时域激电单极～偶极测深数据转换为偶极～偶极测深数据及其二维反演对比

2010-10-17徐锦山雒志锋

物探化探计算技术 2010年6期

关键词：单极测线极化

徐锦山,雒志锋

(1.华北地质勘查局五一九大队,保定 071051;2.中冶地勘总局地球物理勘查院,保定 071051)

时域激电单极～偶极测深数据转换为偶极～偶极测深数据及其二维反演对比

徐锦山1,雒志锋2

(1.华北地质勘查局五一九大队,保定 071051;2.中冶地勘总局地球物理勘查院,保定 071051)

这里简述和图示了单极～偶极、偶极～偶极装置测深原理及野外布极方式。根据单极～偶极装置视电阻率与偶极～偶极装置视电阻率存在的内在关系以及“等效电阻率法”,推导出了偶极～偶极装置视极化率与单极～偶极装置视极化率的数学表达式。将时域激电单极～偶极装置测得电参数的数据,转换为偶极～偶极装置的数据,并对二种测深装置视电阻率、视充电率分别进行二维反演、成图及对比,结合测区简要地质特征,显示二种装置测深取得了较好的地质勘探效果。最后,分析了这二种装置测深反演结果相异的原因。

测深;等效电阻率法;单极～偶极装置;偶极～偶极装置;转换;视电阻率;视充电率;二维反演;地质效果

0 前言

在基岩被新生代沉积物覆盖的地区,地质观测难以进行,地球化学信息被屏蔽,给矿产勘查带来巨大难题。由于发现大型地表露头矿的机会越来越少,地球物理方法是寻找盲矿体、埋深矿体的有效方法。

激发极化法的激电异常是对金属硫化物最好的直接指示,且同时还可进行电阻率法测量,能够进行岩性/构造地划分,因此它是固体金属矿勘查的常用方法之一。随着革新野外数据采集技术和数据处理技术的发展,激电测深的二维地电断面成像技术逐步成熟,激电测深法已逐渐成为地球物理探测体系中,勘查金属矿的常规主打技术。几何排列测深,装置中的单极～偶极测深,即三极测深,具有勘探深度大,异常幅值大,工作效率高等诸多优点[1、2];偶极～偶极装置测深供电电极与测量电极是分开的,具有受电磁感应耦合干扰小,异常的分辨能力强等优点[3、4]。

通过三极和四极之间视电阻率存在的内在联系,根据单极～偶极排列测得的视电阻率,可以转换为偶极～偶极装置的视电阻率。依据“等效电阻率法”,偶极装置的视极化率与三极装置的视极化率也存在着数学式。

作者在本文中,通过2009年上半年应用时域激电单极～偶极装置测深在吉林某地勘查铜、金等多金属矿的实例,简述了测区地质概况及应用的地质效果,并将单极～偶极装置测深测得的以及视充电率数据,通过计算、转换为偶极～偶极排列的视电阻率和视充电率数据,并对这二种装置测深法分别进行了二维反演、成图及对比。

作者使用美国Zonge公司产GGT-30发射机和GDP-32ц地球物理数字式处理机进行野外数据采集,反演软件使用瑞典GEOTOMO公司的RES2D INV。

1 测深装置简介

单极～偶极和偶极～偶极测深装置[1,5]见图1。

图1 单极～偶极和偶极～偶极排列示意图Fig.1 The sketchm ap of po le-dipo le and dipo ledipo le array

(1)当一个供电电极位于“无穷远”时,测线上C1、C2(或A、A′)及′、′(或B、B′)分别供电,测量电极对P1P2(或MN)接收,可分别测得视电阻率(或和视极化率(或,如图2所示。

图2 单极～偶极测深原理示意图Fig.2 The sketchm ap w ith pole-dipo le array sounding p rincip le

依据供电电极C1、C2距测量电极P1、P2距离的不同,勘探的拟深度(h1、h2)也不同,从而达到测深目的。这也是单极～偶极装置测深的原理,勘探深度和电极距系数[1](n)有关,且

或

装置系数K的计算公式为:

其中 a为测量接收电极的极距,即图2中P1P2的距离。

(2)当供电电极C1、C2组成一对供电电极对(或AB),P1P2为接收偶极对(或MN)时,可组合为偶极～偶极装置。同理,C′1、C′2也可组成一对供电电极(B′A′),P1P2为接收偶极对(或M′N′),也可进行电参数ρs、ηs的测量,见图3。

依据供电偶极对C1C2(或′)与测量接收偶极对P1P2(或MN)距离的不同,勘探拟深度(h1、h2)也不同,从而达到偶极～偶极装置测深的目的。勘探深度与间隔系数(n)有关,n不同,勘探深度(h1、h2)也不同。偶极～偶极装置的间隔系数n为:

图3 偶极～偶极测深原理示意图Fig.3 The sketchm ap w ith dipo le-dipo le array sounding p rincip le

或

通常间隔系数n为整数(即n=1,2,3,4,5,6),且nMax最大不超过8,以抑制电磁噪声对数据的影响。

在金属矿勘探中,偶极～偶极测深装置在低阻覆盖区探测深度(h)的经验公式[6]为:

其中 a为测量接收电极的极距,即图3中P1P2的距离。

2 转换原理

偶极～偶极装置的MN极,在供电电极AB的外面,且B极与MN的距离比A极更近些,分别为三极装置A、B供电电极时测得的视电阻率,可得[3]

根据“等效电阻率法”[3、4],三极排列视极化率与视电阻率、偶极装置的视极化率为与视电阻率之间有

由式(1)有:

3 方法及技术简介

3.1 激电参数

(1)直流激发极化法,用当代先进的地球物理数字式接收仪,测量参数是视充电率[3](Ms):

式中 ΔV2(ti)为二次场在衰减窗口中某时刻(ti)电位值,单位毫伏(mV);Δt为二次电位衰减时间窗口长度,单位为毫秒(m s);Vp为测量电极间一次电位差,单位伏特(V)或毫伏(mV)。

Ms测量的是断电以后,在Δti时间段二次电位ΔV2(ti)的积分值,也即Δti时间内ΔV2(t)放电曲线的面积,这样得出的视充电率(Ms),可以消除出现于放电曲线背景之上的外来随机起伏信号的干扰。

在激电法中,供电回路及测量回路,与大地之间电磁互感而引起的电磁噪声(EM)是难免的[3、4]。依据受EM影响的程度,可分为弱耦合、较强耦合、强耦合和严重耦合。二次衰减曲线ΔV2(t)在晚期为“地电噪声”所致。

(2)法国IR IS公司ELREC-Pro接收机表示Ms的单位为“毫伏/伏(mV/V)”,美国Zonge公司GDP-32ц接收机表示Ms的单位为毫秒(m s)。

在国内,表示时域激电效应的常用参数是视极化率(ηs),无量纲,为断电后延时一定时间(ti)时刻的二次电位ΔV2(ti)与一次电位差(Vp)的比值[3、4]:

对于法国IR IS公司ELREC-Pro接收机,Ms单位为“毫伏/伏(mV/V)”。

1伏特(V)=1 000毫伏(mV),Ms与ηs的换算式为:

美国Zonge公司GDP-32ц接收机,放电曲线ΔV2(t)有13个窗口,取第4个～7个窗口,断电延时约0.45 s～1.1 s的时间段,对二次电位进行ΔV2(t)的积分。在该时间范围段内,能最大限度地减小电磁噪声(EM)和地电噪声对数据的影响[7]。在Ms和ηs之间,存在如下近似关系式[8]:

因此,有了ηs与Ms之间的关系式(7)、关系式(8),当野外使用IR IS公司ELREC-Pro,或美国Zonge公司GDP-32ц的接收机时,很容易进行ηs与Ms的正、反转换,进而也能够方便应用单极～偶极与偶极～偶极装置视电阻率、视极化率之间的互算式(1)、式(6)。

3.2 单极～偶极勘探线布设

单极～偶极排列测深装置供电电极,测量电极布设如下页图4[9]所示。

(1)一条接收极距800m长的勘探线,一次布设17个不极化电极(P1,P2,…,P16,P17)后不再移动,组成16道测量接收电极,接收电极距50m,供电电极极距25m。当供电的电极位在测量电极之间时,分别供电二次,以测得视电阻率(ρs)和视充电率(Ms)。

(2)测线上供电电极共计48个(C1,C2,C3,…,C47,C48):在800m勘探线外侧分别布置8个供电电极,在17个不极化电极之间,布设32个供电电极(C9,C10,…,C39,C40)。

(3)在“测量电极偶极对(P1P2,P2P3,…,P15P16,P16P17)”之间供电时,供电电极(Ci,i=9,10,…,39,40)距离前、后测量电极,分别为12.5m和37.5 m。

图4 单极～偶极测深装置发射电极、接收电极示意图Fig.4 The transm itting electrode and receiving electrode sketchm ap w ith po le-dipole sounding array

以及

以上布设供电电极和测量电极,每条勘探线可分别获得736个物理参数ρs、Ms点。

3.3 数据处理

采用瑞典GEOTOMO公司的RES2D INV反演软件,可对单极～偶极(Po le-D ipole)、偶极～偶极(D ipo le-D ipo le)、对称四极(即施伦贝格尔Schlum berger)、温纳(W enner)和二极(Po le-Po le)等几何排列测深获得的电性参数ρs、Ms进行二维反演并成图。

(1)当ELREC-Pro或GDP-32ц地球物理接收机测得一条勘探线后,均可输出Geosoft格式的数据文件(.dat)。在单极～偶极Geosoft数据文件(.dat)中,除包含一次电位(Vp)、输出电流(I)、电极距系数(n),以及测得的电参数ρs﹑Ms外,还能输出供电电极(C1,C2,C3,…,C47,C48)与测量电极(P1、P2,…,P16、P17)相对位置编号等。

(2)由单极～偶极排列测深获得的电性参数,转换为偶极～偶极装置测深的ρs、Ms时,勘探线上“测量电极偶极对(P1P2,P2P3,…,P16P17)”为50m,单极～偶极装置供电电极距为25 m,即C1C2、C2C3,…,C47C48距离为25 m,选择“供电电极偶极对(C1C3,C2C4,C3C5,…,C45C47,C46C48)”的距离为50m进行“供电偶极对”组合,以进行偶极～偶极装置测深的数据转换。

偶极～偶极装置中“接收测量偶极对(P1P2,P2P3,…,P15P16,P16P17)”仍取50m。

2)课堂教学：翻转课堂将知识的传授过程主要放到课下由学生自主完成，这并不意味着教师在课堂上就“无事可做”，恰恰相反，课堂教学的完成度对翻转课堂的整体实施效果起着非常重要的作用。如何在课堂上有效地组织学生进行深入地讨论和交流；如何将学生学习中的重点、难点问题在课堂上进一步地内化，使学生真正掌握相关知识；如何实现讲台上讲授者到教学活动的引导者的身份转变,这些都是在教学中要考虑的问题，教师必须根据学生自主学习的完成情况精心组织课堂教学活动，以实现课堂教学效果的最优化。

根据不同的“供电点偶极对”(C1C3,C2C4,C3C5,…,C45C47,C46C48)每个供电点的位置,可分别计算它们的装置系数进而可计算出不同“供电偶极对”的φi(φi=KAi/KBi,i=1,2,3,…,24)。

关键是搞清楚“供电偶极对(C1C3,C2C4,C3C5,…,C45C47,C46C48)”排列前后顺序和与“接收测量偶极对”距离的远近,以区分出在“供电偶极对”中,哪个是相对的“A、B”,再确定了和以及K、K后,就可计算出不同φ和AB数值。

在Sufer格式的数据文件(.dat)中,进行φ数值计算,以及应用公式(1)、公式(6)、公式(7)和公式(8)进行和的计算、互算是很容易的。

(3)在使用瑞典GEOTOMO公司的RES2D INV反演软件进行计算时,单极～偶极测深装置反演的数据格式文件中,电极距系数n有正、负小数之分,以示区别正向装置(Po le-D ipo le)和反向装置(D ipo le-Po le)获取的ρs、Ms参数。

该装置测深为不对称测深法,是在同一测量电极的二侧分别供电进行观测。由二个方向供电获得的ρs、Ms参数构制的地电断面进行二维反演,可以消除仅由一个方向供电获取的ρs、Ms在拟断面图中因不对称而造成的异常位置的偏移[1]。

(4)数据转换后,偶极～偶极测深装置的间隔系数n,在二维反演数据格式文件中全部取为正的小数,附加计算的电性参数ρs、Ms和高程形成数据文件后再进行反演。

4 单极～偶极和偶极～偶极装置测深电性参数ρs、Ms二维反演效果

工区内出露地层有早元古界老岭群珍珠门组(Pt1zh)、侏罗系石人组(J3sh)、林子头组(J3l),白垩系榆木桥子组(K1y)。

(1)Pt1zh地层由角砾状大理岩、白云质大理岩和透闪石大理岩组成,是矿区内的容矿围岩。

(2)J3sh岩性主要为凝灰质砂岩、黄褐色砂砾岩。

(3)J3l岩性为灰绿色酸性凝灰岩或凝灰质砾岩。

(4)K1y岩性为砾岩、砂岩夹薄层砾岩及粘土层,不整合盖在珍珠门组。第四系(Q)由现代冲积粘土砂砾岩组成。

区内以金、银、铜、钴等多金属矿产丰富为特征,围岩蚀变以硅化为主,见黄铁矿化、赤铁矿化、斑铜矿化、孔雀石化、绢云母化和碳酸盐化,硅化、赤铁矿化与金矿化关系密切。

4.1 单极～偶极装置测深视电阻率(ρs)和视充电率(Ms)反演结果及地质解释

现以测区8 800测线为例,测线方位为北西～南东,坐标方位角NW 313°～SE133°。电参数 ρs、Ms二维反演见图5和下页图6。

林子头组(J3l)地层位于测区东南,8 800测线还没有穿过该地层。因此,测线地表浅部低阻层、ρs在几个欧姆·米～十几个欧姆·米间为第四系(Q)现代冲积粘土引起。视电阻率为中阻,ρs在几十欧姆·米～2×102Ω·m,为白垩系K1y的砾岩、砂岩,这已被2 162.5#点～2 562.5#点间地表出露K1y地层所验证。

(1)ρs高阻异常位于测线中间2 062.5#～2 362.5#之间、标高600 m以下的位置,ρs在1 000Ω·m以上,推测高阻体为珍珠门组(Pt1zh)大理岩引起。在600m标高以上为低阻～中阻电性覆盖层,ρs在几个欧姆·米～2×102Ω·m间,覆盖层厚度50m～100m,为中新界地层(Q+K1y)的综合反应。

(2)在测线北端(左侧)、1 762.5#点以北ρs在上千欧姆·米,ρsMax为2 500Ω·m,地表出露为Pt1zh大理岩。在1 762.5#点～2 162.5#点范围,视电阻率为中等偏高特征,ρs为80Ω·m～300Ω·m,出露的是侏罗系石人组(J3sh)地层。

图5 吉林某地8 800测线单极～偶极装置测深视电阻率二维反演图Fig.5 The resistivity two-dim ension inversionm ap for po le-dipo le array sounding 8 800 line in som ewhere Jilin p rovince

在1 862.5#点～1 962.5#点之间,高阻异常体位于标高约625m～550m,近似“椭圆”形,左右二侧为中阻、低阻响应,和其二侧ρs分界明显,推测高阻为Pt1zh大理岩引起,其左、右二侧围岩视电阻率呈中等偏高的电性特征为侏罗系石人组地层J3sh。

在1 762.5#点下方,推测存在一个断裂,倾向南东(剖面右侧),倾角(α)较陡,α约70°。

(3)比较有意义的是在2 162.5#点～2 362.5#点下,隐伏着一条倾向南东(剖面右侧),倾角较缓的断裂,α约30°～40°,自标高约600m处开始,高阻中阻电性特征清晰,极值ρsMax约2 500Ω·m,分界面应是Pt1zh大理岩与K1y砂砾岩的断层接触带,即白垩系榆木桥子组不整合盖在珍珠门组之上。

在2 262.5#点下部,标高约600 m～450 m之间,高极化体内存在一个高极化体,10m s的等值线近似“椭圆形状”,视充电率极值MsMax在12.7 m s,背景值Mso在3 m s,异常相对强度 μ=MsMax/Mso≈4.23。

高极化异常位于高阻/低阻接触带,且偏向高阻体的位置,即位于推测的2 162.5#点～2 362.5#点下隐伏的断裂带的下盘。结合区域地质特征推测,该“高阻(ρsMax2 500Ω·m)、高极化(MsMax12.7m s)”异常很可能为含铜、金的多金属硫化物所引起,已建议布置钻探进行验证。

该8 800测线转换后,去除不合理的数据,偶极～偶极装置视电阻率及视充电率,参与反演的数据点总数分别为393个,其′二维反演地电断面图如图7和下页图8所示。

图6 吉林某地8 800测线单极～偶极装置测深视充电率二维反演图Fig.6 The chargeability two-dim ension inversionm ap fo rpo le-dipo le array sounding 8 800 line in som ewhere Jilin p rovince

图7 吉林某地8 800测线偶极～偶极装置测深视电阻率二维反演图Fig.7 The resistivity two-dim ension inversionm ap for dipo le-dipo le array sounding 8 800 line in som ewhere Jilin p rovince

图8 吉林某地8 800测线偶极～偶极装置测深视充电率二维反演图Fig.8 The chargeability two-dim ension inversionm ap for dipo le-dipo le array sounding 8 800 line in som ewhere Jilin p rovince

(1)对比图5和图7可知,单极～偶极测深的视电阻率ρs,与转换后偶极～偶极测深视电阻率,总体特征是相近的:测线上水平横向高阻、中低阻分界明显,如测线左端、1 762.5#点以北有一高阻异常,值在近900Ω·m,和地表出露的大理岩对应。1 762.5#下部也推测一断层,只是向下延伸不大′中阻为侏罗系石人组J凝灰质砂岩、砂砾岩。

在2 162.5#点～2 362.5#点标高约600 m以下,高阻中阻电性特征很清晰,极值在,也可推断为中阻的白垩系榆木桥子组K1y不整合盖在视电阻率为高阻的珍珠门组Pt1zh大理岩之上。

(3)二种测深装置反演的视电阻率,为同一数量级,偶极～偶极测深极值与单极～偶极ρsMax相差约200Ω·m;偶极～偶极测深视充电率反演的数值是单极～偶极测深反演Ms的约二倍。如极值相比为:,背景值相比也为,二种装置测深方法、二种物理参数ρs与和反演的数值结果位于同一数量级,应该认为是较好的换算效果。视电阻率、视充电率数值反演,除和RES2D INV反演软件在正演计算时迭代次数(Iteration)、均方相对误差(RM Serror)等有关外,关键是技术人员对数据的编辑,能够从野外测得的ρs、Ms中识别原始数据优劣。在预处理时,剔除受噪声影响严重的数据点,后再形成数据文件进行反演。

(1)单极～偶极装置电性参数原始数据转换为偶极～偶极装置的数据时,删除了一些不能够组合成“偶极对”的数据点。

(2)根据前述数学关系式转换后,去除了参与反演数据文件中和等一些不合理数据点。致使小于零的原因,和测量时的“电磁噪声”有关,应用前述数学式(1)、数学式(6)后,因“噪声”加入到原始数据中,使有的数据应用公式时小于零。

(3)在使用RES2D INV软件反演前,对转换的偶极～偶极数据进行编辑时,根据剖面上数值的“误差显示曲线”,再次去掉了“噪声大”的数据,使得参与反演的数据量,比单极～偶极装置电性参数的数据量要少。

(4)根据金属矿区偶极～偶极测深装置在低阻覆盖区探测深度(h)的经验公式[5],当间隔系数nMax=18.75、a=50m时,h应在246.875m～493.75m,转换后偶极～偶极装置最大勘探深度在250m左右,这与前述探测深度经验公式所确定勘探深度的范围是相符的。

即使如此,对于一条800m长的勘探线,与常规偶极～偶极测深装置的间隔系数n采用整数相比:nMax=6或nMax=8,当“测量偶极对”为6道或8道时,“供电偶极对、测量偶极对”均采用50 m。一般需要800/50=16个“供电偶极对”,采集的数据点为6＊16～8＊16=96～128个,拟断面图物理点分布为“平行四边形”的方式。

当转换以后,偶极～偶极的间隔系数n采用小数,在地电断面内ρs、Ms数据点总量(393个)是前者(间隔系数n采用整数的情况)的3倍～4倍,反应地电信息的数据量较多。

5 结束语

(1)单极～偶极装置测深ρs、Ms二维反演结果提供的地电断面图,能够进行岩性/构造的划分和定量、半定量推断解释,起到了地质填图的作用。该测深装置具有采集的数据(ρs、Ms)量大、工作效率高、勘探深度大、定位精度准和地质效果好等诸多优点,适合法国IR IS公司ELREC-Pro,加拿大V-8,或美国Zonge公司GDP-32ц等多道地球物理接收机的数据采集。

(4)致使偶极～偶极装置测深二维反演结果在垂直、纵向变浅的原因,主要与单极～偶极装置采集的ρs、Ms原始数据中存在着“电磁噪声”因素有关,为使前种装置测深数据反演结果不致于发生“失真”,在反演前删除了转换后电参数中不合理的数据点。

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