地球物理勘查技術(shù)及其應(yīng)用研究

彭江濤，申開洪，張 平

（1.河南省地質(zhì)調(diào)查院，鄭州 450001；2.河南省地質(zhì)科學(xué)研究所，鄭州 450001；3.河南省地質(zhì)科學(xué)研究所，鄭州 450001）

隨著當(dāng)今科技水平的不斷提升，地球物理勘查的方式和方法也有了相應(yīng)的創(chuàng)新，就當(dāng)今的礦產(chǎn)的資源勘查中，具有相當(dāng)好的應(yīng)用前景，但是地球物理勘查的觀測(cè)結(jié)果有一定的多解性，所以要選取正確而合適的方法和技術(shù)，這也是勘查行業(yè)中比較重要的部分。

1 地球物理探測(cè)方法簡(jiǎn)介及應(yīng)用范圍

地球物理勘測(cè)技術(shù)[1]，顧名思義就是運(yùn)用物理學(xué)和數(shù)學(xué)相結(jié)合的一門綜合性比較強(qiáng)的學(xué)科，它是對(duì)地球的各種物理場(chǎng)的分部和變化規(guī)律進(jìn)行相關(guān)觀測(cè)，探究地球的內(nèi)部和外部的物質(zhì)組成、介質(zhì)構(gòu)造和演變和形成過程，從而達(dá)到探尋各種自然現(xiàn)象和變化規(guī)律的目的，通過相關(guān)的技術(shù)，探測(cè)出地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，為災(zāi)害預(yù)報(bào)提供真實(shí)的數(shù)據(jù)。

地球物理學(xué)被分為應(yīng)用地球物理和理論地球物理兩大類，其中應(yīng)用地球物理有金屬與非金屬勘探、能源勘探和環(huán)境與項(xiàng)目探測(cè)等等?？碧降厍蛭锢韺W(xué)利用一些物理方法對(duì)礦、油、項(xiàng)目和環(huán)境監(jiān)測(cè)進(jìn)行研究，通常我們一般用地震勘探、電法勘探、重力勘探、發(fā)射性勘探、磁法勘探等等一系列的技術(shù)，運(yùn)用地球物理的測(cè)量?jī)x器，來對(duì)地下的地球物理場(chǎng)信息進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)采集，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、反推和解釋，從而推出地下結(jié)構(gòu)和礦源的分部情況?？碧降厍蛭锢韺W(xué)一般是對(duì)石油、金屬和非金屬礦床、地下水等進(jìn)行相關(guān)的勘探，這也是勘探地球物理中主要學(xué)科。

從數(shù)學(xué)的方面來講，地球物理勘測(cè)可以抽象成通過模型空間的某種映射關(guān)系，從而來得到可感知的數(shù)據(jù)空間，在通過這個(gè)逆過程變換到模型空間，具體的過程如圖1，這種映射遵循地球物理學(xué)兩大模型，包括場(chǎng)效應(yīng)和濾波器。對(duì)于我們所得到的地球物理數(shù)據(jù)，我們一般會(huì)有兩種處理方式，分別是基于信號(hào)分析理論的信號(hào)處理技術(shù)和基于物理場(chǎng)效應(yīng)理論的反演技術(shù)，第一種主要是去雜、增益、提取有用的信號(hào)，第二種在模型空間尋找一組參數(shù)向量，通過這種映射關(guān)系，來得到數(shù)據(jù)空間的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在一定的假設(shè)條件下，反演就可以表示某種誤差極小化問題，通過模型參數(shù)和模型正演來得到合成數(shù)據(jù)，在和觀測(cè)數(shù)據(jù)匹配計(jì)算出M 的參數(shù)，地球反演包括參數(shù)模型的建立、模型正演和極小化問題，關(guān)于極小化這個(gè)問題，從不同的角度關(guān)注的重點(diǎn)也會(huì)有所不同，在數(shù)學(xué)方面，人們可能會(huì)更加關(guān)注與他的存在性、唯一性和穩(wěn)定性，而從地球物理的角度來說，則更加關(guān)注于它模型正演的物理機(jī)制，而在我的實(shí)際應(yīng)用中，更加關(guān)心所建立的參數(shù)模型是否能滿足我們的實(shí)際生活。

圖1 地球物理探測(cè)空間變換示意圖Fig.1 Schematic diagram of space transformation of geophysical exploration

1.1 電法勘探

電法勘測(cè)[2]先是研究地層的電學(xué)性質(zhì)、磁場(chǎng)變化，由于不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)的電學(xué)性質(zhì)是有一定的差異性的，通過儀器來測(cè)量電場(chǎng)的分布和規(guī)律，從而來了解地質(zhì)結(jié)構(gòu)如何，來達(dá)到勘探的目的。電法勘探分為兩個(gè)大類，分別是傳導(dǎo)類電法和感應(yīng)類電磁法，下面我們從其中的挑選幾個(gè)比較典型的方法進(jìn)行闡述。

電測(cè)深法先是在同一個(gè)測(cè)點(diǎn)不斷的擴(kuò)大它的電極距，隨著深度的不斷深入看垂直方向上從淺到深的電阻率的變化規(guī)律，同時(shí)根據(jù)目的物和周邊介質(zhì)電阻率的變化規(guī)律，得到地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)分部情況的一種勘探方法。第二種勘探法是K剖面法，它所涉及到的理論基礎(chǔ)是電磁場(chǎng)和波動(dòng)場(chǎng)，它是把實(shí)際所采集到的數(shù)據(jù)和解釋方法相結(jié)合，這樣就突破了常規(guī)的電阻率量板法的思路，并對(duì)此建立一整套的數(shù)值解釋法，起初的K剖面解釋用的是微分的一二次等幾個(gè)基本參數(shù)，但大部分就能進(jìn)行單支曲線求解，通過研究者們的不斷探討，現(xiàn)在的K剖面法利用一、二次微分和相關(guān)參數(shù)推出了和巖石的孔隙率有關(guān)的冠以充填系數(shù)Kv，于此有關(guān)的軟弱界面有關(guān)的廣義界面系數(shù)Jv。通過這些參數(shù)較好的反映出巖土體在不同電阻率地質(zhì)機(jī)構(gòu)，這對(duì)于那些發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害防止更為的有效。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是通過提高似電阻率Ps 給Kv 參數(shù)解決相應(yīng)的地質(zhì)異常難題，像傳統(tǒng)的電法勘探是把視電阻率Ps作為解決地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)鍵因素。

在目前為止，除了以上兩種方法之外，還有一種名為電剖面法[3]，第一步先把裝置的極距維持不變，再沿著觀測(cè)線觀測(cè)地下不同深度的大地電阻率在水平方向上的變化，根據(jù)目的物和周邊介質(zhì)電阻率的變化差異。于此不同的一種方法是高密度電法，它是由電測(cè)深和電剖面法相結(jié)合，而且他的觀測(cè)點(diǎn)的密度比較的高，這樣來探測(cè)水平和垂直方向上電性的變化差異。

1.2 探地雷達(dá)法（GPR）

探地雷達(dá)法[4]是電磁波勘探的一類，他主要是利用高頻的電磁波，電磁波以短脈沖的形式從地面發(fā)射天線到地下，由于不同的地層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)是不同，通過相關(guān)的儀器來接收不同地層反射的電磁波。電磁波在不同的介質(zhì)中傳播的時(shí)候，它的路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度和波形都會(huì)隨之而改變。當(dāng)接收和發(fā)射的天線以固定的距離在側(cè)量線上移動(dòng)時(shí)，在儀器上我們可以我們就可以得到地質(zhì)雷達(dá)圖像，當(dāng)介質(zhì)是完整致密、性質(zhì)均一的時(shí)候，反射波是比較弱的，而當(dāng)有巖溶破碎地帶的時(shí)候，它和周圍的介質(zhì)的介電差異是比較的大，反射波也是比較強(qiáng)的。

1.3 地震波勘探

地震波探測(cè)[5]利用人工激發(fā)的彈性波，并沿著測(cè)線的不同位置用相關(guān)的儀器測(cè)試大地的震動(dòng)，所得的信號(hào)會(huì)是數(shù)字的形式進(jìn)行儲(chǔ)存，以此方便計(jì)算機(jī)提高它的信噪比，獲取有意義的信息，從而解釋最終的結(jié)果。由于電磁波在不同的介質(zhì)進(jìn)行傳播時(shí)，它的路徑、振動(dòng)的強(qiáng)度和波形將會(huì)因介質(zhì)的彈性性質(zhì)和幾何結(jié)構(gòu)的不同而有所改變，因?yàn)橛辛诉@些變化，通過分析波的旅行時(shí)間和速度資料來推導(dǎo)出波的傳播路徑和介質(zhì)結(jié)構(gòu)，若要推斷出巖石的性質(zhì)，就必須獲取波的振幅、頻率和地層的速度等等相關(guān)參數(shù)，其實(shí)地震波的傳播方式和幾何光學(xué)的傳播方式大致是相似的。波傳播時(shí)，當(dāng)遇見彈性分界面的時(shí)候，就會(huì)有反射和折射，通過儀器來接收不同的波，這樣就可以構(gòu)成不同的地震勘探方法。若直接穿越地質(zhì)目標(biāo)的體的地震波的時(shí)候就會(huì)有透射波勘探，而在我們的實(shí)際操作中，我們一般都是用地震縱波，地震波在地質(zhì)結(jié)構(gòu)中傳播的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生不同種類的轉(zhuǎn)換波，若橫波、瑞雷波，對(duì)應(yīng)的就會(huì)形成地震橫波、瑞雷波勘探[6]。

2 應(yīng)用

2.1 地球物理探測(cè)的應(yīng)用

第一種是重力勘探[7]，被應(yīng)用于精密儀器觀測(cè)，通過觀測(cè)地層的、礦體的密度差異的重力場(chǎng)的變化，對(duì)礦產(chǎn)和地質(zhì)進(jìn)行勘查，被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)的地質(zhì)研究中，也成為礦產(chǎn)預(yù)測(cè)的一個(gè)重要依據(jù)。還有一種勘探方式是磁法勘探，它是根據(jù)不同的自然巖石和礦石具有不同的磁性，通過磁力儀觀測(cè)磁場(chǎng)的變化情況，從而來解決礦產(chǎn)勘查和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的問題，除此之外，磁力儀是比較的輕便的，工作的效率高而成本也是很低的，對(duì)于勘探鐵磁性礦產(chǎn)和有磁性的矽卡巖中的有色金屬礦是比較好的一種方式，在我們的實(shí)際操作中，將磁力儀裝在飛機(jī)上，就可以大面積的對(duì)我們要勘探的地方進(jìn)行掃描。下面這種方法是根據(jù)巖石和礦石之間的電性差異進(jìn)行礦產(chǎn)的勘查和基礎(chǔ)地質(zhì)的研究方法，其中包括直流電阻率法、直流激發(fā)極化法（IP）、瞬變電磁法（TEM）、可控源變頻大地電磁（EH4）和可控源音頻大地電磁（CSAMT）這5 種方法。

直流電阻率法[8]是通過給地下供給直流電來觀測(cè)電位的變化，并計(jì)算他們的電阻率，在水文勘查中應(yīng)用的比較的廣泛，但是他受地形的影響是比較的大，再者便是直流激發(fā)極化法（IP），它主要是對(duì)一些的硫化礦體進(jìn)行勘探，效果也是相當(dāng)?shù)牟诲e(cuò)的，像黃鐵礦、鉛鋅礦、斑巖銅礦和銅礦等等，與勘探有色金屬礦的效果要好的多，在含金破碎帶和水的分界帶上也是不錯(cuò)的，但是它所需要的儀器是比較的笨重的，而且勘探的深度也是比較的小，一般都是在200M的范圍內(nèi)，激電方法包括了雙頻激電和幅頻激電，除了以上使用的電法以外，還用一種名為）瞬變電磁法（TEM），它是利用不用接地回線就向地下發(fā)送相應(yīng)的脈沖式的電磁場(chǎng)，再通過儀器觀測(cè)地下的礦體和地質(zhì)體產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)，通過計(jì)算它們的電阻率，從而來尋找礦和解決地質(zhì)問題，他主要是被應(yīng)用于劃分巖性層和勘探含礦的破碎地帶和含水層，相比于前面的幾種方法，它所需的儀器是比較的輕便，而且探測(cè)的深度也是比較的深，深度一般會(huì)達(dá)到500m 以上，最后一種是地震勘探，它是利用不同的地層彈性波阻抗的差異性，通過人工激發(fā)地震，再用儀器測(cè)量地震波的信號(hào)，從而觀察地質(zhì)機(jī)構(gòu)的分布，這種方式被人們廣泛的應(yīng)用于石油、煤田和工程中，除此之外，高分辨率三維地震也被應(yīng)用于層析成像技術(shù)。

2.2 物探方法應(yīng)用中注意的幾個(gè)問題

僅有在一些特定的條件下，這些物探方法才會(huì)有用，其中主要包括以下3 個(gè)方面，第一個(gè)便是地質(zhì)體、礦體和圍巖物性存在著差異性，且礦化體、地質(zhì)體的規(guī)模是比較的大，埋藏的也比較的淺，最后它的地形條件也要好。下面我們從合理的選擇物探方法和物探資料的多解性、等效性這幾個(gè)方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

第一步選擇一個(gè)合理物探方法是實(shí)驗(yàn)開始的最為重要的一步，像是角巖有關(guān)的礦產(chǎn)、鐵磁性礦產(chǎn)（鐵礦）和基性巖、超基性巖有關(guān)的礦產(chǎn)，我們一般都是采用磁法對(duì)此進(jìn)行勘探研究的，采用這種方法快速而經(jīng)濟(jì)。如果是硫化體的礦體，一般是用電法，主要是激電可以探測(cè)到黃鐵礦化的破碎地帶，在我們勘探金礦的時(shí)候，可以間接性的為我們找到礦源。對(duì)于一些埋藏在比較深的礦源，我們就用直流電的方法，像沉積礦床，我們一般是采用重力法，而上文提到的地震法可以精確的勘探地質(zhì)巖層的厚度和構(gòu)造。

我們用儀器所獲取的數(shù)據(jù)資料是存在多解性和等效性的，下面我們就分成三個(gè)部分進(jìn)行闡釋，在我們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，像遇見矽卡巖和基性火山巖時(shí)，他們的磁性是比較強(qiáng)的，會(huì)對(duì)儀器產(chǎn)生干擾作用，而碳質(zhì)巖和黃鐵礦化在進(jìn)行激電的時(shí)候會(huì)有非礦異常的現(xiàn)象產(chǎn)生，除此之外，如果遇見地形是有強(qiáng)烈起伏和巖溶破碎帶的時(shí)候，就會(huì)影響電阻率的采集異常，這也會(huì)影響我們的勘探任務(wù)，所以在我們進(jìn)行勘探的時(shí)候，一定的對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的綜合考慮。當(dāng)我們遇見有色金屬礦的時(shí)候，由于它一般都是埋藏在巖層比較深的地帶，而且有色金屬礦的礦層是比較的薄、品味也是較低的，這就會(huì)使得形成的物探是比較的弱的，因此我們就必須對(duì)有色金屬礦的物探方法的可行性和有效性進(jìn)行綜合性的考慮，在我們進(jìn)行找礦的工作的時(shí)候，應(yīng)該使用多種方法對(duì)我們礦源進(jìn)行勘探，對(duì)于各種干擾因素應(yīng)盡可能的尋找到對(duì)應(yīng)的解決方案，這樣努力的提高找礦的效果。

3 結(jié)語

經(jīng)過近幾年的科研人員的不斷實(shí)踐，物探法已成為探礦中比較重要的一種方式，隨著現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，科技的不斷更新，大量的高端儀器也隨著出現(xiàn)，這為我們找礦提供了大量的便捷性，與此同時(shí)，物化探的領(lǐng)域也跟著擴(kuò)大，由于現(xiàn)在人們對(duì)于礦產(chǎn)的需求量是比較大的，這就導(dǎo)致了對(duì)礦產(chǎn)資源的勘查力度隨著增大，物化探也就成為當(dāng)今選礦的一種主要方式。