航空感應(yīng)激發(fā)極化效應(yīng)及其在鈾礦等金屬礦產(chǎn)勘查中的應(yīng)用研究

張偉盟，劉波，孫棟華，陳偉，駱燕，彭莉紅，程莎莎，劉彥濤

（1.核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊 050002；2.中核鈾資源地球物理勘查技術(shù)中心（重點實驗室），河北 石家莊 050002；3.河北省航空探測與遙感技術(shù)重點實驗室，河北 石家莊 050002）

高精度航空瞬變電磁法是一種利用空中機載線圈發(fā)射脈沖電磁波（一次場），接收地下異常體激發(fā)的感應(yīng)電磁場（二次場）的航空物探方法，具有探測深度大、精度高、成本低、綠色環(huán)保、受地形影響小等優(yōu)點［1-3］。該方法于20 世紀50 年代興起，2010 年以后才逐漸發(fā)展成熟，至今已在國內(nèi)外礦產(chǎn)勘查、地質(zhì)調(diào)查、工程勘察、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、環(huán)境調(diào)查等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［4-9］。2013 年，核工業(yè)航測遙感中心引進了國際先進的高精度航空電磁探測技術(shù)，對引進技術(shù)開展了消化、吸收和再創(chuàng)新。在黑龍江大興安嶺下嘎來奧伊河礦區(qū)、甘肅龍首山地區(qū)和內(nèi)蒙古大朝陽溝地區(qū)采集的航空瞬變電磁數(shù)據(jù)（VTEM 系統(tǒng)）晚期道均發(fā)現(xiàn)了“負瞬變”現(xiàn)象［10-13］，這種現(xiàn)象稱為航空感應(yīng)激發(fā)極化（Airborne Inductive Induced Polarization，簡稱“AIIP”）效應(yīng)［14］。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對AIIP 效應(yīng)展開了一系列的研究和應(yīng)用。Kratzer 和Macnae 結(jié)合Warburg 模型和指數(shù)衰減模型來分析AIIP 效應(yīng)，通過計算視充電率調(diào)查黏土分布范圍［15］。David Marchant 等開發(fā)了一種瞬變數(shù)據(jù)中極化體三維電磁響應(yīng)正演程序，通過了垂直極化體上方的航空瞬變電磁驗證［16］。Macnae 認為AIIP 效應(yīng)晚期道“負響應(yīng)”的幅度比早期道低4～5 個數(shù)量級，AIIP 效應(yīng)可能只反映了100 m 以淺的可極化體［17］。Kang 和Oldenburg 對AIIP數(shù)據(jù)進行三維反演，并在密里根山的火山巖地區(qū)進行了成功應(yīng)用［18］。Karl Kwan 等以VTEM系統(tǒng)在俄羅斯采集的數(shù)據(jù)為例，利用Cole-Cole模型確定了影響AIIP 效應(yīng)的四個參數(shù)［19］。Ley-Cooper 等的研究表明AIIP 效應(yīng)可能由永久凍土、湖泊沉積物、風(fēng)化層和與礦化有關(guān)的局部蝕變等物質(zhì)引起的［8］。殷長春等、繆佳佳對比了不同激電參數(shù)對電磁擴散的影響，研究極化介質(zhì)中感應(yīng)電流與極化電流的擴散規(guī)律，解釋了航空瞬變電磁“負響應(yīng)”產(chǎn)生的機理［20-21］。李華林等基于Cole-Cole 模型，分析了地電參數(shù)、裝置系數(shù)對響應(yīng)的影響以及響應(yīng)對不同激電參數(shù)的靈敏度［22］。繆佳佳提出了基于Occam 理論的反演方法，對層狀模型電阻率和充電率參數(shù)進行同時反演，認為對B 場、dB/dt響應(yīng)進行聯(lián)合反演可以有效地降低反演結(jié)果的多解性［23］。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，通過分析總結(jié)AIIP 產(chǎn)生機理，提取了AIIP 視充電率、視電阻率參數(shù)，對比分析了已知金、鐵、鉛鋅多金屬礦和鈾礦AIIP 視充電率、視電阻率特征，討論了AIIP 效應(yīng)在礦產(chǎn)勘查中的應(yīng)用前景，為充分利用航空瞬變電磁數(shù)據(jù)提供了參考。

1 航空感應(yīng)激發(fā)極化效應(yīng)

激發(fā)極化是由可極化體中的電荷（離子或電子）在外電場作用下的運動和積累引起，電荷的運動和積累會在介質(zhì)表面形成“過電壓”，產(chǎn)生與外電場方向相反的電流，引發(fā)激發(fā)極化效應(yīng)。目前激發(fā)極化現(xiàn)象被較廣泛認可的解釋模型主要為薄膜極化和電子極化［21，24］。

1.1 薄膜極化

薄膜極化屬于離子導(dǎo)體激發(fā)極化。由于礦物的晶體結(jié)構(gòu)，大多數(shù)巖礦石孔隙中，與電解質(zhì)溶液接觸的表面的凈電荷為負電荷，陽離子吸附在孔隙表面形成正電層。若孔隙變窄部分（即薄膜）寬度與陽離子厚度相當時，在外加電場（一次場）作用下，陽離子通過薄膜，而陰離子則被阻擋，造成了在電流流入端積累陽離子，另外一端積累陰離子（圖1a）。當外加電場斷電后，由于擴散作用，離子要恢復(fù)到原來狀態(tài)（圖1b），離子運動產(chǎn)生了與原來（一次場）相反的電場，從而引起了“負瞬變”現(xiàn)象。

圖1 薄膜極化示意圖Fig.1 Schematic diagram of thin film polarization

薄膜極化另一種表現(xiàn)形式是因為在巖礦石孔隙界面有黏土礦物（圖1c）或“細長礦物”（柱狀或纖維狀的礦物）（圖1d）。黏土礦物或細長礦物的表面凈電荷也是負電荷，吸附了陽離子，并占據(jù)了大部分的空間。在一次電場作用下，陰離子流動受到了阻擋，而陽離子則相對較為容易流動，造成了在電流流入端聚集陽離子，另一端聚集陰離子。電源關(guān)斷后，也能引起與一次場方向相反的電場。

此外，薄膜極化在黏土礦物中會隨著孔隙流體礦化度升高而增加，在含有纖維狀和層狀礦物的一些巖石中也極易引起薄膜極化［24］。

1.2 電子極化

電子極化原理與薄膜極化相似，當金屬材料被堵塞在孔隙中，與電解溶液接觸的金屬礦物表面的離子電流轉(zhuǎn)化為電子電流時存在電子極化。

一般情況，巖礦石的孔隙中含有電解質(zhì)溶液。在一次電場作用下，當孔隙被金屬礦物顆粒堵塞后，在電解質(zhì)與礦物顆粒界面上發(fā)生了相反電荷的積累，如圖2a 所示。隨著電流持續(xù)流動，會導(dǎo)致類似于“充電作用”的過程。電流切斷后，礦物周圍積累的相反電荷會通過界面本身放電（圖2b），內(nèi)部的電子導(dǎo)體和周圍的電解溶液會回到正常的位置，從而引起“負瞬變”現(xiàn)象。幾乎所有的硫化物和一些氧化物，如黃鐵礦、黃銅礦、磁黃鐵礦、磁鐵礦等都能夠引起電子極化，電子極化的強度與巖礦石孔隙度、孔隙大小、礦物粒度大小等因素有關(guān)［24］。

2 航空感應(yīng)激發(fā)極化效應(yīng)正演與信息提取

2.1 激發(fā)極化效應(yīng)正演

2.1.1 柯爾-柯爾模型

目前，大多數(shù)學(xué)者都認同用柯爾-柯爾模型來解釋巖礦石中的激發(fā)極化效應(yīng)［25］。該模型由柯爾兄弟提出，Pelton（1977）基于該模型得到了電阻率的表達式［26］：

式中，ρo是頻率為零時的電阻率，Ω·m；m（0≤m≤1.0）是充電率，v/v；t 是時間常數(shù)，ms；ω=2πfw=2f，為角頻率，rad/s；c（0≤c≤1.0）是頻率相關(guān)系數(shù)，無量綱。

根據(jù)上述公式，可以用ρo、τ、m和c這四個參數(shù)來反映巖礦石的激發(fā)極化效應(yīng)。ρo、m的值取決于可極化巖礦石孔隙度和孔隙電解質(zhì)溶液中金屬礦物的表面積［24］。τ與金屬礦物的粒度有關(guān)，細粒礦物τ值小，粗粒礦物τ值大［27］。c反映了可極化物質(zhì)的尺寸分布情況［28］。m為表征巖礦石激發(fā)極化強度，是AIIP效應(yīng)信息提取的主要參數(shù)。

2.1.2 正演結(jié)果

設(shè)置均勻半空間電阻率為100 Ω·m，τ 值為0.2 ms，c為0.7，m值為變量。利用公式（1）對該地質(zhì)體進行正演，并將正演結(jié)果與實測的VTEM 數(shù)據(jù)（圖3）進行對比。

圖3 正演模擬結(jié)果Fig.3 Forward simulation results

分別將m值設(shè)置為0 v/v、0.35 v/v、0.66 v/v和0.88 v/v，正演模擬結(jié)果表明m 值越大，AIIP效應(yīng)越明顯。當m值為0 時，沒有出現(xiàn)AIIP 效應(yīng)。當m值為0.66 v/v 時，正演結(jié)果與實測數(shù)據(jù)最為接近，此時dB/dt 仍在0 值線以上，沒有出現(xiàn)“負瞬變”現(xiàn)象。當m值增加至0.88 v/v，dB/dt出現(xiàn)負值。因此，可以說明該實測數(shù)據(jù)含有AIIP 信息，但很難被發(fā)現(xiàn)。

2.2 激發(fā)極化效應(yīng)信息提取

AIIP 效應(yīng)主要由地下可極化體引起，而常規(guī)航空瞬變電磁感應(yīng)現(xiàn)象主要反映地下低阻體。兩者有著不同的物理過程，代表不同的電磁響應(yīng)，反映不同的地質(zhì)體（當?shù)妥梵w同時也是可極化體時，兩者反映了同一地質(zhì)體）。這些信息都包含在同一套數(shù)據(jù)中，如何有效提取AIIP 效應(yīng)信息是關(guān)鍵。

本次在Airbeo 一維正演算法（開源）基礎(chǔ)上，利用專門針對VTEM 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的改進算法，來提取柯爾-柯爾模型的四個參數(shù)（ρo、τ、m和c）。計算時先固定c，再求取ρo、τ 和m等參數(shù)。該方法可以分為三個步驟：

第一步，將提取AIIP 效應(yīng)的過程轉(zhuǎn)化為求取最小值e（ρo、τ、m）問題，見公式（2）。

公式中，f（ρo，τ，m，t）為一給定頻率相關(guān)系數(shù)c的VTEM系統(tǒng)數(shù)據(jù)正演模型，ρo為半空間電阻率，v（t）為實測VTEM系統(tǒng)數(shù)據(jù)，N為時間道數(shù)。其中，ρmin＜ρo＜ρmax；0≤m≤1；τmin＜τ＜τmax。

第二步，用Nelder-Mead 單純形搜索算法［29］，在二維（m，τ）平面上提取m和τ；在事先指定的電阻率范圍內(nèi)，對于每一個提取的（m，τ）由黃金分割搜索法［30］得到ρo。

第三步，對求得的ρo、τ、m，通過改變c，選擇合適的柯爾-柯爾模型參數(shù)作為計算結(jié)果。

該方法類似于檢查VTEM 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的過程，通過不斷變化m和τ，從一組衰減曲線中選擇一條最佳曲線（與實測曲線重合度最好）。在確定了相關(guān)的參數(shù)后，根據(jù)柯爾-柯爾模型計算出極化體的視電阻率，在此稱為AIIP 視電阻率。m和AIIP 視電阻率是地質(zhì)推斷解釋時最常用的兩個重要參數(shù)。

3 應(yīng)用實例

3.1 多金屬礦

3.1.1 大朝陽溝地區(qū)金多金屬礦

大朝陽溝地區(qū)位于華北地臺北緣與內(nèi)蒙古地槽褶皺系的交匯部位［31］，出露的地層主要有新太古界色爾騰山群、上寒武統(tǒng)錦山組、中二疊統(tǒng)額里圖組、下白堊統(tǒng)義縣組和第四系，南部大面積花崗閃長巖出露（圖4a）。色爾騰山群是金礦、鐵礦的主要賦存地層［32］，該地層與花崗閃長巖的接觸部位可見多金屬礦化和螢石礦化，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)金及多金屬礦點、螢石礦點16 個。

根據(jù)航空瞬變電磁和航磁資料，推斷的華北地臺與內(nèi)蒙古地槽褶皺系的界線大致沿西南溝-小朝陽溝-上東三家一線呈向北凸出的弧形展布［33］。航空瞬變電磁測量結(jié)果顯示，大朝陽溝地區(qū)內(nèi)華北地臺整體電阻率較高（是新太古界色爾騰山群綠片巖相變質(zhì)巖和侵入巖的反映），AIIP 效應(yīng)明顯。已知金礦、銅金礦、銅金銀礦和鉛鋅礦等礦點基本位于界線以南的華北地臺之上，各礦點沒有明顯的低阻異常顯示，但與AIIP 視充電率異常有較好的對應(yīng)關(guān)系，不同礦種的視充電率有明顯差異（圖4c、d），且與北東東向線性磁異常（圖4b）帶密切相關(guān)。上述現(xiàn)象表明礦點可能受北東東向線性構(gòu)造控制，與后期的接觸交代作用及基性巖脈存在一定聯(lián)系。

圖4 大朝陽溝地區(qū)航空電、磁測量結(jié)果Fig.4 Aerial electrical and magnetic survey results in Dazhaogou area

3.1.2 下嘎來奧伊河鐵鉛鋅礦床

該礦床位于大興安嶺成礦帶北段，礦區(qū)內(nèi)分布的地層主要為新元古界-下寒武統(tǒng)吉祥溝組和下白堊統(tǒng)光華組，巖漿巖以大面積分布的花崗閃長巖、花崗斑巖和花崗巖為主（圖5a）。礦床主要以鉛鋅礦（Ⅰ、Ⅱ礦帶）、鐵礦（Ⅳ礦帶）為主，賦礦層位主要是吉祥溝巖組的大理巖及大理巖與侵入巖的接觸帶，矽卡巖是礦區(qū)的主要賦礦巖石，礦體的形態(tài)、規(guī)模、產(chǎn)狀受矽卡巖控制［34］。

圖5 下嘎來奧伊河地區(qū)航空電、磁測量結(jié)果Fig.5 Aero-electrical and magnetic survey results in Xiagalaiaoyi river area

下嘎來奧伊河地區(qū)航空電、磁測量結(jié)果顯示，Ⅰ、Ⅱ礦帶所有礦體均有明顯的航空瞬變電磁和航磁異常，尤其鉛鋅礦體的電磁感應(yīng)最為強烈，表現(xiàn)為顯著的低阻特征，Ⅳ礦帶僅有航磁異常反映［35］。在對該礦區(qū)提取AIIP 信息后發(fā)現(xiàn)，礦帶內(nèi)均有較為明顯的AIIP 視充電率異常（圖5d）。收集的Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ礦帶內(nèi)鉆孔資料表明，見礦孔與視充電率異常對應(yīng)較好。

3.2 鈾礦床

本次以芨嶺鈾礦床為例。芨嶺鈾礦床位于龍首山鈾成礦帶中段，龍首山芨嶺-新水井一帶出露地層主要有古元古界龍首山群、中元古界墩子溝群、震旦系韓母山群、中寒武統(tǒng)香山群、新近系及第四系；巖漿巖以花崗巖和閃長巖最為發(fā)育（圖6a）。芨嶺鈾礦床主要為堿交代型鈾礦，受斷裂構(gòu)造、巖性界面、鈉交代熱液蝕變“三位一體”的組合控制［26］。區(qū)域上，沿馬路溝斷裂已發(fā)現(xiàn)有芨嶺鈾礦床、新水井鈾礦床和多處鈾礦（化）點。

馬路溝斷裂航空瞬變電磁dB/dt 曲線呈單峰或雙峰狀，視電阻率值一般為80～350 Ω·m，其響應(yīng)特征在不同的地段表現(xiàn)為不同的特點。在已知礦區(qū)范圍內(nèi)電磁響應(yīng)中等，電阻率值一般大于200 Ω·m、且電阻率隨著深度增加而變大［11，37］。這是沿該斷裂發(fā)育的構(gòu)造破碎巖石、鈉交代熱液蝕變和巖體的整體電磁響應(yīng)。從圖6c 可以看出，大多數(shù)鈾礦床（點）包括芨嶺鈾礦床低阻特征不明顯。而芨嶺鈾礦床具有明顯的AIIP 視充電率異常，與北西向的AIIP 視充電率異常帶對應(yīng)較好（圖6d）。該異常帶在地質(zhì)圖中與馬路溝斷裂下盤由鈉交代巖組成的構(gòu)造蝕變帶相對應(yīng)。

圖6 龍首山地區(qū)航空電、磁測量結(jié)果圖Fig.6 Aerial electrical and magnetic survey results in Longshoushan area

從上述應(yīng)用的實例中可以看出，AIIP 效應(yīng)對尋找金、鐵、鉛鋅多金屬礦和鈾礦均有較好的指示意義。在航空瞬變電磁感應(yīng)現(xiàn)象整體較弱即dB/dt 響應(yīng)不明顯的情況下，AIIP 視充電率聯(lián)合航磁異?？梢詾檎业V提供有用的線索。在大朝陽溝地區(qū)的南部，下嘎來奧伊河地區(qū)的西南部和龍首山地區(qū)的東北部可見有多處與已知礦具有相同電、磁特征，即AIIP 視充電率異常帶和航磁線性異常帶重合的區(qū)段。這些區(qū)段可能是下一步找礦的方向。

3.3 討論

在航空瞬變電磁資料解釋過程中，常用的參數(shù)有dB/dt 響應(yīng)曲線、時間常數(shù)等［38-40］，這些參數(shù)通過實測或根據(jù)實測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換計算而得，能夠反映深部不同電阻率地質(zhì)體的分布情況，尤其對低阻體有較好的反映。AIIP 效應(yīng)是在實踐過程中逐漸被發(fā)現(xiàn)的，與時間常數(shù)、dB/dt響應(yīng)曲線一樣，AIIP 效應(yīng)可以通過正演模擬與實測結(jié)果對比提取相應(yīng)可極化體的信息，能夠作為航空瞬變電磁資料解釋的一種參數(shù)加以利用。同時，AIIP 效應(yīng)對于電磁感應(yīng)信息來說是一種“干擾”，為了最大可能地充分利用高精度航空瞬變電磁數(shù)據(jù)，應(yīng)有效的識別和提取AIIP 信息，剔除AIIP 效應(yīng)對電磁感應(yīng)的影響，提高晚期道數(shù)據(jù)質(zhì)量，增加深部地質(zhì)體的識別精度。

4 應(yīng)用前景分析

4.1 AIIP 效應(yīng)信息的應(yīng)用條件

航空瞬變電磁對低阻體反映靈敏，通常是尋找良導(dǎo)礦產(chǎn)的利器，但在電磁感應(yīng)強烈的低阻區(qū)，AIIP 效應(yīng)是很難被觀察到的。本文的三個應(yīng)用研究區(qū)均以老地層或巖體為主，整體電阻率值較高，探測目標體或圍巖沒有明顯的低阻特征，礦體無明顯的電磁感應(yīng)，dB/dt 響應(yīng)較弱，電磁信號衰減較快，AIIP 效應(yīng)信息沒有被完全掩蓋，應(yīng)用效果較好。

4.2 AIIP 效應(yīng)探測深度討論

航空瞬變電磁數(shù)據(jù)中存在AIIP 效應(yīng)已經(jīng)得到了普遍的認同，如何有效提取AIIP 效應(yīng)信息的研究目前還在初級階段。本文提取的AIIP 效應(yīng)信息與已知礦體在平面位置具有較好的對應(yīng)關(guān)系，但其能反映多深的地質(zhì)體目前尚無定論。

有學(xué)者認為，AIIP 效應(yīng)反映的深度有限，一般不超過100 m［17］。本次在下嘎來奧伊河鐵鉛鋅礦實例中，Ⅳ礦帶（有AIIP 視充電率異常）鉛鋅礦體埋深一般大于150 m，最大超過了200 m。AIIP效應(yīng)能探測到的可極化地質(zhì)體埋深可能與所使用的儀器、地質(zhì)情況、礦石種類等有關(guān)。所使用的儀器信噪比越高，研究區(qū)整體巖石電阻率越高，礦石礦物中硫化物越多，AIIP 效應(yīng)能探測到埋深更大的可極化地質(zhì)體。

4.3 小結(jié)

綜上所述，AIIP 效應(yīng)在航空瞬變電磁感應(yīng)較弱的高阻巖石分布區(qū)應(yīng)用效果較好，可以作為航空瞬變電磁測量結(jié)果的一種有效參數(shù)進行解釋。對于石英脈型、斑巖型、矽卡巖型、低硫淺成低溫?zé)嵋盒秃碗[爆角礫巖型等礦產(chǎn)，礦石貧硫、硅化較強，礦體的電阻率值一般較高，極化率異常明顯，在勘查這些類型礦產(chǎn)時可以利用AIIP 效應(yīng)為找礦提供重要線索。

5 結(jié)論

1）AIIP 效應(yīng)普遍存在，它是一定埋深可極化體的反映，充電率參數(shù)（m）對AIIP 效應(yīng)影響最明顯。

2）通過正演模擬與實測結(jié)果對比提取AIIP 視充電率參數(shù)與已知礦上具有較好的對應(yīng)關(guān)系，表明該方法提取AIIP 效應(yīng)信息可靠。

3）應(yīng)用實例表明，AIIP 效應(yīng)在高阻巖礦石分布區(qū)聯(lián)合航磁異常能夠有效解決航空瞬變電磁對中高阻礦體響應(yīng)不佳的難題，是對航空瞬變電磁資料找礦信息的一種有效挖掘。

4）AIIP 效應(yīng)探測深度與采集數(shù)據(jù)的信噪比、工作區(qū)整體巖石電阻率、礦石礦物中硫化物含量等因素有密切關(guān)系。