湯洪志，劉慶成，湯 磊，吳 楠，寧 剛

（東華理工大學，江西 撫州 344000）

中國正在加大能源結構調整力度，積極發(fā)展核電、風電和太陽能等清潔能源。在目前的技術條件下，核電是最有前途的、最可依賴的清潔能源之一，調整能源結構的優(yōu)先選擇是加快發(fā)展核電。但隨著鈾礦找礦難度的增大，采用一、二維電阻率法難以取得好的勘探效果。因此，研究開發(fā)一套探測深度大、分辨率好、工作效率高，且具有自主知識產權的三維電阻率成像系統(tǒng)對鈾礦等資源勘查將發(fā)揮重要的作用。

自2007年開始，在科技部國際合作項目“鈾礦資源三維電阻率采集系統(tǒng)及成像新技術研究”的資助下，東華理工大學與美國勞雷工業(yè)公司合作，開始了三維電阻率采集系統(tǒng)的研發(fā)工作。經過3年的努力，于2010年初成功研制出了LQC－Ⅰ型三維電阻率采集系統(tǒng)，次年又推出了改進的LQC－Ⅱ型三維電阻率采集系統(tǒng)，并同時推出了ECIT＿RES3D三維電阻率正反演及可視化軟件。LQC－Ⅱ型三維電阻率采集系統(tǒng)的研制成功使三維電阻率法從理論走向實用，為鈾礦資源勘探提供了一種全新的技術手段。

目前，電阻率采集系統(tǒng)正朝著具有任意電極擴展能力的網絡化、并行高速數據采集的三維電阻率采集系統(tǒng)方向發(fā)展。假如將 “直流電法儀＋多路電極轉換器”式的高密度電法儀視為第一代，將 “直流電法儀＋嵌入式工控機＋分布式電極轉換”式高密度電法儀視為第四代，那么，LQC－II型三維電阻率采集系統(tǒng)正是三維電阻率采集儀器發(fā)展方向的典型代表，其設計思路和探測能力已超越了第四代產品的水平，屬于第五代多功能高密度電法影像測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點是：采用嵌入式工控機，大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性；野外實時顯示電剖面；采用筆記本硬盤存儲數據，可以滿足野外長時間施工的工作需求；系統(tǒng)采用視窗化、嵌入式實時控制與處理軟件，便于野外操作；可實現多種工作模式的轉換；實現滾動測量和多道、長剖面的連續(xù)測量；計算機與電測儀一體化，攜帶方便；分布式智能采集器串聯在一根細電纜上，地址隨機分配，在任何位置都可以測量；系統(tǒng)可以做高密度電阻率測量和三維電阻率測量，又可以同時做高密度極化率測量和三維極化率測量[1]。

1 三維電阻率測量工作方法

三維電阻率測量通常是利用一個計算機控制的多路傳輸系統(tǒng)，大量的電極連接到一根多芯電纜上。連接到電纜中的電極既可作為供電電極，也可作為測量電極。一般電極網格中都使用中等數量的電極數 （25～100）。為了方便，通常電極按正方形網格排列，x方向和y方向的間隔相等。在三維電阻率測量中比較有名的是E－SCAN三維電阻率測量方法，它采用的是單極－單極裝置 （Pole－Pole array）。其基本思想是將地面上的電極按二維網格布置，每一網格節(jié)點上有一個電極。假設總共有n個電極，先以其中任一節(jié)點上的電極為供電電極，在其它n－1個電極上測得單極－單極電位值，然后換一個電極為供電電極，做類似的測量，直到第n個電極為供電電極進行測量，至此，測量全部完成。整個過程中測量次數N＝n（n－1）。根據互換原理，如1號電極供電，10號電極測量與10號電極供電，1號電極測量時所獲得的電阻率理論上應相同。這樣測量次數減半，則N＝n（n－1）／2。所以實際工作中只需測量高號的電極即可。例如對于5×5的電極網格，需測量300個數據點；對于11×11的電極網格，需測量7260個數據點。顯然使用單道二維電阻率測量儀測量三維電阻率很費時間。例如，若野外工作中布置一個16×16的中等網格，有256根電極，需要進行 （256×255）／2＝32640次測量。若每次測量共費時6s（包括電位補償、測讀與存儲時間），需連續(xù)測量2天多。為了提高測量效率，同時又不降低數據質量，有人提出了 “十字－對角線測量”（cross－diagonal survey）技術[2－3]。只測量與源電極水平、垂直或成45°方向 （對角線）排列的電位電極，這樣數據量將大大減少。例如，對16×16的電極網格，使用 “十字－對角線測量”技術，數據量將減少至4358個。在同樣工作條件下，測量時間約7時30分左右，這樣就大大節(jié)約了野外數據采集時間。

視電阻率用公式ρs＝2πa△u／I計算，式中：a為供電電極與測量電極之間的距離；△u為觀測電位差；I為供電電流。記錄點在供電電極與測量電極的中點。

2 LQC－Ⅱ型三維電阻率采集系統(tǒng)

由前述可知，三維電阻率測量相比一維、二維采集數據量是按幾何級數增長的，以往單道或少量多道電測儀難當此任，要實現三維電阻率海量數據的采集必須有快速的數據收錄（采集）系統(tǒng)。LQC－Ⅱ型三維電阻率測量系統(tǒng)最多一次性可布設16×16電極網格，共256根電極。LQC－Ⅱ型三維電阻率測量系統(tǒng)的最大特點是采用全通道同時測量方式。如1號電極供電，則2～256號電極同時測量數據；2號電極供電，則除2號電極外所有電極同時測量；3號電極供電，則除3號電極外所有電極同時測量，以此類推，直到256號供電為止。

LQC－Ⅱ型三維電阻率測量系統(tǒng)采用分布式設計，主控機通過CAN總線控制16臺子站，每個子站連接16個電極，電極狀態(tài) （供電電極或測量電極）由智能電極轉換器控制。LQC－Ⅱ型三維電阻率測量系統(tǒng)結構示意圖見圖1。

考慮到儀器的輕便、實用，配置16串電極是合適的。在每一串電極中，相鄰電極間距最大為10m，這樣，每次可一次性布置16×16電極網格。若布置一個規(guī)則的正方形網格，一次最大可覆蓋150m×150m的面積。

圖1 LQC－Ⅱ型三維電阻率測量系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Structure diagram of LQC－Ⅱ3Dresistivity survey system

3 LQC－Ⅱ型三維電阻率采集系統(tǒng)電極網格布置

LQC－Ⅱ型鈾礦資源勘查三維電阻率采集系統(tǒng)最大只能布置16×16電極網格，覆蓋面積150m×150m，探測深度在100m左右。因此，常規(guī)的電極布置難以滿足勘探要求。在實際野外工作中，合理的電極布置既可減少使用電極數量，同時也可以減少野外工作時間。三維電法不同于一維和二維電法，由于高密度采樣使得野外工作量成倍增加。對于大的勘探區(qū)域或較大的勘探深度，現實的問題是不能無限地增設電極，供電電流也不能任意加大。同時，還要考慮工作效率，在合理的時間范圍內完成工作任務。

有時探測目標為非等軸狀，在某一方向上有一定的延伸，為節(jié)省電極布置，提高工作效率，可布置矩形電極網格。對于延伸更長、埋藏更深的目標體，可以使用雙拼式電極布置方式。

當勘查范圍較大，需要進行大面積的三維電法工作時，可以通過網格移動 （roll along）來實現面掃描，一般相鄰兩個網格之間至少重疊3～4排電極。

LQC－Ⅱ型三維電阻率采集系統(tǒng)只配置了16個子站，為了加大探測深度，可采用圖2所示的非常規(guī)電極網格布置。這種電極布置將測量電極與供電電極分開或部分分開，大大增加了探測深度，又便于移動。

4 應用實例

圖2 能增加探測深度的非常規(guī)電極網格布置圖Fig.2 Two types of unconventional arrangements that can increase detecting depth

試驗地點選在江西省上饒市圭峰鎮(zhèn)曙光農場內，場地地形平坦，測區(qū)內地表大部分為農田和菜地，部分有巖石出露。測區(qū)有一個鉆孔資料，根據鉆孔資料，層序分為3層，從上到下分別為雜填土、粉砂質黏土和砂巖。層底深度分別為3.2m、12.3m和100.2m；分層厚度分別為3.2m、9.1m和87.9m。電性參數：雜填土電阻率為55～300Ω·m；粉砂質黏土電阻率為30～90Ω·m；砂巖電阻率為40～120Ω·m。根據測區(qū)外圍鉆孔資料，100m以下巖性以侏羅系砂巖、頁巖為主，電阻率平均值為70Ω·m。以鉆孔為中心布置16×16電極網格，相鄰電極間距及子站間距均為10.0m。x方向NE60°。采用三維電阻率測量二極 “E－SCAN”電掃描測量方法，共取得三維電阻率數據32640個。三維電法反演采用ECIT＿RES3DINV三維電阻率正反演及可視化軟件。

（1）z方向水平電阻率切片

圖3顯示了由淺到深12個垂直z方向 （xy截面）的電阻率水平切片。表層電阻率切片反映了地表電性的不均勻性，當深度增加時，巖層電阻率增大，巖層電性均勻。

（2）x方向電阻率縱切片

圖3 z方向水平電阻率 （Ω·m）切片Fig.3 Horizontal resistivity slice in z direction

圖4顯示了垂直x方向 （y－z截面）的15個電阻率縱切片。從圖4可以看出，探測區(qū)內，地表覆蓋層厚度、電性不均勻，與現場情況一致。

（3）y方向電阻率縱切片

圖5顯示了垂直y方向 （x－z截面）的15個電阻率縱切片。由于場地內電性層單一，只有地表一定深度范圍內電性有所變化。y方向15個電阻率縱切片所反映出的地下電阻率與實際鉆孔資料吻合。

從垂直z方向以及垂直x、y方向的電阻率縱切片可看到，異常反映與鉆孔地質剖面和現場情況基本一致。

5 結語

電法是尋找鈾礦重要且有效的方法手段之一。但基于一維或二維的數據采集與解釋方法難以滿足需要，這是由于：實際工作中的地質目標多表現為三維電性結構，若僅進行一維或二維數據采集與反演解釋，不可避免地將會受到三維不均勻體的影響；其次，在尋找埋藏深度和復雜程度更大的鈾礦床時，要求重構地下介質詳細構造特征，但由于目標體與圍巖電性差異小以及地表干擾等因素，使得異常弱，信噪比低，一維或二維方法難以識別。要解決上述兩個問題，就需要解決如何采集高分辨率的三維電阻率觀測數據以及相應采集效率和探測深度等問題。LQC－Ⅱ三維電阻率采集系統(tǒng)采用多子站、分布式智能電極設計思路，實現了多通道同時快速并行采集，通過16個子站排列組合實現了大深度的勘查要求，推進了三維電阻率測量的實用化進程，為我國鈾礦資源勘查提供了新的方法技術。

圖4 x方向電阻率 （Ω·m）縱切片Fig.4 Vertical resistivity slice in xdirection

圖5 y方向電阻率 （Ω·m）縱切片Fig.5 Vertical resistivity slice in ydirection

[1]湯洪志，劉慶成，尹志勇，等.LQC－I型三維電阻率測量系統(tǒng)實驗研究 [J].儀器儀表學報，2011，32 （5）：1057－1062.

[2]張金帶，徐高中，陳安平，等 .我國可地浸砂巖型鈾礦成礦模式初步探討 [J].鈾礦地質，2005，21 （3）：139－145.

[3]湯洪志，劉慶成，龔育齡，等 .三維電阻率測量方法試驗研究 [J].地質與勘探，2003，39（z1）：126－129.

[4]Shore G.E－SCAN Resource Mapping：Multidirectional Electrical Surveys [M].Premier Geophysics Inc.，Richmond，B.C.，Canada.1992.

[5]Loke M.H.，Barker R.D.Practical techniques for 3D resistivity surveys and data inversion [J].Geophysical Prospecting，1996，44 （3）：499－523.