吐哈盆地八仙口地区瞬变电磁动源组合装置测量方法试验及应用

郗昭

（核工业二〇三研究所，陕西 咸阳 712000）

我国瞬变电磁法研究受到前苏联影响较多，20 世纪80 年代起，牛之琏、蒋邦远、李貅等一批著名学者开始进行相关研究和技术推广［1，3，7］，在测量方法上，主要采用重叠回线、中心回线装置和框内定源测量［2］，普遍认为这两种装置场强均匀，分辨率高，测量效果好，数据处理简单，因而一直沿用至今［3-6］。笔者有幸于2017 年赴加拿大进行技术交流，根据交流成果和大量的数据和实例分析，认为目前国际上对于瞬变电磁方法的应用范围和数据处理理念与国内有较大差异。20 世纪90 年代开始，随着计算机技术和数据处理理论的不断创新，在西方一些国家，以B.R.Spies 和T.Lee 等一批学者为代表，推崇采用大定源回线框外测量装置应用于矿产勘查［3］。美国EMP、澳大利亚SIROTEM-ⅡSM、加拿大EM-37、DEEPEM 及UTEM 等仪器系统主要适用于大定源回线装置［7］，这种方式具有对构造识别较为灵敏等特点。

随着矿产资源勘查深度的不断加大，重叠回线和中心回线测量装置的测量深度受到限制［8］。核工业二〇三研究所物探项目组通过多年的技术方法试验和探索，提出了以动源组合装置搭配一维反演处理的瞬变电磁动源组合装置测量方法，该装置在吸收了中心回线装置分辨率高的优点的同时，兼顾了框外测深装置测量可以压制数据尾支噪音干扰，加大测量深度的特点，极大地拓宽了瞬变电磁法的应用范围［9］。目前动源组合装置测量方法已在吐哈盆地八仙口等地区开始推广［10-12］，其在地层结构查明、断裂构造识别及砂体范围圈定等方面效果显著，取得了较好的地质找矿成果，应用前景广阔。

1 研究区地质及地球物理特征

1.1 地质概况

吐哈盆地位于哈萨克斯坦、西伯利亚和塔里木三大板块的交接部位［13］。可划分为北部坳陷、艾丁湖斜坡带、南湖隆起三个一级构造单元［14］。八仙口地区位于艾丁湖斜坡带之上。

测区地势平坦，地层整体呈单斜状产出，新生界从山前向盆内逐渐增厚，其地质及测线布置图如下（图1）。盆地盖层为侏罗系（J）、古近系（E）及第四系（Q），基底为石炭系（C）。其中中侏罗统西山窑组（J2x）为本次铀矿找矿目的层，纵向上发育有四段砂体。侏罗系表现为低阻，石炭系视电阻率值较高。

图1 八仙口测区地质及测线布置简单图Fig.1 Geological sketch map and the exploration line of Baxiankou area

区内多发育隐伏断裂，鹰咀崖断裂为典型代表。该断裂特征是：主断面向南西倾，倾角较大［15-16］。

1.2 地层电性特征

通过收集区内钻探测井资料，重点分析了其电阻率值分布特征，发现测区地层的电性差异较大（表1），纵向上可划分为三层：

表1 八仙口测区地层视电阻率统计表［17］Table 1 Statistics of apparent resistivity of strata in study area

1）上部视电阻率值大于20 Ω·m 且变化大的高阻层，通过地表露头观察，主要为近地表第四系风成沙、干燥松散砂砾层（Q）或古近系（E）。

2）下伏视电阻率值小于8 Ω·m 的低阻层，为侏罗系（J）找矿目的层，主要反映侏罗系水西沟群西山窑组、三工河组及八道湾组砂砾岩、泥岩等电性特征。

3）底部视电阻率值大于20 Ω·m 的高阻层，为石炭系，岩性以凝灰岩等为主。

总之，八仙口地区找矿目的层——侏罗系水西沟群西山窑组为稳定的低阻层，为电法勘查提供了物性前提。

2 瞬变电磁动源组合装置测量方法

2.1 方法简介

仪器采用加拿大生产的EM67 瞬变电磁仪，可适用于偶极及中心回线等测量装置，具有稳定性好、信噪比高、探测深度大等特点。

本次测量装置将框中心测量和框外测量相结合来布设，使测量分辨率和深度均可保证，即动源组合装置。其测量装置在布置100 m 边长发射线框的基础上，分别在框中心及框外20 m 测量测深点，具体示意图见图2。该测量方法每次测量完毕可以利用线圈翻滚来完成下一回线的布设，工作效率相对较高，非常适合详查测区精细剖面测量，以及对复杂地质情况进行测量。

图2 动源组合装置示意图Fig.2 The schematic diagram of the combined dynamic source configuration

2.2 数据处理解释方法

本次框外测深点视电阻率计算方法采用Spies 等人提出的大定源回线全区视电阻率计算方法［3］。假设大定源回线Tx 其中心为坐标原点，回线宽为Lx，长为Ly，接收线圈Rx可位于回线内或外，接收线圈坐标为（xr，yr）。在电导率为σ 的均匀半空间上，接收垂直dBz/dt 响应，由Raiche 给出的频率域公式出发，经变换得到时间域里总的瞬变响应为：

式中F（x，y）计算采用分部积分计算。

式中ux＝（σμ0x2/（4t））1/2及uy＝σμ0y2/（4t））1/2。当u 很小时，上式计算F（x，y）会引起误差，为此展开成级数形式

这样利用公式（1）、（3）和（4）就能够计算出大定源均匀半空间的瞬变电磁响应ε（t）。

假设实测场值为εm（t），利用最小二乘法，求以下目标函数极小值：

根据u＝（μ0σl2/（4t））1/2可求得视电阻率

式中l＝（LxLy）1/2。中心回线公式与该公式略有差别，主要体现在中心回线公式中l 为发射半径，而公式（7）中l 为边框边长。

数据反演采用Occam 反演方法，该方法通过引入一个描述模型光滑程度的参数—粗糙度C。经过一系列迭代过程，就可以得到一个具有最小粗糙度并达到希望拟合差的结果模型，具体公式推导过程在此不再赘述。

3 方法试验

本次瞬变电磁动源组合装置测量的方法有效性试验按不同发射频率、发射线框大小、发射电流、增益及积分时间五方面进行了试验，试验结果分析如下。

1）不同发射频率

不同的发射的频率，具有不同的观测时窗长度，测量的深度也不一样。从图3 中可以看出，6.25 Hz 测量曲线尾支的数据跳点较多，测量数据质量较差，这说明该频率对噪声的抗干扰能力差。2.5 Hz 测量曲线尾支噪音明显偏小，抗干扰能力较强，本次测量采用较为合适。

2）发射线框大小

理论上，线框大小的选择与测量深度无关，但野外数据采集时，发射电流不可能无限大。发射线框边长小时，发射磁矩小，激发的一次场强度小，感应产生的二次场强度弱，采集数据的信噪比低，无法准确获得深部的信息［18-20］。

试验发射线框边长分别采用100 m 和200 m，可以看出，从图4 框内测量中，当电流确定时，200 m 边长框探测深度略大于100 m边长框，数据建模结果两者也较为符合。100 m 边长框完全可以满足测量任务的要求，而且100 m 边长框相比200 m 边长框施工效率可以提高30%以上。此外，图5 框外测量中，100 m 边长框测量曲线基本正常，200 m边长框测量曲线前几门感应电压值出现先变大再衰减趋势，虽属正常现象，但对后期测点曲线反演拟合精度会产生影响。综上所述，本次测量选择100 m 边长框较为适宜。

图3 不同发射频率框内单点测量曲线对比图Fig.3 Comparison of measurement curve with different transmission frequency

图4 不同发射线框大小框中心测量拟合曲线与建模分层结果对比图Fig.4 Comparison chart of fitting curve central-loop measurement of with different transmission loop size and modeling layering results

3）发射电流

实际工作中，可通过调节电流大小来增加一次场的强度，从而达到提高信噪比的目的。从图6 中可以看出，框中心测点当电流为9.2A 时，曲线除尾支有跳点外，基本是光滑的。发射电流增大后，曲线同样比较光滑，但早期曲线出现 “平头” 现象，说明电流过大，导致早期信号出现溢出现象。图7 中框外20 m 测点进行测量时，电流分别采用22A和24A，可以看出，两条测量曲线除尾支有跳点外，基本是光滑的，差别较小，但是由于仪器发射电流上限为25A，鉴于对仪器的保护角度考虑，本次框外电流采用22A。

4）增益

增益的选择和设定是一个TEM 操作员最重要的和最关键的任务之一。将接收机增益调节的太小会导致勘探信号太微弱以至于无法准确测量。而将接收机增益调节的太高，可以导致环境噪音太大，破坏信号质量，使得接收机无法正常识别所需信号。衡量增益设置成功与否的主要因素就是观察输出信号的饱和性。饱和性体现在早期的时间门都饱和了（平头现象），但是接下来的时间门数据均可采用。

图5 不同发射线框大小框外测量曲线对比图Fig.5 Measured results outside the loop with different transmission loop size

图6 不同发射电流框中心测量曲线对比图Fig.6 Measurement curve of central-loop with different transmission current

图7 不同发射电流框外测量曲线对比图Fig.7 Outside-loop measurement curves of different transmission current

图8 中可以看出，当增益选择3 时，曲线基本是光滑的。当增益选择4 时，早期曲线有 “平头” 现象出现，说明增益选择过大。很明显，测量增益选择3 是比较合适的。

5）积分时间

通常情况下积分时间越长信号质量越好，所需积分时间取决于周围噪音的影响（电线影响，球状干扰），系统重复频率以及信号响应。通过60 s 和30 s 测量曲线的对比（见图9），可以看出，60 s 测量曲线显然相对更为光滑，主要表现在曲线尾支，说明增大积分时间，可将出现的偶然噪音进行平滑和消除，减少跳点，信噪比会提高。

通过以上几方面开展的瞬变电磁动源组合装置测量方法有效性试验。最终确定了八仙口地区该装置的最佳数据采集方案：发射频率为2.5 Hz，发射与接收回线边长100 m×100 m，供电电流框中心、框外分别为9.2 A和22 A，增益为3，积分时间为60 s。根据试验结果参数进行测量工作，取得的数据质量和准确性更高。

4 应用实例

根据上述试验结论，采用EM67 瞬变电磁仪动源组合装置测量方法在八仙口地区进行了生产测量，主要目的是查明深部含矿砂体的范围及展布形态。以下是本次测量取得的部分成果和认识。

图8 不同增益测量曲线对比图Fig.8 Measurement curves of different gain

图9 不同积分时间测量曲线对比图Fig.9 Measurement curves of different integration time

图10 是八仙口地区48 线单点电阻率光滑模型及二维反演电阻率断面与地质剖面对比图，图10 a 是单点电阻率光滑模型断面，该图和二维反演电阻率断面相比可以更直观的表现出视电阻率的细微变化，也可单独提取进行专门研究。图中可以看到，断面200～400 m 深度发育大面积低阻体，且低阻体内部同时存在一些微小的电阻率变化。由于这种低阻异常变化趋势成带出现，引起了项目组的重视。进一步观察发现，1、2 号低阻异常处曲线呈 “鱼腹” 状，形态深度两者略有差异。项目组决定在这两处形态较好的低阻“鱼腹” 部位部署钻孔进行查证，结果在1、2号低阻异常处施工的钻孔，分别见到了砂体和铀矿体，反演深度与实际埋深相差较小。具体验证情况见表2。

图10 b 是二维反演视电阻率断面图，结合图10 c 实际钻孔揭露情况，显示图中视电阻率值较低的绿色部分是砂体，其分布范围和展布形态都很清楚，分别代表了水西沟群西山窑组各个岩性段。该测线北部1 300～1 700 m 处，在单点电阻率光滑模型断面中，埋深300 m 以下有连续低阻出现。视电阻率断面图也显示出埋深300 m 左右有较厚的砂体存在，该区段前期已有施工钻孔，且在第三、第四岩性段见到一些异常和矿化，由于钻孔最深揭露到第三岩性段底部，孔深不到300 m，未能揭露到视电阻率断面推测的第二岩性段砂体，为了对范围大、连续性较好的第二岩性段进行控制，建议后期在测线1 400 m处施工深孔ZK48-X，以验证其砂体是否存在。

此外，南部和北部的低阻范围出现了错动现象，显示了断裂构造的特征，推测其性质为南西倾逆断裂，在一维反演剖面图上也有比较明显的反映，后经钻探验证其为鹰咀崖断裂，再次证实了测量结果的可靠性。

总之，瞬变电磁动源组合装置测量方法可以有效的查明低阻砂体的展布形态和深度，识别断裂构造存在的位置，可以对水西沟群西山窑组四个岩性段进行大致分层，在解决吐哈盆地八仙口砂岩工作区复杂地质问题方面具有其独特的优势。针对八仙口地段目前铀矿体规模小、形态复杂，变化大不稳定，连续性较差，矿体形态难以有效控制等特点。可以采用该方法进行更为详细的测量，以解决目前钻探工作部署中存在的问题，指导该区段铀矿找矿工作。

5 结论

图10 吐哈盆地八仙口地区48 线单点电阻率光滑模型及二维反演电阻率断面与地质剖面对比图Fig.10 Single-point resistivity smooth model and 2-D inversion resistivity and geological section along Line 48 in Baxiankou area of Turpan-Hami basin

表2 48 线钻探验证情况一览表Table 2 Drilling verification results along Line 48

通过上述方法试验和应用，认为瞬变电磁动源组合装置在搭配合理试验参数的条件下，不但提高了资料解释精度和加大了探测深度，而且对于查明深部地层结构、断裂构造位置和骨架砂体展布范围等方面效果明显，并且钻孔验证结果良好。该方法测量精度较高、效率较高、成本较低，其效果能够满足实际地质工作需要，对今后的砂岩型铀矿找矿工作具有一定的指导作用。