陈炳武，李怀京

（河南省有色金属地质勘查总院，郑州 450052）

EH－4电导率成像系统在铝土矿找矿中的应用研究

陈炳武，李怀京

（河南省有色金属地质勘查总院，郑州 450052）

简要介绍了EH－4电导率成像系统的基本原理和工作方法。在河南省渑池县雷沟铝土矿区的找矿试验中，测试了系统的稳定性、垂向电性分层能力及对矿区典型电性结构的探测能力和复杂条件的适用能力。应用小波多分辨分析的数学方法对实测数据进行了一阶多分辨分解，分离出一阶细节异常和一阶逼近异常。比对矿区ZK808孔资料，说明了一阶细节异常包含了较多的噪声和静态效应，而一阶逼近异常包含有较多的目标地质体的异常信息，从而有效地压制了噪声及静态效应，突出了目标地质体的异常信息。采用一阶逼近数据进行二维联合反演，并将反演结果与矿区地质资料进行对比，肯定了EH－4电导率成像系统在铝土矿勘查中的找矿效果及应用前景。

EH－4电导率成像系统；数据处理；小波多分辨分析；铝土矿勘查

0 前言

二十世纪八十年代中期以来，随着铝工业的迅猛发展，探明的富铝土矿资源消耗迅速。地表规模大、富、浅的铝土矿多已勘查殆尽，地质勘查工作正逐步转向覆盖或深覆盖区，工作难度越来越大，在覆盖区开发研究新的物探方法技术手段进行铝土矿的勘查显得日益迫切。

针对河南省覆盖区铝土矿的勘查，因矿床产出的地质背景、矿石及围岩的岩性特征、物性参数特征等不同于其它矿产，一直以来，物探在铝土矿中的勘查技术方法手段比较单一，应用最多的是常规对称四极电阻率测深法。但在勘查详度、勘查深度、克服覆盖层、中间层影响等方面，难以达到地质人员对勘查效果的期望。

EH－4电导率成像系统是利用天然大地电磁场波的一种新型高科技仪器。它具有体积小、重量轻、易携带、易操作、高效环保、野外探测成本低等特点，可以探测到几米至几千米深度内的地下地质构造和岩性界面，并在多种类型矿区的地质勘探中进行了研究，结果对地下一定深度地层的层面或断层构造，有较好的解析和应用效果。但在铝土矿资源勘查中尚未进行过类似的应用研究。

本研究的基本出发点是将EH－4电导率成像系统应用于覆盖区铝土矿的找矿，测试其对沉积型铝土矿的探测效果，为河南省覆盖区铝土矿勘查找出一种新的探测方法，做一次有益的尝试。

1 EH－4电导率成像系统工作原理

EH－4电导率成像系统是上世纪九十年代由美国EMI公司和Geometrics公司联合推出的新一代电磁仪—EH－4型StrataGem电磁系统，能观测到离地表几米至一千米范围内地质断面的电性变化信息。基于对断面电性信息的分析研究，可以应用于地下水研究、环境监测、矿产与地热勘察，以及工程地质调查等。该系统适用于各种不同的地质条件和比较恶劣的野外环境，其方法原理与传统的MT法一样，是利用宇宙中的太阳风、雷电等入射到地球上的天然电磁场信号作为激发场源，又称一次场。该一次场是平面电磁波，垂直入射到大地介质中，由电磁场理论可知，大地介质中将会产生感应电磁场，此感应电磁场与一次场是同频率的。在均匀大地和水平层状大地情况下，波阻抗Z是电场E和磁场H 的水平分量的比值。

式中 f为频率（Hz）；ρ是电阻率（Ω·m）；E是电场强度（mV／km）；H 是磁场强度（nT）；φE、φH分别是电场相位及磁场相位（mrad）。

必须指出的是，此时的E与H，应理解为一次场和感应场的空间张量叠加后的综合场，简称总场。在电磁理论中，把电磁场（E、H）在大地中传播时，其振幅衰减到初始值的1／e时的深度，定义为趋肤深度（δ）。

虽然趋肤深度在某种意义与电磁波在介质中的穿透深度有关，但它并不代表实际的有效探测深度。对探测深度D较好的经验公式为式（5）。

由式（5）可知，探测深度（D）将随电阻率（ρ）和频率（f）变化，测量是在和地下研究深度相对应的频带上进行的。一般来说，频率较高的数据反映浅部的电性特征，而频率较低的数据则反映较深的地层特征。当大地电阻率结构一定时，改变信号频率便可得到连续的垂直测深。因此，在一个宽频带上观测电场和磁场信息，并由此计算出视电阻率和相位，最终确定出大地的地电特征和地下构造，这就是EH－4观测系统简要的方法原理。

该系统通常采用天然场源，只有在天然场信号很弱或者根本没有的频点上，才使用人工场源，用以改善数据质量，提高数据信噪比。EH－4电导率成像系统可以在0.1Hz至100KHz的宽频范围内采集数据。

综上所述，EH－4电导率成像系统也是一种探测地下地质体岩（矿）性的电性差异的物探仪器；在理论上是以电磁信号在地下的传播为基础，主要区分地下电阻率差异较大的地质体或构造。

2 EH－4电导率成像系统在铝土矿找矿中的应用研究

2.1 试验区概况

实验地点选择在河南省渑池县雷沟铝土矿区进行，该矿区是河南省西部比较典型的铝土矿区，铝土矿上覆、下伏地层保存比较完整，勘查程度较高，适合做物探方法试验。矿区从上至下出露的地层有第四系、二叠系、石炭系、奥陶系等，铝土矿赋存在石炭系地层中。第四系主要是粘土，厚约20m～80m；二叠系地层主要岩性是砂岩、粘土岩，局部地段含煤系地层，煤系地层一般厚约3m～30m，在矿区总厚度约100m～250m。石炭系的上石炭统为含生物化石灰岩，厚约80m～150m；铝土矿埋深在本区一般小于500m。

经物性参数测试统计，矿区各岩（矿）石电阻率特征如表1所示。

从表1可知，铝土矿与煤层、砂岩、粘土岩等电性特征相似，仅从视电阻率异常上较难区分。铝土矿是沉积在奥陶系灰岩的岩溶洼区，成为奥陶系灰岩的上盖层，而奥陶系灰岩与其它岩性电阻率差异较大，可达1～2个数量级，这一物性差异是用音频大地电磁测深探测铝土矿底界面的物性条件，只需探测奥陶系灰岩的界面起伏状态及顶面深度，就可以根据铝土矿床的形成特点进行间接找矿。

2.2 工作方法

试验区各岩石电阻率变化范围大约为20Ω·m～4 300Ω·m，在探测时取最低工作频率为4Hz，据公式（5）估算，探测深度约800m，满足本区探测铝土矿的要求。因此频率范围确定为4Hz～100KHz。在工作中使用相互垂直的两个电道和两个磁道，电道、磁道布置如下页图1所示。

表1 河南省渑池县雷沟铝土矿区岩（矿）石电阻率参数统计表Tab.1 The rock（ore）resistivity parameters statistics of the Lei－Gou mine area in mianchi county of Henan province

图1 数据采集时EH－4系统连结图Fig.1 The EH－4system connection diagram with the data collection

2.3 数据处理

在EH－4电导率成像系统测量数据中，一般包含有噪声和静态效应。噪声是随机的，一般可以通过滤波予以消除。静态效应是由于电性分布不均匀产生（近地表附近的横向不均匀影响最大），当地下存在电性不均匀体，有电场穿过该电性体时，就会在其表面形成电荷积累，引起静态效应。静态效应随局部电性体的尺寸、埋深而变化，静态效应还是电场电极位置的函数，静态效应对频率测深数据的影响是复杂的，它对数据解释产生的影响必须进行校正。

2.3.1 数据处理方法

近年发展起来的小波分析方法，在信号处理、故障监控、图像分析等很多学科领域得到越来越广泛的应用，也可用于电磁法勘探领域的数据处理［1］。小波变换引入的多分辨分析的思想，在空间变换域和频率域同时具有良好的局部分析性质。小波变换可以将信号分解成各种不同频率或尺度成份，并通过伸缩、平移聚焦到信号的任一细节加以分析。小波分析的这些特点决定了它是进行地球物理数值分析的有效工具，利用小波变换的上述特点，对信号进行划分，便可得到各种尺度意义下的异常。本次研究的数据处理，即是采用小波多分辨分析的原理进行。

小波逆变换为：

基本小波是具有特殊性质的实值函数，它是震荡衰减的，在数学上满足积分为零的条件：

相应的小波逆变换为：

式中 ψj，k（t）＝2－j／2ψ（2－jt－k） j，k∈Z

对于离散序列信号f（t）∈L2（R），根据多分辩逼近理论，可以选择与ψ（t）相应的尺度函数φ（t），令φji（t）＝2－j／2φ（2－jt－i），j、i∈Z，则φji（t）与ψmn（t）正交（当m ＜j时对所有的i、n），同时φji（t）与它自身所有的离散平移正交。所以，有如下分解式：

其中 J是待定整数。

刘德平教授经过多年的临床研究发现，治疗糖尿病必须从增加胰岛素细胞数量入手，才能根治糖尿病及其并发症，于是刘德平教授提出“激活胰岛细胞疗法”，它是目前治疗糖尿病的新理论。“激活胰岛细胞疗法”通过加速胰岛细胞的修复和再生，使胰岛细胞分泌的功能重新建立，正常分泌的胰岛素转化血糖为能量和营养，只有这样才能够使糖尿病得到彻底的治愈。

在式（10）中，随着J的不同，就会引起尺度s＝2j的变化（j＝0、1、2、…、J）。由式（10）可对一个函数进行小波多分辨分解。

在EH－4电导率成像系统中，可以将式（10）中第一个和式对应于卡尼亚电阻率函数的逼近部份，视为背景值和规模较大地质体异常；将式（10）中第二个和式对应于尺度2j（j＝0、1、2、…、J）之下函数的细节部份，相当于浅部二维、三维局部不均匀产生的局部异常，当认为它不是目标地质体异常时，就可以当作噪声和静态效应进行压制。

2.3.2 数据处理效果分析

图2是对8号勘探线zk808孔第一次观测曲线进行小波多分辨分析压制静态效应和噪声的处理效果。在图2中，实测卡尼亚电阻曲线不够光滑，含有高频的噪声成份，尤其在8号频点（721 Hz）附近，跳跃幅度较大，类似一浅源异常。据式（5），地表覆盖层电阻率以30Ω·m代入，探测深度约在79.1m，另据矿区地质资料，该深度不是目标地质体的深度，因此在该深度出现的异常应当作静态效应进行压制。在图2中，实测曲线按一阶小波多分辨分析方法可分解为一阶细节曲线和一阶逼近曲线。分离出的一阶细节曲线能较好地反映噪声和静态效应的特征。而一阶逼近曲线成为比较光滑的曲线，在19号频点（16Hz，探测深度约487.5m）之后，曲线成倾斜上升形态，反映了下伏灰岩地层的高阻特征，曲线上特征点出现位置与矿区的地层层位特征基本符合，数据处理效果较好。

2.4 试验效果分析

试验分单点测深试验和剖面探测两个方面进行。单点测深试验的目的是对比已知钻孔资料，研究EH－4电导率成像系统探测结果的稳定性及垂向电性分层能力；剖面探测的目的是全面反映系统对矿区典型电性结构的探测能力和复杂条件的适用能力。

2.4.1 单点测深效果

单点测深试验选择在8号勘探线zk808孔的位置进行，该点地表为第四系黄土，厚度约100m；其下为二迭系地层，厚度约250m；再下是石炭系含矿地层厚约130m；基底是奥陶系灰岩，厚度超过600m。

图3（见下页）是在试验点做相同点位的多次重复数据采集，共采集11次的二维反演结果（取小波多分辨分析一阶逼近数据进行反演，下同），其视电阻率等值线为水平层状，反映多次重复观测的一致性良好，探测结果稳定。垂直方向上视电阻率曲线的变化反映出电性分层情况，与钻孔岩性对比有较好的对应关系，这表明EH－4电导率成像系统对此类电性结构有较好的探测能力。

图2 8号勘探线ZK808孔第1次观测小波多分辨分析压制静态和效应噪声效果示例图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

图3 试验点多次观测二维反演图Fig.3 The 2Dinversion map by repeatedly observed data at the test point

2.4.2 剖面探测效果

矿区7号勘探线上有六个钻孔控制，地质情况清楚，容易评价EH－4电导率成像系统的探测效果。在该勘探线上布置了一条研究剖面：剖面长800m，点距20m，共41个测点，剖面二维反演结果及异常分析见下页图4。经分析图4（见下页）可知：

（1）图4中大于150Ω·m的视电阻率等值线间距变密，梯度增大，由此推测150Ω·m等值线附近为奥陶系灰岩界面。在180号～320号测点间，视电阻率曲线向右倾斜，陡度很大，倾角约60°，而在320号～620号测点间，视电阻率曲线向左倾斜，坡度较小。因而在180号～620号测点之间形成洼地，洼地中心在320号测点，此处正是铝土矿富集地段。

（2）在320号测点处视电阻率较低，其左、右两侧均较高，推测该处有断层存在。

（3）在120～180测点中心标高350m处有一高阻体存在，此处是因断层原因奥陶系灰岩突然升高至近地表所致；在380～520测点的范围内，近地表处有一高达数百欧姆米的高视电阻率异常，此处位于河滩卵石层，正值旱季，电阻率较大，由此所致。

3 结论

分析本次试验成果，可以认为EH－4电导率成像系统在雷沟铝土矿区开展的找矿研究工作取得了较好的地质效果，主要体现在以下几个方面：

（1）在数据处理上，采用小波多分辨分析的原理进行噪声和静态效应的压制，突出了目标地质体的异常信息，取得了较好的处理效果。

（2）单点测深试验效果突出，二维反演视电阻率等直线平直，系统采集数据稳定性能较好，分层明显，有较高的垂向分辨率，显示了极佳的测深效果。

（3）在剖面试验中，7号勘探线二维反演的视电阻率剖面图上，显示出了深部高阻异常的存在，对奥陶系灰岩界面有较好的探测能力。对比钻孔控制深度，有较好的一致性。表明利用该系统能够查明矿区基岩起伏形态，指出成矿有利部位，并对埋深作量化推算，指导隐伏铝土矿的找矿工作。

图4 雷沟7号勘探线地质、物探剖面图Fig.4 The geological and geophysical exploration section along the No.7exploratory line of the Leigou mine area

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10.3969／j.issn.1001－1749.2012.05.16

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2011－11－22 改回日期：2012－06－01

陈炳武（1964－），男，硕士，高级工程师，主要从事物探技术研究工作。