2017, Vol. 32
可控源音频大地电磁法(Controlled Source audio-frequency Magnetotelluric, CSAMT)有标量测量、矢量测量和张量测量方式之分(汤井田和何继善，2005).理论和实践表明, 标量测量一般只适用于一维电性结构情况，当地质构造呈现为二维或三维电性结构时，张量测量结果明显优于标量测量(Boerner et al., 1993；Bromley, 1993；黄高元和张国鸿，2014；王显祥等，2014). CSAMT的标量测量在近10年来的新一轮地质找矿和深部地质找矿工作中发挥了重要的作用(张国鸿和李仁和，2010；程长根等，2011)，CSAMT的张量测量在我国应用于实际地质找矿工作起步较晚，由于数据处理技术、反演解释软件的缺乏和工作效率低、成本高等原因，实际应用工作进展缓慢.
CSAMT张量测量至少要有两个水平电偶极子的发射场源，近期有人研究了均匀半空间情况下“L”型发射场源的分布特征和数值模拟工作(王显祥等，2014)，但实际应用的案例目前见到的有关报道甚少.本文通过已知深部金属矿区上方由旋转电偶极子产生的不同极化方向场的观测试验结果，并在此基础上选择了三组不同夹角的两个水平电偶极子进行交替发射，观测主矿带中主剖面上电场水平分量Ex、Ey和磁场分量Hx、Hy，以考察不同结构的发射场源激发下，CSAMT张量测量的应用效果.
1 发射场源装置与电磁信号自功率谱 1.1 发射场源装置CSAMT张量发射系统布置如图 1所示.发射系统(TXM-22) 同时向供电电极U、V、W注入电流，使合成电流方向形成两个相互正交的电偶极子进行交替发射，定义测线方向的旋转角(θ)为0°，分别以15°等间隔角，按顺时针方向进行旋转，如0°和90°，15°和105°……75°和165°.发射频率为0.125 Hz、8 Hz、64 Hz、256 Hz和2048 Hz，在测区地质结构简单和无电磁干扰的测点上接收电场分量Ex、Ey和磁场分量Hx、Hy强度的时间序列信号，以此计算不同发射频率、不同极化方向(旋转角：θ)情形下电、磁场信号自功率谱强度，依据电、磁场信号自功率谱强度与发射电偶极子旋转角(θ)的关系，设计出不同极化方向的发射场源.
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图 1 张量CSAMT发射源装置示意图 Figure 1 Schematic of transmitter devices of tensor CSAMT |
目前张量CSAMT法野外记录是时间域上的测量结果.假定取t=0到t=T的有限长度记录为x(t), 以等时间的采样间隔Δt进行采样，得到时间序列x(jΔt), j=0, 1, 2, …, N.求功率谱的途径有两条，一是由x(t)的频谱求取；二是通过x(t)的相关函数求取(刘国栋和陈乐寿，1984).由于相关函数和功率谱是一对傅氏变换，因而可以先在时间域上求相关函数，然后进行傅氏变换，得到功率谱.求取自功率谱具体过程如下：
x(t)的自相关函数为
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(1) |
(1) 式的傅氏变换为
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(2) |
将(1)、(2) 式离散化，得到(3) 和(4) 式为
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(3) |
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(4) |
其中，
发射试验装置如图 1所示.收发距R=7.5 km，以电偶极子旋转角θ=0°、15°、30°、…、150°、165°分别进行发射，发射频率分别为0.125、8、64、256、2048 Hz，在同一个测点上观测电、磁场水平分量Ex、Ey、Hx、Hy，然后计算出不同频率、不同旋转角情况下的电、磁场信号的自功率谱.为了图面的清晰，以8、64、2048 Hz代表低、中、高频情况下的试验结果.
试验1：试验区为第四系深覆盖，厚度达350~400 m，第四系之下为单一的太古界变质岩系，因此，可以视为电性层层状分布的大地情况.试验结果的电磁场功率谱如图 2所示.
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图 2 不同发射角不同频率的电磁场强度功率谱曲线图 (a)电场强度自功率谱; (b)磁场强度自功率谱. Figure 2 The power spectrum of the electromagnetic field intensity at different frequency and transmission angle (a)Self power spectrum of electric field; (b) Self power spectrum of magnetic field. |
图 2表明，发射电偶极子激发产生的电场和磁场水平分量功率谱强度与旋转角(θ)关系曲线的形态，大致是以旋转角θ=90°为中心的呈左右对称的曲线，且电场分量Ex和Ey或磁场分量Hx和Hy呈“镜像”关系.大约在旋转角θ=90°(垂直于测线方向)时，高、中、低频的电场分量Ey(垂直于测线方向)和Hx(平行于测线方向)均取得极大值，同样，旋转角θ=0°(平行于测线方向)时，高、中、低频的电场分量Ex(平行于测线方向)和Hy(垂直于测线方向)均取得极大值，说明该试验区内电磁场是相互正交的，即地下介质分布满足一维情况，可以用CSAMT标量测量方式进行深部找矿工作.即使进行CSAMT张量测量方式，为了使两组信号Ex/Hy和Ey/Hx的信噪比对等或获得最佳的信噪比，由图 2可知，我们应设计一个平行于测线、一个垂直于测线的正交电偶极子的发射场源.
试验2：试验区为第四系覆盖薄，仅有数十米.区内岩浆活动强烈，岩浆岩分布广泛，褶皱、断裂构造发育，地质条件十分复杂.试验结果的电磁场功率谱如图 3所示.
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图 3 不同发射角不同频率的电磁场强度功率谱曲线图 (a)电场强度自功率谱; (b)磁场强度自功率谱. Figure 3 The power spectrum of the electromagnetic field intensity at different frequency and transmission angle (a)Self power spectrum of electric field; (b) Self power spectrum of magnetic field. |
图 3表明：发射电偶极子激发产生的电场和磁场水平分量功率谱强度与旋转角(θ)关系曲线的形态与图 2大不相同，主要表现在：电磁场水平分量(Ex、Ey、Hx、Hy)的功率谱曲线，不再是以旋转角θ=90°为中心的左右对称型，Ex与Ey、Hx与Hy的图像也不再有“镜像”曲线的特征，只是Ex与Hy，Ey与Hx的曲线变化趋势大体是一致的.
上述现象说明，试验2地区地质构造复杂，造成电磁场传播、分布“紊乱”，因此我们在工作之前，必须进行发射场源不同方向的试验，以获得高、中、低频率的电磁场最佳信号强度和良好的信噪比来确定发射场源的结构和方向.
2.2 发射场源设计以提高电磁场信号强度和信噪比为原则，依据图 3和野外作业习惯，我们设计了三种结构的发射场源，分别进行张量CSAMT测量，考查实际应用结果.其中，场源一：一个电偶极子平行于测线，另一个垂直于测线，即0°
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图 4 三种发射场源观测系统示意图 图中红色和蓝色线段箭头分别代表水平电偶极子. Figure 4 Schematic of three kinds of transmitter devices of Tensor CSAMT The red and blue lines are represented by horizontal electric dipoles. |
当地下介质为非均匀分布的情形下，这时地表测量到得的电场水平分量不仅与其垂直方向上的磁场有关，而且与其同方向上的磁场有关.大地电磁阻抗与电磁场的关系为(柳建新等，2012)：
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(5) |
或写成矩阵形式为
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(6) |
其中：
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(7) |
矩阵Z称为张量阻抗，是一个二阶张量.式中，Zxx、Zxy、Zyx、Zyy称为张量阻抗要素.
在一维介质情况下，张量阻抗要素Zxx=Zyy=0，而Zxy=-Zyx=Z.在二维介质情况下，张量阻抗要元素Zxx+Zyy=0，而Zxy≠Zyx.在三维构造情况下，张量阻抗要元素Zxx+Zyy=C≠0.根据数学原理可知，由(5) 式求出四个张量阻抗要素Zxx、Zxy、Zyx、Zyy，至少要有两组相互独立的电、磁场观测值，构成如下联立方程式为
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(8) |
由(8) 式解得：
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(9) |
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(10) |
以上公式中的下角码1和2表示不同极化方向的发射场源.
视电阻率(卡尼亚电阻率)表达式为
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(11) |
由此可见，通过两个独立的发射场源，在地面上观测不同频率的电磁场信号Ex、Ey和Hx、Hy，就可获得张量阻抗元素值Zxx、Zxy、Zyx、Zyy，进而进行视电阻率计算，从而得到地下不均匀地质体的电性分布特征.
3.2 观测结果 3.2.1 测区地质概况测区位于安徽省铜陵市东约40 km的姚家岭大型铜铅锌多金属矿区.该矿区是新一轮找矿工作以来在安徽省境内发现的一个大型多金属矿床，处于铜陵矿集区最东部(蒋其胜等，2005).
(1) 地层：矿区南部为志留系中下统至泥盆系上统的一套浅海相至陆相碎屑岩, 矿区中部及东部主要是石炭系至三叠系中下统的浅海相碳酸盐岩，矿区北部大片地区分布着白垩系下统蝌蚪山组火山碎屑岩(图 5).
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图 5 矿区地质图 Figure 5 Geological map of mining area |
(2) 褶皱：区内褶皱构造为戴公山背斜，背斜长约20 km，轴向50°~60°，轴面倾向南东，倾角55°左右.核部地层为志留系高家边组、坟头组、茅山组, 北西翼地层从泥盆系上统五通组至三叠系下统南陵湖组均有出露，南东翼地层因断陷而出露零星.
(3) 岩浆岩：区内岩浆活动强烈，分布有花岗闪长岩体和花岗闪长斑岩.矿区北部分布有大片白垩系蝌蚪山旋回喷出岩，主要岩性为流纹岩、安山岩、玄武岩.
(4) 矿体特征：矿区内铜铅锌矿体主要呈透镜状、脉状，赋存于斑岩体内的大理岩捕掳体的层间裂隙和角砾状花岗闪长斑岩中.从上到下矿体大致呈雁行排列，总体走向南东东，倾向北北东，倾角浅部30°~40°，深部变陡为50°~60°.
3.2.2 地球物理特征(1) 激电异常：在成矿岩体(姚家岭岩体)上方及其两侧为近东西向展布的高极化异常带，并具有两个异常浓集中心(Ⅰ、Ⅱ号异常)，视极化率(ηs，单位：%)异常中心幅值高达8%~9%(图 6).
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图 6 矿区视极化率异常等值线平面图 Figure 6 The contour of the apparent polarization anomaly in the mining area |
(2) 矿区岩矿石电性参数如表 1所示.十分明显，铜铅锌矿石表现低阻、高极化特征.
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表 1 矿区电性参数表 Table 1 Electric properties of rocks and minerals in mining area |
根据矿区发射场源试验结果设计出的三种结构的发射场源(图 4)，在同一地质勘探剖面上进行了CSAMT张量测量，用基于大地电磁法(MT)反演技术进行了电阻率二维反演，结果如图 7所示(孙晓峰和张国鸿，2016).
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图 7 不同激发方向电偶极子CSAMT张量测量反演结果 (a)地质勘探剖面; (b)源一(0°~90°)测量反演结果; (c)源二(45°~135°)测量反演结果; (d)源三(30°~165°)测量反演结果. Figure 7 Inverted results of Tensor CSAMT with different electric dipole polarization directions (a)Geological prospecting section; (b) Source one (0°~90°) measurement inversion results; (c) Source two (45°~135°) measurement inversion results; (d) Source three (30°~165°) measurement inversion results. |
图 7a是地质勘探剖面.图 7b、图 7c、图 7d分别是场源一、场源二、场源三(图 4)在地质勘探剖面上测量结果的TM模式二维反演电阻率等值线断面图.
图 7b是一对平行于测线和垂直于测线的交替发射的电偶极子场源(0°~90°)的测量结果.由于一个电偶极子大致垂直于背斜轴部和地层走向，另一个电偶极子大致平行于背斜轴部和地层走向(图 8)，所以测量结果对剖面下方的地层分布以及产状反映得很好；图 7a显示，呈透镜状或脉状的矿体主要赋存于花岗闪长斑岩岩体中的二叠系灰岩捕虏体层间裂隙和层间破碎带中，因此，场源一极化的电磁场使深部低阻异常形态与地层产状和矿体倾向比较一致；由于发射场源方向与矿体走向夹角较小(50°左右)，使深部的低阻异常范围与矿体汇集区位置不够一致.
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图 8 测区矿带和背斜构造以及勘探线关系示意图 Figure 8 Schematic of the relationship between the ore belt and the anticline as well as exploration line |
图 7c是一对与测线呈45°~130°的正交的交替发射的电偶极子场源的测量结果.由于地质勘探剖面与主矿带夹角约50°左右，因而场源二为一个电偶极子基本平行于主矿带走向，另一个电偶极子与主矿带倾向一致(图 8)，这样就使激发场源与矿体的耦合效果最好，所以图 7c测量结果的深部低阻异常区与矿体汇集区吻合的较好，但对于地层的圈定效果不好.
图 7d是一对与测线呈30°~165°的不正交的交替发射的电偶极子场源的测量结果.由测线与背斜、主矿带关系，场源三中的电偶极子无论是与地质构造、地层，还是与矿体的走向，既不平行，又不垂直，因此，它与地层和矿体的耦合效果最差.由测量结果的二维反演电阻率等值线断面图中地电异常特征看出，无论是对地层的圈示，还是对矿体赋存范围的定位，测测结果表现的都差.
4 结论 4.1通过两个已知试验区地质条件的CSAMT发射场源试验，在低—中—高频段内，发射电偶极子在0°~180°进行半周旋转发射的结果Ex与Hy和Ey与Hx自功率谱曲线具有中心对称形态(图 2)，这时测区的地下介质可作为一维介质看待，CSAMT法可采用标量方式测量.当Ex与Hy和Ey与Hx自功率谱曲线不具有中心对称形态(图 3)，应根据Ex与Hy和Ey与Hx自功率谱曲线的分布特征，需采用两个发射电偶极子作为场源进行张量方式测量.在地下地质体走向已知的情况下，应针对待探测的目标地质体，设计一个平行于目标地质体走向的电偶极子和一个垂直于目标地质体走向的电偶极子作为发射场源，使激发场与待探测的目标体达到最佳有效耦合.当探测深覆盖层下的隐伏地质构造或矿体时，因为对地质体的走向不甚清楚，应根据区域地质资料或邻区地质资料，设计两个或两个以上的发射场源进行张量CSAMT测量，特别是在详查工作阶段更是如此.
4.2金属矿区地质构造往往比较复杂，地下介质的电性结构不再是一维的.用可控源大地电磁法进行深部找矿，建议采用张量CSAMT测量，以避免标量CSAMT测量的缺陷.由于发射的电偶极子数目越多，采样时间成倍增加，工作效率降低，因此建议采用一对正交的电偶极子作为发射场源比较合适.
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