航空大地電磁傾子響應特征及應用效果研究

劉彥濤，陳偉，張文峰，程莎莎，駱燕

（1.核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊 050002；2.中核集團鈾資源地球物理勘查技術（重點實驗室），河北 石家莊 050002；3.河北省航空探測與遙感技術重點實驗室，河北 石家莊 050002）

航空大地電磁法（AFMAG）是一種被動源頻率域電磁勘探方法，具有探測深度大、工作效率高、數(shù)據(jù)采集受地形影響小的優(yōu)點，近幾年得到了快速的發(fā)展。與地面大地電磁原理相同，由遠方雷電、太陽風等產(chǎn)生的電磁信號在一定范圍內(nèi)可視為均勻平面電磁波［1-2］，該變化的平面電磁波垂直入射到地下，與地下不同巖性、構造產(chǎn)生不同電磁信號，通過測量這些微弱的電磁信號，從而達到勘查地下地質(zhì)體的目的。

1972 年Vozoff Keeva 對大地電磁傾子在二維條件下響應特征及原理進行了系統(tǒng)的闡述，但受限于當時設備及數(shù)據(jù)噪聲處理技術，野外實測數(shù)據(jù)中磁場Hz分量受噪聲影響嚴重，不能進行傾子參數(shù)換算用于實際數(shù)據(jù)解釋［3］。1985年Labson 等人提出遠參考噪聲壓制技術［4］，才使得傾子在實際數(shù)據(jù)解釋中得到成功應用。

航空大地電磁方法通過飛行載體在空中進行數(shù)據(jù)采集，相對于傳統(tǒng)地面大地電磁法，不能采集電場強度分量，通過采集磁感應強度x、y、z3 個分量，換算傾子參數(shù)［5-6］，傾子是航空大地電磁數(shù)據(jù)解釋中的重要參數(shù)。以往對傾子參數(shù)響應特點研究較多，但多數(shù)為數(shù)據(jù)模擬研究，且算法多為二維算法［7-9］。本文通過COMSOL 軟件進行數(shù)值模擬，求取傾子總散度，分析傾子響應特征，并通過航空大地電磁ZTEM 系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)進一步對傾子響應特征進行分析，探討傾子資料解釋的優(yōu)缺點。

1 方法原理

自然界產(chǎn)生的電磁場具有水平極化的特點，當?shù)叵碌刭|(zhì)體電阻率存在橫向變化時，就會激發(fā)出垂直磁場分量。地下地質(zhì)體所激發(fā)的磁場垂直分量Hz與兩個水平分量Hx、Hy存在復線性關系［3］，這種復線性關系可以用兩個復數(shù)系數(shù)在任意頻率表示：

式（1）中Hx(ω)、Hy(ω)、Hz(ω)分別為頻率域中磁場的x、y、z分量，Tx(ω)、Ty(ω)為傾子系數(shù)，傾子是一復數(shù)值且隨頻率變化。

傾子參數(shù)與地下地質(zhì)體電性分布相關而不與激發(fā)電磁波極化方向相關，所以傾子可以作為探測地質(zhì)體的參數(shù)。

式（1）中Hx(ω)、Hy(ω)、Hz(ω)為野外實測時間域磁場經(jīng)傅里葉變換后的值。為求取Tx、Ty值，方程式（1）分別乘以Hx(ω)、Hy(ω)的共軛復數(shù)值［10］，構建方程組：

式（2）中，[Hz H*x]表示Hz與Hx共軛復數(shù)乘積的累加和，其他表示類似。

通過方程組（2）可求取傾子值Tx、Ty：

2 ZTEM 測量系統(tǒng)

ZTEM 系統(tǒng)由加拿大Geotech 公司研發(fā)，是目前較為成熟的航空大地電磁測量系統(tǒng)，自2007 年投入使用以來，在全球范圍內(nèi)進行了大量的試驗與找礦探測，取得了較好的探測效果［11-13］。ZTEM 系統(tǒng)由空中接收系統(tǒng)和地面基站接收系統(tǒng)兩部分組成，如圖1 所示。

圖1 ZTEM 系統(tǒng)實拍Fig.1 Photos of ZTEM system

空中接收系統(tǒng)，接收線圈直徑7.4 m，有效面積1 200 000 m2，吊掛在直升機下方90 m 處，線圈平面平行于地面，接收磁場垂直分量，設計線圈離地高度100 m。線圈上安裝有3 個GPS 定位天線，用于監(jiān)控線圈姿態(tài)。實際飛行數(shù)據(jù)采集過程中，由于風速等外界不可控因素影響，線圈不是完全水平，接收到的Hz分量耦合有Hx、Hy分量，可通過3 個GPS 天線校正線圈姿態(tài)誤差。

地面基站接收系統(tǒng)主要由兩個磁探頭組成，磁探頭有效面積660 000 m2。同一測區(qū)范圍內(nèi)，磁場水平分量Hx、Hy變化很小，測區(qū)內(nèi)選定干擾較小位置作為地面基站放置點，兩個磁探頭水平放置，相互垂直，分別采集Hx、Hy分量。

對采集得到的Hz分量與Hx、Hy分量磁場數(shù)據(jù)進行傅里葉變換，提取25、37、75、150、300、600 Hz 頻率域信息，通過式（3）求取這6 個頻率沿測線傾子參數(shù)Tx和垂直測線傾子參數(shù)Ty，通過分析解釋傾子參數(shù)及相關衍生值從而達到探測地下地質(zhì)體的目的。

3 傾子響應特征正演模擬

使用基于有限元的三維正演程序對傾子響應進行數(shù)值模擬，分析傾子響應特征規(guī)律，為傾子資料解釋提供依據(jù)。

為求解傾子值需要求解兩線性相關極化的磁場值。將大地電磁場源分解為兩正交場源S1和S2的等效作用，為便于分析，假設這兩個場源極化方向分別沿主軸方向，源1沿y軸方向，設為S1，源2沿x軸方向，設為S2。在源S1激勵下，求取磁場3個分量在源S2激勵下，求取磁場3個分量，利用式（4）求取傾子參數(shù)［2］。

模擬中綜合使用磁絕緣和理想磁導體邊界條件，使場源平行于磁絕緣邊界，垂直于理想磁導體邊界，從而達到模擬無限域的效果［14-15］。使用自由四面體對模型進行網(wǎng)格剖分，對異常體網(wǎng)格加密，提高求解精度，剖分效果如圖2 所示。

圖2 模型網(wǎng)格剖分Fig.2 Diagram of model meshing division

數(shù)值模擬中使用25、37、75、150、300、600 Hz共6個頻率，模型背景電阻率100 Ω·m，充分考慮模擬邊界效應以及趨膚深度的影響，構建如圖3所示“回”型異常體，模型長2 000 m，寬2 000 m，高1 000 m。外層異常體電阻率10 Ω·m，內(nèi)層異常體電阻率1 000 Ω·m，x軸沿異常體長軸方向。本文主要討論傾子響應平面特征，為突出異常響應特點，異常體上方不設置覆蓋層。

圖3 模型尺寸圖示Fig.3 Model size diagram

研究表明［16-21］，傾子資料實部和虛部分量響應特征類似，且傾子實部分量對異常體反應更好。實際生產(chǎn)應用中只對實部傾子數(shù)據(jù)成圖，只有在反演過程中才使用到虛部傾子資料，所以文中只對傾子實部資料進行討論分析。

圖4為沿y軸方向模型中線電阻率曲線圖，圖4a 為ρxy視電阻率曲線，圖4b 為ρyx視電阻率曲線，圖中虛線為不同電阻率介質(zhì)界線。從圖中可以看出，兩個視電阻率曲線對于電阻率突變界面都有較好的反應，其中ρyx視電阻率曲線對電阻率突變界面反應更好。ρxy和ρyx視電阻率參數(shù)對背景圍巖和低阻體電阻率值反應較為準確，但對模型中間高阻體電阻率值反應存在偏差，且ρxy視電阻率曲線對中間高阻體的反應極不明顯，反映了大地電磁法視電阻率參數(shù)對低阻體響應優(yōu)于對高阻體響應的特點。

圖4 y 軸方向視電阻率曲線Fig.4 Apparent resistivity curve along the y axis

圖5和圖6 分別為不同頻率傾子Tx實部和傾子Ty實部平面圖。其中傾子Tx只對x軸方向電阻率變化有響應，傾子Ty只對y軸方向電阻率變化有響應。傾子實部在橫向電阻率交界位置處形成異常中心，當電阻率值從高阻到低阻的橫向分界面處，傾子形成正異常中心；當電阻率值從低阻到高阻的橫向分界面處，傾子形成負異常中心。

圖5 不同頻率傾子Tx實部平面圖Fig.5 Plan map of real part of tipper Tx at different frequencies

圖6 不同頻率傾子Ty實部平面圖Fig.6 Plan map of real part of tipper Ty at different frequencies

不同頻率傾子正演結果對于電阻率橫向變化邊界皆有響應。通過對比不同頻率傾子響應平面圖可以看出，頻率越高，傾子值正負差異越大，對比越大，對橫向電性分界面的分辨能力增強。探測頻率從高頻變化到低頻時，探測深度增加，體積效應增強，異常中心范圍變大，探測頻率較高時，體積效應小，對橫向電性界面反應更為精確。

從上述結果可以看出，傾子對于橫向電性分界面響應較好，并在邊界處形成相應的極值異常區(qū)，實際解釋中希望通過結合傾子Tx和傾子Ty參數(shù)圈定異常體，并在異常體上方形成相應的極值異常區(qū)，為此引入傾子總散度參數(shù)TD（Total Derivative），TD是通過計算沿測線方向傾子Tx對x的導數(shù)與垂直測線方向傾子Ty對y的導數(shù)之和求得［22］，具體計算公式如下：

圖7為不同頻率傾子總散度實部平面圖，從圖中可以看出傾子總散度對異常體圈定效果較好，能有效地顯示高阻與低阻異常體位置，對于模型中間的高阻體邊界圈定也相當準確，但總散度平面圖不能反應異常體實際電阻率值，只能顯示相對差異。

圖7 不同頻率傾子總散度實部平面圖Fig.7 Plan map of real part of total divergence of tipper at different frequencies

對比不同頻率總散度平面圖可以看出，當頻率為25 Hz 時，圖中數(shù)據(jù)范圍為-0.005～0.005；當頻率為600 Hz 時，圖中數(shù)據(jù)范圍為-0.022～0.022。即高頻數(shù)據(jù)范圍大于低頻數(shù)據(jù)范圍，相應高頻數(shù)據(jù)對比更大，異常體反應更加明顯。實際上DT參數(shù)反應沿相應方向的變化率，對于低頻傾子響應，體積效應大，傾子極值對橫向電阻率突變界面圈定范圍大，變化率小，相應總散度值偏低，而高頻傾子響應恰恰相反，對于高頻傾子響應，體積效應小，傾子極值對橫向電阻率突變界面圈定范圍小，變化率大，相應總散度值偏高。

4 航空大地電磁應用實例

2015 年核工業(yè)航測遙感中心在某試驗區(qū)開展了航空電磁測量，利用航空瞬變電磁VTEM 系統(tǒng)和航空大地電磁ZTEM 系統(tǒng)對測區(qū)進行探測，查明地質(zhì)構造，推斷成礦靶區(qū)。截取一部分測區(qū)數(shù)據(jù)，將航空大地電磁傾子總散度成像效果與航空瞬變電磁和航空磁法探測效果對比，說明傾子總散度在實際探測中的應用效果。

圖8為不同頻率傾子總散度實部平面圖，6幅分圖中均能反映出兩條南西-北東向低值異常條帶，推斷為巖石破碎帶充水形成的低阻斷裂帶。6 個頻率對兩條低值異常帶的反應特征類似，對比各圖數(shù)據(jù)值范圍，高頻相對低頻數(shù)據(jù)范圍更大，數(shù)據(jù)差異性更明顯，相應探測效果更好，與正演模擬的規(guī)律相同。

圖9為試驗區(qū)地質(zhì)示意圖。試驗區(qū)北部巖性主要為奧長花崗巖，南部巖性主要為太古宇龍崗群楊家店組下段和太古宇龍崗群四道砬子河組上段。區(qū)域構造方向為北東-南西向，小型斷裂發(fā)育，東雙丫倒轉背斜東北端位于試驗區(qū)中部。將圖8 中航空大地電磁推測斷裂投影到地質(zhì)圖中，分別命名為F1 斷裂，F(xiàn)2 斷裂。對比推測斷裂位置與實際地質(zhì)圖，發(fā)現(xiàn)實際地質(zhì)圖中并未顯示F1 與F2 位置存在斷裂構造，推斷F1 與F2 為本次測量發(fā)現(xiàn)的隱伏斷裂。

圖8 實測不同頻率傾子總散度實部平面圖Fig.8 Plan map of real part of total divergence of field tipper at different frequencies

圖9 研究區(qū)地質(zhì)示意圖Fig.9 Geological sketch of the study area

為驗證上述推斷，對比分析航空瞬變電磁和航磁探測結果，對上述推斷進行驗證說明。圖10 為航空大地電磁傾子總散度與航空瞬變電磁和航空磁法探測效果對比圖。圖10a 為75 Hz 總散度圖，根據(jù)圖中低阻條帶延伸標記兩條斷裂F1，F(xiàn)2。圖10b 為航空瞬變電磁時間常數(shù)平面圖，圖中F2 斷裂延伸方向時間常數(shù)表現(xiàn)為高值條帶，反應低阻異常，與傾子總散度斷裂F2 異常特征相吻合；圖10b 中F1 斷裂延伸效果不明顯，實際航空瞬變電磁探測深度較淺（一般地質(zhì)條件下小于600 m），推斷F1 斷裂埋深超過航空瞬變電磁探測深度。圖10c 與圖10d 皆為航空磁法探測結果，圖中對兩條斷層的位置與延伸皆有反應，其中圖10 d 為航磁三維反演-1 200 m 磁化率等值平面圖，圖中斷層F1 反應較好，表現(xiàn)為低磁化率條帶，而對斷層F2 的反應效果較差，實際航磁勘探中對深部異常探測效果較好，而對淺部異常反應效果較弱，推測斷裂F2 埋深較小，斷層F1 埋深較大，該推測與航空瞬變電磁探測結果推測一致。

圖10 不同勘探方法探測效果對比Fig.10 Comparison of detection effects by different geophysical exploration methods

3 種探測方法對斷裂F1 與斷裂F2 皆有反應，3 種方法相互印證，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)兩條隱伏斷裂，斷裂F2 埋深較小，斷層F1 埋深較大。由上述分析可以看出，航空大地電磁傾子總散度對于橫向電性界面變化的探測行之有效且效果較好，對于深部斷層F1 和淺部斷層F2 皆有反應，即該方法具有兼顧淺部與深部的探測能力。6 個頻率的總散度平面圖中對于兩條斷層反應特征相似，單純通過該方法不能很好的推斷斷層的埋深，即航空大地電磁傾子總散度參數(shù)的縱向分辨率較低，為到達更好的勘探效果，需結合其他物探方法對資料進行解釋。

5 結論

航空大地電磁法利用飛行器作為探測載體，具有探測效率高，勘探深度大，受地形影響小等優(yōu)點，擁有良好的推廣前景。本文通過數(shù)據(jù)模擬和實例分析得出以下結論：

1）航空大地電磁勘探以傾子作為解釋參數(shù)，對橫向電性突變界面反應靈敏，可用于巖性分界面、斷裂等構造解釋。傾子資料Tx只對x軸方向電阻率變化有響應，傾子Ty只對y軸方向電阻率變化有響應，并在電性交界面上形成異常中心。

2）傾子總散度可以將電性交界面的極值異常轉換為異常體上方的極值異常，并且傾子總散度對于低阻異常和高阻異常邊界圈定皆較為精確。同等地電條件下，傾子總散度高頻響應相對于低頻響應數(shù)據(jù)范圍大，對比度高，探測效果更好。

3）實際應用表明航空大地電磁對于斷層破碎帶具有很好的探測效果，推斷研究區(qū)中兩條隱伏斷裂，并通過航空瞬變電磁和航磁探測結果進行印證。對比航空瞬變電磁和航空磁法勘探，航空大地電磁傾子總散度參數(shù)用于地質(zhì)解釋行之有效，對淺部和深部探測效果皆較好。但傾子總散度參數(shù)的縱向分辨能力較差，為到達更好的勘探效果，需結合其他物探方法對資料進行綜合解釋。