CSAMT與AMT數據“拼接”處理
——以湖南仁里鈮鉭礦床7號剖面為例

劉俊峰，程云濤，鄧志強，周芳春，曹創(chuàng)華，劉翔，曾美強，李杰，黃志彪，陳虎

(1.湖南省核工業(yè)地質調查院，湖南 長沙 410011; 2.湖南省核工業(yè)地質局 311大隊，湖南 長沙 410100; 3.湖南省地質調查院，湖南 長沙 410011; 4.湖南省生態(tài)環(huán)境事務中心，湖南 長沙 410014; 5.湖南省地質院，湖南 長沙 410014)

0 引言

AMT方法為音頻段MT方法，通常使用的頻率范圍在0.01～10 000 Hz，勘探深度可達數千米(通常為2 km以淺)。AMT方法數據質量與高空大地電磁活動強弱有直接聯(lián)系，北半球通常表現為夏強冬弱，夜強日弱，且一般在1～4 kHz 頻帶天然場信號強度通常很低，容易造成阻抗畸變，通常將這個頻帶稱為“死頻帶”[1-2]。針對死頻帶干擾，A. Müller提出采用避開白天信號弱時段在夜間采集減小死頻帶干擾[3]；Gamble T等提出了用于改進采集點數據質量的遠參考法[4]，可以在一定程度上減小畸變曲線，但通常參考點也受死頻帶影響，導致效果不佳；楊生和仇根根等提出相位校正法[5-6]，該方法要求相位質量相對較好，目前實際運用較少；Garcia X和 Jones A G提出采用連續(xù)小波變換的處理方法，但容易出現離散[7]；李紅領等通過刪除不滿足相關度的時間序列去噪減小死頻帶干擾[8]，取得一定效果，但是時間序列的刪選需要有一定的時間序列長度，否則處理效果將會受到影響。人工剔除飛點圓滑曲線也是“死頻帶”校正常用的方法[9]，但該方法通常人為影響很大，人工調整的畸變曲線不能真實反映實際情況。譚捍東等用Rhoplus校正方法處理大地電磁測深數據[10]；湯井田等和譚潔用Rhoplus校正方法處理校正“死頻帶”取得了較好的效果[11-13]；在改進觀測方式方面，Garcia和Jones提出的T-MT法為一種基于大地電流法(TT)和電流—電磁法(T-MT)相結合的一種混合數據獲取與處理方法[14]；喬寶強等展示了EH4儀器自帶的場源增強信號的實例效果[15]。

CSAMT是利用人工場源的AMT方法，通過控制收發(fā)信號，能有效抑制噪聲，減少“死頻帶”干擾。該法實際運用較多，但目前國內大部分儀器(GDP-32與V8)發(fā)射功率有限，收發(fā)距常設置偏小，頻率進入近區(qū)過早，導致探測深度有限。針對近區(qū)校準，不少學者做了工作，但很少運用到實際數據處理當中，CSAMT的解釋處理大多數情況下仍然是基于“遠區(qū)”進行[16-17]。因此，如能結合AMT 與CSAMT各自優(yōu)點，則有可能達到減少“死頻帶”干擾提高數據質量之目的。

已有數據表明，CSAMT的遠區(qū)數據與AMT具有相似性，同測點的曲線形態(tài)基本一致[18]，CSAMT的遠區(qū)數據與AMT數據拼接具可行性。本文通過均勻模型模擬計算證實上述兩種方法響應數據拼接是可行的。以湖南仁里鈮鉭礦床7號剖面采集的CSAMT和AMT數據為例，展示了這種“拼接”的方法處理過程：將CSAMT近區(qū)和過渡帶數據刪除，同時將AMT中“死頻帶”畸變數據剔除，將兩者拼接，經過靜校正等數據處理后進行反演。與地質勘探剖面對比，表明這種數據處理方式對地電斷面的淺層顯示有一定的改善，且深部地電信息有更豐富的展示。

1 基本理論與數值模擬

1.1 基本理論

采用直角坐標系時，CSMAT遠區(qū)各分量如下[19]：

(1)

Hy=Hrsinφ+Hφcosφ=

(2)

(3)

則視電阻率可以表示為：

(4)

(5)

式(5)也為AMT定義視電阻率公式。當收發(fā)距達到一定“足夠”距離時，CSAMT遠區(qū)數據與MT的偏差較小，可以近似等同[20-21]。

1.2 數值模擬

為了符合實際地層信息，曹創(chuàng)華等結合長株潭地區(qū)地層特點，進行了CSAMT收發(fā)距等相關實測參數的理論計算和實例分析[22]，得到了較好的結論。本文借鑒其思路，結合筆者團隊在湘東北幕阜山仁里礦區(qū)實際觀測的參數，設計CSAMT正演采用赤道偶極，收發(fā)距為5 000 m，電偶極源長為 1 000 m，接收點在中垂線上，正演頻率為野外數據采集常用頻率。

理論模擬計算采用均勻半空間電阻率模型，電阻率為2 000 Ω·m，采集頻點共55個：分別為10 400、8 800、7 200、6 000、5 200、4 400、3 600、3 000、2 600、2 200、1 800、1 500、1 300、1 100、900、780、640、530、460、390、320、265、229、194、159、132、115、97、79、66、57、49、40、33、27.5、22.5、18.8、16.2、13.7、11.2、9.4、8.1、6.9、5.6、4.7、4.1、3.4、2.81、2.34、2.03、1.72、1.41、1.17、1.02、0.86 Hz。按照式(1～5)進行計算，得到正演模擬結果如圖1所示。由圖可見，CSAMT數據大于800 Hz為遠區(qū)，AMT和CSAMT數據在遠區(qū)電阻率與相位數值基本接近，誤差較小，表明兩種方法數據拼接具有可行性。

圖1 理論模擬計算曲線Fig.1 Theoretical simulation calculation curve

2 實例驗證

2.1 地質概況

實例數據在湖南仁里鈮鉭礦床7號剖面取得。該礦床為近年來華南地區(qū)發(fā)現的超大型、高品位花崗偉晶巖型鈮鉭礦，為我國華南地區(qū)新發(fā)現的超大型高品位花崗偉晶巖型鈮鉭礦，被評為2017年全國十大地質找礦成果之一。該礦床位于揚子陸塊與華夏陸塊交匯之江南隆起造山帶中段北緣之湘東北斷隆帶，揚子陸塊與華夏陸塊的過渡部位，幕阜山巖體西南緣。區(qū)域上出露地層有青白口系、震旦系、寒武系、白堊系和第四系。礦區(qū)主要出露地層為冷家溪群，屬于揚子陸塊變質褶皺基底，為一套淺變質碎屑巖系，以片巖為主。區(qū)域構造表現為褶皺基底構造與蓋層組成近東西向褶皺構造，斷裂構造為燕山運動形成的NNE、NE向斷裂構造[23-24]。

區(qū)內巖漿活動頻繁，南部和東南部出露的雪峰期梅山巖體，梅仙巖體、三墩巖體、傳梓源巖體和幕阜山巖體，其中以北面燕山期侵入為主的幕阜山大型復式巖體體量最大，產出面積為2 360 km2[25]。礦區(qū)地質簡圖見圖2。

1—第四系;2—冷家溪群片巖;3—細?；◢忛W長巖;4—細粒二云母二長花崗巖;5—中粒似斑狀黑云母二長花崗巖;6—粗中粒片麻狀黑云母二長花崗巖;7—新元古代中細粒黑云母斜長花崗巖;8—偉晶巖脈及其編號; 9—主要斷裂及編號;10—物探測線及編號1—Quaternary alluvium; 2—Lengjiaxi group schist; 3—fine-grained granodiorite; 4—fine-grained two-mica porphyritic biotite monzogranite; 5—medium-grained porphyritic biotite monzogranite；6—medium-grained gneissic biotite monzogranite; 7—Neoproterozoic two-mica plagioclase granite; 8—pegmatite and its serial number;9—main faultsand and its serial number; 10—measuring line and serial number圖2 礦區(qū)地質與測線布置[24]Fig.2 Layout of geology and survey line in the mining area[24]

區(qū)內花崗質偉晶巖脈發(fā)育，主要呈脈狀體產出于幕阜山復式巖體及其圍巖冷家溪群片巖中，富含鈮鉭礦化的偉晶巖脈主要產于距離巖體接觸帶0.2～2 km 范圍內的冷家溪群片巖中。典型的2、3、5、6 號脈走向總體呈NW向平行，傾向南西，規(guī)模大，其資源量占礦區(qū)Ta2O5資源量的97%，其中又以5號偉晶巖脈鈮鉭資源量最為顯著，5號礦脈中的3個礦體(5-1,5-2，5-3)中Ta2O5資源量占全礦區(qū)Ta2O5資源量的67%[26-27]。

根據小比例尺航空磁測的研究推斷[28-29]，幕阜山巖體西南緣(包含仁里段)存在隱伏磁性巖體，對中低溫熱液型多金屬礦及與巖體相關的稀有金屬礦產較為有利。相關研究[30-33]表明，含礦偉晶巖與花崗巖關系密切。

2.2 地球物理特征

礦區(qū)地層以冷家溪群淺變質碎屑巖系為主，主要為片巖，第四系在溪溝附近地表少量分布，厚度普遍較小。礦區(qū)北東為幕阜山巖體，南西為梅仙巖體。偉晶巖脈賦存于幕阜山復式巖體及其圍巖冷家溪群片巖中。物性參數測試根據《湖南省區(qū)域地質志》相關物性參數章節(jié)[34]，并經地表對稱小四極和巖心標本測試驗證取得：第四系電阻率最低，為10～30 Ω·m；板溪群、冷家溪群變質片巖的電阻率為20～104Ω·m，大部分介于800～1 500 Ω·m之間。絕大部分偉晶巖和花崗巖電阻率接近，無統(tǒng)計學上明顯差別，電阻率為中高阻—高阻，電阻率區(qū)間為102～106，大部分介于103～104之間，但值得注意的是少部分變質程度較深的變質巖與花崗巖(偉晶巖)電阻率接近。地表風化嚴重的偉晶巖和花崗巖(松散狀)物性接近第四系電阻率。

礦區(qū)地質—地球物理特征與四川甲基卡鋰礦田偉晶巖脈具有可類比性，即稀有金屬礦床含礦體密度低而電阻率高，變質巖圍巖電阻率低導電性高的特點。利用偉晶巖與圍巖(片巖)之間電阻率的差異可指導找礦[35-36]。仁里礦區(qū)圍巖為變質巖，含礦地質體為花崗質偉晶巖，具有開展電磁探測的前提條件，即可借助地電探測區(qū)分中低阻的片巖和中高阻的偉晶巖(或花崗巖)。

2.3 工作布置

針對典型剖面勘探7線進行了物探測線布置，物探測線與地質勘探剖面線重合，同時垂直于偉晶巖脈走向，測線方位角為40°。定義測線方向為y方向，垂直y方向為x方向, CSAMT觀測方式為Ey/Hx模式(本測區(qū)為TM模式)，AMT的Ey/Hx模式與CSAMT的Ey/Hx模式電磁道數據方向一致。CSAMT采用GDP-32儀器進行采集，儀器采用電偶極源，發(fā)射偶極子長1 000 m，發(fā)射機功率為10 kW，發(fā)射頻率為8 192～1 Hz，收發(fā)距約5 000 m，采集時間為2018年5月。AMT采用V8多功能電法工作站，采用矢量觀測方式，觀測時長為30～45 min，野外施工時間為2019年8～10月白天，根據已有資料,該段時間為北半球信號天然電磁場信號弱的時段，容易造成“死頻帶”干擾。AMT起點位置為0 m，終點位置為4 520 m，起點和終點位置均與巖體相接，起點為梅仙巖體，終點為幕阜山巖體；CSAMT測量位置與AMT測點在1 600～4 400 m段為重合位置，兩種方法點距和極距均為40 m。測線布置見圖2。

2.4 實測CASMT與AMT典型曲線特征

實測CSAMT由于收發(fā)距短，且由于該區(qū)地下整體電阻率較高，信噪比較高，曲線整體較圓滑，大部分曲線在1 200 Hz開始進入過渡帶(圖3)。取平均電阻率為2 000 Ω·m，可得勘探深度約為500 m。

圖3 2 360 m測點處CSAMT電阻率與相位曲線Fig.3 Resistivity and phase curves of CSAMT at 2 360 m

AMT曲線整體質量較好，大部分測點在500～5 000 Hz頻段，ρxy和ρyx均出現視電阻率曲線畸變的趨勢[11]，主要表現為曲線不光滑，曲線魯棒性變差。阻抗相位曲線在該頻帶亦出現不光滑現象。在功率譜上表現為該頻段信號強度低，考慮為該段天然場信號弱，以2 360 m測點為例，實測曲線見圖4。

圖4 2 360 m測點處AMT電阻率與相位曲線Fig.4 Resistivity and phase curves of AMT at 2 360 m

2.5 拼接方法

數據拼接采用同測點拼接方式，步驟如下：

1) 取CSAMT遠區(qū)數據，將過渡帶和近場區(qū)數據剔除。

2) 將AMTEy/Hx模式死頻帶數據去除。

3) 將編輯后的CSAMTρyx與編輯后同方向的AMT數據ρyx數據拼接，相位拼接方式相同。

4) 靜態(tài)校準：因多種因素影響，比如地形起伏、場源效應，數據采集時間段不同(地表巖土干濕狀態(tài)不同)接地電阻不一致，CSAMT部分測點遠區(qū)視電阻率與AMT相比呈現整體偏大或偏小情況，對此，可以整體平移到大體一致，然后進行5點濾波校準。

5) 數據插值：本次CSAMT 遠區(qū)數據大部分為1 200～9 000 Hz頻率段，而AMT“死頻帶”主要集中在500～5 000 Hz頻率段，因此Ey/Hx模式方向數據拼接后可能仍然存在一定的數據空白段(如500～1 200 Hz)，可以適當用插值來解決。這時可以使用Ey/Hx模式數據進行反演(本次為TM模式)。

為了更加有效利用AMTEx/Hy模式數據，AMTEx/Hy模式“死頻帶”數據結合Ex/Hy模式曲線形態(tài)及同頻段Ex/Hy模式數據進行人工調整編輯，使曲線較光滑，此段數據調整主要根據經驗判斷。拼接后數據示例見圖5，可以看出，拼接后數據形態(tài)整體較好，較有效地減少了“死頻帶”的干擾。

圖5 2 360 m測點處數據拼接曲線Fig.5 Data splicing curve at 2 360 m measuring point

2.6 反演成果及地質解釋

圖6 7線拼接數據反演結果Fig.6 Inversion diagram of line 7 mosaic data

地電成果剖面整體展現為中高阻—高阻，淺地表電阻率較低，深部電阻率大于地表。在剖面起始端0～300 m和4 000～4 520 m段電阻率呈現高阻，并往深部延伸，分別對應梅仙巖體和幕阜山巖體。300～4 000 m段電阻率總體可分為低—高—低—高結構：剖面標高0～500 m深度，淺地表為低阻，對應于片巖；中間深度有數十個向上延伸的“脈狀”高阻侵入體，推測為侵入偉晶巖花崗巖；偉晶巖表現為中低阻，推測為Pt板溪群片巖并夾雜有偉晶巖(花崗巖)通道。

其中2 500～3 000 m段位置，“脈狀”高阻與已知勘探剖面(圖7)有一定的對應關系：ZK716、ZK708、ZK704的片巖，對應于剖面的中低阻，偉晶巖與花崗巖對應于地電剖面的中高阻。偉晶巖在反演圖上分辨不明顯，體現在高低阻的接觸過渡帶上。結合上面物性參數分析可知偉晶巖與花崗巖物性參數相近，無法區(qū)別，但結合地質解釋，可以大致判別片巖與巖脈的界線；根據如圖7b所示勘查成果[23]，AMT與CSAMT數據拼接處理后對應的地電剖面如圖7a所示?？梢娖唇犹幚砗蟮仉娖拭婺茌^好地呈現偉晶巖(或花崗巖)形態(tài)，對該區(qū)勘查工作有較大的指導意義。

1—冷家溪群片巖;2—花崗巖;3—偉晶巖脈及其編號;4—礦體及編號;5—鉆孔及編號;6—槽探及編號1—Lengjiaxi group schist; 2—granites; 3—pegmatite and its numbered; 4—ore body and its numbered; 5—drilling engineering and its numbered; 6—pit engineering and its numbered圖7 7線已有鉆孔段地電剖面(a)和地質勘探剖面(b)[23]Fig.7 Geoelectric profile of drilling verification section (a) and geological exploration section(b) of line 7 [23]

3 結論與討論

本文從已有理論出發(fā)，分析了CSAMT與AMT數據拼接進行數據處理反演的正確性，表明CSAMT遠區(qū)數據與AMT數據拼接是可行的。在實例上展示了數據拼接處理的過程和處理后的反演效果,利用在仁里7號勘探剖面采集的CSAMT與AMT數據，對AMT數據“死頻帶”數據去除和CSAMT近區(qū)數據剔除后拼接，通過靜校正等處理手段后反演取得了較好的效果，在淺部地質體對照和深部巖體探測方面均取得效果，表明該組合方法既結合了CSAMT淺層分辨較高，AMT勘探深度大的優(yōu)點，同時不受AMT“死頻帶”和CSAMT近區(qū)干擾的影響。

值得注意的是，受場源效應(CSAMT法)、收發(fā)距(CSAMT法)、地形(CSAMT法和AMT 法)等影響，實際數據與AMT仍然存在一定的偏差，因此實際數據處理過程中需要認真分析數據造成偏差的原因后進行處理，避免“硬拼接”。