小框瞬變電磁法

1、小框瞬變電磁法(TEM的勘探深度在瞬變電磁法 (TEM勘查中,小框發(fā)射較大框發(fā)射的優(yōu)勢在于便于施工、增強分辨率和提高抗干擾能力。根據(jù)傳統(tǒng)的認識,要探多深,一般就用多大回線邊框。廣東省地質(zhì)勘查局等單位近年在找礦與巖土勘察實踐中, 初步體會到(TEM法事實上可以實現(xiàn)比原認為的勘探深度要大。適當縮小回線的邊框尺寸,仍然可以滿足一定深度的勘查要求。1 極限勘探深度的傳統(tǒng)理論與實踐的沖突傳統(tǒng)勘探深度的理論研究多以簡單的導(dǎo)電球體為例,考慮半空間導(dǎo)電介質(zhì)的地質(zhì)噪聲和隨機干擾噪聲,通過設(shè)定信噪比和簡化條件,得出極限勘探深度。設(shè)中心回線或重疊回線邊長為b,相同面積的圓回線半徑為R,導(dǎo)電球體半徑為a,極限探深(球

2、心為d,導(dǎo)電球體與圍巖電阻率分別為球、圍,則有:d=0.9a(圍/球1/4那么,信噪比最佳時b =1 .1d (中心回線b=0.7d (重疊回線這就是說 ,極限探深與回線邊長大體相當,此與勘查實踐有較大“出入”,現(xiàn)舉 3 個例子說明。(1 羅定市新榕 ( 鐵 錳礦 T EM 普查 ( 國產(chǎn)儀器 ,采用 35 m 邊長的重疊回線掃面 3 . 45 km2 ,1 號主礦的 T EM 異常在 7 線受 F9 斷層影響 , 向北偏移 ,按上述物探理論的探深原則 ,推測礦體埋深 70m (該礦為板狀體 , 所以用 2 倍邊框大小估算 。Z K701 普查鉆孔仍按礦體原走向布設(shè)而落空 ,后按 T EM 異

3、常布設(shè) Z K702 鉆孔 , 在130 多米見到十余米礦體。工程查證表明 ,勘探深度達邊框長度的 4 倍。(2 高明市長坑大型卡林型金礦區(qū)主礦體 4 線剖面 T EM 試驗 ( GD P - 32 儀器 ,采用重疊回線裝置 ,發(fā)射邊框長 20 、40 、60 m 三種。該礦產(chǎn)于砂巖與灰?guī)r界面的硅化破碎帶中 ,上部為金 ,下部為銀。金主礦體呈大透鏡狀 ,中部厚 37 m ,埋深 100150 m 。金礦延深部位為銀礦 ,兩層似層狀 ,第一層厚 7 m , 中心埋深 180 m ; 第二層厚 8 m , 中心埋深 205 m 。對比表明 ,40 m 邊框的 T EM 數(shù)據(jù)作的電阻率反演結(jié)果 ,與

4、金礦、銀礦礦體形態(tài)較相似 ,重疊回線對大透鏡狀金礦體勘探深度達邊框長度的 3 . 7 倍 ,對厚層狀銀礦體 (包括黃鐵礦化硅化破碎帶 勘探深度達邊框長度的 5 倍。(3 周安昌研究員在廣東清遠北江橋梁工程進行 Nano T EM 勘查 , 目的是查明江底巖溶分布 , 采用邊框為 20 m 的中心回線 ( GD P - 32 儀器 ,經(jīng)已知 2 - 2剖面 Z K6 號鉆孔 (孔深 67 . 9 m 對比 ,在江邊岸上第四系達 30 m 覆蓋條件下 ,基巖面下數(shù)米處及鉆孔下部均發(fā)現(xiàn)與鉆探結(jié)果相符的小巖溶 ,說明在低阻屏蔽下 ,勘探深度仍分別達邊框長度的 1 . 7倍和 3 倍。2 導(dǎo)電球體極限探

5、深理論的初步探討2 . 1 導(dǎo)電球體的極限探深公式導(dǎo)電球體、半空間、瞬時噪聲、導(dǎo)電覆蓋層的T EM 電壓效應(yīng)球、地、瞬、覆的表達式如下 :球 = 0 . 12Ia3 R4 t - 1(t ( d2 + R2 - 3 (1 地 = 0 . 055/ 21/ 2 IR4圍 - 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 至無窮大的整數(shù)。由于K 2 , e - 4是個很小的數(shù) (可略 ,所以 K = 1 即可。為空氣導(dǎo)磁率 ,t

6、為延時時間, 為瞬時噪聲 , I 為發(fā)射電流 ,h覆、覆分別為導(dǎo)電覆蓋層厚度、電阻率。2 . 1 . 1 傳統(tǒng)方法求極限探深公式(1 半空間地質(zhì)噪聲求極限探深 , 取(t = 1 (極大 , t = 0 . 1 ,信噪比為2 ( 本文設(shè)定 的條件下 ,得 :d = (0 . 4a2圍1/ 2球 - 1/ 2 - R2 1/ 2 (5(2 瞬時噪聲求極限探深 ,取瞬時噪聲為 50 nV/m2 (本文設(shè)定值 ,是傳統(tǒng)公式瞬時噪聲的 100 倍 ,所以公式 (6 的系數(shù)與傳統(tǒng)不同 , R/ d = 0 . 707 ,信噪比為 3 ,其它條件同 (1 ,得 :d = 32 . 4 (a I 球 1/

7、4 (6(3 導(dǎo)電覆蓋層噪聲求極限探深 , 條件同 ( 1 ,得 :d = 0 . 508 a3/ 2覆1/ 2球 - 1/ 2 h覆 - 1/ 2 (72 . 1 . 2 直接展開法求極限探深公式考察 (1 式, (t 為極大 ,t 3/ 2(t 不一定極大 , 而且實際勘查一般不會在t = 0 . 1 的時間上 ,因此有必要將 (1 式直接展開 ,求不同時間的極限探深 ,本文將此計算方法稱為“直接展開法”。為便于計算 ,t 單位已化為s 。(1半空間地質(zhì)噪聲求極限探深 (信噪比為 2 d = (3 . 1a1/ 3圍1/ 2球1/ 3 t 5/ 6 exp ( - 2 . 61球 t /

8、a2 - R2 1/ 2 (8(2 瞬時噪聲求極限探深 (信噪比 = 3 ,瞬時噪聲= 50 nV/ m2 d = ( a I R3/ 2球1/ 3- 1/ 3 exp ( - 2 . 61球 t / a2 - R2 1/ 2 (9(3 導(dǎo)電覆蓋層噪聲求極限探深 (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 (102 . 2 導(dǎo)電球體極限探深有關(guān)問題的探討分別導(dǎo)電圍巖、瞬時噪聲、導(dǎo)電覆蓋層三種情況 ,在不同條件下的傳統(tǒng)方法與直接展開法求限探深的 MA TL AB 計算結(jié)果見

9、表 1 、表 2 、表 3 。由公式 (8 、(9 、( 10 和表 1 、表 2 、表 3 的直接展開法數(shù)據(jù)可以看出 :(1 極限探深一般都可達發(fā)射邊長的數(shù)倍 ,此為采用小框勘查在理論上找到了依據(jù)。(2 導(dǎo)電圍巖、瞬時噪聲、導(dǎo)電覆蓋層三類對探深影響最大的是半空間地質(zhì)噪聲。但是 ,這里忽略了顯現(xiàn)異常不僅體現(xiàn)在異常與地質(zhì)噪聲在量的方面差異 ( 表中設(shè)定信噪比為 2 ,更重要的是體現(xiàn)在二者空間分布規(guī)律性的差異。T EM 勘查實踐表明 ,除復(fù)雜區(qū)除外 ,地質(zhì)噪聲常表現(xiàn)為有規(guī)律的緩慢的變化 ,有的表現(xiàn)為近似常量 ,在單個測深曲線中雖難識別異常 ,但在剖面中 ,尤其是 (多 剖面平面圖中 ,一般是容易被

10、識別的。因此一般說來 ,實際勘查深度受地質(zhì)噪聲的影響要小 ,即勘查極限探深要比表所列大得多。另外 ,并不是框越大探深越大 , 實際上 10 m 與20 m 框 ,在表 1 條件下 ,探深差不多。僅從圍巖、礦體這一個條件看 ,甚至 10 m 框探深還大于 20 m 框的探深。對于表1 所列的圍巖、礦體條件 ,可供觀測的時間都在幾十微秒以內(nèi) , 其中(t 極大法的最佳延時時間僅為數(shù)微秒 ,不是現(xiàn)有儀器所能觀測得到的。按直接展開法數(shù)據(jù) ,在現(xiàn)有儀器條件下 ,在最佳延時之后 ,可供勘查的時間區(qū)間較大。至于國產(chǎn)儀器 ,都工作在大延時區(qū) ,為何還能對小地質(zhì)體產(chǎn)生儀器可接收的異常 ,此應(yīng)另辟專題研究。(3

11、在小延時勘查時區(qū) ,瞬時噪聲對勘查深度的影響不大。增加電流和適當加大邊長都有可能增大探深 ,電流加大 2 倍效果 ,大致相當于邊框增一倍。由于加大電流 (或匝數(shù) 比加大邊框容易得多 ,所以壓制瞬時噪聲一般宜先考慮采用增大電流 (或匝數(shù) 的辦法。但是 ,并不會是電流越大 (匝數(shù)越多 越好 ,更不是電流越大 ( 匝數(shù)越多 , 探得越深 , 深度與電流、匝數(shù)不是簡單的正比關(guān)系。預(yù)計在較大延時勘查時區(qū) ,瞬時噪聲對勘查深度的影響會明顯增大 ,甚至成為增大勘探深度的主要矛盾 ,因此必須適當增大電流 ,但是增大電流 ,同時會增加地質(zhì)噪聲 ,這就要現(xiàn)場試驗確定增大電流的幅度。在增大電流方面 ,目前國產(chǎn)儀器優(yōu)

12、勢明顯。(4 低阻覆蓋層 ( 包括水 的影響較小 , 說明 T EM 穿透低阻覆蓋層的能力較強。加大邊框無助于增加穿透能力。2 .3 影響極限探深的其它應(yīng)考慮的問題(1 二次場有被“發(fā)現(xiàn)”與被“分辨”之分。理論公式指的是后者 ,勘查實踐指的是前者?！鞍l(fā)現(xiàn)”異常 ,是指被探目的物異常不一定很完整 ,異常強度可較小 ,能識別就行。T EM 勘查的“發(fā)現(xiàn)”異常要比“分辨”異常的深度大較多 ,這一點與彈性波勘查有點類似。在實際勘查中“發(fā)現(xiàn)”異常是最重要的。(2 信噪比未必一定要達到最佳。典型的例子如 Nano T EM 尾部雖然信噪比 ( 噪聲主要是瞬時噪聲 低一些 ,但通過濾波 ,可利用時間區(qū)間將延

13、長 1/4 - 1/ 3 ,較大地增加了勘探深度。(3 所探討的球體為三度體?？辈槌Ｒ姷亩润w(如板狀體 要比三度體極限探深大得多 ,且場衰減得慢。3 小框 T EM的勘查一般工作方法技術(shù)3 . 1 小框 T EM 勘查深度估計的一般思路目前 , T EM 的勘查實踐與直流電法、電化學(xué)法相比 ,顯得微不足道。在這種實踐很少的情況下 ,用下面兩條綜合估計勘探深度是可行的。(1 首先看一下在相當于二次場有效窗口時間內(nèi) ,半空間一次場極值能否擴散到探測目的物的深度。這是必須條件。由場的一維擴散方程 ,在忽略位移電流情況下 ,可求出場的極值深度。這是必須條件。由場的一維擴散方程 ,在忽略位移電流情況下

14、 ,可求出場的極值深度。Zmax = 1262 (圍 t 1/ 2 (11式中 : t 為場傳播的時間 ,此值用實測的二次場有效窗口時間替代。如圍 = 500 m , t = 100s ,則 Zmax = 283 m 。由(11 式可知 ,如果半空間介質(zhì)電阻率為已知時 ,要增大勘探深度 ,就是要增加有效窗口時間 t 。所謂有效窗口時間 ,是指單點測深曲線符合場的下降規(guī)律的時間區(qū)間。在此區(qū)間內(nèi) , 對于等對數(shù)間隔 T EM 來說 , 要求不出現(xiàn)負值 ; 對于 Nano T EM 來說 ,尾部允許出現(xiàn)跳動的負值 ,但尾部下降趨勢 ,應(yīng)符合場的下降規(guī)律。(2 如果一次場極值能擴散到探測目的物的深度

15、,還要再看一下探測目的物被激勵后二次場 ,是否能在地面被檢測到 ,即出現(xiàn)局部異常。由于有限形體探測目的物的二次場極值傳播距離 ,要小于按公式 (11 計算的一次場傳播的距離 ,再加上地質(zhì)噪聲、瞬時噪聲、低阻覆蓋層的干擾 ,二次場極值傳播的距離還要減小 ,所以不能用公式 ( 11 估計深度 ,但可以用試驗測線是否有異常出現(xiàn)來初步檢驗。方法是通過試驗測線的電位多道剖面圖或多測線某道 ( 一般為晚期道 電位平面等值線圖上(加色階、地質(zhì)背景 ,在有效時間 t 內(nèi) ,有無符合被探目的物深度的局部異常出現(xiàn)。出現(xiàn)了異常 ,并不等于該異常就是被探目的物。如果該區(qū)有鉆探資料或已有 T EM 工作效果對比的話 ,

16、一般可以做出正確的判斷 ,但如果在 T EM 工作經(jīng)驗不多的地區(qū) , 一般說來 , 還需要現(xiàn)場已知條件 (如鉆探資料、地質(zhì)觀測、或其它方法等 的對比 ,方可得出肯定的結(jié)論。3 . 2 小框 T EM 勘查的裝置與一般工作方法技術(shù)(1 在找礦勘查中一般采用重疊回線 ,回線邊長10 m 至 40 m ; 等對數(shù)間隔采樣或等算術(shù)間隔 ( Nano T EM 采樣 ;根據(jù)探測目的物的深度區(qū)間 ,設(shè)置發(fā)射匝數(shù)與電流強度。一般說來 , 山區(qū)可探深 200 -300 m ,難點在于往往深、淺難以都顧及 ,解決辦法之一是增減匝數(shù) ,變換發(fā)射電流強度 ,兩種采樣間隔都同時測量。GD P - 32 儀器的等算術(shù)間隔為 30 . 5s (實際上前 6 個采樣點為 30 . 5s 算術(shù)間隔 ,計 183s ,電流可達十幾安培 ,斷電時間小于 50s , 山區(qū)一般有效窗口要達 200 - 300s 就行了。GD P - 32 儀器的 Nano T EM 采樣間隔為 1 . 6- 4 . 8s ,斷電時間小于 10s ,供電電流被限制在 3 安培以內(nèi) ,一般有效窗口要達數(shù)十至 100s ,已可實現(xiàn)淺層詳細勘查。國產(chǎn)儀器供電電流達 100 200A ,因此可以較大地提高瞬時噪聲的信噪比。大電流是實現(xiàn)小框勘探的重要技術(shù)措施。由于采用大電流使得斷電延時較大 ,因此不適宜淺層巖土勘察 ,適合于目的勘查層深度大一些的