新型四維遙測高密度極化率儀在物探中的應(yīng)用研究

張家聲　張廣德　王恒祎　袁振興　劉永東

摘 要：GeoERT IP 2401四維遙測多功能高密度極化率儀，采用一套金屬電極就可以同時測量高密度極化率和高密度電阻率，解決了金屬電極的極化問題，拓寬了高密度電法在礦產(chǎn)地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、工程地質(zhì)方面的應(yīng)用。利用濾波、疊加和相關(guān)檢測技術(shù)提高抗干擾能力；儀器輸出功率大，自動調(diào)節(jié)供電電壓，大大提高了勘探深度。多道技術(shù)可以做三維高密度電法勘探，采用遙控技術(shù)可以進行時移四維高密度電法勘探，追蹤地質(zhì)異常的變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：高密度極化率；金屬礦勘探；四維遙測

Application of a new 4D telemetry high-density polarizability instrument in geophysical exploration

ZHANG Jiasheng1，2， ZHANG Guangde3， WANG Hengyi4， YUAN Zhenxing4， LIU Yongdong4

（1.Institute of Geophysical and Geochemical Exploration， Chinese Academy of Geological Sciences， Langfang 065000， Hebei， China；

2.Hebei Key Laboratory of Seismic Disaster Instrument and Monitoring Technology， Langfang 065000， Hebei， China；

3.Institute of Acoustics， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China；

4.Beijing Geological Detection Technology Company， Beijing 100062， China）

Abstract： The GeoERT IP 2401 four-dimensional telemetry multi-function high-density polarizability instrument developed by our team can simultaneously measure high-density polarizability and high-density resistivity with only one set of metal electrodes. This solves the polarization problem of metal electrodes and broadens the application of high-density electrical method in mineral geology， hydrogeology， environmental geology and engineering geology. The anti-interference ability is improved by using filtering， superposition and related detection technologies; the output power of the instrument is strong， and the power supply current is automatically adjusted， which greatly improves the exploration depth. Multi-channel technology can be used for three-dimensional high-density electrical exploration， and remote control technology can be used for time-shifted four-dimensional high-density electrical exploration to track the changing patterns of geological anomalies.

Keywords： High density polarizability; metal prospecting; 4D telemetry

隨著探測深度和精度的提高，高密度電法應(yīng)用領(lǐng)域不斷加寬，具有廣闊的發(fā)展前景。多通道、多參數(shù)、多維度、多功能、大功率、大范圍將成為高密度電法的一種趨勢。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，電法勘探儀器面臨著新的要求和挑戰(zhàn)，需要不斷完善和提高。

極化率參數(shù)是找礦、找水（包括含水率高的地質(zhì)異常體）的重要參數(shù)（張啟升等，2013）。在常規(guī)四極電法勘探中，AB供電電極使用金屬電極，MN電壓接收電極使用不極化電極。不極化電極沒有金屬電極的極化效應(yīng)，測量二次場電壓效果好。但是，在高密度電法勘探中，一次性布置數(shù)百根電極時，使用金屬電極布線效率本來就低，若再使用數(shù)百個不極化電極就增加了野外勞動強度，所以通常不使用不極化電極。但是，不用不極化電極就不能測量高密度極化率參數(shù)，這就限制了高密度電法的應(yīng)用。

北京地學(xué)探測技術(shù)公司的GeoERT IP 2401新型的四維遙測多功能高密度極化率儀，采用跳測的專利技術(shù)，解決了金屬電極的極化問題，使用一套金屬電極既可以做高密度電阻率測量，又可以做高密度極化率測量，野外施工便捷，提高了探測效率，有效地拓寬了高密度電法的應(yīng)用范圍。儀器的功率大，可以自動調(diào)節(jié)供電電壓，提高了勘探深度。GeoERT IP 2401四維遙測多功能高密度極化率儀僅采用金屬電極，由于道數(shù)多，一次性布置多條測線，形成三維測量，提高了測量效率。同時可以遙控，連續(xù)測量，追蹤地質(zhì)異常的變化規(guī)律，為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警提供技術(shù)支持； GeoERT IP 2401四維遙測多功能高密度極化率儀在環(huán)境地質(zhì)、水文地質(zhì)、礦產(chǎn)地質(zhì)、工程地質(zhì)等勘探方面有很好的應(yīng)用前景。

1? 方法技術(shù)原理

1.1? 高密度電法勘探

高密度電法勘探技術(shù)是一種陣列勘探方法（劉國興，2005），一次性布置數(shù)百根電極，由電極多路轉(zhuǎn)換器控制切換不同的電極供電與測量。隨著數(shù)理方法的進步和計算機技術(shù)的發(fā)展，使得利用大量數(shù)據(jù)進行反演成為可能。對溫納裝置而言，在某一層位上，在小號A、M、N、B電極供電測量后，依次向大號電極方向移動并切換A、M、N、B電極位置，連續(xù)供電測量，直至測量到最后電極，完成某一層的測量（劉永東等，2016）。然后加大A、M、N、B電極的距離，測量較深層位的電法數(shù)據(jù)。不斷加大供電測量的電極的距離，不斷移動切換A、M、N、B電極的位置，直至供電測量到最后層位的最后電極。在電極多路轉(zhuǎn)換器的控制下，自動掃描供電測量，一次完成縱橫二維的勘探過程，既能反映所探地質(zhì)體在某一深度上沿水平方向的巖性變化，又能反映所探地質(zhì)體在垂直方向不同深度的巖性變化的規(guī)律，還能獲得一定水平區(qū)域內(nèi)高精度的豐富的地質(zhì)信息。

1.2? 高密度極化率測量技術(shù)

人們往往利用視電阻率參數(shù)進行高密度電法勘探（郭秀軍等，2001）。但僅僅利用視電阻率參數(shù)還不夠，若再利用極化率參數(shù)效果會更好，同時利用電阻率和極化率兩種參數(shù)進行綜合分析，可以有效地提高判斷的準(zhǔn)確率。但是，在測量極化率參數(shù)時遇到了供電電極的極化問題，還存在二次場信號弱以及環(huán)境干擾等問題。北京地學(xué)探測技術(shù)公司采用跳測的專利技術(shù)解決了金屬電極的極化問題，采用一套金屬電極就可以同時測量高密度極化率和高密度電阻率。金屬電極供電產(chǎn)生的極化電壓影響測量電壓的精度，每測量完一個測點后，供電電極和測量電極同時向后移動3個金屬電極的位置進行下一個測點的供電與測量，供電電極始終是供電電極，測量電極始終是測量電極，供電電極的極化電壓就影響不到測量電極，因而使用一種金屬電極進行供電測量，而不采用不極化電極，提高了測量精度，提高了工作效率。設(shè)計了新的硬件和軟件，利用軟件和硬件自動跟蹤補償自然電位，利用軟件濾波和硬件濾波技術(shù)抑制市電和天然場的干擾，采用多次疊加和相關(guān)檢測技術(shù)提高信噪比；硬件合理布局降低噪聲，采取屏蔽措施減小干擾，大大提高了儀器的抗干擾能力，提高了儀器的測量精度。因此，僅利用金屬電極就可以進行高密度電阻率測量，同時在不改變電極的情況下就可以進行高密度極化率測量，為充分利用高密度電法技術(shù)進行礦產(chǎn)地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)勘探提供了有利條件。

1.3? 四維高密度電法測量技術(shù)

GeoERT IP 2401四維遙測多功能高密度極化率儀增加了遙測功能，不間斷地測量X、Y、Z三維高密度極化率和電阻率。在地質(zhì)異常區(qū)域一次性布置多條測線，形成X、Y、Z三維立體測量。一條剖面內(nèi)逐個電極供電測量后，一條剖面內(nèi)的電極供電，其他剖面內(nèi)的電極接收電壓信號，這樣測線之間的地質(zhì)異常也能測出來，這樣就不是偽三維（僅本剖面供電測量，相鄰剖面之間插值）而是真正的三維測量了；間隔一定時間T進行時移測量，形成四維測量，就可以追蹤地質(zhì)異常隨時間的變化規(guī)律了。

2? 儀器工作原理

2.1? 硬件設(shè)計

GeoERT IP 2401四維遙測多功能高密度極化率儀包括STC主控器、電極多路轉(zhuǎn)換器、高壓供電電路、模擬電路以及4G通信電路（圖1）。

STC主控器是儀器的控制核心，它利用云平臺通過4G通信電路接收實驗室遠程PC機的控制命令和參數(shù)。STC主控器控制電極多路轉(zhuǎn)換器將數(shù)百道的電極分別切換到A、B、M、N總線上，控制高壓供電電路通過A、B向大地供電，模擬電路將M、N電極接收的電壓信號進行放大、濾波、補償自然電位，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過4G通信電路將數(shù)字信號回送到實驗室遠程PC機進行數(shù)據(jù)處理。

2.2? 軟件設(shè)計

儀器進行四維供電測量的程序流程如圖2所示。

遠程PC機采用C#語言編寫程序。C#是由C和C++衍生出來的一種面向?qū)ο缶幊陶Z言，它繼承了C和C++的強大功能，又去掉了它們的一些復(fù)雜特性。C#綜合了VB簡單的可視化操作和C++的高運行效率。北京地學(xué)探測技術(shù)公司開發(fā)的軟件功能包括建立工程，設(shè)置參數(shù)（裝置類型、測量模式、電極間距、供電時間、斷電時間、起始電極、終止電極、起始測層、終止測層、二次延時、自電補償、色標(biāo)等參數(shù)；裝置類型包括溫納裝置、溫施裝置、施倫貝爾裝置、β裝置、溫納滾動、二極裝置、三極裝置、微分裝置、偶極偶極、測井等裝置），計算電極位置，供電測量，計算極化率和視電阻率，畫彩色剖面圖；每測完一個測點數(shù)據(jù)就判斷本剖面測量結(jié)束否，若本剖面測量沒結(jié)束，則計算下一測點電極位置并供電測量，若本剖面測量結(jié)束則轉(zhuǎn)入下一剖面進行三維地質(zhì)測量；判斷所有剖面測量是否結(jié)束，若所有剖面測量沒結(jié)束，則計算下一剖面電極的坐標(biāo)進行供電測量；若所有剖面測量結(jié)束，則等待時移時間到達后啟動下一輪時間的供電測量，從而不間斷地進行時移測量，追蹤地質(zhì)異常隨時間的變化規(guī)律。

將時間尺度引入高密度電法測量中，遙控連續(xù)測量電法數(shù)據(jù)，從而獲得四維的電法資料，因而可以追蹤地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常的變化規(guī)律。

3? 應(yīng)用實例效果分析

山體滑坡（鐘育瑾等，2021；許強等，2017；王忠禹等，2021）、黃土滑坡（黃潤秋，2004）、溶洞探測（王建偉，2004；陸金波，2021；萬小樂，2022）等地質(zhì)災(zāi)害越來越多，給國家和人民造成巨大損失。探測可能發(fā)生災(zāi)害區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，追蹤地質(zhì)異常隨時間的變化規(guī)律，提出災(zāi)害預(yù)警（王興泰，1996），減輕地質(zhì)災(zāi)害的損失，是一項重要的研究課題。下面介紹幾個應(yīng)用實例。

3.1? 四川省德陽市馮店跨梁子山體滑坡探測

如圖3所示，馮店跨梁子左岸斜坡由滑坡群組成，其中以南部緊鄰麻石灣的FED1滑坡最為典型，稱其為馮店FD1滑坡，簡稱馮店滑坡。

1949年和1981年罕見的大暴雨觸發(fā)了馮店跨梁子（王志華等，2012）兩次山體劇滑。1981年后每次暴雨期間在裂隙水和滲流水的作用下，滑體上的電桿每年雨季都會向東傾伏?；聡?yán)重影響了當(dāng)?shù)卮迕竦纳拓敭a(chǎn)安全。

2018年春天，利用GeoERT IP 2401多功能高密度極化率儀對裂隙具體位置和含水狀況進行了探測。在該探測工區(qū)采用120道金屬電極進行供電測量，道距5 m，測量30層。如圖4所示，電法剖面揭示了滑坡造成的斷裂，斷裂帶上的電阻率低、極化率高，說明含水率高。附近村民遷移到了遠離滑坡段的平坦區(qū)域居住。

極化率參數(shù)（王士鵬，2000）對含水率反應(yīng)敏感，結(jié)合視電阻率，可以更好地確定斷裂的特性。

3.2? 內(nèi)蒙古沙漠334 m深的水源探測

巴丹吉林沙漠是我國第二大流動沙漠，以發(fā)育世界上最高大的沙山群及沙山之間散布眾多湖泊而聞名于世。為了探明巴丹吉林沙漠高大沙山形成機制及湖泊水的來源，2018年內(nèi)蒙古自治區(qū)科技重大專項《巴丹吉林沙漠脆弱環(huán)境形成機理及安全保障體系研究》之課題2《巴丹吉林沙漠湖泊群及高大沙山的形成機理》得到立項，通過高密度電法查明巴丹吉林沙漠湖泊群及高大沙山的形成機理與地下水的來源。

巴丹吉林沙漠內(nèi)部沙丘多呈西南-東北走向，東南側(cè)較陡，為背風(fēng)坡，在高大沙山之間的湖泊多達到144 個，多集中于沙漠東南部，大部分為咸水湖且面積小于1 km2。如圖5所示，最大的諾日圖湖面積1.45 km。

諾日圖高密度電法長剖面電極起點位于諾日圖湖旁邊緩坡位置，電極終點位于諾日圖湖旁高大沙山中部，測點中點（第120根電極）設(shè)置在諾日圖湖中部，距湖面較近。利用GeoERT IP 2401多功能高密度極化率儀進行探測，全剖面共布240根電極，間距10 m，剖面總長2 390 m，測量最深334 m。

從圖6可以看出，總體的特征是沙丘地層電阻率較高而在湖泊及其之下地層中電阻率較低，越遠離湖泊地層的電阻率越大，說明地層中含水量是控制地層電阻率的主導(dǎo)因素。

從反演圖中可以看出，整個剖面在334 m深的地層未見明顯的電阻率呈層狀分布，高大沙山電阻率較大，下伏地層與表層電阻率相似且未見明顯的界面分布，說明高大沙山內(nèi)部沉積物沒有明顯的地層差異，沙層中含水量較少導(dǎo)致沙山電阻率較高，高大沙山下部并未有起伏基巖地層分布。

整體上看，湖盆范圍內(nèi)厚334 m地層的電阻率均較低，呈現(xiàn)淺部地層相對較高而深部地層相對較低的特征，說明該剖面富水地層集中于湖盆深部地層中，因此推測深層地下水的補給是諾日圖湖湖水的主導(dǎo)補給源。兩邊高大沙山內(nèi)部可見較為明顯的高/低電阻率界線，該界線近乎水平且與湖泊高程基本保持同一海拔高度，說明高大沙山內(nèi)部水分也來自深層地下水補給。

3.3? 黑龍江省某地區(qū)金礦探測

現(xiàn)已基本查明某金礦出露地表和近地表礦體（崔雷等，2010），為尋找深部的隱伏礦體，通過遙感、土壤測量、激電中梯等手段圈定了多處有利成礦地段。由于區(qū)內(nèi)覆蓋較厚，地表工程無法驗證，且開展鉆探施工成本較高。前期研究發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)的礦體與金屬硫化物關(guān)系密切，結(jié)合該區(qū)的成礦地質(zhì)條件和地球物理特征，采用新型的高密度極化率儀對目標(biāo)地質(zhì)體的深部變化情況展開探測研究。

高密度極化率剖面的地表被第四紀(jì)砂礫層覆蓋，厚度0～20 m不等，礦體延深至80 m以下，黃鐵礦化明顯，礦化呈團塊狀、細(xì)網(wǎng)脈狀，礦體圍巖為閃長巖。從圖7的高密度電阻率剖面圖和圖8的高密度極化率剖面圖可以發(fā)現(xiàn)，礦體呈明顯的低阻高極化特征，形成了明顯的異常，剖面360 m后出現(xiàn)低阻異常帶，異常延伸大于80 m，高極化率異常也在剖面360 m出現(xiàn)，與18號礦體吻合得很好。

3.4? 河北省張家口市某地區(qū)鉛鋅礦探測

區(qū)內(nèi)礦業(yè)主要為鉛鋅礦。礦區(qū)處于壩上高原地區(qū)，為內(nèi)蒙古高原邊緣，地形起伏不大，礦區(qū)海拔1 450.0～1 506.7 m，呈低矮丘陵地貌。

該區(qū)位于康保-圍場深斷裂南部，出露地層主要是下元古界紅旗營子群變質(zhì)巖系及新生界第四系。下元古界紅旗營子群變質(zhì)巖主要為花崗片麻巖，分布全區(qū)，零星出露。本區(qū)巖漿活動不強烈，僅有一些石英脈及少量的閃長巖脈產(chǎn)出。區(qū)內(nèi)片麻理產(chǎn)狀總體走向北西，傾向北東，傾角53～75°。在礦區(qū)內(nèi)發(fā)育一組北東走向的斷裂，傾向北西，傾角45～90°。鉛鋅礦體主要賦存在北東向斷裂裂隙中。

如圖9所示，5#測線高密度極化率剖面異常主要分布在剖面的水平距離80～105 m，對應(yīng)的深度為15～25 m，這些異常是礦體所致結(jié)果。激電異常處于該區(qū)北東向構(gòu)造斷裂帶上，是地質(zhì)成礦的有利部位。鉆探結(jié)果證明物探資料分析準(zhǔn)確。

3.5? 四川省阿壩州汶川縣映秀鎮(zhèn)地質(zhì)異常追蹤探測

汶川地震震中地處四川阿壩州汶川縣南部，位于國道213線和省303線交匯處，是前往九寨溝、臥龍、四姑娘山旅游地的必經(jīng)之路。當(dāng)時映秀鎮(zhèn)地震烈度（許強等，2011）達到XI度，造成大量房屋損毀，2000多畝農(nóng)田被破壞。

利用GeoERT IP 2401多功能高密度極化率儀在映秀鎮(zhèn)地震滑坡的堆積體上追蹤雨前、雨中、雨后的地質(zhì)變化規(guī)律，為防治自然災(zāi)害提供技術(shù)支持。圖10是1#測線高密度極化率剖面圖。從處理的高密度電法剖面圖上可以清晰地看到地質(zhì)異常的變化規(guī)律，在剖面中5 m附近雨前、雨中、雨后電阻率變化明顯。

4? 結(jié)論

北京地學(xué)探測技術(shù)公司的GeoERT IP 2401四維遙測多功能高密度極化率儀，由于其特有的跳測專利技術(shù)，使用一套金屬電極，既可以做高密度電阻率測量，又可以做高密度極化率測量。通過大功率發(fā)射、自動調(diào)節(jié)供電電壓、遙控連續(xù)測量方式，形成X、Y、Z、T四維探測，方便野外施工作業(yè)，提高了探測效率和勘探深度、解釋精度。

通過以上5個應(yīng)用實例說明，GeoERT IP 2401四維遙測多功能高密度極化率儀，在地質(zhì)災(zāi)害探測與預(yù)報、金屬礦勘查、深部水資源探測等方面有較好的應(yīng)用效果。

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收稿日期：2022-12-27；修回日期：2023-02-06

基金項目：河北省地震災(zāi)害儀器與監(jiān)測技術(shù)重點實驗室開放基金項目（FZ224107）和柴達木盆地鹽湖區(qū)物探綜合調(diào)查（DD20230298）聯(lián)合資助

第一作者簡介：張家聲（1997- ），男，助理工程師，主要從事地球物理探測技術(shù)與儀器開發(fā)方面研究工作。E-mail：3305835843@qq.com

引用格式：張家聲，張廣德，王恒祎，袁振興，劉永東，2023.新型四維遙測高密度極化率儀在物探中的應(yīng)用研究［J］.城市地質(zhì)，18（1）：97-103