小框瞬变电磁法(TEM)的勘探深度.doc

小框瞬变电磁法(TEM)的勘探深度作者：admin 来源：本站 发表时间：2009-12-25 8:39:42 点击：1493陈易玖(广东省地质勘查局)摘 要 T EM 实际工作往往遵循极限探深的理论 ,采用要探多深就用多大回线边框的做法 ,限制了 T EM 应用的发展 。本文先通过几个实例说明小框 T EM 可以实现较大的勘查深度 ,然后着重从 理论上论证之 ,并探讨了影响极限探深的有关问题 。文章最后介绍了小框 T EM 工作方法技术 ,供 勘查者参考 。关键词 小框 T EM 极限探深 展开法 Nano 直接展开法中图分类号 P3186 + 3作者简介 陈易玖 ,男 ,1947 年生 , 高级工程师 ( 教授级) 。1970 年毕业于北京地质学院物探系 。 长期从事物探工作 。通讯地址 :广州市东风东路 739 号 ,广东省地勘局 。邮政编码 : 510080 。0 引言在瞬变电磁法 ( T EM) 勘查中 ,小框发射较大框 发射的优势在于便于施工 、增强分辨率和提高抗干 扰能力 。根据传统的认识 ,要探多深 ,一般就用多大 回线边框 。广东省地质勘查局等单位近年在找矿与岩土勘察实践中 , 初步体会到 T EM 法事实上可以 实现比原认为的勘探深度要大。适当缩小回线的边 框尺寸 ,仍然可以满足一定深度的勘查要求 。1 极限勘探深度的传统理论与实践的冲突 传统勘探深度的理论研究多以简单的导电球体为例 ,考虑半空间导电介质的地质噪声和随机干扰 噪声 ,通过设定信噪比和简化条件 ,得出极限勘探深 度 。设中心回线或重叠回线边长为 b , 相同面积的 圆回线半径为 R , 导电球体半径为 a , 极限探深 ( 球 心) 为 d ,导电球体与围岩电阻率分别为球、围 , 则 有 :d = 0 . 9a (围/球) 1/ 4那么 ,信噪比最佳时 b = 1 . 1d (中心回线)b = 0 . 7d (重叠回线)这就是说 ,极限探深与回线边长大体相当 ，此与勘查实践有较大“出入”,现举 3 个例子说明 。(1) 罗定市新榕 ( 铁) 锰矿 T EM 普查 ( 国产仪 器) ,采用 35 m 边长的重叠回线扫面 3 . 45 km2 ,1 号 主矿的 T EM 异常在 7 线受 F9 断层影响 , 向北偏移 ,按上述物探理论的探深原则 ,推测矿体埋深 70m (该矿为板状体 , 所 以 用 2 倍 边 框 大 小 估 算) 。Z K701 普查钻孔仍按矿体原走向布设而落空 ,后按 T EM 异常布设 Z K702 钻孔 , 在 130 多米见到十余 米矿体。工程查证表明 ,勘探深度达边框长度的 4 倍 。(2) 高明市长坑大型卡林型金矿区主矿体 4 线 剖面 T EM 试验 ( GD P - 32 仪器) ,采用重叠回线装置 ,发射边框长 20 、40 、60 m 三种 。该矿产于砂岩与 灰岩界面的硅化破碎带中 ,上部为金 ,下部为银 。金 主矿体呈大透镜状 ,中部厚 37 m ,埋深 100150 m 。 金矿延深部位为银矿 ,两层似层状 ,第一层厚 7 m , 中心埋深 180 m ; 第二层厚 8 m , 中心埋深 205 m 。 对比表明 ,40 m 边框的 T EM 数据作的电阻率反演结果 ,与金矿 、银矿矿体形态较相似 ,重叠回线对大 透镜状金矿体勘探深度达边框长度的 3 . 7 倍 ,对厚 层状银矿体 (包括黄铁矿化硅化破碎带) 勘探深度达 边框长度的 5 倍 。(3) 周安昌研究员在广东清远北江桥梁工程进行 Nano T EM 勘查 , 目的是查明江底岩溶分布 , 采 用边框为 20 m 的中心回线 ( GD P - 32 仪器) ,经已 知 2 - 2剖面 Z K6 号钻孔 (孔深 67 . 9 m) 对比 ,在江边岸上第四系达 30 m 覆盖条件下 ,基岩面下数米处 及钻孔下部均发现与钻探结果相符的小岩溶 ,说明在低阻屏蔽下 ,勘探深度仍分别达边框长度的 1 . 7倍和 3 倍 。2 导电球体极限探深理论的初步探讨2 . 1 导电球体的极限探深公式导电球体 、半空间 、瞬时噪声 、导电覆盖层的T EM 电压效应球 、地 、瞬 、覆 的表达式如下 :球 = 0 . 12Ia3 R4 t - 1(t ) ( d2 + R2 ) - 3 (1) 地 = 0 . 055/ 21/ 2 IR4围 - 3/ 2 t - 5/ 2 (2) 噪 =R2 (3) 覆 = 0 . 1884IR4 h覆3覆 - 3 t - 4 (4) 式中 :(t ) = 25t exp ( ( - k) 2t )=球/ (a2 )求和 , K = 1 至无穷大的整数 。由于 K 2 , e - 4是个很小的数 (可略) ,所以 K = 1 即可 。为空气导磁率 ,t 为延时时间, 为瞬时噪声 , I 为发射电流 ,h覆 、覆分别为导电覆盖层厚度、电阻率。2 . 1 . 1 传统方法求极限探深公式(1) 半空间地质噪声求极限探深 , 取(t ) = 1 (极大) , t = 0 . 1 ,信噪比为 2 ( 本文设定) 的条件下 ,得 :d = (0 . 4a2围1/ 2球 - 1/ 2 - R2 ) 1/ 2 (5) (2) 瞬时噪声求极限探深 ,取瞬时噪声为 50 nV/m2 (本文设定值 ,是传统公式瞬时噪声的 100 倍 ,所以公式 (6) 的系数与传统不同) , R/ d = 0 . 707 ,信噪 比为 3 ,其它条件同 (1) ,得 :d = 32 . 4 (a I 球) 1/ 4 (6)(3) 导电覆盖层噪声求极限探深 , 条件同 ( 1 ) ,得 :d = 0 . 508 a3/ 2覆1/ 2球 - 1/ 2 h覆 - 1/ 2 (7)2 . 1 . 2 直接展开法求极限探深公式考察 (1) 式 , (t ) 为极大 ,t 3/ 2(t ) 不一定极大 , 而且实际勘查一般不会在t = 0 . 1 的时间上 ,因此有必要将 (1) 式直接展开 ,求不同时间的极限探深 ,本文将此计算方法称为“直接展开法”。为便于计 算 ,t 单位已化为s 。（1）半空间地质噪声求极限探深 (信噪比为 2) d = (3 . 1a1/ 3围1/ 2球1/ 3 t 5/ 6 exp ( - 2 . 61球 t / a2 )- R2 ) 1/ 2 (8)(2) 瞬时噪声求极限探深 (信噪比 = 3 ,瞬时噪声= 50 nV/ m2 ) d = ( a I R3/ 2球1/ 3- 1/ 3 exp ( - 2 . 61球 t / a2 ) - R2 ) 1/ 2 (9)(3) 导电覆盖层噪声求极限探深 (信噪比 = 2) d = ( 0 . 01753 a1/ 3覆 h覆 - 1球1/ 3 t 4/ 3 exp ( - 2 . 61球 t / a2 ) - R2 ) 1/ 2 （10）2 . 2 导电球体极限探深有关问题的探讨分别导电围岩 、瞬时噪声 、导电覆盖层三种情况 ,在不同条件下的传统方法与直接展开法求限探深的 MA TL AB 计算结果见表 1 、表 2 、表 3 。由公 式 (8) 、(9) 、( 10) 和表 1 、表 2 、表 3 的直接展开法数据可以看出 :(1) 极限探深一般都可达发射边长的数倍 ,此为 采用小框勘查在理论上找到了依据。(2) 导电围岩 、瞬时噪声 、导电覆盖层三类对探 深影响最大的是半空间地质噪声 。但是 ,这里忽略了显现异常不仅体现在异常与 地质噪声在量的方面差异 ( 表中设定信噪比为 2) ,更重要的是体现在二者空间分布规律性的差异 。T EM 勘查实践表明 ,除复杂区除外 ,地质噪声常表现为有规律的缓慢的变化 ,有的表现为近似常量 ,在 单个测深曲线中虽难识别异常 ,但在剖面中 ,尤其是 (多) 剖面平面图中 ,一般是容易被识别的 。因此一 般说来 ,实际勘查深度受地质噪声的影响要小 ,即勘 查极限探深要比表所列大得多 。另外 ,并不是框越大探深越大 , 实际上 10 m 与20 m 框 ,在表 1 条件下 ,探深差不多。仅从围岩 、矿 体这一个条件看 ,甚至 10 m 框探深还大于 20 m 框的 探深 。对于表 1 所列的围岩、矿体条件 ,可供观测的时 间都在几十微秒以内 , 其中(t ) 极大法的最佳延时时间仅为数微秒 ,不是现有仪器所能观测得到的 。 按直接展开法数据 ,在现有仪器条件下 ,在最佳延时 之后 ,可供勘查的时间区间较大 。至于国产仪器 ,都工作在大延时区 ,为何还能对小地质体产生仪器可接收的异常 ,此应另辟专题研究 。(3) 在小延时勘查时区 ,瞬时噪声对勘查深度的 影响不大 。增加电流和适当加大边长都有可能增大探深 ,电流加大 2 倍效果 ,大致相当于边框增一倍 。 由于加大电流 (或匝数) 比加大边框容易得多 ,所以压制瞬时噪声一般宜先考虑采用增大电流 (或匝数) 的办法 。但是 ,并不会是电流越大 (匝数越多) 越好 ,更不是电流越大 ( 匝数越多) , 探得越深 , 深度与电 流 、匝数不是简单的正比关系 。预计在较大延时勘查时区 ,瞬时噪声对勘查深度的影响会明显增大 ,甚至成为增大勘探深度的主要矛盾 ,因此必须适当增大电流 ,但是增大电流 ,同 时会增加地质噪声 ,这就要现场试验确定增大电流的幅度 。在增大电流方面 ,目前国产仪器优势明显 。(4) 低阻覆盖层 ( 包括水) 的影响较小 , 说明 T EM 穿透低阻覆盖层的能力较强 。加大边框无助 于增加穿透能力 。2 . 3 影响极限探深的其它应考虑的问题(1) 二次场有被“发现”与被“分辨”之分 。理论 公式指的是后者 ,勘查实践指的是前者 。“发现”异 常 ,是指被探目的物异常不一定很完整 ,异常强度可 较小 ,能识别就行 。T EM 勘查的“发现”异常要比 “分辨”异常的深度大较多 ,这一点与弹性波勘查有点类似 。在实际勘查中“发现”异常是最重要的 。(2) 信噪比未必一定要达到最佳 。典型的例子 如 Nano T EM 尾部虽然信噪比 ( 噪声主要是瞬时噪 声) 低一些 ,但通过滤波 ,可利用时间区间将延长 1/4 - 1/ 3 ,较大地增加了勘探深度 。(3) 所探讨的球体为三度体 。勘查常见的二度 体(如板状体) 要比三度体极限探深大得多 ,且场衰减得慢 。3 小框 T EM 的勘查一般工作方法技术3 . 1 小框 T EM 勘查深度估计的一般思路目前 , T EM 的勘查实践与直流电法 、电化学法 相比 ,显得微不足道 。在这种实践很少的情况下 ,用下面两条综合估计勘探深度是可行的 。(1) 首先看一下在相当于二次场有效窗口时间 内 ,半空间一次场极值能否扩散到探测目的物的深度 。这是必须条件 。由场的一维扩散方程 ,在忽略位移电流情况下 ,可求出场的极值深度。这是必须条件 。 由场的一维扩散方程 ,在忽略位移电流情况下 ,可求出场的极值深度。Zmax = 1262 (围 t ) 1/ 2 (11)式中 : t 为场传播的时间 ,此值用实测的二次场 有效窗口时间替代 。如围 = 500 m , t = 100s ,则 Zmax = 283 m 。由(11) 式可知 ,如果半空间介质电阻率为已知 时 ,要增大勘探深度 ,就是要增加有效窗口时间 t 。所谓有效窗口时间 ,是指单点测深曲线符合场的下降规律的时间区间 。在此区间内 , 对于等对数间隔 T EM 来说 , 要求不出现负值 ; 对于 Nano T EM 来说 ,尾部允许出现跳动的负值 ,但尾部下降趋势 ,应 符合场的下降规律 。(2) 如果一次场极值能扩散到探测目的物的深 度 ,还要再看一下探测目的物被激励后二次场 ,是否 能在地面被检测到 ,即出现局部异常 。由于有限形体探测目的物的二次场极值传播距离 ,要小于按公式 (11) 计算的一次场传播的距离 ,再加上地质噪声 、瞬时噪声 、低阻覆盖层的干扰 ,二次 场极值传播的距离还要减小 ,所以不能用公式 ( 11) 估计深度 ,但可以用试验测线是否有异常出现来初 步检验 。方法是通过试验测线的电位多道剖面图或 多测线某道 ( 一般为晚期道) 电位平面等值线图上(加色阶 、地质背景) ,在有效时间 t 内 ,有无符合被探目的物深度的局部异常出现 。出现了异常 ,并不等于该异常就是被探目的物 。如果该区有钻探资料或已有 T EM 工作效果对比的 话 ,一般可以做出正确的判断 ,但如果在 T EM 工作 经验不多的地区 , 一般说来 , 还需要现场已知条件 (如钻探资料 、地质观测 、或其它方法等) 的对比 ,方可得出肯定的结论 。3 . 2 小框 T EM 勘查的装置与一般工作方法技术(1) 在找矿勘查中一般采用重叠回线 ,回线边长10 m 至 40 m ; 等对数间隔采样或等算术间隔 ( Nano T EM ) 采样 ;根据探测目的物的深度区间 ,设置发射 匝数与电流强度 。一般说来 , 山区可探深 200 -300 m ,难点在于往往深 、浅难以都顾及 ,解决办法之 一是增减匝数 ,变换发射电流强度 ,两种采样间隔都同时测量 。GD P