新的地球物理方法-张量可控源大地电磁法2014

北京欧华联科技有限责任公司 新的地球物理勘探手段 张量可控源大地电磁法 主要内容 一、引言 二、标量可控源电磁法 CSAMT 三、张量可控源大地电磁法 TCSMT 及应用实例 四、张量可控源电磁法 TCSMT 与声频大地电磁法 AMT 观测结果对 比 五、张量可控源电磁法 TCSMT 和标量可控源电磁法 CSAMT 观测结 果对比 六、张量可控源电磁法仪技术指标 3 一、引言 1950 年和 1953 年 TNXOHOB,T.H 和 Cagniaral,L.分别提出在水平层状均匀介质条件下的 大地电磁法理论和实施方案 1,2，后经实践检验证明，观测结果往往与实际地质情况不符。 1960 年 Cantwell,T.提出介质张量电性阻抗概念，很快形成大地电磁场数据的张量阻抗计算 和分析的理论及方法 3，使大地电磁法发生了本质性的变革。由于大地电磁法的场源是时 刻变化的太阳粒子活动和大气层雷电活动产生的不同频率的天然电磁波，在 1-10Hz 和 1000-3000Hz 左右天然电磁场活动水平很低，称为“死区”，为了弥补这一缺点，1975 年 Goldstein,M.A 和 StrangWay,D.W.提出通过接地电极偶子向地下注射不同频率的电流产生的 高强度人工电磁场做为场源的可控源大地电磁法 4,，并在 1978 年投入矿产资源勘探，地下 水勘探和油气资源勘探，命名为可控源声频大地电磁法（CASMT） 5。 CSAMT 法是以水平层状均匀介质模型（标量电性阻抗）为前提，历经 30 余年仍未改 变，主要原因是满足张量电性阻抗观测的可控源发射系统非常复杂、难于制造，另一方面 在非常简单的地质构造地区，例如平原区浅层以标量电性阻抗模型为前提的 CSAMT 法尚能 获得较好的勘探效果。2010 年德国 Metronix 公司研制成功了首台满足张量电性阻抗观测的 可控源大地电磁仪及其数据处理软件系统 6,并在地质构造复杂地区获得成功应用 7,8,我们称 其为“ 张量可控源电磁法（TCSMT） ， ”传统的 CSAMT 称其为 “标量可控源电磁法”。 二、标量可控源电磁法 CSAMT 当地下介质是均匀水平层状，没有构造（如断层、褶皱、隆起、坳陷）存在时，电阻 率只沿深度 Z 变化，沿水平方向不变时，也即地下介质的电性是标量情况下，入射的平面 波场源 H 在地下介质中感应出与其相垂直的电场 E. 此时介质的电性阻抗为标量： = （ 1） 视电阻率值： =0.2|2 （ 2） 为实现这一原理，CSAMT 的野外工作装置如图 1 所示： 图 1 CSAMT 发射装置只有一组发射电偶极子，只适合探测一维电性结构 发射机通过单一接地电偶极子将不同频率的方波电流注入地下，在远离电偶极子的地 方接收通过地下传播的不同频率的电磁场信号，例如 Hy 和 Ex，根据公式（1）和（2 ）计 算测点下的视电阻率值 a。由于它是单一电偶极子供电，所以在地下形成的电流体系是单 一方向的，建立的磁场也是单一方向的，我们称其为标量可控源大地电磁法，简单标量可 控源电磁法。该方法有如下不足： 1. 只适合探测水平均匀层状的一维地质情况，但绝大多数情况下地下是有构造存在的， 是二维或三维的电性介质，此时地下介质的电性是张量，不是标量。 2. 单一接地电偶极子发射的电磁波在以偶极子中心 30夹角范围内场强弱，易受畸变不 适合观测，所以观测范围变小。 3. 为满足发射场源是平面波场源的要求，发射机和接收机的距离（接发距）要等于或大 于勘探的 3-5 倍，在小于 5 倍范围内称为近区，无法获得地下构造信息。 4. 移动接地电偶极子发射源后，在同一测点上的观测结果往往互不重合。 5. 如果接地电偶极子定向与地下高导层走向一致时，注入的方波电流大部分被高导层吸 收，严重影响勘探效果。 6. 由于 CSAMT 观测的是标量阻抗，因此无法与 MT 或 AMT 在同一测点上观测的张量阻 抗兼容。 过去国内进口的可控源声频大地电磁仪 CSAMT 或电法工作站所含有的 CSAMT 功能都 是标量的，均存在上述不足。 三、张量可控源大地电磁法 TCSMT 及应用实例 1960 年 Cantwell,T.提出地下介质电性是张量阻抗 3，1972 年 Vozoff,K.,对张量阻抗方法 进行了系统归纳 7。 张量阻抗与电磁场的关系为： HzyxZzxyE 称为张量阻抗关系式。 除了极高频率之外，Ez 分量很小，很难观测到，因此张量阻抗关系归结为： yx ZyE 可见，在二维或三维构造情况下，电场 Ex 不仅由 Hy 感应出，而且部分还由 Hx 感应 出。由 Hy 感应的 Ex 依赖于张量阻抗 Zxy，由 Hx 感应的 Ex 依赖张量阻抗 Zxx，张量阻抗值 Zyx， Zyy 也有类似依赖关系。 我们的目的是在地面观测不同频率的电磁场信号 Hx，Hy，Ex 和 Ey，然后求解地下不 同深度的张量阻抗要素值 Zxy，Zyx ，Zxx 和 Zyy。根据简单的数学原理可知，从两个代数方 程式（公式 4）是无法解出四个张量阻抗要素值的。若有解，至少要有两组相互独立的变 化磁场值 H1 和 H2，共同组成四个方程式，即： yZxxE11 yZHxyE111 222 22 （3 ） （4 ） 5 （所谓相互独立的变化磁场是指极化方向不同或极化类型不同的变化磁场） 联立该四个方程式便可解出四个张量阻抗要素值 yxHEZx121 yxHEyZ2121 y2 由于标量阻抗可控源法 CSAMT 在地面只观测一个磁场水平分量 Hy 和一个电场水平分 量 Ex，因此无法解出四个张量阻抗要素。要解出四个张量阻抗要素的必要条件是：（1 ） 在地面要观测互为垂直的四个电磁场分量 Hx，Hy 和 Ey， Ex；（2）在观测的电磁场信号中 至少要有两组极化方向或极化类型不同的磁场信号。基于此，德国 Metronix 公司于 2010 年研制成功张量可控源电磁法仪器设备和数据处理软件系统，并投入市场。其中包括张量 可控源发射装置，接收系统和数据处理及反演软件系统。 1. 张量可控源电磁法发射装置，分为旋转偶极发射装置和交替偶极发射装置 1) 旋转偶极发射装置可以发射不同极化方向、不同强度和不同频率的变化磁场，以 组成类似于公式(5)和(6) 的方程组，从而解出四个张量阻抗值 Zxx，Zyy，Zxy 和 Zyx，其原理是： 发射装置是由三个接地电极（U、V、W ）组成三对偶极发射装置（图 2） ，也 即三个电极分别与张量发射机 TXM-22 的三个极性开关连接，在脉冲宽度调制控 制器的控制下同时向地下分别发送不同频率、不同强度和不同极性的电流 I1，I 2 和 I3。 图 2 全区张量 CSAMT 发射装置 由于 I1，I 2 和 I3 同时注入地下，因此它们在地下组成一个在给定频率下的合 成电流矢量 。当改变 I1，I 2 和 I3 中的任何一个电流强度和极性时，合成电流矢 量 的方向、即磁场极化方向随之改变，因此张量发射装置可以产生任意极化方 向的磁场信号。在最简单情况下、即发射电流 I1，I 2，I 3 之间成倍数关系改变，极 性成正负关系改变时，可以发射六种不同方向的合成电流矢量，它们是 = 0=180, = 120=-60, = 60=-120,1I 2I3 = 30=-150, = 150=-210， = 270=-90456I 可形成六种不同极化方向的磁场信号 H1，H 2，H 3，H 4，H 5 和 H6。这样方程组 （5 ） （6 ） （4 ）便可扩展成包括发射磁场 H1 和 H2 的方程组（7） ，包括发射磁场 H1 和 H3 的 方程式（8） ， yZxxE111yZxyE111 222 222 H111 H111 yZxxE333yZx333 以及包括磁场 H1 和 H4， H1 和 H5， H1 和 H6 的三个方程组；包括 H2 和 H3，H 2 和 H4， H2 和 H5，H 2 和 H6 的四个方程组；包括 H3 和 H4，H 3 和 H5，H 3 和 H6 的三个方程组；包括 H4 和 H5，H 4 和 H6 的两个方程组；以及包括 H5 和 H6 的方 程组；总计共可组成 15 个方程组，从而可解出 15 组四个张量阻抗要素值。为了 在接收点处获得强的电磁场信号，每对合成电流矢量的夹角应在 45- 135之间。 在数据处理中选择 15 组张量阻抗要素中质量最好的一组求取其主轴方位，计算 TE 模式和 TM 模式下的视电阻率和阻抗相位曲线以及其它 MT 参数。 在实际应用中，如果测区内布置有大量的、面积性分布的接收装置，应采用 旋转偶极发射装置相继发送六个方向的合成电流矢量是最佳选择，此时测区内的 任何一点都能观测到最佳的电磁场信号以及 15 组张量阻抗要素值。如果测区内仅 沿剖面线布设接收装置，可采用交替偶子发射装置，分别发送两个互为垂直的电 流矢量，但只能获得一组张量阻抗要素值。 2) 交替偶极发射装置 在交替偶极发射装置中发射机分别（非同时）向互相垂直的两对偶极子注射 电流，在地下建立两组互为垂直或夹角大于 45的电流矢量和相应极化方向的两 组磁场，此时按公式（5）和（ 6）只能解出一组四个张量阻抗要素值。最简单的 偶极发射装置如图 3 所示。其它组合也可组成交替偶极发射装置 ，如图 4 所示。 图 3 交替偶极发射装置 图 4 交替偶极发射装置 在图 4 中，如果令电极 U 的方向为 0，那么电极 W 和电极 V 的连线方向便 为 90。如果发射机先向电极 U 供电，则电流矢量为 0，然后再向电极 W、V 同 时供电，则其电流矢量为 90，结果便是交替偶极发射方式（图 4 中红箭头所示） 。 （8） （7） 7 如果同时向电极 U 供电 I1，向电极 W 供电-I 3，向电极 V 供电 I2=0，并且 I1=-I3，此 时电流便从 V 向 W 流动，则合成电流矢量方向为 30（令电极 U 的方向为 0） 。 最终两个合成电流矢量夹角为 90，也是交替偶极发射装置（图 4 中黑箭头所示） 。 野外施工中首先发射六个方向的合成电流矢量，然后选择发射电流最大的、近于 垂直的两个发射方向以形成交替偶极发射装置。 张量可控源发射装置由张量发射机 TXM-22，TXB-22 控制器，供电电极和电缆 以及 400V/50Hz 三相发电机组成。 3）张量可控源发射装置的特点 可根据确定好的发射频率和发射时间同时向发射机和接收机预置工作列表（包括 发射的波形、最大电流强度和发射角度、频率、叠加次数及每个发射频率工作起、 止时间等） ，便可根据野外接收和发射人员约定的开始时间自动执行工作列表内的 所有频率的发射和数据采集工作； 发射装置可任意组合，发射和接收由高精度 GPS 同步； 可任意编辑发射波形，可使用国产 50Hz，400V 三相发电机做动力源 由于 GPS 模块可存储时间信号，因此在 GPS 信号盲区仍可进行精确同步； 由于发射系统的控制器 TXB-07 与接收系统主机性能一致，因此两者之间高度同步， 于是叠加过程可以在时间域进行，这样大大提高了数据处理速度。 由于可控源场强可控，在电磁干扰大的地区也能获得高质量的观测结果，这与 CSAMT 法一样。 2. 张量可控源电磁法接收系统 接收系统由两个或三个磁场传感器（MFS-07e） ，两对电场传感器（不极化电极） 和一台 ADU-07e 主机组成，是标准的大地电磁测深仪。发射装置和接收系统之间由高 精度 GPS 同步（图 5） ，也可由事先输入的工作列表同步。 图 5 张量可控源电磁法（TCSMT ）组成 左图为接收系统，右图为发射系统 由于张量可控源电磁法主要用于详查和精查阶段，测点距离一般为 20m-150m， 所以可采用带卫星站的接收系统，即一台 ADU-07e 主机带三个卫星站，同时完成四个 TXM-22 测点观测任务（图 6） 。主机与卫星站之间由电缆同步 8。如果有几台 ADU-07e 同时观 测，工作效率非常高。 接收系统可独立应用于 MT 和 AMT 观测。 图 6 一台主机可同时完成四个测点观测 3. 张量可控源电磁法的主要特点 1）正如前述，张量可控源发射装置可以产生任意极化方向的磁场信号，因此可以求解 测点下的多组张量阻抗要素值，这不仅适合探测二维、甚至三维的地质体，而且可 选择质量最高的张量阻抗要素值进行反演解释。标量可控源电磁法（CSAMT）仅适 合探测一维地质结构。 2）由于张量可控源发射装置建立的合成电流矢量方向 可控，也即发射的最佳场强位 置是可控的，因此在发射装置周围区域内均可布置接收系统，并能接收到最强的电 磁场信号。所以它比 CSAMT 的观测范围大的多（图 7） 。 3）张量可控源场源强度可控，可进行多次叠加，对每个测点都可获得多组张量阻抗要 素值，因此在电磁噪声环境较强的地区也能观测到高质量数据。 图 7 在旋转偶极发射装置的周围空间远场范围内都可布置接收系统 4）当 CSAMT 发射偶极子位于地下高导体之上并与其走向一致时，发射的电磁场能量 部分被高导体吸收，导致测点处的电磁场减弱，信噪比降低，但张量可控源发射装 置由于发射的电磁场方向是可变的，所以可以避免这一问题。 5）张量可控源发射的是三维电流体系，能有效探测复杂的地质构造（图 8） 。 卫星站卫星站卫星站 主机 9 图 8 张量可控源发射装置在地下建立的三维电流体系 6）张量可控源可以测量发射电流和接收电流的频率和强度，用以计算近区和远区的地 下电性结构，由于这些电流是近于垂直的所以对高阻层敏感（反演软件正在编制中） 。 7）可与同测点的 MT 数据进行联合反演，相互约束，增加勘探深度。 8）发射机轻便，仅重 35kg，输出电压560V ，最大输出电流40A，如果外加变压器， 输出电压可升至 1000V 以上，此时发射机很重，需要卡车装载。 4. 张量可控源电磁法应用实例 1） 探测深部硫化矿床 在西班牙 Aguas Tenidas 矿区做过多种物探方法探测硫化矿床的深部蕴藏情况之后，又 要求用张量可控源法做进一步探测，共布置 9 条剖面 9。 测区为一套火山岩与泥盆-石炭纪的沉积物组合。富含黄铁矿的块状硫化沉积物存在流 纹岩和黑色页岩系列之中。早期曾在近地表处开采硫化矿床。 图 9 为 9 条剖面中一条南北向剖面的二维反演结果。图 10 是根据 9 条剖面的二维反演 结果绘制的、在 658m 深处的电阻率平剖图。 图 9 Aguas Tenidas Este 一条剖面的二维反演结果 由图 9 可见，近地表有良导体存在，它们可能是仍未被挖掘过的块状硫化物矿体。在 点位（m） 深 度 m 点位 330-530 之间，深度 550-750m 范围内有一个高导体，南北宽约 200m，厚约 300m。 在点位 360 处电阻率值急剧变化，已证明它是东西走向、对成矿起控制作用的正断层。 图 10 是 658m 深处的高导层分布范围，该深度正处于上述高导体埋深的中部。可见沿 东西向 1000-1500m 区间的高导区域（红色）正是上述高导体的东西向展布，它与钻孔发 现的 660m 深处的硫化矿体一致，该矿体北界为上述东西向正断层所限，该断层向硫化矿 体西部延伸。 图 10 658m 深的电阻率值平面剖图 图 11 地质解释结果的三维显示 Aguas Tenidas 矿区的地质情况极为复杂，为了尽可能找出矿体与电阻率分布之间的联 系，根据已有的 9 条二维反演剖面编制成三维立体图（图 11）。这是频率域张量可控源大 地电磁法（TCSMT）直接找矿的成功实例之一。 2）探测赋矿层 2012 年 4 月，北京欧华联科技有限责任公司与安徽省地球物理地球化学勘查院及德国 Metronix 公司专家在安徽省合肥市的泥河地区开展张量可控源野外试验。 工作目的 南 北 向 (m) 东西向(m) 11 （1 ）掌握张量可控源的野外工作方法； （2 ）了解 1000 米深度以内的地层电性分布情况并与已知钻孔和地质剖面对比，验证 测量结果的可靠性； （3 ）探测火山岩盆地中铁、硫、铜、铅锌等赋矿层的可行性。 （4 ）本次勘探测线上曾进行过直流激电测深，标量可控源测量和 1:10000 地面磁法扫 面。由于区内村庄聚集，以往所做电磁法效果不佳，因此想通过张量可控源测量结果与以 往工作成果进行对比，检验张量可控源在抗干扰能力、解决复杂地质情况等方面的优势。 地质与地球物理概况 泥河铁矿位于庐枞火山岩盆地的西缘，北东向基底隆起带上。矿区为第四系所覆盖， 零星出露有早白垩世双庙组，钻孔深部见有上侏罗统砖桥组，岩性主要有火山熔岩、火山 碎屑岩、沉积火山碎屑岩，砖桥组是铁、硫、铜、铅锌等赋矿地层。地层主要为单斜产出， 断裂构造发育，大部分断裂发育在赋矿之上的火山岩中，为成矿前断裂。成矿的闪长玢岩 体主要沿北东向基底断裂侵入。主要赋矿地层砖桥组电阻率相对较低；浅层的白垩系双桥 组（K1sh ）主要为火山碎屑岩夹熔岩，电阻率较高；赋矿层下伏地层电阻率呈逐渐升高的 趋势。 野外工作方法 本次野外测试选取了相对简单的交替偶极发射方式，发射源和试验剖面的相对关系如 图 12 所示。发射机位于中心点处，与 U、V 、W 三个发射电极的距离分别为 500m、600m、600m 。设发射机和偶极 U 的连线作为 0，则 V 和 W 偶极连线方向为 90， 与试验剖面近似平行。对剖面 1 进行观测时我们选用了 0和 90两个方向的电偶极子进行 交替发射；对剖面 2 观测时选取了 30和 120两个方向进行交替发射。 图 12 TXM-22 张量观测装置布置示意图 试 验 剖 面 1 位 于 发 射 源 西 南 方 向 ， 沿 南 东 135布 置 ， 长 1200m， 共 28 个 测 点 ， 点 距 44m，剖面 距 发 射 源 中 心 点 7 7.38km。 测 试 剖 面 2 位 于 发 射 源 北 东 方 向 ， 沿 南 东 120布 置 ， 长 760m， 共 21 个 测 点 ， 点 距 38m， 剖 面 距 发 射 源 7.4 7.66km。 两 条 剖 面 相 距 14km。 数 据 采 集 系 统 使 用 四 个 测 点 同 时 测 量 的 方 式 ， 布 置 方 式 如 图 13 所 示 ， ADU-07e 主 机 记 录 两 个 共 用 的 磁 场 信 号 Hx， Hy 和两个电场信号 Ex 和 Ey， 另 外 三 个 卫 星 站 分 别 记 录 剖面 2 剖面 1 两 个 互 相 垂 直 的 电 道 信 号 。 卫 星 站 和 ADU-07e 主 机 通 过 电 缆 连 接 ， 最 后 数 据 统 一 存 储 到 ADU-07e 的 存 储 器 中 ， 同 时 完 成 四 个 测 点 的 测 量 。 Ex 和 Ey 分 别 为 南 北 向 和 东 西 向 布 置 ， 极 距 50 米 。 图 13 接收系统结构 数据处理和反演解释 由于 ADU-07e 记录可控源数据时不同发射频率的时间序列是分开的，以往天然场观测 的数据处理软件 Mapros 显然无法满足每个测点十几个发射频率的可控源数据。为此本次 数据处理使用的是德国 Metronix 公司最新研发的处理软件 ProcMT。该软件可一次执行同 一个测点多个采样率或多个测点的数据处理，中间过程无需人工干预，大大提高了数据处 理效率。数据处理的基本流程为： 创 建 工 程 拷 贝 原 始 时 间 序 列 到所 建 工 程 的 ts文 件 夹下 创 建 通 道 定 义 文 件 为 每 个 发 射 频 率 对 应的 采 集 文 件 设 置 处 理参 数 添 加 每 个 排 列 （ 4个 测 点 ） 数 据 添 加到 数 据 处 理 界 面 依 次 进 行 处 理 自 动 输 出 每 个 测 点 的 edi格式 处 理 结 果 图 17 数 据 处 理 流 程 ADU-07e 最 多 支 持 10 个 通 道 同 时 使 用 （ 八 个 电 道 和 两 个 磁 道 测 量 ） ， 一 次 记 录 4 个 测 点 的 数 据 ， 这 四 个 测 点 将 共 用 两 个 磁 道 进 行 计 算 ， 因 此 在 处 理 数 据 之 前 必 须 配 对 每 个 测 点 的 磁 道 和 电 道 数 据 文 件 。 图 14 是 一 些 测 点 的 数 据 处 理 结 果 。 张 量 CSAMT 处 理 结 果 和 MT 处 理 结 果 一 样 ， 包 括 TE 模 式 和 TM 模 式 视 电 阻 率 和 阻 抗 相 位 曲 线 。 从 图 18 可 见 在 8HZ 以 下 视 电 阻 率 曲 线 呈 45抬 升 ， 相 位 降 到 0左 右 ， 表 明 已 进 入 近 场 区 范 围 。 13 数 据 处 理 结 果 (试 验 剖 面 1， 142 号 测 点 ) 数 据 处 理 结 果 (试 验 剖 面 1， 158 号 测 点 ) 数 据 处 理 结 果 (试 验 剖 面 1， 166 号 测 点 ) 数 据 处 理 结 果 (试 验 剖 面 2， 380 号 测 点 ) 图 14 TCSMT 数 据 处 理 结 果 德 国 Metronix 公 司 提 供 的 ProcMT 数 据 处 理 软 件 的 输 出 格 式 与 国 际 通 用 的 EDI 格 式 文 件 一 致 。 输 出 内 容 包 含 观 测 频 率 下 的 四 个 阻 抗 张 量 要 素 的 实 分 量 、 虚 分 量 和 误 差 ， 主 轴 方 位 ， TE 和 TM 模 式 下 的 视 电 阻 率 和 阻 抗 相 位 曲 线 以 及 其 它 MT 参 数 。 数 据 反 演 使 用 了 中 国 地 震 局 地 质 研 究 所 陈 小 斌 博 士 后 的 Pioneer 二维数据反演软件， 反 演 流 程 如 下 图 所 示 。 图 15 数据反演流程图 （1 ）图 16a 是试验剖面 1 的反演电性结构断面图，图中以等值线和色标表示电阻率分布， 参照已知的地质断面图（图 16b）推断的各电性层边界和断层位置用虚线表示，分析如下： 电性层划分： 从图 16a 可见，在浅层 20-40m 范围内为低阻薄层，是第 4 纪沉积。下覆的电阻率 100-200 欧姆米的中阻层是早白垩系上段杨湾组（K 1y） ，是一套粗细的砂岩组合，厚度从 东南向西北加厚至 250m 左右，并被断层 F1 控制。 杨湾组之下为高阻层，电阻率值 240-440 欧姆米，该高阻层在剖面东南端的 152-158 测点下方被断层 F2 控制，在断层上盘厚度超过 400m；该高阻层应是早白垩系下段的双庙 组（K 1sh） ，它是一套火山碎屑岩夹熔岩，表现为高阻。 上述高阻层之下为一套低阻层，电阻率值 100-120 欧姆米，在剖面东南端低至 60 欧姆 米，该低阻层厚度 200m 左右，向西北倾，在剖面东南端迅速抬升；该低阻层应是晚侏罗 系砖桥组，是一套火山碎屑岩，沉火山碎屑岩等多孔隙岩系，表现为低阻。 上述低阻层之下为电阻率值 140-160 欧姆米的相对低阻层，也是砖桥组，但它是铁、 硫、铜、铅锌等赋矿地层 10。推测该层电阻率略高于上覆砖桥组的原因，可能与后期含矿 热液侵入和沉淀有关。 赋矿层之下为高阻体，电阻率值大于 180 欧姆米，推测它应是成矿母岩玢岩岩体。 电性构造划分： 试验剖面 1 是一组从东南向西北缓倾的单斜构造。正断层 F1 控制杨湾组（K 1y）的西北 边界，正断层 F2 控制双庙组（ K1sh）和砖桥组沉积。断层 F1 和 F2 都是成矿前的正断层。推 断的断层 F3 是逆冲断层，由于上盘上冲，导致砖桥组（ J3zh）在剖面的东南端显著抬升， 形成单斜凸起。F 3 是成矿后断层。 图 16a 试 验 剖 面 1 张 量 CSAMT 反 演 电 性 断 面 503 孔 501 孔509 孔 15 -109-705-301ZK05390ZK57104ZK52图 例第 四 系杨 湾 组双 庙 组砖 桥 组砾 岩砂 砾 岩粗 砂 砾 岩细 砂 砾 岩粉 砂 砾 岩泥 岩火 山 集 块 岩火 山 角 砾 岩凝 灰 岩熔 岩沉 凝 灰 岩粗 安 岩辉 石 粗 安 岩安 山 岩辉 石 安 山 岩 安 山 玢 岩闪 长 玢 岩 正 长 斑 岩次 生 石 英 岩构 造 角 砾 岩磁 铁 矿 化 、 黄 铁 矿 化硬 石 膏 化 、 碳 酸 盐 化绢 云 母 化 、 黑 云 母 化透 辉 石 化 、 绿 泥 石 化硅 化 、 高 岭 土 化钾 长 石 化 、 钠 长 石 化已 完 成 钻 孔 位 置 及 编 号设 计 钻 孔 位 置 及 编 号钼 矿 体硫 矿 体磁 铁 矿 矿 体Q y1shJz3mdK NZ051mNmMoCuNmNKKKNKddKKQ y1sh12 Jz3120m106.35m126.540m10105m1076.2 浮 土残 坡 积 层岩 屑 、 晶 屑玻 屑 、 浆 屑熔 结 凝 灰 岩 Bost0 图 16b 试验剖面 1 地质剖面（黄色为硫铁矿，红色为磁铁矿体） 图 17 试验剖面 2 张量 TCSMT 反演电性断面 （ 2） 试 验 剖 面 509 孔 503 孔 502 孔501 孔 从 TCSMT 电 性 断 面 图 （ 图 17） 可 见 ,试 验 剖 面 的 电 性 结 构 比 试 验 剖 面 复 杂 。 在 测点 540-1140，顶深 200-350m 有一驼峰状高阻体，峰凹在测点 780-940 之间，电阻率值 240-380 欧姆.米，我们推测该高阻体可能是岩浆侵入体。浅层在测点 820 和 1060 附近有两 个截面椭圆形的局部高阻体，电阻率值大于 500 欧姆.米。 它们可能是火山角砾岩的反映。 在测点 340-740 之间广泛分布低阻层，电阻率值 40-160 欧姆 .米，向西北倾，厚度向西 北方向显著加厚；在测点 780-1140，上述推测的岩浆侵入体高阻体和浅层两个局部高阻体 之间，也存在一个低阻层，电阻率值 40-160 欧姆.米，向西北倾。我们认为上述两个低阻 层应是正常沉积碎屑岩，如砂岩岩系的反映，它们原本是同一层位的砂岩岩系但由于后期 的岩浆侵入被分割成现有的状态。 小 结 总 体 来 说 ， 本 次 野 外 试 验 是 成 功 的 ， 表 明 TCSMT 法 在 电 磁 干 扰 地 区 和 复 杂 地 质 条 件 下 是 有 效 的 ， 例 如 ： (1)通 过 频 谱 特 征 分 析 ， 可 以 明 显 看 出 发 射 频 率 及 其 3 倍 和 5 倍 谐 波 的 幅 值 明 显 大 于 天 然 场 频 谱 幅 值 ， 证 实 了 张 量 发 射 源 的 有 效 性 ； (2)试 验 剖 面 1 的 反 演 结 果 ， 与 过 去 沿 同 一 剖 面 所 做 的 标 量 可 控 源 （ CSAMT） 结 果 对 比 表 明 ， 两 者 有 实 质 性 差 别 。 TCSMT 与 钻 孔 所 得 地 质 分 层 情 况 有 很 好 的 吻 合 ， CSAMT 则 否 ， 说 明 TCSMT 在 解 决 二 维 和 三 维 地 质 问 题 的 能 力 明 显 优 于 CSAMT 法 。 （ 3） 从 试 验 剖 面 2 的 反 演 结 果 可 以 看 出 ， 本 次 试 验 结 果 和 激 电 测 深 结 果 有 很 好 的 对 应 。 但 激 电 法 无 法 满 足 深 部 找 矿 要 求 ， TCSMT 可 以 弥 补 激 电 法 在 勘 探 深 度 上 的 不 足 。 （ 4） 本 次 试 验 正 值 农 耕 时 节 ， 试 验 区 水 田 较 多 ， 为 不 损 坏 禾 苗 ， 发 射 机 的 三 个 发 射 电 极 均 布 设 在 田 埂 上 ， 接 地 条 件 欠 佳 ， 导 致 试 验 剖 面 1 测 量 时 两 个 方 向 偶 极 子 平 均 电 流 只 能 达 到 8A 左 右 ， 剖 面 2 的 平 均 电 流 为 18A 左 右 ， 明 显 小 于 发 射 机 的 最 大 发 射 电 流 值 40A。 小 的 发 射 电 流 值 对 观 测 数 据 质 量 有 明 显 影 响 。 四、张量可控源电磁法 TCSMT 与声频大地电磁法 AMT 观测结果对比 2013 年 3 月 ， 中 国 地 震 局 地 质 研 究 所 与 北 京 欧 华 联 科 技 有 限 责 任 公 司 在 云 南 遮 放 地 区 用 GMS-07e 作 为 接 收 系 统 TXM-22 作 为 发 射 系 统 ， 进 行 TCSMT 和 AMT 对 比 观 测 。 测 区 内 有 两 条 高 压 线 穿 过 ， 一 条 300KV， 距 2100 测 点 100m， 另 一 条 50KV 距 2100 测 点 40m。 由 于 测 点 2100 离 两 条 高 压 线 很 近 ， 视 电 阻 率 和 相 位 曲 线 受 严 重 干 扰 ， 高 度 分 离 ， 视 电 阻 率 曲 线 和 相 位 曲 线 没 有 对 应 关 系 ， 很 难 用 于 定 量 解 释 （ 图 18） 。 同 一 测 点 位 置 的 张 量 可 控 源 TCSMT 观 测 结 果 表 明 ， 除 1000HZ 以 上 的 高 频 段 视 电 阻 率 和 相 位 曲 线 高 度 分 散 外 ， 低 于 1000HZ 的 频 段 视 电 阻 率 和 相 位 曲 线 非 常 圆 滑 ， 两 条 高 压 线 带 来 的 电 磁 噪 声 被 可 控 源 发 射 的 高 强 度 电 磁 信 号 压 制 了 。 1000HZ 以 上 的 高 频 段 曲 线 分 散 的 原 因 可 能 是 17 在 高 频 段 发 射 电 缆 的 感 抗 显 著 变 大 ， 发 射 电 流 显 著 降 低 ， 导 致 人 工 场 源 无 法 压 制 两 条 高 压 线 产 生 的 电 磁 干 扰 。 图 18 遮 放 2100 号 点 AMT 结 果 视电阻率曲线 相位曲线 图 19 遮 放 2100 号 点 TCSMT 结 果 视电阻率曲线 相位曲线 19 2013 年 11 月 中 国 地 质 调 查 局 地 球 物 理 地 球 化 学 研 究 所 （ 河 北 廊 坊 ） 独 立 检 测 张 量 可 控 源 电 磁 法 仪 并 与 AMT 法 和 标 量 可 控 源 电 磁 法 （ CSAMT） 进 行 对 比 。 检 测 工 作 由 雷 达 研 究 员 主 持 ， 检 测 地 点 位 于 辽 宁 省 兴 城 市 市 郊 ， 这 里 电 磁 干 扰 比 较 严 重 ， 检 测 内 容 很 多 ， 我 们 仅 把 在 同 一 测 点 上 的 张 量 可 控 源 观 测 结 果 ， AMT 观 测 结 果 和 标 量 可 控 源 CSAMT 观 测 结 果 例 图 如 下 ， 并 加 以 对 比 、 讨 论 ： 图 20 是 东 1 测 点 的 AMT 法 获 得 的 视 电 阻 率 和 相 位 曲 线 ， 测 点 距 220V 高 压 线 较 近 ， 可 见 曲 线 跳 动 的 比 较 厉 害 ， 这 是 电 磁 噪 声 干 燥 的 结 果 ； 在 1Hz 以 下 视 电 阻 率 值 严 重 分 散 并 大 于 45下 降 ， 这 是 “死 区 ”天 然 场 源 活 动 水 平 极 低 所 致 。 如 果 延 长 记 录 时 间 上 述 问 题 可 以 改 善 。 图 20 辽 宁 省 兴 城 市 市 郊 东 1 测 点 AMT 观 测 结 果 图 21 是 在 同 一 测 点 张 量 可 控 源 法 获 得 的 视 电 阻 率 和 相 位 曲 线 ， 可 见 曲 线 非 常 规 则 ， 观 测 精 度 极 高 ， 在 “死 区 ”没 有 观 测 误 差 。 视 电 阻 率 和 相 位 曲 线 显 示 的 地 下 电 性 结 构 非 常 清 晰 ； 在 8192Hz-300Hz 高 频 段 xy 和 yx 重 合 ， 并 逐 渐 抬 升 ， 表 明 浅 层 是 电 阻 率 值 逐 渐 升 高 的 、 一 维 的 沉 积 盖 层 ； 在 150Hz 左 右 出 现 低 阻 层 ， 它 可 能 是 含 水 层 或 基 岩 风 化 含 水 层 ； 然 后 xy 和 yx 相 互 分 离 并 明 显 抬 升 ， 前 者 表 明 已 进 入 二 维 构 造 ， 后 者 表 明 已 进 入 高 阻 基 岩 。 到 0.5Hz 仍 未 进 入 近 场 区 ， 意 味 着 在 这 里 张 量 可 控 源 勘 探 深 度 可 达 3000m 以 上 。 图 21 辽 宁 省 兴 城 市 市 郊 东 1 号 测 点 张 量 可 控 源 观 测 结 果 图 22 是 在 同 一 测 点 标 量 可 控 源 法 （ CSAMT） 获 得 的 视 电 阻 率 和 相 位 曲 线 ， 也 有 较 高 的 观 测 精 度 ， 但 个 别 频 点 有 跳 动 。 由 于 它 是 标 量 观 测 结 果 ， 不 能 反 映 地 下 的 二 维 构 造 ， 这 是 严 重 缺 点 。 图 22 辽 宁 省 兴 城 市 市 郊 东 1 号 测 点 标 量 可 控 源 观 测 结 果 2014 年 9 月 中 国 地 质 调 查 局 地 球 物 理 地 球 化 学 研 究 所 ， 在 雷 达 研 究 员 主 持 下 在 甘 肃 省 玉 门 市 明 水 乡 利 用 张 量 可 控 源 电 磁 法 进 行 项 目 观 测 。 明 水 乡 村 落 稀 少 ， 但 测 点 附 近 有 矿 山 开 矿 和 大 型 筑 路 机 工 作 。 图 23 是 3 测 线 68 号 测 点 的 AMT 法 获 得 的 视 电 阻 率 和 相 位 曲 线 ， 可 见 在 3000Hz 左 右 和 7Hz 以 下 AMT 的 视 电 阻 率 曲 线 xy 和 yx是 严 重 歪 曲 的 ， 这 是 天 然 活 动 水 平 极 低 （ 死 区 ） ， 记 录 时 间 太 短 所 致 。 图 24 是 同 一 测 点 张 量 可 控 源 获 得 的 视 电 阻 率 和 相 位 曲 线 ， 可 见 曲 线 非 常 规 则 ， 在 600Hz 左 右 的 浅 层 和 20Hz 左 右 的 下 部 分 别 出 现 视 电 阻 率 略 低 的 电 性 层 ， 从 200Hz 开 始 21 xy 和 yx 两 条 曲 线 开 始 分 离 ， 表 明 地 下 电 性 结 构 已 进 入 二 维 。 由 于 张 量 可 控 源 法 观 测 误 差 极 小 ， 所 以 能 清 晰 地 显 示 地 下 电 性 结 构 的 微 小 变 化 。 到 4Hz 仍 未 进 入 近 场 区 ， 意 味 着 在 这 里 勘 探 深 度 可 达 3000m 以 上 。 图 23 甘 肃 省 玉 门 市 明 水 乡 3 测 线 68 号 测 点 AMT 观 测 结 果 图 24 甘肃省玉门市明水乡 3 测线 68 号测点张量可控源 五、张量可控源 TCSMT 和标量可控源 CSAMT 观测结果对比 1.视电阻率和阻抗相位曲线对比分析 云南省遮放地区曾做过标量可控源法（CSAMT）测量，为了两者对比 TCSMT 测点选在 CSAMT 测点的相同位置上。两个方法的收发距均为 6km。 为了提高工作效率，在此次调查中张量可控源法采用了交替偶极发射装置，该装置分 别向两对相互垂直的电偶极子发射电流，产生两组不同极化方向的磁场信号，根据公式 （5 ）和（6 ）可以求取四种张量阻抗要素值，对其旋转后解出主轴方向上的 TE 模式和 TM 模式下的视电阻率曲线 ， 和视电阻率曲线 ， 。 在此我们仅选择两个相同测点上的张量 TCSMT 曲线和标量 CSAMT 曲线进行对比分析。 图 25a 3060 测点的张量 TCSMT 视电阻率曲线 图 25b 3060 测点的张量 TCSMT 阻抗相位曲线 图 26a 3060 测点的标量 CSAMT 视电阻率曲线 图 26b 3060 测点的标量 CSAMT 阻抗相位曲线 图 27a 3980 测点张量 TCSMT 视电阻率曲线 图 27b 3980 测点的张量 TCSMT 阻抗相位曲线 10000 1000 100 10 1 10000 1000 100 10 1 10000 1000 100 10 1 蟻 QH 型 频 率 频 率 视电阻率 阻抗相位 蟻 蟻 HKH 型 视电阻率 阻抗相位 频 率 频 率 蟻 HKH 型 视电阻率 阻抗相位 频 率 频 率 23 图 28a 3980 测点的标量 CSAMT 视电阻率曲线 图 28b 3980 测点的标量 CSAMT 相位曲线 测点 3060 位于盆地边缘，图 25a 是 3060 测点上的张量 TCSMT 视电阻率曲线，可见从 15000Hz30Hz 曲线非常圆滑，观测误差很小，30Hz 以下进入进场区，曲线呈 45上升。 TE 模式的视电阻率曲线 为 HKH 型，TM 模式视电阻率曲线 也是 HKH 型，但两者在低 频段出现的极小值频率有明显差异，说明地下构造在深处是非一维的。 曲线和 曲线 沿纵坐标轴有偏移值，可能是表层非均匀体引起的静位移。图 25b 的张量阻抗相位曲线与 视电阻率曲线有类似特征。 图 26a 是 3060 测点上的 CSAMT 视电阻率曲线 ，可见从 5000-30Hz 曲线非常圆滑， 观测误差很小，30Hz 以下进入近场区，曲线急速下降。标量视电阻率曲线 为 QH 型，曲 线特征与张量视电阻率曲线有显著差异，它不同于 ，也不同于 曲线。图 26b 的标量 阻抗相位曲线与标量视电阻率曲线有类似特征。 测点 3980 已进入山区，图 27a 是 3980 测点上的张量 TCSMT 视电阻率曲线，从 15000Hz30Hz 曲线非常圆滑，观测误差很小，30Hz 以下进入近场区，曲线呈 45上升。 TE 模式视电阻率曲线 为 HKH 型，TM 模式的视电阻率曲线随频率降低急剧下降，与 明显分开，表明在深处地质构造是二维或是三维的。图 27b 的张量阻抗相位曲线有类似 特征。 图 28a 是 3980 测点的标量 CSAMT 视电阻率曲线 ， 在 10000Hz30Hz 曲线非常圆滑， 观测误差很小，30Hz 以下进入近场区。标量视电阻率曲线 为 AH 型，曲线特征与图 26a 的两条张量视电阻率曲线均有明显差异。图 28b 的标量阻抗相位曲线与标量视电阻率曲线 有类似特征。从上述可见： 1）无论是张量可控源法（TCSMT）还是标量可控源法（CSAMT ）都能获得高质量的观测数 据，这是因为可控源电磁法是人工发射场源，场源强度大，电磁信号强，能有效地压制人 文电磁噪声干扰。 2）张量可控源的分辨率高于标量可控源的分辨率，例如 3060 测点上的 和 视电阻率 曲线为 HKH 型，而标量视电阻率曲线为 QH 型；3980 测点上的 视电阻率曲线为 HKH 型， 而标量视电阻率曲线 为 AH 型。这是因为在二维介质中的电磁场不仅沿深度 Z 变化，而 且也沿倾向 X 方向变化，而在用标量方式进行观测时忽略了电磁场 Z 分量（Hz 和 Ez）沿 X 方向变化所引起的电磁感应，所以它无法清晰分辨二维介质中的分层。 3）张量可控源的视电阻率和阻抗相位曲线客观地反映了地下构造特征，例如 3060 测点位 于盆地边缘，有一定厚度的低阻沉积层覆盖，所以张量视电阻率曲线的高频段视电阻率值 显著降低至 40 欧姆.米以下（图 25a） ；相反，标量视电阻率曲线 在高频段呈上升趋势， 其视电阻率左技渐进线趋近于 100 欧姆.米，这显然与低阻层覆盖区不符。 3980 测点已进入山区，测点附近有基岩出露，有转薄的风化层，张量视电阻率曲线高 10000 1000 100 10 1 蟻 QH 型 阻抗相位视电阻率 频 率 频 率 频段呈 HKH 型，左技渐近线趋于 300 欧姆.米，在低频段 和 显著分开，这些特点反应 了表层是相对低阻的风化层，下伏高阻基底，在更深处有低阻层存在。而标量视电阻率曲 线 从高频低频呈线性上升，反映不出风化层的存在。 测点 3060 和测点 3980 相距 900m，属于同一构造单元，只是前者浅部有较厚低阻沉 积层，后者浅部是相对低阻的风化层。两个测点的张量视电阻率曲线均为 HKH 型，但前者 视电阻率曲线值明显低于后者，这些特点反应了两个测点的地质情况。但两个测点的标量 视电阻率曲线类型和特征截然不同，一个为 QH 型，视电阻率值随频率降低而快速下降， 一个为 AH 型视电阻率值随频率降低而快速上升，不能反应两个测点的情况。 2. 探测结果与已知地质资料的对比分析 1）某矿区沉积变质铁矿张量与标量探测结果对比 该矿区属沉积变质型铁矿，主要工业矿体多分布在变粒岩及片岩向大理岩过度的部位。 矿体呈南北向延伸，多呈似层状、透镜状，矿体单层厚度数米数十米，单孔见矿最大厚度 为 97 米。 图 29 标量可控源（左）和张量可控源（右）野外布置示意图 为查明该区矿体分布，安徽省地球物理地球化学勘查技术院早期进行过标量 CSAMT 勘 探，2012 年又进行了张量 TCSMT 勘探，野外布置图如图 29 所示，收发距 10km。CSAMT 只能观测互为垂直的磁场分量 H 和电场分量 E, TCSMT 必须观测磁场分量 Hx，Hy 和电场分 量 Ex，Ey 四个分量。 25 （a）工区地质剖面 （b ）标量 CSAMT（左）和张量 TCSMT（右）反演结果 图 30 标量 CSAMT 和张量 TCSMT 测量反演结果对比 图 30a 是根据钻孔资料编制的工区地质剖面图，地表至200m 深是第四系粘土层，下 伏太右界变质岩系。浅部厚度较大的透镜状铁矿（红色）埋藏在变质基岩面上，深部呈弓 形展布厚度薄，延伸大的铁矿（红色）分布在变质岩系内部。厚度较大的透镜状矿体在反 演剖面上位于高低阻过渡带上，这是因为上覆第四系粘土层孔隙率大，充水后电阻率非常 低，仅为几欧姆米至十几欧姆米；而下伏的变质岩系是高阻层，进入该层后电阻率迅速升 高，矿体虽然具有低阻特征但由于相对厚度小，通常