ZTEM电磁测量系统场源为全球范围的电磁暴及雷电产生的自然电磁场, 根据传播方式, 可以认为该场是垂直向下的平面电磁波。任何垂直磁场均是由地下介质侧向电导率差异所造成的, 并可以被ZTEM系统测量到, 位于测区范围内的基站线圈测量水平磁场。磁场垂直分量与水平分量保持复线性关系, 倾子矢量则是这种复线性关系的系数, 即:

Hz=TzxHx+TzyHy=[Tzx Tzy]HxHy,(1)

式中, T_zx、T_zy表示倾子矢量在x和y方向的分量^[2]。倾子矢量是复数, 振幅值大小表明了介质横向的不均匀性程度, 倾向角则指向低阻体。倾子矢量参数的振幅反映了电阻率在观测剖面上横向变化的强度, 倾向角表明了局部构造的走向, 利用倾子矢量的这些特点可以对多个异常体的边界进行区分^[2-3]。

通过各种模型的正演拟合计算, 得出高阻或低阻异常体的倾子响应都能很好地分辨出异常体, 倾子响应对低阻异常体边界的识别能力要强于高阻体。异常体的埋深影响倾子值的大小, 埋深越深, 倾子的幅值越小, 倾子曲线变化越平缓, 与围岩的边界越模糊。在多个异常体边界的识别中, 得出倾子的识别能力不随异常体之间距离的减小而明显下降, 因此倾子响应可以较好地克服视电阻率对于多个异常体相距较近时对异常体边界识别能力弱的问题^{[2, 3]}。

在测深方面, 其原理与MT方法原理一致, 测量深度遵循趋肤深度公式:

δs=356×ρAf,

即如果电阻率为ρ _A=1 000 Ω · m时, 频率f为360~30 Hz, 那么测深深度δ _s为600~2 000 m^[9]。

该系统分为地面基站接收机和机载接收机两部分(图1), 其中地面接收机主要由两个相互垂直的直径为3.5 m的接收线圈组成, 采集水平磁场分量H_x、H_y。机载接收机接收线圈直径7.4 m, 采集垂直磁场分量H_z, 在测量时采用90 m长电缆悬挂在直升机下方, 并采用专利的悬挂系统避免或减小振动, 同时该电缆还可以将采集的数据实时传输到数据采集系统中。表1为ZTEM测量系统的主要技术参数。

图1

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	图1 ZTEM系统装置[9]

表1

表1

表1 ZTEM主要技术参数[9] ZTEM系统 参数 发射机 无(天然场) 采样频率 A/D=2 000 Hz A/D (0.000 5 s) Output=2.5 Hz(10 m/sample) 接收机 机载接收机=Hz(垂直磁场分量) 地面基站接收机=Hx 、Hy(水平磁场分量) 接收频率 22~2 800 Hz, 实际中通常采用30~720 Hz或25~600 Hz 接收线圈直径 机载接收线圈=7.4 m 地面基站接收线圈=3.5 m 测量速度 80 km/h 接收机导出参数 Hz/Hx和Hy/Hz 倾子(Tensor FFT) 接收机转换参数 同相分量, 异相分量 标称噪声 < 1% IP& QD

表1 ZTEM主要技术参数[9]

为了消除水平和垂直电磁场交叉耦合的效应, 对机载线圈的飞行姿态进行实时监控。在ZTEM机载线圈上的不同位置分别布设了3个GPS接收机。采用其中一个GPS数据作为移动的基站来计算其他两个接收机的相对位置, 以此来进行非常精确的飞行姿态测量。

得益于测量方法的技术革新, ZTEM能够获得噪声水平极低的观测数据。ZTEM对微弱电阻率异常体具有优秀的识别和分辨能力, 并且低频25/30 Hz能够穿透导电覆盖层。在高阻结晶岩石中探测深度很容易达到2 000 m; 在导电性沉积岩和地热建造可达500~1 000 m。因此ZTEM已成为一种有效的大深度电阻率探测方法, 在航空电磁领域独树一帜, 已被成功地应用于探测斑岩型、喷流— 沉积型、大型火山岩型块状硫化物, 不整合铀与受构造控制的金、银、铂族金属矿床和地质填图, 并在智利北部Copaquire铜— 钼矿、美国阿拉斯加金— 铜矿、加拿大Milligan山铜— 金矿等多个世界级著名矿床的测量及研究工作取得了较好的效果^{[9, 10, 11]}。

2015年4月, 核工业航测遥感中心受青海省地质调查局的委托, 在4 000 m以上高海拔地区成功完成世界上首例具有标志性意义的航空天然场源电磁法ZTEM试验飞行, 取得了高信噪比的可靠的原始资料。

Milligan山矿床位于上三叠— 下侏罗统Takla群的火山核内, 包括碱性辉石安山岩、玄武岩和火山碎屑岩。侵入在火山岩中的岩石为碱性正长岩和二长— 闪长岩同岩浆岩套。矿化主要产在安山质和安粗质岩流、火山碎屑岩、粗面凝灰岩和斑状二长岩中^[12]。

Milligan山近地表的斑岩型铜— 金矿区南北约2.5 km, 东西约1.5 km, 厚度约400 m。主要为2个矿带— — 主矿床带和Southern Star区(简称SS区)。主矿床带又包含4个子区:MBX区、WBX区、DWBX区和66区(图2)。

图2

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	图2 Milligan山地区地质及主要矿化区示意[9]

该地区断裂构造较为发育, 在Milligan山东部为该地区的区域性Great Eastern断裂带, 以该断裂为界, 西部出露含矿化的Takla群火山岩, 东部为古近系— 新近系地层。在矿化区主要为三组断裂:①早期的北东向Rainbow断裂; ②北东东向断裂, 如MBX、WBX及DWBX区北部的Oliver断裂及SS区南部Cross断裂; ③北西向断裂, 如南北贯穿矿床中部的Harris断裂及SS区中部的断裂。

根据倾子矢量的原理, 可以得出沿测线方向x的倾子响应(T_zx)和垂直测线方向y的倾子响应(T_zy), 并根据该方向的倾子响应识别与此方向呈大角度交角的断裂构造或地质体的边界等。将x、y两个方向的倾子响应结合起来, 即可在一张图上将该地区的断裂格架表现出来(图3)。

图3

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	图3 Milligan山地区ZTEM测量成果示意[9]

由于倾子矢量在不同频率上响应不同, 较为直接地反映了断裂构造随深度的变化。由图3的In-Phase总散度(由倾子矢量实部响应经导数计算得出)等值图可知, Milligan山东部的主要构造Great Eastern断裂带由浅至深其倾子响应逐渐增强, 说明了断裂构造在深部可能规模更大、更加破碎。与该大断裂带形成对比的是, Milligan山MBX矿区北部的断裂, 其响应情况随着频率的变小, 即随着深度由浅至深逐渐变弱, 反映出该断裂由浅到深规模逐渐变小, 属于近地表的断裂。

ZTEM系统除了可以宏观地将整个测区的构造格架(图4)较好地反映出来外, 还可以对其倾子响应资料进行2D和3D的反演(图5, 图6)。

图4

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	图4 Milligan山地区MBX矿区地质剖面[9]

图5

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	图5 Milligan山地区L1100线2D反演电阻率等值线剖面[9]

图6

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	图6 Milligan山地区MBX矿区3D反演电导率等值切片(截取自L1100线对应位置)[9]

由图5可知, 该反演剖面清晰地将区域性断裂构造Great Eastern断裂带、Takla群及古近系— 新近系地层的接触形态及空间展布特征反映出来。图6为经过3D反演的电导率等值切片图, 其对应位置为图5中标出的MBX矿区位置, 经过与图4已知地质剖面对比, 其反演结果与剖面吻合度较高。

青海试验区位于我国青海省格尔木市西南部, 区内海拔最低约3 800 m, 最高约4 350 m, 平均海拔近4 000 m, 山势陡峻, 切割剧烈, 人畜难以通行。本次试验工作共布置测线13条, 测线方向132° , 线距200 m, 共完成测线152 km, 控制面积29 km², 测量时间为2015年4月8日至13日, 共6天, 除去设备组装、准备和测试时间, 实际测量时间仅为1天。

通过对ZTEM资料的处理分析, 选择了合适的初始模型进行反演计算, 并形成各个频率的In-Phase总散度切片图(图7), 展示了本次测量的效果。根据趋肤深度公式, 可得到本次试验测量深度达到 2 000 m。根据倾子响应的特性并凸显异常, 暖色调表示低阻区, 冷色调表示高阻区, 各频率的In-Phase总散度图将各个深度的倾子矢量响应表现得十分直观。试验区中部的低阻区规模逐渐变大, 推断可能为一个规模较大较深的断裂, 随着深度逐渐变化其破碎程度逐渐增加; 试验区南部则由浅至深变化不大, 且电阻率值整体较高, 仅在较浅部位有少许的低阻区, 且厚度较小。综上可知, ZTEM测量为认识该地段深部地质环境提供了较多的资料。

图7

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	图7 试验区各频率对应趋肤深度In-Phase DT等值线切片及地形地貌影像综合示意[13]

通过对两个地区ZTEM资料的分析, 充分证明了z轴倾子对横向地质体边界的识别分辨能力较强, 尤其是针对低阻体响应较强, 同时可以对探测区域进行x、y、z三维的综合分析。利用x与y方向的倾子响应数据, 来分析该方向的横向地质构造的边界; 利用频率由高到低的变化进行自浅到深的观察, 来分析地质体由浅至深的形态变化, 从而使资料的解释更加直观、可靠、准确。

ZTEM系统与地面大地电磁系统原理类似, 都是采集天然电磁场信号, 只是采集的物理量有所差别。

ZTEM主要对磁场的水平分量H_x、H_y及垂直分量H_z进行观测, 并计算Tipper即倾子矢量进行主要的数据分析工作。MT或AMT系统则广为人知, 采集电场的水平分量E_x、E_y及磁场的水平分量H_x、H_y及垂直分量H_z, 并计算其各方向的阻抗。

两种采集系统的采集频率也有差别。ZTEM系统的主要采集频率为720~30 Hz, 基本能够保证测量深度达到2 km以上。MT系统(以加拿大凤凰公司的V8多功能电法采集系统为例)的采集频率为1 000~0.000 1 Hz, 其测量深度甚至能够达到上地幔。

倾子响应在ZTEM资料解释中地位十分重要。根据倾子矢量的特性可以对探测区域进行x、y、z三维的综合分析, 并且可以进行2D和3D的电阻率反演。同时其测量效率较高, 可以用较短的时间进行大面积的电磁法测量。

地面MT测量在资料解释中, 分析的基础主要以电阻率为主, 由于其观测频带较宽, 因此其测量数据量大, 探测深度较大, 并可以提供更多的细节。但是其主要以二维剖面的形式对大致垂直测线方向上的断裂构造进行分析推断, 不能完全做到对x、y、z三个方向进行三维的综合分析, 而且电阻率在分辨多个地质体之间的边界方面能力相对较弱, 同时其采集效率较低。

ZTEM测量数据与MT数据最终都可以进行各自方法的反演, 得到电阻率等值图, 因此, 理论上可以将同一区域内的ZTEM数据和MT数据共同观测的部分进行对比分析, 优势互补, 在反演中提供更加丰富的约束条件。

以下是对美国Newton地区金— 铜矿共同进行的ZTEM与MT测量实例, ZTEM在此次试验中进行了大面积的测量, 同时在某些地点进行了少量的地面MT测量。图8展示的是ZTEM与MT法在相同的初始模型下, 各自反演结果的等深度切片, 从图中可以看出, 在MT测点与ZTEM数据共同控制的区段内, 反演结果整体面貌有一定的相似性, 并且随着深度的变化, 两种方法的反演结果变化趋势相同, 在对应位置其结果较为吻合。在图上MT数据比ZTEM数据反映的信息更加丰富, 表现出了更多的深部细节, 而ZTEM在对整个测量区域宏观的表现上较为出色。

由于ZTEM方法的特点, 在初始模型中给出的电阻率值对反演结果影响也较大。图9为不同初始电阻率值反演结果的对比, 可以看出, 不同的初始电阻率值, 其最终反演结果差异很大, 因此一个真实准确的电阻率约束是反演结果好坏的关键。由于MT法可以根据电场信号得出定量、准确的电阻率值, 对ZTEM数据反演将是非常好的约束, 从而可以得到较好的反演结果。

最终在选择综合3D反演时, 将MT测量的电阻率值为初始模型的电阻率值加入反演, 取得了较好的反演效果, 为地质解释提供了丰富的参考资料(图10)。

由于ZTEM采用航空测量的方式, 复杂地形、植被覆盖或水系等对其影响较小, 可以在上述地区进行快速的大面积的测量, 从而获得该区域宏观的电磁场信息; MT法则因为其测量频带较宽, 数据量较大, 可以直接测量电场而得到定量的准确的电阻率值等特点, 可以在重点区域进行少量的验证及辅助工作, 最后将两种方法的数据有机地结合, 进行综合分析反演, 得出一个更加接近真实的三维反演结果, 为地质解释提供可靠的参考。

图8

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	图8 ZTEM与MT法不同深度反演电阻率等值线切片对比[14]

图9

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	图9 ZTEM不同初始电阻值反演电阻率等值线切片对比[14]

图10

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	图10 最终3D反演模型[14]