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电磁法在有色金属矿产勘查中的研究进展
柳建新1,2，刘 嵘1,2，郭荣文1,2，童孝忠1,2，谢 维1,2
1 中南大学 地球科学与信息物理学院
2 中南大学 有色资源与地质灾害探查湖南省重点实验室
通信作者：柳建新，教授，博士
刘 嵘，副教授，博士
电磁法种类多，能适应不同作业环境，对不同埋深、不同种类矿体进行探测，是寻找隐伏金属矿的有效方法之一。电磁法勘探以电磁感应原理为基础，主要通过观测到的电磁场响应推断地下电阻率的空间分布特征，在此基础上结合地质解释，从而实现金属矿产勘查的目的。目前，电磁法按照接收信号组成分为频率域与时间域两大类，勘探深度从浅部几米到深部几十公里，应用领域从陆地、高空到海洋均有涉及。电磁法的发展已有一百多年的历史，近年来仪器设备和处理解释软件得到快速发展。我国电磁法仪器的发展历程了一个“跟跑-并跑-领跑”的过程。本文梳理了电磁法发展历程，综述了主要电磁勘探方法理论、应用场景及观测系统，从数据解释角度回顾了电磁法正演模拟与反演计算研究工作，介绍了不同种类电磁法在金属矿勘查中的典型应用案例，最后对电磁法勘探金属矿的发展提出了作者的看法和建议。电磁法(EM)是指以地下介质的导电性、导磁性、电化学活动性差异为物质基础，根据电磁感应原理，通过观测和研究人工或天然电磁场随空间分布规律或时间变化规律的一类地球物理勘探方法。电磁法的发展已有一百多年的历史，最早可以追溯到1917年美国工程师CONKLIN提出的电磁感应法并获得了专利。前苏联TIKHONOV在1946与1950年分别提出了瞬变电磁法(TEM)与大地电磁法(MT)、法国CAGNIARD(1953年)提出大地电磁法测深的基本理论、前苏联BERDICHEVSKI等(1969年)提出音频大地电磁法(AMT)、加拿大STRANGWAY和GOLDTEIN(1971年)提出了可控源音频大地电磁法(CSAMT)。KAUFMAN等[2]在1983年出版了《频率域和时间域电磁测深》、NABIGHIAN在1987年主编了《勘查地球物理电磁法》。在顾功叙先生的组织推动下，1965年原中国科学院兰州地球物理研究所牵头率先开展MT方法和仪器研究。20世纪70年代，原地矿部物化探研究所、原中南矿冶学院、北京矿产地质研究院(桂林有色地质研究院)、长春地质学院等单位就开展了瞬变电磁法研究。20世纪80年代，我国真正将CSAMT和TEM方法及仪器应用于金属矿勘探。原中南工业大学(1986年)引进了美国Zonge公司的GDP-12多功能电磁仪、原新疆有色地勘局等单位(1986年)在国家“三○五项目”支持下引进了加拿大凤凰公司的V4多功能电磁仪，并同时开展CSAMT金属矿勘探研究。牛之琏在1987年出版了《脉冲瞬变电磁法及应用》、何继善在1990年出版了《可控源音频大地电磁法》。针对MT和CSAMT方法的本质不足，中南大学何继善(1994，2010)先后提出了两种新的频率域电磁法，即伪随机电磁法(PREM)和广域电磁法(WFEM)。我国电磁法仪器的发展历程了一个“跟跑-并跑-领跑”的过程。我国在大地电磁仪研制方面具有较早的历史，原中国科学院兰州地球物理研究所等在20世纪60年代中期便开始了大地电磁观测仪器的研制，后因仪器性能原因未能推广。20世纪80年代后，中国科学院地球物理研究所、长春地质学院等相继研发了低频数字大地电磁测深仪、GEM-1宽频数字大地电磁测深仪和长周期大地电磁测深仪等，一些主要技术指标已经达到当时国际同类仪器水平。我国在瞬变电磁仪研制方面也具有较早的历史，原地矿部物化探研究所、原中南工业大学、北京矿产地质研究院等较早开展了TEM仪器的研发。目前，技术相对成熟且有一定市场的瞬变电磁仪器系统有：重庆地质仪器厂GATEM系列，重庆奔腾数控研究所WTEM系列，北京矿产地质研究院TEMS系列，骄鹏科技公司MDTEM64系列，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所IGGETEM系统，中国科学院地质与地球物理研究所CASTEM系统、吉林大学ATEM系列、中国地质大学(武汉)CUGTEM系列和中南大学HPTEM系列等。在可控源电磁法和多功能电磁法方面，早期几乎全部被国外仪器垄断，21世纪初开始，在国家“十一五”863计划、科技部重大仪器专项、国家公益性行业专项和中国科学院战略先导性专项等项目支持下，我国在仪器设备自主研发方面取得跨越式发展，研制出了适用于三维分布式探测的可控源电磁法及多功能电磁法仪器，如：中南大学研制的JSGY广域电磁探测系统，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所研制的DEM多功能电磁探测系统，中国科学院地质与地球物理研究所研制的SEP地面电磁探测系统，吉林大学研制的JLEM大深度分布式电磁探测系统，中船重工第七二二研究所研制的CEMT03大地电磁探测系统，骄鹏科技公司研制的E60EM-3D多功能电磁法系统，中石油集团东方地球物理勘探公司研制的TEFM时频电磁仪和中国地震局等单位研制的大功率极低频/超低频(SLF/ELF)电磁接收机等，长沙巨杉智能科技有限公司研制的GSEM-A10物联网接收机。由于金属矿体通常与围岩之间存在一定的电性差异，电磁法一直以来都在金属矿勘查工作中扮演重要角色。相对于传统的直流电法，电磁法探测深度大，不受高阻层屏蔽，方法种类众多，在陆地、海洋和航空等特殊环境下均能得到有效应用，目前仍是重点金属矿集区深部、西部高海拔山区以及南海经济专属区等地区开展隐伏资源勘探的首选找矿方法，应用前景广阔。我国深部金属矿资源潜力巨大，随着传统矿山浅部资源逐步枯竭，开展500 m以下深部资源探查显得格外重要。由于金属矿的成矿往往伴随着多期次剧烈的构造运动，致使金属矿区地形复杂、矿床类型繁多，传统的反射地震只适用于沉积盆地油气探测，目前还不能有效运用于深部金属矿勘查。幸运的是，广域电磁法、电性源瞬变电磁法等大深度、高精度探测方法的提出及二、三维反演技术日趋成熟，电磁法在老矿山和矿集区深部找矿工作中取得了一系列重要成果。目前，由于高海拔、森林覆盖等自然条件的制约，我国西部广大地区的矿产资源勘探程度较低。航空电磁法使用固定翼飞机、直升机或无人机等作为搭载平台，具有速度快、效率高、无需地面人员到达等优势，是填补我国西部边远地区金属矿产勘查空白区的优选手段。海底硫化物金属矿具有储量大、品位高等特点，开发前景巨大，国际海洋强国对海底矿产资源开发表现出了浓厚兴趣。海洋电磁法作为一种海底油气层勘探的重要物探方法，势必在我国海洋经济专属区海底矿产资源开发中发挥重要作用。近年来，随着三维电磁数值模拟与反演技术的发展和重、磁、电、震等多物探技术的综合运用，电磁法反演和解译的精度得到了极大提升。在野外数据采集中，电磁法也不再拘泥于常规的观测方式，极大地提升了野外数据采集效率，为获取地下多尺度电性信息奠定了基础。本文在简要综述不同种类电磁法及其装置形式的基础上，重点阐述电磁法三维数值模拟与反演解释技术的发展以及不同方法在金属矿勘查方面的研究进展，最后指出电磁法找矿的发展方向。电磁法种类多，能适应不同作业环境，对不同埋深、不同种类矿体进行探测。根据测量信号成分不同，电磁法可分为频率域电磁法与时间域电磁法。频率域电磁法利用电磁感应的趋肤效应，即高频电磁场穿透深度浅，低频电磁场穿透深度大，从而实现利用不同频率电磁信号测深的目的。时间域电磁法根据不同时间电磁场在地质体中的传播深度不同，进而实现从早期信号到晚期信号探测深度的逐渐增加。大地电磁法在20世纪50年代初提出，该方法使用天然场源，具有丰富的频谱信息，应用范围可从几十米的工程勘查到数百公里的深部地震预测和大地构造研究。大地电磁法是通过不同频率的卡尼亚视电阻率计算或阻抗张量分析来提取不同深度的电阻率信息(见图1)。因此，与大地电磁法原理相同，且对浅部地层分辨率较高的音频段大地电磁法在金属矿勘探领域得到了有效应用。天然源航空电磁法虽然相对于大地电磁法在数据采集时存在人力成本较大、耗时较长等不足，但仍是一种极具前景的新型航空电磁法，具有勘探深度较大、工作效率高的特点。图1 大地电磁法(MT)测深与装置形式示意图
可控源音频大地电磁法使用接地导线发射单频或多频电磁信号，接收机接收同时发射源一次场与地下介质二次场电磁信号(见图2)。可控源音频大地电磁法使用大功率发电机为接地导线供电，提高了电磁场信号强度，相比大地电磁法具有信号人为可控、抗干扰能力强等特点。可控源音频大地电磁法使用人工源取代天然场源，而测量与解释仍沿用大地电磁法方式，存在近场效应等本质不足。为了满足电磁波向地表的垂直入射条件，可控源音频大地电磁法通常使用赤道装置形式，将接收点尽量置于观测远区，同时记录观测点正交电磁场，参考大地电磁卡尼亚视电阻率解释方式。图2 可控源音频大地电磁法(CSAMT)观测分量与装置形式广域电磁法针对可控源音频大地电磁法的本质不足，使用大功率伪随机信号发射源，因而可多台接收机、多测点、多频率同时测量，能够实现真正意义上的三维电磁法勘探(见表1和图3)。该方法使用均匀半空间曲面电磁波理论，利用单分量电场或磁场精确计算广域视电阻率，使观测区域不再局限于远区，很大程度提升了工作效率。广域电磁法建立了以曲面波为核心的电磁勘探理论，构建了全息电磁勘探技术体系，实现了频率域电磁法由平面波到曲面波的理论跨越。图3 2n与2n/3序列伪随机编码的频率分布由于海洋环境中电磁场空气波受海水压制，海洋可控源电磁法能够获取高信噪比的海底二次场有效信号。海洋可控源电磁法在浅海使用拖曳施工方式，类似地震拖缆施工，激发场源长导线和铠甲电缆，接收电极安装在悬浮于海水中的拖缆中。海洋可控源电磁法在深海时将接收电极固定在海底，发射源随船拖拽(见图4)。这种方式一般兼具采集海洋大地电磁信号的能力。航空频率域电磁法使用不接地线圈作为发射与接收装置，相比传统频率域电磁法具有装置轻便的特征，容易被直升机或无人机搭载，特别适用于浅部金属矿勘查。图4 固定接收装置海洋可控源电磁法(MCSEM)
时间域电磁法又称瞬变电磁法，一般使用不接地线圈作为磁偶极子发射源向地下发射一次脉冲磁场，在发射电流关断间歇，利用接收线圈测量地下介质引起随时间衰减变化的二次场信号。相比频率域电磁法单频发射或伪随机信号发射的方式，时间域电磁法一次电流发射即能完成探测。传统瞬变电磁法的装置形式包括重叠回线装置、中心回线装置、偶极装置、大定源回线装置，这些装置都使用单一线圈发射、单一线圈接收的方式(见图5)。随着计算机技术与三维解释手段的提出，多源多接收方式将有效提高瞬变电磁法野外数据采集效率与勘探效果。图5 常用瞬变电磁法装置形式
由于关断线圈发射电流后，发射线圈内存在弛豫电流将持续在发射线圈产生感应电动势，造成瞬变电磁法早期实测数据失真，形成探测盲区。等值反磁通装置系统在传统的偶极装置基础之上，使用固定的两个发射线圈对瞬变电磁法关断延迟的电磁耦合效应进行消除，能够获取高精度早期信号(见图6)。由于等值反磁通装置的便携性，目前中南大学、中国地质大学(武汉)、重庆大学等都研制出相关仪器。图6 多线圈消除一次场设计示意图
得益于不接地线圈发射源的便携性，时间域电磁法在海洋与航空领域得到普遍发展。相比频率域航空电磁法，时间域航空电磁法装置发射功率大，具有探测深度更大的优点。2012年由吉林大学仪器科学与电气工程学院与国土资源航空物探遥感中心研发的CHTEM，已开展了大量的生产测试。地空瞬变电磁法通过在地表布置发射源，使用多旋翼无人机搭载接收线圈，相比航空瞬变电磁法，具有勘探深度更大、信噪比更高的特点(见图7)。图7 多旋翼无人机地空瞬变电磁法
为了解决浅水区频率域空气波影响，时间域海洋可控源电磁法通过利用空气波与有效波到达时间不同的特点来实现有效信号提取。为实现海底硫化物金属矿产勘查，海底拖曳式瞬变电磁法理论与仪器已经得到了快速发展。由中南大学牵头，联合湖南五维地质科技有限公司等研发的深海拖拽式瞬变电磁系统多次用于大洋科学考察，对我国西南印度洋合同区深海热液硫化物开展了勘查工作(见图8)。图8 深海拖拽式瞬变电磁系统工作照
考虑到电偶极子具有大功率发射且在地下引起的电场衰减较慢的优点，接地导线发射源瞬变电磁法得到发展。长导线源瞬变电磁法使用接地电偶极子供电，在发射源两侧3~6倍偏移距距离扇形区域内进行观测,具有工作效率高、对低阻薄层反映灵敏等特点。薛国强等(2013)针对如何提高二次场强度的问题，提出了导线源短偏移距瞬变电磁法，并将长导线源瞬变电磁法连续发射波形修改为双极性阶跃波形，将一次场与二次场从时间上进行分离(见图9)。相比于长导线源瞬变电磁法，导线源短偏移距瞬变电磁法对场地工作需求、发射源强度等更宽容，更适合运用于崎岖山区中浅部金属矿探查。图9 导线源短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)观测系统布置示意图
电磁法正演是认识复杂地质条件下矿致信号特征的重要途径，常被用于指导野外数据采集装置形式与参数选择，是电磁法发展与仪器开发的基础工作。频率域电磁法正演已经取得了很好的成功，是电磁法探测正反演的基础性工作。时间域电磁法正演分为两类：一是现在频率域计算然后转换到时间域，该方法可利用成熟的频率域正演；二是直接在时间域内正演，但是该方法对于时间步长与空间步长较为严格。电磁法反演以正演为基础，是在获取野外所采集数据提取矿致信息后寻找与信号特征相匹配的金属矿地质体模型的数学过程。电磁法反演主要采用非线性问题线性化的方式，利用各种最优化技术将一个初始模型逐步修改到接近真实地下模型，使用迭代方式厘清电磁场响应与矿体地质模型电阻率参数的复杂关系。一维正演假设地下介质为层状分布，使用电磁场在层状介质接触面的切向连续性，求解不同层位电磁场表达式所满足的关系式。随着计算机运算能力的大幅提高和大型线性方程组求解算法的不断改进，学者对三维电磁法正演模拟的研究愈发深入。对于埋藏在水平层状介质的简单三维导电体，积分方程法由于只需要对电导率异常体进行剖分，形成的方程组规模小、求解速度快而最先得到广泛应用。美国犹他大学CEMI中心对积分方程法进行了系统的研究，开发了一套基于积分方程法的三维数值模拟软件INTEM3D。有限差分法利用规则网格剖分计算区域，直接对微分方程进行差分代替。俄勒冈州立大学EGBERT教授研究团队基于有限差分法开发了ModEM电磁法正反演软件。有限体积法是在控制体积内对微分方程进行积分，通过积分离散化能更准确地表示电磁场的分布(见图10)，目前基于有限体积的开源软件有APhiD和jMT3DAni。有限元法利用最小势能原理，具有计算区域内部单元边界条件自动满足、单元离散方式灵活等优点，适合复杂形态异常体电磁场响应计算。
图10 三维大地电磁正演问题的交错有限差分离散方法
线性方程组求解是电磁法二三维正演的主要耗时部分，目前正演方程组求解方法分为迭代求解与直接求解。针对迭代解法低频收敛速度慢的问题，散度校正、正则化约束施加等方法应用到微分方程法正演模拟中，加速了方程组迭代解法的收敛速度。多重网格技术将细网格上的大型方程求解问题转换到较粗网格上的更小的方程组求解问题。随着计算机内存普遍升级，MUMPS、PARDISO等直接求解器也得到了广泛运用。通过减少剖分网格数量，减少待求解方程组规模是提高电磁法数值模拟的有效手段(见图11)。LI等 (2007)提出自适应矢量有限元法，对电场变化缓慢区域使用粗网格剖分，减少了传统矢量有限元法网格数量。YANG等 (2014)提出对地下介质灵敏性进行分析之后，对高灵敏度区域使用局部加密网格，对其他区域使用稀疏网格。LIU等](2018)提出使用格林函数建立计算区域内电场与边界电场之间关系，对传统矢量有限元法计算边界进行截断。
图11 基于BiCGstab求解器、高斯-赛德尔、超松弛、不完全LU和四色分块单元高斯-赛德尔四种预处理器在都柏林模型下正演计算时间和方程组求解迭代次数的对比图(收敛残差设置为10-10)
传统的大地电磁法、可控源音频大地电磁法等频率域电磁法装置通过满足电磁波垂直地表入射假设，使用一维反演或不同频点视电阻率计算完成测点地下电阻率解译。早期时间域电磁法如中心回线装置认为测量信号主要由接收线圈地下介质所引起，使用一维反演甚至时深转换经验公式进行反演解释。随着电磁法勘探要求与计算机的发展，学者们认识到二三维电磁法反演是解决地形引起的静态位移效应与人工源电磁法的场源效应的有效方法，是实现精细化勘探的必然要求。TIKHONOV正则化思想通过在反演目标函数中添加模型约束项，能够有效地改善反演问题的不稳定性，是当今地球物理反演的重要思想之一。通过在目标函数中引入粗糙度来约束模型相邻单元之间电性变化，从而得到电阻率连续的反演结果]。不同深度理论模型与三维反演结果图如图12所示。基于目标函数梯度类的反演方法的有效性严重依赖于初始模型，不合理的初始模型容易导致反演不稳定。一维反演占用计算资源少、效率高，能在一定程度上反映地下构造与电性特征，因此一维反演结果可用于二三维反演初始模型构造。GUO等 (2017)使用地震资料建立海洋地下结构初始模型，进行海洋电磁法反演获取各结构区域电阻率信息。灵敏度求取是获得每次迭代修改量的关键工作，决定了反演方法在计算内存与时间消耗。NEWMAN等 (1997)采用共轭梯度法对三维电磁反演问题进行求解，每次共轭梯度迭代只需要计算灵敏度矩阵与向量的乘积，避免了灵敏度矩阵显式计算。SASAKI (2004)使用高斯牛顿法实现了大地电磁三维反演，所需的模型更新次数远少于非线性共轭梯度法。HABER (2005)提出用拟牛顿法求解大规模电磁法反问题，该方法具有高斯牛顿法收敛速度快的特点，而不需要显式形成海森矩阵。SIRIPUNVARAPORN等](2005)提出数据空间三维电磁法反演问题，避免了高斯牛顿法对模型维度矩阵的求逆运算，节约了计算资源与计算时间。胡祥云等 (2012)提出了基于频点和矩阵划分的大粒度并行反演方案，实现了大地电磁法数据空间的高斯牛顿法反演。彭荣华等](2016)采用共轭预条件的高斯牛顿法，避免了显式求解和存储灵敏度矩阵。
图12 不同深度理论模型与三维反演结果图
金属矿体在表现出电阻率差异之外，往往伴随具有极化率、密度、磁化率等物性差异。以电磁数据为主、多类型地球物理信息为辅的约束和联合反演，能够有效提高反演结果的可靠性。GALLARDO等 (2003)提出了一种简单有效的交叉梯度法，用来建立两种或多种不同参数的关系。HU等(2009)用这种方法联合电导率和地震波速两种参数，进行了可控源电磁法和海洋地震数据联合反演。MOORKAMP等 (2011)提出了一种重力、地震和大地电磁联合反演的算法，实现了用重震方法约束电磁数据的反演。GALLARDO等 (2012)利用交叉梯度算法实现重力、磁法和大地电磁多种数据融合的联合反演。近些年来，国内的同行们也在联合约束反演工作中取得了一定的研究成果。殷长春等 (2018)基于不同地球物理分布参数之间存在相关性等特点，提出了一种基于局部 Person相关系数约束的联合反演方法。闫政文等 (2020)引入交叉梯度函数实现了密度、磁化率、电阻率三种物性结构的相互耦合，最终开发出一套重磁电三维联合反演算法。图13所示为不同物性参数的单独反演和联合反演交会图。胡祖志等(2020)采用人工鱼群反演算法，实现了基于井震约束的大地电磁与重力数据的并行联合反演，提高了电磁和重力勘探的分辨率。电磁法是有色金属资源探查的主要手段，观测范围从地面、航空、井中到海洋，在铅锌、铜镍、金银、热液硫化物等有色金属矿产勘查中应用效果显著。叶益信等 (2011)在介绍电磁法数据处理解释与仪器研制之后，通过典型案例对电磁法在深部找矿的应用效果进行了分析。何展翔(2019)对地震与电磁法勘探技术在油气、资源矿产等六个领域应用现状进行了对比，指出应该大力发展三维的、多分量的、多场源多次覆盖的电磁勘探技术。GUO等 (2020)论述了电磁法在矿产勘查中起着重要的作用，并在寻找铜、钼、铅锌、铝土矿、铀等金属资源方面得到了广泛的应用。底青云等 (2020)认为近十年来我国人工源电磁法从方法到装备取得了突破性进展，出现空-地-井立体多尺度电磁探测新技术，实现对地下10km深度范围内目标体的有效探测。大地电磁法通过刻画深部电性结构，反演深部成矿构造与物质来源，为深部找矿指明方向。大地电磁场观测是美国的“地球透镜计划(EarthScope)”与中国的“大陆电磁参数标准网实验研究(SinoProbe-01)”等深地探索项目的重要部分。HEINSON等 (2006)为了圈定可能限制矿物系统流体通道的地壳结构，沿着奥林匹克坝氧化铁铜金矿床和主要地壳边界的220 km剖面，获得了与地震一致的大地电磁解释断面。HE等 (2018)等使用音频大地电磁法对藏南罗布萨蛇绿岩中铬铁矿进行了勘查，发现了当时中国最大的铬铁矿。XU等 (2020)通过音频大地电磁法阵列数据，获得了火山岩区域电阻率结构，推测白垩纪岩浆热量与流体来源，为确定沱牛河白垩系火山-沉积浅成低温热液金矿床的成矿和蚀变系统提供了依据。随着城镇化发展，满足大地电磁勘探条件的区域越来越少，可控源音频大地电磁法由于具有一定抗噪能力而得到广泛运用。于泽新等(2009)应用可控源音频大地电磁法对辽西肖家营子铜钼矿区进行了探测，后续钻孔验证了低阻带存在30 m厚度钼矿。王大勇等 (2009)综合应用可控源音频大地电磁法和瞬变电磁法在铜陵龙虎山地区进行找矿探查，解决了该区隐伏侵入岩体和岩浆热液的运移通道等地质问题。HU等 (2013)采用可控源音频大地电磁法对我国南方主要成矿带之一的龙门地区的铁多金属矿床进行了勘查，圈定了三个有潜力的矿床。王毅等 (2018)论述了可控源音频大地电磁法在拉拉铜矿的应用效果，钻孔见矿情况与物探异常基本吻合。GUO等 (2019)以中国建水铅锌矿床为例进行了可控源音频大地电磁法应用研究，经过地下电阻率反演结果对矿体位置进行了正确推断。CHEN等 (2020)采用可控源音频大地电磁法在内蒙古中星屯地区进行高密度测网勘探，通过视电阻率分析发现了深部矿化体。图14所示为松辽盆地二维大地电磁电性结构及其地质推断。图14 松辽盆地二维大地电磁电性结构及其地质推断
大地电磁法和可控源音频大地电磁法均使用卡尼亚视电阻率，未能完全摆脱电磁波垂直入射要求，因此工作效率不高。广域电磁法以伪随机信号为发射源，仅通过测量电场分量，就可以在强干扰地区提取高质量的视电阻率信息。在湖南坪-宝地区、安徽铜陵冬瓜山铜矿、内蒙东郡多金属矿等矿山深部开展的大量研究表明，该方法特别适用于深部金属矿探查。朱裕振等 (2011)采用广域电磁法在内蒙古自治区某银铅锌矿进行了实验勘探工作，并与可控源音频大地电磁法的效果进行了对比。结果表明，广域电磁法可以用较小的发收距获得较大的探测深度，勘探效率和精度均较高，用于寻找深部金属矿的效果明显。邓锋华等 (2013)介绍了广域电磁法在山东某金矿中查找隐伏金矿的应用，广域电磁法推断的断裂带和已知断裂带位置基本一致，圈定的局部异常经开挖验证有金矿存在。石郝等(2017)在水口山矿区进行的广域电磁法工作表明，该方法在强干扰的生产矿区应用效果显著。蒋永芳等 (2020)将广域电磁法运用到豫西熊耳山某金矿，查明了矿区构造破碎带。图15所示为广域电磁法在山东省郭店地区铁矿普查中的应用。图15 广域电磁法在山东省郭店地区铁矿普查中的应用
电性发射源的使用克服了传统瞬变电磁法在面对厚且低电阻的第四系覆盖物导致的信号衰减困难，使得瞬变电磁法能够高效适用于深部金属矿勘查。STRACK等 (1989)通过长导线源瞬变电磁法在欧洲与澳大利亚石油勘探中的应用，说明了该方法对于深部资源勘查的有效性。XUE等](2012)使用导线源短偏移距瞬变电磁法对西藏沙朗地区黏土覆盖层下钼矿开展了探查工作。SASAKI等(2015)将长导线源瞬变电磁法数据转化为频率域数据，通过模型试验证明了时-频转换之后使用传统频率域三维反演的有效性。CHEN等 (2017)将导线源短偏移距瞬变电磁法运用于安徽霍邱铁矿深部资源探查，充分利用了该方法的野外工作便利性。YAN等(2018)在我国南方碳酸盐岩地区开展了长导线源瞬变电磁法试验研究，完善了野外方法技术。XUE等(2021)在对矿区已知地质结构对使用短偏移距导线源短偏移距瞬变电磁法进行验证之后，使用该方法对秦岭地区深部铅锌矿床进行探测(见图16)。图16 SOTEM在陕西凤太矿集区的应用
航空电磁法自1951年开始商业应用，被认为是迄今为止发展的最成功的采矿地球物理技术。YANG等 (2012)提出一维航空电磁法解释的局限性与三维反演的必要性，使用三维反演方法对加拿大不列颠哥伦比亚省斑岩矿床电性结构进行探查。HUBERT等 (2016)通过天然源航空电磁法对加拿大哥伦比亚某银铜合金矿开展勘探。朱琳等](2019)论述了航空瞬变电磁法在我国黑龙江下嘎来奥伊河上游铅锌矿、青海哈西哇金矿、新疆哈密黄土坡铜锌矿的使用效果，分析认为航空瞬变电磁法对地下隐伏矿体反映较为准确，为扩大找矿范围提供了依据。KONE等 (2021)为了确定与西非克拉通金矿有关的成矿地质构造，对马里某地区收集的航空电磁数据进行了处理和解释。图17所示为航空电磁法在沙特阿拉伯某成矿带区域调查。金属矿除了电阻率外，往往伴有密度、磁化率、波速等矿致物性参数异常，利用多地球物理信息作为约束可大幅度提高金属矿勘探结果的可靠性。ALARIFI等 (2019)采用航空磁测，电磁法与高精度磁测结合，使用密度、磁化率、电阻率与矿化度的相关性对南卡罗莱纳地区某硫化金矿进行了探查。DARIJANI等(2021)通过对航空磁测和频率域电磁资料三维反演，重建了加拿大魁北克地区Malartic金矿床成矿有关的地质单元。LIANG等(2021)在新疆维吾尔自治区与甘肃省交界地区开展了航空电磁、航空磁测工作，推断发现7处异常与已知矿体位置一致，并发现1处新的金矿床和若干矿化线索。图18所示为重力、航磁约束下的CSAMT深部矿体推断图[132]。图18 重力、航磁约束下的CSAMT深部矿体推断图电磁法实际应用中已经不限于固定装置，非常规的装置方式配套趋于成熟的三维反演在理论上可以胜任复杂条件下深部金属矿探查工作。德国开展的电磁法深部资源探查项目(DESMEX)主要是针对地空瞬变电磁法进行研究，并与现有电磁勘探方法勘探效果进行了对比。YANG等 (2019)使用航空、地表到井下多类型电磁法相结合对位于马尼托巴省中部的拉洛尔矿床进行了三维电阻率成像，证明多尺度电磁法技术能够胜任深部金属矿勘探。ZHANG等(2020)通过在地表布置多发射源，保证了可控源电磁法应对华北克拉通地区较厚的导电黄土地层信号的有效穿透，实现了对1157 m的深部矿体的圈定。过去十多年来，在国家项目与市场的持续支持下，我国在地面电磁法、航空电磁法及海洋电磁法等研究与应用领域取得了一定进展。为使电磁法更好地服务于我国西部地区、海洋经济专属区、重点矿集区深部金属矿勘探，笔者认为电磁法的未来发展方向，大致可归纳为以下几个方面：1) 进一步完善三维正演算法。勘探目标体电阻率与对应的电磁响应之间的非线性特征，导致了电磁法正演网格数量大、方程组求解时间长等困难。进一步将自适应网格剖分方法、多重网格迭代求解器相结合分别为减少正演网格数量与提高方程组求解速度，是形成高效高精度三维电磁正演的可行途径。目前，基于各类三维电磁法数值模拟方法的已发表论文较多，需要进一步加强代码开源，并提供友善的用户使用界面。2) 通过理论推动方法与仪器协同发展。由于仪器研发投入周期更长，二、三维正反演理论计算研究是避免仪器与装置系统的盲目开发的有效手段。虽然，以广域电磁仪器为代表的国产仪器逐步打破了国外少数几家公司对电磁法仪器研制的关键技术的垄断。但是，我国仪器整体水平距离国外还存在一定差距，建议在加大资金投入的同时借力数值理论优势推动我国电磁勘探方法与仪器发展。3) 提高数据质量。由于浅部资源逐步枯竭，金属矿勘探的深度越来越大，一些老矿山深边部找矿前景广阔，这对电磁法的抗干扰能力和分辨能力提出了严格的要求。为了确保观测数据质量，一是通过加大发送机的功率、进而加大发送信号的强度；二是采取择时工作方式，选择干扰信号小的时段开展工作，最大限度提高观测数据的信噪比；三是创新方法技术，实现近区观测，确保勘探深度。4) 高效高精度三维反演算法实用化。广域电磁法、导线源短偏移距瞬变电磁法、多线圈瞬变电磁等新方法通过改变地表观测系统与观测参数提高野外金属矿勘查工作效率，以往的卡尼亚视电阻率或全区视电阻率定性解释手段已经不适用于新方法，基于正演的迭代反演理论发展为新方法数据解释提供了基础。航空电磁法与海洋电磁法使用移动平台，具有效率高、数据量大的特点，这些为三维反演计算提供了数据基础。5) 方法综合运用。金属矿勘查从来都是一个系统性工程，物探工作是提升深部找矿成功率的关键所在。不同种类电磁法对不同深度探测能力具有差异，多装置多尺度勘探将会成为提升成功率的主要发展方向。金属矿由于多期次地质运动使得其构造复杂，在电磁法勘探资料解释时必须综合运用地质地球物理资料，开展多类型地球物理数据联合反演与结合地质信息解释是降低反演多解性、提高找矿可靠性的有效方法。
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