可控源音频大地电磁测深法在矿山地质勘探中有效性探析_王国润.pdf

104地质勘探Geological prospecting可控源音频大地电磁测深法在矿山地质勘探中有效性探析王国润，叶霈，史良乾摘要：可控源音频大地电磁测深法是利用工源频率勘查地球的一种技术手段，在勘查期间极具技术性优势，能够在最短时间内查找到矿源。其信号强且稳定、穿透性强、深度光等特点都使得该技术手段被广泛使用。本文基于青海省某地区的勘查工作，探究分析在矿山地质勘探中可控源音频大地电磁测深法的应用。关键词：可控源音频大地电磁测深法；矿山勘查；地质勘查在矿山地质勘查中，各类技术层不出穷，可控源音频大地电磁测深法是勘查技术创新与勘查过程升级相结合的成果，相比较于其他方面的技术手段，可控源音频大地电磁测深法表现出良好的应用优势，在多个领域获得高成就。所以，在矿山地质勘探之中，可控源音频大地电磁测深法表现出良好的应用价值。1 地质与地球物理勘查1.1勘查的目标任务在青海省某地区充分开展地质调查和收集分析前人工作资料的基础上，实施音频大地电磁测深工作，了解目标区的地下构造展布和电性分布特征，确定地热成矿有利区，并为下一步地质和钻探工作提供参考资料。1.2勘查工作内容根据项目设置目的，工作内容主要包括：第一，收集工作区物性与地质资料，了解构造、地层、岩性、物性等特征。第二，收集工作区以往的地质、物探、钻探等相关资料，为成果解释提供参考。第三，在设计的两条测线位置开展音频大地电磁测深工作。1.3勘查区地质与地球物理条件1.3.1勘查区域地质条件勘查区位于青海省某地区南端降曲河谷，为高山河流峡谷地貌，地势东、南及北侧高，中部及西侧低。地处降曲与支沟交汇处，中部地势平缓，东、南及北侧斜坡发育，坡度一般40 60。河谷宽约50m 200m，两侧斜坡坡度较陡，右岸斜坡坡度约25，左岸斜坡坡度45 60。已有泉眼主要分布于漫滩上。勘查区内构造作用强烈，褶皱、断裂发育，新构造活动亦较活跃。根据地质调查，工作区内地表出露的岩石为二叠系上统上段灰色结晶灰岩、基性火山岩夹砂板岩等。岩层总体倾向北东，倾角较大，一般为60 80。岩性分别为变质异粒砂岩、千枚状粉砂岩、粉砂质板岩、泥板岩、千枚岩，灰色结晶灰岩、基性火山岩夹砂板岩，千枚岩、板岩、结晶灰岩夹基性火山岩等。古近纪热鲁组：紫红-砖红色，砾岩、砂砾岩、粉砂岩、泥灰岩，砾石为复成分。三叠纪党恩组：上部深灰-黑色，绢云母板岩夹粉砂岩，中部灰-深灰不等粒砂岩、板岩夹砂岩，下部灰-深灰色砂岩、千枚岩夹纳长片岩及结晶灰岩。二叠纪冈达概组：上部为蚀变基性凝灰岩夹岩玄武岩及灰岩，石英长带大理岩，凝灰岩蚀变为灰绿色次闪钠长片岩；中部为灰绿斜长绿泥片岩、块状凝灰岩、玄武岩夹透闪石大理岩灰岩；下部为深灰色微晶，中厚层状生物碎屑灰岩、石英绢云母午枚岩。二叠纪赤丹潭组：上部灰白色结晶灰岩夹砂砾岩、板岩，局部含藻；下部绿灰色基性凝灰岩、玄武岩，已蚀变。二叠纪冰峰组：灰白色中-厚层结晶灰岩夹中基性火山岩，下部灰岩质纯。石炭纪顶坡组：灰白色中-厚层细-中晶大理岩，质纯。泥盆纪苍纳组：浅灰色白云岩、疙瘩状白云岩、结晶灰岩。穷错组：灰-暗灰色厚-块层结晶（白云岩）灰岩，中部夹一层角砾状灰岩，局部显片理化。三叠纪构造基质：金沙江蛇绿岩群碎粉岩类基质。二叠纪玄武岩：玄武岩。1.3.2勘查区地球物理条件音频大地电磁测深是通过对地面电磁场的观测，来研究地下岩矿石电阻率分布规律的方法。根据前人研究及水文地质资料可知工作区内碳酸盐岩地层中无暗河及规模较大的溶洞发育，地下水主要赋存、运移在各种溶蚀裂隙中，分布极不均一，富水性强弱差异较大。工作区的目标含水层为二叠系上统碳酸盐岩与碎屑岩互层的岩溶裂隙含水层。而富含地热流体的富水层具有低阻的特征，与含水少的围岩具有较明显的电性差异。因此，可通过音频大地电磁测深的反演剖面反映地层构造形态及富水情况，同时可相对确定断层和隔水层的埋深分布情况。105地质勘探Geological prospecting2 可控源音频大地电磁测深法工作原理与应用优势2.1可控源音频大地电磁测深法探测原理在地质勘探期间应用可控源音频大地电磁测深法，可很好的将大地电磁测深等相关的技术存在的缺点予以克服，实现技术的创新与优化。在辨别地质条件的时候，可从横向和纵向两个维度展开综合性勘查，保障勘探结果具有准确性。在勘探作业实施期间，可控源音频大地电磁测深法以电偶源为依据发射出多种频率的电磁波，之后再以多个频率的电磁波反映数据为切入点，对磁场响应水平分量振幅和电厂响应水平分量振幅展开观察。最后以公式计算作为基础，完成阻抗相位和视电阻率的计算。音频大地电磁测深原理是基于大地电磁测深法原理的一种地球物理探测方法。它是通过对地面电磁场的观测，来研究地下岩矿石电阻率的分布规律的一种物探方法。大地电磁测深理论的关键是研究地面电磁场与地下岩矿石的电阻率存在的关系。当大地电磁场入射到地下时，一部分被介质吸收衰减，一部分反射到地面。它带有反映地下介质电性特征的电磁场信息，通过观测地表的电磁场分量，来研究地下地质结构及其分布特征。频率不同的大地电磁场，在激发机制、振幅强度、振动形式及分布特征等也各有特点。2.2可控源音频大地电磁测深法应用优势相比较于传统的大地电磁法、音频大地磁测探法等技术手段，可控源音频大地电磁测深法的优势集中体现在以下几个方面。第一，可控源音频大地电磁测深法在辨别低阻地质期间表现的十分敏捷，能够对其物理性质等快速分辨完成。第二，可控源音频大地电磁测深法在辨别高阻地质期间，能够将其屏蔽性能削弱，在最短时间内将阻隔层穿透，对深处地质性质进行探查。所以，在地质勘查期间无论是遇到低阻地质还是高阻地质，可控源音频大地电磁测深法都比普通的勘探方法拥有更快的速度。再者，其表现出来的简单校正、高抗干扰能力和高作业效率等特点，也是极为明显的应用优势。可控源音频大地电磁测深法的特点还体现在以下五个方面：第一，音频大地电磁法利用天然场源，无近场效应影响。第二，仪器轻便，适用于地形、气候条件恶劣的山区使用。第三，观测频带宽从0.1Hz 100kHz。最小探测深度几米至最大探测深度2000m，适合各种不同深度工程勘查和金属矿勘探。第四，AMT是张量或矢量测量，对二维构造反映比较逼真，采用TM、TE两种模式观测，故能较真实的反映地质规律。第五，工作效率高，不受通讯条件约束，在现场能快速获得成像结果。音频大地电磁测深法主要应用于金属矿产资源勘探、油气田勘查、煤田勘查、地下水探测、岩溶探测、断裂探测、划分地层、考古、土壤环境调查和地质灾害预报与评价。3 可控源音频大地电磁测深法的勘查路径基于平面波卡尼亚电阻率频率域电磁测深法向两个相反的方向发展，一个发展方向是重设备、大功率可控源音频大地电磁测深法（CSAMT）。另一个方向是轻设备、天然源音频大地电磁测深法（AMT）。CSAMT为了提高信噪比，发射功率从几千瓦发展到几十千瓦。AMT为了野外工作方便，提高工作效率，从MT法中的张量测量简化为矢量测量，使得该方法的仪器轻便，布线简单，采集高效，适用于地形、气候条件恶劣的山区，本次任务采用的是音频大地电磁测深法（AMT）。3.1采集野外数据3.1.1仪器设备选型本次工作采用的设备是F3宽音频大地电磁仪，该仪器是由湖南元石仪器有限公司独立自主研发，采用最新电子科技技术，改进数据处理算法，集成了主流大地电磁仪器优点，针对传统AMT探测深度深度不够，拓宽了工作频率。设备集成度高、轻便、高效、可靠。3.1.2测线布置根据已有地质资料和水文地质资料，在野外水文地质测量的基础上，在勘查区内垂直构造线和泉眼分布延伸方向布置可控源音频大地电磁测深测量20个点，点距控制在20m 50m不等，可根据野外具体工作适当再作调整。本次工作共布置2条物探测线，分别为LINE1和LINE2测线。其中LINE1测线布置测点24个，平均点距20m；LINE2测线与LINE1测线平行布置，可与LINE1测线互相验证，LINE2测线布置测点14个，平均点距20m。所有测点坐标、高程采用GPS实测，与测深点位一一对应。3.1.3参数设置根据本次探测任务要求，能较好地反应测线位置埋深300m内的富水情况，可相对确定断层和隔水层的埋深分布情况，本次野外数据采集是采用12通道，搭配2根电极和2根磁极，每个分量在高中低频段进行三频段同时采集（高频100KHz 4KHz、中频4KHz 400Hz、低频400Hz 1Hz），实际采集频率设置为10Hz 100KHz，采集了TE模式和TM模式数据。3.2数据处理3.2.1反演及成图软件本次数据处理是采用拓创VitasEM，该软件是由四川拓创探测科技有限公司开发的一款电磁综合勘探数据处理和反演软件系统，主要特点为对电磁综合勘探数据处理操作简单方便、快捷、自动化程度高、算法稳定性高、反演效果好。该软件系统可106地质勘探Geological prospecting处理大地电磁和瞬变电磁法数据，可根据工程探测和深部构造探测的不同任务需求内置多种相应的反演算法，多种算法结果既可相互验证又可相互参考。本次成果图是采用的GoldenSoftwareSurfer15绘制，该软件是美国Golden软件公司推出的三维绘图软件，其主要功能是绘制等值线图，是地学领域广泛使用的制图软件。3.2.2数据处理流程（1）物探与地形数据导入。将测线的坐标文件和数据文件导入VitasEM软件。（2）数据预处理。数据预处理是大地电磁数据处理的核心步骤，需要对测线的所有测点逐点进行处理，主要包括单点编辑、TE/TM模式识别、插值滑、滤波、同频点编辑等过程。（3）数据反演。数据预处理完成后进行数据反演，可采用TE或TM模式数据进行反演。反演方法可选择拟二维反演和二维反演。拟二维反演包括：BOSTICK+相位算法、BOSTICK算法、OCCAM算法，二维反演为非线性共轭梯度（NLCG）算法。（4）反演结果数据及成图。反演结果自动存储在采集数据存放的路径下，保存为Surfer可识别的*.DAT格式，可直接采用Surfer绘制反演成果图。3.3反演成果本次反演采用了多种不同算法进行计算，结合地质资料综合分析选取了最优的算法结果作为LINE1和LINE2的反演成果图。LINE1：该剖面测线长450m，测点距离20m，测线自北东向南西探测，反演深度650m。结合地质资料可知，剖面范围内地层倾角大，以二叠系赤丹潭组碳酸岩为主，局部区域有第四系覆盖层。剖面在里程0m 450m的电性呈“高阻、低阻、相对高阻、低阻、相对高阻、低阻层”分布；在里程100m 450m段浅部存在一层第四系覆盖层，层厚20m 40m。结合地质资料与OCCAM反演结果进行分析解译，1号 9号测点的高阻层推测以二叠系碳酸岩为主，含基性千枚岩、板岩，孔隙不发育，含水少；在6号 9号点地表至海拔3200m存在一层厚约100m的低阻区域，推测是由于该段裂隙发育、富水性好造成低阻特征；9号 13号测点深部的低阻层推测为二叠系碳酸岩，孔隙、裂隙发育度高，富水性好；13号 16号测点深部的相对高阻层，参考BOSTICK反演结果佐证推测为二叠系碳酸岩，孔隙发育程度低，但有一定的裂隙发育，含水较少；16号 20号测点深部低阻层推测为二叠系碳酸岩，孔隙、裂隙发育度高，富水性好；20号 23号测点深部相对高阻层推测为地层界线的反映，但未出露地表，浅部被第四系冲积物覆盖。但是该层在海拔3100m 3200m段显示为低阻，参考BOSTICK反演结果推测该段低阻是由于裂隙发育程度高，含水多造成的；23号24号测点深部为低阻层，推测该段附近可能存在断裂或是由于物探测线端点的边界效应影响形成的低阻层，岩性应为二叠系碳酸盐岩。本次处理采用的OCCAM反演算法与BOSTICK反演算法的结果在整体形态基本一致，BOSTICK反演算法在保持剖面整体形态不变的情况下突出了局部异常，以佐证分析裂隙的发育情况。LINE2：该剖面测线长270m，测点距离20m，测线自北东向南西探测，反演深度650m。结合地质资料可知，剖面范围内地层倾角大，以二叠系赤丹潭组碳酸岩为主。剖面在里程0m 270m的电性