0 引言

矿产资源的利用为经济社会发展提供了重要的保障，而且随着经济规模的不断扩大，矿产开发的力度也随之加大，过去矿产开发主要集中在500 m以浅的矿产资源，造成我国浅部矿产已大幅缩减.有效拓展第二深度空间(500~2000 m)矿产资源探测，是一项紧迫的战略任务.电磁探测作为矿产资源调查手段发挥着重要的作用，大地电磁测深法(Magnetotellurics，MT)在探明深部地质构造以及圈定成矿范围中发挥着重要作用，它具有探测深度大的特点，但由于天然源信号本身非常弱，且观测时间长造成抗干扰能力以及工作效率都较低(Cagniard, 1953；刘国栋, 1994；赵国泽等, 2007；陈乐寿, 2009；Chave and Jones, 2012)；可控源音频大地电磁测深法(Controlled Source Audio-Frequency Magnetotellurics，CSAMT)是目前矿产资源勘查的有效手段(于昌明，1998；汤井田和何继善，2005)，对于顶面埋深较浅、近垂直方向展布的矿脉有良好的分辨能力，但由于存在近场效应、体积效应等原因，对具有一定埋深、水平展布的矿脉识别能力相对较弱(Wang et al., 2010)；传统的瞬变电磁方法多采用磁性源装置或者长偏移距电性源(LOTEM)的工作形式，磁性源瞬变电磁虽然体积效应小，但是探测深度较小，而且对高阻体不敏感，LOTEM探测深度大(10 km)，但是精度一般不高，近年来发展较快的SOTEM相较于磁性源瞬变电磁与LOTEM提高了探测精度及深度(Um et al., 2012；Ziolkowski, 2012；薛国强等, 2013；Xue et al., 2014；Chen et al., 2015)，但并不能完全满足深部找矿的需求.

在传统电性源瞬变电磁方法基础上发展起来的多通道瞬变电磁方法(Multi-Channel Transient Electromagnetic Method，MTEM)最早由爱丁堡大学的教授Anton ziolkowski课题组提出并发展，经历了早期方法探索，中期试验修正，后期系统集成等三个阶段，其特点主要是采用大功率接地源形式、编码发射、多道观测、类地震资料处理(薛国强等, 2015, 2016)，MTEM方法由于采用接收固定，发射移动的工作模式，非常适合在海上进行拖曳活动，使得工作效率大为提高，在方法提出不久便成功应用于海洋油气勘探中(Wright et al., 2002, 2005；Ziolkowski et al., 2002, 2005, 2008；Hobbs et al., 2006；Ziolkowski，2007)，同时发现在共中心点—偏移距坐标下直接显示大地脉冲响应的导数能有效检测储藏流体的移动.

MTEM工作原理是通过接地电偶极子向地下发射大功率伪随机编码源，同时测量发射端的电流变化以及接收端电压变化，通过反卷积的方法提取大地脉冲响应，根据大地脉冲响应的峰值时刻计算视电阻率.由于该方法采用线源发射频带宽且能量谱密度低的伪随机编码信号、阵列式多道重复观测、时间域多次叠加和空间多道覆盖等拟地震技术，并且与传统时间域方法主要利用二次场信息不同，多通道瞬变电磁响应同时包含一次场和二次场的信息，在提取大地脉冲响应并估算视电阻率值的过程中，一次场和二次场信息都有效的包含在内，具有更深的探测能力.

国内学者从正演及解释方法上进行了研究，例如：汤井田和罗维斌(2008)分析了变频法和2ⁿ系列伪随机电磁法的场源信号特点，提出了基于相关辨识的逆重复m序列伪随机电磁法；李海等(2016)研究了MTEM伪随机码的生成和一维MTEM的正反演；智庆全(2015)利用偏移成像的方法对MTEM的数据展开了处理；王若等(2016, 2018)采用数值方法模拟出了与野外实测相近的伪随机编码源的时域响应信号以及利用有限元方法进行了二维正演研究；钟华森等(2016)则研究了相关叠加法提取了MTEM的虚拟波场；在实际应用方面，底青云等(2016)利用自主研制的多通道瞬变电磁系统在内蒙曹四夭钼矿成功进行了多次集成试验，张文伟等(2018)对MTEM野外工作方法以及在金属矿的应用效果进行了介绍.这些研究大多集中在对高阻储层的模拟以及信号处理上面，对于大埋深条件下低阻异常体的大地脉冲响应特征则研究较少.

内蒙古某铅锌银矿由于埋藏较深，且顺层赋存于中高阻的火山岩中，运用传统的电磁方法无法完全满足探测目的，多通道瞬变电磁方法为解决这一问题提供了新的思路.本文首先根据内蒙古某铅锌银矿地层条件设计地质模型，计算了沿测线方向大地脉冲响应，发现沿测线方向电场的大地脉冲响应能有效反映大埋深异常体的信息，然后，通过在该铅锌银矿的探测实例，研究多通道瞬变电磁技术在探测陆地深部低阻矿体的潜力，对实际数据进行了奥克姆反演，其结果与钻孔资料对比，说明了多通道瞬变电磁法能够有效识别深部低阻异常体以及提高探测深度，进一步表明多通道瞬变电磁法在探测埋深较大的低阻矿体方面具有较好的应用前景.

1 测区介绍

测区位于内蒙古兴安盟乌兰浩特市(图 1)，主要地层为侏罗系上统白音高老组(J3b)、玛尼吐组(J3mn)、满克头鄂博组(J3mk)及第四系(Q4)，发现的银铅锌矿体赋存于侏罗系火山岩地层之中，呈层状.

根据相关地质资料，测区岩层主要包含第四系松散沉积层、流纹岩、火山角砾岩以及矿化的火山角砾岩还有凝灰岩，矿体最大埋深在1000 m左右，地层的平均电阻率以及埋深厚度见表 1.

2 一维正演

为了更好的研究MTEM方法在含深埋低阻层情况下的脉冲响应特征，首先构建一维简单模型进行分析.表 2表示用于正演的目标模型，模型包含三层，分别代表第四系的黄土层、高阻的火成岩、低阻的矿化层，并将只含有第一、第二层的模型视为背景模型.

我们假设发射源长度为Δl，发射电流为I，偏移距为r，每一层厚度和电导率分别为d₀、d₁、…、d_N、σ₀、σ₁、…、σ_N，则轴向瞬态场的拉普拉斯变换为(Edwards, 1997)：

(1)

其中s为拉普拉斯变量，F和G为汉克尔变换，公式为

(2)

(3)

在忽略位移电流的情况下，Y₀和Q₀可以表示为

(4)

(5)

其中为真空中介电常数以及磁导率，Y₁和Q₁的计算公式为

(6)

(7)

其中，θ_i²=λ²+sμσ_i，i=0, 1, 2…N.通过公式(6)、(7)由下往上递推即可求出多层模型下拉普拉斯域的瞬态场，之后再借助G-S变换做逆变换计算时间域的瞬变过程(Knight and Raiche, 1982).

Ziolkowski等(2007)已经证明峰值时刻可以描述地层视电阻率值，一般在均匀半空间下轴向电场脉冲响应的计算公式为(Wait，1960)：

(8)

其中μ是真空中的磁导率，为4π×10^-7 H·m^-1，r是偏移距，单位为m，t为晚期时间道，ρ是层电阻率，如果公式(8)对t求导，并令导数为零，可以得到峰值时刻为

(9)

所以，电阻率可以表示为

(10)

公式(10)说明了偏移距、峰值时刻以及视电阻率之间的关系.

为了便于与背景模型对比，将大地脉冲响应做归一化处理，公式为

(11)

其中Impulse|_T、Impulse|_B分别代表目标模型和背景模型的轴向电场脉冲响应.文中采用发射电流大小为10 A，长度为1 m，偏移距为2 km，数值计算结果如图 2所示，实线代表含深部异常体模型的脉冲响应，虚线为背景模型的脉冲响应，图中可以明显看出到达峰值时刻存在着明显的差异(T_B和T_T)，说明脉冲响应可以有效反映低阻体的信息.

3 二维正演

按照Wright等(2002)文中的阐述，如果把大地看作一个线性时不变系统，则接收端电压可以认为是输入电流与大地脉冲响应的卷积，即：

(12)

其中，v(t)是接收电压，i(t)是发射电流，g(t)是大地脉冲响应，r(t)是接收仪器的脉冲响应，n(t)是记录接收电压时记录下来的噪声.由于发射AB电极间存在接地电阻以及导线的阻抗等原因，发射系统会改变理论发射电流的大小，因此i(t)实际为理论发射电流的发射系统的响应，在记录接收电压的同时，需要使用一台接收机去记录发射端发射电流，实际记录的发射电流为

(13)

其中，i(t)为发射电流响应，r′(t)为记录电压设备的脉冲响应，s(t)即为实际记录的发射端电压.假设仪器一致性良好，所有接收机的脉冲响应如此接近而可以不考虑它们的差异，则有：

(14)

根据输入s(t)与输出v(t)的关系，通过反褶积运算计算出大地脉冲响应g(t)(Robinson，1967；Webster, 1978；Robinson and Osman, 1996).当采用伪随机编码信号作为激励源时，得到的全波形响应与常规瞬变电磁法所得的衰减曲线不同，其中既包含一次场的响应也包含感应得到的二次场的响应，本文首先采用有限单元法计算二维模型的频域响应，通过余弦变换求得时间域的阶跃响应，在频域中二维电场的变分问题可以表示为(王若等，2018)：

(15)

用双线行插值函数作为形函数，每个单元的场值u可用角点的场值u_i和形函数N_i表示为u=，代入公式(15)中，可以得到二维频率域有限元方程为

(16)

通过LU分解法解方程组，即可得到各节点的电场值.然后利用阶跃响应与电流导数的褶积来计算实际发射波形的电磁响应(王若等，2006；殷长春等，2013；齐彦福等，2015)，即：

(17)

其中，I(t)为发射电流，H(t)为下阶跃响应.

由于伪随机信号具有二值自相关特性，根据公式(14)进行反卷积提取大地脉冲响应问题可以转换成求解维纳-何甫方程(Duncan et al., 1980; Pipkin, 1991; Noor, 1993; 李海等, 2016)：

(18)

其中R_vs为源电流与接收响应的互相关函数，R_ss为伪随机信号自相关函数，T_s为大地脉冲响应的最晚时间道，通过源电流与接收电压的互相关计算，公式(18)可以写成矩阵形式为

(19)

矩阵方程组(19)采用莱文森递归算法进行求解，得到大地脉冲响应(邹谋炎, 2001).

为了研究MTEM对较大埋深的水平层状矿脉的探测能力，设计了如图 3所示的二维模型，第一层模拟第四系松散沉积层，层厚30 m，第二层模拟经历岩浆作用的流纹岩及火山角砾岩，层厚1200 m，第三层模拟地层基底，将此三层模型作为背景模型，在背景模型中设计一个水平沿伸500 m，厚度为50 m，顶板埋深为1000 m的低阻层，地面布设一条长度为3000 m的观测剖面，位置从100 m到3100 m，测点间距设为50 m.

发射源T_x位于地面，并将发射源位置设为坐标原点，发射波形为5阶m序列伪随机编码，发射波形如图 4所示.

图 5是通过下阶跃响应与电流的导数褶积得到沿测线方向在偏移距为2000 m的电场响应，通过与发射的伪随机信号做反卷积提取得到的大地脉冲响应如图 6a中实线所示.

分别计算目标模型以及背景模型在偏移距2000 m、2250 m、2500 m、2750 m处沿轴向电场的大地脉冲响应并做归一化处理，结果如图 6所示.

从图 6中可以看出，随着偏移距的增加，脉冲的幅值逐渐减小，而且峰值时刻变大，所以偏移距过大会导致脉冲变小甚至观测不到，不同偏移距下对异常体的反映也不一致，在异常体的正上方结果最为理想(图 6b).另外，脉冲的早期出现轻微震荡，分析可能是由于空气波所导致，所以在提取脉冲响应时应尽可能的切除早期道的数据.

4 MTEM探测实例

一维模型和二维模型的正演结果都表明，MTEM方法对深部低阻层具有较好的反映能力，为了验证MTEM方法在实际应用中的效果，在内蒙古兴安盟某铅锌银矿区开展了探测工作.

4.1 MTEM野外方式布置

此次探测测线依据己有1006号钻孔位置设计，测线为东西方向，如图 7所示.发射使用接地线源，同时使用接地电极观测电场响应，发射电极与接收电极均沿测线布设.发射电流为10阶的伪随机码，码元频率为512 Hz，电流大小在6~25 A之间，重复发射150个周期.

发射极从-5520~16320 m范围内移动发射信号，发射电极距为240 m，接收电极布置在0~10800 m范围内，电极距为60 m.在0~10800 m范围内，由于发射极距要大于接收极距，接收端存在两侧都有发射的情况，称为双边发射区；相应的在-5520~0 m以及10800~16320 m范围内，接收端与发射不在同一侧，称为单边发射区.与2D反射地震勘探装置和高密度电法装置类似，采用多次发射的方式，第一次发射位于-5520 m处，沿测线移动发射源，每次移动200 m，移动至16320 m处结束发射，每移动一次源，整条剖面上的所有测点记录一次信号，并将收发距的中点(偏移距)作为记录位置，最终形成的数据覆盖如图 8所示.

4.2 数据处理

多通道瞬变电磁法在实际测量中需要同时测量发射端电流以及接收端的电压响应，通过对观测信号与系统响应的反卷积，获得大地脉冲响应.以发射位置120 m处，接收位置在4170 m处为例，观测到的发射电流与接收电压如图 9所示，通过观测信号与系统响应的反卷积提取得到大地脉冲响应(图 10).

通过拾取脉冲响应的峰值，得到对应的采样个数(图 10中X值)，将X值与仪器采样率相除即可得到对应的峰值时刻t_{peak, r}，利用公式(10)计算得到视电阻率值为171 Ωm.每一对发射和接收对应一个记录点，每个记录点都可以估计得到一个脉冲响应，并按照峰值时刻可以计算出每个记录点的视电阻率.

为了得到更加准确的地下电性结构特征，必须对MTEM数据进行反演，Ziolkowski等(2007)对海洋MTEM共中心点道集的数据进行了一维Occam反演，取得了较好的效果.本文同样采用Constable等人在1987年提出Occam反演方法，它是一种带约束性条件的反演方法(Constable et al., 1987).这种反演方法在追求模型数据与实测数据最大拟合的同时要求模型最光滑，因此受初始模型影响小，而且在搜索拉格朗日算子的过程中能够找到靠近极值点的目标模型，保证了算法稳定收敛.

图 11b表示在钻孔处的MTEM数据单点一维反演曲线，反演曲线显示在300~700 m深度范围内存在明显低阻异常，反演得到的电阻率断面如图 11a所示.

从图 11可以发现，在测线方向3500~6500 m，深度在300~700 m的范围内存在明显的低阻异常，此范围是矿藏的富集区域，与根据地质及钻孔资料圈定的矿体位置基本一致.

1006号钻孔在测线4260 m处，进深约1000 m，所揭露的岩性以流纹岩、火山角砾岩以及凝灰岩为主，钻孔揭露段未见有区域构造及一级构造发育，根据对岩芯成分分析可知，在200 m以浅的深度上，矿化程度非常低，在300~700 m深度内富集银铅锌矿体(表 3)，700~1000 m的深度范围内也基本未矿化，测量结果显示：锌最高平均品位可以达到1.78%，铅最高平均品位达到1.89%，银最高平均品位达到242.8 g/t(1 t=1000 kg).反演剖面显示在钻孔所指示矿化带的位置显示有明显的低阻异常，与矿体的赋存位置吻合较好.由于MTEM方法具有大功率发射、重复观测以及采集数据信息丰富的优势，所以相比常规电磁方法大大提高了勘探深度，可以反映4 km以内的矿化结构以及地层分布信息.另外，通过对反演剖面进一步分析，在距离9000~10000 m范围内，深度1000 m左右存在有明显低阻异常，推测是含矿岩体，需要进一步验证.

5 结论

多通道瞬变电磁法是通过同时观测接收端信号与发射端信号，并通过反褶积的方法得到脉冲响应，根据脉冲响应的峰值时刻计算出视电阻率值，最后由得到的视电阻率反演得到地下电性结构分布.本文首先根据内蒙古铅锌银矿的特点设计了一维和二维模型，通过对模型的正演模拟提取出轴向电场的大地脉冲响应，表明沿测线方向的电场脉冲响应能有效揭示异常体的存在.利用自主研制的多通道瞬变电磁法装备在该矿区成功实现4 km内矿化结构体有效探测，由于勘探深度的加大，反演剖面上可以明显的勾画出低阻异常体的范围，显示在深度300~700 m位置有明显的低阻异常，经钻孔资料验证这一深度范围是含矿的主要位置.通过以上分析可知MTEM方法由于采用大功率发射，且发射信号采用伪随机编码方式，同时数据处理利用了一次场与二次场的信息，所以可以有效提取深部低阻体异常体信息，便于从更大的尺度获得地下介质分布情况，同时对于研究地层以及构造分布都具有重要意义.

致谢  感谢王妙月研究员、安志国副研究员在此次工作中给与的指导及建议；感谢李海博士、王显祥博士在工作中给与的帮助；特别感谢外审专家提出细致且专业的修改意见.