维偏离度等值线图，从图4中可以看出，这条剖面只有个别测点的中频段的二维偏离度值大于0.5，大部分测点的值在0.5以下，所以进行二维反演是合理的。

图4 测线Line1二维偏离度等值线图Fig.4 The skewnesses of line1

5 资料处理与解释

Line1测线方向是垂直于测区的近东西向断裂布置的，规定沿测线方向是x方向，所以ρxy为TM极化，ρyx为TE极化。由于在近区和过渡区的电磁波是非平面电磁波，近区和过渡区的数据不完全是地下地质体的反应，于是我们只选用远区数据反演。

在反演前，首先剔除跳点，然后采用美国zonge公司的SCS2D软件，进行了远区视电阻率、阻抗相位的TM模式、TE模式和TM+TE模式的二维反演，并参考测区的地质和地球物理资料对三种模式的反演结果进行了分析，最终认为TM模式的反演结果与实际地质情况比较符合。

图5为Line1线的激电曲线、张量CSAMT的TM模式二维反演电阻率断面和地质剖面。从图5(b)图上可以看出，对岩体、矿脉的反映比较清楚，整体上表现为大理岩为最高电阻率，千枚岩为中高电阻率，铅锌矿、大理岩(矿化)和千枚岩(矿化)为中低电阻率。在310号点1 900 m处和330号点1 500 m处的低阻，电阻率最低达到十几欧姆米，与图5(c)图上的矿脉对应得很好，矿脉的倾向也一致；图5(a)在310与320之间处也呈现出低阻高极化，电阻率在100 Ω·m以下，极化率在10%左右。图5(b)在370号～400号点间1 700 m处存在一个低阻体，图5(a)在该处也呈现出相对低阻高极化的特征，由于这部分没有地质和钻孔资料，我们推测这个低阻体也是铅锌矿体。

图5 Line1线激电曲线、张量CSAMT二维反演电阻率断面和地质剖面Fig.5 IP curve、2D inversion resistivity section of tensor CSAMT and geological section (a)激点曲线；(b)张量CSAMT二维反演电阻率断面；(c)地质剖面

6 结语

张量CSAMT继承了传统标量CSAMT的抗干扰能力强、分辨率高的特点，也具有一般天然场电磁法(MT、AMT)的观测数据多(Ex、Ey、Hx、Hy和Hz)、提供信息丰富(阻抗张量旋转、介质维数分析、张量阻抗主轴方向和倾子等)的优点，这有利于提高反演解释的精度和可靠性。张量CSAMT在电磁干扰严重的矿区取得了较好的勘探效果，对矿体的形状、倾向都有较好地反映。因此，可以观测电场和磁场的多分量的张量CSAMT，在深部复杂地质构造和矿体探测方面的应用前景十分广泛。

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The method of tensor CSAMT and its application effects

WANG Gang, ZHANG Zhen-yu, LI Yong-bo, ZHU Wei, YAO Da-wei

(Institute of Geophysical and Geochemical Exploration,CAGS,Langfang 065000,China)

Controlled source audio magnetotelluric method (CSAMT) is an important method of exploration, which has been widely used in resource exploration filed, whilst the tensor CSAMT has been focused recent years in the country. This paper introduces the basic principles of tensor CSAMT and the field data acquisition technology with the using of V8 multifunctional electrical meter to conduct a field test in a lead-zinc mining area. By analyzing the field data for determining the dimension of underground geological structures, selecting the appropriate inversion method, and by inversion of the different modes of the tensor CSAMT data, the two-dimensional cross-section electrical structure of test profile is obtained by the inversion of the different modes of the field data. Combined with the existing geological and geophysical data, it indicates that the method is very well to show the shape and tendency of the ore bodies.

tensor CSAMT; tensor impedance; skewness

2015-08-13 改回日期：2015-12-03

中国地质调查局地质调查项目(12120113100800);中国地质科学院地球物理化学勘查研究所基本科研业务费专项资金(AS1016J03)；中国地质科学院基本科研业务费专项资金(YYWF201633)

王刚(1981-)，男，硕士，主要从事电磁法的研究与应用工作,E-mail：wanggang@igge.cn。

1001-1749(2016)05-0598-05

P 631.3

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2016.05.04