大功率激電中梯在山西紫家東峪銅礦勘探中的應(yīng)用與研究

伍開留

（安徽省勘查技術(shù)院， 安徽合肥 230031）

0 引言

在大功率激電勘探中，一直存在著這樣的觀點(diǎn)：由于極化體充電達(dá)到飽和狀態(tài)需要一定的時(shí)間，所以在采樣過程中，為了取得真實(shí)、可靠、穩(wěn)定的極化率數(shù)據(jù)，要盡量選擇長(zhǎng)周期供電。其實(shí)這樣做不但效率低下成本高，而且由于充放電持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，極差變化對(duì)觀測(cè)精度也有較大影響。本文基于勘探實(shí)例，對(duì)使用現(xiàn)代大功率激電設(shè)備施工時(shí)，是否需要長(zhǎng)脈沖供電才能取得真實(shí)可靠的極化率數(shù)據(jù)這一問題加以研究。

山西省絳縣紫家東峪一帶是重要的銅、鐵礦找礦靶區(qū)。本次受甲方委托在靶區(qū)內(nèi)指定區(qū)域開展激電中梯掃面工作，以進(jìn)一步確定成礦有利部位，提交設(shè)計(jì)孔位置。由于研究區(qū)屬丘陵地帶，地表砂石較多，接地條件差，需采用大功率儀器系統(tǒng)進(jìn)行施工。筆者通過對(duì)微機(jī)激電儀（接收機(jī)）工作原理的深入探討，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合研究得出結(jié)論：采用發(fā)射機(jī)自帶的最小周期4秒供電，采集的極化率數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確可靠，并且可以大大提高工效，降低生產(chǎn)成本。利用實(shí)測(cè)極化率數(shù)據(jù)作圖，優(yōu)選1個(gè)高極化異常區(qū)設(shè)計(jì)孔位，最終鉆探驗(yàn)證見礦，說明數(shù)據(jù)采集的可靠性與正確性。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景及礦化特征

1.1 地質(zhì)背景

研究區(qū)所處大地構(gòu)造位置為豫皖斷塊的次一級(jí)構(gòu)造單元中條山塊隆的西北部。出露地層主要為絳縣群橫嶺關(guān)組，巖性為絹英片巖、石英片巖、絹云母片巖及變質(zhì)火山巖等。區(qū)內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)頻繁，褶皺、斷裂構(gòu)造發(fā)育，區(qū)域構(gòu)造線總體北東向。主要斷裂有：銅礦峪正平移斷層、南華溝-馬家莊斜沖斷層、三岔河-西溝斷層。褶皺主要有銅礦峪倒轉(zhuǎn)向斜，展布長(zhǎng)度大于9km，寬度0.4km，為北西翼倒轉(zhuǎn)，緊閉復(fù)向斜。區(qū)內(nèi)巖漿巖發(fā)育，呈脈狀。主要有涑水期的花崗偉晶巖脈、絳縣期的變基性侵入巖脈、呂梁期的斜長(zhǎng)角閃巖脈、西陽(yáng)河期的輝綠巖及輝綠玢巖脈，燕山期的石英斑巖脈和二長(zhǎng)斑巖脈等。

1.2 礦化特征

（1）銅礦。該區(qū)域?yàn)橐患?xì)脈浸染型銅礦床，礦體產(chǎn)于絳縣群橫嶺關(guān)組片巖內(nèi)，主要賦存在斜長(zhǎng)角閃巖云母石英片巖內(nèi)。其次，十字云母片巖、石榴云母片巖和絹云母片巖中均有銅礦化現(xiàn)象存在，局部亦富集成礦。礦化類型主要為細(xì)脈（網(wǎng)脈）型和浸染型，次為團(tuán)塊狀。礦物組合為金屬硫化物組合，主要為黃銅礦、黃鐵礦、磁黃鐵礦，偶見斑銅礦、輝銅礦、硫鎳鈷礦等。地表礦體品位一般較貧，深部相對(duì)較富。

（2）鐵礦。礦體賦存于絳縣群銅礦峪組絹英（片）巖地層中。礦石礦物為磁鐵礦。

2 物性特征

物性測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1。從表中可以看出，原生黃銅礦、黃鐵礦化石榴云片巖的平均電阻率為1033.8Ω.m，與各類圍巖的平均電阻率相差不大。角閃巖的極化率最低僅為0.14%；含原生黃銅礦、黃鐵礦化的石榴云片巖極化率最高達(dá)2.33%，含銅藍(lán)及孔雀石化石榴云片巖極化率次之為0.9%。雖然本區(qū)極化率背景值較低，但要尋找的目標(biāo)礦種黃銅礦（化）的極化率是圍巖的20倍左右，礦（化）體具有明顯的相對(duì)高極化特征。因此極化率參數(shù)是本區(qū)找礦的主要參數(shù)。

表1 巖礦石標(biāo)本物性測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 1.Statistics of test results of physical properties of rock and ore specimen

3 大功率激電中梯應(yīng)用

3.1 選用儀器

儀器的選用對(duì)完成勘探任務(wù)非常重要，縱觀以往工作經(jīng)歷，有的找礦效果不好，與儀器的選用有很大關(guān)系。本次施工為了取得好的找礦效果，按照發(fā)射功率從小到大，共試驗(yàn)了三套儀器系統(tǒng)。選用儀器之前，要對(duì)工區(qū)進(jìn)行全面仔細(xì)踏勘，重點(diǎn)了解工區(qū)的地形條件，道路交通狀況，地表土壤結(jié)構(gòu)（砂石比例）和腐土層厚度及水源等關(guān)鍵信息，然后按照以下幾點(diǎn)要求選用儀器設(shè)備。

（1）最大輸出功率。這項(xiàng)指標(biāo)要結(jié)合工區(qū)的地形條件加以綜合考慮。山區(qū)地表砂石較多，在接地條件不太好的情況下，要選擇輸出功率較大的設(shè)備。在平原地帶，第四系松散堆積層較厚，導(dǎo)電性較好的地區(qū)，可以選擇功率小一些的設(shè)備以節(jié)約施工成本。

（2）最高工作電壓。這是關(guān)鍵性的指標(biāo)。在電阻率較高地區(qū)，有的即使采用了最高工作電壓，但一次場(chǎng)電位仍然較小，極化不充分，不但嚴(yán)重影響勘探效果，而且數(shù)據(jù)采集效率低下。

（3）供電周期。是指發(fā)射機(jī)完成一次“正供、斷供、負(fù)供、斷供”的時(shí)間。在相同條件下，供電周期越長(zhǎng)，采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)耗時(shí)就越大。

（4）微機(jī)激電儀（接收機(jī)）技術(shù)指標(biāo)。接收機(jī)的輸入阻抗是指接收機(jī)的絕緣程度，一般要求不小于100MΩ。如果發(fā)現(xiàn)接收機(jī)外殼老化或開裂，要及時(shí)更換。接收機(jī)內(nèi)部一般裝有8節(jié)1.5V干電池，在數(shù)據(jù)采集過程中，電池總電壓不得低于8V。在工區(qū)結(jié)束后，要及時(shí)將干電池取下，以免時(shí)間長(zhǎng)電池腐爛影響下次使用。電位、電流、極化率分辨率反映接收機(jī)的靈敏度，一般要求電位分辨率達(dá)到1μV，電流分辨率達(dá)到0.01mA，極化率分辨率達(dá)到0.01%。也就是說電位、電流、極化率變化達(dá)到以上數(shù)值時(shí)，接收機(jī)要有所反應(yīng)。本次施工選用北京地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的大功率激電系統(tǒng)。表2、表3、表4分別是激電發(fā)送機(jī)、激電電源及微機(jī)激電儀的性能及技術(shù)指標(biāo)。各項(xiàng)指標(biāo)都符合本次施工要求。

表2 DJF-10A激電發(fā)送機(jī)技術(shù)指標(biāo)Table 2.Technical specifications of DJF-10A IP transmitter

表3 DZ-10A激電電源技術(shù)指標(biāo)Table 3.Technical indexes of DZ-10A IP power supply

表4 DWJ-3(B)微機(jī)激電儀技術(shù)指標(biāo)Table 4.Technical index of microcomputer IP instrument Dwj-3(B)

3.2 開工前試驗(yàn)

（1）一致性試驗(yàn)。當(dāng)使用兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的接收機(jī)進(jìn)行工作時(shí)，開工前要進(jìn)行一致性試驗(yàn)。主要考察接收機(jī)本身是否存在系統(tǒng)差。具體做法是：選擇一段剖面，要求剖面上極化率有一定的起伏變化，點(diǎn)距MN、供電距AB與實(shí)際工作相同，觀測(cè)點(diǎn)不少于15個(gè)，用每臺(tái)儀器依次對(duì)每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量觀測(cè)，然后計(jì)算出每臺(tái)接收機(jī)的極化率均方差ε以及電阻率的均方相對(duì)誤差M，其數(shù)值要滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

（2）不同供電距AB試驗(yàn)。由于供電極距AB的大小與激電中梯的勘探深度、工作效率及抗干擾能力有關(guān)，太大或太小，都有可能直接影響找礦效果與工效。因此確定供電距AB的長(zhǎng)度，除了要考慮野外施工方便以外，還要通過工區(qū)實(shí)際試驗(yàn)來確定。具體方法是在工區(qū)內(nèi)選擇1條典型剖面，根據(jù)礦體的大致埋深，確定兩種或兩種以上的AB長(zhǎng)度，對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，然后對(duì)極化率數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，取極化率數(shù)據(jù)普遍較高的那一組數(shù)所對(duì)應(yīng)的AB長(zhǎng)度作為整個(gè)工區(qū)供電極距。特別值得注意的是，一旦供電極距通過試驗(yàn)確定以后，則整個(gè)工區(qū)都要以同樣的供電距AB進(jìn)行施工，不得改變。

3.3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集過程要嚴(yán)格按照規(guī)范執(zhí)行，除此之外要特別注意以下幾點(diǎn)：①每天出工前要測(cè)量不極化電極的極差，所配對(duì)使用的兩個(gè)電極極差一定要小于0.1mV。假定某點(diǎn)的極化率ηS=2%，△U=200mV，可以計(jì)算出△U2=4mV，可見極化體由于自身的極化效應(yīng)所產(chǎn)生二次場(chǎng)電位是很小的。如果極差為0.1mV，所測(cè)得的極化率與真實(shí)值的誤差將達(dá)到2.5%；如果極差達(dá)1mV，所測(cè)得的極化率與真實(shí)值的誤差將達(dá)到25%，數(shù)據(jù)基本不可用。如果△U=100mV，則△U2=2mV，如果極差還是0.1mV，則所測(cè)值與真實(shí)值的誤差將擴(kuò)大至5.0%。所以要取得真實(shí)可靠的極化率數(shù)據(jù)，就要盡量減小極差并提高供電電壓來有效提升總場(chǎng)電位值。②有效降低電磁耦合干擾。極化效應(yīng)所產(chǎn)生二次電位很小，所以電磁耦合效應(yīng)也不可忽視。施工中供電線與測(cè)量線要保持一定距離，供電線不要沿主剖面鋪設(shè)，避免與主剖面的測(cè)量線重合，可以在主、副兩條剖面之間鋪設(shè)供電線。如果測(cè)量線與供電線需要交叉，要垂直穿過。③在施工過程中，接收機(jī)操作員要時(shí)刻關(guān)注每個(gè)點(diǎn)一次場(chǎng)電位△U1，如果低于100mV，則需及時(shí)通知主站升高供電電壓、處理A、B電極，重新觀測(cè)。質(zhì)量檢查也要以一次場(chǎng)較小的測(cè)點(diǎn)為重點(diǎn)檢查對(duì)象。

4 不同供電周期對(duì)極化率影響的研究

4.1 微機(jī)激電儀工作原理

微機(jī)激電儀具有“單塊極化”和“多塊極化”兩個(gè)選項(xiàng)。單塊極化每次觀測(cè)只出現(xiàn)一個(gè)極化率數(shù)值η。多塊極化每次觀測(cè)一般會(huì)出現(xiàn)5個(gè)極化率數(shù)值η1～η5，正常情況下都是η1＞η2＞η3＞η4＞η5，而且相鄰的兩個(gè)極化率數(shù)值相差不大于1。這也是判斷觀測(cè)結(jié)果正確與否的重要依據(jù)。施工中一般選用多塊極化。

視極化率計(jì)算公式ηS=△U2/△U×100%。其中△U是極化體充電達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的電位值，稱之為總場(chǎng)（圖1）?！鱑2是充電達(dá)飽和狀態(tài)下斷電瞬間的電位值，稱之為二次場(chǎng)。△U1是無(wú)極化時(shí)的電位值，稱之為一次場(chǎng)。

圖1中，a為供電曲線，b是放電曲線。當(dāng)發(fā)送機(jī)通過電極A、B供電時(shí)，打開接收機(jī)，會(huì)連續(xù)觀測(cè)測(cè)量電極M、N之間的電位差，并與前值進(jìn)行比較。某時(shí)刻起，后面連續(xù)觀測(cè)的幾個(gè)值幾乎相等并與前值相等或相差很小時(shí)，接收機(jī)自動(dòng)識(shí)別充電已達(dá)飽和狀態(tài)，并將此值記為總場(chǎng)△U，即使還在繼續(xù)供電，接收機(jī)也處于等待狀態(tài)。外電場(chǎng)電流越大，充電達(dá)飽和值的時(shí)間就越短。當(dāng)供電脈沖斷供時(shí)，瞬間觸發(fā)接收機(jī)即刻測(cè)出M、N之間的電位差△U2，從而計(jì)算出正向供電時(shí)的極化率ηS+。放電完成后，開始反向供電，同樣的過程，計(jì)算出反向供電的極化率ηS-，兩者的平均值作為該點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果，即ηS=（ηS++ηS-）/2。一般來說，充電達(dá)飽和狀態(tài)的時(shí)間與放電趨于0所需時(shí)間大致相當(dāng)，所以發(fā)送機(jī)采用方波供電，即正供、斷供、負(fù)供、斷供時(shí)間相等。

圖1 極化體充放電曲線示意圖（t為時(shí)間；u為電壓）Figure 1.Schematic diagram of charge and discharge curve of polarized body（T time;U voltage）

假設(shè)采用的供電脈沖過窄（周期很短），極化體未能達(dá)到飽和狀態(tài)，充電曲線a還處于上升階段時(shí)就斷供了，接收機(jī)未能測(cè)出總場(chǎng)△U，就會(huì)不斷測(cè)量，屏幕無(wú)顯示，超出設(shè)定時(shí)限會(huì)顯示“錯(cuò)誤”或出現(xiàn)錯(cuò)誤的觀測(cè)結(jié)果：η1～η5跳變很大，也不是按照從大到小的順序排列。如果外部供電電流很小，不能在設(shè)定的時(shí)限內(nèi)使極化體達(dá)到飽和狀態(tài)，則接收機(jī)同樣會(huì)顯示 “錯(cuò)誤”或出現(xiàn)不正確結(jié)果?？梢姛o(wú)論供電周期大小，接收機(jī)能顯示出的正確觀測(cè)結(jié)果就是充電達(dá)飽和狀態(tài)下的極化率值。

4.2 不同周期極化率對(duì)比試驗(yàn)

試驗(yàn)采用發(fā)送機(jī)固定的幾個(gè)周期值：4秒、8秒、16秒、32秒、64秒。選擇工區(qū)內(nèi)52線上連續(xù)的22個(gè)測(cè)點(diǎn)為試驗(yàn)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)不同供電周期所測(cè)得的極化率數(shù)值（只取η1值）列于表5。

表5 不同供電周期極化率數(shù)據(jù)對(duì)比表Table 5.Comparison of polarizability data for different power supply cycles

在40號(hào)點(diǎn)，首先供電電壓選擇最小檔50V，此時(shí)顯示電流僅有8mA，一次場(chǎng)△U1僅為10mV。采用最短周期4秒和最長(zhǎng)周期64秒進(jìn)行比較試驗(yàn)。打開接收機(jī)，一段時(shí)間后均顯示錯(cuò)誤信息。將供電電壓提升到800V，此時(shí)顯示電流為860mA，△U1為1.5V，再打開接收機(jī)進(jìn)行觀測(cè)，4s周期很快測(cè)出正確結(jié)果，ηS=2.59%；64s周期需要經(jīng)過1分多鐘的等待才出現(xiàn)正確結(jié)果，ηS=2.62%。一旦顯示出觀測(cè)結(jié)果以后，接收機(jī)便自動(dòng)停止工作。

從表5可以看出，不同周期所測(cè)出的極化率值差距不大，且無(wú)規(guī)律可循，并非周期越長(zhǎng)，極化率數(shù)值就越大。唯一可循的是隨著供電周期逐漸加大，每個(gè)測(cè)點(diǎn)需要等待的時(shí)間越來越長(zhǎng)。通過以上試驗(yàn)可以得出結(jié)論：極化率值與供電周期無(wú)關(guān)，提高供電電壓、增大供電電流才是取得優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。

5 取得成果

（1）本項(xiàng)目向甲方提供高極化率異常區(qū)5個(gè)，結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造條件及成礦規(guī)律，優(yōu)選1個(gè)異常區(qū)（圖2）交與甲方布鉆驗(yàn)證，結(jié)果在埋深65m～75m之間，見2m左右的黃銅礦（化）體，且具較強(qiáng)的黃鐵礦化，局部見斑銅礦、輝銅礦等。

圖2 高極化率異常區(qū)及設(shè)計(jì)孔位置示意圖Figure 2.Schematic diagram of areas of high polarizability anomalies and locations of designed holes

（2）共完成大功率激電中梯測(cè)點(diǎn)4250個(gè)（包括重點(diǎn)區(qū)域加密測(cè)量點(diǎn)），在不影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下，采用短周期4秒供電，極大地提高了工效，降低了生產(chǎn)成本，按時(shí)保質(zhì)保量地完成了礦產(chǎn)勘查任務(wù)。

6 結(jié)論

隨著科技進(jìn)步，現(xiàn)代使用的微機(jī)激電儀智能化、自動(dòng)化程度很高，所測(cè)得的極化率數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，與供電周期的長(zhǎng)短無(wú)關(guān)。采用儀器系統(tǒng)配套的最短周期供電，不但能成倍提高工效，節(jié)約生產(chǎn)成本，還能有效控制極差所產(chǎn)生的不利影響，數(shù)據(jù)更真實(shí)可靠。