以澳大利亚EMTI 公司的专业瞬变电磁软件Maxwell作为计算平台, 进行不同条件下两个模型的计算和分析。

模型Ⅰ 研究的是板状体规模相对发射框较小的条件下, 水平分量的特征点与异常体的对应关系。如图1所示, 采用定源回线装置, 发射框大小1 000 m× 1 000 m; 发射电流 15 A, 下降沿1 000 μ s, 测线长度900 m, 在发射框内东西向对称布设, 共10条测线, 线距100 m, 测线编号由南向北依次增大, 点距50 m, 测点号由西向东依次增大。在600 Ω · m的均匀半空间放置一向东倾斜(倾角10° )的板状体, 大小为700 m× 400 m, 电导率为100 S, 板状体中心坐标为(600, 350, -255), 分别表示板状体的中心点的东、北坐标和埋深, 板状体在地面投影位于测区东南角(图2)。在Maxwell中规定x分量正方向与测线正(东)方向一致, y分量正方向与正北方向一致, z分量垂直向上, 遵从右手定则。

图1

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	图1 定源回线计算模型(模型Ⅰ )

图2

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	图2 定源回线模型(模型Ⅰ )平面

首先分析剖面曲线特征。根据测线与板状体的位置关系, 选取有代表意义的4条测线(图3)进行三分量的剖面曲线分析。

图3

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	图3 模型Ⅰ 不同测线剖面曲线

图3中, 由于L50线与板状体边缘相重合(见图2), 此时x分量表现为零值点特征, 而y分量表现为负异常特征, 这表明异常体中心部位位于其反方向, 即异常体中心位置在y分量正方向。L250线曲线形态与L50线类似, 表明异常体中心位置在L250线以北。L650线已跨过板状体的中心位置, 此时x分量曲线特征与前两条测线一致, 而y分量已明显表现为正异常特征且幅值相对较小, 这表明异常体中心位置在其下方方向, 即异常体中心位置在L650线以南。 由此可见, 水平分量具有指向性。这启示我们在瞬变电磁法勘查中, 可根据水平分量异常的指向特性来确定地下异常中心的方位, 开展有目标的勘查工作, 有助于节约成本和提高工作效率。

由图3可见, 当规定x分量方向与测线一致时, x分量的特征在测线上表现为零值点, y分量则表现为高峰值异常; 同理, 当对测线重新排列, 即将南北向测点整合为测线时, 此时y分量与前面的x 分量类似, 在剖面曲线上同样表现为以零值点为特征点。可见, 水平分量x、y实际是等价的, 只是水平分量与测线的相对方向规定不同而已。这提示我们:通过分析水平分量的特征点, 可追索异常体的相关信息。从平面上分析, x分量的零值点应为零等值线; 同样可绘制y分量零等值线。

图4为不同测道的z分量响应与水平分量零等值线的对应关系, 图中纵向黑色线为x分量的零等值线, 横向蓝色线为y分量零等值线, 红色的矩形框为板状体在地面的投影。由图可见, 早期道z分量异常中心与水平分量等值线交点与发射框中心位置基本重合, 随着采样时间增大, z分量异常中心逐渐向板状体在地面的投影中心位置靠拢, 而水平分量零等值线交点亦随时间增大向板状体投影中心位置逼近, 如CH30测道z分量等值线异常中心与水平分量零等值线交点几乎重合, 这表明水平分量交点与z分量对确定异常体在地面的投影中心位置具有相同的作用, 可见充分利用水平分量信息克服了单分量的诸多局限性。

图4

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	图4 模型Ⅰ 不同测道z分量响应与水平分量零等值线对比

以上正演计算结果表明, 在板状体规模相对发射框较小的条件下, 水平分量零等值线交点与z分量异常中心能相互印证, 能准确判断地下异常体在地面投影的中心位置, 但不能根据零等值线的特征判断板体的产状。

考虑地下板状体规模较大且倾斜时的情况, 设计模型Ⅱ 。模型Ⅱ 发射参数同模型I, 板状体大小为1 000 m× 800 m, 中心坐标为(150, 500, -400), 板状体东南方向倾斜(板状体水平逆时针旋转45° ), 倾角20° , 平面位置关系如图5所示。选取5、10、15、20、25、30测道绘制z分量响应等值线及水平分量零等值线对应关系(图6)。图中可见, 随着采样时间增大, x、y分量零等值线逐渐偏离了发射框的纵、横向对称轴, 且水平分量零等值线与板状体的倾向相反, 可见水平分量零等值线的偏离方向与板状体的产状存在一定对应关系, 当地下异常体倾斜时, 水平分量的零等值线往往向异常体倾向相反的方向偏移。

图5

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	图5 定源回线模型(模型Ⅱ )平面

图6

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	图6 模型Ⅱ 不同测道z分量响应与水平分量零等值线对比

由以上两个模型的计算结果可见, 不同条件下水平分量的特征所表示的意义不同。在模型Ⅰ 中, 板状体规模较小且在发射框内, 水平分量零等值线交点与垂直分量异常中心近乎重合, 能准确判断异常体的地面投影中心位置; 模型Ⅱ 中板状体规模较大, 且部分已位于发射框外, 根据水平分量零等值线交点与垂直分量异常中心的对应关系可确定板状体在地面的投影中心位置, 同时, 根据水平分量零等值线与发射框对称轴的偏离位置关系, 可确定地下板状体的倾斜方向。图6中随着采样时间增大, 在z分量异常中心位置附近, x分量零等值线逐渐向西偏移而y分量零等值线向北偏移, 这表明板状体有向东南倾斜的特性。

工区位于东昆仑夏日哈木铜镍矿区, 矿区以往物性测量结果表明矿区岩(矿)石具有“ 低阻、高极化、强磁、高密度” 的特征, 具备开展电法工作的物性前提^{[14, 15]}, 此次根据项目要求, 需要在此开展瞬变电磁有效性试验工作。由于地形陡峭, 用常规的中心回线装置难以正常开展工作, 因此采用定源回线三分量数据采集方法, 克服了用中心回线难以开展数据采集的问题。

图7为实际材料图, 现场采用定源回线装置, 发射框大小600 m× 600 m, 发射电流15 A, 下降沿1 000 μ s, 5条测线在框内对称分布, 线距80 m, 点距50 m。图8为实测数据的三分量多测道剖面曲线, 图中x分量特征点在测线上表现为零点, y分量表现为峰值异常, 且L09测线y分量呈负异常, L11、L13、L15测线早期测道呈正异常, 晚期呈负异常, 属于过渡曲线, L17线y分量为正异常, 这表明地下异常体中心介于L17、L09测线之间。

图7

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	图7 定源回线实际材料

图8

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	图8 三分量多测道剖面曲线

图9给出了5条测线不同采样道三分量响应与水平分量零等值线。由图可见随着采样时间增大, y分量零等值线由西向东变化剧烈, 且在晚期稳定在东侧, 表明了地下矿体西倾的特征; x分量零等值线由北向南最后稳定在南侧, 表明矿体北倾的特征。定性分析x、y分量零等值线变化情况发现, 在CH6~CH31采样道的时间变化过程中, y分量零等值线关于南北向对称轴(L13线)变化幅度远大于x分量, 说明矿体西倾程度远大于北倾程度; 观察水平分量零等值线交点变化情况发现, 其交点随着z分量高异常中心变化而变化, 且总是在z分量异常中心附近, 表明地下矿体在地面投影中心位置在L11线750号点附近, 且矿体呈非水平状赋存。

图9

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	图9 不同测道z分量响应与水平分量零等值线对比

图10为z分量反演电阻率50 Ω · m的3D等值面。由图可见低阻体厚度最大的部位及中心部位均在L11线750号测点附近, 低阻体总体呈向西北倾斜, 但西倾程度较剧烈, 这与图8中根据x、y分量特性进行定性解释的结果相一致。

图10

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	图10 定源回线z分量反演电阻率等值线平面(50 Ω · m)

在750号点按东西向提取一条剖面, 命名为750线(见图7), 进行反演分析(图11a)。图11a中0、80、160、240、320测点分别与L17、L15、L13、L11、L9线相对应。由图可见:低阻体在电阻率反演断面上由西向东快速抬升、变厚, 这表明了地下矿体西倾的特点。

图11

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	图11 1D电阻率反演断面

图11b给出了L17线1D电阻率反演断面与地质剖面的对照关系, 由图可见L17线矿体较薄, 反演断面上低阻体产状与含矿岩体产状对应较好, 呈明显的北倾特征。

通过对模拟计算和对实测资料的反演解释, 得出以下结论:

1)当地下异常体产状平缓、规模较小且位于框内时, 结合定源回线z分量异常形态与水平分量零等值线交点能更准确地确定异常体在地面投影的中心位置。

2)对于地下规模较大、产状较陡的异常体, 根据定源回线水平分量特征, 既能定性分析异常体产状, 也能确定异常体的地面投影中心位置。

3)在通过水平分量定性分析、判断异常体的产状及其地面投影中心位置的基础上, 结合z分量定量反演解释结果, 相互比较分析, 发现两者具有较好的一致性, 这使定源回线解释结果更可靠, 克服了单一分量解释的局限性。

根据不同条件下的模拟计算结果及对实测数据反演解释分析认为:定源回线水平分量特征相对较复杂, 不同条件下所指示的意义不同。目前水平分量主要以定性解释为主, 如何实现定量解释或将水平分量的部分信息作为约束条件加载到垂直分量的反演解释中还需要进一步研究。