大功率激电中梯在山西紫家东峪铜矿勘探中的应用与研究

伍开留

（安徽省勘查技术院， 安徽合肥 230031）

0 引言

在大功率激电勘探中，一直存在着这样的观点：由于极化体充电达到饱和状态需要一定的时间，所以在采样过程中，为了取得真实、可靠、稳定的极化率数据，要尽量选择长周期供电。其实这样做不但效率低下成本高，而且由于充放电持续时间较长，极差变化对观测精度也有较大影响。本文基于勘探实例，对使用现代大功率激电设备施工时，是否需要长脉冲供电才能取得真实可靠的极化率数据这一问题加以研究。

山西省绛县紫家东峪一带是重要的铜、铁矿找矿靶区。本次受甲方委托在靶区内指定区域开展激电中梯扫面工作，以进一步确定成矿有利部位，提交设计孔位置。由于研究区属丘陵地带，地表砂石较多，接地条件差，需采用大功率仪器系统进行施工。笔者通过对微机激电仪（接收机）工作原理的深入探讨，结合现场多个点的试验数据，综合研究得出结论：采用发射机自带的最小周期4秒供电，采集的极化率数据更准确可靠，并且可以大大提高工效，降低生产成本。利用实测极化率数据作图，优选1个高极化异常区设计孔位，最终钻探验证见矿，说明数据采集的可靠性与正确性。

1 研究区地质背景及矿化特征

1.1 地质背景

研究区所处大地构造位置为豫皖断块的次一级构造单元中条山块隆的西北部。出露地层主要为绛县群横岭关组，岩性为绢英片岩、石英片岩、绢云母片岩及变质火山岩等。区内构造运动频繁，褶皱、断裂构造发育，区域构造线总体北东向。主要断裂有：铜矿峪正平移断层、南华沟-马家庄斜冲断层、三岔河-西沟断层。褶皱主要有铜矿峪倒转向斜，展布长度大于9km，宽度0.4km，为北西翼倒转，紧闭复向斜。区内岩浆岩发育，呈脉状。主要有涑水期的花岗伟晶岩脉、绛县期的变基性侵入岩脉、吕梁期的斜长角闪岩脉、西阳河期的辉绿岩及辉绿玢岩脉，燕山期的石英斑岩脉和二长斑岩脉等。

1.2 矿化特征

（1）铜矿。该区域为一细脉浸染型铜矿床，矿体产于绛县群横岭关组片岩内，主要赋存在斜长角闪岩云母石英片岩内。其次，十字云母片岩、石榴云母片岩和绢云母片岩中均有铜矿化现象存在，局部亦富集成矿。矿化类型主要为细脉（网脉）型和浸染型，次为团块状。矿物组合为金属硫化物组合，主要为黄铜矿、黄铁矿、磁黄铁矿，偶见斑铜矿、辉铜矿、硫镍钴矿等。地表矿体品位一般较贫，深部相对较富。

（2）铁矿。矿体赋存于绛县群铜矿峪组绢英（片）岩地层中。矿石矿物为磁铁矿。

2 物性特征

物性测试结果统计见表1。从表中可以看出，原生黄铜矿、黄铁矿化石榴云片岩的平均电阻率为1033.8Ω.m，与各类围岩的平均电阻率相差不大。角闪岩的极化率最低仅为0.14%；含原生黄铜矿、黄铁矿化的石榴云片岩极化率最高达2.33%，含铜蓝及孔雀石化石榴云片岩极化率次之为0.9%。虽然本区极化率背景值较低，但要寻找的目标矿种黄铜矿（化）的极化率是围岩的20倍左右，矿（化）体具有明显的相对高极化特征。因此极化率参数是本区找矿的主要参数。

表1 岩矿石标本物性测试结果统计表Table 1.Statistics of test results of physical properties of rock and ore specimen

3 大功率激电中梯应用

3.1 选用仪器

仪器的选用对完成勘探任务非常重要，纵观以往工作经历，有的找矿效果不好，与仪器的选用有很大关系。本次施工为了取得好的找矿效果，按照发射功率从小到大，共试验了三套仪器系统。选用仪器之前，要对工区进行全面仔细踏勘，重点了解工区的地形条件，道路交通状况，地表土壤结构（砂石比例）和腐土层厚度及水源等关键信息，然后按照以下几点要求选用仪器设备。

（1）最大输出功率。这项指标要结合工区的地形条件加以综合考虑。山区地表砂石较多，在接地条件不太好的情况下，要选择输出功率较大的设备。在平原地带，第四系松散堆积层较厚，导电性较好的地区，可以选择功率小一些的设备以节约施工成本。

（2）最高工作电压。这是关键性的指标。在电阻率较高地区，有的即使采用了最高工作电压，但一次场电位仍然较小，极化不充分，不但严重影响勘探效果，而且数据采集效率低下。

（3）供电周期。是指发射机完成一次“正供、断供、负供、断供”的时间。在相同条件下，供电周期越长，采集一个数据点耗时就越大。

（4）微机激电仪（接收机）技术指标。接收机的输入阻抗是指接收机的绝缘程度，一般要求不小于100MΩ。如果发现接收机外壳老化或开裂，要及时更换。接收机内部一般装有8节1.5V干电池，在数据采集过程中，电池总电压不得低于8V。在工区结束后，要及时将干电池取下，以免时间长电池腐烂影响下次使用。电位、电流、极化率分辨率反映接收机的灵敏度，一般要求电位分辨率达到1μV，电流分辨率达到0.01mA，极化率分辨率达到0.01%。也就是说电位、电流、极化率变化达到以上数值时，接收机要有所反应。本次施工选用北京地质仪器厂生产的大功率激电系统。表2、表3、表4分别是激电发送机、激电电源及微机激电仪的性能及技术指标。各项指标都符合本次施工要求。

表2 DJF-10A激电发送机技术指标Table 2.Technical specifications of DJF-10A IP transmitter

表3 DZ-10A激电电源技术指标Table 3.Technical indexes of DZ-10A IP power supply

表4 DWJ-3(B)微机激电仪技术指标Table 4.Technical index of microcomputer IP instrument Dwj-3(B)

3.2 开工前试验

（1）一致性试验。当使用两台或两台以上的接收机进行工作时，开工前要进行一致性试验。主要考察接收机本身是否存在系统差。具体做法是：选择一段剖面，要求剖面上极化率有一定的起伏变化，点距MN、供电距AB与实际工作相同，观测点不少于15个，用每台仪器依次对每个点进行测量观测，然后计算出每台接收机的极化率均方差ε以及电阻率的均方相对误差M，其数值要满足规范及设计要求。

（2）不同供电距AB试验。由于供电极距AB的大小与激电中梯的勘探深度、工作效率及抗干扰能力有关，太大或太小，都有可能直接影响找矿效果与工效。因此确定供电距AB的长度，除了要考虑野外施工方便以外，还要通过工区实际试验来确定。具体方法是在工区内选择1条典型剖面，根据矿体的大致埋深，确定两种或两种以上的AB长度，对每个测点进行观测，然后对极化率数据进行比较，取极化率数据普遍较高的那一组数所对应的AB长度作为整个工区供电极距。特别值得注意的是，一旦供电极距通过试验确定以后，则整个工区都要以同样的供电距AB进行施工，不得改变。

3.3 数据采集

数据采集过程要严格按照规范执行，除此之外要特别注意以下几点：①每天出工前要测量不极化电极的极差，所配对使用的两个电极极差一定要小于0.1mV。假定某点的极化率ηS=2%，△U=200mV，可以计算出△U2=4mV，可见极化体由于自身的极化效应所产生二次场电位是很小的。如果极差为0.1mV，所测得的极化率与真实值的误差将达到2.5%；如果极差达1mV，所测得的极化率与真实值的误差将达到25%，数据基本不可用。如果△U=100mV，则△U2=2mV，如果极差还是0.1mV，则所测值与真实值的误差将扩大至5.0%。所以要取得真实可靠的极化率数据，就要尽量减小极差并提高供电电压来有效提升总场电位值。②有效降低电磁耦合干扰。极化效应所产生二次电位很小，所以电磁耦合效应也不可忽视。施工中供电线与测量线要保持一定距离，供电线不要沿主剖面铺设，避免与主剖面的测量线重合，可以在主、副两条剖面之间铺设供电线。如果测量线与供电线需要交叉，要垂直穿过。③在施工过程中，接收机操作员要时刻关注每个点一次场电位△U1，如果低于100mV，则需及时通知主站升高供电电压、处理A、B电极，重新观测。质量检查也要以一次场较小的测点为重点检查对象。

4 不同供电周期对极化率影响的研究

4.1 微机激电仪工作原理

微机激电仪具有“单块极化”和“多块极化”两个选项。单块极化每次观测只出现一个极化率数值η。多块极化每次观测一般会出现5个极化率数值η1～η5，正常情况下都是η1＞η2＞η3＞η4＞η5，而且相邻的两个极化率数值相差不大于1。这也是判断观测结果正确与否的重要依据。施工中一般选用多块极化。

视极化率计算公式ηS=△U2/△U×100%。其中△U是极化体充电达到饱和状态时的电位值，称之为总场（图1）。△U2是充电达饱和状态下断电瞬间的电位值，称之为二次场。△U1是无极化时的电位值，称之为一次场。

图1中，a为供电曲线，b是放电曲线。当发送机通过电极A、B供电时，打开接收机，会连续观测测量电极M、N之间的电位差，并与前值进行比较。某时刻起，后面连续观测的几个值几乎相等并与前值相等或相差很小时，接收机自动识别充电已达饱和状态，并将此值记为总场△U，即使还在继续供电，接收机也处于等待状态。外电场电流越大，充电达饱和值的时间就越短。当供电脉冲断供时，瞬间触发接收机即刻测出M、N之间的电位差△U2，从而计算出正向供电时的极化率ηS+。放电完成后，开始反向供电，同样的过程，计算出反向供电的极化率ηS-，两者的平均值作为该点的观测结果，即ηS=（ηS++ηS-）/2。一般来说，充电达饱和状态的时间与放电趋于0所需时间大致相当，所以发送机采用方波供电，即正供、断供、负供、断供时间相等。

图1 极化体充放电曲线示意图（t为时间；u为电压）Figure 1.Schematic diagram of charge and discharge curve of polarized body（T time;U voltage）

假设采用的供电脉冲过窄（周期很短），极化体未能达到饱和状态，充电曲线a还处于上升阶段时就断供了，接收机未能测出总场△U，就会不断测量，屏幕无显示，超出设定时限会显示“错误”或出现错误的观测结果：η1～η5跳变很大，也不是按照从大到小的顺序排列。如果外部供电电流很小，不能在设定的时限内使极化体达到饱和状态，则接收机同样会显示 “错误”或出现不正确结果。可见无论供电周期大小，接收机能显示出的正确观测结果就是充电达饱和状态下的极化率值。

4.2 不同周期极化率对比试验

试验采用发送机固定的几个周期值：4秒、8秒、16秒、32秒、64秒。选择工区内52线上连续的22个测点为试验点，每个测点不同供电周期所测得的极化率数值（只取η1值）列于表5。

表5 不同供电周期极化率数据对比表Table 5.Comparison of polarizability data for different power supply cycles

在40号点，首先供电电压选择最小档50V，此时显示电流仅有8mA，一次场△U1仅为10mV。采用最短周期4秒和最长周期64秒进行比较试验。打开接收机，一段时间后均显示错误信息。将供电电压提升到800V，此时显示电流为860mA，△U1为1.5V，再打开接收机进行观测，4s周期很快测出正确结果，ηS=2.59%；64s周期需要经过1分多钟的等待才出现正确结果，ηS=2.62%。一旦显示出观测结果以后，接收机便自动停止工作。

从表5可以看出，不同周期所测出的极化率值差距不大，且无规律可循，并非周期越长，极化率数值就越大。唯一可循的是随着供电周期逐渐加大，每个测点需要等待的时间越来越长。通过以上试验可以得出结论：极化率值与供电周期无关，提高供电电压、增大供电电流才是取得优质数据的关键。

5 取得成果

（1）本项目向甲方提供高极化率异常区5个，结合地质构造条件及成矿规律，优选1个异常区（图2）交与甲方布钻验证，结果在埋深65m～75m之间，见2m左右的黄铜矿（化）体，且具较强的黄铁矿化，局部见斑铜矿、辉铜矿等。

图2 高极化率异常区及设计孔位置示意图Figure 2.Schematic diagram of areas of high polarizability anomalies and locations of designed holes

（2）共完成大功率激电中梯测点4250个（包括重点区域加密测量点），在不影响数据质量的前提下，采用短周期4秒供电，极大地提高了工效，降低了生产成本，按时保质保量地完成了矿产勘查任务。

6 结论

随着科技进步，现代使用的微机激电仪智能化、自动化程度很高，所测得的极化率数据稳定可靠，与供电周期的长短无关。采用仪器系统配套的最短周期供电，不但能成倍提高工效，节约生产成本，还能有效控制极差所产生的不利影响，数据更真实可靠。