黃 威, 張 勇, 程懷蒙

(湖北省地質調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

激發(fā)極化法是物探方法中非常重要的一種勘探方法,它是以不同巖石、礦石的激電效應為基礎,通過觀測和研究地下巖、礦石的激電效應來探測地下地質情況的一種分枝電法,具有信號強而穩(wěn)定、勘探深度大、工作效率高及反映異常特征明顯等優(yōu)點,并廣泛應用于地球物理勘探工作,可用于大面積的金屬礦、非金屬礦產(chǎn)資源地質普查和詳查工作,或尋找地下水等水文與工程地質勘探[1-2]。

激電儀在中國已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷史,20世紀60年代主要是仿制國外儀器;70年代,激發(fā)極化法有了理論上的較大突破,同時伴隨著微電子技術的發(fā)展,激電儀廣泛采用了顯像管和場效應管,國內(nèi)廠商研究和生產(chǎn)了以DDCJ-1為代表的多種時域激電儀。進入80年代,具有自動化功能的激電儀得到了進一步提高。這一時期的激電儀擁有多參數(shù)、多窗口、測量過程自動控制、發(fā)射和接收一體化的特點,激電儀的控制核心多采用單片機進行數(shù)據(jù)的處理和分析,例如北京地質儀器廠的DWDJ-2型激電儀、重慶地質儀器廠開發(fā)的DZD-2型激電儀。從90年代以后,微型計算機性價比提高并被廣泛應用,激電資料處理軟件與微型計算機激電儀相結合使激電法的工作效率極大提高。特別是重慶奔騰數(shù)控技術研究所研制的WDJS型直流激電儀,因具有較好的功能價格比,能夠軟硬件相結合,自動識別波表邊沿技術,使斷電延時準確,測得極化率準確,以及低耗、抗干擾強、有故障診斷功能等特點被廣泛應用于地質找礦工作中[3]。近年來,隨著深部找礦工作的不斷深入,地礦部門迫切需要勘探深度大、靈敏度高、抗干擾強的激電儀器。在此背景下,中國地質部門又引進了加拿大GDD instrumentation公司生產(chǎn)的GDD大功率直流激電儀。GDD激電儀的特點是大功率、穩(wěn)流精度高、探測深度大,在近幾年的找礦實踐中取得了較好的找礦效果。

1 儀器特性

1.1 GDD激電儀

GDD激電儀是加拿大GDD instrumentation公司生產(chǎn)的大功率直流激電儀,是新型的高集成低能耗的測量設備。它的穩(wěn)流精度高,其1/1 000的穩(wěn)流精度可以高出同類儀器1～3倍,可以采集到更準確的數(shù)據(jù);手持PDA進行數(shù)據(jù)采集,小巧輕便,能夠實時監(jiān)測接地狀態(tài)、噪聲、信號、接地電阻、衰減曲線、各道數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)按照GPS-PPS的時間表示同步,全時間段數(shù)據(jù)采集。它的特性決定了它可以在絕大多數(shù)地質條件下使用,它可以被配置為多通道單極或多通道偶極接收機。 其接收機提供20個完全可編程的窗口,適合于高靈活性定義IP衰減曲線。IP顯示:充電率、電阻率衰減曲線都可以被實時地顯示,在獲取數(shù)據(jù)前,接收機還可以使用一個通道顯示初始電壓波形的連續(xù)曲線,以監(jiān)控和檢查噪音。

1.2 WDJD-2激電儀

WDJD-2數(shù)字直流激電接收機是時間域激發(fā)極化法測量系統(tǒng)的接收機,采用短導線工作方式,可以多臺接收機同時接收,能直接測量多種參數(shù),其中包括自然電位、一次場電壓和4個不同時段的視極化率。其具備自動走時、測量精準、自動化、抗干擾、低功耗等特征。

GDD所測得的充電率和WDJS-2所測得的極化率均是反應地下巖、礦石激電效應的物理參數(shù),為了評價其不同的異常反應能力,在兩路口礦區(qū)選取干擾小、便于施工的已知勘探線剖面開展有針對性的野外試驗,以對其找礦效果進行對比評價。

2 野外試驗

2.1 場地選擇

兩路口普查區(qū)處于桐(柏)—商(城)韌性剪切帶南側的桐柏—大別山帶核部,出露地層簡單,主要為西張店火山巖組。巖體主要出露花崗巖類,其中晉寧期巖體大面積出露,燕山期侵入巖主要分布于北部。前期工作所圈定的W1礦體分布于礦化蝕變帶中,產(chǎn)狀與斷裂構造基本一致,產(chǎn)狀345°～15°∠45°～60°,礦體垂向高差>250 m,延伸連續(xù),礦化巖石主要為閃長巖,次為二長花崗質片麻巖。在W1礦體北西部發(fā)現(xiàn)的蝕變帶中,蝕變巖原巖為褐鐵礦化硅化二長花崗質片麻巖。

在前期的物性工作中得到,花崗質片麻巖電阻率(Ω·m)范圍在113～5 177之間,極化率(%)范圍在0.11～16.05,算術均值3.47;閃長巖電阻率(Ω·m)范圍在2 609～9 308之間,極化率(%)范圍在0.56～5.0,算術均值2.09;石英脈電阻率(Ω·m)范圍在6 530～29 066之間,極化率(%)范圍在0.11～17.47,算術均值5.11;似斑狀二長花崗巖電阻率(Ω·m)范圍在5 058～38 241之間,極化率(%)范圍在1.38～2.85,算術均值2.36;褐鐵礦化、碎裂巖化的礦體電阻率(Ω·m)范圍在587～4 683之間,極化率(%)范圍在12.3～25.6,算術均值18.2?？梢姷V區(qū)內(nèi)礦石與各類巖石視電阻率具有>1 000 Ω·m明顯的臺階式差值,極化率具有>1%的差值,在結合相關地質資料的情況下,可以通過極化率的差異區(qū)分圍巖和礦(化)體,激電方法的應用具有較好的地球物理前提。

圖1 兩路口0線激電測深斷面等值線圖Fig.1 Cross section apparent contour of IP sounding of 0 line in Lianglukou

在兩路口前期的普查工作中,用重慶奔騰公司生產(chǎn)的WDJS-2型數(shù)字直流激電儀進行了共196個點的激電測深工作,采用對稱四級裝置,最大AB距為1 000 m,供電電流均>100 mA,ΔU均>50 mV,供電周期16 s,延時100 ms,采樣寬度20 ms,2次疊加。其中0線激電測深斷面等值線圖(圖1)中,斷面上的視極化率異常呈現(xiàn)中部高、兩側低的特征,相對高極化率異常區(qū)主要分布在剖面的2200～3200測點,視極化率ηs值一般>3.5%,最大值達9.14%。在ZK002孔控制的W1礦體下方(測點3160附近)見較明顯的ηs值>4.5%、最大值達6.64%的高視極化率異常帶,該異常淺部傾向北、產(chǎn)狀較陡。對應部位的視電阻率呈相對低阻異常,該低阻高極化異常為與W1礦體伴生的黃鐵礦往深部延伸的反映。

本次選取該測線2700～3500為測量段,共計800 m,進行場地試驗。

2.2 測量裝置與儀器準備

本次使用激發(fā)極化法采用縱向中間梯度裝置,開展試驗工作。AB=1 200 m,MN=20 m,點距20 m。

試驗前一天,在0號線南邊2500號點位與北邊3700號點位打下供電電極,每處9根,排成三排,并聯(lián)于供電的銅芯線線上,接頭處纏緊,用防水膠帶包裹,于電極根部澆上鹽水,增加供電電極接地面積,減少阻抗,增大供電電流。

對不極化電極進行極差測量,兩組電極分別為1.2 mV和0.9 mV,均符合規(guī)范要求。

2.3 儀器參數(shù)的選擇

2.3.1 充、放電時間和供電周期的選擇

GDDTx II發(fā)射機發(fā)射周期為2 s開通,2 s關斷信號,供電周期為8 s。

WDJS-2的發(fā)射機發(fā)射周期為4 s開通,4 s關斷信號,供電周期為16 s。

2.3.2 延時的選擇

為減小電磁耦合效應對激電法的干擾,應盡量選擇較長的延時,一般選為幾百毫秒,當延時>500 ms時,電磁耦合效應對直流激電法的影響可忽略不計。同時,延時太大會降低觀測精度,一般選擇400 ms以內(nèi)。

本次GDD激電儀延時選為默認的240 ms,WDJS-2激電儀為100 ms。

2.3.3 采樣寬度

加大采樣寬度有利于克服高頻干擾,增加測量值,提高觀測精度,因此生產(chǎn)中適當選擇大的采樣寬度。本次測量GDD接收機選擇儀器默認的20個窗口,每個窗口為80 ms,觀測窗口設置為“算術”模式;WDJS-2接收機采樣窗口為4個,分別為40 ms、80 ms、160 ms、320 ms。

2.3.4 疊加次數(shù)

增加疊加次數(shù),可提高觀測精度和抗干擾能力,同時疊加次數(shù)多,生產(chǎn)效率低,所以本次兩種儀器均選擇兩次疊加。

2.3.5 供電電流

通過改善接地條件減小接地電阻與加大發(fā)射功率的方式保證有足夠大的供電電流,提高信噪比。由發(fā)射機測得AB極接地電阻>1 kΩ,選擇輸出電壓檔位為700 V,電流穩(wěn)定在640 mA。

本次加拿大GDD電法儀所選參數(shù)與WDJS-2型激電儀所選參數(shù)對比見表1。

表1 觀測參數(shù)對照表Table 1 Contrast table of observation parameters

3 試驗成果對比

本次激電中梯測量長度為800 m,點距為20 m,共完成38個測量點。

由于觀測測點受地形影響不在一條線上,實際K值與理論計算的誤差較大,本文未作視電阻率對比。

3.1 單點衰減曲線

隨機選擇4個測量點,將采集的每個窗口的數(shù)據(jù)做觀測的二次場衰減曲線,對兩種儀器的單點曲線進行對比。其中3020與3060為本次測量視極化率相對高異常點。

WDJS-2型激電儀采集每個點4個窗口的ηs值做衰減曲線圖(圖2),可以看出,每條曲線基本處于逐步衰減的狀態(tài),但該儀器窗口設置較少,每個觀測窗口時間較長,所讀取的每段窗口信息并不豐富。一般情況下,選取第一個采樣窗口的極化率值作為該測量點的視極化率成果值。

GDD電法儀采集到的每個點20個窗口的M值連成該點充電率衰減曲線(如圖3),由圖3中可見衰減曲線較平滑,連續(xù)性好,基本沒有跳點現(xiàn)象,所得數(shù)據(jù)真實可靠,且觀測窗口較多,可以明確了解衰減曲線每個時段的真實狀況。結合整個衰減過程每個觀測窗口的充電率值,經(jīng)過積分計算,最后得到視充電率值M。

3.2 激電中梯剖面

整條剖面視充電率與視極化率對比曲線見圖4。由圖4可見:GDD電法儀所測得視充電率范圍在6～10 mV/V之間,在點號3000～3100有三個連續(xù)的高值異常點,極大值達16.2(mV/V),且沿測線高M和低M連續(xù)性較好,分帶明顯。

圖2 極化率衰減曲線圖Fig.2 Attenuation curve of polarizability

圖3 充電率衰減曲線圖Fig.3 Attenuation curve of charging rate

圖4 0號線剖面視充電率與視極化率對比曲線圖Fig.4 Comparison curve between apparent charge rate and apparent polarizability of line 0

WDJS-2激電儀所測得視極化率整體變化較為平緩,以3000號點為開始,視極化率曲線相對3000點以南有整體的抬升,僅在3100號點出現(xiàn)一個相對高值異常點。

兩條曲線均較光滑,鋸齒狀跳變少,由南向北總體呈下降趨勢。在同一個坐標系中,GDD電法儀所測得數(shù)據(jù)較WDJS-2激電儀所測得數(shù)據(jù)在異常段反應更加明顯,曲線變化幅度大,更加利于圈定異常。

3.3 激電異常評價

在視極化率曲線上,一般認為明顯高于或低于背景值的ηs變化,便稱為激電異常。劃分異常的強度標準決定于背景值的大小和穩(wěn)定性、ηs的觀測精度以及異常的置信度。通常規(guī)定ηs異常的下限為:

ηsx=ηsb+(1.5～2.5)N

式中:系數(shù)(1.5～2.5)決定于異常的置信度。當呈現(xiàn)異常的點數(shù)較多,則可取較小值;反之,若僅在個別點上出現(xiàn)異常,則取較大值。N決定于背景值的穩(wěn)定性和觀測精度。若背景值穩(wěn)定,觀測精度成為影響異常下限的主要因素,則N取為觀測ηs的絕對均方誤差值。若背景值不穩(wěn)定,成為影響異常下限的主要因素,則N取為背景值的標準離差,可用待定異常附近背景地段上n(≥20)個測點的ηs觀測結果,按下式算出:

根據(jù)本次試驗所得到的視充電率、視極化率成果,結合物性工作,求得視充電率背景值為7.19,視極化率背景值為3.57,經(jīng)過計算得到視充電率異常下限為9.8,視極化率異常下限為4.17。根據(jù)異常下限分別在剖面上圈出異常,異常值與背景值的比值見表2。

表2 視充電率、視極化率異常值與背景值的比值表Table 2 Ratio of apparent charge rate,apparent polarizability anomaly and background values

從表中可以看出,視充電率與背景場比值在1.48～2.26之間,算數(shù)平均值為1.95,有三個比值超過2的高異常值;視極化率與背景場值比值在1.17～2.23,算數(shù)平均值為1.44,僅有一個異常比值在2.23。由此,GDD接收機觀測得到的異常值較大,更易于發(fā)現(xiàn)異常。

3.4 與地質情況對比

將兩次激電中梯所測成果與剖面及激電測深成果對比(見圖5),可見激電測深剖面上,點號3000～3100之間存在一個寬約100 m、從地表至深度200 m范圍內(nèi)的相對高極化異常體,在本次利用GDD接收機所測得中梯曲線上,點號3000～3100之間同樣存在連續(xù)的高值異常點,與W1礦體附近較發(fā)育的褐鐵礦化地段有較好的對應關系。而WDJS-2接收機所測得數(shù)據(jù)中,僅在3100號點左右有一個高值單點異常。

圖5 0號線剖面圖Fig.5 The profile of line 0

在ZK002和ZK004鉆孔控制的隱伏鎢礦部位(3150～3250測點下方)未見明顯高值異常反應,平均視充電率值呈低緩背景反映,背景值5.9～8.5,最大值10.3(位于3190測點),初步推測可能為鉆孔揭露與鎢礦伴生的黃鐵礦含量較低且埋深較大有關。

4 結論

(1) 從礦區(qū)對比結果看,兩套儀器在野外施工中均能采得較好的原始數(shù)據(jù),雖然所采集的參數(shù)單位不同,但在同背景的區(qū)域,對比重慶奔騰的WDJS-2直流激電儀,加拿大GDD電法儀儀器操作簡單,觀測值較大,信噪比高,曲線較光滑,鋸齒狀跳變少,更易于發(fā)現(xiàn)異常。

(2) GDD激電儀接收機采用PDA掌機進行參數(shù)設置,操作簡單,配套的發(fā)射機集成度高,設備輕便,更加適合山區(qū)找礦工作。