孟慶奎，林品榮，李 勇，李建華，朱宏偉，李 蕩

1.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 10083 2.中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000

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張量CSAMT數(shù)據(jù)處理技術(shù)初步研究與示范應(yīng)用

孟慶奎1，林品榮2，李 勇2，李建華2，朱宏偉1，李 蕩2

1.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 10083 2.中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000

面對(duì)大深度和三維探測(cè)，標(biāo)量CSAMT(controlled source audio-frequency magnetotellurics)已顯力不從心，而張量CSAMT正逐漸成為研究熱點(diǎn)。在前人研究基礎(chǔ)上，筆者就張量CSAMT數(shù)據(jù)處理方面提出Mohr圓分析和傳統(tǒng)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)兩種處理技術(shù)，并首次創(chuàng)新性地使用我國自主研發(fā)的綜合電法儀開展了張量CSAMT示范應(yīng)用。結(jié)果表明：Mohr圓分析和傳統(tǒng)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)法相結(jié)合應(yīng)用效果良好，可定性挖掘地下地質(zhì)體的縱向和橫向構(gòu)造特征，主軸方位的視電阻率和阻抗相位與目標(biāo)體對(duì)應(yīng)良好，并且電阻率反演結(jié)果與鉆孔等地質(zhì)資料綜合分析對(duì)建立試驗(yàn)區(qū)的地質(zhì)地球物理模型是有益的。

張量CSAMT；坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)；Mohr圓；示范應(yīng)用

0 引言

在音頻大地電磁/大地電磁(AMT/MT)和標(biāo)量可控源音頻大地電磁(標(biāo)量CSAMT)的理論基礎(chǔ)之上，張量可控源音頻大地電磁(張量CSAMT)法得以逐步發(fā)展。20世紀(jì)50年代初，基于天然源平面電磁波垂直入射大地及其趨膚效應(yīng)原理，前蘇聯(lián)的Tichonov和法國的Cagniard提出了大地電磁法。70年代初，加拿大多倫多大學(xué)Strangberg教授和他的研究生Goldstein提出了加載人工源的音頻大地電磁法(CSAMT)[1-4]。自此，CSAMT得到了長(zhǎng)足發(fā)展和廣泛應(yīng)用，并多集中于標(biāo)量測(cè)量方法和處理技術(shù)；然而直到目前，國內(nèi)外仍鮮有關(guān)于張量CSAMT的研究報(bào)道。大深度和三維探測(cè)已成大勢(shì)所趨[5-12]，張量CSAMT作為一種探測(cè)地質(zhì)信息的有效手段，正逐步引起國內(nèi)外專家學(xué)者的重視。其中具有代表性的為L(zhǎng)i等[13-16]的“張量可控源大地電磁法”，給出了該方法的定義，詳細(xì)說明了可控電偶源阻抗張量和傾子向量的推導(dǎo)過程，并最終得出了結(jié)果表達(dá)式。Boerner 和Wright[17]將張量CSAMT運(yùn)用于紐芬蘭中部布切恩斯礦山的勘探中，取得了顯著的效果。2011年，德國Metronix地球物理研究所Bernhard Friedrichs教授[18]率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成功研制了世界上第一套可實(shí)用化開展張量CSAMT測(cè)量的綜合電磁法儀(GMS-07e)，并詳細(xì)介紹了其在探測(cè)金屬硫化物礦產(chǎn)中的應(yīng)用。從此揭開了張量CSAMT發(fā)展新篇章。本文通過Mohr圓分析和傳統(tǒng)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)兩種處理方法，對(duì)張量CSAMT數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行了初步研究。

1 張量CSAMT數(shù)據(jù)處理技術(shù)

針對(duì)張量CSAMT的信號(hào)特點(diǎn)，基于現(xiàn)已成熟的MT，本文圍繞以下兩種方法——坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)法和Mohr圓分析法，對(duì)張量CSAMT數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1.1 坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)法

在坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)過程中，阻抗張量元素的變換關(guān)系如下：

(1)

式中：Zij和Zij(θ)(i,j=x,y)分別為坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)前和旋轉(zhuǎn)后的阻抗張量元素，阻抗張量元素有其明確的物理意義，Zij表示在場(chǎng)源作用下，i方向產(chǎn)生的電場(chǎng)分量加權(quán)線性疊加結(jié)果和j方向產(chǎn)生的磁場(chǎng)分量加權(quán)線性疊加結(jié)果的比值；θ為坐標(biāo)系順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度。式(1)展開如下：

(2)

其中：

(3)

根據(jù)主軸上阻抗張量元素所具有的特點(diǎn)，借助解析法可得主軸方位為

tg4θ0=

(4)

式中：θ0為主軸方位；*表示相應(yīng)量的共軛復(fù)數(shù)。

據(jù)式(4)求出主軸方位之后，可分別得到主軸上的波阻抗、視電阻率和阻抗相位：

(5)

(6)

(7)

式中：ZTM、ZTE分別為TM和TE模式下的波阻抗；ρxy、ρyx分別為TM和TE模式下的視電阻率；φxy、φyx分別為TM和TE模式下的阻抗相位；T為周期；imag和real分別為取虛部和取實(shí)部函數(shù)。

引用MT中兩個(gè)常用的判別參數(shù)二維偏離度和橢率對(duì)地下異常體進(jìn)行維度判定。

①二維偏離度

MT中定義的二維偏離度S如下：

(8)

由于式(8)中分母、分子都與坐標(biāo)方位無關(guān)，所以可用其表達(dá)地電結(jié)構(gòu)的特征。鑒于在二維介質(zhì)中S=0，三維介質(zhì)中S>0;故S值越小，其體現(xiàn)的異常體的二維性越明顯。一般地，當(dāng)S≤0.5時(shí)，可認(rèn)為其近似是二維的。

②橢率

阻抗張量元素在復(fù)平面內(nèi)，對(duì)于三維介質(zhì)的情況，其隨著θ角變化的軌跡為橢圓；對(duì)于二維介質(zhì)，相應(yīng)的橢圓退化為直線；對(duì)于一維介質(zhì)，相應(yīng)的直線退化為點(diǎn)。橢圓函數(shù)在復(fù)平面上短軸B和長(zhǎng)軸A之比稱為橢率β。當(dāng)β=1時(shí)，地下異常體是等軸狀三維構(gòu)造；當(dāng)β由1逐漸變?yōu)?時(shí)，地下異常體由等軸狀三維構(gòu)造逐漸演變?yōu)槎S構(gòu)造。

1.2 Mohr圓分析法

Mohr圓可將MT阻抗張量不變量有機(jī)地結(jié)合在一起，因?yàn)镸T阻抗張量不變量具有信息的多樣性和穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，所以采用Mohr圓作為研究MT阻抗張量性質(zhì)的圖示工具，能夠簡(jiǎn)便、直觀地得到二維偏離度和各向異性等重要信息，可為研究地電結(jié)構(gòu)橫向和縱向的變化提供便利[19-21]。

然而，在礦山、城市附近等地區(qū)很難有效地應(yīng)用Mohr圓分析法，因?yàn)镸T使用天然場(chǎng)源，信號(hào)微弱，易受人為噪聲干擾。而張量CSAMT采用的是人工場(chǎng)源，可有效提高信噪比，引入Mohr圓分析法，可為地下地質(zhì)構(gòu)造解釋提供有效依據(jù)。

測(cè)量軸的阻抗張量為Z，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ角后變?yōu)閆′，將式(2)中第一項(xiàng)整理如下：

(9)

令

(10)

則

(11)

式中：

(12)

統(tǒng)一對(duì)其他分量進(jìn)行上述變換，結(jié)果列舉如下：

(13)

(14)

半徑為

(15)

圖1 第一類實(shí)部Mohr圓圖示Fig.1 Real part Mohr circle of the first kind

當(dāng)圓心C偏離橫軸時(shí)，體現(xiàn)地下構(gòu)造的三維性，且偏離橫軸愈遠(yuǎn)，三維性愈強(qiáng)；當(dāng)圓心C在橫軸上且Mohr圓半徑不為0時(shí)，則地下構(gòu)造是二維的；當(dāng)Mohr圓退化為橫軸上的點(diǎn)時(shí)，地下構(gòu)造為一維情形。

依據(jù)式(14)和式(15)繪制的Mohr圓可作為一種有效的圖示分析工具，用來研究阻抗張量不變量的性質(zhì)。就單個(gè)測(cè)點(diǎn)而言，據(jù)不同頻率(f)得到的Mohr圓，可分析地下構(gòu)造的縱向變化特征。就整條剖面而言，按上述方式畫出所有測(cè)點(diǎn)的Mohr圓，再對(duì)比測(cè)點(diǎn)間相同頻率Mohr圓的位置和形態(tài)，可討論地下構(gòu)造的橫向變化特征。

2 張量CSAMT在新疆某礦區(qū)的應(yīng)用示范

圖2 試驗(yàn)區(qū)及鄰區(qū)地質(zhì)圖Fig.2 Geologic map of experiment and nearby area

試驗(yàn)區(qū)位于新疆中天山地塊(Ⅱ級(jí))東南緣。區(qū)內(nèi)出露的主要地層為中元古界的中、深變質(zhì)巖和上古生界的火山熔巖及火山碎屑巖。研究區(qū)中部偏東存在一斷裂F4，近似弧形展布，出露長(zhǎng)度大于8 km，整體走向約60°，航片可見明顯線性構(gòu)造，產(chǎn)狀向北西陡傾。此條斷裂為含礦基性-超基性巖漿提供上升通道，是研究區(qū)內(nèi)最主要的導(dǎo)巖和容礦構(gòu)造。斷裂北側(cè)普遍存在一套片理化的云母斜長(zhǎng)片巖和變粒巖系，以及一套糜棱巖化的花崗質(zhì)巖系，后者中存在若干含銅鎳雜巖體。本次張量CSAMT針對(duì)∑19號(hào)雜巖體開展采集工作，該雜巖體出露于相對(duì)低洼地帶，呈長(zhǎng)方形展布，總體走向約80°，出露地表長(zhǎng)度約300 m，寬度為10～150 m。雜巖體產(chǎn)狀變化較大，北緣向南陡傾，南緣向北陡傾，傾角約85°～88°。經(jīng)鉆孔驗(yàn)證雜巖體呈巖墻產(chǎn)出，其北側(cè)圍巖為糜棱巖化花崗巖，南側(cè)為片麻狀花崗巖。雜巖體淺部具全巖蝕變，深部與圍巖接觸的橄欖巖具弱礦化，部分可達(dá)邊界品位。試驗(yàn)區(qū)及鄰區(qū)地質(zhì)狀況如圖2所示。

表1為測(cè)定的巖(礦)電性參數(shù)統(tǒng)計(jì)。區(qū)內(nèi)超基性巖相對(duì)電阻率一般為87～1 857 Ω·m，異常段極化率值一般為1.05%～1.41%，最高可達(dá)2.74%，呈低阻高極化特征；輝長(zhǎng)巖、片巖、花崗巖等均呈高阻低極化特征。

表1 巖(礦)石電性參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.1 工作部署及參數(shù)設(shè)置

試驗(yàn)區(qū)張量CSAMT法工作布置見圖3。張量CSAMT測(cè)線長(zhǎng)度為600 m。為使測(cè)區(qū)測(cè)點(diǎn)接收到最強(qiáng)的張量CSAMT電磁場(chǎng)信號(hào)，供電點(diǎn)A、B和C的位置選擇滿足理論要求。

圖3 試驗(yàn)區(qū)張量CSAMT工作布置圖Fig.3 Layout of tensor CSAMT in experiment area

圖4 張量CSAMT工作裝置示意圖Fig.4 Tensor CSAMT working device schematic diagram

張量CSAMT供電與接收裝置見圖4。發(fā)射端采用“L”型源，供電電極AB平行于測(cè)線，垂直于供電電極BC；接收端采用十字型，M1N1沿測(cè)線布置，M2N2垂直于測(cè)線布置。各參數(shù)設(shè)置見表2。

2.2 阻抗張量不變量及Mohr圓結(jié)果分析

用阻抗張量不變量實(shí)部繪制的各測(cè)點(diǎn)(214--270)Mohr圓如圖5所示。分析圖5可知，測(cè)點(diǎn)218、222所有頻點(diǎn)的Mohr圓圓心均較遠(yuǎn)地偏離直線Zxxr=0，表明這兩個(gè)測(cè)點(diǎn)附近的地下電性結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的三維性； 而其他測(cè)點(diǎn)的Mohr圓圓心都落在直線Zxxr=0附近，表明這些測(cè)點(diǎn)附近的地下電性結(jié)構(gòu)趨于二維構(gòu)造。該推斷與下述傳統(tǒng)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)法的分析結(jié)果相符。 214、 218、 222、 230 等測(cè)點(diǎn)的Mohr圓半徑明顯比其他測(cè)點(diǎn)的更大，可判斷其各

向異性程度更為強(qiáng)烈。就單個(gè)測(cè)點(diǎn)而言，Mohr圓半徑總是隨頻率的減小而減小，可推斷測(cè)區(qū)內(nèi)各項(xiàng)異性程度于淺部較大、而深部較小，這體現(xiàn)了近地表巖體，特別是雜巖體上部呈全巖蝕變的地質(zhì)現(xiàn)象。在∑19號(hào)雜巖體的中心地段，242測(cè)點(diǎn)各頻點(diǎn)的Mohr圓圓心幾近重合，這與它附近測(cè)點(diǎn)的Mohr圓形態(tài)存在顯著差別，且238測(cè)點(diǎn)和246測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的Mohr圓以242測(cè)點(diǎn)呈對(duì)稱分布，該現(xiàn)象有待進(jìn)一步研究。

2.3 坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)法結(jié)果分析

主軸方位的視電阻率和阻抗相位擬合斷面如圖6a,b所示。分析圖6a,b可知：238測(cè)點(diǎn)至250測(cè)點(diǎn)呈低阻高相位特征，對(duì)比地質(zhì)剖面草圖(圖6c)可知，該段恰好為∑19號(hào)雜巖體主體地段，特別在242測(cè)點(diǎn)附近視電阻率達(dá)100 Ω·m，阻抗相位達(dá)45°。而據(jù)表1可知，雜巖體中輝長(zhǎng)巖呈高值電阻率特性，而這一特性已被完全掩蓋，故可推測(cè)雜巖體內(nèi)部存在銅鎳礦的可能性極大。目前，這一推測(cè)已由ZK7-1號(hào)垂直鉆孔資料所證實(shí)。雜巖體南側(cè)254測(cè)點(diǎn)附近呈較低視電阻率、較高阻抗相位特性，體現(xiàn)了雜巖體與圍巖接觸帶處的礦化蝕變現(xiàn)象；266測(cè)點(diǎn)附近也呈較低視電阻率、較高阻抗相位特性，推斷為糜棱巖化花崗巖弱礦化所致；據(jù)視電阻率擬斷面圖推斷，∑19號(hào)雜巖體產(chǎn)狀近于直立，這與已知的地質(zhì)資料相吻合。

通過對(duì)214--270各測(cè)點(diǎn)二維偏離度曲線的分析，可知218、222、230三個(gè)測(cè)點(diǎn)的二維偏離度數(shù)值較大，而其他測(cè)點(diǎn)的二維偏離度均小于0.5，據(jù)此推測(cè)小號(hào)測(cè)點(diǎn)附近地下介質(zhì)主要呈三維構(gòu)造，測(cè)線中部和大號(hào)測(cè)點(diǎn)附近地下介質(zhì)主要呈二維構(gòu)造。再對(duì)214--270各測(cè)點(diǎn)主軸方位曲線分析，可知所有測(cè)點(diǎn)的主軸方位均為-10°～10°，據(jù)此推斷地下介質(zhì)的主軸方位與測(cè)線方向大體相同，以上推斷符合并豐富了已知地質(zhì)資料。

表2 張量CSAMT工作參數(shù)設(shè)置

圖5 實(shí)部Mohr圓圖示Fig.5 Real part Mohr circle

a.視電阻率擬斷面圖 ；b.阻抗相位擬斷面圖；c.地質(zhì)剖面草圖。圖6 張量CSAMT成果圖Fig.6 Result of tensor CSAMT

圖7 二維反演電阻率與鉆孔資料對(duì)比效果圖Fig.7 Contrast effect of two dimensional inversion resistivity and borehole data

2.4 數(shù)據(jù)反演與綜合解釋

從上述兩種方法的定性分析，可初步了解∑19號(hào)雜巖體及附近地質(zhì)體的電性分布及構(gòu)造特征，對(duì)研究區(qū)的整體把握是有益的。為進(jìn)一步挖掘有用信息，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了二維反演，并與已知的鉆孔資料對(duì)比分析(圖7)。據(jù)鉆孔資料分析得知：該雜巖體為向北西向側(cè)伏的基性--超基性巖體，巖體在側(cè)伏向上巖相分帶明顯，從上到下依次為輝長(zhǎng)巖、輝石巖、橄輝巖和橄欖巖相；礦區(qū)內(nèi)已開采銅鎳礦與該礦特征十分相似，見上下兩個(gè)鎳礦體(圖7)，同時(shí)鎳礦體有變厚變富的趨勢(shì)。據(jù)反演結(jié)果可知：雜巖體與圍巖界限明顯，地表附近輝長(zhǎng)巖體成薄層狀；242測(cè)點(diǎn)處的低阻異常與上部銅鎳礦體對(duì)應(yīng)良好，可圈定礦體具體分布范圍；下部銅鎳礦體位于片麻狀花崗巖與橄欖巖、輝橄巖接觸帶部位，據(jù)此可推測(cè)，低阻和高阻過渡帶也是不可忽視的找礦有利地段。

3 結(jié)論

1)本文開展的張量CSAMT數(shù)據(jù)處理技術(shù)初步研究與應(yīng)用示范，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到測(cè)量軸的阻抗張量元素，進(jìn)而從坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和Mohr圓兩個(gè)方面展開分析，完成了相關(guān)公式的推導(dǎo)并采用Fortran語言編程實(shí)現(xiàn)。

2)基于本文提出的張量CSAMT數(shù)據(jù)處理技術(shù)，首次使用我國自主研發(fā)的DEM電磁探測(cè)系統(tǒng)開展張量CSAMT示范研究，對(duì)國產(chǎn)儀器性能的完善和應(yīng)用推廣起到一定的積極作用。

3)Mohr圓分析法和傳統(tǒng)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)法在新疆某礦區(qū)的應(yīng)用效果顯著：測(cè)區(qū)內(nèi)各項(xiàng)異性程度于淺部較大，而深部較小，這體現(xiàn)了近地表巖體、特別是雜巖體上部呈全巖蝕變的地質(zhì)現(xiàn)象；推測(cè)小號(hào)測(cè)點(diǎn)附近地下介質(zhì)主要呈三維構(gòu)造，測(cè)線中部和大號(hào)測(cè)點(diǎn)附近地下介質(zhì)主要呈二維構(gòu)造；推斷雜巖體內(nèi)部存在銅鎳礦的可能性極大，該推測(cè)已由鉆孔資料證實(shí)。

4)對(duì)比分析了二維電阻率反演結(jié)果與鉆孔等地質(zhì)資料，對(duì)礦區(qū)建立相應(yīng)的地質(zhì)地球物理找礦模型是有益的。

5)本文僅對(duì)張量CSAMT數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行了初步研究和應(yīng)用示范，今后在大數(shù)據(jù)和多參量的定量反演和成果解釋方面將做更多的嘗試和研究工作。

本文實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)由中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所電磁綜合研究室陣列電磁法項(xiàng)目組采集并提供,在此表示誠摯的謝意！

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Preliminary Study and Demonstration of Tensor CSAMT Data Processing Technology

Meng Qingkui1, Lin Pinrong2, Li Yong2, Li Jianhua2, Zhu Hongwei1, Li Dang2

1.ChinaAeroGeophysicalSurveyandRemoteSensingCenterforLandandResources,Beijing100083,China2.InstituteofGeophysicalandGeochemicalExploration,ChineseAcademyofGeologicalScience,Langfang065000,Hebei,China

Scalar CASMT is inadequate to the face of great depth and three-dimensional detection; while tensor CSAMT is becoming a research focus. On the basis of previous studies, two kinds of tensor CSAMT processing technologies are proposed; which are Mohr analysis and the traditional coordinate rotation. By innovative use of the integrated electrical instruments developed in China for the first time, we demonstrate the application of tensor CSAMT. The results show that through Mohr analysis and traditional coordinate rotation, the vertical and horizontal structure of underground geological bodies can be qualitatively analyzed; apparent resistivity and impedance phase in principal axis orientation correspond with the targets; and the comprehensive analysis of resistivity inversion and drilling information are profitable for the establishment of geological-geophysical models on the test area.

tensor CSAMT; coordinate rotation; Mohr circle; demonstration application

10.13278/j.cnki.jjuese.201506302.

2015-01-23

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2011YQ050060)；中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(12120115039401)

孟慶奎(1987--)，男，助理工程師，主要從事應(yīng)用地球物理方法研究和數(shù)據(jù)處理解釋工作，E-mail:qingkui_meng@163.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201506302

P631.3

A

孟慶奎，林品榮，李勇，等. 張量CSAMT數(shù)據(jù)處理技術(shù)初步研究與示范應(yīng)用.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):地球科學(xué)版,2015,45(6):1846-1854.

Meng Qingkui, Lin Pinrong, Li Yong, et al. Preliminary Study and Demonstration of Tensor CSAMT Data Processing Technolog.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(6):1846-1854.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201506302.