底青云, 许诚, 付长民, 王中兴, 张文秀, 安志国, 王若

中国科学院地质与地球物理研究所 中国科学院页岩气与地质工程重点实验室， 北京 100029



地面电磁探测(SEP)系统对比试验
——内蒙曹四夭钼矿

底青云, 许诚, 付长民, 王中兴, 张文秀, 安志国, 王若

中国科学院地质与地球物理研究所 中国科学院页岩气与地质工程重点实验室， 北京 100029

为了检验自主研制的地面电磁探测(SEP)系统各组成部分在实际勘查中的性能与可靠性，以及整体系统的野外实际工作能力，在内蒙古乌兰察布市兴和县的曹四夭钼矿开展了SEP不同类型磁传感器之间以及SEP整套系统与国外商业仪器系统的全面对比试验.试验采用多种方案，分别进行了高温超导磁传感器和感应式磁传感器之间的性能对比试验；磁通门磁传感器和感应式磁传感器之间的性能对比试验；SEP发射机与GGT-30发射机、TXU-30发射机的发射性能对比试验；SEP系统与V8、GDP-32II等国际先进仪器的CSAMT法综合对比试验；以及SEP系统和V8系统的MT法对比试验.本文对试验结果进行了分析，表明自主研制的SEP系统已经基本达到甚至优于国外同类产品的性能，能够很好地胜任野外实际勘查工作.

电磁法勘探系统; 磁传感器; 对比试验; CSAMT; MT

1 引言

近年来，国内大地电磁法(MT)、可控源音频大地电磁法(CSAMT)等感应类深部电磁找矿方法有了迅猛的发展(张赛珍等, 1994; 吴璐萍等, 1996; 何继善, 1997; 王家映, 1998; 石昆法, 1999; 底青云等, 2002, 2005, 2006,2008; 魏文博, 2002; 汤井田和何继善, 2005; 李帝铨等, 2008)，但所用电磁法仪器基本上都是美、加、德三国地球物理公司所生产.从2010年开始，中国科学院地质与地球物理研究所牵头在国土资源部深部探测技术与实验研究专项(SinoProbe)中承担了《地面电磁探测(SEP)系统研制》项目的研究，目前已取得阶段性成果(滕吉文, 2010; 张一鸣, 2011; 黄大年等, 2012; 董树文等, 2012; 底青云等, 2012,2013; 朱万华等, 2013).

SEP系统是自主研发的地面电磁探测系统，可用于MT、AMT和CSAMT方法探测.2012年以来，分别在河北固安、张北及辽宁兴城(葫芦岛)杨家杖子、甘肃金昌金川镍矿进行了多次SEP系统的集成与优化试验.在此基础上，SEP课题组总结了系统存在的问题，并对其进行了优化改进.

2013年，为了进一步检验SEP系统各组成部分在实际勘查中的性能及可靠性，以及SEP系统的野外实际工作能力，在内蒙古乌兰察布市兴和县的曹四夭钼矿进行了SEP系统各组成部件都参与的综合试验.为便于对比，此次试验采用了多套主流进口仪器，包括美国Zonge公司的GDP-32II多功能电法仪、加拿大Phoenix公司的V8多功能电法测量系统及美国Geometrics公司和EMI公司的EH4连续电导率成像系统.试验采用多种方案，分别进行了SEP高温超导磁传感器与感应式磁传感器的性能对比试验；SEP磁通门磁传感器与感应式磁传感器的性能对比试验；SEP发射机与GGT-30发射机、TXU-30发射机3种发射机的发射性能对比试验；SEP系统与V8、GDP-32II等国际先进仪器的CSAMT法综合对比试验；以及SEP系统和V8系统的MT法对比试验，均取得了很好的效果.

2 试验区地质与地球物理特征

2.1 地质特征

试验区位于华北地台北缘桑干地体与集宁地体的拼贴带——大同—尚义构造-岩浆岩带，该断裂为地壳断裂，且有多次开合伴随有多期次岩浆活动的构造演化历史.构造运动的叠加不仅产生复杂的构造裂隙系统给矿液运移提供了通道和矿质沉淀存储提供了场所，且多期次的岩浆侵入也为成矿热液提供了矿源质及热动力.

图1为测区范围的地质示意图，测区内新生界覆盖较厚，在黄土窑岩组(Ar2h)及花岗斑岩出露区断裂较发育，主要为北东向、北西向，其次为近南北向.北东向断裂为区内的主要断裂，主要分布于曹四夭和小红土窑一带，其中对钼矿体产生影响的主要为曹四夭断裂(大同—尚义构造—岩浆岩带).

试验区出露地层主要为中太古界集宁岩群黄土窑岩组(Ar2h)、新生界古近系渐新统呼尔井组和乌兰戈楚组(E3wl+h)、新近系中新统老梁底组(N1l)、汉诺坝组(N1h)及上新统宝格达乌拉组(N2b)，沿河谷低地发育第四系全新统冲积物(Qhal).矿体主要赋存于中太古界黄土窑岩组，新生界地层对矿体具覆盖作用.

试验区岩浆岩在地表主要出露中生代早白垩世多斑花岗斑岩(K1C1γπ)、少斑花岗斑岩(K1C2γπ)；在钻孔深部可见隐伏晚侏罗世黑云母二长花岗岩(J3ηγ)、隐伏少斑花岗斑岩，以及角砾状流纹斑岩(K1λπ)；区内中生代辉绿岩脉(βμ)、花岗斑岩脉发育.

2.2 地球物理特征

2.2.1 区域重力异常

根据1∶20万区域重力成果，试验区位于北东向重力梯级带上，北部为小大青山重力低异常，该梯级带所处位置与大同—尚义北东向断裂带吻合，根据小大青山重力低异常特征综合推断小大青山至曹四夭一带存在隐伏中酸性岩体，通过工作现已在曹四夭村南发现有早白垩世花岗斑岩出露(李香资等，2012).

2.2.2 区域磁异常

根据1∶5万地面高精度磁测成果，区域磁场主要由大面积分布的北东向平稳场、北东向负磁异常带、北东向高值磁异常带和北西向低正值异常条带组成.正、负磁异常绝大多数呈北东向，与区内主要构造线方向一致.北东向正、负磁异常多被北西向低正磁异常带切断，但沿大同—尚义北东向断裂带，北西向低正值异常又被北东向负磁异常带截切，反映该断裂带具有长期、多期活动特征.在曹四夭村南，北东向与北西向磁异常条带交汇部位为一明显的扇叶状似环状正负磁异常组合，高正值异常位于多斑花岗斑岩与黄土窑岩组接触带，低值负异常位于少斑花岗斑岩出露区.该环形磁异常推断与斑岩体及其内外接触带热液蚀变有关(丁守良等，2015).

图1 试验区地质图1.冲洪积砂、砾石松散堆积；2.风积黄土状亚粘土、亚砂土；3.宝格达乌拉组砂质粘土砂砾石夹泥灰岩；4.汉诺坝组橄栏玄武岩夹砂砾石、粘土薄层；5.老梁底组:砂砾岩、粉砂岩；6.呼尔井组乌兰戈楚组；7.中太古界黄土窑组石榴石浅粒岩夹石榴斜长石英岩、矽线石榴正常片麻岩；8.浅肉红色少斑花岗斑岩；9.灰白色多斑花岗斑岩；10.少斑花岗斑岩脉；11.花岗细晶岩脉；12.石英脉；13.辉绿岩脉；14.中色二辉斜长麻粒岩中色二辉斜长麻粒岩；15.实测地质界线；16.不整合接触线；17.断裂破碎带；18.地层产状及倾角；19.片麻理产状及倾角；20.化探综合异常.Fig.1 Geologic map of test area

3 试验安排

为了控制钼矿的整体形态、外围成矿特征及周边断层构造，本次试验共布设测线12条，东西向、南北向、北西向各4条，其中东西向的测线与钻孔的主勘探线吻合或平行.东西向测线长3500 m，南北向和北西向测线长度为2500 m，线距均为200 m.图2为测线位置示意图，针对不同方向的测线布设了3个发射极，分别位于测区的西向、北向及北东向，收发距均为10 km左右.

图2 内蒙曹四夭钼矿SEP系统对比试验测线布置图Fig.2 Survey line layout of SEP contrast test at Caosiyao molybdenum mine, inner mongolia

在全部12条测线上采用自主研发的SEP系统进行了CSAMT试验，点距为25 m，采用阵列式观测，16台SEP接收机同时接收(四条测线同时进行，每条线上4台仪器).试验中采用GGT-30发射机、TXU-30发射机轮流发射，进行发射对比试验.并在三个方向的每个方向上的中心2条测线上(H08、H12、Z00、Z04、BX02、BX03测线)，利用GDP-32II系统和V8系统进行了CSAMT法数据采集，与SEP系统进行对比试验，在进行对比观测的6条测线上SEP系统同时配置磁通门磁传感器，高温超导磁传感器以及感应式磁传感器，进行磁传感器的性能对比试验.

选择在干扰源较少的东西向的H08线以及南北向的Z04线进行了SEP系统与V8系统的MT法对比试验.V8系统采用3磁2电的五分量测量，而SEP系统在此基础上另外配置了3分量的磁通门磁传感器，与感应式磁传感器进行磁传感器的对比试验.MT法试验的点距为125 m，电极距为50 m.

4 试验结果分析

4.1 磁通门磁传感器试验结果分析

利用磁通门磁传感器完成了CSAMT和MT法的试验，并与同测点感应式磁传感器进行了对比.图3为Z00线400 m点的磁通门磁传感器与感应式磁传感器实测数据经处理后的功率谱对比图.从图中可以看出，X方向当频率低于0.3 Hz时，磁通门数据优于感应式磁传感器数据，当频率高于0.3 Hz时感应式磁传感器数据更好；Y方向分界点为0.2到0.3 Hz之间；Z方向在0.2 Hz左右.

上述初步分析表明，对于CSAMT法测量数据，在音频范围内磁通门磁传感器数据噪声明显大于感应式磁传感器数据，其效果不能满足于CSAMT勘查.但磁通门磁传感器可用于深部电性结构的探测，探测效果将优于感应式磁传感器.

4.2 高温超导磁传感器试验结果分析

采用高温超导磁传感器完成了CSAMT法试验，与同测点的感应式磁传感器进行了对比，其目的在于检验研发的高温超导磁传感器在实际勘查中的性能及可靠性.在此基础上，优化系统参数，确保其能够满足CSAMT法的野外探测需要.

图4是实测数据对比曲线.在一些测点由于受到村庄、公路及输电线干扰的影响，高温超导磁传感器与感应式磁传感器在低频和高频段存在较大差异，在中频段两者观测的磁场和卡尼亚视电阻率曲线重合性较好(见图4左图).而在干扰较小的测点，高温超导传感器与感应式磁传感器观测的磁场和卡尼亚视电阻率曲线形态一致，两条曲线重合性很好(见图4右图).

高温超导磁传感器用于CSAMT法探测尚未见报道，我们的试验表明，高温超导磁传感器表现出较好的稳定性，在液氮供应充足的情况下，可以连续长期地稳定工作.高温超导磁传感器可以有效地接收CSAMT磁场信号，较为准确地获得有效信号.由于高温超导磁传感器具有灵敏度高、带宽大、观测数据稳定等特点，若能克服野外施工的复杂性，其应用前景将非常广泛.

4.3 CSAMT法试验结果分析

采用SEP系统、GDP-32II系统和V8系统进行了CSAMT法野外对比试验，并且进行了三种发射机供电SEP接收机接收的发射机性能对比试验，目的是通过不同方法的对比，验证SEP发射机和接收机的性能、实用性.

4.3.1 发射机对比试验结果分析

在接收装置和点位不变的情况下，进行了SEP、GDP32(GGT-30)和V8(TXU-30)3种不同发射机发射、SEP接收机接收的发射性能对比试验.

图5为三种发射机供电情况下实测曲线对比结果.SEP和V8发射机供电电场振幅和磁场振幅曲线较为一致，GDP32发射机供电电流较小，对比图中并未对电场和磁场振幅进行归一化，所以其曲线明显低于其它两个发射机供电时的曲线.通过Ex/Hy比值计算卡尼亚视电阻率后，三条卡尼亚视电阻率曲线除了两个最低频点由于观测时间短的缘故其数据有差别之外(对于低频，观测时间需要足够长，才能保证叠加场的稳定)，其一致性较好.

图3 磁通门磁传感器与感应式磁传感器功率谱对比图(Z00线400 m点)Fig.3 Power Spectrum contrast between fluxgate magnetic sensor and coil magnetic sensor (Line Z00 Site 400)

图4 高温超导磁传感器与感应式磁传感器CSAMT实测数据对比曲线Fig.4 Contrast of CSAMT observed data between HTSC magnetic sensor and coil magnetic sensor

图5 三种发射机供电情况下实测曲线对比(Z04线2312.5 m点)Fig.5 Contrast of observed data among three different transmitters (Line Z04 Site 2312.5)

需要注意的是，通过观察电场与磁场振幅曲线可以发现，在高频段(大于1000 Hz)，SEP系统的场值出现了蹦跳.经过认真的分析，我们发现SEP发射机在高频发射时存在着发射精度不稳的现象，导致设定的发射频点能量降低.针对此问题，课题组从GPS授时原理和时钟基准入手，将GPS秒脉冲用于时钟源频率的校准，消除了高频段的相位噪声，从而获得了高精度的发射频率，完美解决了此问题.

4.3.2 SEP系统与GDP-32II、V8系统对比试验

不同系统对比试验是利用SEP系统、GDP32系统和V8系统在同发射源地点、同接收点分别进行测量，得到V8T-V8R(蓝线)、GDPT-GDPR(绿线)、SEPT-SEPR(红线)三种系统的探测结果，同时在SEP接收时，也采用了V8发射机进行发射，得到了V8T-SEPR(粉线)数据，然后对四种数据进行对比分析.由于文稿篇幅所限，这里给出BX02测线2037.5米测点上的三个系统电场、磁场、视电阻率、视相位实测数据，如图6所示.其中GDP32发射电流较小，两次V8发射的电流也并不相同，导致未归一的场值对比曲线存在着偏离.我们通过对比卡尼亚视电阻率可以看出，除最低两个频率稍有差别之外，四条卡尼亚视电阻率曲线总体一致性很好.

图6 不同仪器CSAMT实测曲线对比(BX02线2037.5 m点)Fig.6 Contrast of CSAMT observed data among three different receivers (Line BX02 Site 2037.5)

图7 H08线CSAMT反演电阻率断面图(GDP-32II)Fig.7 Inversion profile of CSAMT apparent resistivity of Line H08 (GDP-32II)

4.3.3 反演结果对比

SEP系统、V8系统和GDP32系统均在相同的Z00、Z04、BX02、BX03、H08和H12测线上做了同点位、同剖面的测量.由于文稿篇幅限制，这里只对主勘探线H08线的反演结果进行对比分析.

图7—9分别为GDP32、V8和SEP系统CSAMT观测数据的反演结果.三个反演结果具有较强的相似性和一致性，都明确的显示出西侧低阻区和中部高阻之间的接触带(1250 m处)与平面地质图(图1)及地质剖面图(图10)中的断裂位置对应较好；西侧浅部低阻对应着第四系、深部的中阻为中太古界黄土窑岩组岩体；中部的高阻区对应着含矿体和从地下深部向地表穿插的早白垩世少斑花岗斑岩岩脉，以及断裂；东侧2500～2700 m之间的低阻对应着平面地质图中的呼尔井组乌兰戈楚组地层.

在三个CSAMT反演断面图中，SEP数据反演的电阻率等值线与V8的相似性较高，与GDP32有所差别，但整体形态是一致的，在剖面中部的高阻带对应着矿体和上部花岗斑岩岩脉.

4.4 MT法试验结果分析

在H08和Z00线上进行了SEP和V8接收机观测的MT数据对比试验，观测中使用的是SEP感应式磁传感器.图11—12为两套仪器实测曲线对比图.Z00线900 m点实测曲线形态并不是很圆滑(图11)，但两套接收机观测的曲线形态非常一致，甚至在50 Hz及其附近频率观测的XY和YX模式的视电阻率吻合得都非常好.在Z00线1920 m点的两套仪器观测的实测曲线(图12)形态一致，除高频段的视电阻率和相位有所差异，在中低频段的曲线重合性较好.

图8 H08线CSAMT反演电阻率断面图(V8)Fig.8 Inversion profile of CSAMT apparent resistivity of Line H08 (V8)

图9 H08线CSAMT反演电阻率断面图(SEP)Fig.9 Inversion profile of CSAMT apparent resistivity of Line H08 (SEP)

图10 H08线地质剖面图1.新生界；2中太古界黄土窑岩组；3.辉绿岩脉；4.早白垩世少斑花岗斑岩；5.早白垩世多斑花岗斑岩；6.晚侏罗世大青山二长花岗岩；7.断层；8.少斑花岗斑岩；9.多斑花岗斑岩；10.粗中粒二长花岗岩；11.隐爆角砾岩；12.工业钼矿体；13.低品位钼矿体；14.铅锌矿体；15.围岩裂隙.Fig.10 Geological profile of Line H08

图11 SEP与V8实测MT对比曲线(Z00线900号点)Fig.11 Contrast of MT observed data between SEP and V8 (Line Z00 Site 900)

图12 SEP与V8实测MT对比曲线(Z00线1920号点)Fig.12 Contrast of MT observed data between SEP and V8(Line Z00 Site 1920)

综上对比结果，表明了SEP接收机和磁传感器工作正常，能适应野外长时间的MT观测，其MT功能的性能与V8相当.

5 结论

此次试验是在已知矿区进行的一次综合性生产试验，试验过程中对SEP系统的各组成部分以及系统整体进行了性能对比，检验了系统的野外实际工作能力，取得了不错的效果，通过对试验结果的分析，可以得到以下结论：

(1) SEP的发射机和接收机同步性较好，整套仪器工作正常.发射机总体性能与GDP-32II、V8发射机性能相当，接收机具有性能稳定、观测精度高等特点.

(2) 磁通门磁传感器的优势在于在频带0.1～0.001 Hz范围内测量时，其噪声明显优于感应式磁传感器，适合于MT的低频段测量.

(3) 高温超导传感器与感应式磁传感器的对比结果一致，其性能稳定，具有灵敏度高、带宽大、观测数据稳定等特点.

(4) 通过SEP系统与GDP-32II、V8系统的CSAMT法对比试验，表明SEP仪器系统可以获得稳定的、可靠的观测数据，具有较强的抗干扰能力，可以在生产中推广应用.

(5) SEP接收机和感应式磁传感器能适应野外长时间的MT观测，性能与V8相当.

(6) SEP系统整机系统性能与国际同类产品相当，可以胜任野外实际勘查工作.

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(本文编辑 刘少华)

Surface Electromagnetic Prospecting System (SEP) contrast test in Caosiyao molybdenum mine, inner mongolia

DI Qing-Yun, XU Cheng, FU Chang-Min, WANG Zhong-Xing, ZHANG Wen-Xiu, AN Zhi-Guo, WANG Ruo

KeyLaboratoryofShaleGasandGeoengineering,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China

In order to test the performance and reliability of each component of surface electromagnetic prospecting (SEP) system in practical exploration, and the overall ability of SEP system in field work, a test is conducted at Caosiyao molybdenum mine in Xinghe, Inner Mongolia, which is a comprehensive test involving each component of SEP system. Using a number of schemes, several contrast tests had been carried out, including contrast test between high-temperature superconducting magnetic sensors and coil magnetic sensors, contrast test between fluxgate magnetic sensors and coil magnetic sensors, transmitting performance contrast test among SEP, GGT-30 and TXU-30 transmitters, CSAMT contrast test among SEP, V8 and GDP-32II systems, and MT contrast test between SEP and V8 systems. This paper analyzes the test results which show that self-developed SEP system has basically reached or exceeded the level of the similar foreign products, and is competent for the practical exploration work in the field.Keywords Electromagnetic exploration system; Magnetic sensor; Contrast test; CSAMT; MT

国家深部探测技术与实验研究专项SinoProbe-09-02(201011079)资助，国家重大科研装备研制项目“深部资源探测核心装备研发”(ZDYZ2012-1)—05子项目“多通道大功率电法勘探仪”—05课题“M-TEM系统整体设计及集成优化与方法试验”资助.

底青云,女,1964年生,博士生导师,研究员,主要从事电磁成像理论与技术及电磁探测装备研究. E-mail:qydi@mail.iggcas.ac.cn

10.6038/cjg20150805.

10.6038/cjg20150805

P631

2014-10-19，2015-07-17收修定稿

底青云, 许诚, 付长民等. 2015. 地面电磁探测(SEP)系统对比试验——内蒙曹四夭钼矿.地球物理学报，58(8):2654-2663,

Di Q Y, Xu C, Fu C M, et al. 2015. Surface Electromagnetic Prospecting System (SEP) contrast test in Caosiyao molybdenum mine, inner mongolia.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(8):2654-2663,doi:10.6038/cjg20150805.