大功率激电拟地震观测系统测深技术的应用与讨论

2012-02-02唐世庚

地质与勘探 2012年3期

唐世庚

(中国冶金地质总局第三地质勘查院，山西太原 030002)

随着地质数据采集技术和处理技术的迅速发展，成矿预测理论日趋完善，在未来一定时期内，今后的地质找矿重点将侧重于中深部的成矿预测及隐伏矿体勘查。物探作为地质找矿的一种重要的手段越来越显示其优越性和作用，但同时由于探测深度的增加也给物探工作带来了考验，对于地球物理工作者来说，选用合适有效的地球物理方法来完成更大深度的地质找矿工作任务便是一项重要的研究课题。

1 概述

时域激电法是采用不同的数学方法研究地下介质在外电场激励条件下所发生的电化学现象，在理论方面，美国地球物理学家Holcombe及Oppliger分别用有限元法和边界积分法在二维基础上研究三维电阻率法的数值模拟问题(Holcombe，1984;Oppliger，1984)，国内以往文献也有研究三维或复杂地形条件下电源场分布特征问题(徐世浙，1985;熊彬等，2003;阮百尧等，2002)。很长时间以来，该方法在找矿方面发挥了重要作用。如柳建新等在甘肃肃南石居里铜矿区选定20km2双频激电示范区进行方法试验取得了较好的地质效果;李家盛在缅甸金厂铅锌矿应用激电法寻找隐伏矿体也取得了理想找矿效果(柳建新，2001;李家盛，2002);还有很多地球物理工作者利用激电测深、激电中梯方法在对多金属的勘查中均获得了良好的找矿效果(陈绍裘，2003;舒明，2004;刘宏信等，2005;李春成等，2006)。但由于受设备(接收和发射系统)等因素的限制，工作效率、勘探深度等方面受到很大的制约，已很难满足如今的勘探要求。

单极－偶极装置测深是21世纪以来逐渐的应用于对多金属尤其是与硫化物相关金属矿产方面的勘查，取得了较好的地质效果(贺容华等，2008;雒志峰等，2009;唐荣富等，2009;)，但探测深度亦仅限于700～800m以内。本文所述大功率激电单极－偶极－拟地震观测系统测深技术，目前还很少有资料对其论述和介绍，与之相关的文献有《拟地震大功率激电测深技术开发与应用》(朱向泰等，2006)。该文提出了将电法勘探与地震技术相结合以提高效率的观点。本文所讨论的大功率激电拟地震观测系统测深技术，是根据电法勘探设备的特点将地震观测系统运用于电法勘探野外施工方法上形成的一种测深装置，它具有和地震观测相似的一点激发(供电)多道接收的野外技术，而且记录点也为发射与接收的中点，与地震的反射点相似。该技术的应用目前还处于初级阶段，从实际的效果来看，能比较完整的反映出极化体的空间分布特征，应用效果较为理想。

2 应用原理

大功率激电单极－偶极－拟地震观测系统测深技术表征激电强度的参数是视充电率Ms而不是视极化率ηa。视充电率是当代时间域激发极化法先进仪器用以表示一级激电强度的参数(中南矿冶学院物探教研室，1980)，它是测量断电后二次电位对时间的积分，它的单位是毫伏·秒/伏(mv·s/v)或毫秒ms。

实际应用中，先布置好发射接收装置，其中A为供电电极，M、N分别为测量电极，O为MN的中点，B为无穷远极。如图1所示，在A点供电，利用按线性等距排列的多个不极化电极(或称为排列)以相邻两个(M、N)为接收单位，分别测量供电时电位差和断电后各自的二次电位差，然后接收机根据内置程序进行计算获得Ms。每次观测结果记录于D点，D点的空间位置是AO的中点铅垂方向AO/2处。

图1 工作原理示意图Fig.1 Sketch showing work principle

3 野外技术方法

实例中所用仪器为美国 Zonge公司生产的GDP32电法工作站，接收机型号GDP32(8通道)，GGT－30发射机。所采用工作参数为:间隔系数n=0.25，1.25，2.25，3.25，……，21.25;测深点距，即各相邻供电点A极的距离A0→A1=50m，测量电极M→N=100m，无穷远极垂直于测线布设距最近测线大于5.0km;接收机采取8通道测量，供电周期8s，2次叠加;平均供电电流7A，最大达到11A;观测参数为视充电率Ms(ms)和视电阻率ρs(Ω·m)，采用单侧供电观测方式。

如图2所示，野外施工中一次布设好22道接收电极，当在A0供电时，接收机连接1－8个接收电极，测得如图所示的1－7个点的激电数据;保持A0不动，接通8－15道接收电极，测得8－14点数据，接通15－22道电极，测得15－21点数据。这样一来便完成了一个排列的测深工作，同时获得由浅至深的激电数据，这时统一将22道接收电极排列向前移动一个A0→A1，并将供电电极 A0移至A1，重复上述步骤，又可获得一列平行于前列的21个激电数据，以此类推便可完成整条测线上的激电测深工作。

从图2中可以看出，该观测系统测得的最大深度点处于AOmax/2的垂线位置上，其左侧测深点深度均小于该位置的测深点深度。表明在实际工作中应将测线的端点放在上述位置，以免缺少深部数据;同样道理，在测线右侧应将测线端点放在测点深度最小位置，以免缺少浅部数据。按前述，由该观测系统获得每个排列由浅到深的数据连线与测线呈45°交角，理论上其最大探测深度为AOmax/2，实际生产中可以此来衡量工作深度要求。

不难看出，拟地震观测系统有勘探深度不受接收系统的通道数限制的特点，理论上只要发射功率足够大，就能通过加大供电极距来增加对更大深度的探测能力，而且是对整条测线进行连续同向等深测量，资料完整性好。

4 拟地震观测系统测深技术的特点

通过多年来对大功率激电拟地震观测系统测深技术的应用与研究，总结出该测深技术以下特点，和地球物理工作者讨论。

(1)装置便于提升测深能力

图2 单极－偶极拟地震观测系统示意图Fig.2 Sketch showing single pole－dipole quasi－seismic observation system

常用单极－偶极装置(也可称为单侧三极测深)，特点是保持测量电极MN的位置固定，在不断变换供电电极距的同时逐次进行观测，而拟地震观测系统却是保持供电电极A位置不变，以按一定规律移动M、N来增加探测深度的。由于接收设备的多测道功能，在保证接收信号精度的情况下，便可根据探测深度要求和目标物体形态合理加大测道间距(M→N偶极距)或增加排列长度来获取更大深度的信息。

(2)对中深部的分辨能力强

对于拟地震观测系统，由于其偶极距(M→N)是固定的，当间隔系数 nmin=0.25，测深点距为50m，偶极距M→N为100m，则A0距排列为:75m、175m、275m、375m……。这种现象从测深理论上可以近似的理解为“等体积效应”，其所反映的是等深度间距变化的激电信息，从点密度的意义上说表明深部和浅部具相同的分辨能力。

(3)野外作业方便效率高

该技术外业工作时在一个排列观测过程中保持供电电极A不动(无穷远极B已固定)，通过移动M、N来实现极距变化完成对一个测点的观测，而M、N可以根据测线长度一次性布设完毕，需要时按排列顺序连接观测即可，这样不但提高了效率，同时也减少了因重新设置不极化电极而带来的人为误差。

(4)成果直观解释方便

经过TS2DIP专业软件处理后得到的成果图件常用的有视充电率和视电阻率等值线断面图具有较高的可信度，断面所反映的异常直观、明显，能较好的反映地电断面的情况(唐世庚等，2009)而且异常形态、强度、产状等特征要素很容易判断和确定，同时还可以进行半定量解释，结合地质认识进行推断，一般均能获得良好的效果。

5 应用实例分析

下面以在内蒙古新巴尔虎右旗某Pb、Zn、Ag多金属矿区的实际应用来对该观测系统技术方法进行系统阐述。

5.1 矿区概述

(1)地形条件

工作区地处内蒙古东北部呼伦贝尔草原西部的山丘草原地带，地形切割程度较低，相对高差一般小于200m，海拔标高一般在600～900m之间;植被覆盖广泛，为大面积天然草原牧场;区内水系不甚发育。总体来看工作条件较好。

(2)地层特征

工作区内出露地层比较简单，除大部分被第四系覆盖外，主要为侏罗系中统塔木兰沟组的火山岩，上统上库力组下段火山岩。

第四系(Q):表层主要为腐植层，厚一般0.5m以内，其下为粉土，厚约0.5～2.0m，在区内广泛分布。

塔木兰沟组(J2t):主要由安山岩、玄武岩、安山玄武岩、玄武安山岩等组成。主要分布于普查区的西南一带。

上库力组下段(J3s1):主要由酸性凝灰熔岩、流纹岩及凝灰岩等组成。分布于普查区的大部地区，但因第四系残坡积物、风成沙覆盖，为小面积的断续出露。

(3)构造

工作区位于区域主构造带南翼，区内构造主要为次生断裂构造。由于覆盖严重，地表构造形迹不明显，根据以前地质和物探测量成果推测区内断裂构造主要有NNE向的F1、F2、F3、和F4等四条，是本区的主要控岩、控矿构造。它们控制了区内主要化探异常和矿(化)体的展布规律。

5.2 岩石电性特征

工作区地表普遍被约第四系0.5m腐植层覆盖，下部为约1.5m厚粉土，接地条件良好。通过现场采集标本测试，工作区内岩石电性参数如表1。从表1中可以看出，岩石极化率均小于3.0%，电阻率为1000Ω·m以上，而矿体极化率基本都3%以上，并且呈低电阻率特征，电阻率值为600Ω·m左右。总体来看，矿体表现为低阻、中等强度激电异常特征。显示出极化率、电阻率与围岩有着明显的差异，这是利用激电方法的地球物理前提。

表1 标本电性参数测定统计表Table 1 Electrical parameters for the measured specimens

5.3 方法技术及外业施工

野外作业方法已在第3章中说明，这里不在螯述。

测量过程中最主要的是要确保足够的发射功率和稳定良好的接收系统。野外作业过程中为保证电流要求，采用了自制的规格为0.7m×0.7m×0.02m的铜板作为无穷远电极B，并在浇够盐水后深坑压紧埋设派专人看守;为施工方便，供电电极A采用3组18根不锈钢电极组合供电，圆形布置，根据AO距大小调整使用电极数量，规格为直径0.05m，长0.75m;供电线全采用 49芯铜线。接收系统由GDP32接收机、8芯铜线和不极化电极组成，为作业方便自制了接收机与电缆的多线插头，埋设电极时确保稳定、接地电阻符合要求。

采用上述措施，基本能将AB接地电阻控制在100Ω·m以内，供电电流在7A以上;稳定良好的接收系统是确保高质量数据的前提。

本区接地条件较好，外业中便将AO加大到2175m，通过采集的数据分析，反映最大深度点(约 1050m)的激电数据ΔU1一般能保持在20～30mV左右，数据信噪比较高;衡量数据质量的标准离差SEM一般也在1以内，变化不大，说明数据是质量可靠的，能达到使用要求。后经分析反演激电断面，其深部信号仍然较强，分辨率亦较高，反映的地电信息明显。

5.4 应用效果分析

(1)资料处理

资料处理是地球物理勘探工作中一个重要的环节。处理方法得当、参数选择合理便能获得客观、良好的成果。

数据采用美国ZONGE公司的TS2DIP反演软件系统处理，基本原理是采用有限元方法，根据最小二乘原理进行多次迭代计算。通过对原始数据进行噪音剔除、平均，转换成本软件处理格式，采用以下处理流程:数据重排(地形数据编辑)→剔除异变点→设置反演参数→二维反演(多次反复模拟)→视电阻率、充电率断面→结合地质资料进行地质解释。

反演过程中应反复进行参数变换模拟试验，以求获得良好的效果。并将反演得到的成果与地质认识进行比对，利用地质推断完善反演成果。

(2)效果分析

本次工作共完成大功率激电测深剖面7条，剖面方向90°，均由西向东测量。由前述可知，本区与成矿作用相关的激电异常特征主要表现为中低视电阻率和中等强度视充电率反映，下面就以其中的2线、10线成果分析讨论如下:

图3为2线视电阻率/视充电率等值线断面图，在桩号400～1000m，中心标高200m部位存在一个明显的激电异常，视充电率MS=16～25ms，其间又有两个以22ms自行封闭的异常。从全区的情况来看，该异常强度中等，但具备相当的规模，其异常形态上部呈条带状，向下逐渐变宽;产状明显，总体西倾，由浅至深产状变缓。该线异常(按实际工作时异常编号分别为3号)部位ρS=100～1000Ω·m，总体表现为低－中等电阻、中等极化特征。根据异常形态、产状、强度，结合异常部位地质及构造分布情况，推测该异常为燕山期花岗岩γ52－3与上库力组J3s1接触带(或是F3断裂)中矿(化)体引起，其产状反映出构造的形态(图中虚线所示)。后经ZK201、ZK202揭露证明异常形态总体反映了断裂带的空间形态，激电异常为断裂带中Pb、Zn矿体引起，局部伴有黄铁矿化。

图4所示为10线视电阻率/视充电率等值线断面图，在桩号450～750m、中心标高300m，以及桩号1000～1200m、中心标高600m部位，视充电率等值线断面图上显示出两个明显的激电异常，视充电率分别为MS=16～32ms、16～37ms，而且两异常有相连的趋势，两个封闭异常反映出构造中矿体的富集特征。从与2线对比来看，异常形态、规模、强度均非常相似。该线激电异常(按实际工作时异常编号分别为4号、5号)部位ρS=40～800Ω·m，总体表现为低－中等电阻、中等极化特征。根据异常形态、产状、强度，结合异常部位地质及构造分布情况，推测该异常所反映的地质内容与2线相同。

通过本次工作，认为大功率激电拟地震观测系统测深技术在本区的应用取得了理想的工作效果: (1)激电异常在断面图上反映明显，特征清楚，易于识别;(2)尤其对有一定规模具激电特征的构造反映明显，激电异常的形态反映了构造的空间展布情况，说明对构造控矿型矿床的敏感性强;(3)钻探验证激电异常位置及形态与高极化体对应关系良好; (4)该技术在本区的应用中获得了1000m以上的可靠数据，工作成果不仅丰富了本区深部的地质信息，提高了对该区成矿地质条件的认识，也为该区深部找矿提供了新的方向。

6 结论

多年来，作者将拟地震观测系统测深技术应用于对多种金属矿产的勘查中，如内蒙古额济纳旗红梁子铜钼矿区、内蒙古新巴尔虎右旗达斯呼都格铅锌银矿区、山西繁峙后峪铜钼多金属矿区以及山西垣曲落家河铜矿区等，通过研究归纳，总结了一些认识与地球物理工作者讨论:

(1)大功率激电拟地震观测系统测深技术野外工作方便、效率高，所采集数据稳定，探测深度较大，对深部异常反映明显，总体效果较为理想。

(2)该技术对构造控矿型多金属矿和中深部中等极化体(如与黄铁矿相关的低品位铜钼矿)具较高的敏感性，能直观的反映出极化体的空间分布特征。

(3)通过在山区、丘陵、平原等不同地形条件下的工作效果对比，地形平坦地区效果要优于地形变大的地区。起伏的地形可能会改变异常的强度、形态和位置，导致对异常的判断错误。经过对多个矿区成果的分析总结，认为在MN间高差不超过四分之一偶极距、测线整体坡度变化不大的情况下，基本可以不用考虑其影响;反之，就得根据每个测点的具体情况做相应校正处理，一般也能获得良好的地质效果。

(4)当接地条件不良时，会直接影响到探测的效果，主要是限制了探测的深度，因为深部微弱的激电响应无法产生足够分辨率的信号，所以应尽量改善测区的激发接收条件;若在地电条件良好、干扰小的矿区，该测深技术有望获得更大深度的地质效果。

(5)该测深技术在应用过程中往往会因为供电的不对称性造成异常移位，其位移的幅值与地形、地电结构等有关，一般不超过MN/2，但目前尚未从理论上获得推导，实际应用中应注意。

(6)该测深技术所获得的单点测深曲线并不是严格意义上的垂向激电测深曲线，是否适用于垂向测深理论作者并未对其做相关的分析研究，本文实例也仅从断面的角度对激电特征进行了阐述，对其单点曲线的形态、特征和解释等方面，尚需做进一步的研究工作。

总体来讲，大功率激电拟地震观测系统测深技术不仅勘探深度大、施工方便工效高，而且适用性较强、探测效果良好，不失为一种多金属勘探中实用的地球物理勘探方法。

致谢在文章的撰写过程中，得到了中国冶金地质总局第三地质勘查院朱洪潇硕士、贾世俊学士在图件制作方面的大力帮助，在这里对他们所付出的辛勤劳动表示诚挚的感谢。

Chen Shao－qiu.2003.Induced polarization method for detection fracture altered with type gold deposit［J］.Journal of Central South University of Technology(Natural Science)，24(6):674－677(in Chinese with English abstract)

Holcombe GL.1984.Jiracek GR three－dimensional terrain correction in resistivity surveys［J］.Geophysics，49(4):436－452

Li Chun－cheng，Zhu Chun－sheng，Zheng Xiao－hui，Sun Zhaoxiang，Lu Tai－ming.2006.The application of induced polarization methed in Dajia deposit［J］.Gold Geology，27(1):10－12(in Chinese with English abstract)

Li Jia－sheng.2002.Application of the electrical method in Burma gold deposits concealed orebodies［J］.Yunnan Geology，21(4):428－436(in Chinese)

Liu Hong－xin，Liu Ri－yang.2005.Such as variable frequency induced polarization method in Gaoji mining application effect of Quito［J］.West－China Exploration Engineering，11:126－127(in Chinese)

Liu Jian－xin，He Ji－shan，Zhang zhong－ling，，Huang Jian－he，Jia Pei－qian，Li Yan－guo.2001.Ctro－prospecting method and its application in the demonstration［J］.Chinese Geology，28(3):32－39(in Chinese)

Luo Zhi－feng，Li Zheng－fu，Xu Li－yun.2009.Time domain shock electricity axial unipolar－dipole sounding exploration meta－clastics－hosted effective［J］.Computing Techniques for Geophysical and Geochemical Exploration，31(3):202－209(in Chinese with English abstract)

Luo Zhi－feng，Peng Xing－gang.2009.The application of the bilateral axial pole－dipole ip sounding to the exploration of lead－zinc polymetall ic deposits［J］.Geophyical and Geochemical Exploration，33 (5):501－505(in Chinese with English abstract)

Luo Zhi－feng，He Rong－hua.2008.Effects of three pole sonding and three－dmensdn inversion of induced polarizationmethod in aworking area of zhongtiao shan copper deposit［J］.Geology and Exploration，44(3):70－74(in Chinese with English abstract)

Oppliger GL.1984.Three－dimensional terrain corrections formise－aiamasse and magnetometric resistivity surveys［J］.Geophysics，49: 1718－1729

Ruan Bai－yao，Xiong bin.2002.Continuous variation of the 3 D content of the finite element numerical simulation［J］.Chinese Journal of Geophysics，45(1):131－138(in Chinese with English abstract)

Shu－ming.2004.Induced polarization method in Yanshan Akong manganese area and its application［J］.Yunnan Geology，23(3):385－389(in Chinese)

Tang Rong－fu，Li Ji－xian，Qin Rong－e，Luo Zhi－feng.2009.Application of the advanced three－pole array to microscopic disseminated type gold deposit［J］.Chinese Journal of Engineering Geophysics，6(3):305－310(in Chinese with English abstract)

Tang Shi－geng，Xue－ying.2009.High power electric shock(IP) three very sounding in copper exploration［J］.Huabei Land Resources，4:55－57(in Chinese)

Teaching geophysical exploration of Journal of Central South University，1980.Metallic Ore Electrical Prospecting［M］，Beijing:Metallurgicl Industry Press:325－327(in Chinese)

Xiong bin，Ruan Bai－yao，LuoYan－zhong.2003.3－D numerical simulation study of DC resistivity anomaly under complicated terrain［J］.Geology and Exploration，39(4):60－64(in Chinese with English abstract)

Xu Shi－zhe.1985.The boundary element method solving point source electric field under the circumstances of three－dimensional topography and homo－anisotropic rock［J］.Journal of Shandong Ocean U-niversity，15(2):53－56(in Chinese with English abstract)

Zhu Xiang－tai，Mu Jian－qiang，Gao Ming－cheng，Liu Ya－jun，Luo Zhi－feng.2006.To the earthquake of high power electrical sounding technology development and application［A］."15"the important geological science and technology achievements and great oreprospecting achievements exchange material 2－"15"geological industry prize－winning achievements material assembly［C］.103－104(in Chinese)

［附中文参考文献］

陈绍裘.2003.激发极化法探测断裂蚀变带型金矿［J］.中南工业大学学报，24(6):674－677

李春成，朱春生，郑晓慧，孙兆祥，路太明.2006.激发极化法在大架金矿床中的应用效果［J］.黄金地质，27(1):10－12

李家盛.2002.应用激电法在缅甸金厂铅锌矿寻找隐伏矿体［J］.云南地质，21(4):428－436

刘宏信，刘日阳.2005.变频激发极化法在高基多金属矿区的应用效果［J］.西部探矿工程，11:126－127

柳建新，何继善，张宗岭，黄俭合，贾培乾，李彦国.2001.双频激电法及其在示范区的应用［J］.中国地质，28(3):32－39

雒志峰，李正富，许丽云.2009.时域激电轴向单极－偶极测深勘查微细浸染型金矿取得成效［J］.物化探电子计算技术，31(3):202－209

雒志峰，彭兴刚.2009.利用双侧轴向单极－偶极激电测深在铅锌等多金属矿勘查中的应用［J］.物探与化探，33(5):501－505

雒志锋，贺荣华.2008.中条山铜矿某工区激发极化法三极测深及其三维反演效果［J］.地质与勘探，44(3):70－74

阮百尧，熊彬.2002.电导率连续变化的三维测深的有限元数值模拟.［J］.地球物理学报，45(1):131－138

舒明.2004.激发极化法在砚山阿空锰矿区的应用［J］.云南地质，23(3):385－389

唐荣富，李继贤，秦荣娥，雒志峰.2009.改进的三极装置激电测深勘查微细浸染状金矿的应用效果［J］.工程地球物理学报，6(3): 305－310