基于瞬变电磁法的深层矿体探测有效性研究

张 超

（山东省物化探勘查院及山东省地质勘查工程技术研究中心，山东 济南 250013）

矿产资源是人类生产活动不可或缺的原料，随着社会工业化进程不断加快，对矿产资源的需求量逐步扩大[1]。在地质勘查工作的不断深入的同时，许多近地表矿产和露天矿体已被发现，在近地表找到大型矿产的可能性越来越小，需要探测人员对未发现的资源进行勘探，往更深部寻找矿体。目前，矿山正面临着资源枯竭，矿产埋深较大，野外条件复杂，探测难度大的问题。如何进行探测技术的升级和革新成为了矿体探测突破的关键。近年来，国家越来越重视对危机矿山的深部矿体探测，为了缓解资源危机，必须攻坚克难，借助其他方法和技术。瞬变电磁法是基于电磁感应原理，利用瞬变电磁场发射线圈的一种物探方法，不同地质体的信号，会产生不同的反馈信息，在有用的信号基础上综合推测引起不同地质情况的地质体[2]。瞬变电磁法具有诸多优点，最显著的特点就是探测深度大，其电磁法的一次磁场发射线圈距离远，同时探测的分辨率较高，如何运用此方法进行深层矿体探测，是目前重要的研究发展方向，对日后矿体的深部探测提供一定的参考意义。

1 基于瞬变电磁法的深层矿体探测有效性

1.1 布置测网采集探测数据

为了实现对深层矿体的精准探测，证明瞬变电磁法在实际应用中具有一定有效性，需要在执行野外探测作业前，根据瞬变电磁法的技术规程对电磁观测参数的分析，结合研究区域的实际情况，进行区域测网与测线的布置。测线的布置一般要使测线方向与地质体走向有大角度交叉，尽量垂直于地层和矿脉走向，采样间隔和瞬变频点距要满足探测精度的要求[3]。从地形角度出发，布置东西走向的测线共5条，在初查阶段，线距不大于矿脉走向的长度，在二次探测阶段的间距不应大于矿脉走向的一半，设置每条测线长60m，布置测点10个，将点距设为8m，在点据的设置上应保证区域内与4个异常记录，选用较为适宜的回线组合装置进行探测，结合使用的测网密度选定。回线边长需要根据探测矿体的规模、埋深以及典型作为参数进行数值模拟。利用回线装置的探测一般进行前后两次，在初查时应使线框不重叠，线框之间不留过大空隙，将线框边长设置为与点距相同的长度。在此基础上，选择野外矿区作业的装置与仪器，此次测量工作优选METW-01型号的瞬变电磁探测器、大功率发电设备（运行功率应>10.0kW）、信号发射机，同时，对接探测装置与信号接收装置，确保装置保持同步运行且良好通信状态。为了确保探测工作的实施可以达到既定效果，应在完成上述布置工作后，对布设的勘测环境与装置进行运行检测，确保装置运行无误，且可以实现对数据的反馈后，才能将其投入真实作业环境使用。在此过程中应注意的中心回线的选择，此次探测作业前，选择了大定源、重叠回线两种不同型号的装置，将发射线进行现场固定后，在线圈的有效接收范围内对回线进行沿线移动检测。考虑到矿体想野外探测作业区域的地质环境较为复杂，周边地形与地势的起伏变化较大，植被发育条件良好，而这些因素都是可能对测网测量反馈结果造成影响的因素。为此，在完成对地质作业环境的匹配后，优选大定源回线作为野外探测作业的主要装置，并在区域内布置300.0m×400.0m或300.0m×300.0m的发射机线框。完成上述设计工作后，对布置的作业环境进行16.0Hz、8.0Hz、4.0Hz、2.0Hz的野外试运行实验，根据实践结果，选择4.0Hz的装置信号发射频率，并在此基础上控制探测端发射的电流应大于或等于10.0A，通过此种方式，确保在区域内布置的测网可以在实现对信息的反馈。完成上述相关布置后，辅助使用遥感技术，对矿区地质环境进行勘查。在装置接收有用信号时，应使发射线框长边平行于矿脉走向，这样的设置下能够得到最好的电磁组合。在探测时应尽量选择在时间宽裕的范围内记录有用信号，为了保证观测速度，应使观测的叠加次数尽量少。一般在探测采集开始之前，先以电流输进匹配负荷的方法进行干扰电平的观测，以避免在采集数据时观测时间过长，叠加次数较多，信号受到严重干扰，不能对实际的深部地层有所响应的情况，在干扰电平下的数据是不可用的，若最后观测数据的读数是噪声天平，则说明所有信号已被全部记录，若在最后读数出现信号波动较大，并且超过噪声天平时，应延长观测时间和叠加次数，直到有用信号趋于稳定。在此基础上，通过前端反馈的色彩信息与波长数据，对矿层的类型、赋存形态、矿产资源分布进行解译识别，以此种方式，提取空间中有效信号与价值信息。此外，应注意装置反馈信号的特性，包括光谱信息中的灰度信息、折射率信息等，完成对具有代表性信息的获取后，探测矿产资源在其中的分布方式，根据信号的边缘性分布，识别具有连续性特点的信号。对于空间数据中的异常数据，可以获取信号时，采用多次成像的方式，获取信号中非重叠区域的信息，将重叠区域的信息进行迭代分析，根据信号的重叠层数，进行信息的单层提取。综上所述，实现对矿区测网的布置与探测数据的初步获取。

1.2 应用相对介电常数处理数据

完成对测网的布置与探测数据的初步获取后，考虑到获取的数据或反馈的信号中可能存在大量冗余信息，因此，需要在此基础上，应用相对介电常数，对数据进行针对性处理。数据处理要保证原始数据不受影响，能够反映地质体特征的情况下进行，相对介电常数是表征电磁场的物理参量，被广泛应用于岩土勘测。相对介电常数受温度等因素的影响极大，为了便于数据的处理，众多学者通常用公式进行研究，先设定电阻率和相对介电常数作为参考值，实际测量得到的相对介电常数会有一定的变化，利用线性回归方程计算探测数据，并对上述数据公式加以验证，不同的介质和参数会影响公式的系数[4]。通过研究区域的地质特征进行相应调整，得到适合本次深层矿体探测反演的公式：

式中j为相对介电常数，k为电阻率值。在数据处理过程中，首先要对探测数据进行预处理，运用小波变换，去噪得到比较平滑的曲线。瞬变电磁法与其他电磁法相比，受地形因素影响较小，但一般研究区域的地形都较为复杂，所以地形校正是处理数据的过程中最重要的环节。若测线经过的地形有起伏，需要及时进行校正，避免因地形反映的错误影响解译。在布设发射线框时，所收到的有用信号都来自垂直方向地层的响应，因此会出现空间位置发生变化的异常探测信息，造成判读失误。通过上式进行改正的数据，能够使相对介电常数对低阻异常在深度范围的响应稳定，在高阻薄层处也有响应。为了进一步实现对获取数据中价值数据的获取，将上述处理后的数据导入Geo Elector电法数据处理软件中，利用其中的定源瞬变电磁信号处理工具，进行数据的优化。在此过程中，需要先将野外观测或测网测得的数据录入计算机，确保数据录入后，打开软件操作界面，滑动操作界面窗口，对实测数据进行编辑，编辑的主要目的是实现对实测边缘数据的圆滑处理。处理时，根据测点的响应程度与可视化深度，对所有完成处理的信号进行滤波反演，输出在完成处理后的电阻率断面，提取断面中的非重叠信息与新增信息，将对应的信息与信号按照空间表达方式进行存储。根据数据与信息对应的空间位置，将其表示为（X，Y，Z）格式的数据，在完成数据格式的转换后，使用surfer软件，绘制获取信息在矿区内的电阻率等值线断面图，通过此种方式，实现对获取数据的针对性处理。

1.3 基于瞬变电磁法识别与分析异常区域

异常区域的识别能够判断深层地质体是否存在可疑矿体，是矿体探测中非常关键的步骤，在大量数据信息中提取出可疑矿体的出现位置，然后对矿体位置进行反演[5]。选取研究区域的地面数据做背景场，选取不同变化幅度的2处分别截取1个数据，不同部位的背景场数据如图1所示。

图1 背景磁场变化数据（10000m×10000m）

由图1可知，为了更好的模拟背景磁场变化情况，在磁场数据中选择了具有代表性的2个区域，图中（a）、（b）区域的磁场变化较大，利用截取出的面积数据，分别进行加密插值得到背景场数据。背景场数据一般是在矿体异常范围内，利用实测背景场相加产生叠加场，这个叠加场在异常区域的值可以近似看做是背景场附加的一个线性量。异常区域背景值的偏离在整个区域上可以看做是背景场整体的上移或下移，通过反演方法去除偏离值。完成上述步骤后，根据磁场的空间分布情况，矿脉产状、形态以及矿体的走向，与现有的地质资料结合分析，确定引起异常的特征，在通过不同维度的分析基础上，对地层深部构造、分布、赋存位置和形态等进行解译。特征点法通过磁异常曲线的各极值点、坐标点位以及特征点距，判断矿体赋存位置和产状，特征点法的曲线在异常中心的极大值上方，异常中心在异常曲线的垂直下方[6]。明确在矿区异常区域的识别与分析中，异常行为在工程中通常是以相对状态呈现的，因此，应在完成上述对异常区域的初步划分后，明确基于等值线的矿山异常区域划分原则表示为：邻近等值线发生形态的变异（包括异常弯曲、曲变等）、在定性类图件中等值线呈现的十分密集等。但无论基于任何一个角度进行此方面工作的实施，都需要结合探测区域的物理资料进行解释。

2 应用效果分析

本文围绕已知矿体的区域展开，探测深层矿体分布情况，向更深区域拓展。经上文对探测数据的采集和处理，利用电磁探测曲线和视电阻率断面进行解译，视电阻率参数主要用以划定构造带，根据视电阻率等值线形态及等值线梯度变化情况，结合地质资料，以视电阻率的取值区间明确地层边界，根据梯度变化分析与识别构造成分布情况，具体如图2所示。

由图2可知，本研究区域的测深剖面有高极化率、高电阻率反映的深层矿体脉状的综合异常。结合已有的地质资料，本文方法所得的瞬变电磁探测综合异常状态与实际地质接近，探测剖面的硅质岩层位置基本吻合，推测高极化率和高电阻率的综合异常由硅质岩引起。该研究区域地质结构为层状，剖面厚度在350m～550m之间，中部薄两翼厚，硅质岩以相似的产状赋存与地层中，高电阻率异常特征反映明显，很可能是形成硅质岩脉的通道，而另一条探测线的视电阻率异常在深部，有可能是岩浆顺围岩水平岩层形成的岩床状硅质岩。该特点在瞬变电磁视电阻率剖面中显示尤为明显，表明视电阻率参数用以确定研究区域深层矿体的空间分布范围具有良好的效果，证明本文方法具有有效性。在证明本文设计的瞬变电磁法深层矿体探测行为在实施中具有一定可行性后，设计针对此区域的探测深度对比实验，实验时选择物探法作为传统方法，将其与本文方法在使用中的探测性能进行比对，经过实践应用对比后发现，本文设计的方法可以实现对>500.0m矿体的有效探测，而传统方法探测的有效范围仅在300.0m以内，由此可见，本文设计方法在实际应用中的可行性更高，相比物探法等相关探测方法，瞬变电磁法的有效探测深度更大。综上所述，完成此次实验的设计，证明了本文设计方法的可行性、有效性与其在使用中的优势。

图2 瞬变电磁测深综合效果图

3 结语

本文基于瞬变电磁法探测深层矿体，根据研究区域的地质情况，将得到的数据信息进行解译，得到了区域异常特征，推测矿体产状与实际已有地质资料基本一致，得到了一定的研究成果。同时也存在着诸多不足，需要在今后进行更深入的研究，如将瞬变电磁数据与三维激光扫描相结合，用立体模型展示深层矿体的分布情况，在数据的反演中，应该提高反演结果的精度，数值模拟对实际情况的反映可以进一步提高，对复杂地形和围岩进行深入了解，瞬变电磁法在实际探测过程中会缺少浅层资料，因此所得数据不能完全反映探测位置的情况，用其他物探手段辅助进行，可在异常区域上方布置钻探进行钻探验证，确保得到的数据会更加充分有效。为了进一步落实此项工作，可在后续的研究中，加大对瞬时电磁法科技研究的投入，通过此种方式，优化矿区深部区域低阻体的寻找效果。但在完成此次研究后应明确，尽管本文提出的瞬时电磁法具有较强的实用性，但仍无法使用此项技术代替矿山作业中的其他勘探手段。尤其是在进行大规模金属矿山的勘查时，使用瞬时电磁法获取的地质数据极有可能存在偏差。因此，在实际作业时，还需要技术人员根据矿山现场环境进行探测技术与勘查手段的选择。