航空大地电磁法是利用全球范围内雷电活动引起的电磁场信号,依据地下介质的导磁性和导电性的差异,通过飞行器来测量不同频率的电磁场的频率特性和空间分布,由此来获取地下地电结构信息的一种物探方法。该方法垂直磁场分量在空中测量,水平磁场分量则在地面某一基站观测,通过远参考技术来降低垂直与水平磁场之间的噪声相关性,通过倾子将磁场的垂直分量与水平分量联系起来^[1]。该方法具有工作效率高、勘探深度大的特点,可以快速获得地下三维电性结构特征信息。

目前国际上一些学者利用航空大地电磁法探测深部的地质构造和矿体,并且已取得了较为丰富的成果^[24]。国内学者关于倾子的研究大都集中在大地电磁测量方法,航空大地电磁倾子方面相对较少^[59],且多侧重于理论、模拟数据研究等,较少涉及应用。许智博等研究了倾子资料起伏地形的二维正反演研究^[10],李志强等研究了倾子数据的三维正反演^[11],张铭等通过对航空大地电磁法倾子响应特征影响因素分析,提出了一种利用倾子及其梯度的异常位置和异常幅度对地下二维异常体进行快速、定量识别的方法^[12]。核工业航测遥感中心近年来利用航空大地电磁法开展了大量的生产、研究工作^[13],本文是在大量生产研究的基础上,对方法原理、测量系统、数据处理及应用等方面进行了探索与研究,为国内航空电磁法研究提供技术支撑,进而填充国内航空电磁法技术的空白。

通常在三维条件下,电场的水平分量与磁场的水平分量之间存在着复系数线性关系,它们直接通过阻抗张量联系起来;而磁场的垂直分量和水平分量之间也存在复系数线性关系,二者通过倾子矢量联系起来^[14]。

一般而言,大地电磁倾子表示地表同一测点处垂直磁场分量与两个水平磁场分量之间的关系,而航空大地电磁法倾子则表示地面以上空中同一平面不同位置的垂直磁场与地表某一基站处的两个水平磁场的关系,其关系表达式如下:

Hz(r)=Tzx(r,r0)Hx(r0)+Tzy(r,r0)Hy(r0)。

其中:r表示垂直磁场空中的位置,r₀表示地面参考基站的位置,T_zx和T_zy表示倾子矢量。求解倾子时需要两个非线性相关极化的磁场值^[15],对于大地电磁场源S,可以将其分解成两个正交的场源S_x和场源S_y等效作用的结果^[16]。在场源S_x作用下,地面基站处产生的水平磁场分量分别记为 Hx(1)、 Hy(1),空中测点垂直磁场为 Hz(1);在场源S_y作用下,地面基站处产生的水平磁场分量分别记为 Hx(2)、 Hy(2),空中测点垂直磁场为 Hz(2)。不同场源作用下地面基站处产生的水平磁场分量和空中测点垂直磁场分量满足如下关系:

Hz(1)=TzxHx(1)+TzyHy(1),

Hz(2)=TzxHx(2)+TzyHy(2)。

解方程组可得到倾子的计算表达式;

Tzx=Hy(2)Hz(1)-Hy(1)Hz(2)Hx(1)Hy(2)-Hx(2)Hy(1),

Tzy=Hx(1)Hz(2)-Hx(2)Hz(1)Hx(1)Hy(2)-Hx(2)Hy(1)。

航空大地电磁法场源与大地电磁法相同,均可以看成是垂直入射的平面波,磁场的水平分量在一定范围内可以近似为均匀,可使用某一点的水平磁场来表征^[16],垂直磁场分量在空中进行测量,与基站处的水平磁场相对较远,通过采用远参考技术,可以降低空中垂直磁场(H_z)与地面基站水平磁场(H_x、H_y)之间的噪声相关性,从而提高信噪比,消除一些未知的噪声影响^[17,18]。

倾子作为航空大地电磁法的主要参数,其能够作为复杂地质构造的表征,不依赖于绝对电导,对电阻率横向不均匀性反应非常灵敏,特别是在探测垂直或者倾斜异常体(蚀变带、断层带等)的空间分布情况时作用非常明显,在地质解释中起到十分重要的作用。在均匀大地中建立如图1所示的地电模型,其背景电阻率为50 Ω·m,模型长度2 000 m,测点41个(点距50 m),平距500 m处存在一250 Ω·m的高阻异常,埋深为400 m,厚度为150 m;平距 1 350 m处存在一25 Ω·m的低异常,异常体宽为100 m,下延深度大于1 500 m,倾向小号点。

采用有限元法对倾子响应进行了计算,模拟频率为10~10 000 Hz,共20个频率。图2为沿测线方向倾子实部、虚部、振幅及相位响应,由图2可以看出倾子对高、低阻异常体反映十分灵敏,实、虚部在异常体边界处显示出正、负极值异常,异常体位置一般位于倾子极值之间,边界十分清楚;倾子的振幅和相位在异常体边界处也显示出类似特征,证明倾子响应具有横向分辨率高的特点。

测区地层主要含古元古界辽河群高家峪组、大石桥组及盖县组,东南地段见有少量侏罗—白垩系小岭组,岩浆岩主要包括古元古代花岗岩、三叠纪、侏罗纪及白垩纪二长花岗岩。古元古代花岗岩主要分为两类:一类为钾长花岗岩、混合岩,有周家堡子岩体;另一类为斜长花岗岩(钠质花岗岩),有大顶子、方家隈子和石家岭岩体,部分资料认为,大顶子岩体与方家隈家岩体距离较近,可能为同一个岩体的两个露头,而石家岭岩体距离较远,推测可能在深部相连。三叠纪二长花岗岩以双顶沟和新岭岩体为代表,部分地球物理资料显示双顶沟岩体与新岭岩体二者同期同源并具有相似性,两岩体深部可能相连^[19-21]。侏罗纪二长花岗岩以姚家沟花岗斑岩体为代表。

区内经历了多次构造运动,断裂构造以NW、NE向为主,主要包括青城子断裂、尖山子断裂、大磨岭沟断裂等,几乎所有矿床都分布在尖山子断裂及二道沟断裂围限的区域内^[20],青城子断裂控制了青城子矿区铅锌矿床的分布,尖山子断裂控制了白云、林家三道沟、小佟家堡子等一系列金银矿床的分布(图3)。

航空大地电磁数据采集使用ZTEM(Z-axis tipper electromagnetic)测量系统,该系统空中水平线圈直径7.4 m,有效面积为1 200 000 m²,吊挂在直升机下方90 m处,线圈上的不同位置分别安装3个GPS接收机监测线圈姿态(图4)。地面基站接收线圈长2.3 m,有效面积为660 000 m²(图5)。

航空大地电磁法测线布置为SN向,共布置60条,测线间距400 m。数据采集时直升机沿地形飞行,空中接收线圈平均离地高度97.2 m,飞行速度平均为95.04 km。对采集的航空大地电磁数据进行去噪、补偿及傅里叶变换后获得25、37、75、150、300、600 Hz六个频率沿测线方向、垂直测线方向倾子的实部、虚部数据,航空大地电磁数据采集同时获得高精度航磁数据。

图6为航磁ΔT及航空大地电磁150 Hz总散度平面,箭头所指为断裂或岩体位置。可以看出,两种资料中断裂构造具有明显的线性磁异常、总散度线性高值异常等,如NE向二道沟断裂,NW向青城子、尖山子断裂,白云金矿北侧断裂等。中生代双顶沟、洼岭岩体在两种资料中也有明显的特征,古元古代方家隈子、大顶子岩体无明显的航磁异常,然而在航空大地电磁测量资料中则具有明显电磁异常,一般表现为岩体内部为低值特征,岩体与围岩接触带存在明显的高值电磁异常环。测量资料证明航空大地电磁、航磁两种资料具有互补性,也进一步反映了航空大地电磁测量对构造、岩体等的探测能力。

由前文可知,对导体、电阻等电阻率异常体,倾子在电性不均匀体附近均会出现由正到负或由负到正的交叉异常,为了使倾子异常更加明显,对倾子分别进行了总散度(TD)及总相位旋转(TPR)计算。总散度(TD)计算是沿测线和垂直测线方向的倾子(实部或虚部分量)导数之和,计算公式为

对倾子沿测线和垂直测线方向(实部或虚部分量)进行90°相位旋转(PR),获得总相位旋转(TPR),TPR可以弥补总散度资料的不足,保留长波信息,在导体上方显示最大值,计算公式为

由不同频率TD、TPR(图7、图8)可以看出,在青城子镇附近存在强电磁干扰外,其他地段倾子TD、TPR与航磁测量反映区内的断裂构造基本一致,沿断裂、岩体接触带等岩性变化地段,TD、TPR多反映为高值异常。由资料可知,NE向二道沟断裂、NW向尖山子断裂随着测量频率降低,异常特征无明显变化,推测断裂或蚀变在测量深度范围内变化不大;NW向青城子断裂及白云金矿北侧断裂则随着测量频率降低,异常有逐渐增强特征,推测随深度增加,断裂或蚀变发育更强烈。

方家隈子、大顶子、双顶沟、石家岭、洼岭岩体在TD、TPR资料反映岩体内部为低值异常(高阻),岩体与围岩接触带则为明显的似环状高值异常带(低阻),反映了岩体与围岩接触带附近岩石破碎或蚀变发育等。方家隈子、大顶子岩体随着测量频率的降低,异常特征逐渐减弱,推测两岩体主要分布在浅部;双顶沟岩体随着测量频率的降低异常特征基本不变,推测该岩体由浅至深均有分布;洼岭岩体随着测量频率的降低异常特征有逐渐增强的特征,推测该岩体主要分布于深部。

3.4.1 反演处理

二维反演使用AV2DTOPO软件,使用正则化牛顿-高斯非线性算法进行反演,反演数据为沿测线方向(T_zx)的6个频率的倾子实部、虚部,反演时空中接收线圈与地面设置为空气层,数据误差设置为 6.6%,初始模型为半空间均匀模型,背景电阻率设置为750 Ω·m,经过5次迭代后模型收敛,得到反演结果。三维反演使用ZTEM_MT3Dinv软件,反演时把地形和电磁接收线圈离地高度作为反演约束参数,中心区网格尺寸为200 m×200 m×10 m,垂直网格大小随着深度增加几何增长,反演数据为25~600 Hz沿测线及垂直测量线分量的倾子实部、虚部数据,初始电阻率根据全区二维反演结果设为 1 000 Ω·m,电阻率范围为1~1 000 000 Ω·m,相对误差设置为20%,倾子噪声设置为1%。经过20次叠加得到反演结果。

3.4.2 推断解释

图9为区内不同深度的反演电阻率切片,可以看出电阻率切片反映的断裂构造、岩体分布等与航磁、航空大地电磁TD、TPR反映基本一致。青城子断裂、白云金矿北侧断裂随着深度的增加,电阻率异常特征逐渐增加,二道沟断裂、尖山子断裂由浅至深电阻率异常特征基本一致。古元古代方家隈子、大顶子岩体仅分布于浅部,随着深度增加至 1 000 m,其电性特征逐渐消失,而三叠纪双顶沟、新岭、姚家沟岩体由浅至深均反映为高阻,进一步证明了区内的铅锌矿体、金矿体与中生代岩体有密切关系。

图10为L6480线反演电阻率断面,图10a的箭头代表岩体分布位置。可以看出2D与3D反演结果电阻率整体形态基本一致,3D反演剖面中花岗岩侵入体的形态和分布范围更清晰,测线间电性特征连续性更好。图中古元古代岩体多反映为高电阻率特征,周家堡子岩体由浅至深分布于断面图左侧,方家隈子、大顶子岩体呈飘浮状分布于断面图浅部,厚约300 m,均为独立岩体。资料中关于岩体的分布特征与前人认为大顶子与方家隈子岩体为同一个岩体的两个露头,与石家岭岩体深部可能相连的地质认识具有一定的差异。

正演模拟计算表明倾子资料的实部、虚部、振幅和相位响应能较好地分辨横向不均匀异常体,倾子响应的最大值与横向分界面对应;计算了实测倾子的总散度、总旋转相位等,结合航磁资料及实测倾子数据的2D、3D反演资料,推断解释了区内岩体、控矿构造等的分布特征。实测结果表明,航空大地电磁法在探测岩体、断裂等横向不均体方面具有明显效果。