低温超导瞬变电磁法在内蒙古四子王旗地质勘探中的应用

低温超导瞬变电磁法在内蒙古四子王旗

地质勘探中的应用

包苏新^{1,2 ,3,} 董丙元^1,2,3, 裴易峰^1,2, 荣亮亮^1,2, 邱隆清^1,2, 杜尚宇⁴

1中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室

2中国科学院超导电子学卓越创新中心

3中国科学院大学

4 吉林大学仪器科学与电气工程学院

基金项目：国家自然科学基金项目 (61873256)

说明：参考文献以原文为准，本推文未作详细标注。  (2)本号推文素材来源于公开发表的专业/学术期刊，仅供学习交流之用，相关事实恕不另行核实。

------内容提纲------

0引言

1四子王旗大井坡地球物理特征

2超导瞬变电磁系统

3数据处理方法

4测量与结果分析

5结论

-----------

瞬变电磁法(transientelectromagneticmeth-od,TEM)是一种时间域人工源电磁方法，以探测介质间的导电率和导磁率为物性前提，主要用于探测低阻目标，研究地下地电结构。通常情况下，它通过感应线圈或接地电极接收一次脉冲电磁场激发的二次电磁场信号，并利用电磁理论建立的相关模型反演出地下介质的电阻率分布特征。

目前国内外市场上性能稳定、可靠的瞬变电磁仪有十几种，如加拿大GEONIC公司的EM(electromagnetic)系列和吉林大学的ATEM(airbornetransient electromagnetic)型瞬变电磁仪等^[1-2]。这些TEM仪器均使用感应线圈作为接收装置，测量磁场B随时间t变化产生的感应电动势AdB/dt（A是感应线圈的有效面积）。然而，采用感应电动势定义全区视电阻率存在假极值和多解或无解的现象，而应用磁场响应计算的视电阻率更具有优势^[3]。此外，感应线圈的频率响应特性限制了其接收带宽^[4-6]。感应线圈测量的是磁场的变化率dB/dt，其晚期信号以t^-5/2衰减，而磁场信号B(t)以t^-3/2衰减，相比于B，dB/dt的衰减速度更快，所以直接测量B更容易测得晚期信号。瞬变电磁早期和晚期信号分别反映地下浅层和深层信息，因而直接测量磁场更容易得到地下深部的电阻率分布。

超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device,SQUID)是一种灵敏度极高的磁传感器，能够测量10^-15T量级的磁场波动^[7]。同时，SQUID在频带范围内的灵敏度与频率无关，是理想的瞬变电磁接收传感器^[8]。根据工作温度的不同，SQUID分为高温SQUID（工作于77.0K的液氮环境）和低温SQUID（工作于4.2K的液氦环境）。由于液氦制备及使用条件复杂，低温SQUID在TEM中的应用较少；但是低温SQUID噪声(5~7fT/√Hz)比高温SQUID噪声(>30fT/√Hz)更低，摆率更高，在TEM探测中更具有技术上的应用优势。

本文对比了异常环实验中感应线圈与低温SQUID的衰减曲线，并在内蒙古四子王旗大井坡北部测区内应用低温超导瞬变电磁系统进行探测实验，完成2条测线的勘探，反演深度大于2000m。

本文揭示了测线附近的地质分布情况，验证了浅层断裂带的位置和走向，并推断出断裂带在深部的分布，以期为评估该区域矿产资源潜力提供参考。

本文选取我国首个航空地球物理综合实验区（大井坡实验区）的局部地区进行精细探测。从整体上看，该实验区海拔从北至南逐渐升高，依据地质资料可将全区由北西至南东划分为3个地质区（图1）^[9]。

1. 全新统湖积洪积砂砾层；2. 上新统宝格达乌拉组泥岩、砂质泥岩；3.  上侏罗统大青 山组砾岩、砂岩、粉砂岩；4.  新元古界 呼吉尔图岩组石 英岩、变质石英砂岩、变质粉砂岩、千枚岩、变质砂岩、微晶绿帘角闪岩及结晶灰岩；5. 新元古界白音宝拉格岩组变质石英砂岩、石英岩；6.  中 元古界比鲁特岩组板岩、斑点板岩；7.  中元古界哈拉霍圪特岩组灰岩，夹板岩、变质含砾石英砂岩；8.  中元古界尖 山组灰岩－锈红色变质石 英砂岩、板岩；9.  中二叠世花岗岩；10. 早泥盆世灰黑色辉长岩；11. 时代不明超基性岩；12. 花岗斑岩脉；13. 花岗伟晶岩脉；14.  闪长岩脉；15. 石英脉；16.  闪长玢岩脉；17.  断裂；18. 动力变质带；19.  典型剖面名称及位置；20. 测线 1;21. 测线 2;22. 根据地质图所划分的区域；23. 测区 位置；24.  呼勒斯太以北磁铁矿；25.  小南山含铂铜镍矿；26. 疑似断裂 。据文献[9] 修改。

图1 四子王旗大井坡地质分布及测区位置

实验区内地层主要有中新元古界、中生界和新生界出露。主要地层有：中、新元古界为一套浅海碎屑岩-碳酸盐岩建造，在Ⅱ区中部大面积出露；中生界除少量玄武岩、凝灰岩等火山碎屑岩外，以陆相碎屑岩沉积为主，主要分布于Ⅲ区东南部的大青山组；新生界在Ⅰ区内分布最广，为一套河流相碎屑岩建造，岩性以砂岩、泥岩及现代冲洪积物为主。Ⅱ区与Ⅲ区之间有一条天然沟带，带内变质闪长岩及含阿牙登岩组的结晶灰岩夹板岩含量丰富^[10],这些岩石表现为低电阻率特性。同时，Ⅱ、Ⅲ区之间的天然沟带从测区中部穿过，实地考察发现区域内铁矿石出露明显。

北京勘察技术工程有限公司应用瞬变电磁方法在大井坡实验区进行了全范围的地质勘探^[9],图2所示为t=1.4171ms的视电阻率平面图。从图2可知，Ⅰ区到Ⅲ区的视电阻率依次为低阻、高阻、次高阻，且Ⅱ区和Ⅲ区之间有一条连续的低阻带。根据工区地质情况，此条低阻带与Ⅱ、Ⅲ区的天然沟带在同一地理位置，且沟带内的地质特性以低电阻率的岩石为主。对照分析可知，此条近东西向展布的低阻带处，应为断裂破碎带的反映。

已有地质资料显示^[11-12]：大井坡高阻区广泛分布中二叠世花岗岩和花岗伟晶岩脉，电阻率大于3000Ω·m；低阻区分布全新统湖积洪积砂砾层和上新统宝格达乌拉组，电阻率小于200Ω·m。由上述资料可知，该地区电阻率差异明显，为电阻率法勘探提供了良好的物性前提。

ρa.视电阻率。据文献^[10]修改。图中虚线将Ⅲ区分隔为低阻区（右）和相对高阻区（左）。

图2 四子王旗大井坡视电阻率

超导瞬变电磁接收系统与发射机通过GPS实时同步，发射机工作期间，SQUID响应磁场变化，并利用读出电路传输至接收机，如图3所示。与感应线圈相比，超导接收系统具有更低的噪声水平和更大的带宽，具体参数如表1所示。

图3超导瞬变电磁接收系统

在数据处理中，通常采用正负叠加技术抑制工频噪声。由于SQUID测量磁场信号B,系统还易受低频噪声（尤其是地球磁场波动）干扰。考虑到发射信号发射时间为80ms,关断时间为920ms,地磁场在发射信号的一个周期内可近似于线性变化，可以利用线性插值分段拟合的方式去除低频噪声^[13]:首先对发射时间晚期道噪声段进行线性拟合，获得短时间内地球磁场的变化规律，然后把该规律应用于整个关断阶段以去除地磁场的干扰。

图4 二次场信号校正前后对比

 

地磁场校正前后的叠加结果如图4所示。从图4可以看出：由于地磁场的干扰，校正前的原始数据在400ms处偏离了原先的衰减趋势，急剧衰减到零值以下；经过校正后叠加信号的晚期信号衰减时间延长至700ms,此前仍保持原先的衰减趋势。叠加完成后，对数据进行抽道，再通过全区视电阻率的定义得到该测点视电阻率与深度的关系，最后将结果作为初始模型进行反演，数据处理流程如图5所示。

图5 模型建立及数据处理流程图

本文采用奇异值分解(singular value decomposition,SVD)方法直接对磁场进行反演。首先建立目标函数：

式中：E为拟合误差；N为数据总量；di为实测数据；mk为k次迭代后的模型参数；F(mk ) 为瞬变电 磁法一维正演方程。

根据奇异值分解法，可将式(1) 中 d i  -F(mk  ) 转换为Δdk  =di  -F(mk)=J k Δmk+1    。        

(2)式中：

为对mk的修正值。根据式(2) 求解Δ m _k+1 , 利用Δm _k+1对模型参数进行修正，随后通过多次迭代求取E最小的模型作为反演结果，实现理论模型正演结果与实测数据的最佳拟合。该算法具有算法简单、计算速度快和稳定收敛等特点。

为验证SQUID系统的可靠性，本文选择传统的商业化仪器EM67（接收装置为感应线圈）作对比。发射线框为100m×100m,发射电流16A,基频25Hz,分别用SQUID与EM67接收机进行异常环实验。将SQUID采集的B信号做数值微分后与EM67所测dB/dt信号作对比，归一化结果如图6所示。可以发现：在0~3ms处两条曲线基本重合；

表１ 超导瞬变电磁接收系统参数

3ms之后，线圈测得的信号受到噪声干扰出现震荡，而SQUID信号仍有较高的信噪比。该实验结果不仅验证了SQUID测量的准确性，同时可以看出相比于传统线圈，超导SQUID在晚期信号的信噪比更高[14-15]。

结合图1和图2可知，Ⅱ区和Ⅲ区之间存在浅层低阻断裂带，该断裂带具有一定的成矿条件；根据勘探需要，选择对该断裂带应用超导瞬变电磁系统进行精细探测。

图6 SQUID与感应线圈异常环实验数据对比

实验选择垂直于该低阻带的方式布置2条测线（图1)。测线1和测线2各有6个测点，2条测线间距200m,且每个测点间隔均为200m。布置200m×200m线框，发射电流80A,发射信号基频0.5Hz,其中发射时间为80ms,关断时间为920ms,每组采集时间约为9min,叠加次数500次。图7为测线1、2的采集信号抽道曲线剖面图。从图7中可以看到，测线1、2均整条测线上数据一致性良好。

测线1和测线2中各个测点反演结果与实测数据拟合误差如表2所示。各点拟合误差均小于10%,拟合效果较好。

结合四子王旗大井坡地质、视电阻率资料及地面初步勘察情况，可对2条测线的反演结果（图8)进行综合解释。从整体上分析，2条测线位于Ⅱ、Ⅲ区交界处，靠近呼勒斯太磁铁矿床和小南山含铂铜镍矿床（图1),地质上为上新统宝格达乌拉组，周边分布泥岩和砂质泥岩；同时测区内局部出露哈拉霍圪特岩组灰岩、夹板岩，中二叠世花岗岩，白音宝拉格岩组石英岩及辉长岩体，地质情况特殊，岩石种类丰富；该测区的电阻率变化层次分明，符合地质资料中低阻断裂带的反映。根据反演结果，我们对该区域的地质分布情况进行如下推断：

1)测线1与测线2电阻率分布一致，浅层400m以内（图8中1处）均表现为低电阻率特性（电阻率小于200Ω·m),与北京勘察技术工程有限公司探测结果（图2)显示的低阻带分布吻合。推测该低阻特性是由断裂带引起，且地表发现铁矿石出露，该低阻断裂带可能属于呼勒斯太磁铁矿床。

表 2 测线1和测线 2反演结果与实测数据拟合误差

2)2条测线南北两侧电阻率较高，与图2中Ⅱ区、Ⅲ区的高阻特性一致。已有地质资料^[9]显示，该地区主要地层为中元古界哈拉霍圪特岩组变质石英砂岩和变泥灰岩互层，其表现高阻特性，与测量结果吻合。

3)2条测线700m处均显示地下约1500m（图8中虚线2处）呈现较大范围的低阻异常，水平宽度约200m,可能分布深大断裂带。其中测线1小于500Ω·m的低阻区域延伸到深部2000m附近，且测点之间一致性非常好。2条测线均显示在深度800~1000m附近，深部低阻与浅部低阻带存在一定的隔离。根据当地地质资料^[10],已探明测区东部约3km处为呼勒斯太磁铁矿床，南部约5km处为小南山矿床。

图8测线1和测线2反演结果

该测区矿床地质构造复杂，受近东西向深大断裂和北东东向、北西向断裂控制，断裂带中古生代晚期辉长岩发育良好。辉长岩是铜镍矿、黄铁矿等金属矿物成矿母岩，当含有金属元素时，其表现为低电阻率特性。推测深部低阻异常为东西向深大断裂带中的基底层辉长岩引起，可能具备一定成矿条件。

1)本文对比了EM67瞬变电磁仪与超导瞬变电磁系统的异常环探测结果，验证了SQUID应用于瞬变电磁法在探测精度和深度上的优势。根据断裂带与周围岩体的电阻率差异，在内蒙古四子王旗大井坡采用低温SQUID接收和200m发射线框的瞬变电磁勘探方案，对该区域电阻率异常进行精准探测，获得了2000m以上的有效反演深度。

2)本文反演结果显示的低阻带与已有地质资料的断裂带相吻合，并且进一步推断出深大断裂带分布在地下1500~2000m深度。本文利用超导瞬变电磁法对该区域进行分析，存在浅部明显断裂和深部疑似断裂带，为四子王旗大井坡区域的地质构造研究以及矿产勘探提供了参考。

原文来源：包苏新, 荣亮亮，裴易峰,邱隆清等. 低温超导瞬变电磁法在内蒙古四子王旗地质勘探中的应用，吉林大学 学报（地球科学版），2020,50(4) :1211-1218 . doi:10.13278/j .cnki.jjuese.20190102.