羅有春

摘要：礦產(chǎn)資源對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生產(chǎn)生活都發(fā)揮著重要的作用，是人們不可或缺的資源。然礦產(chǎn)資源開采難度大，難以掌握其地質(zhì)環(huán)境?？煽卦匆纛l大地電磁測(cè)量法是地質(zhì)環(huán)境勘探的重要方式，本文主要研究在礦山地質(zhì)環(huán)境勘探中運(yùn)用此方法。首先，通過分析某地區(qū)的礦山地質(zhì)環(huán)境，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和反演正演模擬，最后分析地質(zhì)模型。結(jié)果表明，可控源音頻大地電磁測(cè)量法能夠提供關(guān)于巖石和結(jié)構(gòu)最完整的數(shù)據(jù)，能夠勘探到深度很高的地質(zhì)，勘探精準(zhǔn)度也高。

關(guān)鍵詞：可控源音頻大地電磁測(cè)量法;勘探;地質(zhì)環(huán)境

中圖分類號(hào)：P631文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）07-0109-04

礦產(chǎn)資源在我國(guó)發(fā)揮著重要的作用，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，滿足人民生產(chǎn)生活的需要，我國(guó)的礦產(chǎn)資源利用在不斷增多。但是礦產(chǎn)資源的開發(fā)卻很難做到，因?yàn)槠渎癫卦趲装倜咨踔翈浊椎牡叵?，難以發(fā)現(xiàn)其位置，而且對(duì)地下環(huán)境不了解，開采過程中容易遇到很多困難。所以，礦山地質(zhì)環(huán)境勘探是開采礦產(chǎn)之前的必要步驟，而且勘探的作用關(guān)系到開礦能否順利進(jìn)行，是一項(xiàng)非常重要的工作。文章以四川盆地的某個(gè)礦產(chǎn)地區(qū)為例，通過可控源音頻大地電磁測(cè)量法對(duì)該礦產(chǎn)進(jìn)行勘察，考察其地質(zhì)環(huán)境。

1 礦山地質(zhì)概況

四川盆地屬于碳酸鹽地層，含有碳酸鹽巖、白云巖等，這些巖石在構(gòu)造上容易破碎和風(fēng)化，是可滲透，能充當(dāng)含水層。但是今天的這些巖石是一堆不透水的巖石，粘土和泥灰?guī)r，所以整個(gè)包裝都是一個(gè)不透水的屏障。在地質(zhì)歷史中，這些白云巖在幾個(gè)階段受到過強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)。由于這個(gè)原因，產(chǎn)生了次生的裂縫孔隙度，白云巖的地面巖體已經(jīng)成為四川盆地這一地區(qū)的主要含水層，具有顯著的供水潛力。鑒于不透性碎屑和可滲透碳酸鹽通過其電阻率明顯區(qū)分的事實(shí)，可以使用可控源音頻大地電磁測(cè)量法非常有效地研究該地域情況。

2 可控源音頻大地電磁測(cè)量法的應(yīng)用分析

2.1數(shù)據(jù)采集

電子斷層掃描輪廓長(zhǎng)700m。使用Wenner電極陣列進(jìn)行測(cè)量，單位電極間距為10um，因此研究深度為135um。使用基于10ke和Barker算法的軟件完成反演。由于預(yù)期深度相當(dāng)小，并且電阻率層析成像對(duì)這些深度的分辨率良好，因此可用于可控源音頻大地電磁測(cè)量法測(cè)量的控制和評(píng)估?？煽卦匆纛l大地電磁測(cè)量法測(cè)量在沿著電子斷層攝影剖面分布的16個(gè)可控源音頻大地電磁測(cè)量法探測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行。前3個(gè)站點(diǎn)之間的距離為25m，其他站點(diǎn)之間的距離為50m，因此輪廓的總長(zhǎng)度為700m。

2.2數(shù)據(jù)處理

可控源音頻大地電磁測(cè)量法用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)的系統(tǒng)選擇美國(guó)的GeometricsStratagemEH4探測(cè)儀器，該探測(cè)儀器允許記錄高達(dá)10kHz的頻率。調(diào)查深度取決于頻率，它與頻率的平方根成反比。根據(jù)應(yīng)用的頻率范圍并且取決于地下電阻率，系統(tǒng)可以達(dá)到500m到1000m之間的深度。該系統(tǒng)還使用受控源天線來補(bǔ)充lkHz至70kHz范圍內(nèi)的自然信號(hào)，從而獲得更可靠的數(shù)據(jù)和更好的淺層特征分辨率。這是由于自然場(chǎng)各種高頻噪聲的影響而特別強(qiáng)烈地變形的事實(shí)。用于產(chǎn)生人造場(chǎng)的發(fā)射器和天線必須放置在距剖面的特定距離處，以便用平面波電磁場(chǎng)逼近信號(hào)。因此，發(fā)射器和天線放置在距離剖面大于400m的位置。

在水平分層的地球中，每層均勻且各向同性，電磁波傳播使得電場(chǎng)和磁場(chǎng)矢量正交。電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度之比（Ex/Hy）是稱為特征阻抗（Z）的電磁特性的特征量度。表面阻抗復(fù)雜，與頻率有關(guān)并且是張量：

對(duì)于2D導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的情況，當(dāng)在平行于電擊方向的坐標(biāo)系中測(cè)量時(shí)，阻抗張量Zxx和Zyy的對(duì)角元素為零。沖擊方向是水平方向，對(duì)于2D結(jié)構(gòu)，電導(dǎo)率不會(huì)改變。因此，表面阻抗的計(jì)算依據(jù)如下：

其中i和j在x和y方向。視電阻率和阻抗相位由阻抗分量計(jì)算得出：

對(duì)于均勻的半空間，相位差等于π/4。因此，對(duì)于均勻電阻率，相位在所有頻率下都是恒定的，并且更復(fù)雜的地下結(jié)構(gòu)的指示是相位和視電阻率隨頻率的變化。使用四個(gè)通道GeometricsStratagemEH4探測(cè)儀器，在兩個(gè)垂直偶極子上測(cè)量電場(chǎng)分量（E_x，E_y）。偶極子長(zhǎng)度在10～20m之間，以獲得良好的數(shù)據(jù)質(zhì)量。使用感應(yīng)線圈（EMIBF-6）測(cè)量水平磁場(chǎng)分量（H_x，H_y）。在兩個(gè)正交方向上記錄的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量用于計(jì)算測(cè)量位置處的表面阻抗（Z）。使用張量處理技術(shù)計(jì)算表面阻抗分量，并且根據(jù)阻抗分量計(jì)算視電阻率和相位曲線。

在2D結(jié)構(gòu)的情況下，測(cè)量數(shù)據(jù)可以分成兩種不同的模式，并且這些模式被稱為E和H極化。對(duì)于E偏振模式（TE），電場(chǎng)平行于打擊方向偏振，并且對(duì)于H偏振模式（TM），磁場(chǎng)在打擊方向上偏振。測(cè)得的視電阻率和相位數(shù)據(jù)如圖1所示，數(shù)據(jù)是最嘈雜的。yx方向的視電阻率曲線在低于3000Hz的頻率下具有不同的形狀，這可以指示結(jié)構(gòu)的維度（2D或3D）。站MT-6處的xy曲線顯示較低頻率的電阻率增加。

2.3可控源音頻大地電磁測(cè)量法數(shù)據(jù)的反演和正演模擬

沿剖面記錄的可控源音頻大地電磁測(cè)量法數(shù)據(jù)被解釋為獲得電阻率模型，其使用反向和正演模型以兩種方式反映地下地質(zhì)。使用用于MT數(shù)據(jù)ZondMT2D的二維解釋的軟件進(jìn)行逆和正向建模。

觀測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)反演是更快的解釋方法，以恢復(fù)地下電阻率分布。反演通常通過迭代過程來執(zhí)行，其中包括正向建模以計(jì)算初始模型的電阻率響應(yīng)。對(duì)于第一個(gè)初始模型，假設(shè)恒定電阻率的半空間。解釋器的唯一影響是定義反演算法和幾個(gè)反演參數(shù)，例如電阻率限制，平滑因子和平滑度比。根據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量和噪聲，反演模型有時(shí)會(huì)產(chǎn)生不可靠的結(jié)果。此外，我們必須記住，反演是非獨(dú)特的，許多電阻率模型可以適合觀測(cè)數(shù)據(jù)。然而，反演模型將基于反向電阻率分布提供內(nèi)在的一般結(jié)構(gòu)。

對(duì)巖性約束模型進(jìn)行正演模擬。該模型使用先驗(yàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)或其他地球物理方法的結(jié)果來定義。以這種方式，由于解釋模型在解釋器的控制下，可能的解決方案的數(shù)量顯著減少。在正演模擬期間，可以測(cè)試幾個(gè)可選模型，因?yàn)橛袝r(shí)可能存在不同的邊界深度和電阻率對(duì)比。由于最終模型需要同時(shí)適應(yīng)先驗(yàn)地質(zhì)知識(shí)和觀察到的可控源音頻大地電磁測(cè)量法的數(shù)據(jù)，因此最終解釋模型通常比通過自動(dòng)反演獲得的模型更可靠。

可以僅使用視電阻率數(shù)據(jù)，僅相位或兩者來完成反演。在本分析中，我們采用了奧克姆反演，使用平滑算子和額外的對(duì)比度最小化來獲得簡(jiǎn)單且相當(dāng)平滑的電阻率模型。輸人數(shù)據(jù)是來自StratagemEH-4的視電阻率和相位數(shù)據(jù)。在反演之前，可控源音頻大地電磁測(cè)量法的數(shù)據(jù)需要由于噪聲而平滑，因?yàn)樵肼晹?shù)據(jù)可能會(huì)導(dǎo)致模型中出現(xiàn)不切實(shí)際的特征。為每個(gè)工作站目視檢查數(shù)據(jù)，以消除尖峰并平滑數(shù)據(jù)。根據(jù)地質(zhì)趨勢(shì)確定撞擊角度，并將數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)至TE（電極化）和TM（磁極化）模式。測(cè)量數(shù)據(jù)相當(dāng)嘈雜，在存在噪聲和局部失真的情況下，基于場(chǎng)數(shù)據(jù)的打擊角確定是不穩(wěn)定的。由于從數(shù)據(jù)本身確定打擊角度是值得懷疑的，我們選擇了地質(zhì)趨勢(shì)的幫助。

反演的起始模型由恒定電阻率構(gòu)成，并由由表面層厚度，增量因子和決定底層深度的層數(shù)定義的網(wǎng)格表示。塊寬度被縮放以匹配站點(diǎn)間距與站點(diǎn)之間的兩個(gè)附加節(jié)點(diǎn)，并且由于站點(diǎn)均勻間隔，因此產(chǎn)生幾乎等距的網(wǎng)格。根據(jù)輪廓，第一層的起始厚度設(shè)定為1um，層數(shù)38～40。增量因子為1.2，這意味著每個(gè)后續(xù)層的厚度相對(duì)于其上方層的厚度乘以1.2。它導(dǎo)致底層的深度在5000～7000m之間。

通過TE和TM數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演以及可以被認(rèn)為是TE和TM數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值的行列式（D）來完成計(jì)算。阻抗張量的行列式與假設(shè)的走向方向無關(guān)，因此發(fā)現(xiàn)最佳擬合模型實(shí)際上與所使用的起始模型無關(guān)。迭代地完成反演以使計(jì)算的模型適合于測(cè)量的可控源音頻大地電磁測(cè)量法的數(shù)據(jù)，直到達(dá)到給定的標(biāo)準(zhǔn)，其可以是最大迭代次數(shù)或最大RMS誤差。我們使用了許多迭代作為停止標(biāo)準(zhǔn);在大多數(shù)情況下為5～7，因?yàn)榇罅康牡袝r(shí)會(huì)使模型不必要地復(fù)雜化并且可能導(dǎo)致模型具有不切實(shí)際的細(xì)節(jié)。我們的目標(biāo)是反轉(zhuǎn)模型，以便給出主要結(jié)構(gòu)的圖片。

基于反電阻率模型和其他可用數(shù)據(jù)，構(gòu)建了正演模擬的初始模型。電阻率模型以塊模式創(chuàng)建，其中場(chǎng)地與場(chǎng)地布局間隔并考慮地形。在正向建模中，近似網(wǎng)格的每個(gè)單元格中的字段線性變化。定義電阻率模型的響應(yīng)（電阻率和相位）計(jì)算兩種模式和行列式（D）。由于低電阻率的淺層可以顯著影響計(jì)算的數(shù)據(jù)，因此電阻率斷層掃描和電探測(cè)的結(jié)果可用于定義淺層。通過這種方式，我們可以更可靠地確定更深的邊界，即碎屑巖和碳酸鹽巖之間的界面。

3 地質(zhì)模型

在四川盆地，表面附近的低電阻率和在剖面的某些部分延伸到更大的深度，被解釋為不可滲透的碎屑巖的影響。低于它們的高電阻率是由作為含水層的裂縫和風(fēng)化碳酸鹽引起的。兩個(gè)電阻率模型，即反向和向前，沿著輪廓MP-1（圖2和3）表明在200m的距離處的斷層接觸。接觸是垂直的，因此假定跳躍很大（約200m）的正常故障（圖4）。最低電阻率（約20Ωm）靠近地表，這些被解釋為粘土和泥灰?guī)r沉積物。在地下室的這些層和三疊紀(jì)白云巖之間，存在不可滲透和滲透性差的新近系碎屑層的變化：泥灰?guī)r，砂質(zhì)泥灰?guī)r和粘土砂巖。該模型表明，由于構(gòu)造活動(dòng)，該區(qū)域可能出現(xiàn)大的斷層跳躍。它將有助于考慮所選微位置的水文地質(zhì)潛力。

基于地表地質(zhì)繪圖和周圍環(huán)境中的先前數(shù)據(jù)，人們會(huì)期望復(fù)合石灰石界面相對(duì)陡峭的傾斜。在這種情況下，探測(cè)鉆孔應(yīng)盡可能靠近山坡上的這個(gè)邊界，以便在可接受的深度處捕獲碳酸鹽巖。但是，基于可控源音頻大地電磁測(cè)量法數(shù)據(jù)的模型顯示界面形狀完全不同，并且在山谷中可以預(yù)期最淺的碳酸鹽深度，這意味著勘探鉆孔的成本將降低。

4 結(jié)語

在深度超過100m的水文地質(zhì)目標(biāo)的情況下，可控源音頻大地電磁測(cè)量法提供了關(guān)于巖石和結(jié)構(gòu)關(guān)系的最完整數(shù)據(jù)。它可以以更低的成本到達(dá)更大深度的目標(biāo)，可以進(jìn)行密集空間采樣。在厚層碎屑不透水沉積層下的碳酸鹽巖的繪圖中，可控源音頻大地電磁測(cè)量法提供了有關(guān)含水層存在及其一般埋藏深度的信息，然后可以通過在選定的潛在微觀位置上使用地震反射來更精確地確定。通過近表面電阻率斷層攝影數(shù)據(jù)可以顯著降低可控源音頻大地電磁測(cè)量法反演方法的解釋模糊性，特別是在更深的地方?？梢哉f，可控源音頻大地電磁測(cè)量法在礦山地質(zhì)環(huán)境中發(fā)揮著重要的作用，能夠降低人力成本，而且還可以節(jié)約勘探時(shí)間，最重要的是提高了勘探的精準(zhǔn)度?？煽卦匆纛l大地電磁測(cè)量法的一個(gè)缺點(diǎn)在于該設(shè)備的成本過高，如果能將設(shè)備成本降低將會(huì)在地質(zhì)勘探中運(yùn)用更加廣泛。