基于激發(fā)極化弛豫時(shí)間譜的浸染型海底多金屬硫化物巖石物性評(píng)價(jià)方法

伍操為,鄒長(zhǎng)春*,吳濤,周建平,陶春輝

1 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083 2 自然資源部第二海洋研究所，杭州 310012

0 引言

隨著海洋探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，開(kāi)發(fā)利用海洋礦產(chǎn)資源已成為可能(Glasby,2002).作為海底熱液活動(dòng)的主要產(chǎn)物，海底多金屬硫化物富含銅、鐵、鎳、金、銀等金屬，具有極高的開(kāi)采價(jià)值，已經(jīng)引起了諸多經(jīng)濟(jì)體以及礦業(yè)公司的注意(Glasby,2002;Hoagland et al.,2010;Hannington et al.,2011;陶春輝等，2014).海底多金屬硫化物在礦床的不同層位會(huì)呈現(xiàn)不同的分布形態(tài)，如浸染分布型、網(wǎng)狀分布型、塊狀分布型等(Komori et al.,2017).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，海底多金屬硫化物的物性尤其是激電特性與圍巖存在明顯不同，相比于大洋玄武巖和角礫巖，塊狀多金屬硫化物巖石的直流電阻率要低1～3個(gè)數(shù)量級(jí)，極化率也更高(Nakayama et al.,2011;Spagnoli et al.,2016;李澤等，2019;Tao et al.,2020).海域資源調(diào)查的結(jié)果同樣表明，硫化物礦床會(huì)出現(xiàn)明顯的極化率異常(Goto et al.,2008,2011;Kowalczyk,2011;Ishizu et al.,2019).為了對(duì)海底多金屬硫化物進(jìn)行勘探開(kāi)發(fā)，鉆探和取心是必不可少的，在海底鉆孔中開(kāi)展激發(fā)極化測(cè)井，能夠?qū)Ω鲗游坏募る娞匦赃M(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而為含礦層的識(shí)別和評(píng)價(jià)工作提供有力支撐.

激發(fā)極化法(IP)是基于巖石對(duì)電荷可逆儲(chǔ)存性的一種方法，廣泛應(yīng)用于陸域金屬礦勘探、油氣勘探、水文地質(zhì)勘查等工作中，可以分為頻率域和時(shí)間域兩大類(Kemna et al.,2012).頻率域激發(fā)極化法(FDIP)近年來(lái)以復(fù)電阻率法(SIP)為主，即在一個(gè)較大的頻率范圍(通常為10-3～103Hz)內(nèi)開(kāi)展連續(xù)掃頻測(cè)量，通過(guò)記錄到的復(fù)電阻率譜和相位譜來(lái)分析巖石的激電特性.時(shí)域激發(fā)極化法(TDIP)通過(guò)對(duì)地層通入一段時(shí)間的恒定電流，記錄斷電后的二次電壓衰減曲線，并基于該衰減曲線對(duì)地層的激電特性進(jìn)行分析(Florsch et al.,2011;Dusabemariya et al,2020).因?yàn)镾IP具有較大的掃頻測(cè)量區(qū)間，一般被認(rèn)為能夠比TDIP更加精細(xì)地對(duì)巖石激電特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，但其單次測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，且對(duì)儀器性能要求高，需要能夠連續(xù)發(fā)射多種頻率的電流.TDIP只需要發(fā)射單一頻率的電流，對(duì)儀器性能要求低，一般直流電阻率儀器都能完成測(cè)量，且單次測(cè)量時(shí)間短，因此能夠更加經(jīng)濟(jì)、高效地在海底鉆孔中部署.

在金屬礦勘探領(lǐng)域，目前對(duì)TDIP資料的分析方法主要有兩種，第一種是直接對(duì)巖石的視直流電阻率和視極化率進(jìn)行分析(Yoshikawa H and Yoshikawa M,1978；Bartetzko et al.,2003;李兆祥等，2015；李建良，2016；張剛和呂慶田，2019).網(wǎng)狀、塊狀分布型海底多金屬硫化物巖石具有明顯的低電阻率和高極化率特征，較易識(shí)別.就多金屬硫化物呈浸染狀分布的巖石而言，金屬硫化物顆粒之間的連通性較差，且小粒徑硫化物顆粒具有較高的截止頻率，在低頻電場(chǎng)中易表現(xiàn)出絕緣特性，此時(shí)巖石的導(dǎo)電作用由孔隙中的海水主導(dǎo)，因此含礦巖石與同等孔隙度的未礦化巖石在直流電阻率上可能差異不大(Revil et al.,2015；Komori et al.,2017).可見(jiàn)，直流電阻率在浸染型海底多金屬硫化物礦層的識(shí)別和評(píng)價(jià)上可能具有一定的局限性.極化率受圍巖骨架導(dǎo)電性的影響較小，但其作為一個(gè)單一的數(shù)值，能夠反映的地層信息較少.第二種分析方法是基于時(shí)域Cole-Cole模型，利用反演算法計(jì)算出TDIP二次衰減曲線(即視極化率曲線)的弛豫時(shí)間常數(shù)τ、金屬因子等頻譜激電參數(shù)來(lái)分析地層的激電特性.目前第二種方式的應(yīng)用較少，一些反演算法的效率和精度仍需進(jìn)一步提高(藍(lán)常斌等，2012；曹平華和羅潤(rùn)林，2014；楊紅等，2015；彭偉等，2018).在石油測(cè)井領(lǐng)域，根據(jù)電化學(xué)作用下的載流子運(yùn)移特征，可以基于砂、泥巖的TDIP二次衰減曲線計(jì)算弛豫時(shí)間譜.弛豫時(shí)間譜一般用于評(píng)估儲(chǔ)層的孔徑分布以及滲透率、孔隙度等參數(shù)，通過(guò)與其他測(cè)井方法結(jié)合，還可以用于評(píng)估儲(chǔ)層的陽(yáng)離子吸附能力、剩余油飽和度等參數(shù)(童茂松等，2005;Tong et al.,2006;Liu et al.,2014a).近年來(lái)，弛豫時(shí)間譜的反演算法取得了較大的發(fā)展，精度和速度都不斷提高(Liu et al.,2014b；童茂松，2015;Zhang et al.,2016).

盡管弛豫時(shí)間譜方法在石油測(cè)井領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但在金屬礦勘探尤其是海底多金屬硫化物勘探評(píng)價(jià)中的應(yīng)用較少.本研究基于金屬硫化物的激發(fā)極化機(jī)理和模型，改進(jìn)了弛豫時(shí)間譜反演方法，并對(duì)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)開(kāi)展弛豫時(shí)間譜分析，研究弛豫時(shí)間譜和浸染型海底多金屬硫化物巖石激電特性參數(shù)之間的關(guān)系.

1 弛豫時(shí)間譜分析方法

本節(jié)首先從金屬硫化物的激發(fā)極化理論出發(fā)，結(jié)合電子導(dǎo)體的激發(fā)極化衰減模型，提出適用于金屬硫化物巖石的弛豫時(shí)間譜反演方法，隨后基于該方法對(duì)理論以及實(shí)測(cè)TDIP數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，同時(shí)還計(jì)算出時(shí)間域Cole-Cole模型參數(shù)進(jìn)行對(duì)比.

1.1 弛豫時(shí)間譜反演的基本理論

原位環(huán)境下海底多金屬硫化物巖石的孔隙中充滿了海水，因此金屬硫化物顆?？梢暈樘幱谌芤褐?純凈的金屬硫化物為本征半導(dǎo)體，在巖石兩端施加恒定電場(chǎng)，金屬硫化物顆粒內(nèi)部帶負(fù)電荷的電子和帶正電荷的電子空穴(假想)會(huì)分別向顆粒兩端移動(dòng)，持續(xù)供電一段時(shí)間后，正負(fù)電荷會(huì)分別聚集到顆粒兩端，此時(shí)硫化物顆?？梢暈橐粋€(gè)電偶極子.撤去外電場(chǎng)后，顆粒兩端的電荷逐漸重新回到平衡位置，從而產(chǎn)生擴(kuò)散電場(chǎng)，即TDIP測(cè)量的二次電壓(圖1).巖石孔隙也會(huì)產(chǎn)生激發(fā)極化效應(yīng)，但遠(yuǎn)弱于金屬硫化物顆粒.巖石整體的激發(fā)極化效應(yīng)是其內(nèi)部各種極化源的激發(fā)極化效應(yīng)的線性疊加，對(duì)于砂、泥巖而言，巖石內(nèi)部的極化源為一系列不同直徑的孔隙，而浸染型海底多金屬硫化物巖石內(nèi)部的極化源除孔隙外還包含各種金屬硫化物顆粒.

圖1 時(shí)域激發(fā)極化法測(cè)量示意圖Fig.1 Schematic diagram of time domain induced polarization measurement

(1)

(2)

從式(2)中求解出G(τ)就能夠獲得含礦巖石的弛豫時(shí)間譜，進(jìn)一步建立弛豫時(shí)間譜與巖石激電參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以更加全面地對(duì)巖石的物性進(jìn)行分析.

為了求取G(τ)，需要將式(2)離散化，并構(gòu)建線性方程組

Ax=b,A∈Rn×m,x∈Rm,b∈Rn,

(3)

其中bn×1為二次衰減曲線的測(cè)量點(diǎn)，即bn×1=(V1,V2,…,Vn)T；xm×1為計(jì)算得到的G(τ)，即xm×1=(G1,G2,…,Gm)T.An×m為預(yù)先設(shè)置好的離散化單元矩陣，

(4)

(5)

為了降低測(cè)量數(shù)據(jù)信噪比對(duì)xm×1的影響，需要對(duì)上述方程式進(jìn)行正則化處理，即在方程式后加入一個(gè)約束項(xiàng)，約束項(xiàng)包括正則化因子λ和約束矩陣W(童茂松，2015).新的方程組可以寫為

min∶‖b-Ax‖2+λ2‖Wx‖2.

(6)

1.2 TDIP數(shù)據(jù)的獲取和弛豫時(shí)間譜反演

為了研究弛豫時(shí)間譜與海底多金屬硫化物巖石激電特性參數(shù)間的關(guān)系，本研究分別對(duì)理論數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行弛豫時(shí)間譜分析.理論數(shù)據(jù)是基于時(shí)間域Cole-Cole模型(式(1))生成的二次衰減曲線.Cole-Cole總極化率和弛豫時(shí)間常數(shù)是礦體勘探評(píng)價(jià)中最關(guān)心的參數(shù)，因此生成兩類二次衰減曲線，第一類曲線的總極化率M相同，弛豫時(shí)間常數(shù)τ不同；第二類曲線的弛豫時(shí)間常數(shù)τ相同，總極化率M不同.

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是在實(shí)驗(yàn)室模擬海底環(huán)境，并對(duì)人工巖樣進(jìn)行時(shí)域激發(fā)極化測(cè)量所得到的數(shù)據(jù).人工巖樣為玄武巖粉末和硫鐵礦顆?；旌喜⑺嗄z結(jié)制成的直徑25 mm標(biāo)準(zhǔn)柱狀樣，可分為兩類，第一類巖樣具有相同的金屬硫化物體積分?jǐn)?shù)，不同的金屬硫化物粒徑，第二類巖樣具有相同的金屬硫化物粒徑，不同的金屬硫化物體積分?jǐn)?shù).巖樣的孔隙度均介于0.25～0.29之間，其基本信息如表1所示.采用礦化度與海水相當(dāng)?shù)腘aCl溶液(3.5%)對(duì)上述巖樣進(jìn)行飽和，該溶液在18 ℃時(shí)的電導(dǎo)率為3.8 S·m-1.基于四電極法開(kāi)展測(cè)量，夾持裝置總體上分為電極盒、巖樣套筒兩個(gè)部分.電極盒由有機(jī)玻璃制成，其中充滿了NaCl溶液(與巖樣飽和液相同).供電電極為一對(duì)8 cm×8 cm網(wǎng)狀電極，固定在電極盒的內(nèi)邊緣，測(cè)量電極為一對(duì)Ag-AgCl不極化電極(圖2).測(cè)量前，首先將巖樣置于100 ℃烘干箱中干燥12 h，隨后把巖樣放入真空加壓飽水儀器中，設(shè)定壓力為30 MPa，飽水24 h.測(cè)量時(shí)，巖樣被放置于夾持裝置中央的絕緣膠套中，并被軟管夾夾緊，僅露出兩個(gè)端面，該處理能夠保證測(cè)量時(shí)孔隙水不易揮發(fā)，同時(shí)避免巖樣表面形成旁路電流.測(cè)量?jī)x器為加拿大GDD公司生產(chǎn)的SCIP巖心電性測(cè)量?jī)x，設(shè)置供電時(shí)間為4 s，供電電壓為3 V，采樣數(shù)為20，采樣區(qū)間為斷電后20～2890 ms(與理論數(shù)據(jù)不同，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的視極化率單位為mV/V).

圖2 本研究中采用實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖Fig.2 Schematics of the experimental apparatus used in this study

表1 實(shí)測(cè)巖樣的特征.φ表示巖樣的孔隙度,φ表示金屬硫化物的體積分?jǐn)?shù),r表示金屬硫化物顆粒的平均粒徑

本研究中弛豫時(shí)間譜的求解過(guò)程可以分為以下步驟：(1)在一定范圍內(nèi)(0.001～10 s)隨機(jī)選擇一系列τ，從而設(shè)定式(3)中的離散單元矩陣An×m；(2)從測(cè)量得到的視極化率衰減曲線中選擇一定的數(shù)據(jù)點(diǎn)(t,m)；(3)構(gòu)建線性方程組Ax=b；(4)對(duì)方程組進(jìn)行正則化處理，加入正則化因子和約束矩陣，其中正則化因子通過(guò)“L”曲線法選取，約束矩陣采用單位矩陣；(5)采用吉洪諾夫正則化方法求解方程，獲得初始弛豫時(shí)間譜，即(τ,G(τ)).獲得的G(τ)可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，需要對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行非負(fù)約束.非負(fù)約束分為以下步驟：1)將G(τ)的計(jì)算值代入式(6)，計(jì)算m′=Ax，以及實(shí)際值與理論值的差Δm=m-m′；2)將Δm代入式(6)，計(jì)算出校正值ΔG(τ)，并令G(τ)k=G(τ)+ΔG(τ)；3)如果G(τ)k中的每個(gè)值都非負(fù)，則將G(τ)k作為最終解，否則重復(fù)上述過(guò)程.

1.3 TDIP數(shù)據(jù)的Cole-Cole模型參數(shù)反演

為了對(duì)比Cole-Cole模型和弛豫時(shí)間譜對(duì)多金屬硫化物巖石物性特征的評(píng)價(jià)效果，除了計(jì)算弛豫時(shí)間譜外，還對(duì)部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的Cole-Cole模型參數(shù)進(jìn)行了求取.基于時(shí)域Cole-Cole模型(式(1))，采用模擬退火法對(duì)二次衰減曲線進(jìn)行擬合，最小化目標(biāo)函數(shù)可以寫為

(7)

其中mobs(ti)為ti時(shí)刻實(shí)測(cè)的視極化率，mfit(ti)表示擬合的ti時(shí)刻的視極化率，N表示數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù).采用數(shù)據(jù)本身來(lái)約束總極化率的大小，即mobs(t1)

2 結(jié)果

利用推導(dǎo)出的基于本征半導(dǎo)體激發(fā)極化模型的反演方法以及模擬退火法分別計(jì)算出了理論和巖石物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的弛豫時(shí)間譜及總極化率、弛豫時(shí)間常數(shù)等Cole-Cole模型參數(shù).

2.1 Cole-Cole模型參數(shù)

Cole-Cole模型與理論數(shù)據(jù)的擬合效果較好，相對(duì)誤差較低，體現(xiàn)了反演算法的可靠性(圖3a).Cole-Cole模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在衰減早期擬合效果相對(duì)較好，但在衰減后期擬合效果略差(圖3b).

圖3 理論二次衰減曲線(a)和巖樣P7實(shí)測(cè)二次衰減曲線(b)的Cole-Cole模型擬合結(jié)果Fig.3 Cole-Cole model fitting of the synthetic secondary decay curve (a)and laboratory measured secondary decay curve of sample P7 (b)

對(duì)于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)而言，保持金屬硫化物粒徑不變，當(dāng)金屬硫化物的體積分?jǐn)?shù)從0.10增加至0.30時(shí)，總極化率從0.31線性增加至0.95.此外，對(duì)比不同金屬硫化物粒徑巖樣的總極化率可以發(fā)現(xiàn)，該線性關(guān)系的斜率受金屬硫化物粒徑變化的影響較小(圖4).實(shí)測(cè)巖樣的二次電壓早期衰減較快，擬合曲線與實(shí)測(cè)曲線一些微小的差異就會(huì)導(dǎo)致求出的Cole-Cole弛豫時(shí)間常數(shù)出現(xiàn)較大變動(dòng)，這導(dǎo)致不同實(shí)測(cè)二次衰減曲線的Cole-Cole弛豫時(shí)間常數(shù)差異較大.

圖4 Cole-Cole總極化率與硫鐵礦體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.4 Cole-Cole total chargeability versus the volume content of pyrite

2.2 弛豫時(shí)間譜

理論數(shù)據(jù)的弛豫時(shí)間譜均為單峰形態(tài)(圖5，圖6).保持弛豫時(shí)間常數(shù)τ和Cole-Cole系數(shù)c不變，當(dāng)總極化率M從0.1增加至0.7時(shí)，弛豫時(shí)間譜的峰值從0.0017上升至了0.012，但峰值弛豫時(shí)間始終不變.保持總極化率M和Cole-Cole系數(shù)c不變，當(dāng)弛豫時(shí)間常數(shù)τ從0.05 s上升至0.20 s時(shí)，弛豫時(shí)間譜的峰逐漸右移，峰值稍有降低，但降低的趨勢(shì)越來(lái)越不明顯.

圖5 相同τ和c，不同總極化率M的理論衰減曲線和弛豫時(shí)間譜Fig.5 The synthetic decay curve and its relaxation time spectrum with different total chargeability M under the same τ and c

圖6 相同M和c，不同弛豫時(shí)間常數(shù)τ的理論衰減曲線和弛豫時(shí)間譜Fig.6 The synthetic decay curve and its relaxation time spectrum with different relaxation time constant τ under the same M and c

與理論數(shù)據(jù)的弛豫時(shí)間譜不同，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的弛豫時(shí)間譜均為雙峰型，左峰位于20～70 ms，右峰位于600～1000 ms(圖7).含礦巖石左峰的峰值介于4.73～11.83之間，而右峰的峰值幾乎都小于1.不含硫化物顆粒的純玄武巖巖樣的右峰峰值以及峰值弛豫時(shí)間均與含礦巖樣接近，但左峰的峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于含礦巖樣.對(duì)于硫鐵礦體積分?jǐn)?shù)不同、粒徑相同的巖樣，當(dāng)硫鐵礦的體積分?jǐn)?shù)從0.05增加至0.3時(shí)，左峰峰值從4.73上升至11.83，但峰值弛豫時(shí)間不發(fā)生變化.對(duì)于硫鐵礦粒徑不同、體積分?jǐn)?shù)相同的巖樣，當(dāng)硫鐵礦粒徑從0.5 mm增加至3.0 mm時(shí)，弛豫時(shí)間譜的左峰從24.77 ms移動(dòng)到了57.38 ms，峰值變化相對(duì)較小.

圖7 實(shí)驗(yàn)巖樣的弛豫時(shí)間譜.(a)相同硫鐵礦粒徑，不同硫鐵礦體積分?jǐn)?shù)的巖樣;(b)相同硫鐵礦體積分?jǐn)?shù)，不同硫鐵礦粒徑的巖樣Fig.7 Relaxation time spectrum of measured samples with (a)various volume content and same grain radius or (b)various grain radius and same volume content of pyrite

3 討論

3.1 理論數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的弛豫時(shí)間譜分析

理論數(shù)據(jù)弛豫時(shí)間譜的峰值弛豫時(shí)間與Cole-Cole弛豫時(shí)間常數(shù)幾乎是相等的，峰值則與Cole-Cole總極化率M呈線性正相關(guān)關(guān)系(圖8).Cole-Cole弛豫時(shí)間常數(shù)的改變對(duì)弛豫時(shí)間譜峰值的影響很小，總極化率的改變則對(duì)峰值弛豫時(shí)間的影響很小.可見(jiàn)，基于時(shí)域激電數(shù)據(jù)的弛豫時(shí)間譜可以直接獲取其Cole-Cole模型參數(shù).

圖8 理論衰減曲線弛豫時(shí)間譜左峰峰值和峰值弛豫時(shí)間與總極化率(a)及弛豫時(shí)間常數(shù)(b)關(guān)系Fig.8 Amplitude and peak relaxation time of the left peak of the relaxation time spectrum versus (a)the total chargeability and (b)relaxation time constant of the synthetic decay curves

對(duì)于不含金屬硫化物顆粒的純玄武巖巖樣B1，其激發(fā)極化效應(yīng)完全由孔隙產(chǎn)生.一般來(lái)說(shuō)，大孔隙的弛豫時(shí)間常數(shù)較大，小孔隙的弛豫時(shí)間常數(shù)較小(童茂松等，2006).本研究所采用的人工巖樣孔隙較為發(fā)育，以大孔為主，小孔較少.巖樣B1的弛豫時(shí)間譜表現(xiàn)為左峰較小，右峰相對(duì)較大，與巖樣的孔隙結(jié)構(gòu)特征相符(圖7紅色虛線所示).此外，含礦巖樣與純玄武巖巖樣的右峰具有相近的峰值以及峰值弛豫時(shí)間，且含礦巖樣右峰的形態(tài)并沒(méi)有隨金屬硫化物體積分?jǐn)?shù)、粒徑的變化而發(fā)生改變.因此，含礦巖樣弛豫時(shí)間譜的兩個(gè)峰對(duì)應(yīng)了巖石中的兩類極化源，短弛豫時(shí)間，大峰值主要代表金屬硫化物顆粒的激發(fā)極化作用；長(zhǎng)弛豫時(shí)間，小峰值主要代表了玄武巖的激發(fā)極化作用.每塊巖樣弛豫時(shí)間譜右峰的峰值以及峰值弛豫時(shí)間均不相同，這也反映了巖樣孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性.從弛豫時(shí)間譜的整體形態(tài)上看，含礦巖石的激發(fā)極化效應(yīng)由金屬礦物主導(dǎo)，孔隙結(jié)構(gòu)上的差異對(duì)巖石整體激發(fā)極化效應(yīng)的影響較小.根據(jù)電子導(dǎo)體的激發(fā)極化理論，浸染型金屬硫化物的激發(fā)極化強(qiáng)度只與其體積分?jǐn)?shù)有關(guān)，而弛豫時(shí)間常數(shù)只與其粒徑以及顆粒內(nèi)部載流子的擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)(Revil et al.,2015).本研究中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的弛豫時(shí)間譜計(jì)算結(jié)果與上述理論吻合較好，隨著金屬硫化物體積分?jǐn)?shù)的增大，含礦巖石弛豫時(shí)間譜左峰峰值呈上升趨勢(shì)，而峰值弛豫時(shí)間不受影響，隨著金屬硫化物粒度的增大，左峰逐漸右移，而峰值受影響較小.本研究中的巖樣只含有一種金屬硫化物，即硫鐵礦，而天然海底多金屬硫化物巖石中可能還會(huì)含有黃銅礦、方鉛礦等金屬硫化物.這些金屬硫化物的激發(fā)極化機(jī)理相同，激發(fā)極化效應(yīng)均來(lái)自于內(nèi)部載流子的遷移，相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究也表明這些硫化物具有相近的擴(kuò)散系數(shù)(Revil et al.,2015).因此，前述研究結(jié)果可以從硫鐵礦推廣至其他金屬硫化物.從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果來(lái)看，弛豫時(shí)間譜不僅能夠?qū)r石中不同類型的極化源進(jìn)行區(qū)分，還可以對(duì)浸染型金屬硫化物的含量和粒度進(jìn)行評(píng)估.

3.2 時(shí)域Cole-Cole模型與弛豫時(shí)間譜對(duì)比

時(shí)間域Cole-Cole模型只包含一個(gè)弛豫時(shí)間常數(shù)τ，所以理論數(shù)據(jù)的弛豫時(shí)間譜也為單峰型，而實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的激發(fā)極化信號(hào)由硫鐵礦顆粒和玄武巖的激發(fā)極化信號(hào)疊加而成.在海底這種高礦化度環(huán)境下，硫鐵礦顆粒極化信號(hào)強(qiáng)，衰減速度快，在實(shí)測(cè)衰減曲線的早期起主導(dǎo)作用，玄武巖極化信號(hào)弱，但衰減速度慢，在實(shí)測(cè)衰減曲線的后期起主導(dǎo)作用，故含礦巖樣弛豫時(shí)間譜為雙峰型.只含有一個(gè)弛豫時(shí)間常數(shù)τ的時(shí)間域Cole-Cole模型始終是在對(duì)巖石整體的激發(fā)極化效應(yīng)進(jìn)行描述，在對(duì)同時(shí)含有多個(gè)極化源的極化信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)具有局限性，因此時(shí)間域Cole-Cole模型對(duì)理論數(shù)據(jù)的擬合效果要好于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(圖3).

弛豫時(shí)間譜可以對(duì)巖石整體的激發(fā)極化效應(yīng)進(jìn)行分解，對(duì)具有不同弛豫時(shí)間常數(shù)的極化源分別進(jìn)行描述，從而彌補(bǔ)時(shí)間域Cole-Cole模型的不足.天然海底多金屬硫化物巖石內(nèi)部均包含有多個(gè)極化源，例如多種不同粒徑的硫化物顆粒共存，或者浸染狀分布的硫化物與網(wǎng)脈狀、塊狀分布的硫化物共存等.不同類型的極化源，在弛豫時(shí)間譜上表現(xiàn)為不同形態(tài)的峰，例如，玄武巖等背景介質(zhì)的激發(fā)極化效應(yīng)表現(xiàn)為大弛豫時(shí)間，小峰值；浸染型多金屬硫化物的激發(fā)極化效應(yīng)表現(xiàn)為小弛豫時(shí)間，大峰值；可以推測(cè)塊狀、網(wǎng)狀分布的多金屬硫化物的激發(fā)極化效應(yīng)表現(xiàn)為大弛豫時(shí)間，大峰值，因?yàn)榇藭r(shí)硫化物在巖石內(nèi)部形成了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，增大了弛豫時(shí)間.當(dāng)巖石中同時(shí)存在多種極化源時(shí)，可以推測(cè)其弛豫時(shí)間譜將呈現(xiàn)出多種形態(tài)，例如(1)雙峰型a(圖9a)，此時(shí)巖石中既有網(wǎng)脈狀、塊狀分布的硫化物，又有浸染狀分布的硫化物；(2)雙峰型b(圖9b)，此時(shí)巖石中僅含有浸染狀分布的硫化物；(3)單峰型a(圖9c)，巖石中主要為網(wǎng)脈狀或塊狀分布的硫化物；(4)單峰型b(圖9d)，巖石幾乎不含硫化物.

圖9 不同極化源疊加形成的弛豫時(shí)間譜Fig.9 Relaxation time spectrum generated by superposition of various polarization sources

在多金屬硫化物礦的評(píng)價(jià)工作中，常通過(guò)復(fù)電阻率測(cè)量來(lái)獲得巖石的頻譜和相位譜，并基于頻率域Cole-Cole模型計(jì)算出總極化率、弛豫時(shí)間常數(shù)等參數(shù)，以此來(lái)分析多金屬硫化物的品位和分布特征.時(shí)域激發(fā)極化測(cè)井頻率單一，通常被認(rèn)為反映的地質(zhì)信息少于復(fù)電阻率測(cè)井，然而相比于復(fù)電阻率測(cè)井，時(shí)域激發(fā)極化測(cè)井更適合在海底鉆孔中開(kāi)展.通過(guò)對(duì)時(shí)域激電數(shù)據(jù)求取弛豫時(shí)間譜，同時(shí)結(jié)合Cole-Cole模型參數(shù)，尤其是總極化率進(jìn)行分析，可以更加充分地利用時(shí)域激電資料，使時(shí)間域激電測(cè)井達(dá)到接近復(fù)電阻率測(cè)井的效果，有利于海底多金屬硫化物勘探工作的進(jìn)行.

3.3 斷電延時(shí)對(duì)弛豫時(shí)間譜的影響

進(jìn)行時(shí)間域激發(fā)極化測(cè)量時(shí)，為了降低電磁耦合效應(yīng)的影響，通常在斷電后經(jīng)過(guò)一段延時(shí)才開(kāi)始采集二次衰減信號(hào)，陸域金屬礦勘探中的斷電延時(shí)可達(dá)數(shù)百毫秒.金屬硫化物的激發(fā)極化弛豫時(shí)間常數(shù)與地層水礦化度呈反比關(guān)系(Revil et al.,2018).由于陸域環(huán)境中地層水礦化度通常較低，金屬硫化物顆粒的二次電位衰減較慢，斷電延時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響較小.海水的礦化度遠(yuǎn)高于陸域環(huán)境中的地下水，金屬硫化物在海底環(huán)境下的弛豫時(shí)間常數(shù)可能遠(yuǎn)小于在陸域環(huán)境中，因此二次電位的衰減速度也遠(yuǎn)快于在陸域環(huán)境中，若選擇較長(zhǎng)的斷電延時(shí)，記錄到的衰減曲線很可能是不完整的.

為了研究斷電延時(shí)對(duì)弛豫時(shí)間譜反演結(jié)果的影響，將巖樣P11的二次衰減曲線用不同的斷電延時(shí)截?cái)?，并反演出弛豫時(shí)間譜(圖10).當(dāng)斷電延時(shí)從20 ms增加至120 ms時(shí)，弛豫時(shí)間譜的左峰峰值從11.82下降至了3.52，同時(shí)峰值弛豫時(shí)間從57.38 ms上升至了84.54 ms，右峰受斷電延時(shí)的影響較小.可見(jiàn)，海底環(huán)境下斷電延時(shí)對(duì)弛豫時(shí)間譜反演結(jié)果的影響是較大的，尤其對(duì)短弛豫時(shí)間的極化源的影響較大.較長(zhǎng)的斷電延時(shí)會(huì)使記錄到的二次電壓缺失早期快速衰減的部分，造成短弛豫時(shí)間極化源的激發(fā)極化強(qiáng)度被低估，弛豫時(shí)間常數(shù)被高估，進(jìn)而導(dǎo)致浸染型金屬硫化物的體積分?jǐn)?shù)被低估，粒度被高估.從本研究的結(jié)果來(lái)看，在高礦化度環(huán)境下對(duì)浸染型多金屬硫化物巖石開(kāi)展時(shí)域激發(fā)極化測(cè)量時(shí)，斷電延時(shí)應(yīng)小于20 ms，最好采用全波形記錄，即同時(shí)連續(xù)對(duì)一次場(chǎng)和二次場(chǎng)電位差進(jìn)行采集.

圖10 不同斷電延時(shí)下含礦巖石P11的弛豫時(shí)間譜Fig.10 Relaxation time spectrum of sample P11 with different delay time after current off

4 結(jié)論

(1)本文提出的方法能夠有效對(duì)浸染型金屬硫化物巖石的激發(fā)極化特性進(jìn)行評(píng)價(jià).弛豫時(shí)間譜不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)巖石極化率、弛豫時(shí)間常數(shù)等物性的評(píng)價(jià)，還能夠區(qū)分巖石中的不同極化源.此外，金屬硫化物的體積分?jǐn)?shù)與弛豫時(shí)間譜的峰值呈線性正相關(guān)，其粒度則可以通過(guò)峰值弛豫時(shí)間常數(shù)確定.

(2)根據(jù)不同極化源的激發(fā)極化特性，將海底多金屬硫化物巖石的弛豫時(shí)間譜劃分為四種典型類型.四種類型能夠反映浸染分布型金屬硫化物、塊狀/網(wǎng)狀分布型金屬硫化物以及圍巖等不同極化源共存時(shí)巖石的激發(fā)極化特性.

(3)時(shí)間域激發(fā)極化測(cè)量的斷電延時(shí)是影響浸染型海底多金屬硫化物巖石激發(fā)極化特性評(píng)價(jià)的重要因素.較大的斷電延時(shí)會(huì)導(dǎo)致弛豫時(shí)間譜的峰值被低估，峰值弛豫時(shí)間被高估，進(jìn)而導(dǎo)致金屬硫化物的體積分?jǐn)?shù)被低估，粒度被高估.