GDD與WDJS-2直流激電儀的找礦效果對(duì)比
——以兩路口礦區(qū)為例

黃 威, 張 勇, 程懷蒙

(湖北省地質(zhì)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(yīng)為基礎(chǔ),通過(guò)觀測(cè)和研究地下巖、礦石的激電效應(yīng)來(lái)探測(cè)地下地質(zhì)情況的一種分枝電法,具有信號(hào)強(qiáng)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(diǎn),并廣泛應(yīng)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(zhì)普查和詳查工作,或?qū)ふ业叵滤人呐c工程地質(zhì)勘探[1-2]。

激電儀在中國(guó)已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷史,20世紀(jì)60年代主要是仿制國(guó)外儀器;70年代,激發(fā)極化法有了理論上的較大突破,同時(shí)伴隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,激電儀廣泛采用了顯像管和場(chǎng)效應(yīng)管,國(guó)內(nèi)廠商研究和生產(chǎn)了以DDCJ-1為代表的多種時(shí)域激電儀。進(jìn)入80年代,具有自動(dòng)化功能的激電儀得到了進(jìn)一步提高。這一時(shí)期的激電儀擁有多參數(shù)、多窗口、測(cè)量過(guò)程自動(dòng)控制、發(fā)射和接收一體化的特點(diǎn),激電儀的控制核心多采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析,例如北京地質(zhì)儀器廠的DWDJ-2型激電儀、重慶地質(zhì)儀器廠開(kāi)發(fā)的DZD-2型激電儀。從90年代以后,微型計(jì)算機(jī)性價(jià)比提高并被廣泛應(yīng)用,激電資料處理軟件與微型計(jì)算機(jī)激電儀相結(jié)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(shù)研究所研制的WDJS型直流激電儀,因具有較好的功能價(jià)格比,能夠軟硬件相結(jié)合,自動(dòng)識(shí)別波表邊沿技術(shù),使斷電延時(shí)準(zhǔn)確,測(cè)得極化率準(zhǔn)確,以及低耗、抗干擾強(qiáng)、有故障診斷功能等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)找礦工作中[3]。近年來(lái),隨著深部找礦工作的不斷深入,地礦部門(mén)迫切需要勘探深度大、靈敏度高、抗干擾強(qiáng)的激電儀器。在此背景下,中國(guó)地質(zhì)部門(mén)又引進(jìn)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(diǎn)是大功率、穩(wěn)流精度高、探測(cè)深度大,在近幾年的找礦實(shí)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(cè)量設(shè)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(zhǔn)確的數(shù)據(jù);手持PDA進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,小巧輕便,能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)接地狀態(tài)、噪聲、信號(hào)、接地電阻、衰減曲線、各道數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)按照GPS-PPS的時(shí)間表示同步,全時(shí)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(zhì)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(jī)。 其接收機(jī)提供20個(gè)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(shí)時(shí)地顯示,在獲取數(shù)據(jù)前,接收機(jī)還可以使用一個(gè)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(jī)是時(shí)間域激發(fā)極化法測(cè)量系統(tǒng)的接收機(jī),采用短導(dǎo)線工作方式,可以多臺(tái)接收機(jī)同時(shí)接收,能直接測(cè)量多種參數(shù),其中包括自然電位、一次場(chǎng)電壓和4個(gè)不同時(shí)段的視極化率。其具備自動(dòng)走時(shí)、測(cè)量精準(zhǔn)、自動(dòng)化、抗干擾、低功耗等特征。

GDD所測(cè)得的充電率和WDJS-2所測(cè)得的極化率均是反應(yīng)地下巖、礦石激電效應(yīng)的物理參數(shù),為了評(píng)價(jià)其不同的異常反應(yīng)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(kāi)展有針對(duì)性的野外試驗(yàn),以對(duì)其找礦效果進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。

2 野外試驗(yàn)

2.1 場(chǎng)地選擇

兩路口普查區(qū)處于桐(柏)—商(城)韌性剪切帶南側(cè)的桐柏—大別山帶核部,出露地層簡(jiǎn)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(gòu)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(zhǎng)巖,次為二長(zhǎng)花崗質(zhì)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(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖。

在前期的物性工作中得到,花崗質(zhì)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(shù)均值3.47;閃長(zhǎng)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(shù)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(shù)均值5.11;似斑狀二長(zhǎng)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(shù)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(shù)均值18.2。可見(jiàn)礦區(qū)內(nèi)礦石與各類巖石視電阻率具有>1 000 Ω·m明顯的臺(tái)階式差值,極化率具有>1%的差值,在結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料的情況下,可以通過(guò)極化率的差異區(qū)分圍巖和礦(化)體,激電方法的應(yīng)用具有較好的地球物理前提。

圖1 兩路口0線激電測(cè)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(jìn)行了共196個(gè)點(diǎn)的激電測(cè)深工作,采用對(duì)稱四級(jí)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(shí)100 ms,采樣寬度20 ms,2次疊加。其中0線激電測(cè)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(cè)低的特征,相對(duì)高極化率異常區(qū)主要分布在剖面的2200～3200測(cè)點(diǎn),視極化率ηs值一般>3.5%,最大值達(dá)9.14%。在ZK002孔控制的W1礦體下方(測(cè)點(diǎn)3160附近)見(jiàn)較明顯的ηs值>4.5%、最大值達(dá)6.64%的高視極化率異常帶,該異常淺部?jī)A向北、產(chǎn)狀較陡。對(duì)應(yīng)部位的視電阻率呈相對(duì)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(cè)線2700～3500為測(cè)量段,共計(jì)800 m,進(jìn)行場(chǎng)地試驗(yàn)。

2.2 測(cè)量裝置與儀器準(zhǔn)備

本次使用激發(fā)極化法采用縱向中間梯度裝置,開(kāi)展試驗(yàn)工作。AB=1 200 m,MN=20 m,點(diǎn)距20 m。

試驗(yàn)前一天,在0號(hào)線南邊2500號(hào)點(diǎn)位與北邊3700號(hào)點(diǎn)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(duì)不極化電極進(jìn)行極差測(cè)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(shí)間和供電周期的選擇

GDDTx II發(fā)射機(jī)發(fā)射周期為2 s開(kāi)通,2 s關(guān)斷信號(hào),供電周期為8 s。

WDJS-2的發(fā)射機(jī)發(fā)射周期為4 s開(kāi)通,4 s關(guān)斷信號(hào),供電周期為16 s。

2.3.2 延時(shí)的選擇

為減小電磁耦合效應(yīng)對(duì)激電法的干擾,應(yīng)盡量選擇較長(zhǎng)的延時(shí),一般選為幾百毫秒,當(dāng)延時(shí)>500 ms時(shí),電磁耦合效應(yīng)對(duì)直流激電法的影響可忽略不計(jì)。同時(shí),延時(shí)太大會(huì)降低觀測(cè)精度,一般選擇400 ms以內(nèi)。

本次GDD激電儀延時(shí)選為默認(rèn)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(cè)量值,提高觀測(cè)精度,因此生產(chǎn)中適當(dāng)選擇大的采樣寬度。本次測(cè)量GDD接收機(jī)選擇儀器默認(rèn)的20個(gè)窗口,每個(gè)窗口為80 ms,觀測(cè)窗口設(shè)置為“算術(shù)”模式;WDJS-2接收機(jī)采樣窗口為4個(gè),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(cè)精度和抗干擾能力,同時(shí)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(guò)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(jī)測(cè)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(duì)比見(jiàn)表1。

表1 觀測(cè)參數(shù)對(duì)照表Table 1 Contrast table of observation parameters

3 試驗(yàn)成果對(duì)比

本次激電中梯測(cè)量長(zhǎng)度為800 m,點(diǎn)距為20 m,共完成38個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

由于觀測(cè)測(cè)點(diǎn)受地形影響不在一條線上,實(shí)際K值與理論計(jì)算的誤差較大,本文未作視電阻率對(duì)比。

3.1 單點(diǎn)衰減曲線

隨機(jī)選擇4個(gè)測(cè)量點(diǎn),將采集的每個(gè)窗口的數(shù)據(jù)做觀測(cè)的二次場(chǎng)衰減曲線,對(duì)兩種儀器的單點(diǎn)曲線進(jìn)行對(duì)比。其中3020與3060為本次測(cè)量視極化率相對(duì)高異常點(diǎn)。

WDJS-2型激電儀采集每個(gè)點(diǎn)4個(gè)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(shè)置較少,每個(gè)觀測(cè)窗口時(shí)間較長(zhǎng),所讀取的每段窗口信息并不豐富。一般情況下,選取第一個(gè)采樣窗口的極化率值作為該測(cè)量點(diǎn)的視極化率成果值。

GDD電法儀采集到的每個(gè)點(diǎn)20個(gè)窗口的M值連成該點(diǎn)充電率衰減曲線(如圖3),由圖3中可見(jiàn)衰減曲線較平滑,連續(xù)性好,基本沒(méi)有跳點(diǎn)現(xiàn)象,所得數(shù)據(jù)真實(shí)可靠,且觀測(cè)窗口較多,可以明確了解衰減曲線每個(gè)時(shí)段的真實(shí)狀況。結(jié)合整個(gè)衰減過(guò)程每個(gè)觀測(cè)窗口的充電率值,經(jīng)過(guò)積分計(jì)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(duì)比曲線見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn):GDD電法儀所測(cè)得視充電率范圍在6～10 mV/V之間,在點(diǎn)號(hào)3000～3100有三個(gè)連續(xù)的高值異常點(diǎn),極大值達(dá)16.2(mV/V),且沿測(cè)線高M(jìn)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(hào)線剖面視充電率與視極化率對(duì)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(cè)得視極化率整體變化較為平緩,以3000號(hào)點(diǎn)為開(kāi)始,視極化率曲線相對(duì)3000點(diǎn)以南有整體的抬升,僅在3100號(hào)點(diǎn)出現(xiàn)一個(gè)相對(duì)高值異常點(diǎn)。

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(shì)。在同一個(gè)坐標(biāo)系中,GDD電法儀所測(cè)得數(shù)據(jù)較WDJS-2激電儀所測(cè)得數(shù)據(jù)在異常段反應(yīng)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(píng)價(jià)

在視極化率曲線上,一般認(rèn)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(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)決定于背景值的大小和穩(wěn)定性、ηs的觀測(cè)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(dāng)呈現(xiàn)異常的點(diǎn)數(shù)較多,則可取較小值;反之,若僅在個(gè)別點(diǎn)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(cè)精度。若背景值穩(wěn)定,觀測(cè)精度成為影響異常下限的主要因素,則N取為觀測(cè)ηs的絕對(duì)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(biāo)準(zhǔn)離差,可用待定異常附近背景地段上n(≥20)個(gè)測(cè)點(diǎn)的ηs觀測(cè)結(jié)果,按下式算出:

根據(jù)本次試驗(yàn)所得到的視充電率、視極化率成果,結(jié)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(guò)計(jì)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(jiàn)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(chǎng)比值在1.48～2.26之間,算數(shù)平均值為1.95,有三個(gè)比值超過(guò)2的高異常值;視極化率與背景場(chǎng)值比值在1.17～2.23,算數(shù)平均值為1.44,僅有一個(gè)異常比值在2.23。由此,GDD接收機(jī)觀測(cè)得到的異常值較大,更易于發(fā)現(xiàn)異常。

3.4 與地質(zhì)情況對(duì)比

將兩次激電中梯所測(cè)成果與剖面及激電測(cè)深成果對(duì)比(見(jiàn)圖5),可見(jiàn)激電測(cè)深剖面上,點(diǎn)號(hào)3000～3100之間存在一個(gè)寬約100 m、從地表至深度200 m范圍內(nèi)的相對(duì)高極化異常體,在本次利用GDD接收機(jī)所測(cè)得中梯曲線上,點(diǎn)號(hào)3000～3100之間同樣存在連續(xù)的高值異常點(diǎn),與W1礦體附近較發(fā)育的褐鐵礦化地段有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。而WDJS-2接收機(jī)所測(cè)得數(shù)據(jù)中,僅在3100號(hào)點(diǎn)左右有一個(gè)高值單點(diǎn)異常。

圖5 0號(hào)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(cè)點(diǎn)下方)未見(jiàn)明顯高值異常反應(yīng),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(cè)點(diǎn)),初步推測(cè)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(guān)。

4 結(jié)論

(1) 從礦區(qū)對(duì)比結(jié)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(duì)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(jiǎn)單,觀測(cè)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(jī)采用PDA掌機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,操作簡(jiǎn)單,配套的發(fā)射機(jī)集成度高,設(shè)備輕便,更加適合山區(qū)找礦工作。