長(zhǎng)剖面高密度電法技術(shù)在淺部礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

陳實(shí) 李延清 陶鵬飛

摘 ?要：將高密度電法技術(shù)引入到新疆磁海地區(qū)某銅多金屬礦點(diǎn)詳查工作中，應(yīng)用長(zhǎng)剖面測(cè)量技術(shù)，獲取長(zhǎng)測(cè)線的高分辨率數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)不同數(shù)據(jù)質(zhì)量的測(cè)量電阻率的反演RMS值進(jìn)行研究，驗(yàn)證子剖面連接法的可行性;對(duì)長(zhǎng)剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行連接的具體流程進(jìn)行規(guī)范化，為實(shí)際工作提供重要指引。實(shí)踐表明，該方法能區(qū)分礦區(qū)0～180 m深度范圍內(nèi)與成礦有密切關(guān)系的下寒武統(tǒng)雙鷹山組的電性結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)而指導(dǎo)地表探礦工程的開(kāi)展，達(dá)到淺部間接找礦目的。

關(guān)鍵詞：高密度電法;長(zhǎng)剖面調(diào)查;子剖面連接方法;不同數(shù)據(jù)質(zhì)量;區(qū)域電性分析

目前，高密度電法技術(shù)發(fā)展成熟，一次布極可采集多種裝置、多種參數(shù)下的剖面電性信息，具有效率高、斷面信息豐富，可拓展性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查、城市地下空間資源調(diào)查、資源勘查、工程質(zhì)量檢測(cè)等方面[1-3]。礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中，需詳細(xì)劃分與礦（化）體有關(guān)的地質(zhì)目標(biāo)體及與礦體有關(guān)的地層（構(gòu)造）在橫向上的變化特征，需布設(shè)長(zhǎng)測(cè)線（≥2 km）便于全面了解勘探區(qū)電性分布趨勢(shì)與規(guī)律。多數(shù)高密度電法儀器在外業(yè)工作中剖面最大長(zhǎng)度僅為1 200 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于測(cè)線長(zhǎng)度，需布設(shè)多個(gè)子剖面組合勘探測(cè)線下方電性分布情況[4]。子剖面布設(shè)過(guò)程中，要求相鄰子剖面有一定范圍數(shù)據(jù)重疊區(qū)。實(shí)際測(cè)量中，由于兩次測(cè)量過(guò)程中存在儀器穩(wěn)定性差異、電極接地條件變化、電纜鋪設(shè)等問(wèn)題，使重疊區(qū)數(shù)據(jù)存在隨機(jī)誤差。同時(shí)，不同子剖面數(shù)據(jù)質(zhì)量有明顯差異，若每條子剖面獨(dú)立進(jìn)行反演解譯，會(huì)導(dǎo)致反演精度、異常顯示形態(tài)等不統(tǒng)一，對(duì)全區(qū)電性認(rèn)識(shí)不夠全面客觀，給整條測(cè)線上的異常統(tǒng)一劃分、統(tǒng)一解釋帶來(lái)困難。

本文對(duì)高密度電法中長(zhǎng)測(cè)線測(cè)量中子剖面連接方法進(jìn)行探究，驗(yàn)證子剖面組合后的可行性與有效性，給出長(zhǎng)剖面高密度電法數(shù)據(jù)的處理過(guò)程，并在實(shí)際淺部金屬礦產(chǎn)調(diào)查中進(jìn)行應(yīng)用，有效劃分與成礦有密切關(guān)系的下寒武統(tǒng)雙鷹山組的電性結(jié)構(gòu)特征，指導(dǎo)地表探礦工程的開(kāi)展，達(dá)到淺部間接找礦目的。

1 ?方法原理

高密度電阻率法（又稱電阻率層析成像法，以下簡(jiǎn)稱高密度電法）的基本理論與傳統(tǒng)電阻率法完全相同，是以探測(cè)地下目標(biāo)體與圍巖間的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)的一種地球物理勘探方法[5]。工作時(shí)將很多電極同時(shí)排列在測(cè)線上，通過(guò)對(duì)電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器的控制，實(shí)現(xiàn)電阻率法中不同裝置、不同極距的自動(dòng)組合，從而一次布極可測(cè)得多種裝置、多種極距情況下多種參數(shù)的方法。對(duì)取得的多種參數(shù)經(jīng)相應(yīng)程序的處理和自動(dòng)反演成像，可快速、準(zhǔn)確地給出所測(cè)地電斷面的地質(zhì)解釋圖件，提高電阻率方法的工作效率（圖1）。

實(shí)際工作中，測(cè)點(diǎn)的視電阻率值計(jì)算公式為：

[ρs=KΔUI]…（1）

式中，[ΔU]為測(cè)量電極間的電位差（單位：mV）;[I]為供電電流（單位：mA）;[K]為裝置系數(shù)。

高密度電法獲取的電阻率剖面由于淺部異常被“放大”，不能準(zhǔn)確反映深部異常體的位置，需進(jìn)行二維反演計(jì)算。本次工作使用基于圓滑約束的最小二乘法，方法基于以下方程：

[JT+μFd=JTg]…（2）

其中，[J]為偏導(dǎo)數(shù)矩陣，[JT]為[J]的轉(zhuǎn)置矩陣，[μ]為阻尼系數(shù)，[d]為模型參數(shù)修改矢量，[g]為殘差矢量，[F=fxfx'+fzfz']，[fx]為水平平滑濾波因子，[fz]為垂直平滑濾波因子。

反演計(jì)算采用基于平滑約束的最小二乘法，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是平面過(guò)濾器和阻尼系數(shù)能隨數(shù)據(jù)類型自動(dòng)調(diào)整。最優(yōu)化方法主要是通過(guò)調(diào)整模型單元體的電阻率值來(lái)減小實(shí)測(cè)視電阻率值與正演計(jì)算視電阻率值之間的差異，這種差異的大小用均方根誤差衡量。從地質(zhì)條件來(lái)說(shuō)，最小均方差值時(shí)的模型不一定符合實(shí)際地質(zhì)情況[6]。一般情況下可選取迭代后均方誤差不再明顯變化時(shí)的模型做地質(zhì)解釋，通常3～5次迭代計(jì)算后，均方差就不再明顯變化。

2 ?長(zhǎng)剖面數(shù)據(jù)處理方法

2.1 ?子剖面連接方法

當(dāng)測(cè)線較長(zhǎng)時(shí)，單一高密度電法剖面不能全部覆蓋，需布設(shè)多個(gè)子剖面，每個(gè)子剖面獨(dú)立完成數(shù)據(jù)采集。在后期數(shù)據(jù)處理時(shí)，需將多個(gè)子剖面數(shù)據(jù)拼接成一個(gè)長(zhǎng)剖面（圖2）。為靈敏反應(yīng)數(shù)據(jù)重疊區(qū)的異常特征，本文選取計(jì)算重疊區(qū)各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)位的算術(shù)平均值為重疊區(qū)點(diǎn)位數(shù)據(jù)[7-8]。長(zhǎng)剖面中測(cè)點(diǎn)的視電阻率計(jì)算公式為：

[ρi=ρ1aρ1a+ρ2b2ρ2bMi=a，i≠bi=a=bi=b，i≠a]…（3）

針對(duì)空白區(qū)，如不加處理，長(zhǎng)剖面反演時(shí)軟件會(huì)自動(dòng)進(jìn)行插值處理填補(bǔ)空白區(qū)數(shù)據(jù)。據(jù)以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，反演時(shí)，當(dāng)重復(fù)區(qū)數(shù)據(jù)量與空白區(qū)數(shù)據(jù)量比值小于2∶1時(shí)，建議對(duì)空白區(qū)的插值數(shù)據(jù)進(jìn)行白化處理，防止深部異常解釋錯(cuò)誤或遺失深部異常。

2.2 ? 不同數(shù)據(jù)質(zhì)量的子剖面組合反演結(jié)果

為驗(yàn)證不同數(shù)據(jù)質(zhì)量的子剖面連接后反演結(jié)果的精確度，需對(duì)子剖面和連接長(zhǎng)剖面的反演結(jié)果進(jìn)行研究。本文選取3條不同數(shù)據(jù)質(zhì)量的子剖面進(jìn)行連接處理，在數(shù)據(jù)重疊區(qū)中，取對(duì)應(yīng)點(diǎn)位上兩次數(shù)據(jù)的平均值。3條子剖面中，子剖面D1原始數(shù)據(jù)質(zhì)量最高;子剖面D2原始數(shù)據(jù)質(zhì)量一般，剖面局部受地層中極低阻介質(zhì)的影響，存在數(shù)量約5%的畸變點(diǎn);子剖面D3原始數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。

將3組子剖面及組合后的長(zhǎng)剖面獨(dú)立反演計(jì)算，對(duì)比子剖面和連接后長(zhǎng)剖面的反演均方根誤差值（RMS值）及反演后異常位置及深度的相對(duì)誤差，可發(fā)現(xiàn)，連接后長(zhǎng)剖面反演RMS值與連接前3組子剖面反演RMS值處于同一范圍，連接后長(zhǎng)剖面反演RMS值不會(huì)因連接前某一組子剖面RMS值偏大而出現(xiàn)發(fā)散或不收斂，也就是說(shuō)多組數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合反演能有效壓制由局部數(shù)據(jù)畸變，降低反演RMS誤差值（表1）。

為對(duì)比子剖面單獨(dú)反演和長(zhǎng)剖面反演的成果差異，首先對(duì)3組子剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和最小二乘法反演（圖3）。從子剖面成果中可準(zhǔn)確劃分每一個(gè)子剖面對(duì)應(yīng)的測(cè)線地質(zhì)信息，高低阻異常邊界明顯，但不便于開(kāi)展異常劃分和整剖面電性分析，甚至導(dǎo)致異常劃分解譯錯(cuò)誤。

將反演后的長(zhǎng)剖面數(shù)據(jù)規(guī)范化成圖，通過(guò)長(zhǎng)剖面與激電剖面資料進(jìn)行聯(lián)合解釋，長(zhǎng)剖面相比子剖面其異常色調(diào)、測(cè)線位置、反演精度、圖形顯示等都達(dá)到統(tǒng)一。同時(shí)，能更直觀和方便地對(duì)整條測(cè)線上的異常進(jìn)行對(duì)比和圈定，可更全面、更準(zhǔn)確地把握勘探區(qū)的電性分布趨勢(shì)（圖4）。

通過(guò)分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了長(zhǎng)剖面高密度電法中子剖面方法的科學(xué)性和可行性。為得到精確可信的長(zhǎng)剖面數(shù)據(jù)，野外測(cè)量時(shí)要根據(jù)工作任務(wù)和工作效率，合理設(shè)計(jì)并控制數(shù)據(jù)重疊區(qū)范圍，并保證子剖面的數(shù)據(jù)質(zhì)量較好[9-10]。

2.3 ?長(zhǎng)剖面數(shù)據(jù)處理流程規(guī)范化

綜合上述對(duì)比分析，本文給出了高密度電法長(zhǎng)剖面的數(shù)據(jù)處理流程：①據(jù)探測(cè)任務(wù)要求，合理高效的布設(shè)子剖面長(zhǎng)度，控制數(shù)據(jù)重疊區(qū)的范圍，隨后獨(dú)立采集各個(gè)子剖面數(shù)據(jù);②修改各子剖面首電極位置，拼接子剖面形成長(zhǎng)剖面數(shù)據(jù)文件，取重疊區(qū)數(shù)據(jù)均值;③拼接后的長(zhǎng)剖面數(shù)據(jù)利用軟件（如Res2dinv） 進(jìn)行反演，對(duì)無(wú)原始數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行白化;④結(jié)合地質(zhì)及鉆孔資料，對(duì)長(zhǎng)剖面反演模型電阻率斷面進(jìn)行地質(zhì)解譯工作。

3 ?實(shí)例應(yīng)用分析

3.1 ?礦區(qū)概況

本次高密度電法調(diào)查主要目的是根據(jù)地表礦點(diǎn)與礦化（蝕變）帶特征，查明礦點(diǎn)附近主要含礦地層的電性特征，詳細(xì)劃分成礦有利部位，進(jìn)而指導(dǎo)地表探礦工程工作。

本文中銅多金屬礦點(diǎn)位于新疆哈密磁海地區(qū)。構(gòu)造上屬紅柳河向斜南翼，距北側(cè)紅柳河斷裂較近，受紅柳河斷裂影響，次級(jí)斷裂較發(fā)育，地層變形較強(qiáng)，調(diào)查區(qū)內(nèi)除下志留統(tǒng)黑尖山組外，其余地層均北傾。斷裂主要分為兩類，紅柳河次級(jí)斷裂和平頭山組次級(jí)斷裂，平頭山組斷裂主要為后期斷裂，斷裂總體可分為兩期，早期斷裂走向280°～300°，被后期30°～50°斷裂所切割，個(gè)別斷裂延伸較遠(yuǎn)，延伸至雙鷹山地層中，對(duì)成礦具富集作用。調(diào)查區(qū)內(nèi)地層巖性從老到新依次為：薊縣系平頭山巖組、下寒武統(tǒng)雙鷹山組、下志留統(tǒng)黑尖山組第三巖性段、上志留統(tǒng)—下泥盆統(tǒng)阿爾皮什麥布拉克組、下二疊統(tǒng)紅柳河組b段巖性、第四系全新統(tǒng)統(tǒng)沖洪積物。礦點(diǎn)附近發(fā)育有數(shù)條石英脈，脈體寬0.5～2 m，局部達(dá)5 m，長(zhǎng)10～50 m，個(gè)別延伸較長(zhǎng)。脈體走向沿構(gòu)造線方向，為NEE向，主要分布于下志留統(tǒng)黑尖山地層中，地表露頭呈白色脈狀，部分抗風(fēng)化較強(qiáng)，呈孤包狀不連續(xù)出露（圖5）。

3.2 ?數(shù)據(jù)采集

采集儀器使用重慶奔騰數(shù)控儀器廠研制的WGMD-9超級(jí)高密度電法系統(tǒng)，使用斯倫貝謝裝置測(cè)量。在采集剖面數(shù)據(jù)前，對(duì)所有電極澆注鹽水，并測(cè)量各電極的接地電阻，所有電極接地電阻小于1 kΩ，保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。結(jié)合任務(wù)要求，測(cè)線總長(zhǎng)2 000 m，共布設(shè)2條子剖面，每條子剖面電極道數(shù)為120道，電極間距10 m，數(shù)據(jù)重疊區(qū)范圍為800～1 200 m，并對(duì)空白區(qū)無(wú)數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行了白化處理。

3.3 ?應(yīng)用效果

剖面解譯中，始終遵循由已知到未知的原則，結(jié)合地表巖性特征，對(duì)長(zhǎng)剖面高密度電法剖面進(jìn)行詳細(xì)解譯，解譯深度控制在0～180 m。據(jù)高密度電阻率法的探測(cè)結(jié)果（圖6-b），可得到礦區(qū)雙鷹山組、花崗閃長(zhǎng)巖體、礦體的電阻率特征，可重新推斷隱伏地質(zhì)單元的分布情況。結(jié)合同剖面的激電工作成果分析可知，在測(cè)線0～900 m范圍內(nèi)地層均表現(xiàn)為高電阻率（≥100 Ω·m）、中低極化率（≤3%）特征，推測(cè)為黑尖山組;測(cè)線方向900～1 050 m及1 300～1 830 m，標(biāo)高1 370～1 275 m表現(xiàn)為低阻高極化特征，且此區(qū)域原始數(shù)據(jù)畸變點(diǎn)較多，推斷為雙鷹山組含碳質(zhì)地層，局部數(shù)據(jù)質(zhì)量受到碳質(zhì)層的影響而降低，但未能明顯影響整體數(shù)據(jù)質(zhì)量。同剖面重點(diǎn)區(qū)段，還開(kāi)展了瞬變電磁測(cè)深工作，其中在測(cè)線1 440～1 750 m段內(nèi)，存在明顯的高感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)異常區(qū)，推斷產(chǎn)生原因與高密度電法剖面中的低阻異常一致。結(jié)合本區(qū)地質(zhì)條件分析，目標(biāo)地層普遍存在有碳質(zhì)，故形成大片的低阻異常區(qū)。

據(jù)上述綜合物探工作，在測(cè)線1 450 m處布設(shè)鉆孔ZK0001，目標(biāo)為揭示高密度電法剖面中1 450 m處低阻異常的產(chǎn)生原因。該孔為斜孔，傾角為15°，施工孔深255 m，在孔深31.1～48.8 m間見(jiàn)3層銅鈷礦層。從鉆孔資料可知，該銅鈷礦層位于雙鷹山組（碳質(zhì)硅質(zhì)巖、硅質(zhì)板巖、石英巖）與平頭山組（白云巖、大理巖）的接觸帶上，同時(shí)也對(duì)應(yīng)于電阻率斷面圖中低阻與次高阻的過(guò)渡帶位置。

由此可見(jiàn)，在本地區(qū)的未知區(qū)域開(kāi)展找礦工作時(shí)，建議利用長(zhǎng)剖面高密度電法技術(shù)，同時(shí)輔助開(kāi)展大比例尺激電剖面及高精度重力工作，精細(xì)查明具有極低阻電性特征的雙鷹山組地層分布范圍，尋找高低阻過(guò)渡區(qū)域中賦存的“界面型”銅多金屬礦體，從而達(dá)到間接找礦的目的。

4 ?結(jié)論

本文通過(guò)分析長(zhǎng)剖面高密度電法中子剖面數(shù)據(jù)連接方法及反演數(shù)據(jù)質(zhì)量，結(jié)合新疆磁海某銅多金屬礦點(diǎn)中的地質(zhì)調(diào)查工作，得到了以下認(rèn)識(shí)：

（1）對(duì)于子剖面連接過(guò)程中的重疊區(qū)數(shù)據(jù)，取兩次測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值具可行性和有效性;對(duì)于數(shù)據(jù)空白區(qū)建議進(jìn)行白化處理，避免影響地質(zhì)解譯成果?？偨Y(jié)了長(zhǎng)剖面的數(shù)據(jù)處理方法，指導(dǎo)和規(guī)范了實(shí)際工作。

（2）不同數(shù)據(jù)質(zhì)量子剖面連接后的長(zhǎng)剖面，在反演中不會(huì)因連接前子剖面RMS值偏大而出現(xiàn)發(fā)散或不收斂，也就是說(shuō)數(shù)據(jù)質(zhì)量較差時(shí)對(duì)長(zhǎng)測(cè)線多剖面連接處理仍然能得到與子剖面質(zhì)量相近的反演結(jié)果。

（3）通過(guò)具體應(yīng)用實(shí)例表明，長(zhǎng)剖面的高密度電法剖面能更加直觀、全面的分析長(zhǎng)測(cè)線范圍內(nèi)的地層電性變化趨勢(shì)和異常分布特征，有利于控制子剖面測(cè)量邊界的異常形態(tài)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。因此，長(zhǎng)剖面高密度電法技術(shù)在淺部地質(zhì)礦產(chǎn)詳查工作中具有一定的應(yīng)用空間。

致謝：感謝新疆地質(zhì)調(diào)查院物探分隊(duì)的數(shù)據(jù)采集工作支持和各位審稿專家對(duì)本文提出的寶貴意見(jiàn)和建議。

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Abstract： In this paper， the high density resistivity method is introduced into the detailed survey of a copper polymetallic ore site in the cihai area of Xinjiang， and the high resolution data of long survey lines are obtained by using the long-section survey technology. The feasibility of sub-section connection method is verified by studying the RMS value of resistivity measurement with different data quality. The specific process of long-section is standardized， which provides important guidance for practical work. The practical application shows that the method can distinguish the electrical structural characteristics of the Shuangyingshan Formation of Lower Cambrian， which is closely related to mineralization in the depth range of 0-180m in the mining area， and then guide the development of surface prospecting engineering to achieve the goal of shallow indirect prospecting. The application results show that the method is effective in the exploration of non-ferrous metal deposits and can meet the requirements of detailed exploration of non-ferrous metal deposits.

KeyWords：High density resistivity method;Long-section survey;Subsection connection method; Different data quality; Regional electricity analysis