王興春， 楊　毅， 鄧曉紅， 張　杰， 武軍杰

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院　地球物理地球化學(xué)勘查研究所，廊坊　065000 )

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定源回線三分量測(cè)量在夏日哈木銅鎳礦礦區(qū)有效性試驗(yàn)

王興春， 楊毅， 鄧曉紅， 張杰， 武軍杰

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，廊坊065000 )

摘要：通過(guò)定源回線三分量模擬計(jì)算，歸納了定源回線三分量變化特征與地下板狀體產(chǎn)狀對(duì)應(yīng)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上對(duì)夏日哈木銅鎳礦區(qū)已知剖面的定源回線三分量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和反演解釋。結(jié)果表明，①充分利用三分量數(shù)據(jù)信息，有利于快速圈定異常中心在地面的位置；②根據(jù)水平分量的零等值線與發(fā)射框?qū)ΨQ剖面(南北和東西向)的相對(duì)位置關(guān)系，可定性判斷地下礦體頂界面的起伏狀況或礦體產(chǎn)狀變化情況；③結(jié)合Z分量一維反演結(jié)果與水平分量定性解釋成果對(duì)照分析，表明了三分量數(shù)據(jù)聯(lián)合解釋有助于提高定源回線解釋成果的可靠性。

關(guān)鍵詞：瞬變電磁； 零等值線; 定源回線； 三分量； 產(chǎn)狀； 銅鎳礦

0引言

在以往的瞬變電磁法勘探中，垂直分量往往是被關(guān)注和研究的主要對(duì)象。這主要是由于垂直分量容易測(cè)量、信噪比高、易于反演和解釋，而水平分量信號(hào)弱，信噪比低等因素，使得水平分量的反演解釋相對(duì)滯后。隨著三分量瞬變電磁 (以下簡(jiǎn)稱三分量)探頭的出現(xiàn)，三分量解釋技術(shù)的研究逐步成為該研究領(lǐng)域的又一方向[1-6]，席振銖等[7]、劉劍[8]開(kāi)展了定源回線三分量模擬計(jì)算，分析不同產(chǎn)狀的板狀體三分量的特征，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)剖面，說(shuō)明了綜合分析三分量信息有助于異常解釋；劉金濤等[9]就三分量解釋的諸多優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了分析，并結(jié)合水文勘查中實(shí)測(cè)三分量數(shù)據(jù)解釋取得了良好效果；韓子豪[10]對(duì)磁偶源瞬變電磁場(chǎng)各磁場(chǎng)分量進(jìn)行了推導(dǎo)計(jì)算，研究結(jié)果表明，二次磁場(chǎng)水平分量較垂直分量對(duì)低阻體有更高的敏感性；譚劭聰[11]通過(guò)對(duì)瞬變電磁場(chǎng)模擬計(jì)算，以定義的垂直分量和水平分量比值特征函數(shù)為解釋工具，說(shuō)明了三分量解釋的優(yōu)越性。國(guó)外如Zonge、Carlson[12]和Zonge[13]等分別探討了三分量在管線探測(cè)中的作用和實(shí)際測(cè)量工作，水平分量發(fā)現(xiàn)了垂直異常未能識(shí)別的地下電纜等；McNill等[14-15]對(duì)三分量的測(cè)量意義進(jìn)行了分析說(shuō)明，但沒(méi)有對(duì)其規(guī)律性進(jìn)行總結(jié)分析；Chen等[16]進(jìn)行了三分量模擬計(jì)算和已知礦區(qū)試驗(yàn)，取得了良好效果。由此可見(jiàn)，三分量的聯(lián)合解釋，對(duì)提高解釋精度具有重要意義。

在模擬計(jì)算基礎(chǔ)上，以夏日哈木實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例，開(kāi)展了三分量數(shù)據(jù)的聯(lián)合處理解釋。對(duì)均勻半空間條件下不同產(chǎn)狀板狀體的三分量特征進(jìn)行分析后認(rèn)為，三分量的變化與板狀體的產(chǎn)狀密切相關(guān)，當(dāng)測(cè)線垂直板狀體走向且板狀體有一定傾角時(shí)，Z分量異常中心與板狀體中心在地面的投影相重合，平行測(cè)線的水平分量零值點(diǎn)位置偏離中心位置且與傾向方向反向。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的三分量的特征分析對(duì)比，取得了良好效果。

1模擬計(jì)算

1.1不同產(chǎn)狀板狀體定源回線三分量特征

理論上，均勻半空間或水平層狀地層在發(fā)射線框中心處的二次磁場(chǎng)水平分量為零，這是由于水平分量接收線圈位于地下瞬變電磁響應(yīng)的無(wú)感應(yīng)角位置。當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)不滿足一維假設(shè)條件時(shí)，其水平分量不再為零，據(jù)此可以推斷地下不均勻體的賦存情況及地層的產(chǎn)狀等[11]。

圖1(a)為均勻半空間內(nèi)一傾斜板狀體定源回線三維模型。設(shè)置參數(shù)為：線距為100 m，點(diǎn)距為50 m，采用Crone 50 ms標(biāo)準(zhǔn)采樣道，下降沿為1 ms，發(fā)射框大小為600 m×600 m,發(fā)射電流為20 A，均勻半空間電阻率為600 Ω·m，板狀體大小為400 m×200 m，電導(dǎo)率為100 s，埋深為175 m，向北35°傾斜，采用框內(nèi)測(cè)量，測(cè)線正南北布設(shè)，測(cè)線最南端從50號(hào)測(cè)點(diǎn)起算。如圖1(b)所示，紅色600 m×600 m正方形大框?yàn)榘l(fā)射框，內(nèi)部綠色矩形框?yàn)閮A斜板狀體在地面的投影。在Maxwell軟件中，規(guī)定以測(cè)線正(北)方向?yàn)閄分量正方向，Y分量正方向垂直X分量，且遵循右手定則，Z分量垂直向上。

圖1　定源回線正演計(jì)算Fig．1　Fix forward modeling(a)定源回線三維正演模型；(b)測(cè)線和發(fā)射框平面位置關(guān)系；(c)均勻半空間Z分量15測(cè)道響應(yīng)等值線圖；(d)均勻半空間X分量15測(cè)道響應(yīng)等值線圖；(e)均勻半空間Y分量15測(cè)道響應(yīng)等值線圖；(f) 均勻半空間含傾斜板狀體條件下Z分量15測(cè)道響應(yīng)等值線圖；(g)均勻半空間含傾斜板狀體條件下X分量15測(cè)道響應(yīng)等值線圖；(h) 均勻半空間含傾斜板狀體條件下Y分量15測(cè)道響應(yīng)等值線圖

圖1(c)～圖1(h)分別為均勻半空間和均勻半空間含傾斜板狀體條件下第15采樣道的Z、X、Y分量響應(yīng)幅值平面等值線圖。當(dāng)?shù)叵聻榫鶆虬肟臻g或?qū)訝罱橘|(zhì)時(shí)，Z分量響應(yīng)幅值等值線以(300,300)為中心對(duì)稱，X和Y分量幅值則分別以N300和E300對(duì)稱，見(jiàn)圖1(c)～圖1(e)。L13線E坐標(biāo)為300，發(fā)射框南北向坐標(biāo)為N300；由于板狀體的存在，這種對(duì)稱性已不復(fù)存在，Z分量異常中心明顯南移，與板狀體在地面投影位置相吻合，X分量的零等值線由于板狀體的傾斜，向傾向反方向移動(dòng)，而Y分量由于板狀體的對(duì)稱性，零等值線幾乎與E300線重合，見(jiàn)圖1(f)～圖1(h)。

1.2模擬計(jì)算結(jié)果

X、Y分量具有等價(jià)性，只是規(guī)定測(cè)線方向與X分量相同而已，在不同傾角條件下分別開(kāi)展了正演模擬計(jì)算，當(dāng)板狀體西傾時(shí)，Y分量表現(xiàn)出與X分量類似的特性，即零等值線向傾向反向方向移動(dòng)。

結(jié)果表明，不同產(chǎn)狀板狀體條件下，水平分量的變化特征與板狀體的產(chǎn)狀密切相關(guān)。水平分量零等值線圖表明，①當(dāng)板狀體傾斜時(shí)，垂直走向的水平分量零等值線總是偏離發(fā)射框的對(duì)稱中心，并和板狀體傾向方向相反，該偏移距離與板狀體的傾斜角度呈正比關(guān)系；②垂直分量的異常中心總是和板狀體在地面的投影中心相對(duì)應(yīng)?？梢?jiàn)，三分量響應(yīng)特征與地下礦體產(chǎn)狀密切相關(guān)。聯(lián)合三分量開(kāi)展解釋工作，對(duì)快速圈定礦體異常中心、判斷礦體產(chǎn)狀有著實(shí)際意義。

2定源回線三分量實(shí)例分析

結(jié)合青海夏日哈木銅鎳礦區(qū)定源回線三分量數(shù)據(jù)反演解釋為例，說(shuō)明聯(lián)合三分量開(kāi)展解釋工作必要性和重要性。

2.1測(cè)區(qū)地質(zhì)及地球物理特征

夏日哈木礦區(qū)為一巖漿熔離型銅鎳硫化物礦床。其中HS26號(hào)異常區(qū)為本次瞬變電磁有效性試驗(yàn)的首選區(qū)。該區(qū)內(nèi)超基性-基性雜巖體呈橢圓狀近東西向展布，南西段隱伏與金水口群之下，剖面上表現(xiàn)為北部南傾，南部北傾。巖體基本由輝石巖、橄欖巖、橄輝巖、輝橄巖和輝長(zhǎng)巖組成，含礦巖性主要為二輝橄欖巖和輝石巖。礦石礦物主要為黃銅礦、鎳黃鐵礦、磁鐵礦、磁黃鐵礦等。礦體多呈厚大的似層狀，一般上部以浸染狀、團(tuán)塊狀礦石為主，中下部及底部多為稠密浸染狀、致密塊狀礦石，少數(shù)礦體呈透鏡狀、漏斗狀位于巖體上部成上懸礦體或呈條帶狀分布于巖體中。

物性測(cè)量結(jié)果表明，夏日哈木礦區(qū)巖(礦)石具有“低阻、高極化、高磁、高密度 ”的特征，在該地區(qū)具備開(kāi)展重力、磁法、電法工作的物性前提條件。

2.2方法技術(shù)

由于夏日哈木礦區(qū)地形較陡，在礦區(qū)開(kāi)展定源回線三分量測(cè)量避免了中心回線在陡峭地段施工難的問(wèn)題。采用加拿大Crone公司的PEM系統(tǒng)開(kāi)展野外數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)地質(zhì)資料和情況，部署了600 m×600 m的發(fā)射框，發(fā)射電流15 A，采樣時(shí)間采用Crone 50 ms標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間道。由于是方法有效性試驗(yàn)工作，瞬變電磁測(cè)線與勘探線線距保持一致都為80 m，點(diǎn)距為50 m，測(cè)線近乎南北向布設(shè)，與發(fā)射框相對(duì)位置關(guān)系如圖2所示。局部由于地勢(shì)陡峭，個(gè)別測(cè)點(diǎn)放棄數(shù)據(jù)采集,圖2中800號(hào)點(diǎn)所在東西向線及L13線分別為發(fā)射框東西和南北對(duì)稱剖面。

圖2　定源回線平面布置圖Fig．2　Plane for fix loop

2.3成果處理與解釋

圖3為三分量剖面曲線，由上而下依次為L(zhǎng)09、L11、L13、L15、L17測(cè)線三分量剖面曲線。圖4 由上而下依次為CH4、CH8、CH12、…、CH28測(cè)道Z分量響應(yīng)等值線圖與相應(yīng)測(cè)道水平分量零等值線的對(duì)照?qǐng)D。

由圖3可知：①L09、L11測(cè)線Z分量剖面曲線異常響應(yīng)較大，隨著測(cè)線西移，響應(yīng)值逐漸變緩；②X分量在剖面曲線上有一個(gè)明顯的零值過(guò)渡點(diǎn)，隨著測(cè)量時(shí)間增大，X分量零等值線逐漸南移，最后趨于穩(wěn)定，變化相對(duì)較緩，位置在800號(hào)點(diǎn)以南，這表明礦體產(chǎn)狀北傾的特征；③Y分量隨著測(cè)線西移，經(jīng)歷了一個(gè)由負(fù)到正的變化過(guò)程，且前三條測(cè)線都為正異常響應(yīng)，通過(guò)對(duì)Y分量繪制平面等值線分析發(fā)現(xiàn)，在早、中期過(guò)渡階段Y分量的零等值線由西向東發(fā)生了較大的移動(dòng),且在L13線以東，這表明地下異常體產(chǎn)狀在東西向變化較南北向變化更劇烈，礦體產(chǎn)狀具有強(qiáng)烈的西傾特征。

圖3　定源回線三分量剖面曲線Fig．3　Three Component profile for Fix loop

由圖4可見(jiàn)，隨著采樣時(shí)間增大，Z分量異常由早期的零散異常逐漸向東南方向收斂，表明地下異常體在淺部分散，而在深部主要集中在測(cè)區(qū)東南部，而X、Y分量隨著時(shí)間增大，零等值線位置逐漸趨于穩(wěn)定，且兩者交點(diǎn)向Z分量異常中心靠攏。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，測(cè)區(qū)東南部Z分量高異常區(qū)及水平分量零等值線交點(diǎn)部分即為礦體的中心部位。此外，對(duì)于Y分量，L9測(cè)線為負(fù)異常響應(yīng)且值最大，這表明地下異常中心在其正異常方向，且距離較近，可見(jiàn)水平分量對(duì)異常中心具有指向性。

圖4　Z分量等值線圖與水平分量零等值線對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig．4　Z component and horizontal component zerocontour relation correspondence

據(jù)此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)收集地質(zhì)剖面，對(duì)含礦巖體的頂界面起伏情況進(jìn)行了繪圖分析(圖5)。含礦巖體頂界面在測(cè)區(qū)東南部ZK1105附近(對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)范圍700 m～750 m)達(dá)到了最大，而在測(cè)區(qū)西北方向最小。測(cè)區(qū)內(nèi)，礦體頂界面南北方向變化相對(duì)較緩，而東西方向變化劇烈，這與前面X、Y分量的變化趨勢(shì)是相對(duì)應(yīng)的。

圖5　含礦巖體頂界面高程等值線圖Fig．5　Contour for ore top

2.4瞬變電磁1D反演

對(duì)Z分量1D反演結(jié)果與實(shí)際地質(zhì)剖面進(jìn)行分析，并結(jié)合水平分量定性分析結(jié)果對(duì)一維反演結(jié)果進(jìn)行分析，說(shuō)明三分量聯(lián)合解釋的可靠性和優(yōu)越性。如圖6～圖8所示，地質(zhì)剖面近乎南北向，鉆孔間距為80 m?？碧狡拭娉晒砻鳎V巖體接近層狀分布，在布設(shè)發(fā)射回線時(shí)，將該部分礦體置于發(fā)射框內(nèi)，以達(dá)到最佳耦合效果，瞬變電磁剖面向13號(hào)鉆孔北邊延伸100 m，以確保有一定規(guī)模的背景場(chǎng)。

L11、L13號(hào)測(cè)線礦體厚度較大且產(chǎn)狀平緩，隨著測(cè)線西移，礦體厚度變薄、產(chǎn)狀變陡，表現(xiàn)為明顯的向北傾斜的特征。此處選擇L11、L13、L17線反演結(jié)果進(jìn)行分析。圖6～圖8為L(zhǎng)11、L13、L17線瞬變電磁Z分量一維電阻率反演斷面圖與地質(zhì)剖面的對(duì)照?qǐng)D。由圖6～圖8可知,反演結(jié)果中低阻部分形態(tài)較好地反應(yīng)了含礦巖體的產(chǎn)狀、埋深等參數(shù)。L11、L13測(cè)線反演結(jié)果也表明，下部含礦巖體頂界面相對(duì)平緩。而L17測(cè)線反演斷面表明，含礦巖體頂界面出現(xiàn)明顯的北傾特征，這與地質(zhì)剖面中含礦巖體分布形態(tài)高度吻合，同時(shí)這種北傾的特征與上面X分量零等值線始終保持在800號(hào)測(cè)點(diǎn)以西相一致。L11、L13測(cè)線下方存在相對(duì)較厚礦體且礦體埋深小于L15、L17測(cè)線，礦體這種西傾特征與圖4中Y分量在中晚期零等值線嚴(yán)重向東偏離,東西向?qū)ΨQ中心(L13線)相一致。

圖6　　L11線1D電阻率反演斷面圖及地質(zhì)剖面Fig．6　1D resistivity inversion section and geology profile for L11

圖7　　L13線1D電阻率反演斷面圖及地質(zhì)剖面Fig．7　1D resistivity inversion section and geology profile for L13

圖8　　L17線1D電阻率反演斷面圖及地質(zhì)剖面Fig．8　1D resistivity inversion section and geology profile for L17

綜上所述，在未知區(qū)開(kāi)展定源回線瞬變電磁時(shí)，根據(jù)Z分量反演結(jié)果與水平分量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可快速圈定異常區(qū)域、有效地判斷地下礦體的產(chǎn)狀、分布形態(tài)等因素。

3結(jié)論與存在問(wèn)題

野外采集工作中地形起伏較大(最大落差84 m)，反演工作是基于發(fā)射、接收在同一平面內(nèi)開(kāi)展的，導(dǎo)致剖面反演深度存在一定誤差,但并不影響說(shuō)明問(wèn)題。通過(guò)模擬計(jì)算和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演、分析后認(rèn)為，開(kāi)展瞬變電磁三分量反演解釋工作存在以下優(yōu)點(diǎn)和問(wèn)題：

1)充分利用三分量信息，克服了單一分量的局限性，有利于快速圈定地下異常體在地表的異常中心范圍。

2)利用水平分量零等值線與發(fā)射框?qū)ΨQ軸的相對(duì)位置關(guān)系，可定性判斷地下礦體的產(chǎn)狀等參數(shù)，結(jié)合垂直分量反演結(jié)果，兩者相互印證，確保了反演結(jié)果的可靠性。

3)在面積性測(cè)量工作中，在測(cè)區(qū)內(nèi)開(kāi)展1～2條三分量測(cè)量，充分利用水平分量指向性的特點(diǎn)，可快速判斷地下異常體相對(duì)測(cè)線的方位，后期有針對(duì)性地開(kāi)展工作，能有效節(jié)約勘探成本。

4)目前水平分量?jī)H限于定性解釋，由于地下礦體為不規(guī)則三維體，開(kāi)展單一的板狀體擬合工作很難得到理想的結(jié)論，水平分量的定量化反演解釋還需要進(jìn)一步開(kāi)展理論研究，最大限度地利用水平分量信息，提高瞬變電磁綜合解釋推斷能力。

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收稿日期：2015-03-12改回日期：2015-04-03

基金項(xiàng)目:地質(zhì)大調(diào)查項(xiàng)目(12120113031700，12120113100500)

作者簡(jiǎn)介：王興春(1975-)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事瞬變電磁法研究工作，E-mail:wangxingchun@igge.cn。

文章編號(hào)：1001-1749(2016)03-0327-07

中圖分類號(hào)：P 631.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.03.06

Effective test for three-component data of fixed TEM in Xiarihamu Cu-Ni ore mine

WANG Xin-chun, YANG Yi, DENG Xiao-hong, ZHANG Jie, WU Jun-jie

(Institute of Geophysical and Geochemical Exploration,CAGS065000,China)

Abstract:We summarized the corresponding relation between three-component variation and plate’s occurrence after the three-component simulation. On the basis of this analysis, we make an analysis, inversion and interpretation on field data from known section in Xiarihamu mine. The results indicate that it is helpful to locate anomaly center position on the ground by taking full advantage of three component data information; According to the relative position between horizontal component’s zero contours and transmitter loop symmetrical profile (north-south and east-west) we can make a qualitative judgment about variation of ore top interface or its occurrence; After comparison between Z component 1D inversion section and qualitative interpretation from horizontal components data we think it has a practical significance to improve the reliability about fixed loop interpretation.

Key words:TEM; zero contour; fixed loop; three component; occurrence; Cu-Ni ore