云南保山西邑大型隱伏鉛鋅礦區(qū)季節(jié)變化對大功率激電找礦效果的影響

吳文賢, 曾琴琴, 廖國忠, 艾斯卡爾, 鄧 珂

(1．成都理工大學地球科學學院，四川 成都 610059；2．中國地質調查局成都地質調查中心，四川 成都 610081；3.新疆地質礦產勘查開發(fā)局地球物理化學探礦大隊，新疆 昌吉 830000)

引言

激發(fā)極化法，簡稱激電法(induced polarization methods，縮寫為 IP)，是尋找礦產資源的一種有效的地球物理勘探方法[1-2]。以巖、礦石之間的激發(fā)極化效應差異為基礎，通過觀測與研究人工建立的直流(時間域)或交流(頻率域)激電場的分布規(guī)律進行找礦和解決地質問題，其廣泛應用于水利水電工程、礦產、環(huán)境及工程地質等諸多領域[3-4]。特別是在電阻率與圍巖電阻率差異不大的浸染型金屬礦勘探中，激發(fā)極化法比電阻率法和電磁法更為有效[5-7]。

隨著勘探深度加大，可發(fā)現(xiàn)的地表礦越來越少，直接面臨尋找深部隱伏礦體的問題。由于中、小功率激電法勘探深度較小(一般為100～150 m)，其應用和找礦效果均受到限制。大功率激電法可以輸出較強的功率，壓制各種干擾信號，提高信噪比，加大有效勘探深度(200～500m)，因而在金屬礦產勘查中，特別是在尋找深部隱伏礦的新一輪找礦中發(fā)揮了重要作用[8-13]。

地表的高阻層阻止電流向地下傳播形成高阻屏蔽效應，或地表低阻層吸收電流沿表層分布形成低阻屏蔽效應，均影響電法勘探效果。前人對低阻屏蔽現(xiàn)象研究較多，炭質層、地表過于潮濕均能形成低阻屏蔽層[14-16]。對激發(fā)極化法增加有效勘探深度方面，目前多數(shù)研究者把重點放在加大功率、改善接地條件、加大極距等方式上，對地表覆蓋層的高阻屏蔽現(xiàn)象研究較少，且主要研究青藏高原凍土層引起的高阻屏蔽現(xiàn)象[17-21]，對云南保山地區(qū)覆蓋層受季節(jié)影響導致高阻屏蔽的認識鮮有報道。本文以云南保山西邑大型隱伏鉛鋅礦區(qū)不同季節(jié)開展大功率激電找礦方法試驗成果為依據(jù)，探討了覆蓋層電阻率受季節(jié)影響而發(fā)生變化的地區(qū)進行大功率激電中梯測量時的關鍵技術問題和應用效果。

1 理論分析

1.1 接地條件分析

在有高阻覆蓋層的地表建立電場，由于地表高阻層阻止電流向地下傳播，電流將集中于表層，無法傳播到地下。通過深部與地表供電電場隨深度分布實驗曲線表明(圖1)，在高阻屏蔽層地區(qū)，可以通過向深部供電使電場避開表層電阻率變化的影響[22-25]。

圖1 深部供電與地表供電電場隨深度分布實驗

a.地表供電無限半空間條件下電場隨深度分配實測曲線；b.深部供電無限全空間條件下電場隨深度分配實測曲線

Fig.1 Curves of the depth distribution experiments under the conditions of the surface power supply (a) and deep-seated power supply (b)

然而，通過深部供電、改善接地條件、降低高阻屏蔽的影響仍存在兩個問題：(1)深部供電是在有鉆孔或淺井的前提下可以實現(xiàn)，但初期金屬礦區(qū)勘查工作中少有前期工程條件，且普查工作按照規(guī)范網(wǎng)度均勻分布供電導線，用大批量鉆孔或淺井工程來布置深部供電較難實現(xiàn)，且不經濟；(2)即使改善了深部供電問題，但MN接收電極間仍然存在較高的接地電阻，高阻覆蓋層對深部極化體激發(fā)的二次電場仍有屏蔽作用，接收電極觀測到的二次場電壓值仍然較低。

1.2 大功率深部供電方法

式中：I為供電電流，單位為(A)；ΔU為測量電位差，單位為(V)；ΔU2二次場電位差，單位為(V)；ρs為視電阻率，單位為(Ω·m)；ηs為視極化率，單位為(%)；K為裝置系數(shù)，單位為(m)。當工作區(qū)的干擾較小時，在直流激電法中要求二次場電位差不小于0.5mV。按(1.1)式，這時對供電電流(A)的要求應滿足下式

可見，供電電極距或K值越大和ρs、ηs越小，則要求供電電流越大。

(1)中梯裝置

如取AB=1200m，MN=20m，則K=56520m。若ηs=4%，ρs=50Ω·m，則由(1.3)式算得供電電流I=14.13 A。因此，若接地電阻RAB=100Ω，則所需供電電壓為1413 V，目前物探裝備正常供電電壓為500～1000V，按照飽和供電電壓值1000V計算，需已接近裝備的飽和供電電壓值；若接地電阻RAB=1000 Ω，則所需供電電壓為14130 V，但目前物探裝備很難滿足。

(2)偶極裝置

偶極裝置的K=πan(n+1)(n+2),要求

如取a=40 m，n=4 m，則K=15072 m，則由(1.4)式算得供電電流I=3.76 A。因此，如果接地電阻為RAB=100Ω，則所需供電電壓為376V；如果接地電阻RAB=1000Ω，則所需供電電壓為3760 V，目前的科技裝備很難達到?？梢?，前人認為增加供電電壓可保證有較好的信噪比，但目前設備供電電壓以500～1000V為主，較難達到幾千伏的要求。

2 研究區(qū)概況

2.1 地質概況

圖2 云南保山西邑鉛鋅礦區(qū)地質簡圖

1.黏土;2.南梳壩組粉砂巖;3.沙子坡組白云質灰?guī)r;4.河灣街組白云巖;5.臥牛寺組玄武巖;6.丁家寨組石英砂巖;7.鋪門前組鮞狀灰?guī)r;8.香山組上段泥質灰?guī)r；9.香山組中段碳質灰?guī)r;10.香山組下段灰?guī)r;11.何元寨組疙瘩狀灰?guī)r;12.向陽寺組砂質灰?guī)r;13.栗柴壩組二段紫紅色泥質灰?guī)r夾頁巖;14.栗柴壩一段灰白色泥質灰?guī)r夾頁巖;15.仁和橋組筆石頁巖;16.輝綠巖脈；17.重晶石脈；18.閃鋅礦；19.方鉛礦；20.構造破碎帶；21.工業(yè)礦體；22.巖性分界面；23.地質界線；24.角度不整合；25.平行不整合；26.斷層；27.勘探線(試驗剖面)及編號；28.見礦鉆孔及編號；29.低品位鉆孔及編號；30.未見礦鉆孔及編號；31.鉛鋅礦床點

Fig.2 Simplified geological map of the Xiyi Pb-Zn deposit in Baoshan, Yunnan

賦礦層位為下石炭統(tǒng)香山組地層，其巖性主要為含泥質灰?guī)r、炭質灰?guī)r和生物碎屑灰?guī)r等。礦區(qū)內巖漿巖，主要發(fā)育下二疊統(tǒng)臥牛寺組玄武巖，主要呈灰綠色、灰褐色，多數(shù)具有杏仁構造，杏仁體主要為石英。在礦區(qū)的董家寨礦段和魯圖礦段的玄武巖略有不同，董家寨礦段的玄武巖多為灰綠-黑綠色致密塊狀玄武巖，魯圖礦段的多為灰褐色的杏仁狀玄武巖。其次，在礦區(qū)北部、北東部見基性侵入巖，主要為輝長輝綠巖、輝綠巖，呈巖脈、巖枝侵入于向陽寺組(D1x)-香山組(C1x)地層中(圖2A)，從區(qū)域地質分析，侵入時期為三疊紀。巖石具輝綠輝長結構，塊狀構造，圍巖蝕變較弱，局部具鉛鋅礦化，少量方鉛礦與閃鋅礦以細脈狀、浸染狀充填于輝綠巖脈中[26-29](圖2B、C)。

礦區(qū)地表被坡積層所覆蓋，無礦化露頭，其主礦體埋深在260～400m之間，屬于完全隱伏礦床。深部鉆孔揭露礦(化)體的直接頂板標志層為黃鐵礦化劈理化炭質灰?guī)r，一般距離礦層0～25m，平均為8m。該層炭質灰?guī)r發(fā)育密集的劈理可能對含礦熱液的運移起到了一定的“隔擋”作用，主礦體沿F17構造破碎帶分布。西邑鉛鋅礦礦床成因類型為受構造控制的中低溫熱液型鉛鋅礦床，目前礦區(qū)探獲鉛+鋅金屬量105.63萬噸(鉛50.01萬噸、鋅55.62萬噸)，333類以上鉛+鋅83.58萬噸，鉛、鋅均達大型規(guī)模[30-32]。

2.2 礦區(qū)地表覆蓋層

礦區(qū)地表覆蓋層主要由褐紅色、黃色黏土、巖石碎礫及黑色鐵錳質組成(圖3a、b)，通過分析西邑鉛鋅礦區(qū)96個鉆孔，坡積層最厚達34.89m，最薄1.25m，平均厚度為12.56m。鉛鋅主礦體位于覆蓋層下伏石炭系香山組(泥質)灰?guī)r中，主礦體埋深為260～400m，為完全隱伏鉛鋅礦床。

圖3 云南保山西邑大型隱伏鉛鋅礦區(qū)覆蓋層地貌

a.西邑礦區(qū)地表覆蓋層; b.西邑礦區(qū)內覆蓋層沖溝深5m,未見基巖

Fig.3 Geomorphological features of the overburdens of the Xiyi Pb-Zn deposit in Baoshan,Yunnan

3 大功率激電找礦試驗

3.1 試驗區(qū)物性特征

西邑礦區(qū)291塊物性樣品測定結果(表1)表明，鉛鋅礦石為中高阻、高極化特征；角礫巖、石英砂巖、灰?guī)r等巖石的極化率值均≤3%，與鉛鋅礦存在明顯的極化率差異，為激發(fā)極化法提供了前提條件。

3.2 試驗效果分析

大功率時間域激電(TDIP)是時間域測量的一種大功率主動源地面電法，從巖、礦石的導電性和極化率兩個方面研究被探測目標體的特性，從而圈定目標體的空間分布。裝置形式多樣，普查掃面多用中梯裝置，精測剖面根據(jù)研究目的選擇合適的裝置，本次試驗采用設備為重慶地質儀器廠研制的DJF5-10型大功率智能發(fā)送機和DJS-8型數(shù)字直流接收機，供電電源為10kW發(fā)電機。

選擇西邑鉛鋅礦區(qū)董家寨礦段0勘探線分別于同年5月(雨季前)和11月份(雨季后)采集視電阻率和視極化率曲線，兩次觀測均采用DJF-10kW大功率激電測量系統(tǒng)中間梯度裝置，參數(shù)相同。對比結果顯示，5月6日和11月10日兩次所觀測的視極化率值存在近5倍的差異(圖4)；極化率平面等值線圖顯示，11月份測量結果(圖5b)比5月份測量結果(圖5a)極化率異常更明顯，且異常分布的范圍與已知礦體較為一致。由此可見，兩個時間段內覆蓋層電阻率差異影響了大功率激電的找礦效果。

表1保山西邑礦區(qū)巖(礦)石樣品電性測定統(tǒng)計表

Table1Statisticsoftheelectricalpropertiesoftherock(ore)samplesfromtheXiyiPb-ZndepositinBaoshan,Yunnan

圖4 西邑礦區(qū)0勘探線大功率激電曲線對比圖

a.相同裝置、參數(shù)及設備條件下，不同時間采集的視電阻率曲線對比圖;b.相同裝置、參數(shù)及設備條件下，不同時間采集的視極化率曲線對比圖;c.云南保山西邑鉛鋅礦區(qū)董家寨主礦段0勘探線剖面

Fig.4 Comparison of the high-power induced polarization curves for the zero exploratory line in different seasons in the Xiyi Pb-Zn deposit in Baoshan, Yunnan

圖5 保山西邑礦區(qū)董家寨礦段不同季節(jié)開展大功率激電實驗極化率異常圖

a.雨季前(5月)極化率平面等值線圖;b.雨季后(11月)極化率平面等值線圖

Fig.5 Contour diagrams of the polarizability anomalies in May (a) and November (b) in the Dongjiazhai ore block of Xiyi Pb-Zn deposit in Baoshan, Yunnan

4 討論

4.1 物性樣品含水量對極化率值的影響

物性樣品含水量直接影響視電阻率和視極化率。巖礦石樣品電阻率和極化率物性參數(shù)測定前，為了使樣品的濕度盡量接近實際濕度，將樣品在清水中浸泡24小時后達到水飽和，然后自然風干的濕度為最佳測定電阻率和極化率物性參數(shù)的前提[38-40]。通過濕度影響的實驗結果表明，一般在樣品濕度較低時，不同濕度對極化率值有較明顯的影響，但當濕度升高到某一定值后，則濕度的變化對極化率值的影響很不明顯[41-43]。

4.2 季節(jié)因素對覆蓋層電阻率的影響

云南地處低緯度高原地區(qū)，氣候特征不同于我國其它地區(qū)，有明顯的干濕季節(jié)之分[34-35]。保山地區(qū)的騰沖縣、龍陵縣、保山市3個氣象站1959～2001年的逐日降水觀測數(shù)據(jù)顯示，該地區(qū)年降水量的85%以上集中在6～9月，10月～次年5月僅占全年降水的5 %～15%(圖6)，反映年降水量的集中程度較高[36]。由于地表層地下水位、降水、徑流、地溫、冰凍等因素季節(jié)性似周期性的不均勻變化，引起了地表層視電阻率相應地變化[37]。孫為民等對黏土試樣的測量表明，干旱期(1～5月)含水量為2.5%時，其覆蓋層視電阻率為200～1800Ω·m；雨季期間(6～9月)含水量增加到25%時覆蓋層視電阻率降到10～20Ω·m；雨季后近3個月的潮濕期(10～12月)內覆蓋層平均含水量為16%時，其視電阻率為60～110Ω·m。

圖6 云南保山地區(qū)3個氣象站點1959～2001年1～12月平均降水量

Fig.6 Average precipitations from 1959 to 2001 recorded by three meteorologic stations in Baoshan, Yunnan

4.3 不同季節(jié)觀測接地電阻對比

通常要求，AB場源接地電阻小于120Ω、觀測電極MN的接地電阻應低于2kΩ。考慮到設備性能差異對弱信號分辨能力較差，導致觀測數(shù)據(jù)質量存在差異，在云南保山西邑鉛鋅礦區(qū)和香格里拉普朗銅礦區(qū)分別采用國內外先進的物探設備GDP-32Ⅱ多功能電法工作站和DJF-10kW大功率激電測量系統(tǒng)進行對比試驗，結果見表2。由此可見，潮濕期觀測的AB發(fā)射源接地電阻和MN觀測接地電阻值明顯優(yōu)于干旱期觀測值，且均符合規(guī)范要求。

表2云南保山西邑鉛鋅礦區(qū)和香格里拉普朗銅礦區(qū)觀測接地電阻值表

Table2ComparisonofearthresistivityvaluesfortheXiyiPb-ZndepositinBaoshanandPulangcopperdepositinXianggelila,Yunnan

觀測儀器、設備實驗極距AB發(fā)射源接地電阻(Ω)MN觀測接地電阻(Ω)觀測時間觀測地點地質剖面測量儀器：GDP?32Ⅱ電法工作站、DJF?10kW大功率激電測量系統(tǒng)和模擬萬用表(單次讀書誤差<1．5%)電源：30kW發(fā)電機、10kW發(fā)電機及相應的整流源電極：發(fā)射源A、B極為銅板電極、觀測M、N極為不極化電極AB=2000mMN=50m銅板電極埋深1．5m，澆鹽水不極化電極埋深0．5m，觀測前一天澆鹽水590～980>26k雨季前：2013年5月6日70～12540～120雨季后：2013年11月10日560～850>32k雨季前：2014年5月26日60～11055～135雨季后：2014年10月8日云南保山西邑鉛鋅礦區(qū)覆蓋層厚2～34m，下伏致密塊狀石炭系灰?guī)r云南香格里拉縣普朗銅礦區(qū)殘坡積黏土夾礫石3～30m，下伏閃長玢巖、花崗斑巖體

5 結論

(1)覆蓋層視電阻率受季節(jié)因素影響，直接影響大功率激電數(shù)據(jù)質量和找礦效果。

(2)建議在保山西邑鉛鋅礦區(qū)及相似地電阻率受季節(jié)影響的厚覆蓋層區(qū)開展大功率激電數(shù)據(jù)采集工作，應盡量避開旱季(2～5月)，最佳施工期為雨季后的近3個月內。

致謝 感謝云南地質礦產勘查院崔子良教授級高工、孟富軍高級工程師和繆磊高級工程師的支持；感謝成都地質調查中心王永華教授級高工和范文玉教授級高工的指導；感謝審稿專家和編輯部的意見和建議。

參考文獻：

[1] 傅良魁.激發(fā)極化法[M].北京:地質出版社，1982.275-285.

[2] 傅良魁.電法勘探教程[M].北京:地質出版社,1983.181-182.

[3] 李金銘.地電場與電法勘探[M].北京:地質出版社，2004.136-155.

[4] 劉天佑.應用地球物理數(shù)據(jù)采集與處理[M].北京:中國地質大學出版社,2004.135-181.

[5] 傅良魁.應用地球物理教程[M].北京:地質出版社，1991.

[6] 何繼善.雙頻激電法[M].北京:高等教育出版社，2006.

[7] 李金銘.激發(fā)極化法方法技術指南[M].北京:地質出版社，2004.

[8] 袁學誠.金屬礦地球物理勘探的三十年[J].地球物理學報,1979,22(4):364-369．

[9] 張賽珍，王慶乙，羅延鐘.中國電法勘探發(fā)展概況[J].地球物理學報,1994,(S1):408-424．

[10] 行英弟.大功率激電在油氣勘探中的應用效果[J].物探與化探,1995,19(3):224-228.

[11] 行英弟,朱永余.大功率激電在金屬礦勘探中的應用效果[J].地質與勘探,1995,31(3):43-47.

[12] 艾斯卡爾,李華,楊劍.雙頻激電法在云南新發(fā)地區(qū)的應用,沉積與特提斯地質,2010,30(4):109-112.

[13] 溫佩林,趙秋梅.大深度激發(fā)極化法初步探討[J].物探與化探,1996,20(5):329-330.

[14] 吳國學.大功率激電在團結溝金礦外圍找礦中的應用[J].黃金,1995,16(6):2-5.

[15] 劉振山,張振邦.大功率電法在國土資源大調查中的應用效果[J].礦產與地質,2000,20(5):482-484.

[16] 王福同,莊道澤,胡建衛(wèi),等.物探在新疆土屋地區(qū)銅礦找礦中的應用[J].中國地質,2001,28(3):40-46.

[17] 孟貴祥.小熱泉子銅礦區(qū)物探找礦效果及綜合找礦模式[J].物探與化探,2002,26(1):32-38.

[18] 張賽珍.激發(fā)電位法研究結果[J].地球物理學報,1960,(1):24-28.

[19] 曹昌祺.垂直磁極變頻測深的低頻特性和高阻層的穿透問題[J].地球物理學報,1981,24(2):192-206.

[20] 孟貴祥,莊道澤,王衛(wèi)江.西部戈壁荒漠區(qū)大極距激電找礦試驗分析[J].地球學報,2006,27(2):175-180.

[21] 何平.土凍結過程中電阻的特性及應用[J].冰川凍土,1990,12(4):154-155.

[22] 王文龍.青藏鐵路多年凍土勘查的物探方法選擇及其運用效果[J].物探與化探, 2003,27(2)：150-154.

[23] 杜炳銳,何梅興,裴發(fā)根,等.關于音頻大地電磁測深在凍土區(qū)“跳點”現(xiàn)象研究[J].中國西部科技,2014,10(13):15-18.

[24] 金安忠.地電阻率正常變化的初步研究[J].地球物理學報,1981,24(1):92-106.

[25] 金安忠.在淺部有高阻屏蔽層地區(qū)獲取地電阻率平穩(wěn)正常變化的一種途徑[J].地球物理學報,1982,25(2):193-197.

[26] 崔子良,聶飛,董國臣,等．云南保山西邑Sedex型鉛鋅礦礦床成因[J].云南地質,2012,31(4):419-425.

[27] 聶飛,范文玉，劉書生，等．自然重砂異常在云南西邑鉛鋅礦找礦中的意義[J]．地質通報，2014,33(12):2019-2022.

[28] 聶飛,董國臣,莫宣學,等.云南保山西邑鉛鋅礦床硫鉛同位素地球化學特征研究[J].巖石學報,2015，31(5):1327-1334.

[29] 孟富軍，崔子良，趙慶紅.云南保山西邑鉛鋅礦找礦潛力分析[J].云南地質,2014,33(1):14-18.

[30] 繆磊，張海鷗，趙杓，等.云南保山市西邑鉛鋅礦礦體頂板特征及找礦標志[J].云南地質，2014，33(2):210-213.

[31] 李光波.綜合物探法在西邑鉛鋅礦外圍預測靶區(qū)運用[J].云南地質,2014，33(1):94-97.

[32] WU Wenxian，DING Jun，WANG Yonghua,et al.Metallogenic prediction of the peripheral areas of the Xiyi concealed lead-zinc deposit in Baoshan City, Yunnan Province[J]. ACTA GEOLOGICA SINCA(English Edition)，2015,89(5):1775-1776.

[33] 周國蓮,晏紅明.云南近40年降水量的時空分布特征[J].云南大學學報(自然科學版),2007,29(1):55-61.

[34] 陶云,何群.云南降水量時空分布特征對氣候變暖的響應[J].云南大學學報(自然科學版),2008, 30(6):587-595.

[35] 徐娟.云南省保山地區(qū)降水年內分配的區(qū)域差異研究[J]. 保山學院學報, 2013,(2):22-25.

[36] 孫為民,何金良,曾嶸,等.季節(jié)因素對發(fā)變電站接地系統(tǒng)安全性能的影響[J].中國電機工程學報, 2001,20(1):15-18.

[37] 海戴媛.巖礦電性研究若干問題的探討[J].桂林冶金地質學院學報,1983,8:75-87.

[38] 范宜仁,劉兵開.巖石激發(fā)極化電位的實驗研究[J].測井技術, 1997,21(4):241-246.

[39] 張賽珍,王式銘.影響礦化巖石和礦石極化率值的因素及其作用規(guī)律[J].地質學報,1974,(1):95-112.

[40] 趙鴻儒,黃鐵男.中國地球物理模型實驗的發(fā)展[J].地球物理學報, 1994,37(1):269-275.

[41] 李樹文,郝旭,金瞰昆.激電異常的形態(tài)解釋方法及其應用[J].地質與勘探,2000,36(1):48-50.

[42] 焦彥杰,王永華,吳文賢,等.EH4電磁系統(tǒng)在云南紅河地區(qū)地下水勘查中的應用[J].沉積與特提斯地質, 2012,32(2):108-112.

[43] 吳文賢,王永華,焦彥杰,等.EH4電導率成像系統(tǒng)在通安小牛場控礦構造勘探中的應用[J]. 沉積與特提斯地質, 2012,32(2):102-107.