可控源音频大地电磁测量法在矿山地质环境研究中的应用

罗有春

摘要：矿产资源对国家经济发展和人民生产生活都发挥着重要的作用，是人们不可或缺的资源。然矿产资源开采难度大，难以掌握其地质环境。可控源音频大地电磁测量法是地質环境勘探的重要方式，本文主要研究在矿山地质环境勘探中运用此方法。首先，通过分析某地区的矿山地质环境，然后再进行数据采集、数据处理和反演正演模拟，最后分析地质模型。结果表明，可控源音频大地电磁测量法能够提供关于岩石和结构最完整的数据，能够勘探到深度很高的地质，勘探精准度也高。

关键词：可控源音频大地电磁测量法;勘探;地质环境

中图分类号：P631文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）07-0109-04

矿产资源在我国发挥着重要的作用，随着我国经济的快速发展，满足人民生产生活的需要，我国的矿产资源利用在不断增多。但是矿产资源的开发却很难做到，因为其埋藏在几百米甚至几千米的地下，难以发现其位置，而且对地下环境不了解，开采过程中容易遇到很多困难。所以，矿山地质环境勘探是开采矿产之前的必要步骤，而且勘探的作用关系到开矿能否顺利进行，是一项非常重要的工作。文章以四川盆地的某个矿产地区为例，通过可控源音频大地电磁测量法对该矿产进行勘察，考察其地质环境。

1 矿山地质概况

四川盆地属于碳酸盐地层，含有碳酸盐岩、白云岩等，这些岩石在构造上容易破碎和风化，是可渗透，能充当含水层。但是今天的这些岩石是一堆不透水的岩石，粘土和泥灰岩，所以整个包装都是一个不透水的屏障。在地质历史中，这些白云岩在几个阶段受到过强烈的构造活动。由于这个原因，产生了次生的裂缝孔隙度，白云岩的地面岩体已经成为四川盆地这一地区的主要含水层，具有显着的供水潜力。鉴于不透性碎屑和可渗透碳酸盐通过其电阻率明显区分的事实，可以使用可控源音频大地电磁测量法非常有效地研究该地域情况。

2 可控源音频大地电磁测量法的应用分析

2.1数据采集

电子断层扫描轮廓长700m。使用Wenner电极阵列进行测量，单位电极间距为10um，因此研究深度为135um。使用基于10ke和Barker算法的软件完成反演。由于预期深度相当小，并且电阻率层析成像对这些深度的分辨率良好，因此可用于可控源音频大地电磁测量法测量的控制和评估。可控源音频大地电磁测量法测量在沿着电子断层摄影剖面分布的16个可控源音频大地电磁测量法探测站点进行。前3个站点之间的距离为25m，其他站点之间的距离为50m，因此轮廓的总长度为700m。

2.2数据处理

可控源音频大地电磁测量法用于现场测量时的系统选择美国的GeometricsStratagemEH4探测仪器，该探测仪器允许记录高达10kHz的频率。调查深度取决于频率，它与频率的平方根成反比。根据应用的频率范围并且取决于地下电阻率，系统可以达到500m到1000m之间的深度。该系统还使用受控源天线来补充lkHz至70kHz范围内的自然信号，从而获得更可靠的数据和更好的浅层特征分辨率。这是由于自然场各种高频噪声的影响而特别强烈地变形的事实。用于产生人造场的发射器和天线必须放置在距剖面的特定距离处，以便用平面波电磁场逼近信号。因此，发射器和天线放置在距离剖面大于400m的位置。

在水平分层的地球中，每层均匀且各向同性，电磁波传播使得电场和磁场矢量正交。电场强度与磁场强度之比（Ex/Hy）是称为特征阻抗（Z）的电磁特性的特征量度。表面阻抗复杂，与频率有关并且是张量：

对于2D导电结构的情况，当在平行于电击方向的坐标系中测量时，阻抗张量Zxx和Zyy的对角元素为零。冲击方向是水平方向，对于2D结构，电导率不会改变。因此，表面阻抗的计算依据如下：

其中i和j在x和y方向。视电阻率和阻抗相位由阻抗分量计算得出：

对于均匀的半空间，相位差等于π/4。因此，对于均匀电阻率，相位在所有频率下都是恒定的，并且更复杂的地下结构的指示是相位和视电阻率随频率的变化。使用四个通道GeometricsStratagemEH4探测仪器，在两个垂直偶极子上测量电场分量（E_x，E_y）。偶极子长度在10～20m之间，以获得良好的数据质量。使用感应线圈（EMIBF-6）测量水平磁场分量（H_x，H_y）。在两个正交方向上记录的电场和磁场分量用于计算测量位置处的表面阻抗（Z）。使用张量处理技术计算表面阻抗分量，并且根据阻抗分量计算视电阻率和相位曲线。

在2D结构的情况下，测量数据可以分成两种不同的模式，并且这些模式被称为E和H极化。对于E偏振模式（TE），电场平行于打击方向偏振，并且对于H偏振模式（TM），磁场在打击方向上偏振。测得的视电阻率和相位数据如图1所示，数据是最嘈杂的。yx方向的视电阻率曲线在低于3000Hz的频率下具有不同的形状，这可以指示结构的维度（2D或3D）。站MT-6处的xy曲线显示较低频率的电阻率增加。

2.3可控源音频大地电磁测量法数据的反演和正演模拟

沿剖面记录的可控源音频大地电磁测量法数据被解释为获得电阻率模型，其使用反向和正演模型以两种方式反映地下地质。使用用于MT数据ZondMT2D的二维解释的软件进行逆和正向建模。

观测数据的自动反演是更快的解释方法，以恢复地下电阻率分布。反演通常通过迭代过程来执行，其中包括正向建模以计算初始模型的电阻率响应。对于第一个初始模型，假设恒定电阻率的半空间。解释器的唯一影响是定义反演算法和几个反演参数，例如电阻率限制，平滑因子和平滑度比。根据数据质量和噪声，反演模型有时会产生不可靠的结果。此外，我们必须记住，反演是非独特的，许多电阻率模型可以适合观测数据。然而，反演模型将基于反向电阻率分布提供内在的一般结构。

对岩性约束模型进行正演模拟。该模型使用先验地质数据或其他地球物理方法的结果来定义。以这种方式，由于解释模型在解释器的控制下，可能的解决方案的数量显着减少。在正演模拟期间，可以测试几个可选模型，因为有时可能存在不同的边界深度和电阻率对比。由于最终模型需要同时适应先验地质知识和观察到的可控源音频大地电磁测量法的数据，因此最终解释模型通常比通过自动反演获得的模型更可靠。

可以仅使用视电阻率数据，仅相位或两者来完成反演。在本分析中，我们采用了奥克姆反演，使用平滑算子和额外的对比度最小化来获得简单且相当平滑的电阻率模型。输人数据是来自StratagemEH-4的视电阻率和相位数据。在反演之前，可控源音频大地电磁测量法的数据需要由于噪声而平滑，因为噪声数据可能会导致模型中出现不切实际的特征。为每个工作站目视检查数据，以消除尖峰并平滑数据。根据地质趋势确定撞击角度，并将数据旋转至TE（电极化）和TM（磁极化）模式。测量数据相当嘈杂，在存在噪声和局部失真的情况下，基于场数据的打击角确定是不稳定的。由于从数据本身确定打击角度是值得怀疑的，我们选择了地质趋势的帮助。

反演的起始模型由恒定电阻率构成，并由由表面层厚度，增量因子和决定底层深度的层数定义的网格表示。块宽度被缩放以匹配站点间距与站点之间的两个附加节点，并且由于站点均匀间隔，因此产生几乎等距的网格。根据轮廓，第一层的起始厚度设定为1um，层数38～40。增量因子为1.2，这意味着每个后续层的厚度相对于其上方层的厚度乘以1.2。它导致底层的深度在5000～7000m之间。

通过TE和TM数据的联合反演以及可以被认为是TE和TM数据的算术平均值的行列式（D）来完成计算。阻抗张量的行列式与假设的走向方向无关，因此发现最佳拟合模型实际上与所使用的起始模型無关。迭代地完成反演以使计算的模型适合于测量的可控源音频大地电磁测量法的数据，直到达到给定的标准，其可以是最大迭代次数或最大RMS误差。我们使用了许多迭代作为停止标准;在大多数情况下为5～7，因为大量的迭代有时会使模型不必要地复杂化并且可能导致模型具有不切实际的细节。我们的目标是反转模型，以便给出主要结构的图片。

基于反电阻率模型和其他可用数据，构建了正演模拟的初始模型。电阻率模型以块模式创建，其中场地与场地布局间隔并考虑地形。在正向建模中，近似网格的每个单元格中的字段线性变化。定义电阻率模型的响应（电阻率和相位）计算两种模式和行列式（D）。由于低电阻率的浅层可以显着影响计算的数据，因此电阻率断层扫描和电探测的结果可用于定义浅层。通过这种方式，我们可以更可靠地确定更深的边界，即碎屑岩和碳酸盐岩之间的界面。

3 地质模型

在四川盆地，表面附近的低电阻率和在剖面的某些部分延伸到更大的深度，被解释为不可渗透的碎屑岩的影响。低于它们的高电阻率是由作为含水层的裂缝和风化碳酸盐引起的。两个电阻率模型，即反向和向前，沿着轮廓MP-1（图2和3）表明在200m的距离处的断层接触。接触是垂直的，因此假定跳跃很大（约200m）的正常故障（图4）。最低电阻率（约20Ωm）靠近地表，这些被解释为粘土和泥灰岩沉积物。在地下室的这些层和三叠纪白云岩之间，存在不可渗透和渗透性差的新近系碎屑层的变化：泥灰岩，砂质泥灰岩和粘土砂岩。该模型表明，由于构造活动，该区域可能出现大的断层跳跃。它将有助于考虑所选微位置的水文地质潜力。

基于地表地质绘图和周围环境中的先前数据，人们会期望复合石灰石界面相对陡峭的倾斜。在这种情况下，探测钻孔应尽可能靠近山坡上的这个边界，以便在可接受的深度处捕获碳酸盐岩。但是，基于可控源音频大地电磁测量法数据的模型显示界面形状完全不同，并且在山谷中可以预期最浅的碳酸盐深度，这意味着勘探钻孔的成本将降低。

4 结语

在深度超过100m的水文地质目标的情况下，可控源音频大地电磁测量法提供了关于岩石和结构关系的最完整数据。它可以以更低的成本到达更大深度的目标，可以进行密集空间采样。在厚层碎屑不透水沉积层下的碳酸盐岩的绘图中，可控源音频大地电磁测量法提供了有关含水层存在及其一般埋藏深度的信息，然后可以通过在选定的潜在微观位置上使用地震反射来更精确地确定。通过近表面电阻率断层摄影数据可以显着降低可控源音频大地电磁测量法反演方法的解释模糊性，特别是在更深的地方。可以说，可控源音频大地电磁测量法在矿山地质环境中发挥着重要的作用，能够降低人力成本，而且还可以节约勘探时间，最重要的是提高了勘探的精准度。可控源音频大地电磁测量法的一个缺点在于该设备的成本过高，如果能将设备成本降低将会在地质勘探中运用更加广泛。