CSAMT方法在铁矿勘探中的应用

段文旭， 肖宏跃， 刘 垒， 陈思宇

(成都理工大学 地球物理学院， 成都 610059)

0 前言

可控源音频大地电磁法(CSAMT)，是利用水平接地电偶源为发射源的一种电磁测深方法。该方法的工作频率为音频范围，其原理和普通大地电磁测深类似，其实质是用人工激发的电磁场来弥补天然场能量的不足。CSAMT方法具有地形条件限制小,、抗干扰能力好、勘探深度大、接收效果好，并且同时具有测深和剖面的特点。作者根据CSAMT方法在某地区铁矿勘察中的应用实例，从数据采集到资料解释，结合工区地质情况与资料成果图，论述了CSAMT方法在铁矿勘察中的应用效果，并对其在勘探过程中的可能遇到的问题和细节谈几点初浅的看法。

1 CSAMT方法原理

CSAMT的理论基础源于以Maxwell方程组为核心的电磁场理论。垂直入射到地面的平面电磁波在地下传播时，地面电磁场与地下介质的电阻率之间存在密切的关系。在直角坐标系下，假定Z轴垂直向下，X、Y轴位于地表水平面上，低频谐变场的Maxwell方程组中的旋度方程为：

(1)

(2)

式中σ为均匀介质中的电导率；μ为磁导率。

由于相互正交的电场和磁场间的相关性，通常测量相互正交的电磁场分量，是通过在地面测量的电场和磁场的分量来计算卡尼亚视电阻率：

(3)

由于介质对电磁波有吸收作用，电磁场衰减到1/e时的电磁波传播的距离即趋肤深度δ表示为：

(4)

探测深度D与工作频率和大地电阻率有如下关系：

(5)

式(5)表明，随着电阻率的增大或者频率的减小，探测深度加深；反之随着电阻率的减小或频率的增大，探测深度变浅。因此当大地电阻率为常数时，通过测量不同频率的电磁场强度，就可以得到不同深度对应的地电参数，从而达到探测的目的。

2 CSAMT工作流程

2.1 野外数据采集

本次勘探采用加拿大凤凰公司开发的地球物理数据采集系统——V8，该系统分为发射端和接收端两部分。发射端为大功率发电机和发射机，接收端为数字化多功能接收机和磁探头。发射机与接收机通过GPS卫星时钟同步测量，极大提高了测量精度。

由电磁场理论可知：电偶极子激发的电磁场主要分布在其连线的中垂线两侧30°范围内，该区域信号强度最大。因此，为了提高采集精度，一般选取该区域的波区进行采集。CSAMT的观测系统布置如图1所示。在图1中，AB为电偶极；R为收发距离(不小于3倍最大探测深度)，探测范围为虚线之间的扇形区域。

图1 CSAMT观测系统布置示意图Fig．1 The observing system of CSAMT

2.2 数据处理

野外原始资料预处理采用V8系统的处理软件系统(CMT Pro Version 2.0)进行，预处理后的数据导入MTSoft 2D大地电磁二维处理和解释软件。在数据处理之前，必须剔除明显的干扰点，再对存在静态效应的数据进行空间滤波，绘制频率-视电阻率等值线图，再通过二维反演，绘制出二维反演断面图。分析以上图件，划分出异常区域，并结合地质资料做出初步地质推断，绘制推测断面图。数据处理流程见图2。

图2 CSAMT数据处理流程Fig．2 CSAMT data processing

3 工区实例

3.1 工区地质与地球物理特征

工区内除局部有零星的青白口系、震旦系和寒武系出露处，余者均为第四系覆盖，第四系之下分布有较大面积的中生代地层。区内第四系覆盖物电阻率较低，一般为10 Ω·m左右，岩性较单一，以黄土和砂质粘土为主；第三系地层的电阻率与第四系没有明显差异，岩性以粉砂质泥岩和粉砂岩为主；侏罗-白垩系地层的电阻率在10 Ω·m ～110 Ω·m范围变化，岩石组成较复杂；石炭-奥陶系电阻率较高，可达7 500 Ω·m，岩性以灰岩为主；震旦系一般电阻率值均达到

4 000 Ω·m以上，且具有分布广、厚度大的特点；新太古界变质岩系电阻率高且变化范围大，可达5 000 Ω·m～10 000 Ω·m，岩性构成复杂，但工区老地层中的铁矿层等赋矿层位的电阻率相对较低，通常仅为500 Ω·m，远低于老地层中其他岩石的电阻率而又高于第四系覆盖物的电阻率。因此工区岩石电阻率的差异，为开展可控源音频大地电磁测深工作提供了良好的地球物理前提。

3.2 测线布置及工作参数

本次CSAMT工作共完成测线4条，实测测点441个，点距40 m，为了使测区尽可能处于远场区同时保证接收信噪比的要求，收发距定为10 km～11.5 km。根据勘探深度要求及工区电性特征，本次勘探采用频率范围8 533 Hz～0.117 Hz,共17个频点。假定工区内平均电阻率为10 Ω·m，根据式(5)：

(6)

由此可见，选取最低频率0.117 Hz，满足本次勘探深度2 000 m的需要。

3.3 资料成果解释

根据野外采集资料，结合已有地质资料进行地质推断，在解释工作中，按照如下原则对CSAMT资料进行了划分和解释：①相邻点曲线形态变异；②定性定量图件中等值线密集带；③定量计算成果中相邻点电性参数的改变等；④反演剖面中低阻异常的连续分布区域。

本次野外共采集四条剖面的CSAMT数据，本文以一线(L1)为例,按前文方法进行数据处理，用相关软件反演成图(图3)，同时结合地质资料绘出整条剖面推测地质图(图4)。

由图4可见三处主要低阻异常，编号分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，在深度0 m～400 m范围的浅层，存在连续性较好的低阻层，电阻率小于10 Ω·m，该低阻层主要为黄土、粉砂岩和砂砾岩等第三、四系覆盖物；在深度400 m～1 200 m，存在一相对于上覆地层的高阻电性层，以含砂砾岩和泥岩为主，视电阻率值介于16 Ω·m ～250 Ω·m，电性层横向连续性较好。

在1 200 m～2 000 m处，岩性主要是泥质灰岩、花岗岩和大理岩等震旦系、新太古界变质岩系，视电阻率整体表现为高阻，且变化范围很大。在此区域的三个主要异常，其视电阻率均在150 Ω·m～250 Ω·m之间，由之前的地质资料推测，该三处低阻异常主要由铁矿层等赋矿层位引起。其中Ⅰ号异常，上界面埋藏深度约1 200 m，下界面约为1 900 m，异常平均宽度约150 m，异常呈椭圆形；Ⅱ号异常，上界面埋藏深度约1 000 m，下界面埋藏深度约1 600 m，异常平均宽度约150 m，异常呈椭圆形；Ⅲ号异常，上界面埋藏深度约1 200 m，下界埋藏深度约1 800 m，异常平均宽度约250 m，异常近似呈圆形。

图3 反演视电阻率断面图Fig．3 The inversion figure of apparent resistivity

图4 地质推测断面图Fig．4 Cross-sectional figure of geological speculation

结合以往钻探结果显示，在深度1 390 m～1 400 m和1 420 m～1 423 m处可见两层磁铁矿层，据此推断该三处低阻异常可能是成矿有利部位或矿化岩层地反映。

4 结论与建议

(1)CSAMT法具有野外采集数据质量高、重复性好、反演剖面横向分辨率高、不受高阻屏蔽层影响和工作成本低等优点。

(2)本次勘探获取的低阻异常，与之前的钻探和磁测资料吻合度较高，因此认为该区应作为下一步工作的重点区域。

(3)工区以东、以南紧邻河流，这将对数据采集产生一定影响，在这种情况下，依然采集到了质量较好的数据，取得了令人满意的效果，说明CSAMT法具有较强地抗干扰能力。

(4)发射端供电点处要有明显标志，供电导线连接处应用绝缘胶布包裹，沿线有专人查护，确保人畜生命安全。

(5)针对勘探的地质任务并结合工区的实际情况，在采集过程中应尽量避开明显的干扰源，如公路、供电线、通讯线等，以保证所采集数据的可靠性。

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