陳炳武，李懷京

（河南省有色金屬地質勘查總院，鄭州 450052）

EH－4電導率成像系統(tǒng)在鋁土礦找礦中的應用研究

陳炳武，李懷京

（河南省有色金屬地質勘查總院，鄭州 450052）

簡要介紹了EH－4電導率成像系統(tǒng)的基本原理和工作方法。在河南省澠池縣雷溝鋁土礦區(qū)的找礦試驗中，測試了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、垂向電性分層能力及對礦區(qū)典型電性結構的探測能力和復雜條件的適用能力。應用小波多分辨分析的數學方法對實測數據進行了一階多分辨分解，分離出一階細節(jié)異常和一階逼近異常。比對礦區(qū)ZK808孔資料，說明了一階細節(jié)異常包含了較多的噪聲和靜態(tài)效應，而一階逼近異常包含有較多的目標地質體的異常信息，從而有效地壓制了噪聲及靜態(tài)效應，突出了目標地質體的異常信息。采用一階逼近數據進行二維聯合反演，并將反演結果與礦區(qū)地質資料進行對比，肯定了EH－4電導率成像系統(tǒng)在鋁土礦勘查中的找礦效果及應用前景。

EH－4電導率成像系統(tǒng)；數據處理；小波多分辨分析；鋁土礦勘查

0 前言

二十世紀八十年代中期以來，隨著鋁工業(yè)的迅猛發(fā)展，探明的富鋁土礦資源消耗迅速。地表規(guī)模大、富、淺的鋁土礦多已勘查殆盡，地質勘查工作正逐步轉向覆蓋或深覆蓋區(qū)，工作難度越來越大，在覆蓋區(qū)開發(fā)研究新的物探方法技術手段進行鋁土礦的勘查顯得日益迫切。

針對河南省覆蓋區(qū)鋁土礦的勘查，因礦床產出的地質背景、礦石及圍巖的巖性特征、物性參數特征等不同于其它礦產，一直以來，物探在鋁土礦中的勘查技術方法手段比較單一，應用最多的是常規(guī)對稱四極電阻率測深法。但在勘查詳度、勘查深度、克服覆蓋層、中間層影響等方面，難以達到地質人員對勘查效果的期望。

EH－4電導率成像系統(tǒng)是利用天然大地電磁場波的一種新型高科技儀器。它具有體積小、重量輕、易攜帶、易操作、高效環(huán)保、野外探測成本低等特點，可以探測到幾米至幾千米深度內的地下地質構造和巖性界面，并在多種類型礦區(qū)的地質勘探中進行了研究，結果對地下一定深度地層的層面或斷層構造，有較好的解析和應用效果。但在鋁土礦資源勘查中尚未進行過類似的應用研究。

本研究的基本出發(fā)點是將EH－4電導率成像系統(tǒng)應用于覆蓋區(qū)鋁土礦的找礦，測試其對沉積型鋁土礦的探測效果，為河南省覆蓋區(qū)鋁土礦勘查找出一種新的探測方法，做一次有益的嘗試。

1 EH－4電導率成像系統(tǒng)工作原理

EH－4電導率成像系統(tǒng)是上世紀九十年代由美國EMI公司和Geometrics公司聯合推出的新一代電磁儀—EH－4型StrataGem電磁系統(tǒng)，能觀測到離地表幾米至一千米范圍內地質斷面的電性變化信息?；趯嗝骐娦孕畔⒌姆治鲅芯?，可以應用于地下水研究、環(huán)境監(jiān)測、礦產與地熱勘察，以及工程地質調查等。該系統(tǒng)適用于各種不同的地質條件和比較惡劣的野外環(huán)境，其方法原理與傳統(tǒng)的MT法一樣，是利用宇宙中的太陽風、雷電等入射到地球上的天然電磁場信號作為激發(fā)場源，又稱一次場。該一次場是平面電磁波，垂直入射到大地介質中，由電磁場理論可知，大地介質中將會產生感應電磁場，此感應電磁場與一次場是同頻率的。在均勻大地和水平層狀大地情況下，波阻抗Z是電場E和磁場H 的水平分量的比值。

式中 f為頻率（Hz）；ρ是電阻率（Ω·m）；E是電場強度（mV／km）；H 是磁場強度（nT）；φE、φH分別是電場相位及磁場相位（mrad）。

必須指出的是，此時的E與H，應理解為一次場和感應場的空間張量疊加后的綜合場，簡稱總場。在電磁理論中，把電磁場（E、H）在大地中傳播時，其振幅衰減到初始值的1／e時的深度，定義為趨膚深度（δ）。

雖然趨膚深度在某種意義與電磁波在介質中的穿透深度有關，但它并不代表實際的有效探測深度。對探測深度D較好的經驗公式為式（5）。

由式（5）可知，探測深度（D）將隨電阻率（ρ）和頻率（f）變化，測量是在和地下研究深度相對應的頻帶上進行的。一般來說，頻率較高的數據反映淺部的電性特征，而頻率較低的數據則反映較深的地層特征。當大地電阻率結構一定時，改變信號頻率便可得到連續(xù)的垂直測深。因此，在一個寬頻帶上觀測電場和磁場信息，并由此計算出視電阻率和相位，最終確定出大地的地電特征和地下構造，這就是EH－4觀測系統(tǒng)簡要的方法原理。

該系統(tǒng)通常采用天然場源，只有在天然場信號很弱或者根本沒有的頻點上，才使用人工場源，用以改善數據質量，提高數據信噪比。EH－4電導率成像系統(tǒng)可以在0.1Hz至100KHz的寬頻范圍內采集數據。

綜上所述，EH－4電導率成像系統(tǒng)也是一種探測地下地質體巖（礦）性的電性差異的物探儀器；在理論上是以電磁信號在地下的傳播為基礎，主要區(qū)分地下電阻率差異較大的地質體或構造。

2 EH－4電導率成像系統(tǒng)在鋁土礦找礦中的應用研究

2.1 試驗區(qū)概況

實驗地點選擇在河南省澠池縣雷溝鋁土礦區(qū)進行，該礦區(qū)是河南省西部比較典型的鋁土礦區(qū)，鋁土礦上覆、下伏地層保存比較完整，勘查程度較高，適合做物探方法試驗。礦區(qū)從上至下出露的地層有第四系、二疊系、石炭系、奧陶系等，鋁土礦賦存在石炭系地層中。第四系主要是粘土，厚約20m～80m；二疊系地層主要巖性是砂巖、粘土巖，局部地段含煤系地層，煤系地層一般厚約3m～30m，在礦區(qū)總厚度約100m～250m。石炭系的上石炭統(tǒng)為含生物化石灰?guī)r，厚約80m～150m；鋁土礦埋深在本區(qū)一般小于500m。

經物性參數測試統(tǒng)計，礦區(qū)各巖（礦）石電阻率特征如表1所示。

從表1可知，鋁土礦與煤層、砂巖、粘土巖等電性特征相似，僅從視電阻率異常上較難區(qū)分。鋁土礦是沉積在奧陶系灰?guī)r的巖溶洼區(qū)，成為奧陶系灰?guī)r的上蓋層，而奧陶系灰?guī)r與其它巖性電阻率差異較大，可達1～2個數量級，這一物性差異是用音頻大地電磁測深探測鋁土礦底界面的物性條件，只需探測奧陶系灰?guī)r的界面起伏狀態(tài)及頂面深度，就可以根據鋁土礦床的形成特點進行間接找礦。

2.2 工作方法

試驗區(qū)各巖石電阻率變化范圍大約為20Ω·m～4 300Ω·m，在探測時取最低工作頻率為4Hz，據公式（5）估算，探測深度約800m，滿足本區(qū)探測鋁土礦的要求。因此頻率范圍確定為4Hz～100KHz。在工作中使用相互垂直的兩個電道和兩個磁道，電道、磁道布置如下頁圖1所示。

表1 河南省澠池縣雷溝鋁土礦區(qū)巖（礦）石電阻率參數統(tǒng)計表Tab.1 The rock（ore）resistivity parameters statistics of the Lei－Gou mine area in mianchi county of Henan province

圖1 數據采集時EH－4系統(tǒng)連結圖Fig.1 The EH－4system connection diagram with the data collection

2.3 數據處理

在EH－4電導率成像系統(tǒng)測量數據中，一般包含有噪聲和靜態(tài)效應。噪聲是隨機的，一般可以通過濾波予以消除。靜態(tài)效應是由于電性分布不均勻產生（近地表附近的橫向不均勻影響最大），當地下存在電性不均勻體，有電場穿過該電性體時，就會在其表面形成電荷積累，引起靜態(tài)效應。靜態(tài)效應隨局部電性體的尺寸、埋深而變化，靜態(tài)效應還是電場電極位置的函數，靜態(tài)效應對頻率測深數據的影響是復雜的，它對數據解釋產生的影響必須進行校正。

2.3.1 數據處理方法

近年發(fā)展起來的小波分析方法，在信號處理、故障監(jiān)控、圖像分析等很多學科領域得到越來越廣泛的應用，也可用于電磁法勘探領域的數據處理［1］。小波變換引入的多分辨分析的思想，在空間變換域和頻率域同時具有良好的局部分析性質。小波變換可以將信號分解成各種不同頻率或尺度成份，并通過伸縮、平移聚焦到信號的任一細節(jié)加以分析。小波分析的這些特點決定了它是進行地球物理數值分析的有效工具，利用小波變換的上述特點，對信號進行劃分，便可得到各種尺度意義下的異常。本次研究的數據處理，即是采用小波多分辨分析的原理進行。

小波逆變換為：

基本小波是具有特殊性質的實值函數，它是震蕩衰減的，在數學上滿足積分為零的條件：

相應的小波逆變換為：

式中 ψj，k（t）＝2－j／2ψ（2－jt－k） j，k∈Z

對于離散序列信號f（t）∈L2（R），根據多分辯逼近理論，可以選擇與ψ（t）相應的尺度函數φ（t），令φji（t）＝2－j／2φ（2－jt－i），j、i∈Z，則φji（t）與ψmn（t）正交（當m ＜j時對所有的i、n），同時φji（t）與它自身所有的離散平移正交。所以，有如下分解式：

其中 J是待定整數。

劉德平教授經過多年的臨床研究發(fā)現，治療糖尿病必須從增加胰島素細胞數量入手，才能根治糖尿病及其并發(fā)癥，于是劉德平教授提出“激活胰島細胞療法”，它是目前治療糖尿病的新理論?！凹せ钜葝u細胞療法”通過加速胰島細胞的修復和再生，使胰島細胞分泌的功能重新建立，正常分泌的胰島素轉化血糖為能量和營養(yǎng)，只有這樣才能夠使糖尿病得到徹底的治愈。

在式（10）中，隨著J的不同，就會引起尺度s＝2j的變化（j＝0、1、2、…、J）。由式（10）可對一個函數進行小波多分辨分解。

在EH－4電導率成像系統(tǒng)中，可以將式（10）中第一個和式對應于卡尼亞電阻率函數的逼近部份，視為背景值和規(guī)模較大地質體異常；將式（10）中第二個和式對應于尺度2j（j＝0、1、2、…、J）之下函數的細節(jié)部份，相當于淺部二維、三維局部不均勻產生的局部異常，當認為它不是目標地質體異常時，就可以當作噪聲和靜態(tài)效應進行壓制。

2.3.2 數據處理效果分析

圖2是對8號勘探線zk808孔第一次觀測曲線進行小波多分辨分析壓制靜態(tài)效應和噪聲的處理效果。在圖2中，實測卡尼亞電阻曲線不夠光滑，含有高頻的噪聲成份，尤其在8號頻點（721 Hz）附近，跳躍幅度較大，類似一淺源異常。據式（5），地表覆蓋層電阻率以30Ω·m代入，探測深度約在79.1m，另據礦區(qū)地質資料，該深度不是目標地質體的深度，因此在該深度出現的異常應當作靜態(tài)效應進行壓制。在圖2中，實測曲線按一階小波多分辨分析方法可分解為一階細節(jié)曲線和一階逼近曲線。分離出的一階細節(jié)曲線能較好地反映噪聲和靜態(tài)效應的特征。而一階逼近曲線成為比較光滑的曲線，在19號頻點（16Hz，探測深度約487.5m）之后，曲線成傾斜上升形態(tài)，反映了下伏灰?guī)r地層的高阻特征，曲線上特征點出現位置與礦區(qū)的地層層位特征基本符合，數據處理效果較好。

2.4 試驗效果分析

試驗分單點測深試驗和剖面探測兩個方面進行。單點測深試驗的目的是對比已知鉆孔資料，研究EH－4電導率成像系統(tǒng)探測結果的穩(wěn)定性及垂向電性分層能力；剖面探測的目的是全面反映系統(tǒng)對礦區(qū)典型電性結構的探測能力和復雜條件的適用能力。

2.4.1 單點測深效果

單點測深試驗選擇在8號勘探線zk808孔的位置進行，該點地表為第四系黃土，厚度約100m；其下為二迭系地層，厚度約250m；再下是石炭系含礦地層厚約130m；基底是奧陶系灰?guī)r，厚度超過600m。

圖3（見下頁）是在試驗點做相同點位的多次重復數據采集，共采集11次的二維反演結果（取小波多分辨分析一階逼近數據進行反演，下同），其視電阻率等值線為水平層狀，反映多次重復觀測的一致性良好，探測結果穩(wěn)定。垂直方向上視電阻率曲線的變化反映出電性分層情況，與鉆孔巖性對比有較好的對應關系，這表明EH－4電導率成像系統(tǒng)對此類電性結構有較好的探測能力。

圖2 8號勘探線ZK808孔第1次觀測小波多分辨分析壓制靜態(tài)和效應噪聲效果示例圖Fig.2 The effect example of the first observation on the well ZK808in the No.8exploration line using the wavelet multi－resolution analysis to suppress the static effect and noise

圖3 試驗點多次觀測二維反演圖Fig.3 The 2Dinversion map by repeatedly observed data at the test point

2.4.2 剖面探測效果

礦區(qū)7號勘探線上有六個鉆孔控制，地質情況清楚，容易評價EH－4電導率成像系統(tǒng)的探測效果。在該勘探線上布置了一條研究剖面：剖面長800m，點距20m，共41個測點，剖面二維反演結果及異常分析見下頁圖4。經分析圖4（見下頁）可知：

（1）圖4中大于150Ω·m的視電阻率等值線間距變密，梯度增大，由此推測150Ω·m等值線附近為奧陶系灰?guī)r界面。在180號～320號測點間，視電阻率曲線向右傾斜，陡度很大，傾角約60°，而在320號～620號測點間，視電阻率曲線向左傾斜，坡度較小。因而在180號～620號測點之間形成洼地，洼地中心在320號測點，此處正是鋁土礦富集地段。

（2）在320號測點處視電阻率較低，其左、右兩側均較高，推測該處有斷層存在。

（3）在120～180測點中心標高350m處有一高阻體存在，此處是因斷層原因奧陶系灰?guī)r突然升高至近地表所致；在380～520測點的范圍內，近地表處有一高達數百歐姆米的高視電阻率異常，此處位于河灘卵石層，正值旱季，電阻率較大，由此所致。

3 結論

分析本次試驗成果，可以認為EH－4電導率成像系統(tǒng)在雷溝鋁土礦區(qū)開展的找礦研究工作取得了較好的地質效果，主要體現在以下幾個方面：

（1）在數據處理上，采用小波多分辨分析的原理進行噪聲和靜態(tài)效應的壓制，突出了目標地質體的異常信息，取得了較好的處理效果。

（2）單點測深試驗效果突出，二維反演視電阻率等直線平直，系統(tǒng)采集數據穩(wěn)定性能較好，分層明顯，有較高的垂向分辨率，顯示了極佳的測深效果。

（3）在剖面試驗中，7號勘探線二維反演的視電阻率剖面圖上，顯示出了深部高阻異常的存在，對奧陶系灰?guī)r界面有較好的探測能力。對比鉆孔控制深度，有較好的一致性。表明利用該系統(tǒng)能夠查明礦區(qū)基巖起伏形態(tài)，指出成礦有利部位，并對埋深作量化推算，指導隱伏鋁土礦的找礦工作。

圖4 雷溝7號勘探線地質、物探剖面圖Fig.4 The geological and geophysical exploration section along the No.7exploratory line of the Leigou mine area

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2011－11－22 改回日期：2012－06－01

陳炳武（1964－），男，碩士，高級工程師，主要從事物探技術研究工作。