张量可控源电磁法应用实例

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张量可控源电磁法应用实例

1）探测深部硫化矿床

在西班牙AguasTenidas矿区做过多种物探方法探测硫化矿床的深部蕴藏情况之后，又要求用张量可控源法做进一步探测，共布置9条剖面[9]。

测区为一套火山岩与泥盆-石炭纪的沉积物组合。富含黄铁矿的块状硫化沉积物存在流纹岩和黑色页岩系列之中。早期曾在近地表处开采硫化矿床。

图9为9条剖面中一条南北向剖面的二维反演结果。图10是根据9条剖面的二维反演结果绘制的、在658m深处的电阻率平剖图。

点位（m）

深度     m

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图9  Aguas Tenidas Este一条剖面的二维反演结果

由图9可见，近地表有良导体存在，它们可能是仍未被挖掘过的块状硫化物矿体。在点位330-530之间，深度550-750m范围内有一个高导体，南北宽约200m，厚约300m。在点位360处电阻率值急剧变化，已证明它是东西走向、对成矿起控制作用的正断层。

图10是658m深处的高导层分布范围，该深度正处于上述高导体埋深的中部。可见沿东西向1000-1500m区间的高导区域（红色）正是上述高导体的东西向展布，它与钻孔发现的660m深处的硫化矿体一致，该矿体北界为上述东西向正断层所限，该断层向硫化矿体西部延伸。

东西向(m)

南     北     向     (m)

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图10  658m深的电阻率值平面剖图

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图11  地质解释结果的三维显示

Aguas Tenidas矿区的地质情况极为复杂，为了尽可能找出矿体与电阻率分布之间的联系，根据已有的9条二维反演剖面编制成三维立体图（图11）。这是频率域张量可控源大地电磁法（TCSMT）直接找矿的成功实例之一。

2）探测赋矿层

2012年4月，北京欧华联科技有限责任公司与安徽省地球物理地球化学勘查院及德国Metronix公司专家在安徽省合肥市的泥河地区开展张量可控源野外试验。

Ÿ  工作目的

（1）掌握张量可控源的野外工作方法；

（2）了解1000米深度以内的地层电性分布情况并与已知钻孔和地质剖面对比，验证测量结果的可靠性；

（3）探测火山岩盆地中铁、硫、铜、铅锌等赋矿层的可行性。

（4）本次勘探测线上曾进行过直流激电测深，标量可控源测量和1:10000地面磁法扫面。由于区内村庄聚集，以往所做电磁法效果不佳，因此想通过张量可控源测量结果与以往工作成果进行对比，检验张量可控源在抗干扰能力、解决复杂地质情况等方面的优势。

Ÿ  地质与地球物理概况

泥河铁矿位于庐枞火山岩盆地的西缘，北东向基底隆起带上。矿区为第四系所覆盖，零星出露有早白垩世双庙组，钻孔深部见有上侏罗统砖桥组，岩性主要有火山熔岩、火山碎屑岩、沉积火山碎屑岩，砖桥组是铁、硫、铜、铅锌等赋矿地层。地层主要为单斜产出，断裂构造发育，大部分断裂发育在赋矿之上的火山岩中，为成矿前断裂。成矿的闪长玢岩体主要沿北东向基底断裂侵入。主要赋矿地层砖桥组电阻率相对较低；浅层的白垩系双桥组（K1sh）主要为火山碎屑岩夹熔岩，电阻率较高；赋矿层下伏地层电阻率呈逐渐升高的趋势。

Ÿ  野外工作方法

本次野外测试选取了相对简单的交替偶极发射方式，发射源和试验剖面的相对关系如图12所示。发射机位于中心点处，与U、V、W三个发射电极的距离分别为500m、600m、600m。设发射机和偶极U的连线作为0°，则V和W偶极连线方向为90°，与试验剖面近似平行。对剖面1进行观测时我们选用了0°和90°两个方向的电偶极子进行交替发射；对剖面2观测时选取了30°和120°两个方向进行交替发射。

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图12  TXM-22张量观测装置布置示意图

试验剖面1位于发射源西南方向，沿南东135°布置，长1200m，共28个测点，点距44m，剖面距发射源中心点7～7.38km。测试剖面2位于发射源北东方向，沿南东120°布置，长760m，共21个测点，点距38m，剖面距发射源7.4～7.66km。两条剖面相距14km。

数据采集系统使用四个测点同时测量的方式，布置方式如图13所示，ADU-07e主机记录两个共用的磁场信号Hx，Hy和两个电场信号Ex和Ey，另外三个卫星站分别记录两个互相垂直的电道信号。卫星站和ADU-07e主机通过电缆连接，最后数据统一存储到ADU-07e的存储器中，同时完成四个测点的测量。Ex和Ey分别为南北向和东西向布置，极距50米。

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图13  接收系统结构

Ÿ  数据处理和反演解释

由于ADU-07e记录可控源数据时不同发射频率的时间序列是分开的，以往天然场观测的数据处理软件Mapros显然无法满足每个测点十几个发射频率的可控源数据。为此本次数据处理使用的是德国Metronix公司最新研发的处理软件—ProcMT。该软件可一次执行同一个测点多个采样率或多个测点的数据处理，中间过程无需人工干预，大大提高了数据处理效率。数据处理的基本流程为：

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图17   数据处理流程

ADU-07e最多支持10个通道同时使用（八个电道和两个磁道测量），一次记录4个测点的数据，这四个测点将共用两个磁道进行计算，因此在处理数据之前必须配对每个测点的磁道和电道数据文件。

图14是一些测点的数据处理结果。张量CSAMT处理结果和MT处理结果一样，包括TE模式和TM模式视电阻率和阻抗相位曲线。从图18可见在8Hz以下视电阻率曲线呈45°抬升，相位降到0°左右，表明已进入近场区范围。

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数据处理结果(试验剖面1，142号测点)     数据处理结果(试验剖面1，158号测点)

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数据处理结果(试验剖面1，166号测点)        数据处理结果(试验剖面2，380号测点)

图14  TCSMT数据处理结果

德国Metronix公司提供的ProcMT数据处理软件的输出格式与国际通用的EDI格式文件一致。输出内容包含观测频率下的四个阻抗张量要素的实分量、虚分量和误差，主轴方位，TE和TM模式下的视电阻率和阻抗相位曲线以及其它MT参数。

数据反演使用了中国地震局地质研究所陈小斌博士后的Pioneer二维数据反演软件，反演流程如下图所示。

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（1）图16a是试验剖面1的反演电性结构断面图，图中以等值线和色标表示电阻率分布，参照已知的地质断面图（图16b）推断的各电性层边界和断层位置用虚线表示，分析如下：

电性层划分：

从图16a可见，在浅层20-40m范围内为低阻薄层，是第4纪沉积。下覆的电阻率100-200欧姆米的中阻层是早白垩系上段杨湾组（K1y），是一套粗～细的砂岩组合，厚度从东南向西北加厚至250m左右，并被断层F1控制。

杨湾组之下为高阻层，电阻率值240-440欧姆米，该高阻层在剖面东南端的152-158测点下方被断层F2控制，在断层上盘厚度超过400m；该高阻层应是早白垩系下段的双庙组（K1sh），它是一套火山碎屑岩夹熔岩，表现为高阻。

上述高阻层之下为一套低阻层，电阻率值100-120欧姆米，在剖面东南端低至60欧姆米，该低阻层厚度200m左右，向西北倾，在剖面东南端迅速抬升；该低阻层应是晚侏罗系砖桥组，是一套火山碎屑岩，沉火山碎屑岩等多孔隙岩系，表现为低阻。

上述低阻层之下为电阻率值140-160欧姆米的相对低阻层，也是砖桥组，但它是铁、硫、铜、铅锌等赋矿地层[10]。推测该层电阻率略高于上覆砖桥组的原因，可能与后期含矿热液侵入和沉淀有关。

赋矿层之下为高阻体，电阻率值大于180欧姆米，推测它应是成矿母岩—玢岩岩体。

电性构造划分：

试验剖面1是一组从东南向西北缓倾的单斜构造。正断层F1控制杨湾组（K1y）的西北边界，正断层F2控制双庙组（K1sh）和砖桥组沉积。断层F1和F2都是成矿前的正断层。推断的断层F3是逆冲断层，由于上盘上冲，导致砖桥组（J3zh）在剖面的东南端显著抬升，形成单斜凸起。F3是成矿后断层。

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503孔

509孔

501孔

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图16a  试验剖面1张量CSAMT反演电性断面

502孔

501孔

503孔

509孔

   

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Bost0

图16b   试验剖面1地质剖面（黄色为硫铁矿，红色为磁铁矿体）

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图 17  试验剖面2张量TCSMT反演电性断面

（2）试验剖面Ⅱ

从TCSMT电性断面图（图17）可见,试验剖面Ⅱ的电性结构比试验剖面Ⅰ复杂。在测点540-1140，顶深200-350m有一驼峰状高阻体，峰凹在测点780-940之间，电阻率值240-380欧姆.米，我们推测该高阻体可能是岩浆侵入体。浅层在测点820和1060附近有两个截面椭圆形的局部高阻体，电阻率值大于500欧姆.米。 它们可能是火山角砾岩的反映。

在测点340-740之间广泛分布低阻层，电阻率值40-160欧姆.米，向西北倾，厚度向西北方向显著加厚；在测点780-1140，上述推测的岩浆侵入体高阻体和浅层两个局部高阻体之间，也存在一个低阻层，电阻率值40-160欧姆.米，向西北倾。我们认为上述两个低阻层应是正常沉积碎屑岩，如砂岩岩系的反映，它们原本是同一层位的砂岩岩系但由于后期的岩浆侵入被分割成现有的状态。

Ÿ   小结

总体来说，本次野外试验是成功的，表明TCSMT法在电磁干扰地区和复杂地质条件下是有效的，例如：

(1)通过频谱特征分析，可以明显看出发射频率及其3倍和5倍谐波的幅值明显大于天然场频谱幅值，证实了张量发射源的有效性；

(2)试验剖面1的反演结果，与过去沿同一剖面所做的标量可控源（CSAMT）结果对比表明，两者有实质性差别。TCSMT与钻孔所得地质分层情况有很好的吻合，CSAMT则否，说明TCSMT在解决二维和三维地质问题的能力明显优于CSAMT法。

（3）从试验剖面2的反演结果可以看出，本次试验结果和激电测深结果有很好的对应。但激电法无法满足深部找矿要求， TCSMT可以弥补激电法在勘探深度上的不足。

（4）本次试验正值农耕时节，试验区水田较多，为不损坏禾苗，发射机的三个发射电极均布设在田埂上，接地条件欠佳，导致试验剖面1测量时两个方向偶极子平均电流只能达到8A左右，剖面2的平均电流为18A左右，明显小于发射机的最大发射电流值±40A。小的发射电流值对观测数据质量有明显影响。

四、张量可控源电磁法TCSMT与声频大地电磁法AMT观测结果对比

2013年3月，中国地震局地质研究所与北京欧华联科技有限责任公司在云南遮放地区用GMS-07e作为接收系统TXM-22作为发射系统，进行TCSMT和AMT对比观测。测区内有两条高压线穿过，一条300kV，距2100测点100m，另一条50kV距2100测点40m。

由于测点2100离两条高压线很近，视电阻率和相位曲线受严重干扰，高度分离，视电阻率曲线和相位曲线没有对应关系，很难用于定量解释（图18）。同一测点位置的张量可控源TCSMT观测结果表明，除1000Hz以上的高频段视电阻率和相位曲线高度分散外，低于1000Hz的频段视电阻率和相位曲线非常圆滑，两条高压线带来的电磁噪声被可控源发射的高强度电磁信号压制了。1000Hz以上的高频段曲线分散的原因可能是在高频段发射电缆的感抗显著变大，发射电流显著降低，导致人工场源无法压制两条高压线产生的电磁干扰。

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图18   遮放2100号点AMT结果

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图19遮放2100号点TCSMT结果

2013年11月中国地质调查局地球物理地球化学研究所（河北廊坊）独立检测张量可控源电磁法仪并与AMT法和标量可控源电磁法（CSAMT）进行对比。检测工作由雷达研究员主持，检测地点位于辽宁省兴城市市郊，这里电磁干扰比较严重，检测内容很多，我们仅把在同一测点上的张量可控源观测结果，AMT观测结果和标量可控源CSAMT观测结果例图如下，并加以对比、讨论：

图20是东1测点的AMT法获得的视电阻率和相位曲线，测点距220V高压线较近，可见曲线跳动的比较厉害，这是电磁噪声干燥的结果；在1Hz以下视电阻率值严重分散并大于45°下降，这是“死区”天然场源活动水平极低所致。如果延长记录时间上述问题可以改善。

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图20 辽宁省兴城市市郊东1测点AMT观测结果

图21是在同一测点张量可控源法获得的视电阻率和相位曲线，可见曲线非常规则，观测精度极高，在“死区”没有观测误差。视电阻率和相位曲线显示的地下电性结构非常清晰；在8192Hz-300Hz高频段ρxy和ρyx重合，并逐渐抬升，表明浅层是电阻率值逐渐升高的、一维的沉积盖层；在150Hz左右出现低阻层，它可能是含水层或基岩风化含水层；然后ρxy和ρyx相互分离并明显抬升，前者表明已进入二维构造，后者表明已进入高阻基岩。到0.5Hz仍未进入近场区，意味着在这里张量可控源勘探深度可达3000m以上。

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图21 辽宁省兴城市市郊东1号测点张量可控源观测结果

图22是在同一测点标量可控源法（CSAMT）获得的视电阻率和相位曲线，也有较高的观测精度，但个别频点有跳动。由于它是标量观测结果，不能反映地下的二维构造，这是严重缺点。

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图22 辽宁省兴城市市郊东1号测点标量可控源观测结果

2014年9月中国地质调查局地球物理地球化学研究所，在雷达研究员主持下在甘肃省玉门市明水乡利用张量可控源电磁法进行项目观测。明水乡村落稀少，但测点附近有矿山开矿和大型筑路机工作。图23是3测线68号测点的AMT法获得的视电阻率和相位曲线，可见在3000Hz左右和7Hz以下AMT的视电阻率曲线ρxy和ρyx是严重歪曲的，这是天然活动水平极低（死区），记录时间太短所致。

图24是同一测点张量可控源获得的视电阻率和相位曲线，可见曲线非常规则，在600Hz左右的浅层和20Hz左右的下部分别出现视电阻率略低的电性层，从200Hz开始ρxy和ρyx两条曲线开始分离，表明地下电性结构已进入二维。由于张量可控源法观测误差极小，所以能清晰地显示地下电性结构的微小变化。到4Hz仍未进入近场区，意味着在这里勘探深度可达3000m以上。

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图23 甘肃省玉门市明水乡3测线68号测点AMT观测结果

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图24 甘肃省玉门市明水乡3测线68号测点张量可控源

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