三维VIP 激电观测系统在宁夏月亮山地区的应用

2021-05-10陈涛涛单志伟安百州

宁夏工程技术 2021年1期

陈涛涛，单志伟，安百州

（宁夏地球物理地球化学勘查院，宁夏银川 750001）

激电测深法以岩矿石的激发极化效应差异和电阻率差异为物性前提，是一种勘查金属硫化物矿床的有效勘查手段。但是，传统的激电测深成果仅限于单条测线的二维断面图，利用数据较少，难以确定三维异常体的空间赋存状态，给资料的解译带来很大困难[1]。伴随着三维可视化软件与三维建模方法的迅速发展，矿产资源勘查已经实现了从二维到三维的突破。三维激电测深效率更高，采集数据量更大，测量深度更大，分辨率更高，结果更精确。经过反演建立三维模型，能更形象精确地刻画地下目标地质体的三维分布，对深入研究控矿构造、矿体赋存位置等具有重要的意义[2]。三维激电测深以其复杂的理论及其数据采集和处理一直困扰着广大物探工作者，本文通过在宁夏月亮山地区运用三维VIP 激电观测系统，建立了该区三维空间的电阻率和充电率的反演图，并与传统激电方法进行对比，表明三维激电测深能够提供丰富的地质信息。

1 研究区概况

图1 研究区大地构造位置图

研究区位于北祁连褶皱系走廊南山岛弧、阿拉善地块与鄂尔多斯地块的交汇地带，同时也是中国西部的东西向构造带（北祁连）与东部的近南北向构造（贺兰山—六盘山）带转换地带[3]（图1）。该区主要为第四系地层覆盖，区域上出露的地层有中元古界蓟县系南华山群、园河群、西华山群，零星分布有震旦系上统、志留系上统、中泥盆统等地层。该区构造条件复杂，发育有多期复式褶皱和多期多方向的断裂。研究区西南的蝉窑处出露有加里东晚期的花岗闪长岩，岩体边部有明显蚀变和铜矿化。研究区邻近区域已发现十多处的金、铜、铅、锌矿（化）点，这些矿（化）点多与岩脉、热液蚀变岩及断裂有关。由于该区具有类似的地质条件和成矿环境，因此该研究区成矿条件有利，找矿潜力巨大。

2 地球物理特征

研究区位于布格重力异常梯度带上（图2），异常分布自西向东逐渐减小，这与现代地形、地貌和岩性密切相关。该区的航磁异常从东北向西南逐渐增大，局部异常不发育，异常值整体较高。由于该研究工作主要是在研究区进行三维激电测量，因此对研究区内出露的主要岩性的电性参数进行统计（表1）。由表1 可知，第四系的视电阻率变化范围比较大，平均视电阻率为523 Ω·m，视电阻率为中-高阻类型，最小为96 Ω·m；绿片岩的视电阻率最高，平均达1 000 Ω·m 以上。云母片岩视电阻率变化范围也比较大，一般属于中低阻类型，与第四系比较接近。云母片岩夹褐铁矿化视电阻率较高，平均达641 Ω·m；大理岩与第四系黄土、冲积砂电阻率比较接近，属于中-高阻类型。泥岩、页岩、灰岩和砂岩视电阻率最低，最小不超过20 Ω·m，显示为低阻特性。区内几种岩性的平均视极化率都不是很大，绿片岩和云母片岩夹褐铁矿化的极化率相对稍高。

图2 研究区地球物理特征图

表1 研究区电性参数统计表

3 三维激电测深

三维激电对矿产勘探的意义重大，主要表现在：①面元观测，施工效率高，大深度；②同时观测单个发射极的全空间电场，数据更完备，有利于压制反演多解性；③使用三维反演算法对数据集进行解释，压制旁测线投影效应，提升解释可靠性；④三维数据体显示，更精准地把握地下目标体分布[4]。三维VIP 激电观测系统是采用张量真三维来建立三维空间可视化模型的（图3）。与传统的标量假三维相比区别如下：传统的标量假三维是多条平行的二维测线，组合数据后进行三维反演，这种三维图的数据量小，可信度较低；而张量真三维是一组发射电极发射时，大量的张量观测点同时观测，通过移动发射电极来获取全空间的三维张量电场，从而进行张量反演，具有施工效率高、数据完备等优点。它显示的三维数据体更加准确，便于更精准地把握地下目标体的分布[5]。该次研究运用三维VIP 激电观测系统分析研究区的电阻率和充电率。

3.1 发射部分

三维VIP 激电观测系统采用大功率发射机。由于大电极距下需要建立很大功率的电流场以获取深部信息，在发射电极远离接收面元时，为获取较好的激电衰减曲线往往需要很大的电流，因此一般采用大功率发射机[6]。

3.2 接收部分

三维VIP 激电观测系统的发射机电流和接收电压的波形基于GPS 时间戳同步处理，它是全波形同步记录的，这样的二次场衰减曲线计算更精确。该系统为张量观测，一般由两道接收机组成，可避免大极距下过多的电缆铺设。此外，该系统的接收机能存储一整天的连续时间序列，确保时间的完整性。在铺设好观测系统后，仅需设置各道标记后开机即可，中途无需操作，具有野外操作简单的优点。

3.3 处理和解释软件

该系统的数据处理软件的原理是自动时间同步、自动叠加、手动选择信噪比较好的时段进行重新叠加、标准输入输出。它能对电阻率、充电率进行三维反演，支持张量观测数据，同时它能根据实际电极的大地坐标进行最佳三维网格剖分，能较方便地剔除信噪比较差的观测点，方便三维图的显示。

3.4 数据质量分析

通过三维激电的试验可知，研究区内的一次场电压重复性比较稳定（图4），观测标准差Q 因子很小，曲线光滑，满足质量控制要求。

4 结果分析

4.1 实测数据反演分析

该研究为尽量排除反演的人为性对结果的影响，数据反演仅剔除观测较差的数据点，同时采用均匀空间作为初始模型。在反演之前使用ERTLab 软件对输入的数据进行剔点操作。通过分析研究区电阻率和充电率的统计直方图（图5～6），决定使用10 Ω·m 和1 mV/V 均匀空间作为研究区的反演初始模型，所有反演均未做任何约束（图7）。

4.2 电阻率反演结果与对比

为验证该次测量的反演结果，将电阻率的三维可视化模型进行切片处理（图8），并将处理结果与可控源音频大地电磁测深（图9）和三级激电测深（图10）进行对比。从三维激电的切片中可知，切片内电阻率总体变化较小，浅部位置出现两处高阻，位于切片的中上部与右上部，应为局部不均匀体所致，中部为横贯研究区的低阻带，且向深部延伸较大，在低阻带左下方为一电阻率特性表现为中阻的地质体，该地质体向左下方倾斜。在可控源音频大地电磁测深剖面中也表现为同样的电阻率特征，即在剖面左下部显示出相对中-高阻特征。同样，在三极激电测深剖面也显示为类似的电阻率特征。这说明该次的三维激电测深结果与可控源音频大地电磁测深和频率域、时间域三极激电测深[7]对应较好，具有较高的准确率。

图3 三维激电方法装置图

图4 数据质量分析演示图

图5 研究区电阻率统计直方图

图6 研究区充电率统计直方图

图7 反演过程示意图

4.3 充电率反演结果与对比

在研究区的充电率三维可视化模型中可以看出（图11），该次三维激电测深在研究区内发现了两处异常体。其中，一号异常体在研究区内圈闭较好，显示成柱形，其充电率的范围在25～30 mV/V，结合电阻率的三维可视化模型可知，该异常体表现为中-低阻、高充电率特性；二号异常体位于研究区的右上方，没有圈闭，不能辨别异常体形态，其充电率范围在5～7 mV/V。

为验证充电率的反演结果，对充电率模型进行切片处理（图12）。由图12 可知，柱形异常最顶端距离地表约200 m，同时该异常体也位于交流频率域二维激电测深异常范围内（图13），直流时间域二维激电测深在此处亦有高极化率显示[8]（图14），三者吻合较好，说明该三维充电率反演图具有较高的可信度。

5 地质解释

图8 研究区电阻率反演切片图

图9 研究区可控源音频大地电磁测深电阻率反演图

图10 研究区三极激电测深电阻率反演图

结合研究区的钻孔资料，对研究区的三维激电测深的电阻率反演结果进行分析，研究区内电阻率总体变化较小，在地表至176 m 为第四系和新近系地层，电阻率较低，不超过10 Ω·m，岩性基本为桔红、浅褐红色泥岩（黏土）、砂质泥岩、粉砂岩夹灰绿色的泥灰岩；176～293 m 为下白垩统马东山组地层，电阻率范围在10～20 Ω·m，岩性为灰绿色薄-中层状钙质泥岩、泥灰岩互层，夹隐晶灰岩，褐红色的泥岩、砂质泥岩；293～484 m 为下白垩统李洼峡地层，电阻率基本在20 Ω·m 左右，岩性以灰绿页岩、泥灰岩和紫红色砂质泥岩、泥岩互层，整体显示为低阻特性，与物性测量结果基本一致。

图11 研究区充电率三维反演图

图12 研究区充电率反演切片图

图13 研究区交流二维激电极化率反演图

图14 研究区直流二维激电极化率反演图

通过研究三维激电测深的充电率反演结果（图12）可知，一号异常形态的柱形特征可能为岩浆岩体或者岩体外蚀变带的反映，同时该异常体与地层不具有对应特点。根据研究区的钻孔资料可知，研究区地层由上往下依次是第四系、下白垩统马东山组、下白垩统立洼峡组和下白垩统三桥组，异常未显示出与地层有对应关系，结合该区的地质资料，引起该异常体的原因可能为加里东晚期-华力西期岩体有小岩枝（岩株）侵入到了该处位置，形成了该处的异常。

研究区外围分布矿床（或矿点）虽然与中元古代蓟县系岩石有密切的空间关系，但根据成矿学理论，并对比宁夏其他地区矿化特征（如贺兰山地区），成矿作用最有可能还是与岩浆系统的热液活动有关。大多数情况下，变质作用仅形成无根无矿石英脉。同时，对工作区外围金属成矿作用的调研表明，煌斑岩脉、石英脉和斜长石脉发育，与金矿化关系密切；加里东晚期花岗闪长岩脉（株）主要分布在南华山，则伴随铜矿化。这些地质事实表明，研究区内可能存在的金属成矿系统与岩浆热液活动有时空、成因上的联系。

前期分析认为覆盖层以下的激电异常具有“高阻低激化”与“低阻高极化”相间展布特点。“低阻高极化”可能与矿化蚀变破碎带有关，“高阻低激化”可能与岩浆岩体有关。通过该次三维工作结合钻孔揭露情况分析，认为该工区与矿化有关的异常带性质应为中-高阻高极化，低阻高极化可能与断层破碎带关系密切，并认为下步钻孔布设工作应以此为特点。