唐靜， 劉富波， 王顯祥， 閆永利， 馬曉冰

1 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 2 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京 100029 3 中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所， 北京 100190

?

3D DEMAP 數(shù)值模擬與觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

唐靜1,2， 劉富波3， 王顯祥2， 閆永利2， 馬曉冰2

1 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 2 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京 100029 3 中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所， 北京 100190

為推動(dòng)電磁剖面(EMAP)技術(shù)向找礦勘探領(lǐng)域發(fā)展，本文針對(duì)密集陣列剖面(DEMAP)測(cè)量方式，利用三維積分方程法對(duì)層狀介質(zhì)中賦存三維地質(zhì)異常體的電性結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并在青海野馬泉鐵鋅礦集區(qū)西部進(jìn)行了大地電磁(MT)與DEMAP的野外對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn).數(shù)值模擬結(jié)果顯示，DEMAP觀測(cè)方式獲得的結(jié)果受偏移距影響，造成的視電阻率和相位誤差與偏移距大小和地下電性結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性密切相關(guān)，但在整體上，統(tǒng)計(jì)誤差≤10%.通過(guò)對(duì)野馬泉礦集區(qū)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可得，DEMAP與MT的視電阻率斷面和相位斷面具有較好的一致性.本文從理論和實(shí)驗(yàn)上都表明DEMAP觀測(cè)技術(shù)是一種有潛力的、經(jīng)濟(jì)、快速、有效的找礦手段.

密集陣列剖面； 積分方程法； 偏移距； 誤差統(tǒng)計(jì)

1 引言

礦產(chǎn)資源是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)保障.從20世紀(jì)80年代初，伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，礦產(chǎn)資源需求量不斷推升，一些大宗礦產(chǎn)被動(dòng)依賴進(jìn)口.從國(guó)土部2008年對(duì)國(guó)內(nèi)礦山資源潛力進(jìn)行的調(diào)查結(jié)果看，其儲(chǔ)量形勢(shì)也非常嚴(yán)峻.在被調(diào)查的1010座大中型礦山中，有632座危機(jī)礦山，占總比例的62.5%.其中，393座隸屬嚴(yán)重危機(jī)礦山，169座為中度危機(jī)礦山，70座為輕度危機(jī)礦山.長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)找礦勘探工作主要集中在0～500 m的深度范圍.而深部礦產(chǎn)資源非常豐富，存在著巨大的找礦潛力.如加拿大Sudbury銅鎳礦深達(dá)2430 m，南非Carlrtonvill金礦深達(dá)4000 m.為此，中國(guó)科學(xué)院院士滕吉文指出：國(guó)內(nèi)礦產(chǎn)勘探與開(kāi)發(fā)要從以往的0～500 m深度的第一空間，向500～2000 m深度上的第二空間發(fā)展，并逐漸拓展到2000 m以下的第三空間(滕吉文等，2007).隨著找礦深度的加深，電磁方法成為了研究的熱點(diǎn).

EMAP (electromagnetic array profiling)是由美國(guó)大地電磁(MT)專家Bostick于1986年提出的，該方法是對(duì)MT觀測(cè)方式的一種革新.MT是利用天然電磁場(chǎng)源來(lái)研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物質(zhì)成份與狀態(tài)的一種物探方法，其觀測(cè)頻段為104Hz～10-4Hz.探測(cè)深度可從近地表到地下幾十公里乃至上百公里的深度范圍，被廣泛用于巖石圈結(jié)構(gòu)研究、石油勘探、地震災(zāi)害與地下水污染監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域(馬曉冰等，1996；Chen et al.，1996； Wei et al.，2001；Li et al.，2003；趙國(guó)澤等，2004；馬曉冰等，2005；湯吉等，2005；曹忠權(quán)等，2010).但MT勘探采用的是單點(diǎn)5(3磁、2電)分量測(cè)量，除了在測(cè)點(diǎn)中心附近布設(shè)3個(gè)磁道外，還要沿南北向和東西向布設(shè)幾十米到幾百米的2個(gè)電道.不但野外測(cè)量工作效率低、速度慢，也很難在地形起伏較大的山區(qū)布設(shè)觀測(cè)臺(tái)站.為了克服MT觀測(cè)方式上的缺陷，EMAP采用MT臺(tái)站與電場(chǎng)剖面相結(jié)合的測(cè)量方式，選擇在一些地形較為平坦的測(cè)點(diǎn)布設(shè)MT(3磁、2電)臺(tái)站，而在地形起伏較大的測(cè)點(diǎn)上，只采集沿測(cè)量剖面走向的電場(chǎng)分量.這樣，它不僅提高了野外測(cè)量效率，也在一定程度上克服了地形起伏較大的山區(qū)野外勘探的困難.在阻抗張量計(jì)算方面，EMAP采用多個(gè)測(cè)點(diǎn)上沿剖面走向的電場(chǎng)分量共享一個(gè)MT基站的磁場(chǎng)的方式.國(guó)內(nèi)一些學(xué)者在EMAP方法理論和野外觀測(cè)技術(shù)上做了大量工作，1990年，王家映(1990)先將EMAP觀測(cè)技術(shù)引入國(guó)內(nèi)，并提出了壓制起伏地形影響的低通濾波方法.此后，EMAP在國(guó)內(nèi)不斷得到發(fā)展，并被應(yīng)用到地質(zhì)構(gòu)造解釋、靜位移校正中(閻述和陳明生，1996；鄧前輝等，1998；鄭莉等，1998；楊生，2004).為了適應(yīng)我國(guó)特定的地質(zhì)勘探環(huán)境，我國(guó)學(xué)者在EMAP的基礎(chǔ)上，提出了CEMAP(continuous electromagnetic array profiling)，有效彌補(bǔ)了石油勘探中單純依靠地震阻抗分界面對(duì)儲(chǔ)層定位不夠準(zhǔn)確的缺陷，而開(kāi)展具有電性差異的電磁勘探，能夠?yàn)榈卣鸾忉屘峁┥顚有畔?孫衛(wèi)斌等，2001).

我國(guó)西部的青海、新疆、西藏地區(qū)幅員遼闊，礦產(chǎn)資源非常豐富.例如：西藏岡底斯的南木林-墨竹工卡斑巖銅礦帶，在東西長(zhǎng)約240 km，南北寬20～30 km的區(qū)域，就發(fā)育有沖江銅礦、驅(qū)龍銅礦、甲馬銅多金屬礦等多處大型礦床(姚鵬等，2002；Unsworthet al.，2005；楊志明等，2008；鄭文寶等，2010).在這些欠發(fā)達(dá)的地區(qū)，人文電磁噪聲弱，有利于應(yīng)用EMAP方法尋找深部礦、隱伏礦.但長(zhǎng)期以來(lái)，人們側(cè)重的是EMAP技術(shù)在油氣田勘探中的推廣使用，對(duì)EMAP多測(cè)量點(diǎn)上電場(chǎng)分量共享1個(gè)MT臺(tái)站的(3分量)磁場(chǎng)，在阻抗張量上產(chǎn)生的畸變效應(yīng)，缺乏相關(guān)的理論研究和野外實(shí)驗(yàn)研究.相對(duì)油氣田勘探，金屬礦勘探目標(biāo)小，要求測(cè)點(diǎn)密、精度高(Zhdanov ，2010).因此，深入研究EMAP的變化規(guī)律，將有助于提高其資料解釋質(zhì)量，增強(qiáng)找礦效果.為此，我們針對(duì)找礦勘探要求的密集電磁陣列剖面(DEMAP)方式，開(kāi)展了3D數(shù)值模擬，統(tǒng)計(jì)和分析了MT與DEMAP的相對(duì)誤差.同時(shí)為檢驗(yàn)DEMAP的勘探效果，我們使用加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的MT-5A測(cè)量系統(tǒng)，在青海省野馬泉鐵鋅礦集區(qū)西部，進(jìn)行了DEMAP與MT的對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn).從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，二者表現(xiàn)出的電性特征高度一致.這表明DEMAP測(cè)量技術(shù)在勘探找礦中也是一種有潛力的經(jīng)濟(jì)、快速、有效的找礦手段.

2 EMAP測(cè)量方法

EMAP(Torres-Verdinand Bostick, 1992)測(cè)量原理與大地電磁法(MT)相同，均利用天然電磁場(chǎng)源來(lái)研究地球內(nèi)部電性結(jié)構(gòu)、物質(zhì)成份與狀態(tài)，但二者在測(cè)量方式上差別較大.MT采用的5分量臺(tái)站的單點(diǎn)測(cè)量方式，每個(gè)MT臺(tái)站要求測(cè)量3個(gè)相互正交(Hx,Hy,Hz)的磁場(chǎng)分量和2個(gè)水平正交的(Ex,Ey)電場(chǎng)分量.而EMAP采用的是MT臺(tái)站與電場(chǎng)剖面相結(jié)合的測(cè)量方式，如圖1.它只需在一些測(cè)點(diǎn)或一些測(cè)點(diǎn)附近布設(shè)MT臺(tái)站來(lái)測(cè)量3個(gè)磁場(chǎng)分量(Hx,Hy,Hz)，并不要求在每個(gè)測(cè)點(diǎn)上都進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量，但要求每個(gè)測(cè)點(diǎn)都測(cè)量沿剖面走向的電場(chǎng)分量(E∥).在阻抗張量計(jì)算上，各測(cè)量點(diǎn)除要用到E∥外，還要用到E∥和H⊥(H⊥與H∥相互正交)的水平磁場(chǎng)分量，其耦合方程為(石應(yīng)駿等，1985)

(1)

對(duì)那些只測(cè)量E∥的測(cè)點(diǎn)，在計(jì)算阻抗張量時(shí)，采用共享其附近MT臺(tái)站磁場(chǎng)的方法.

圖1 EMAP測(cè)量方式Fig.1 EMAPconfiguration

MT臺(tái)站上的(Hx,Hy)，經(jīng)旋轉(zhuǎn)(NS與∥的夾角)變換，得到(H∥,H⊥).然后，利用H∥、H⊥分別對(duì)耦合方程(1)內(nèi)積，可求得阻抗張量因子Z∥.即有:

(2)

(3)

其中ρa(bǔ)∥、φ∥分別代表沿剖面走向的視電阻率和相位.

EMAP方式使野外測(cè)量更加靈活、方便、高效，同時(shí)也增強(qiáng)了在地形起伏的山區(qū)勘探的適應(yīng)能力.但在阻抗張量和視電阻率與相位的計(jì)算上，也存在問(wèn)題.如在同一個(gè)排列上，各觀測(cè)點(diǎn)處的感應(yīng)磁場(chǎng)一般是不同的，若不考慮偏移距(各測(cè)點(diǎn)與MT臺(tái)站的距離)變化的影響，采用同一MT臺(tái)站處的磁場(chǎng)，來(lái)計(jì)算整個(gè)排列上各測(cè)點(diǎn)處阻抗張量和視電阻率與相位，勢(shì)必會(huì)造成相當(dāng)程度的誤差.以往，EMAP主要應(yīng)用油氣田勘探，點(diǎn)距在1km左右，旨在查明大的地質(zhì)構(gòu)造特征.例如：盆-山耦合邊界，結(jié)晶基底埋深狀況，深大斷裂與斷裂帶的空間位置等.其解釋精度要求不高，偏移距產(chǎn)生的誤差影響不大.相對(duì)而言，金屬礦勘探目標(biāo)小，要求測(cè)點(diǎn)密，解釋精度高，EMAP偏移距的誤差影響變得相當(dāng)重要.顯然，采用大的偏移距勘探效率高，但精度低，而小的偏移距則相反.因此，深入了解密集電磁陣列(DEMAP)偏移距的誤差變化規(guī)律，是合理地兼顧勘探效率與精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)我國(guó)西部地區(qū)深部礦、隱伏礦勘探有著相當(dāng)重要的意義.

3 DEMAP 正演方法

為了推動(dòng)MT在深部找礦領(lǐng)域的發(fā)展，本文提出了密集電磁陣列剖面(DEMAP)測(cè)量方式.DEMAP實(shí)際是在EMAP基礎(chǔ)上，在電磁找礦精度要求下，電磁偏移距設(shè)定在30～200m之間的一種野外觀測(cè)方式.其接收機(jī)設(shè)計(jì)為7道，其中2道為磁道，5道為電道.DEMAP一臺(tái)接收機(jī)只測(cè)量中心點(diǎn)上兩個(gè)相互正交的水平磁場(chǎng)分量，和5個(gè)測(cè)點(diǎn)上沿DEMAP走向的電場(chǎng)分量.合成電阻率和相位時(shí)，每臺(tái)接收機(jī)遍布的5個(gè)測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)共享中心點(diǎn)的磁場(chǎng).與傳統(tǒng)的MT5分量單點(diǎn)測(cè)量相比，DEMAP法更適合在山區(qū)開(kāi)展勘探工作，并極大地提高了野外工作效率.DEMAP方法實(shí)質(zhì)上只是MT法在觀測(cè)方式上的一種革新，其正演完全可以應(yīng)用MT的方法.目前，3DMT正演常用的有有限差分法(FD)和積分方程法(IE).FD算法需要對(duì)地下整個(gè)半空間進(jìn)行單元剖分和求解，主要應(yīng)用大地構(gòu)造研究.因受計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)與時(shí)耗的制約，F(xiàn)D剖分難以做到精細(xì)化，其計(jì)算精度較低.IE算法則不同，它是在背景場(chǎng)的基礎(chǔ)上，求解局部異常體產(chǎn)生的散射場(chǎng)，只需對(duì)異常體的空間范圍進(jìn)行剖分，容易做到精細(xì)化，且計(jì)算精度較高.但I(xiàn)E很難用于復(fù)雜電性結(jié)構(gòu)的正演計(jì)算(Wannamakeretal.，1984).

3.1 積分方程(IE)法

根據(jù)IE理論，DEAMP感應(yīng)場(chǎng)與背景場(chǎng)和散射場(chǎng)的耦合方程為(Hohmann，1975)

(4)

將積分范圍V離散成N個(gè)單元(圖2)，耦合方程(4)可寫成：

(5)

其中，

(6)

從式(5)和(6)可以看出，只要求解出異常體上的散射電場(chǎng)，測(cè)點(diǎn)上感應(yīng)場(chǎng)可經(jīng)累加求和得到.

假設(shè)在每個(gè)單元內(nèi)散射場(chǎng)Ei相同，當(dāng)矢徑r位于第i個(gè)剖分單元上，則有：

(7)

經(jīng)簡(jiǎn)化，(7)式可寫成：

(8)

(9)

應(yīng)用LU分解，可很容易求解出各剖分單元上的散射電場(chǎng)Ei(i=1,2,3,…,N-1,N)，當(dāng)通過(guò)式(4)—(9)計(jì)算出感應(yīng)電場(chǎng)E(Ex,Ey,Ez)和感應(yīng)磁場(chǎng)H(Hx,Hy,Hz)后，可按測(cè)量點(diǎn)處剖面的走向，經(jīng)旋轉(zhuǎn)(剖面走向與NS的夾角)變換，得到DEMAP測(cè)量方式下的E∥和H∥與H⊥.從而，利用(1)—(3)式，計(jì)算出測(cè)點(diǎn)上的阻抗張量和視電阻率與相位.

圖2 3D積分范圍離散方式Fig.2 A 3D body divided into cubic cells

3.2 數(shù)值合成結(jié)果

圖3給出的是均勻半空間中賦存3D良導(dǎo)體的MT和DEMAP的視電阻率的結(jié)果.其中，圍巖與良導(dǎo)體的電阻率分別為1000 Ωm和10 Ωm，3D良導(dǎo)體空間范圍為：-4 km≤x≤4 km，-0.5 km≤y≤0.5 km，-0.2 km≤z≤0.3 km.在DEMAP視電阻率合成上，電場(chǎng)分量為Ex，一個(gè)MT臺(tái)站關(guān)聯(lián)5個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)距為50m.MT臺(tái)站設(shè)為中心點(diǎn)，DEMAP最大偏移距為100m.正演中使用38個(gè)頻點(diǎn)，所屬頻率范圍為8096～0.01Hz.從圖3給出的5個(gè)頻率切片看，MT與DEMAP在整體上，圖形形態(tài)與特征都高度一致.

圖4、圖5分別給出的是三層大地中賦存兩個(gè)良導(dǎo)體模型的視電阻率斷面和相位斷面.三層大地的電阻率和厚度分別為:ρ1=50 Ωm, ρ2=1000 Ωm,ρ3=100 Ωm;h1=0.02 km,h2=2 km.兩個(gè)良導(dǎo)體橫向上間隔0.5 km.其空間范圍分別為：

-4 km≤x≤4 km，-1.25 km≤y≤0.25 km，0.1 km≤z≤0.3 km；

-4 km≤x≤4 km，0.25 km≤y≤1.25 km，0.1 km≤z≤0.3 km.

類似地，在視電阻率和相位合成過(guò)程中，電場(chǎng)分量為Ex，點(diǎn)距50m.但一個(gè)MT臺(tái)站關(guān)聯(lián)測(cè)點(diǎn)分別為5個(gè)和9個(gè)，最大偏移距分別為100m和200m.從圖5a可以看出，在MT斷面上，橫向-1.5～1.5km、縱向320(102.5)Hz～10Hz界定的區(qū)域上，存在兩個(gè)以直線y=0為對(duì)稱軸的形似圓盤狀異常.在DEMAP最大偏移距為100 m的斷面上(見(jiàn)圖4b)，其圖形結(jié)構(gòu)與特征基本與MT一致，無(wú)論是異常范圍，還是異常形態(tài)與對(duì)稱性上都變化不大.但在DEMAP最大偏移距為200 m的斷面上(圖4c)，其圖形結(jié)構(gòu)和特征與MT相比卻發(fā)生了顯著變化.從圖4c中可以看出，左、右兩側(cè)異常范圍與形態(tài)發(fā)生了明顯的變化，整個(gè)圖形上已不在具有規(guī)則的對(duì)稱性.但對(duì)照?qǐng)D4a，圖4c整體反映出的電性結(jié)構(gòu)特征還是較為真實(shí)、客觀的.從圖5相位斷面圖上，我們能看到大致相同的變化規(guī)律.

為定量分析DEMAP偏移距誤差的特點(diǎn)，我們以單點(diǎn)測(cè)量的視電阻率值為參考來(lái)分析不同最大偏移距大小下視電阻率的畸變程度.我們統(tǒng)計(jì)了區(qū)域內(nèi)MT單點(diǎn)5分量測(cè)量方式(最大偏移距=0 m)和DEMAP兩種測(cè)量方式(最大偏移距等于100 m或者200 m)在405個(gè)測(cè)點(diǎn)上得到的38個(gè)頻點(diǎn)的視電阻率的相對(duì)誤差ERi為

圖3 頻率域視電阻率切片(a)MT；(b)DEMAP.Fig.3 Slices of apparent resistivityin frequent domain

圖4 視電阻率斷面(a)MT；(b)DEMAP(偏移距100 m)；c)DEMAP(偏移距200 m).Fig.4 Apparent resistivity pseudosections(a) MT; (b) DEMAP withoffset 100 m;(c) DEMAP with offset 200 m.

圖5 相位斷面(a)MT；(b)DEMAP(偏移距100 m)；c)DEMAP(偏移距200 m).Fig.5 Phase pseudosections(a) MT; (b) DEMAP with offset 100 m; (c) DEMAP with offset 200 m.

圖6 相對(duì)誤差曲線Fig.6 Curves of relative errors between MT and DEMAP

i=1,2,3,…,37,38，

(10)

其中，M代表頻率值，MTk為單點(diǎn)5分量測(cè)量下的視電阻率值，DEMAPk為DEMAP測(cè)量方式下的視電阻率值.

圖6給出的是相對(duì)誤差ERi(i=1,2,3…37,38)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果曲線.相對(duì)誤差的最大值出現(xiàn)在64 Hz附近，最大值分別為2.7%(最大偏移距=100 m)和5.0%(最大偏移距=200 m).曲線在8192～64 Hz頻段上，誤差值隨頻率下降單調(diào)增大；而在64～0.01 Hz頻段上，則相反.這一變化規(guī)律是由電磁頻率測(cè)深性質(zhì)所決定的.首先，頻率在8196～10240 Hz時(shí)，其探測(cè)深度較淺，受異常體作用影響小，感應(yīng)電磁場(chǎng)反映的是表層(相當(dāng)于均勻半空間)響應(yīng)，地表上H∥和H⊥近似處處相同，偏移距誤差小(ERi<1.0%).當(dāng)頻率從1024 Hz向64 H變化過(guò)程中，異常體的作用影響逐漸顯現(xiàn)，H∥和H⊥不在處處相同，偏移距誤差不斷增大，并在64Hz附近，ERi達(dá)到最大值.類似地，隨頻率從64 Hz向0.01 Hz變化，其探測(cè)深度范圍不斷擴(kuò)大，感應(yīng)電磁場(chǎng)中異常體作用影響成份相應(yīng)降低，偏移距誤差隨之減小.特別是，當(dāng)頻率達(dá)到0.1～0.01 Hz時(shí)，其探測(cè)深度遠(yuǎn)大于異常體的作用影響范圍，感應(yīng)電磁場(chǎng)基本上轉(zhuǎn)變成層狀大地模型的響應(yīng)，地表上H∥和H⊥變得幾乎處處相同，致使偏移距誤差ERi≈0.ERi曲線分布狀況表明，異常體產(chǎn)生的散射場(chǎng)是造成DEMAP偏移距誤差的根源.這里值得指出的是，對(duì)于層狀大地來(lái)講，地表上H∥和H⊥是處處相同的，不會(huì)因?yàn)镋MAP多測(cè)點(diǎn)共用一個(gè)MT臺(tái)站的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生偏移距誤差.因此，在沉積盆地(近似層狀大地)油氣勘探方面EMAP優(yōu)勢(shì)明顯，不會(huì)受到偏移距誤差的影響.

4 野外試驗(yàn)結(jié)果

為了檢驗(yàn)DEMAP的結(jié)果，我們?cè)谇嗪Ｊ∫榜R泉鐵鋅礦集區(qū)進(jìn)行了MT與DEMAP的野外觀測(cè)實(shí)驗(yàn).沿NS向布設(shè)了兩條剖面，測(cè)線長(zhǎng)度1.4km，線距0.2km.在DEMAP測(cè)量工作中，使用MT-5A儀器一臺(tái)，四臺(tái)電場(chǎng)測(cè)量?jī)x，DEMAP電場(chǎng)測(cè)量為Ex分量.一個(gè)排列5個(gè)測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)距為100 m，MT臺(tái)站布設(shè)在中心點(diǎn)上，DEMAP最大偏移距為200 m.圖7a用星號(hào)標(biāo)志了測(cè)區(qū)位置(圖書館借閱)，圖7b給出了兩條測(cè)線測(cè)點(diǎn)的分布.

實(shí)驗(yàn)區(qū)域位于山前盆地，地表為第四紀(jì)泥砂沉積，地形平坦，人為電磁噪聲干擾小，有利于MT和DEMAP觀測(cè)實(shí)驗(yàn).我們?cè)?024～1 Hz的頻段上采集到了非常好的觀測(cè)資料.

圖8是第一線(L01)和第二線(L02) MT與DEMAP視電阻率和相位對(duì)比結(jié)果.從視電阻率和相位擬斷面圖中我們可以看到，兩種方法在視電阻率擬斷面圖上吻和得較好.兩條測(cè)線上都表現(xiàn)出南端(S)為高阻、北端(N)為低阻的構(gòu)造格局.相對(duì)而言，MT給出的電性結(jié)構(gòu)特征更加精細(xì).例如：在L01和L02上橫坐標(biāo)600～700 m之間，MT視電阻率圖上，都有一個(gè)明顯的低阻異常體.此外，在L01的MT視電阻率斷面上，南端高阻區(qū)呈現(xiàn)出一定的非連通性，兩個(gè)高阻異常(體)被分割開(kāi).但在L01的DEMAP斷面上卻表現(xiàn)出連通性.同時(shí)，在L01相位斷面上，MT地表有小的局部異常，但DEMAP斷面圖上并未反映出來(lái).這也充分說(shuō)明DEMAP對(duì)地表小的局部異常(體)有一定的壓制作用.從L01與L02結(jié)果對(duì)比來(lái)看，L02的MT與DEMAP結(jié)果吻合度要好于L01.圖(9)給出的是L01和L02的ERi分布曲線.從圖9可以看出，偏移距的擴(kuò)大，會(huì)導(dǎo)致ERi的整體抬升，頻率<10 Hz時(shí)，電磁信號(hào)較弱，相對(duì)誤差較大，并且形態(tài)不規(guī)則，但ERi大小被控制在≤15%左右.

圖7 (a)為測(cè)區(qū)位置圖，(b)為測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.7 (a) Location of the survey area; (b) Distribution of measurement sites

圖8 測(cè)線1和測(cè)線2 MT，DEMAP視電阻率、相位擬斷面對(duì)比其中a,b分別代表 MT和DEMAP;1,2分別代表視電阻率和相位.Fig.8 Comparison of resistivity and phase pseudosections.(a) AMT; (b) DEMAP; (1) Apparent resistivity; (2) Phase.

圖9 MT與DEMAP相對(duì)誤差曲線Fig.9 Curves of relative errors between MT with DEMAP

實(shí)驗(yàn)所得的ERi結(jié)果較數(shù)值仿真得出的ERi(≤10%)要大一些.其原因在于，數(shù)值仿真的ERi主要是偏移距誤差，但實(shí)驗(yàn)ERi除包括偏移距誤差外，還有觀測(cè)產(chǎn)生的隨機(jī)誤差.

5 結(jié)論

本文通過(guò)3D IE算法，揭示了層狀介質(zhì)中賦存3D良導(dǎo)體的DEMAP視電阻率和相位隨偏移距變化規(guī)律.在最大偏移距為100 m的條件下，DEMAP視電阻率斷面和相位斷面與MT的結(jié)果高度一致，指示出其具有較高的勘探精度，在精細(xì)找礦勘探上很有發(fā)展?jié)摿?青海野馬泉礦集區(qū)的MT與DEMAP觀測(cè)實(shí)驗(yàn)證明，即使在DEMAP最大偏移距為200 m的條件下，MT與DEMAP的結(jié)果也吻合度極高.因此，在一般找礦普查中，采用適當(dāng)增大DEMAP偏移距的方法，能在保障普查精度要求的前提下，能經(jīng)濟(jì)、快速地實(shí)現(xiàn)野外勘探.

Cao Z Q, Shen X H, Yan Y L, et al. 2010. The study of magnetotelluric sounding on Qushui-Duodi profile in Lhasa Basin.ChineseJ.Geophys. (in Chinese), 53(5): 1173-1178.

Chen L S, Booker J R, Jones A G, et al. 1996. Electrically conductivity crust in southern Tibet from INDEPTH magnetotelluric surveying.Science, 274(5293): 1694-1696.

Deng Q H, Sun J, Wang J J, et al. 1998. Electromagnetic array profiling-magnetotelluric joint measurement and data interpretation.SeismologyandGeology(in Chinese), 20(3):250-253.

Hohmann G W. 1975. Three-dimensional induced polarization and electromagnetic modeling.Geophysics, 40(2): 309-324.

Li S H, Unsworth M J, Booker J R, et al. 2003. Partial melt or aqueous fluid in the mid-crust of Southern Tibet? Constraints from INDEPTH magnetotelluric data.Geophys.J.Int., 153(2): 289-304.

Ma X B, Kong X R, Yu S. 1996. The result of Magnetotelluric sounding in the western of Tibet plateau.ChineseScienceBulletin(in Chinese), 42: 1185-1187.

Ma X B, Kong X R, Liu H B, et al. 2005. The electrical structure of northeastern Qinghai-Tibet plateau.ChineseJ.Geophys. (in Chinese), 48(3): 689-697.

Shi Y J, Liu G D, Wu G Y, et al. 1985. Magnetotelluric Sounding Method Tutorial (in Chinese). Beijing: Seismological Press.

Sun W B, Zhang C J, Yuan Z N. 2001. Application ofCEMP to exploration for Paleo-buried-mountain structures.SeismologyandGeology(in Chinese), 23(2): 207-211.

Tang J, Zhan Y, Zhao G Z, et al. 2005. Electrical conductivity structure of the crust and upper mantle in the northeastern margin of the Qinghai-Tibet plateau along the profile Maqen-Lanzhou-Jingbian.ChineseJ.Geophys. (in Chinese), 48(5): 1205-1216.

Teng J W, Yang L J, Yao Z Q, et al. 2007. Deep discover ore、exploration and exploitation for mental mineral resources and its deep dynamical process of formation.ProgressinGeophysics(in Chinese), 22(2): 319-326.

Torres-Verdin C,Bostick F X. 1992. Principles of spatial surface electric field filtering in magnetotellurics: Electromagnetic array profiling (EMAP).Geophysics, 57(4): 603-622.

UnsworthM J, Jones A G, Wei W B, et al. 2005. Crustal rheology of the Himalaya and southern Tibet inferred fronmagnetotelluric data.Nature, 438(7064): 78-81.

Wang J Y. 1990. The basic principle of the electromagnetic array profiling.EarthScience-JournalofChinaUniversityofGeosciences(in Chinese), 15(Suppl): 1-11.

Wannamaker P E,Hohman G W, SanFilipo W A. 1984. Electromagnetic modeling of three dimensional bodies in layered earths using integral equations.Geophysics, 49(1): 60-74.

Wei W B, Unsworth M, Jones A, et al. 2001. Detecting of widespread fluids in the Tibetan crust by magnetotelluric studies.Science, 292(5517): 716-719.

Yan J Y, Teng J W, Lü Q T. 2008. Geophysical exploration and application of deep metallic ore resources.ProgressinGeophysics(in Chinese), 23(3): 871-891.

Yan S,Chen M S. 1996. Static offset and correction in frequency domain electromagnetic sounding.OilGeophysicalProspecting(in Chinese),31(2): 238-247.

Yang S. 2004. The study of restraining environmental noise and its application in Magnetotelluricsounding(in Chinese)[Ph. D. thesis]. Changsha: Central South University.

Yang Z M, Hou Z Q, Song Y C, et al. 2008. Qulongsuperlarge porphyry Cu deposit in Tibet: Geology, alteration and mineralization.MineralDeposits(in Chinese), 27(3): 279-317.

Yao P, Wang Q H, Li J G. 2002. Ore and ore resource prospects of the Jiama-Qulong ore concentration area, Tibet.GeologyinChina(in Chinese), 29(2): 197-202.

Zhao G Z, Tang J, Zhan Y, et al. 2004. Research on the relationship between the crustal deformation and electrical structure in the northeastern margin of Tibetan Plateau.ScienceinChina(SeriesD:EarthSciences) (in Chinese), 34(10): 908-918.

Zhdanov M S. 2010. Electromagnetic geophysics: Notes from the past and the road ahead.Geophysics, 75(5): 75A49-75A66.

Zheng L,Jia J D,Xu Z Q. 1998. The application results of electro-magnetic array profiling in LiupanMountain basin.OilGeophysicalProspecting(in Chinese), 33(5): 616-624.

Zheng W B, Chen Y C, Song X, et al. 2010. Element distribution of Jiama copper-polymetallic deposit in Tibet and its geological significance.MineralDeposits(in Chinese), 29(5): 775-784.

附中文參考文獻(xiàn)

曹忠權(quán), 申旭輝, 閆永利等. 2010. 拉薩盆地曲水-奪底剖面大地電磁測(cè)深研究. 地球物理學(xué)報(bào), 53(5): 1173-1178.

鄧前輝, 孫潔, 王繼軍等. 1998. 電磁陣列剖面法-電磁電磁聯(lián)合測(cè)量及其資料處理. 地震地質(zhì), 20(3): 250-253.

馬曉冰, 孔祥儒, 于晟. 1996. 青藏高原西部大地電磁測(cè)深探測(cè)結(jié)果. 科學(xué)通報(bào), 42(11): 1185-1187.

馬曉冰, 孔祥儒, 劉宏兵等. 2005. 青藏高原東北部地區(qū)地殼電性結(jié)構(gòu)特征. 地球物理學(xué)報(bào), 48(3): 689-697.

石應(yīng)駿, 劉國(guó)棟, 吳廣耀等. 1985. 大地電磁測(cè)深法教程. 北京: 地震出版社.

孫衛(wèi)斌, 張長(zhǎng)江, 員智能. 2001. 連續(xù)電磁剖面法在古潛山構(gòu)造勘探中的應(yīng)用. 地震地質(zhì), 23(2): 207-211.

湯吉, 詹艷, 趙國(guó)澤等. 2005. 青藏高原東北緣瑪沁—蘭州—靖邊剖面地殼上地幔電性結(jié)構(gòu)研究. 地球物理學(xué)報(bào), 48(5): 1205-1216.

滕吉文, 楊立軍, 姚振全等. 2007. 金屬礦產(chǎn)資源的深部找礦、勘探與成礦的深層動(dòng)力過(guò)程. 地球物理學(xué)進(jìn)展, 22(2): 319-326.

王家映. 1990.電磁陣列剖面法的基本原理. 地球科學(xué)-中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào), 15(增刊): 1-11.

嚴(yán)加永, 滕吉文, 呂慶田. 2008. 深部金屬礦產(chǎn)資源地球物理勘查與應(yīng)用. 地球物理學(xué)進(jìn)展, 23(3): 871-891.

閻述, 陳明生. 1996. 頻率域電磁測(cè)深的靜態(tài)偏移及校正方法. 石油地球物理勘探, 31(2): 238-247.

楊生. 2004. 大地電磁測(cè)深法環(huán)境噪聲抑制研究及其應(yīng)用[博士論文]. 長(zhǎng)沙: 中南大學(xué).

楊志明, 侯增謙, 宋玉財(cái)?shù)? 2008. 西藏驅(qū)龍超大型斑巖銅礦床: 地質(zhì)、蝕變與成礦. 礦床地質(zhì), 27(3): 279-317.

姚鵬, 王全海, 李金高. 2002. 西藏甲馬-驅(qū)龍礦集區(qū)成礦遠(yuǎn)景. 中國(guó)地質(zhì), 29(2): 197-202.

趙國(guó)澤, 湯吉, 詹艷等. 2004. 青藏高原東北緣地殼電性結(jié)構(gòu)和地塊變形關(guān)系的研究. 中國(guó)科學(xué)(D輯: 地球科學(xué)), 34(10): 908-918.

鄭莉, 賈進(jìn)斗, 徐志強(qiáng). 1998. 電磁陣列剖面法在六盤山盆地的應(yīng)用效果. 石油地球物理探, 33(5): 616-624.

鄭文寶, 陳毓川, 宋鑫等. 2010. 西藏甲瑪銅多金屬礦元素分布規(guī)律及地質(zhì)意義. 礦床地質(zhì), 29(5): 775-784.

(本文編輯 張正峰)

3D DEMAP numerical simulation and comparative measurement in the field

TANG Jing1,2， LIU Fu-Bo3， WANG Xian-Xiang2， YAN Yong-Li2, MA Xiao-Bing2

1UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China2InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofsciences，Beijing100029，China3InstituteofElectronics,ChineseAcademyofsciences，Beijing100190，China

In order better to develop the electromagnetic array profiling (EMAP) method for prospecting metallic ores, we studied the dense EMAP measurement by theoretical simulation and field experiments.We carried out numerical simulation for the models of 3D bodies embedded in layered-earth on a dense EMAP way and conventional 5-component measuring way using the method of integral equations to compare the anomalis of phase and apparent resistivity, and conducted on DEMAP as well as MT field observations in the western Yemaquan mine of Qinghai Province. We also applied a statistic method to analyze the anomalies.Simulation results indicate that distortion of impedance is related to offset and underground electrical structures, and is less than 10%. The observation results show DEMAP resistivity cross-sections or DEMAP phase cross-sections are in good agreement with those of MT.Numerical simulation and field observations indicate that DEMAP is a potential, economical, fast and effective tool for exploration of metallic ores.

Dense electromagnetic array profiling； Integral equation method； Offset； Statistics error

10.6038/cjg20150624.Tang J, Liu F B, Wang X X, et al. 2015. 3D DEMAP numerical simulation and comparative measurement in the field.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(6):2103-2111,doi:10.6038/cjg20150624.

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金(41074079和41274081)資助.

唐靜，1988年生，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榇蟮仉姶艛?shù)據(jù)處理. E-mail:tjgucas@163.com

10.6038/cjg20150624

P631

2014-01-14，2014-08-19收修定稿

唐靜， 劉富波， 王顯祥等.2015. 3D DEMAP 數(shù)值模擬與觀測(cè)實(shí)驗(yàn).地球物理學(xué)報(bào)，58(6):2103-2111,