磁通门探头在瞬变电磁法勘探中的应用

王兴春 ，张 杰 ，郑学萍 ，邓晓红 ，武军杰 ，杨 毅

(1.中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所,廊坊 065000；2.中国石油天然气管道工程有限公司,廊坊 065000)

0 引言

近年来，随着深部找矿工作的进一步开展，时间域瞬变电磁法如何在勘探深度上取得进一步突破，是实现瞬变电磁法在深部找矿中发挥作用的前提。传统的时间域电磁法一直以感应线圈测量地下目标体产生的感应电动势(dB/dt)为主导，也就是这种线圈主要对磁场随时间的变化率比较敏感。在时间域电磁法中测量磁场(B)，国内、外已有诸多案例，如戴远东等人[1]在电偶源和中心回线条件下，对高温超导和感应探头进行了相关公式推导结果比较，分析高温超导测量磁场的优势；物化探所陈晓东等人[2]利用高温超导探头测量磁场，较传统的感应探头，有效地提高了勘探深度；苏朱刘等人[3]以电偶源条件下例推导了相同条件下感应电动势和磁场在晚期的衰减规律，感应电动势在晚期道随t-5/2变化，而垂直磁场在晚期随t-3/2变化，这种结论对中心回线也是成立的，因为两者具有相同的归一化磁场表达式；2001年James B.Lee等人[4]在航空瞬变电磁法尝试用高温超导探头结合GEOTEM系统开展了克服低阻屏蔽层的试验研究，并与传统的感应线圈结果进行比较分析；Foley、Le Roux[5-6]通过高低温探头试验和实际应用认为，低温和高温超导探头在提高瞬变电磁法勘探深度方面是一种行之有效的方法，Foley et al.[7]对超导探头在瞬变电磁法勘探中的试验效果进行了总结和分析；Smith 等[8]提出了一种通过整合线圈响应获取磁场数据的方法；Vallée等人[9]指出瞬变电磁法在矿产勘探中结合磁场测量是一种有效的方法。Michael W. Asten等人根据McCraken等人[10]的研究结果，对自由空间的低阻线框的瞬变电磁阶跃响应作了简化推导，通过低阻盖层下目标体模拟计算分析等案例，以模拟计算和实测数据为依据，对TEM工作中测量磁场的诸多优点进行说明。

磁通门探头作为一种新型的测量磁场的探头，近些年来在国外逐渐被用于常规瞬变电磁法勘探中，如澳大利亚最新的SM24系统，磁通门探头为标配探头，作者通过模拟计算和实际测量数据的反演解释，对磁通门探头在瞬变电磁测量中的优点进行分析说明。

1 模拟计算

作者以澳大利亚EMIT公司生产的专业瞬变电磁法软件Maxwell为计算平台，在相同模型条件下，分别计算磁场和感应电动势的响应，对计算结果分析表明，对于深部矿体，测量磁场更具实际意义。

模型见图1，测线长为2 km，点距为50 m，在均匀空间(800 Ω·m)分别放置大小、埋深、电导率不同的两个水平板状体，板状体1大小400 m×200 m，中心位置坐标为(500，0，-200)，电导率为5 s；板状体2大小为800 m×400 m，中心位置坐标为(1200，0，-300)，电导率为100 s；采用中心回线装置，发射框100 m×100 m，发射电流为20 A，接收面积为10 000 m2，采样时间采用Crone 30 Channel 标准采样道时间序列，下降沿50 us，基频为12.5 Hz，磁场单位为pT，感应电动势单位为nT/s。

图1 Maxwell正演模型Fig．1 Forward model in Maxwell

感应电动势和磁场模拟计算结果分别如图2、图3所示，由图2结果表明：当测量感应电动势时，浅部良导体较深部良导体的响应更明显，且两个目标体的异常叠加在一起，实际工作中很容易忽略深部异常体的微弱信息；而图3结果则刚好相反，磁场对深部相对良导体较浅部良导体反应的异常更明显，幅度远大于良导体响应，同时就剖面曲线异常形态而言，磁场对应剖面曲线上，相邻目标体之间异常分界明显，更有利于我们判断横向矿体的分布情况，可见在瞬变电磁法中测量磁场对于发现深部矿体有着潜在的利用价值，同时有较高的横向分辨率，这也为瞬变电磁法开展深部找矿提供了可能，同时也有利于区分深部不同矿体的地表响应特征，为我们合理的判断和解释瞬变电磁反演结果提供了依据。

图2 感应电动势模拟计算剖面曲线Fig．2 Model profile for induced voltage

图3 磁场模拟计算剖面曲线Fig．3 Model profile for magnetic field

那么在低阻覆盖条件下，磁场的特性又将如何？为此设置三层模型，其中盖层和基底电阻率分别为200 Ω·m、500 Ω·m，中间层电阻率为5 Ω·m，盖层和第二层厚度分别为100 m、50 m，在600 m、1 400 m分别放置两个大小相同(400 m×400 m)深度分别-200 m、-400 m水平板状体，电导率分别为10 s、100 s，其余参数与上述模型相同，分别计算了磁场和感应电动势响应曲线，模型如图4所示。

磁场和感应电动势剖面曲线如图5所示，图5(a)为感应电动势剖面曲线，图5(b)为磁场剖面曲线，剖面曲线上每隔5道用红线标示，1 400 m 处对应的深部板状体曲线形态在两个剖面曲线上位置截然不同，感应电动势对低阻板状体的响应在22道(2.92 ms)逐渐变强；且这种反应在1 nT/s以下形态最好，而实际工作中很容易被噪声掩盖而忽略；磁场响应在16道(1.37 ms)开始对深部板状体的响应逐渐增强，在36道逐渐平缓，分析其变化数量级可见，磁场数据在0.05 pT～100 pT都出现了形态较好异常响应，且远高于噪声水平，观察600 m处板状在感应电动势剖面曲线上的形态可见，在15道～25道响应最好，而磁场响应在5道～25道(ms)响应最好，从时间上分析，相同条件下，磁场对目标体的响应时间较感应电动势更早，从目标体的所处的地层特性而言，低阻覆盖层条件下，磁场具有更强的“穿透”能力，磁场的这种特性更有助于发现深部异常信息。

图5 感应电动势和磁场剖面曲线Fig．5 Profile for induced voltage and magnetic data (a)感应电动势剖面曲线；(b)磁场剖面曲线

图4 低阻屏蔽计算模型Fig．4 Forward model for low resistive shielding

2 实测资料分析

通过在某铜镍矿开展瞬变电磁方法有效性试验工作，现场采用常规感应电动势探头和磁通门探头同时采集，以其中L05线为例进行说明。L05测线长900 m，采用加拿大Crone生产的PEM系统，中心回线装置，发射框大小100 m×100 m，发射电流为15 A，点距为50 m，时基为50 ms，下降沿50 us，两种探头剖面曲线如图6、图7所示，剖面曲线在500 m和750 m处都出现了峰值，从剖面曲线形态判定，两峰值对应异常相对较高，初步判断双峰异常之间存在电阻 率相对高的介质, 而在相对深的位置彼此分开；就峰值变化形态而言，感应电动势探头对应剖面曲线在中晚期依然保持两个峰值的特征，但在10道～18道和19道～27道，500 m处的峰值响应相对较弱，而磁通门探头对应的剖面曲线自始至终双峰特征明显，且在中晚期道500 m处对应的峰值异常更明显，根据前文模拟计算结果，500 m处峰值应为相对深部矿体的响应特征。

图8为地质断面图，岩体基本由辉石岩、橄榄岩、橄辉岩、辉橄岩和辉长岩组成，含矿岩性主要为二辉橄榄岩和辉石岩，岩石普遍具有绿泥石化、碳酸盐化、透闪石化、蛇纹石化，矿石矿物主要为黄铜矿、镍黄铁矿、磁铁矿、磁黄铁矿、紫硫镍矿等，底板岩石主要为黑云母斜长片麻岩、花岗质片麻岩、大理岩、石英片岩等，钻孔资料表明，在含矿段或非含矿段均存在不同程度的黄铁矿化、褐铁矿化、黄铜矿化。物性测量结果表明，这些矿化岩石具有“高磁、低阻、高极化”的特征，尽管这些矿化岩石在地质剖面上达不到工业级别或者标示为非含矿岩体，但其同样具有低阻的特性而在瞬变电磁反演剖面上扩大矿体电异常的范围或单独形成异常。

图9为感应探头和磁场数据1D电阻率反演断面图(图9(a)为感应电动势反演剖面，图9(b)为磁上横向不连续而在电阻率剖面上变现为连续的低阻，可能与该地段存在黄铁矿化、褐铁矿化岩石有关。

图6 L05感应电动势探头剖面响应曲线Fig．6 L05 induced voltage profile

图7 L05磁通门探头剖面响应曲线Fig．7 L05 magnetic field profile

比较图9中(a)、(b)两个电阻率断面采用相同初始模型，对晚期噪声水平以下测道进行剔除后1D场反演剖面)，钻孔ZK511和ZK504分别位于TEM剖面40 m和600 m处，两者反演结果与地质剖面矿体展布形态对应较好，部分地段在地质剖面电阻率反演断面图，(a)、(b)断面图在100 m～450 m表现为横向连续的低阻层，图9(a)在该段纵向不连续，存在相对高阻值，这与剖面上脉状矿体有一定对应关系，而图9(b)中磁场反演剖面上并不存在这种不连续现象，这是由于感应电动势是在磁场的基础上对时间求导，在某种意义上就是对深度的求导，对纵向电阻率变化具有更高的敏感性；图9两剖面100 m～250 m范围内，磁场反演的低阻厚度明显大于感应电动势，且在500 m～900 m范围内，出现一南倾的低阻带，但阻值与矿体电阻率相比稍有偏高，反演深度明显大于感应电动势反演剖面，这与前文模型计算结论磁场响应时间更早、衰减更缓慢，而导致其勘探深度更大是一致的。

图8 L05线地质剖面图Fig．8 L05 geological section

图9 感应电动势和磁场1D电阻率反演断面图Fig．9 1D resistivity inversion profile for induced voltage and magnetic field data(a)感应电动势；(b)磁场

地质剖面上深部脉状矿体反映不明显，这可能与浅部低阻矿体的屏蔽效应和深部矿脉的电性、规模等综合因素相关。

3 结论与展望

理论计算和实测结果表明：在瞬变电磁法中采用磁通门测量磁场具有较高的横向分辨力和晚期信号强且平稳的特点，尤其在低阻目标体上方，磁场数据在早、中、晚期都有明显反应，这为瞬变电磁勘探增大勘探深度提供了可能，在发现深部异常信息方面具有感应线圈无法比拟的优点；同时实测资料反演结果表明，对于纵向电性变化较大的似层状地电断面，感应电动势在纵向的分辨率明显优于磁场。

致谢

感谢青海省第五矿产勘查院高永旺高级工程师、杨启安工程师在工作中的支持和帮助。

参考文献：

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