唐世庚

(中國冶金地質(zhì)總局第三地質(zhì)勘查院，山西太原 030002)

隨著地質(zhì)數(shù)據(jù)采集技術(shù)和處理技術(shù)的迅速發(fā)展，成礦預(yù)測理論日趨完善，在未來一定時期內(nèi)，今后的地質(zhì)找礦重點(diǎn)將側(cè)重于中深部的成礦預(yù)測及隱伏礦體勘查。物探作為地質(zhì)找礦的一種重要的手段越來越顯示其優(yōu)越性和作用，但同時由于探測深度的增加也給物探工作帶來了考驗，對于地球物理工作者來說，選用合適有效的地球物理方法來完成更大深度的地質(zhì)找礦工作任務(wù)便是一項重要的研究課題。

1 概述

時域激電法是采用不同的數(shù)學(xué)方法研究地下介質(zhì)在外電場激勵條件下所發(fā)生的電化學(xué)現(xiàn)象，在理論方面，美國地球物理學(xué)家Holcombe及Oppliger分別用有限元法和邊界積分法在二維基礎(chǔ)上研究三維電阻率法的數(shù)值模擬問題(Holcombe，1984;Oppliger，1984)，國內(nèi)以往文獻(xiàn)也有研究三維或復(fù)雜地形條件下電源場分布特征問題(徐世浙，1985;熊彬等，2003;阮百堯等，2002)。很長時間以來，該方法在找礦方面發(fā)揮了重要作用。如柳建新等在甘肅肅南石居里銅礦區(qū)選定20km2雙頻激電示范區(qū)進(jìn)行方法試驗取得了較好的地質(zhì)效果;李家盛在緬甸金廠鉛鋅礦應(yīng)用激電法尋找隱伏礦體也取得了理想找礦效果(柳建新，2001;李家盛，2002);還有很多地球物理工作者利用激電測深、激電中梯方法在對多金屬的勘查中均獲得了良好的找礦效果(陳紹裘，2003;舒明，2004;劉宏信等，2005;李春成等，2006)。但由于受設(shè)備(接收和發(fā)射系統(tǒng))等因素的限制，工作效率、勘探深度等方面受到很大的制約，已很難滿足如今的勘探要求。

單極－偶極裝置測深是21世紀(jì)以來逐漸的應(yīng)用于對多金屬尤其是與硫化物相關(guān)金屬礦產(chǎn)方面的勘查，取得了較好的地質(zhì)效果(賀容華等，2008;雒志峰等，2009;唐榮富等，2009;)，但探測深度亦僅限于700～800m以內(nèi)。本文所述大功率激電單極－偶極－擬地震觀測系統(tǒng)測深技術(shù)，目前還很少有資料對其論述和介紹，與之相關(guān)的文獻(xiàn)有《擬地震大功率激電測深技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用》(朱向泰等，2006)。該文提出了將電法勘探與地震技術(shù)相結(jié)合以提高效率的觀點(diǎn)。本文所討論的大功率激電擬地震觀測系統(tǒng)測深技術(shù)，是根據(jù)電法勘探設(shè)備的特點(diǎn)將地震觀測系統(tǒng)運(yùn)用于電法勘探野外施工方法上形成的一種測深裝置，它具有和地震觀測相似的一點(diǎn)激發(fā)(供電)多道接收的野外技術(shù)，而且記錄點(diǎn)也為發(fā)射與接收的中點(diǎn)，與地震的反射點(diǎn)相似。該技術(shù)的應(yīng)用目前還處于初級階段，從實(shí)際的效果來看，能比較完整的反映出極化體的空間分布特征，應(yīng)用效果較為理想。

2 應(yīng)用原理

大功率激電單極－偶極－擬地震觀測系統(tǒng)測深技術(shù)表征激電強(qiáng)度的參數(shù)是視充電率Ms而不是視極化率ηa。視充電率是當(dāng)代時間域激發(fā)極化法先進(jìn)儀器用以表示一級激電強(qiáng)度的參數(shù)(中南礦冶學(xué)院物探教研室，1980)，它是測量斷電后二次電位對時間的積分，它的單位是毫伏·秒/伏(mv·s/v)或毫秒ms。

實(shí)際應(yīng)用中，先布置好發(fā)射接收裝置，其中A為供電電極，M、N分別為測量電極，O為MN的中點(diǎn)，B為無窮遠(yuǎn)極。如圖1所示，在A點(diǎn)供電，利用按線性等距排列的多個不極化電極(或稱為排列)以相鄰兩個(M、N)為接收單位，分別測量供電時電位差和斷電后各自的二次電位差，然后接收機(jī)根據(jù)內(nèi)置程序進(jìn)行計算獲得Ms。每次觀測結(jié)果記錄于D點(diǎn)，D點(diǎn)的空間位置是AO的中點(diǎn)鉛垂方向AO/2處。

圖1 工作原理示意圖Fig.1 Sketch showing work principle

3 野外技術(shù)方法

實(shí)例中所用儀器為美國 Zonge公司生產(chǎn)的GDP32電法工作站，接收機(jī)型號GDP32(8通道)，GGT－30發(fā)射機(jī)。所采用工作參數(shù)為:間隔系數(shù)n=0.25，1.25，2.25，3.25，……，21.25;測深點(diǎn)距，即各相鄰供電點(diǎn)A極的距離A0→A1=50m，測量電極M→N=100m，無窮遠(yuǎn)極垂直于測線布設(shè)距最近測線大于5.0km;接收機(jī)采取8通道測量，供電周期8s，2次疊加;平均供電電流7A，最大達(dá)到11A;觀測參數(shù)為視充電率Ms(ms)和視電阻率ρs(Ω·m)，采用單側(cè)供電觀測方式。

如圖2所示，野外施工中一次布設(shè)好22道接收電極，當(dāng)在A0供電時，接收機(jī)連接1－8個接收電極，測得如圖所示的1－7個點(diǎn)的激電數(shù)據(jù);保持A0不動，接通8－15道接收電極，測得8－14點(diǎn)數(shù)據(jù)，接通15－22道電極，測得15－21點(diǎn)數(shù)據(jù)。這樣一來便完成了一個排列的測深工作，同時獲得由淺至深的激電數(shù)據(jù)，這時統(tǒng)一將22道接收電極排列向前移動一個A0→A1，并將供電電極 A0移至A1，重復(fù)上述步驟，又可獲得一列平行于前列的21個激電數(shù)據(jù)，以此類推便可完成整條測線上的激電測深工作。

從圖2中可以看出，該觀測系統(tǒng)測得的最大深度點(diǎn)處于AOmax/2的垂線位置上，其左側(cè)測深點(diǎn)深度均小于該位置的測深點(diǎn)深度。表明在實(shí)際工作中應(yīng)將測線的端點(diǎn)放在上述位置，以免缺少深部數(shù)據(jù);同樣道理，在測線右側(cè)應(yīng)將測線端點(diǎn)放在測點(diǎn)深度最小位置，以免缺少淺部數(shù)據(jù)。按前述，由該觀測系統(tǒng)獲得每個排列由淺到深的數(shù)據(jù)連線與測線呈45°交角，理論上其最大探測深度為AOmax/2，實(shí)際生產(chǎn)中可以此來衡量工作深度要求。

不難看出，擬地震觀測系統(tǒng)有勘探深度不受接收系統(tǒng)的通道數(shù)限制的特點(diǎn)，理論上只要發(fā)射功率足夠大，就能通過加大供電極距來增加對更大深度的探測能力，而且是對整條測線進(jìn)行連續(xù)同向等深測量，資料完整性好。

4 擬地震觀測系統(tǒng)測深技術(shù)的特點(diǎn)

通過多年來對大功率激電擬地震觀測系統(tǒng)測深技術(shù)的應(yīng)用與研究，總結(jié)出該測深技術(shù)以下特點(diǎn)，和地球物理工作者討論。

(1)裝置便于提升測深能力

圖2 單極－偶極擬地震觀測系統(tǒng)示意圖Fig.2 Sketch showing single pole－dipole quasi－seismic observation system

常用單極－偶極裝置(也可稱為單側(cè)三極測深)，特點(diǎn)是保持測量電極MN的位置固定，在不斷變換供電電極距的同時逐次進(jìn)行觀測，而擬地震觀測系統(tǒng)卻是保持供電電極A位置不變，以按一定規(guī)律移動M、N來增加探測深度的。由于接收設(shè)備的多測道功能，在保證接收信號精度的情況下，便可根據(jù)探測深度要求和目標(biāo)物體形態(tài)合理加大測道間距(M→N偶極距)或增加排列長度來獲取更大深度的信息。

(2)對中深部的分辨能力強(qiáng)

對于擬地震觀測系統(tǒng)，由于其偶極距(M→N)是固定的，當(dāng)間隔系數(shù) nmin=0.25，測深點(diǎn)距為50m，偶極距M→N為100m，則A0距排列為:75m、175m、275m、375m……。這種現(xiàn)象從測深理論上可以近似的理解為“等體積效應(yīng)”，其所反映的是等深度間距變化的激電信息，從點(diǎn)密度的意義上說表明深部和淺部具相同的分辨能力。

(3)野外作業(yè)方便效率高

該技術(shù)外業(yè)工作時在一個排列觀測過程中保持供電電極A不動(無窮遠(yuǎn)極B已固定)，通過移動M、N來實(shí)現(xiàn)極距變化完成對一個測點(diǎn)的觀測，而M、N可以根據(jù)測線長度一次性布設(shè)完畢，需要時按排列順序連接觀測即可，這樣不但提高了效率，同時也減少了因重新設(shè)置不極化電極而帶來的人為誤差。

(4)成果直觀解釋方便

經(jīng)過TS2DIP專業(yè)軟件處理后得到的成果圖件常用的有視充電率和視電阻率等值線斷面圖具有較高的可信度，斷面所反映的異常直觀、明顯，能較好的反映地電斷面的情況(唐世庚等，2009)而且異常形態(tài)、強(qiáng)度、產(chǎn)狀等特征要素很容易判斷和確定，同時還可以進(jìn)行半定量解釋，結(jié)合地質(zhì)認(rèn)識進(jìn)行推斷，一般均能獲得良好的效果。

5 應(yīng)用實(shí)例分析

下面以在內(nèi)蒙古新巴爾虎右旗某Pb、Zn、Ag多金屬礦區(qū)的實(shí)際應(yīng)用來對該觀測系統(tǒng)技術(shù)方法進(jìn)行系統(tǒng)闡述。

5.1 礦區(qū)概述

(1)地形條件

工作區(qū)地處內(nèi)蒙古東北部呼倫貝爾草原西部的山丘草原地帶，地形切割程度較低，相對高差一般小于200m，海拔標(biāo)高一般在600～900m之間;植被覆蓋廣泛，為大面積天然草原牧場;區(qū)內(nèi)水系不甚發(fā)育?？傮w來看工作條件較好。

(2)地層特征

工作區(qū)內(nèi)出露地層比較簡單，除大部分被第四系覆蓋外，主要為侏羅系中統(tǒng)塔木蘭溝組的火山巖，上統(tǒng)上庫力組下段火山巖。

第四系(Q):表層主要為腐植層，厚一般0.5m以內(nèi)，其下為粉土，厚約0.5～2.0m，在區(qū)內(nèi)廣泛分布。

塔木蘭溝組(J2t):主要由安山巖、玄武巖、安山玄武巖、玄武安山巖等組成。主要分布于普查區(qū)的西南一帶。

上庫力組下段(J3s1):主要由酸性凝灰熔巖、流紋巖及凝灰?guī)r等組成。分布于普查區(qū)的大部地區(qū)，但因第四系殘坡積物、風(fēng)成沙覆蓋，為小面積的斷續(xù)出露。

(3)構(gòu)造

工作區(qū)位于區(qū)域主構(gòu)造帶南翼，區(qū)內(nèi)構(gòu)造主要為次生斷裂構(gòu)造。由于覆蓋嚴(yán)重，地表構(gòu)造形跡不明顯，根據(jù)以前地質(zhì)和物探測量成果推測區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造主要有NNE向的F1、F2、F3、和F4等四條，是本區(qū)的主要控巖、控礦構(gòu)造。它們控制了區(qū)內(nèi)主要化探異常和礦(化)體的展布規(guī)律。

5.2 巖石電性特征

工作區(qū)地表普遍被約第四系0.5m腐植層覆蓋，下部為約1.5m厚粉土，接地條件良好。通過現(xiàn)場采集標(biāo)本測試，工作區(qū)內(nèi)巖石電性參數(shù)如表1。從表1中可以看出，巖石極化率均小于3.0%，電阻率為1000Ω·m以上，而礦體極化率基本都3%以上，并且呈低電阻率特征，電阻率值為600Ω·m左右。總體來看，礦體表現(xiàn)為低阻、中等強(qiáng)度激電異常特征。顯示出極化率、電阻率與圍巖有著明顯的差異，這是利用激電方法的地球物理前提。

表1 標(biāo)本電性參數(shù)測定統(tǒng)計表Table 1 Electrical parameters for the measured specimens

5.3 方法技術(shù)及外業(yè)施工

野外作業(yè)方法已在第3章中說明，這里不在螯述。

測量過程中最主要的是要確保足夠的發(fā)射功率和穩(wěn)定良好的接收系統(tǒng)。野外作業(yè)過程中為保證電流要求，采用了自制的規(guī)格為0.7m×0.7m×0.02m的銅板作為無窮遠(yuǎn)電極B，并在澆夠鹽水后深坑壓緊埋設(shè)派專人看守;為施工方便，供電電極A采用3組18根不銹鋼電極組合供電，圓形布置，根據(jù)AO距大小調(diào)整使用電極數(shù)量，規(guī)格為直徑0.05m，長0.75m;供電線全采用 49芯銅線。接收系統(tǒng)由GDP32接收機(jī)、8芯銅線和不極化電極組成，為作業(yè)方便自制了接收機(jī)與電纜的多線插頭，埋設(shè)電極時確保穩(wěn)定、接地電阻符合要求。

采用上述措施，基本能將AB接地電阻控制在100Ω·m以內(nèi)，供電電流在7A以上;穩(wěn)定良好的接收系統(tǒng)是確保高質(zhì)量數(shù)據(jù)的前提。

本區(qū)接地條件較好，外業(yè)中便將AO加大到2175m，通過采集的數(shù)據(jù)分析，反映最大深度點(diǎn)(約 1050m)的激電數(shù)據(jù)ΔU1一般能保持在20～30mV左右，數(shù)據(jù)信噪比較高;衡量數(shù)據(jù)質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)離差SEM一般也在1以內(nèi)，變化不大，說明數(shù)據(jù)是質(zhì)量可靠的，能達(dá)到使用要求。后經(jīng)分析反演激電斷面，其深部信號仍然較強(qiáng)，分辨率亦較高，反映的地電信息明顯。

5.4 應(yīng)用效果分析

(1)資料處理

資料處理是地球物理勘探工作中一個重要的環(huán)節(jié)。處理方法得當(dāng)、參數(shù)選擇合理便能獲得客觀、良好的成果。

數(shù)據(jù)采用美國ZONGE公司的TS2DIP反演軟件系統(tǒng)處理，基本原理是采用有限元方法，根據(jù)最小二乘原理進(jìn)行多次迭代計算。通過對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行噪音剔除、平均，轉(zhuǎn)換成本軟件處理格式，采用以下處理流程:數(shù)據(jù)重排(地形數(shù)據(jù)編輯)→剔除異變點(diǎn)→設(shè)置反演參數(shù)→二維反演(多次反復(fù)模擬)→視電阻率、充電率斷面→結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行地質(zhì)解釋。

反演過程中應(yīng)反復(fù)進(jìn)行參數(shù)變換模擬試驗，以求獲得良好的效果。并將反演得到的成果與地質(zhì)認(rèn)識進(jìn)行比對，利用地質(zhì)推斷完善反演成果。

(2)效果分析

本次工作共完成大功率激電測深剖面7條，剖面方向90°，均由西向東測量。由前述可知，本區(qū)與成礦作用相關(guān)的激電異常特征主要表現(xiàn)為中低視電阻率和中等強(qiáng)度視充電率反映，下面就以其中的2線、10線成果分析討論如下:

圖3為2線視電阻率/視充電率等值線斷面圖，在樁號400～1000m，中心標(biāo)高200m部位存在一個明顯的激電異常，視充電率MS=16～25ms，其間又有兩個以22ms自行封閉的異常。從全區(qū)的情況來看，該異常強(qiáng)度中等，但具備相當(dāng)?shù)囊?guī)模，其異常形態(tài)上部呈條帶狀，向下逐漸變寬;產(chǎn)狀明顯，總體西傾，由淺至深產(chǎn)狀變緩。該線異常(按實(shí)際工作時異常編號分別為3號)部位ρS=100～1000Ω·m，總體表現(xiàn)為低－中等電阻、中等極化特征。根據(jù)異常形態(tài)、產(chǎn)狀、強(qiáng)度，結(jié)合異常部位地質(zhì)及構(gòu)造分布情況，推測該異常為燕山期花崗巖γ52－3與上庫力組J3s1接觸帶(或是F3斷裂)中礦(化)體引起，其產(chǎn)狀反映出構(gòu)造的形態(tài)(圖中虛線所示)。后經(jīng)ZK201、ZK202揭露證明異常形態(tài)總體反映了斷裂帶的空間形態(tài)，激電異常為斷裂帶中Pb、Zn礦體引起，局部伴有黃鐵礦化。

圖4所示為10線視電阻率/視充電率等值線斷面圖，在樁號450～750m、中心標(biāo)高300m，以及樁號1000～1200m、中心標(biāo)高600m部位，視充電率等值線斷面圖上顯示出兩個明顯的激電異常，視充電率分別為MS=16～32ms、16～37ms，而且兩異常有相連的趨勢，兩個封閉異常反映出構(gòu)造中礦體的富集特征。從與2線對比來看，異常形態(tài)、規(guī)模、強(qiáng)度均非常相似。該線激電異常(按實(shí)際工作時異常編號分別為4號、5號)部位ρS=40～800Ω·m，總體表現(xiàn)為低－中等電阻、中等極化特征。根據(jù)異常形態(tài)、產(chǎn)狀、強(qiáng)度，結(jié)合異常部位地質(zhì)及構(gòu)造分布情況，推測該異常所反映的地質(zhì)內(nèi)容與2線相同。

通過本次工作，認(rèn)為大功率激電擬地震觀測系統(tǒng)測深技術(shù)在本區(qū)的應(yīng)用取得了理想的工作效果: (1)激電異常在斷面圖上反映明顯，特征清楚，易于識別;(2)尤其對有一定規(guī)模具激電特征的構(gòu)造反映明顯，激電異常的形態(tài)反映了構(gòu)造的空間展布情況，說明對構(gòu)造控礦型礦床的敏感性強(qiáng);(3)鉆探驗證激電異常位置及形態(tài)與高極化體對應(yīng)關(guān)系良好; (4)該技術(shù)在本區(qū)的應(yīng)用中獲得了1000m以上的可靠數(shù)據(jù)，工作成果不僅豐富了本區(qū)深部的地質(zhì)信息，提高了對該區(qū)成礦地質(zhì)條件的認(rèn)識，也為該區(qū)深部找礦提供了新的方向。

6 結(jié)論

多年來，作者將擬地震觀測系統(tǒng)測深技術(shù)應(yīng)用于對多種金屬礦產(chǎn)的勘查中，如內(nèi)蒙古額濟(jì)納旗紅梁子銅鉬礦區(qū)、內(nèi)蒙古新巴爾虎右旗達(dá)斯呼都格鉛鋅銀礦區(qū)、山西繁峙后峪銅鉬多金屬礦區(qū)以及山西垣曲落家河銅礦區(qū)等，通過研究歸納，總結(jié)了一些認(rèn)識與地球物理工作者討論:

(1)大功率激電擬地震觀測系統(tǒng)測深技術(shù)野外工作方便、效率高，所采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定，探測深度較大，對深部異常反映明顯，總體效果較為理想。

(2)該技術(shù)對構(gòu)造控礦型多金屬礦和中深部中等極化體(如與黃鐵礦相關(guān)的低品位銅鉬礦)具較高的敏感性，能直觀的反映出極化體的空間分布特征。

(3)通過在山區(qū)、丘陵、平原等不同地形條件下的工作效果對比，地形平坦地區(qū)效果要優(yōu)于地形變大的地區(qū)。起伏的地形可能會改變異常的強(qiáng)度、形態(tài)和位置，導(dǎo)致對異常的判斷錯誤。經(jīng)過對多個礦區(qū)成果的分析總結(jié)，認(rèn)為在MN間高差不超過四分之一偶極距、測線整體坡度變化不大的情況下，基本可以不用考慮其影響;反之，就得根據(jù)每個測點(diǎn)的具體情況做相應(yīng)校正處理，一般也能獲得良好的地質(zhì)效果。

(4)當(dāng)接地條件不良時，會直接影響到探測的效果，主要是限制了探測的深度，因為深部微弱的激電響應(yīng)無法產(chǎn)生足夠分辨率的信號，所以應(yīng)盡量改善測區(qū)的激發(fā)接收條件;若在地電條件良好、干擾小的礦區(qū)，該測深技術(shù)有望獲得更大深度的地質(zhì)效果。

(5)該測深技術(shù)在應(yīng)用過程中往往會因為供電的不對稱性造成異常移位，其位移的幅值與地形、地電結(jié)構(gòu)等有關(guān)，一般不超過MN/2，但目前尚未從理論上獲得推導(dǎo)，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意。

(6)該測深技術(shù)所獲得的單點(diǎn)測深曲線并不是嚴(yán)格意義上的垂向激電測深曲線，是否適用于垂向測深理論作者并未對其做相關(guān)的分析研究，本文實(shí)例也僅從斷面的角度對激電特征進(jìn)行了闡述，對其單點(diǎn)曲線的形態(tài)、特征和解釋等方面，尚需做進(jìn)一步的研究工作。

總體來講，大功率激電擬地震觀測系統(tǒng)測深技術(shù)不僅勘探深度大、施工方便工效高，而且適用性較強(qiáng)、探測效果良好，不失為一種多金屬勘探中實(shí)用的地球物理勘探方法。

致謝 在文章的撰寫過程中，得到了中國冶金地質(zhì)總局第三地質(zhì)勘查院朱洪瀟碩士、賈世俊學(xué)士在圖件制作方面的大力幫助，在這里對他們所付出的辛勤勞動表示誠摯的感謝。

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