定源回线三分量测量在夏日哈木铜镍矿矿区有效性试验

王兴春， 杨　毅， 邓晓红， 张　杰， 武军杰

(中国地质科学院　地球物理地球化学勘查研究所，廊坊　065000 )



定源回线三分量测量在夏日哈木铜镍矿矿区有效性试验

王兴春， 杨毅， 邓晓红， 张杰， 武军杰

(中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，廊坊065000 )

摘要：通过定源回线三分量模拟计算，归纳了定源回线三分量变化特征与地下板状体产状对应关系。在此基础上对夏日哈木铜镍矿区已知剖面的定源回线三分量数据进行分析和反演解释。结果表明，①充分利用三分量数据信息，有利于快速圈定异常中心在地面的位置；②根据水平分量的零等值线与发射框对称剖面(南北和东西向)的相对位置关系，可定性判断地下矿体顶界面的起伏状况或矿体产状变化情况；③结合Z分量一维反演结果与水平分量定性解释成果对照分析，表明了三分量数据联合解释有助于提高定源回线解释成果的可靠性。

关键词：瞬变电磁； 零等值线; 定源回线； 三分量； 产状； 铜镍矿

0引言

在以往的瞬变电磁法勘探中，垂直分量往往是被关注和研究的主要对象。这主要是由于垂直分量容易测量、信噪比高、易于反演和解释，而水平分量信号弱，信噪比低等因素，使得水平分量的反演解释相对滞后。随着三分量瞬变电磁 (以下简称三分量)探头的出现，三分量解释技术的研究逐步成为该研究领域的又一方向[1-6]，席振铢等[7]、刘剑[8]开展了定源回线三分量模拟计算，分析不同产状的板状体三分量的特征，结合实际地质剖面，说明了综合分析三分量信息有助于异常解释；刘金涛等[9]就三分量解释的诸多优点进行了分析，并结合水文勘查中实测三分量数据解释取得了良好效果；韩子豪[10]对磁偶源瞬变电磁场各磁场分量进行了推导计算，研究结果表明，二次磁场水平分量较垂直分量对低阻体有更高的敏感性；谭劭聪[11]通过对瞬变电磁场模拟计算，以定义的垂直分量和水平分量比值特征函数为解释工具，说明了三分量解释的优越性。国外如Zonge、Carlson[12]和Zonge[13]等分别探讨了三分量在管线探测中的作用和实际测量工作，水平分量发现了垂直异常未能识别的地下电缆等；McNill等[14-15]对三分量的测量意义进行了分析说明，但没有对其规律性进行总结分析；Chen等[16]进行了三分量模拟计算和已知矿区试验，取得了良好效果。由此可见，三分量的联合解释，对提高解释精度具有重要意义。

在模拟计算基础上，以夏日哈木实测数据为例，开展了三分量数据的联合处理解释。对均匀半空间条件下不同产状板状体的三分量特征进行分析后认为，三分量的变化与板状体的产状密切相关，当测线垂直板状体走向且板状体有一定倾角时，Z分量异常中心与板状体中心在地面的投影相重合，平行测线的水平分量零值点位置偏离中心位置且与倾向方向反向。通过对实测数据的三分量的特征分析对比，取得了良好效果。

1模拟计算

1.1不同产状板状体定源回线三分量特征

理论上，均匀半空间或水平层状地层在发射线框中心处的二次磁场水平分量为零，这是由于水平分量接收线圈位于地下瞬变电磁响应的无感应角位置。当地下介质不满足一维假设条件时，其水平分量不再为零，据此可以推断地下不均匀体的赋存情况及地层的产状等[11]。

图1(a)为均匀半空间内一倾斜板状体定源回线三维模型。设置参数为：线距为100 m，点距为50 m，采用Crone 50 ms标准采样道，下降沿为1 ms，发射框大小为600 m×600 m,发射电流为20 A，均匀半空间电阻率为600 Ω·m，板状体大小为400 m×200 m，电导率为100 s，埋深为175 m，向北35°倾斜，采用框内测量，测线正南北布设，测线最南端从50号测点起算。如图1(b)所示，红色600 m×600 m正方形大框为发射框，内部绿色矩形框为倾斜板状体在地面的投影。在Maxwell软件中，规定以测线正(北)方向为X分量正方向，Y分量正方向垂直X分量，且遵循右手定则，Z分量垂直向上。

图1　定源回线正演计算Fig．1　Fix forward modeling(a)定源回线三维正演模型；(b)测线和发射框平面位置关系；(c)均匀半空间Z分量15测道响应等值线图；(d)均匀半空间X分量15测道响应等值线图；(e)均匀半空间Y分量15测道响应等值线图；(f) 均匀半空间含倾斜板状体条件下Z分量15测道响应等值线图；(g)均匀半空间含倾斜板状体条件下X分量15测道响应等值线图；(h) 均匀半空间含倾斜板状体条件下Y分量15测道响应等值线图

图1(c)～图1(h)分别为均匀半空间和均匀半空间含倾斜板状体条件下第15采样道的Z、X、Y分量响应幅值平面等值线图。当地下为均匀半空间或层状介质时，Z分量响应幅值等值线以(300,300)为中心对称，X和Y分量幅值则分别以N300和E300对称，见图1(c)～图1(e)。L13线E坐标为300，发射框南北向坐标为N300；由于板状体的存在，这种对称性已不复存在，Z分量异常中心明显南移，与板状体在地面投影位置相吻合，X分量的零等值线由于板状体的倾斜，向倾向反方向移动，而Y分量由于板状体的对称性，零等值线几乎与E300线重合，见图1(f)～图1(h)。

1.2模拟计算结果

X、Y分量具有等价性，只是规定测线方向与X分量相同而已，在不同倾角条件下分别开展了正演模拟计算，当板状体西倾时，Y分量表现出与X分量类似的特性，即零等值线向倾向反向方向移动。

结果表明，不同产状板状体条件下，水平分量的变化特征与板状体的产状密切相关。水平分量零等值线图表明，①当板状体倾斜时，垂直走向的水平分量零等值线总是偏离发射框的对称中心，并和板状体倾向方向相反，该偏移距离与板状体的倾斜角度呈正比关系；②垂直分量的异常中心总是和板状体在地面的投影中心相对应。可见，三分量响应特征与地下矿体产状密切相关。联合三分量开展解释工作，对快速圈定矿体异常中心、判断矿体产状有着实际意义。

2定源回线三分量实例分析

结合青海夏日哈木铜镍矿区定源回线三分量数据反演解释为例，说明联合三分量开展解释工作必要性和重要性。

2.1测区地质及地球物理特征

夏日哈木矿区为一岩浆熔离型铜镍硫化物矿床。其中HS26号异常区为本次瞬变电磁有效性试验的首选区。该区内超基性-基性杂岩体呈椭圆状近东西向展布，南西段隐伏与金水口群之下，剖面上表现为北部南倾，南部北倾。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。矿石矿物主要为黄铜矿、镍黄铁矿、磁铁矿、磁黄铁矿等。矿体多呈厚大的似层状，一般上部以浸染状、团块状矿石为主，中下部及底部多为稠密浸染状、致密块状矿石，少数矿体呈透镜状、漏斗状位于岩体上部成上悬矿体或呈条带状分布于岩体中。

物性测量结果表明，夏日哈木矿区岩(矿)石具有“低阻、高极化、高磁、高密度 ”的特征，在该地区具备开展重力、磁法、电法工作的物性前提条件。

2.2方法技术

由于夏日哈木矿区地形较陡，在矿区开展定源回线三分量测量避免了中心回线在陡峭地段施工难的问题。采用加拿大Crone公司的PEM系统开展野外数据采集，现场根据地质资料和情况，部署了600 m×600 m的发射框，发射电流15 A，采样时间采用Crone 50 ms标准时间道。由于是方法有效性试验工作，瞬变电磁测线与勘探线线距保持一致都为80 m，点距为50 m，测线近乎南北向布设，与发射框相对位置关系如图2所示。局部由于地势陡峭，个别测点放弃数据采集,图2中800号点所在东西向线及L13线分别为发射框东西和南北对称剖面。

图2　定源回线平面布置图Fig．2　Plane for fix loop

2.3成果处理与解释

图3为三分量剖面曲线，由上而下依次为L09、L11、L13、L15、L17测线三分量剖面曲线。图4 由上而下依次为CH4、CH8、CH12、…、CH28测道Z分量响应等值线图与相应测道水平分量零等值线的对照图。

由图3可知：①L09、L11测线Z分量剖面曲线异常响应较大，随着测线西移，响应值逐渐变缓；②X分量在剖面曲线上有一个明显的零值过渡点，随着测量时间增大，X分量零等值线逐渐南移，最后趋于稳定，变化相对较缓，位置在800号点以南，这表明矿体产状北倾的特征；③Y分量随着测线西移，经历了一个由负到正的变化过程，且前三条测线都为正异常响应，通过对Y分量绘制平面等值线分析发现，在早、中期过渡阶段Y分量的零等值线由西向东发生了较大的移动,且在L13线以东，这表明地下异常体产状在东西向变化较南北向变化更剧烈，矿体产状具有强烈的西倾特征。

图3　定源回线三分量剖面曲线Fig．3　Three Component profile for Fix loop

由图4可见，随着采样时间增大，Z分量异常由早期的零散异常逐渐向东南方向收敛，表明地下异常体在浅部分散，而在深部主要集中在测区东南部，而X、Y分量随着时间增大，零等值线位置逐渐趋于稳定，且两者交点向Z分量异常中心靠拢。根据模拟计算结果，测区东南部Z分量高异常区及水平分量零等值线交点部分即为矿体的中心部位。此外，对于Y分量，L9测线为负异常响应且值最大，这表明地下异常中心在其正异常方向，且距离较近，可见水平分量对异常中心具有指向性。

图4　Z分量等值线图与水平分量零等值线对应关系Fig．4　Z component and horizontal component zerocontour relation correspondence

据此，根据现场收集地质剖面，对含矿岩体的顶界面起伏情况进行了绘图分析(图5)。含矿岩体顶界面在测区东南部ZK1105附近(对应测点范围700 m～750 m)达到了最大，而在测区西北方向最小。测区内，矿体顶界面南北方向变化相对较缓，而东西方向变化剧烈，这与前面X、Y分量的变化趋势是相对应的。

图5　含矿岩体顶界面高程等值线图Fig．5　Contour for ore top

2.4瞬变电磁1D反演

对Z分量1D反演结果与实际地质剖面进行分析，并结合水平分量定性分析结果对一维反演结果进行分析，说明三分量联合解释的可靠性和优越性。如图6～图8所示，地质剖面近乎南北向，钻孔间距为80 m。勘探剖面成果表明，含矿岩体接近层状分布，在布设发射回线时，将该部分矿体置于发射框内，以达到最佳耦合效果，瞬变电磁剖面向13号钻孔北边延伸100 m，以确保有一定规模的背景场。

L11、L13号测线矿体厚度较大且产状平缓，随着测线西移，矿体厚度变薄、产状变陡，表现为明显的向北倾斜的特征。此处选择L11、L13、L17线反演结果进行分析。图6～图8为L11、L13、L17线瞬变电磁Z分量一维电阻率反演断面图与地质剖面的对照图。由图6～图8可知,反演结果中低阻部分形态较好地反应了含矿岩体的产状、埋深等参数。L11、L13测线反演结果也表明，下部含矿岩体顶界面相对平缓。而L17测线反演断面表明，含矿岩体顶界面出现明显的北倾特征，这与地质剖面中含矿岩体分布形态高度吻合，同时这种北倾的特征与上面X分量零等值线始终保持在800号测点以西相一致。L11、L13测线下方存在相对较厚矿体且矿体埋深小于L15、L17测线，矿体这种西倾特征与图4中Y分量在中晚期零等值线严重向东偏离,东西向对称中心(L13线)相一致。

图6　　L11线1D电阻率反演断面图及地质剖面Fig．6　1D resistivity inversion section and geology profile for L11

图7　　L13线1D电阻率反演断面图及地质剖面Fig．7　1D resistivity inversion section and geology profile for L13

图8　　L17线1D电阻率反演断面图及地质剖面Fig．8　1D resistivity inversion section and geology profile for L17

综上所述，在未知区开展定源回线瞬变电磁时，根据Z分量反演结果与水平分量的对应关系，可快速圈定异常区域、有效地判断地下矿体的产状、分布形态等因素。

3结论与存在问题

野外采集工作中地形起伏较大(最大落差84 m)，反演工作是基于发射、接收在同一平面内开展的，导致剖面反演深度存在一定误差,但并不影响说明问题。通过模拟计算和实测数据反演、分析后认为，开展瞬变电磁三分量反演解释工作存在以下优点和问题：

1)充分利用三分量信息，克服了单一分量的局限性，有利于快速圈定地下异常体在地表的异常中心范围。

2)利用水平分量零等值线与发射框对称轴的相对位置关系，可定性判断地下矿体的产状等参数，结合垂直分量反演结果，两者相互印证，确保了反演结果的可靠性。

3)在面积性测量工作中，在测区内开展1～2条三分量测量，充分利用水平分量指向性的特点，可快速判断地下异常体相对测线的方位，后期有针对性地开展工作，能有效节约勘探成本。

4)目前水平分量仅限于定性解释，由于地下矿体为不规则三维体，开展单一的板状体拟合工作很难得到理想的结论，水平分量的定量化反演解释还需要进一步开展理论研究，最大限度地利用水平分量信息，提高瞬变电磁综合解释推断能力。

参考文献：

[1]蒋邦远．实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M]．北京：地质出版社，1998．

JIANG B Y. Applied near zone magnetic source exploration of transient electromagnetic method [M]. Beijing: Geology Press, 1998.(In Chinese)

[2]牛之琏. 时间域电磁法原理[M]. 长沙 : 中南大学出版社,2007.

NIU Z L. The theory of time domain electromagnetic method [M]. Changsha: Central South University Press, 2007.(In Chinese)

[3]吕国印．瞬变电磁法的现状与发展趋势[J].物探化探计算技术，2007，29(增刊)：111-115.

LV G Y. Current status and development of transient electromagnetic method[J]. Computing Techniques for Geophysical and Geochemical Exploration, 2007,29(s1):111-115.(In Chinese)

[4]薛国强,李貅,底青云.瞬变电磁法正反演问题研究进展[J]. 地球物理学进展，2008,23(04):1165-1172.

XUE G Q,LI X,DI Q Y.Research progress in TEM forward modeling and inversion calculation [J].Progress in geophysics,2008,23(04):1165-1172.(In Chinese)

[5]戚志鹏，智庆全，李貅，等．大定源瞬变电磁三分量全域视电阻率定义与三分量联合反演[J]． 物探与化探，2014，38(4):742-749.

QI Z P，ZHI Q Q，LI X，et al．The definition of the full-zone apparent resistivity and the constrained inversion of the three components of fixed source TEM[J]． Geophysical and Geochemical Exploration，2014，38(4):742-749．(In Chinese)

[6]戚志鹏. 瞬变电磁多分量解释技术研究[D]. 西安: 长安大学,2009.

QI Z P. The multi-component interpretation technology of transient electromagnetic method [D]. Xi’an: Chang’an University, 2009.(In Chinese)

[7]席振珠,刘剑,龙霞,等.瞬变电磁法三分量测量方法研究[J].中南大学学报：自然科学版,2010,41(1):272-276.

XI Z Z,L J,LONG X,et al.Three-component measurement in transient electromagnetic method [J].Journal of Central South University (Science and Technology) ,2010,41(1):272-276.(In Chinese)

[8]刘剑. 瞬变电磁法三分量测量研究[D]. 长沙: 中南大学,2009.

LIU J. Three-component measurement in transient electromagnetic method [D].Changsha: Central South University, 2009.(In Chinese)

[9]刘金涛, 顾汉明, 胡祥云. 瞬变电磁法三分量解释剖析[J].人民长江,2008, 39:114-116.

LIU J T, GU H M, HU X Y. Analysis of three-component transient electromagnetic [J]. Yangtze River,2008, 39(11):114-116. (In Chinese)

[10]韩自豪. 磁性源瞬变电磁场水平分量响应特征与应用[D]. 北京: 中国地质大学, 2009.

HAN Z H. Horizontal components response and its application of magnetic sources transient electromagnetic method [D]. Beijing:China University of Geoscience ,2009.(In Chinese)

[11]谭劭聪,王鹤,席振铢,等.瞬变电磁法三分量联合处理与解释[J]. 中国有色金属学报,2012,22(3):909-914.

TAN S C,WANG H, XI Z Z,et al.Joint-processing and interpretations of three-components in transient electromagnetic method[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2012,22(3):909-914. (In Chinese)

[12]ZONGE K L, CARLSON N. The utility of horizontal component measurements in random-walk TEM surveys[R]. Tucoson:Zonge Engineering & Research Organization Inc,2002.

[13]NORMAN R CARLSON ，KENNETH L.ZONGE. Early-time, Multi-Component mobile TEM for Deep metal detection[C].Environmental and Engineering Geophysical Society (EEGS).2002SAGEEP.proceedings,Las Vegas,Nevada,2002.

[14]MCNILL J D. Why should I measure three components in a time-domain electromagnetic survey[R]. Mississauga: Geonics Limited,1992.

[15]MCNILL J D, EDWARDS R N,LEVY G M. Approximate calculations of the transient electromagnetic response from buried conductors in a conductive half-space[J]. Geophysics,1984, 49(7):918-924.

[16]CHEN C S, CHIU W H, LIN C R. Three component time-domain electromagnetic surveying: Modeling and data analysis [J]. Piers Online, 2008,4(4):475-480.

收稿日期：2015-03-12改回日期：2015-04-03

基金项目:地质大调查项目(12120113031700，12120113100500)

作者简介：王兴春(1975-)，男，硕士，高级工程师，主要从事瞬变电磁法研究工作，E-mail:wangxingchun@igge.cn。

文章编号：1001-1749(2016)03-0327-07

中图分类号：P 631.3

文献标志码：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