铀矿资源勘查三维电阻率采集系统与应用研究

2014-11-12汤洪志刘庆成

铀矿地质 2014年2期

汤洪志，刘庆成，汤磊，吴楠，宁刚

（东华理工大学，江西抚州 344000）

中国正在加大能源结构调整力度，积极发展核电、风电和太阳能等清洁能源。在目前的技术条件下，核电是最有前途的、最可依赖的清洁能源之一，调整能源结构的优先选择是加快发展核电。但随着铀矿找矿难度的增大，采用一、二维电阻率法难以取得好的勘探效果。因此，研究开发一套探测深度大、分辨率好、工作效率高，且具有自主知识产权的三维电阻率成像系统对铀矿等资源勘查将发挥重要的作用。

自2007年开始，在科技部国际合作项目“铀矿资源三维电阻率采集系统及成像新技术研究”的资助下，东华理工大学与美国劳雷工业公司合作，开始了三维电阻率采集系统的研发工作。经过3年的努力，于2010年初成功研制出了LQC－Ⅰ型三维电阻率采集系统，次年又推出了改进的LQC－Ⅱ型三维电阻率采集系统，并同时推出了ECIT＿RES3D三维电阻率正反演及可视化软件。LQC－Ⅱ型三维电阻率采集系统的研制成功使三维电阻率法从理论走向实用，为铀矿资源勘探提供了一种全新的技术手段。

目前，电阻率采集系统正朝着具有任意电极扩展能力的网络化、并行高速数据采集的三维电阻率采集系统方向发展。假如将 “直流电法仪＋多路电极转换器”式的高密度电法仪视为第一代，将 “直流电法仪＋嵌入式工控机＋分布式电极转换”式高密度电法仪视为第四代，那么，LQC－II型三维电阻率采集系统正是三维电阻率采集仪器发展方向的典型代表，其设计思路和探测能力已超越了第四代产品的水平，属于第五代多功能高密度电法影像测量系统。该系统的特点是：采用嵌入式工控机，大大提高系统的稳定性与可靠性；野外实时显示电剖面；采用笔记本硬盘存储数据，可以满足野外长时间施工的工作需求；系统采用视窗化、嵌入式实时控制与处理软件，便于野外操作；可实现多种工作模式的转换；实现滚动测量和多道、长剖面的连续测量；计算机与电测仪一体化，携带方便；分布式智能采集器串联在一根细电缆上，地址随机分配，在任何位置都可以测量；系统可以做高密度电阻率测量和三维电阻率测量，又可以同时做高密度极化率测量和三维极化率测量[1]。

1 三维电阻率测量工作方法

三维电阻率测量通常是利用一个计算机控制的多路传输系统，大量的电极连接到一根多芯电缆上。连接到电缆中的电极既可作为供电电极，也可作为测量电极。一般电极网格中都使用中等数量的电极数（25～100）。为了方便，通常电极按正方形网格排列，x方向和y方向的间隔相等。在三维电阻率测量中比较有名的是E－SCAN三维电阻率测量方法，它采用的是单极－单极装置（Pole－Pole array）。其基本思想是将地面上的电极按二维网格布置，每一网格节点上有一个电极。假设总共有n个电极，先以其中任一节点上的电极为供电电极，在其它n－1个电极上测得单极－单极电位值，然后换一个电极为供电电极，做类似的测量，直到第n个电极为供电电极进行测量，至此，测量全部完成。整个过程中测量次数N＝n（n－1）。根据互换原理，如1号电极供电，10号电极测量与10号电极供电，1号电极测量时所获得的电阻率理论上应相同。这样测量次数减半，则N＝n（n－1）／2。所以实际工作中只需测量高号的电极即可。例如对于5×5的电极网格，需测量300个数据点；对于11×11的电极网格，需测量7260个数据点。显然使用单道二维电阻率测量仪测量三维电阻率很费时间。例如，若野外工作中布置一个16×16的中等网格，有256根电极，需要进行（256×255）／2＝32640次测量。若每次测量共费时6s（包括电位补偿、测读与存储时间），需连续测量2天多。为了提高测量效率，同时又不降低数据质量，有人提出了 “十字－对角线测量”（cross－diagonal survey）技术[2－3]。只测量与源电极水平、垂直或成45°方向（对角线）排列的电位电极，这样数据量将大大减少。例如，对16×16的电极网格，使用 “十字－对角线测量”技术，数据量将减少至4358个。在同样工作条件下，测量时间约7时30分左右，这样就大大节约了野外数据采集时间。

视电阻率用公式ρs＝2πa△u／I计算，式中：a为供电电极与测量电极之间的距离；△u为观测电位差；I为供电电流。记录点在供电电极与测量电极的中点。

2 LQC－Ⅱ型三维电阻率采集系统

由前述可知，三维电阻率测量相比一维、二维采集数据量是按几何级数增长的，以往单道或少量多道电测仪难当此任，要实现三维电阻率海量数据的采集必须有快速的数据收录（采集）系统。LQC－Ⅱ型三维电阻率测量系统最多一次性可布设16×16电极网格，共256根电极。LQC－Ⅱ型三维电阻率测量系统的最大特点是采用全通道同时测量方式。如1号电极供电，则2～256号电极同时测量数据；2号电极供电，则除2号电极外所有电极同时测量；3号电极供电，则除3号电极外所有电极同时测量，以此类推，直到256号供电为止。

LQC－Ⅱ型三维电阻率测量系统采用分布式设计，主控机通过CAN总线控制16台子站，每个子站连接16个电极，电极状态（供电电极或测量电极）由智能电极转换器控制。LQC－Ⅱ型三维电阻率测量系统结构示意图见图1。

考虑到仪器的轻便、实用，配置16串电极是合适的。在每一串电极中，相邻电极间距最大为10m，这样，每次可一次性布置16×16电极网格。若布置一个规则的正方形网格，一次最大可覆盖150m×150m的面积。

图1 LQC－Ⅱ型三维电阻率测量系统结构示意图Fig.1 Structure diagram of LQC－Ⅱ3Dresistivity survey system

3 LQC－Ⅱ型三维电阻率采集系统电极网格布置

LQC－Ⅱ型铀矿资源勘查三维电阻率采集系统最大只能布置16×16电极网格，覆盖面积150m×150m，探测深度在100m左右。因此，常规的电极布置难以满足勘探要求。在实际野外工作中，合理的电极布置既可减少使用电极数量，同时也可以减少野外工作时间。三维电法不同于一维和二维电法，由于高密度采样使得野外工作量成倍增加。对于大的勘探区域或较大的勘探深度，现实的问题是不能无限地增设电极，供电电流也不能任意加大。同时，还要考虑工作效率，在合理的时间范围内完成工作任务。

有时探测目标为非等轴状，在某一方向上有一定的延伸，为节省电极布置，提高工作效率，可布置矩形电极网格。对于延伸更长、埋藏更深的目标体，可以使用双拼式电极布置方式。

当勘查范围较大，需要进行大面积的三维电法工作时，可以通过网格移动（roll along）来实现面扫描，一般相邻两个网格之间至少重叠3～4排电极。

LQC－Ⅱ型三维电阻率采集系统只配置了16个子站，为了加大探测深度，可采用图2所示的非常规电极网格布置。这种电极布置将测量电极与供电电极分开或部分分开，大大增加了探测深度，又便于移动。

4 应用实例

图2 能增加探测深度的非常规电极网格布置图Fig.2 Two types of unconventional arrangements that can increase detecting depth

试验地点选在江西省上饶市圭峰镇曙光农场内，场地地形平坦，测区内地表大部分为农田和菜地，部分有岩石出露。测区有一个钻孔资料，根据钻孔资料，层序分为3层，从上到下分别为杂填土、粉砂质黏土和砂岩。层底深度分别为3.2m、12.3m和100.2m；分层厚度分别为3.2m、9.1m和87.9m。电性参数：杂填土电阻率为55～300Ω·m；粉砂质黏土电阻率为30～90Ω·m；砂岩电阻率为40～120Ω·m。根据测区外围钻孔资料，100m以下岩性以侏罗系砂岩、页岩为主，电阻率平均值为70Ω·m。以钻孔为中心布置16×16电极网格，相邻电极间距及子站间距均为10.0m。x方向NE60°。采用三维电阻率测量二极 “E－SCAN”电扫描测量方法，共取得三维电阻率数据32640个。三维电法反演采用ECIT＿RES3DINV三维电阻率正反演及可视化软件。

（1）z方向水平电阻率切片

图3显示了由浅到深12个垂直z方向（xy截面）的电阻率水平切片。表层电阻率切片反映了地表电性的不均匀性，当深度增加时，岩层电阻率增大，岩层电性均匀。

（2）x方向电阻率纵切片

图3 z方向水平电阻率（Ω·m）切片Fig.3 Horizontal resistivity slice in z direction

图4显示了垂直x方向（y－z截面）的15个电阻率纵切片。从图4可以看出，探测区内，地表覆盖层厚度、电性不均匀，与现场情况一致。

（3）y方向电阻率纵切片

图5显示了垂直y方向（x－z截面）的15个电阻率纵切片。由于场地内电性层单一，只有地表一定深度范围内电性有所变化。y方向15个电阻率纵切片所反映出的地下电阻率与实际钻孔资料吻合。

从垂直z方向以及垂直x、y方向的电阻率纵切片可看到，异常反映与钻孔地质剖面和现场情况基本一致。

5 结语

电法是寻找铀矿重要且有效的方法手段之一。但基于一维或二维的数据采集与解释方法难以满足需要，这是由于：实际工作中的地质目标多表现为三维电性结构，若仅进行一维或二维数据采集与反演解释，不可避免地将会受到三维不均匀体的影响；其次，在寻找埋藏深度和复杂程度更大的铀矿床时，要求重构地下介质详细构造特征，但由于目标体与围岩电性差异小以及地表干扰等因素，使得异常弱，信噪比低，一维或二维方法难以识别。要解决上述两个问题，就需要解决如何采集高分辨率的三维电阻率观测数据以及相应采集效率和探测深度等问题。LQC－Ⅱ三维电阻率采集系统采用多子站、分布式智能电极设计思路，实现了多通道同时快速并行采集，通过16个子站排列组合实现了大深度的勘查要求，推进了三维电阻率测量的实用化进程，为我国铀矿资源勘查提供了新的方法技术。