地球物理学进展  2017, Vol. 32 Issue (6): 2608-2618   PDF    
常用地球物理方法勘探深度研究
朱卫平, 刘诗华, 朱宏伟, 徐璐平     
中国国土资源航空物探遥感中心, 北京 100083
摘要:地球物理勘探在地学研究中起到十分重要的作用,其方法种类较多,在各类物探方法的具体工作中,了解相应方法所能探测到异常体的深度范围,对物探工作的开展十分重要.本文通过对当前地面重力与磁法、常用的电法、放射性方法以及常用的各类航空物探方法在找矿等方面的众多实例勘探深度的研究,总结归纳了现阶段各种常用地球物理方法的勘探深度.总结发现目前重力勘探的找矿深度一般在400 m左右,最大可达到897 m;在地质构造研究方面勘探深度在10~20 km之间,结合其他物探方法最深可达到150 km.目前磁法勘探找矿深度一般在400~500 m,最大深度可达到989 m.电法勘探分支方法较多,多数电法的勘探深度在200~300 m;瞬变电磁法的勘探深度集中在300~400 m,最大可以达到1500 m;大地电磁法的勘探深度集中在700~800 m,最大可达到1800 m以上.放射性勘探主要集中于地表至200 m以浅的放射性矿产勘探.并以典型实例说明各种物探方法可达到的最大深度,研究了影响各种地球物理方法勘探深度的因素,根据总结得到的各类地球物理方法勘探深度,对不同物探方法所适用的地质研究领域与深部找矿方向进行了展望,为实际工作的设计提供参考.
关键词勘探深度    航空物探    重力勘探    磁法勘探    电法勘探    放射性勘探    深部找矿    
Study on the exploration depth of geophysical methods commonly used
ZHU Wei-ping , LIU Shi-hua , ZHU Hong-wei , XU Lu-ping     
China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for land and Resources, Beijing 100083, China
Abstract: Geophysical exploration plays an important role in the geological studies. It has a variety of methods. Clearing the depth range of the abnormal body can be detected by different methods is very important to carry out geophysical prospecting work. In this paper, through the study of the current gravity and magnetic method, commonly used methods of electrical and radioactive methods, as well as many types of airborne geophysical prospecting methods in the exploration of the depth of exploration, the exploration depth of various geophysical methods are summarized, The exploration depth of gravity exploration is generally in the 400 m in geological prospecting, the maximum exploration depth is up to 897 m.The exploration depth of gravity exploration is in the 10~20 km in the study of geological structure.Combined with other geophysical methods, its depth can reach 150 km. The exploration depth of magnetic prospecting is generally in the 400~500 m in geological prospecting, the maximum exploration depth is up to 989 m. There are many branches of electrical prospecting. The depth of most electrical prospecting methods is in the 200~300 m. The exploration depth of the transient electromagnetic method is concentrated in 300~400 m, and the maximum can reach 1500 m. The exploration depth of the magnetotelluric method is concentrated in 700~800 m, and the maximum can reach more than 1800 m. Radioactive exploration is mainly focused on explorating the radioactive mineral from the surface to 200 m.In this paper several typical examples are given to show the maximum depth of various geophysical methods, the factors that influence the exploration depth of various geophysical methods are summarized as well. According to the exploration depth of various geophysical methods summaried by the paper, the geological research fields and the deep prospecting direction of different geophysical methods are prospected. All the contents mentioned above could provide reference for geological prospecting work.
Key words: exploration depth     airborne geophysical prospecting     gravity exploration     magnetic prospecting     electromagnetic prospecting     radioactive exploration     prospecting in depth    
0 引言

不同的地球物理方法所应用的原理各不相同,通过地下地质体自身性质(如密度、磁性、电性等)反映出来的特征,可以获得地表以下较深处的地球物理信息,此类地球物理方法在研究地质构造和深部地质填图等方面发挥着重要作用.由于受诸多因素影响,在要求较精细矿产勘查中,不同地球物理方法反映出来的地球物理信息随着深度的加大可信度大幅降低,因此无法将深部信息直接用于矿产勘查.但由于其有能力探测到深部的地质信息,所以在日益发展的深部找矿等方面会有较大的作用.通过控制收发距的方法来改变勘探深度的电磁法有较明确的勘探深度,且精度较高,在矿产勘查等方面发挥着重要作用.

不同的地球物理方法,在地质填图、断裂构造划分、固体矿产(含放射性矿产)与油气勘查等方面的应用侧重各不相同,相应的勘探深度也随其应用领域的不同而各有差异.根据实际需求,了解各类物探方法的勘探深度,对于实际工作前的设计与准备以及最终的成果都有着重要的指导意义.

1 重力勘探 1.1 地面重力探测深度

重力勘探方法在地质构造、填图、油气与金属矿勘探中都发挥着重要作用.由于重力勘探方法可以探测到深部的密度异常,故能在地质构造的应用中探测到较大的深度;在金属矿勘探方面,当矿体顶部埋藏较深时,将重力异常与其他地质与物探信息相结合,可以较准确地确定矿体位置,是寻找隐伏和深部固体矿产的有效找矿手段(周云满等, 2006; 靳力等, 2014).

1.1.1 重力在深部构造中的勘探深度

在重力勘探中,沉积层的密度变化只在测点附近产生影响,整个层内密度变化不大,对其内构造异常的探测较为可靠,一般认为10~20 km的深度是可能的.目前,所进行的中小比例重力普查工作,都是以查明构造异常为主.由于莫霍面的起伏很大,上下的密度差达0.3 g/cm3左右,故对基底和莫霍面起伏的探测,需要对大范围内重力资料做特殊处理,尤其是结合地震测深、电磁测深和地热等资料进行综合对比分析,探测深度可达到30~50 km或更深.对于上地幔的质量分布,目前尚处于探索阶段,可靠性一般说来较差,理论上经过努力可以达到150 km.一般认为,下地幔以下(埋深400 km以下)的密度变化在地表测量中很难反映出来,会在复杂的地球表层重力异常之中被淹没.但实际上由于诸多条件的限制,真正的异常有效深度远低于此.经过处理后的重力资料,如能结合地震测深、大地电磁测深以及地热等资料进行综合对比分析,重力的实际有效探测深度可达30~50 km或更大.

谢湘雄等(1988)对湖南省1:50万重力异常图上的65个异常深度进行统计分析,结果发现其中15 km以浅地层为主要的探测深度,其异常个数占总数的78.5%;深度15~20 km异常个数12.3%;C面反射深度14.7~18.9 km,说明这类异常主要反映了沉积盖层至康氏面之间的地壳质量不均匀;深度20~40 km异常个数7.7%:康氏面至莫霍面之间的质量不均匀;深度40~55 km的异常个数1.5%:一定条件下区域重力资料可以反映地幔内部的质量不均匀.可见常规的重力勘探工作所能达到的深度一般在10~20 km.

根据实测资料,重力勘探在在加拿大艾伯塔省中部进行的应用中,探测出的长椭圆型异常,埋深达到1.995 km,另经探测发现埋深1.6 km的异常(Skeels et al., 1963).在加拿大Louga地区进行的重力测量,得到的剩余布格异常,对其进行剖面反演的结果得到估计深度为7.4 km(Roy et al., 1999; Ueda et al., 2002).

1.1.2 重力在金属矿勘探中的勘探深度

一般认为,当异常体埋深不大于异常体水平尺寸时,重力勘探可以取得更好的效果(曾华霖等,2005),传统的重力勘探深度一般浅于500 m.当矿体顶部埋藏较深时,利用高精度剩余重力异常剖面结合地质研究可以大致确定矿体的位置,有效地指导钻探工程的布设,是寻找隐伏矿床较为有效地找矿手段,故高精度重力勘探可以有较大的勘探深度(周坚鑫等,2004).目前高精度重力勘探已经得到广泛的应用,普遍所能达到的勘探深度一般在500~1000 m,取得了较好的应用效果.

2010年中国地质调查局在冀东一带布置了1:5万的高精度重力调查工作,并在异常最高值对应位置布置了验证钻孔,于897~1168 m深处见到累计厚度达116 m品味较高的磁铁矿(施兴等,2012).在广西南丹大厂锡多金属矿田1:20万重力勘探成果基础上,进行了1:5万高精度地面重力勘探,并对羊角尖矿区、拉么矿区进行钻孔验证,于508 m、661 m、762 m等深度见花岗岩体,可见高精度重力勘探在实际应用中的效果.但仍出现计算见矿深度与实际相差较大的情况,需要进行精度更高的重力勘探来对隐伏花岗岩岩体的分布与细微变化特征进行进一步了解,为深部找矿提供更多有用信息(覃裕辉,2010).在冀东铁矿区进行了高精度重力勘探,推断昌黎断裂以北为太古宙隆起区主要由含铁建造的太古宙沉积变质基底引起,其内有大量的南北向展布的隐伏含铁建造,通过钻探验证,在700 m深处见20 m厚度的铁矿(张国利等,2014).山西地质调查院在晋东北灵丘地区进行1:5万高精度重力测量,并推断赵北一带的含铁建造带.通过钻探验证,在建造421 m深部见矿.表明高精度大比例尺重力方法在该地区取得了较好的找矿效果(杨倩和王辉,2015).

1.1.3 重力磁法联合找矿

单纯采用磁法勘探,虽然可以明显地反映磁性体的磁异常,但随着磁性体埋深的增大,磁异常衰减较快,斜磁化的影响使地表磁异常偏移较大,对异常体产状、埋深、规模等推断误差较大(施兴等,2012).由于重力异常不受异常体磁性衰减影响,故在磁法资料的基础上,与重力调查资料相对比,可以更准确地发现异常体的位置,进而有可能探测到更大埋深的异常体,有效增大勘探深度.

2008年对柯家山矿床周围进行磁测,根据重磁异常定量计算推测地下埋深550~900 m处有规模较大的磁性体(傅群和等,2008).2008年河北地勘院对滦南大兰坨进行了地面磁法工作,并结合小比例尺重力资料,在地下739 m处发现了22 m厚的磁铁矿(施兴等,2012).在铁矿勘查中重力工作发挥了较大作用.在铁矿勘查工作时,应用重磁综合方法进行研究可取得更好的找矿效果(施兴等,2012).

1.2 航空重力的探测深度

航空重力测量系统早在20世纪80年代就已出现,其最初用于水上采集,修改后用于飞行测量,GPS和惯性导航系统(INS)的发展使航空重力的应用变成现实.2000年以后航空重力测量有了突飞猛进的发展,航空重力在油气勘探、地质填图中得到广泛使用,用于找矿的时间尚短(成联正等,2011).

澳大利亚BHP公司在昆士兰州乔治地区开展了航空重力工作,发现了以前无法开展地面重力测量的Cu-Au异常点,在异常处布了三个钻孔,于110~170 m处见到多个目标体(周坚鑫等,2004).目前航空重力测量主要用于不大于1:20万比例尺的区域地质填图以及固体矿产的勘查及寻找陆地、海洋中与石油天然气有关的地质构造,但为获得更好的勘查效果,常与航磁等方法结合进行,航空重力测量的前景十分明朗(周坚鑫等,2004).

1.3 小结与展望

重力勘探作为传统的地球物理方法,其在地质构造与找矿中都发挥了重要作用,随着重力勘探技术的不断发展,尤其是高精度重力勘探的发展,目前重力勘探最大深度可达800 m以上.由于重力场随着深度呈二次方衰减,矿体的埋深加大,其反映在地表的观测值就急剧减弱,因此,圈定和解释这些微弱异常便会存在较大难度.如果完全利用重力勘探寻找深部金属矿产,所得到的结果可信度远不如其他地球物理方法高.但是重力勘探得到的资料对其他物探方法的勘探结果有很好的参考价值.在进行深部找矿时,重力作为前期工作的物探方法,可以快速圈出主要的异常区域,为其他物探方法提供方向,同时,在反演与解释过程中,多种地球物理方法的综合利用可以大大减小地球物理资料的多解性.

作为一种直接探测地质体密度的地球物理方法,重力勘探的有效勘探深度可达10~20 km,为研究地质构造的重要方法之一.随着测量精度更高的地震勘探的普及,重力勘探在地质构造上的应用曾一度跌入谷底,但当背斜类的构造比较平缓时,地震的反射质量就会变差,这时利用高精度重力测量可以很好地识别地下构造;而且地震技术寻找背斜圈闭比较困难,运用高精度重力技术则有一定效果.利用地表重力水平分量变化率以及地下油气藏相关原理,可以将高精度重力测量方法运用到油气藏的预测中.目前应用高精度重力直接找油的技术主要有:美国的艾菲系统与俄罗斯的GONG技术.

目前重力勘探作为单一的地球物理方法进行找矿,尤其是深部找矿的难度已经越来越大.但是,实践证明,重力勘探方法对金属矿产的查找,特别是隐伏矿床的查找起重要作用(于昌明,1998童纯菡和李巨初,1999滕吉文等, 2007, 2009姚长利等,2007赵国泽等,2007于鹏等,2008严加永等,2008徐亚等,2011).因此,将重力勘探与其他物探方法进行结合是金属矿勘探的重要发展方向;另外,重力勘探在地质构造研究与寻找油气中都有不可忽视的作用.

2 磁法勘探 2.1 地面磁法

磁法勘探精度高,径向探测范围大,分辨率高,具有良好的空间定位能力,在探测矿体的长度、走向、品位等方面有显著优势,适用于具有磁测前提的矿床、地层、构造等,特别是在磁铁矿及与磁铁矿伴生的其他金属矿的勘查中发挥着重要作用(阎昆等,2014).中国地质科学院矿产资源研究所根据宁芜地区的磁异常,打钻验证,在地下300 m深部发现了龙山大型磁铁矿矿床(董英君等,2006);利用上郑铁矿磁测结果,部署钻孔发现矿体埋深在150~450 m.

为了适应当前找矿需求,加大找矿深度,在原有磁法勘探基础上,发展出探测深度更大,分辨率更高的高精度磁测方法,其磁测总误差小于或等于5 nT,将探测深度加大到500 m以上,在弱磁性目标体的勘查或隐伏磁性体在地表产生的弱磁异常研究方面取得了很好的效果.

对邯邢地区进行的高精度磁测,找到了一批铁矿,矿床埋深一般在200 m左右;同样的方法在邯邢地区探明的中关铁矿埋深在300~700 m;首钢地质勘查院地质研究所对迁安马兰庄铁矿区高精度磁数据进行深度研究,并通过钻探验证,在地下400~500 m深部发现一处厚大铁矿体(王凤刚等,2014);沙河市白涧铁矿矿体埋深在592.74~1040.52 m(田文法等,2010).利用青海某区高精度磁测资料,对磁异常进行钻井验证,在地表下240 m处见含磁铁矿的多金属矿.根据1985年在西大明山地区圈定的1:5万航磁异常,于2012年进行了异常区1:1万高精度地面磁测,对圈定的局部磁异常部署系列钻孔,分别于580 m和989 m深部揭露到变质花岗岩,发现了矿区深部的隐伏岩体.利用大比例尺高精度磁测资料发现了内蒙卡休他他铁矿顶部埋深130 m的盲矿体(许东青等,2006).

磁法勘探在地质构造填图等方面也发挥着重要作用,对准格尔盆地乌伦古凹陷一带某工区进行磁法测量,对得到的A磁异常进行反演,得到异常体埋深1.99 km,B异常的反演深度为2.267 km,得到了地震勘探与钻孔资料的印证(张恒磊等,2012).

2.2 航空磁法

航空磁法是应用最广泛的航空物探方法,目前航空磁测用的仪器有两种,一类是测总磁场模数的变化,另一类是测总磁场模数变化的梯度;主要使用的仪器有核子旋进磁力仪、光泵磁力仪和磁通门磁力仪,灵敏度一般可达3×10-4~5×10-4 nT/m.主要运用于地质填图和大区域构造研究、金属矿和其他固体矿藏勘查、石油和天然气普查等.

2.2.1 航空磁法的勘探深度

长期以来,航空磁法的探测深度都在500 m以浅,随着深度的变大,深部磁性体源在航磁观测平面上的信息反映微弱(王培建等,2013).但随着仪器的进步和方法的改进,大比例尺航空磁测的逐步应用,航磁探测深度也在不断加大.

中国国土资源航空物探遥感中心于2005年在湖北黄石开展了1:1万比例尺硬架直升机高精度航磁测量,通过对航磁异常进行精细反演,推断Fe3和Fe4是两个新的未知矿体,并在Fe4上布置钻孔,于孔深721.98~770.37 m见矿;采用同样的方法在狮子山西侧孔深732 m处见矿;又推断出在海拔高-580~-680 m上下存在Fe2铁矿体,在其附近布设钻孔,于孔深703.49~732.66 m之间发现铁矿,在2号找矿区740~840 m深度见矿(熊盛青等,2008).

2.2.2 飞行高度对探测的影响

测量时的飞行高度对航空磁测探测深度有重要影响.随着测量高度的加大,磁性体磁场强度按规律衰减,当目标体为三度体时,n=3影响最大,降低了航空磁测的分辨能力.王培建等通过对沙拉西别铁铜矿床区不同高度的航磁测量结果进行对比分析,飞行高度在90 m时,3个异常呈尖峰状,a异常幅值为241 nT;飞行高度在130 m时,异常值幅度较小,a异常幅值降为90 m时的65%;当飞行高度在190 m时,a异常的幅值降为90 m的17.8%,可见飞行高度的提高对探测效果的影响很大(王培建等,2013).

航空磁测技术规范对航空磁测飞行高度进行了规定,即“飞行高度的确定必须综合分析各种影响后选择确定,但每条测线上的平均离地飞行高度上限不应该超过主测线间距的二分之一”(中华人民共和国地质矿产部,1995),然而在我国西部地区,地形切割剧烈(眭素文等,2004徐世浙等,2004),飞机的飞行高度很难低于700 m,按照DZ/T0142-94的要求只能进行1:20万航磁勘查,无法满足西部找矿需求.但可以采用适当加密测线的办法来弥补难以降低飞机飞行高度缺陷,而且基本不损失磁异常信息量(薛典军,2001陈斌等,2010).薛典军等提出了飞行高度设计和质量控制方法,首先在飞行前熟悉作业区的自然环境,根据地形和飞机性能设计测线飞行高度指导飞行;其次对飞行高度进行质量的监控,在飞行结束后,对飞行高度进行质量统计分析,与设计高度进行比对,根据实测地形与气象等因素,分析产生差别的原因.以达到降低飞行高度,提高航磁测量效果的目的(薛典军,2001).

2.3 小结与展望

磁法作为发展时间最长的物探方法,除了其自身的理论最为成熟之外,还具有诸多其他方法无法代替优点:在划分断裂构造、圈定岩性边界、磁性矿产勘查等方面具有其独特的优势.此外,具有经济快捷、工作效率最高等特点.因此,磁法已成为应用最广泛的物探方法,尤其在磁铁矿和有色矿的勘探中,磁法有不可替代的优势.传统的磁法勘探在地表以下500 m的浅层取得较好的效果.在铁矿特别是磁铁矿勘探以及其他金属矿产的辅助勘探中,磁法仍是主要的方法.随着浅层矿产资源的不断开采,寻找地下深处金属矿产成为当前主要的找矿方向.现阶段,高精度的磁法勘探技术已逐渐成熟,取得了较好的成果,普遍勘探深度可达到500 m左右,最深可以达到1000 m.传统的勘探中磁场随着深度呈二次方衰减,矿体的埋深加大,其反映在地表的观测值就会急剧减弱,圈定和解释这些微弱的异常便会存在较大难度(姚卓森和秦克章,2014).将高精度磁法与勘探深度较大的电磁法如瞬变电磁法、大地电磁法等相结合,为电法勘探结果提供地磁信息,多种地球物理方法相结合,地面与航空物探相结合,是今后进行深部找矿的主要方向.

3 电磁法勘探

电磁法是物探方法的重要分支,已经被广泛应用于地下结构成像,通常和其他物探、地质方法联合工作,用于确定地下隐伏地质情况.经过长期的发展,实际用于地质与物探工作的电磁方法已经达到几十种,本文主要介绍应用最为广泛的大地电磁法、瞬变电磁法、激发极化法等地面电法,以及时间域与频率域航空电磁法各自所能达到的勘探深度.在电磁测深法中,对研究深度的定义是:对给定的装置形式和信号源强度,观测到的信号中能分辨出埋藏于上覆电性层之下的电性层,则该上覆电性层的最大厚度即为研究深度或最大研究深度.

由于电磁法的探测深度较大,因此在隐伏矿勘探中发挥着重要作用.国内外利用各类电磁法进行深部隐伏矿产勘探中,取得了显著成果,如墨西哥San Nicolas硫化物矿床(Eso and Olddenburg, 2007)、俄罗斯Zimnii Bereg与Malaya Botuobiya金伯利岩矿区(Pospeeva, 2008)、美国内华达州金矿(Goldie, 2007)、加拿大Shea River铀矿(Nimeck and Koch, 2008)、加拿大Sudburry盆地镍铜矿集区(King, 1996Stevens and McNeice, 1998)、澳大利亚Olympicdam铜铀金矿区(Heinson et al., 2006)、美国亚利桑那州深部硫化物矿床(Andrews,1975Gasperikova et al., 2005)、赤峰柴胡栏子金矿床(刘红涛等,2004)、内蒙古钼矿区(高才坤等,2009)、辽西康杖子区(于泽新等,2009)、新疆萨吾尔金矿带阔尔真阔腊金矿床(沈远超等,2008)、铜陵龙虎山矿集区(王大勇等,2009)、天山卡拉塔格(红山)铜金矿化带梅岭矿区(申萍等,2007)等著名成矿区和矿床深部矿体的发现.这表明电磁法在寻找深部隐伏矿方面具有巨大的潜力(叶益信等,2011).

3.1 激发极化法

激发极化法(IP)是一种成熟方法,主要针对与硫化物矿床有关的勘探方法,特别是激电中梯方法,工作效率高,扫面速度快、极化率参数不受地形影响.中梯装置的勘探深度在没有已知矿的情况下,通过按经验公式(1)来确定,公式为

(1)

式中h为极化体顶端埋深,AB为供电电极极距.

然而传统的IP方法的勘探深度一般不大,在100~200 m (温佩琳和赵秋梅,1996),加上探测深度还与测区的平均电阻率和人文噪声水平有关,导致了其在矿产普查和深层资源勘探中受限(叶益信等,2011).蒋元安等通过对东疆干旱地区某矿区激电中梯结果分析,当极距选择为1200 m时,根据极距选择公式反算,并结合钻孔资料,其所能达到的有效勘探深度大约在200 m,若矿体埋深小于200 m时,视极化率异常非常明显,若矿体埋深超过200 m时,视极化率参数幅值衰减较快,甚至可能无法引起该参数异常.得出见矿深度与AB/2的对应关系,即见矿深度为异常下限对应的AB/2的三分之一,即AB=6h(蒋元安等,2010);根据经验公式在东蒙古某矿区激电中梯所能达到的有效深度也在200 m左右,当矿体埋深超过200 m时,视极化率参数幅值衰减较快(严昊伟等,2013).

激发极化法是探测有色矿产的经典方法,在方法诞生之初,常用于浅层的有色矿产勘探,尤其是对斑岩型和侵染状矿产的寻找有较好的效果,但是随着浅层矿产的开采程度加大,以及受人文干扰和测区平均电阻率等因素的影响,都限制了IP的勘探深度(刘国栋,2007).目前国内外众多学者开展了从MT/CSAMT资料中提取IP信息来研究深部矿体信息,如斑岩型矿(Murali et al., 1982Morrison and Gasperikova, 1996Erika and Frank, 2001罗延钟等,2003岳安平等,2007Yue et al., 2008).

3.2 大地电磁法

大地电磁测深法是频率域电磁法的典型方法(叶益信等,2011),利用天然交变电磁场来研究地球电性结构的一种地球物理勘探方法,其场源为地球与太阳风互相作用产生的天然交变电磁场,具有探测深度大、频率低、波长长、成本低等优点,主要应用于区域性的大地构造勘探(李子永等,2015),在深部隐伏矿勘探中有不可替代的优势(叶益信等,2011).

根据Spies(1989)关于电磁测深的经典论文中,MT调查深度的合理估计应取它大致等于1.5倍趋肤深度,即:

(2)

式中,δFD为趋肤深度,σ1为电导率,f为频率.

MT的最大调查深度与观测频率和大地电导率有关,分辨地电断面浅部的能力受到观测的最高频率的限制(通常小于100 Hz),通过视电阻率和振幅数据,可以确定出由最高频率计算得到的穿透深度zmin以及该深度以上地电断面的“平均电导率” σAV.zmin即MT测深中可以达到的最浅深度,即可分辨率.

大地电磁测深法(MT)利用频率范围0.005~200 Hz,探测深度达几十至上百公里.MT的勘探深度不仅与频率有关,还与地表电阻率以及其厚度有关.MT深部探测的信号很弱、抗干扰能力较差,为了适应不同的观测环境,MT发展出了许多变种方法,如混合源电磁法(EH4)可以提高分辨率,可控源音频大地电磁法(CSAMT)能够有效提高信噪比,CSAMT的频率范围一般为n~8192 Hz,勘探深度为2~3 km,EH4的频率范围一般为10~100 kHz,在1 km内有较高的分辨率(叶益信等,2011).

目前上述大地电磁方法均在我国深部找矿中得到广泛应用并取得了很好的成果,如2015年李子永等应用大地电磁法对白音图嘎工作区南部高磁异常区的异常源深部构造进行了研究,通过测量数据反演计算,得到高阻体的顶界面深度为1800 m(李子永等,2015).朝阳新华钼业有限责任公司采用CSAMT法在辽西康杖子区深部发现了500~800 m深部的钼铁矿(于泽新等,2009);中国科学院采用EH4法在东天山卡拉塔格(红山)铜金矿化带梅岭矿区发现了埋深达700 m的铜矿(申萍等,2007).招金集团在7处矿山应用CSAMT法预测靶区,经验证有6处在800~1000 m的深部找到了矿体(曹新志等,2009).青海第一地质矿产勘查院在五台山地块中部进行的CSAMT勘查,得到的全区视电阻率的探测深度可以达到3000 m(钟幼生等,2015).

3.3 瞬变电磁法

TEM是时间域电磁法的典型方法(叶益信等,2011),使用阶跃波或其他脉冲电流场源激发大地产生过渡过程场,断电瞬间在大地中形成涡旋交变电磁场,测量这种由地下介质产生的二次感应电磁场随时间变化的衰减特性,从而达到解决地质问题的目的.与传统的直流电法等方法相比,探测深度明显增大,垂向分辨率较高,可以有效探测覆盖层下的良导体,探测深度一般可达300~400 m,最高可达1500 m(刘国栋,2007).

根据Spies(1989)关于电磁测深的经典论文,从均匀全空间大地模型出发,设定大地为非铁磁性的导电媒质.

对于两层介质模型,对于近区或晚期瞬变电场情况,最大探测深度为

(3)

式中Idl为偶极距,σ为电导率,ηex为最低有用信号水平.

对于远区或早期瞬变电场的情况,最大研究深度为

(4)

式中r为极距.中区瞬变电场时,最大研究深度为

(5)

根据均匀半空间晚期或近区瞬变磁场,最大研究深度为

(6)

式中ηB为系统可分辨的磁场最低有用信号水平.

另外根据均匀半空间晚期或近区瞬变感应电压,得到最大研究深度为

(7)

式中ηv为单位面积感应电压的可分辨的有用信号最低水平.

满足r≥3d的远区磁场导数的近似,得到最大研究深度为

(8)

中间区瞬变磁场的最大研究深度为

(9)

中间区瞬变感应电压的最大研究深度为

(10)

通过试验发现TEM的探测深度随发射线框边长的变大而变大,但当发射线框边长达到某一确定值时,探测深度达到最大值,之后探测深度随发射线框边长的增大而减小;随着发射电流加大和发射线框数量的增加,探测深度随之增加直至趋于饱和(吴信民等,2015).在实际勘探中,瞬变电磁测深法的研究深度与采样时间、信号源强度、大地电导率、系统噪声水平以及仪器观测精度等诸多因素有关.

由TEM发展而来的瞬变电磁测深法、航空瞬变电磁法、井中瞬变电磁法、瞬变电磁剖面法等四类方法在我国均已进入普及阶段,且效果较好(曹新志等,2009).中国地质科学院在贵州银厂坡银铅锌矿床,使用TEM进行勘探,于1718 m发现块状铅锌矿体(袁桂琴等,2010).在墨西哥的Vizcaino断面进行的瞬变电磁勘探,根据Spies理论和实际应用效果,得到其勘探深度在640~1600 m(Flores et al., 2013).在山东某煤矿,采用加拿大GEONICS公司生产的TEM67瞬变电磁系统,发射采用850×100 m2矩形线框,发射电流17 A,中心回线工作装置,根据勘探的煤系基底奥陶系灰岩高阻段所反映,得到实际勘探的深度达到1400 m左右;在红透山铜矿40线进行瞬变电磁测深试验,通过反演电阻率断面,显示出低阻异常,推测出埋深与地下1000 m左右的隐伏矿体(智超等,2014);另外在华北某煤田,通过增大瞬变电磁发射磁矩,瞬变电磁勘探探测深度可以达到1500 m左右,可以满足目前开采深度的勘探需求(韩自豪等,2008).

3.4 高密度电法

高密度电法基于常规电阻率法勘探原理,利用多路转换器实现电极的自动转换,在工程勘探、煤矿地质勘探中有着广泛的应用.原理公式为

(11)

其中ρ为岩土层视电阻率, ΔV为电位差, I为供电电流, K为装置系数(与电极间距有关).

高密度电法一般采用温纳剖面来测量,温纳剖面的电极排列规律AM=MN=NB为一个电极间距,随着间隔系数n由最大逐渐减小到最小,四个电极之间的间距也均匀收拢,适用于固定断面扫描测量,测量断面为倒梯形.测量各个电极间的极距相同,各个电极依次作为供电或测量电极.探测深度与电极的间距和电极间的隔离系数有关,随着隔离系数的增大,探测深度也随着加大,由于电极数量有限,最深的测点位于勘探线中心.目前高密度电法对深度的解释主要靠经验公式判断,一般经验公式为

(12)

式中AB为勘探线长度.

推断深度时若上部地层电阻率较低时,系数取较小值,反之取较大值.在实际勘探中,高密度电法的勘探深度大致在50~300 m.在贵州省某矿进行地下水富含状况进行探测,面积2.85 km2,根据地形条件使用DUK-2A型电法测量系统,分别布设300、600、900、1200 m不同长度的勘探线.通过实际勘探,四条勘探线探测深度分别为53 m、140 m、223 m、245 m,通过高密度电法经验公式计算得到的理论勘探深度分别为50~75 m、100~150 m、150~225 m、200~300 m,实际与理论计算相符合,其探测深度与勘探线长度成正比,长度越长,探测深度越深(杨玉蕊等,2012).

3.5 航空电磁法

航空电磁法AEM (Airborne Electromagnetic), 是航空物探常用的测量方法之一, 具有速度快、成本低、探测范围广、可用于海域探测等优势.

3.5.1 时间域航空电磁法

20世纪90年代末期,固定翼时间域航空电磁勘查技术已经逐渐成熟,该方法具有效率高、操作灵活、使用地域广、探测深度大、分辨率高等优点(Steuer et al., 2009)主要系统有:GeoTEM、TEMPEST、MegaTEM,广泛用于金属矿勘探、水资源调查、地质填图,探测深度可达500~800 m;

21世纪开始,吊舱式时间域直升机电磁勘查系统发展迅速,如Fugro的HeliGEOTEM、GEOTEMdeep系统,Geotech公司的VTEM系统,Aeroquest公司的AeroTEM系统、GPX公司的HoistEM等.其中VTEM找矿效果和商业成就突出,探测深度一般可达300~500 m,甚至更大(熊盛青,2009),在大偶极矩及低基频使得穿透深度更大,尤其是在低阻体环境中,可以达到500~800 m(李怀渊等,2016).

由中国国土资源航空物探遥感中心联合吉林大学、成都理工大学开展的“吊舱式时间域直升机航空电磁勘查系统开发集成”的国家863重大项目,已将我国航空电磁法的勘探深度提高到400 m以上,并在桐柏县完成了2400 km测线的试验工作.在新疆黄土坡铜锌矿区进行的VTEM勘探,发现两个规模较大的低阻异常体,分别位于剖面中部地表以下100~400 m,和剖面左侧地表以下80~400 m;此外,在内蒙古翁牛特旗小营子铜锌矿区进行了勘查,发现矿体埋深在地表以下15~145 m处.由Fugro公司生产的GEOTEMdeep,是世界上航空电磁系统中偶极矩最大的,其在许多地质条件下都可以达到400~500 m的穿透深度(郭良德,2000).

3.5.2 频率域航空电磁法

频率域航空电磁法是利用地下物性的导电性、导磁性(有时也包括介电性或电化学性)的差异在飞行器中测量不同频率变化下的电磁场的空间分布和频率特性,进而推断地下不同物质的分布,从而解决各类地质问题的方法(王卫平等,2015).

吊舱式直升机频率域电磁系统的发射与接收线圈均放在吊舱中,系统较为灵活,适合进行矿产和水文地质、工程地质和环境地质勘查工作.其最大勘探深度究竟是多少一直存在争议,王卫平通过理论计算得到直升机频率域电磁系统的最大收发距为8 m,在均匀半空间的情况下,理论最大勘探深度为250 m.根据实际勘查经验,一般认为频率域直升机电磁法最大勘探深度为150 m左右(Peltoniemi et al., 1998王卫平和王守坦,2003).

应用频率域航空电磁法在广东河源幅龙门地区进行实地测量,筛选出18处铅、锌、铜、铁等矿找矿潜力较大的航空电磁异常,后经地面钻探验证,在地下52~185 m见累计厚93 m的黄铁矿化(王卫平等,2015).

时间域航空电磁方法相较于频率域,有较大的探测深度,而频率域航空电磁法在浅层的探测能力相对较强.根据在德国北部Cuxhaven峡谷进行的两种方法的对比结果,频率域航空电磁法发现地表以下20 m处的异常体,而飞行所用的航空瞬变电磁系统却未能发现;相应地,航空TEM方法探测到地表以下180 m处的异常,频率域方法就未能发现(Steuer et al., 2009).

3.5.3 音频磁场法(AFMAG)

ZTEM(Z轴倾子电磁测量系统)是基于音频磁场法(AFMAG法)原理并进行改进创新的航空天然场电磁观测系统,是一种有效地大深度电阻率探测方法.

其对微弱电阻率异常体具有很好的识别和分辨能力,低频25/30 Hz能够穿透电覆盖层,在高阻结晶岩石中探测深度很容易达到2000 m;在导电性沉积岩和地热建造可达500~1000 m.

2015年4月,核工业航测遥感中心受青海省地质调查局的委托,在4000 m高海拔地区完成世界上首例具有标志性意义的航空天然场源电磁法ZTEM试验飞行,根据趋肤深度公式,得到此次试验的测量深度达到2000 m(赵丛等,2016).

3.6 小结与展望

电磁法是一种重要的地球物理勘探方法,其中包含的方法种类较多,并且可提供较高分辨率的深部信息,被广泛应用于地下结构成像,也被用于磁异常成像的辅助工具.在各类电磁法中,勘探深度普遍较大,一般在500~2000 m之间,与传统的重磁方法相比勘探深度高出许多,且测量精度与可信度也更大.因而在深部矿产勘探中发挥着极其重要作用.由于不同地下介质对电信号的反应差异,许多电磁法在地下水、地热与碳氢化合物的勘探中都有较好的效果,这也是电磁法未来的发展方向.但电磁法很容易受到测区电阻率情况,人文噪声水平等外界因素的影响,造成测量结果的偏差.另外各类矿床的控矿介质、结构和深层过程也不尽相同(滕吉文等,2007).因此,针对不同的勘探目标,应结合重力、磁法、地震、放射性等方法进行联合分析,才能更好地实现电磁法在深部找矿中应用.

4 放射性勘探 4.1 γ测量

γ测量是以测量岩石的γ(或β+γ)射线总强度来发现放射性异常的,该法的优点是几乎能在任何区域、任何地质条件下进行详细的测量,缺点是不能区分放射源的性质(铀、钍、钾),探测深度有限.

4.2 射气测量

利用射气仪测量土壤空气中放射性气体的浓度,以推断浮土覆盖下可能存在的放射性矿床,也可以用于圈定破碎带等地质构造.该法主要是测量氡(部分钍)衰变时放出的粒子,探测深度较大,一般可以发现6~10 m厚的浮土下覆盖地区,在岩石裂隙和构造破碎带有利于射气转移的条件下,还可以发现埋深更深的矿体.

4.3 α径迹测量

利用塑料径迹探测器记录地下放射性元素衰变时放出的α粒子的径迹,以此寻找深部放射性矿床.该方法采用长时间(约20~30天)累积采样,即为时间上氡浓度的积分测量,比瞬时抽气采样的射气测量具有更大的探测深度,可发现来自深部的微弱信息,实际资料表明,找矿深度可达100~200 m.

4.4 航空放射性勘探

航空物探领域应用最广泛的放射性方法是航空γ能谱法.航空γ能谱测量是一种快速、有效的地质普查和找矿手段,广泛应用于地质填图、放射性矿产勘查,地形地貌风化分析.数据需要进行背景校正,包括高度校正和康普顿散射剥离.航空γ能谱测量在现阶段主要应用于铀、钾盐等放射性矿勘查,也应用于如石油天然气、金、铜、银、磷等非放射性矿产勘查,同样也应用于土壤填图、地下水调查、风化壳分辨等调查,在环境调查、监测与评价,基础地质调查研究等方面也取得了较好的效果(刘艳阳等,2007成联正等,2011).

4.5 小结与展望

放射性勘探具有方法简单、仪器轻便、成本低、易掌握、测量灵、速度快等优点,可以在地形地物差异较大,电磁干扰严重,振动及噪声明显的城镇,矿山等地区工作,测定许多参数和元素含量,解决不同的地学问题.但是各类放射性方法的勘探深度普遍偏小,在找矿方面主要侧重点也集中在铀矿等放射性矿产以及浅层地物上.

5 结论 5.1

本文对国内外各种地球物理方法在探矿方面的实例进行了分析,对重力、磁法、电法、放射性等地球物理方法以及常用的航空物探方法在找矿时的勘探深度进行了总结.

(1) 重力勘探在深部地质构造的应用中一般最深可达到10~20 km,结合其他物探资料最深可达到150 km.在探矿应用中,传统的重力勘探的探测深度一般在200~300 m,近年来高精度大比例尺重力方法的应用有效加大了重力勘探的探测深度,勘探深度普遍在500 m上下,最深可达到897 m;航空重力方法主要应用于油气勘探与地质构造研究,但现有资料尚没有对其可达到的勘探深度有明确的提及;在金属矿勘探中,目前在100~200 m取得较好的效果.计算重力异常时的各项改正的不完善和资料处理方法引入的误差,影响着重力勘探的深度.

(2) 磁法勘探在找矿方面的应用一般勘探深度在300 m左右,效果良好,近年高精度大比例尺地面磁测的普遍使用,有效加大勘探深度,一般在400~500 m,最大的勘探深度可达989 m.航空磁法发展较为成熟,在300~500 m深度有较好的找矿效果,目前最大的勘探深度在700~800 m.

(3) 电磁法勘探中,激发极化法的勘探深度较小,一般小于200 m;高密度电法的勘探深度在50~300 m;大地电磁法的勘探深度较大,矿产勘探中在700~800 m的范围内有较好的应用效果,其在找矿中最大的勘探深度可以达到1800 m以上;在地质构造方面的应用可以达到40 km以上;瞬变电磁法的的勘探深度大精度高,勘探深度一般在300~400 m,目前的最大勘探深度在1500 m左右;时间域的航空电磁法的勘探深度最大可达到800 m,频率域的航空电磁法勘探深度一般在150 m左右.

(4) 放射性勘探方法主要应用于放射性矿产的找矿方面,根据方法的不同探测深度差别较大,射气测量一般的探测深度在6~10 m,α径迹测量的探测深度可以达到100~200 m.航空放射性勘探方法主要是航空γ能谱测量,其广泛用于铀、钾盐等放射性矿产勘查以及地质填图等方面的应用,此外在地形地貌风化分析、非放射性矿产勘查、环境调查等方面也发挥重要作用.

5.2

对常用的地球物理方法勘探深度进行了总结,为物探工作提供指导,特别是对需求越来越大的深部找矿工作.针对不同类型的勘探目标,所适用的物探方法也不尽相同,因为不同目标体的结构与深层过程等互相都存在较大的差异(滕吉文等,2007).所以,针对不同目标体,将重力、磁法、电磁法等多种物探方法相结合,根据测区地形,地面与航空物探方法相结合,发展新的联合分析的方法,可更好地实现各种物探方法的深部探测.

致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持!
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