野外工作方法和技术--双频激电法

红粉佳人 · 发表于 2010-2-16 00:49

野外工作方法和技术--双频激电法
双频激电法主要用来寻找铜、多金属等硫化矿床以及相应的伴生有色金属、稀有金属和其他矿床。也可以寻找磁铁矿、有极化效应的赤铁矿和镜铁矿、锰矿等黑色金属矿床。此外，还可以寻找煤、石墨矿和地下水。
双频激电法除了对致密块状矿有很好反映之外，对浸染状和星散状矿体也有独特的效果，所以它是寻找斑岩型铜矿有效的物探方法，同时还可借助浅部矿化和浸染晕发现深部矿体。正因为双频激电对矿化反映灵敏，不够工业品位的矿化也能形成异常，因此对获得的异常有必要作进一步的分析和甄别。
在某一地区是否投入双频激电法，主要取决于地质任务，地质、地球物理条件和技术经济指标。地质任务的确定则必须兼顾主观和客观的条件。一般地讲，主观是指人们所要解决的矿产地质任务或其它任务的愿望，客观则是指自然界所提供的物质基础和前提条件。仅从主观的愿望出发，往往会造成浪费或事倍功半，这样的教训很多、也是很深刻的。因此，首先要从地质、地球物理条件的分析中提出地质任务，然后通过各种手段了解物性差异、有利条件和不利因素，再经过成本、效益和地质效果的综合分析，决定是否投入双频激电工作。
在具体工区，究竟是投入双频激电法，还是时间域激电法（俗称直流激电法），应根据地形、地质条件作合适的选择，扬长避短，灵活应用。一般地说，在地形较平坦如平原、盆地上，交通条件好，以及非工业干扰区，干扰小、接地好，既可使用双频激电法，也可使用时间域激电法。而在山区，地形很差，以及工业及人口密集区，工业干扰和人文干扰较大，接地条件相对较差时，双频激电法远远优于时间域激电法和其他形式测量的激电法，如变频法、奇次谐波法等。
大量实践证明，双频激电法能够应用于地质工作的各个阶段。在1：5万或1：2.5万的小比例尺面积性普查工作中，可用来发现和寻找成矿远景区或矿化带，也可配合同比例尺的地质填图。在1：1万的中比例尺详细普查工作中，可用来圈出矿化富集带范围，为进一步详查提供依据。在1：5千或1：2千的大比例尺详查中，可进一步用来圈定矿体或矿化带的平面范围和走向，结合地质情况判断矿体产状，埋深和大致规模，条件有利时甚至可以分辨极化体的成份，以指导钻探及山地工程。在勘探阶段，利用钻孔或井下激电还可发现深部隐伏矿或井旁盲矿。在地球物理方法本身的综合利用上，可与磁法、自电、电阻率法等，以及其它地质的、地球化学的手段相结合，评价各种异常的性质。
仅从发现异常的角度，选用一对频率的双频激电法便可以胜任。但如果要在发现异常的同时对异常作详细研究，那么可应用多对频率的双频道频谱激电法，它不仅可以提供视电阻率、视幅频率、自电、相位等多个参数（另可计算各种导出参数），还可以进行频谱测量或进行激电非线性效应测量，以便对异常作更详细的研究。
在学术著作中，常常不涉及或很少涉及工作方法与技术。然而笔者认为任何一种地球物理勘探方法能否取得很好的效果，正确的野外工作方法技术是十分重要的。全部数据都是依靠在野外实际工作中取得，如果野外工作方法技术不当，或者是事倍功半，增加成本或者是影响数据质量，直接关系到最终成果的可靠性。因此，本书以较多的篇幅，较为详细地讨论它。
§ 8.1 电极排列形式
电极排列形式（或称电极装置）指的是A、B、M、N这四个电极以什么样的方式组合进行野外工作。电极排列的形式可以是多种多样的，在双频激电中，经常用的有“中间梯度”、“偶极-偶极”、“对称四极”、“三极”、“二极”（“近场源”）以及“测深”这几种排列形式。任何一种电极排列都有它的优点和缺点，或者说没有那一种电极排列是绝对好或绝对差的。然而，在野外实际工作中常常由于某一种排列（例如中间梯度）用得较多而忽略了它存在的问题。因此，在本节中，不仅讨论它们各自的长处，还分析它们的问题，以便在实际工作中根据可能的异常形态，发现异常的能力，干扰水平、抗感应耦合能力以及地形、接地条件等诸多因素选择合适的电极排列。
8.1.1 中间梯度排列
目前，在我国应用最多的电极排列形式是中间梯度排列，特别在时间域激电和面积性激电测量中更是如此，对双频激电来说，它很灵活，本来可以不必千篇一律地使用中间梯度排列，但由于它少移动供电电极，在一般情况下显得方便，再加上习惯的原因，中间梯度排列事实上仍是用得最多的一种排列。
如图9.1所示，中间梯度排列是用A和B两个供电电极进行供电，测量电极M和N则沿着测线逐点移动进行观测。根据工作任务，中间梯度又可以分为三种方式：
主线测量方式：MN在AB连线中间的（2/3）AB范围内测量。
主线加旁线测量方式：MN除了在AB的中间连线（一般取AB长度的2/3）进行测量外，还在AB两侧与AB平行的旁线上进行测量，测量范围如图9.1中的L和2L/3的矩形框内。这样，可以减少供电极的移动次数。
全域测量方式：所谓全域测量方式，是指每条线不限于2L/3，而是扩展到整个AB，甚至扩展到A和B的连线的延长线上。也就是说，在AB供电的情况下，只要是能测到足够大小电位差的地方都可以作为测量范围。
在以发现异常为目的的普查工作中，第2、3两种方式由于效率高而常被采用。到详查时，要获得异常的正确形态，则宜采用中间线测量方法。而且要将可能的矿体置于AB的中间，使AB垂直异常走向。
测点间的距离l的大小根据所寻找的矿体的大小和最小可测电位差来折中选择，一般，L/l在20~50之间。MN的大小通常等于测点间距l或者l的2倍或3倍，记录点在MN的中点。
中间梯度排列之所以应用较广，其原因主要有如下几点：
1、在一段范围内不需移动供电电极，同时，供电导线、电源及发送机也不要移动，只移动测量电极MN（短导线测量方式），野外工作方便了许多，因而广为应用。特别是对于需要供电电流很大的时间域激电法，中间梯度排列就几乎成了唯一的实际可选择的排列。
2、中间梯度排列可以一线供电，多线、多台接收机同时进行测量，甚至可进行全域测量，因而生产效率高。
3、在AB中部，激发场接近水平均匀场，在此种情况下中间梯度的异常相对简单，甚至可用电磁类比法进行半定量解释。
由于中间梯度排列应用较广，得到很多人的偏爱，因而它的一些缺点往往不易引起人们的重视。有必要说明如下：
1、AB导线一般在1000M以上，敷设很费时间，在山区更是如此。在潮湿地区又容易造成漏电，因而需要定时检查，在野外，常常因漏电检查不合要求而耽误很多时间。
2、中间梯度排列的电磁感应耦合效应比偶极排列的要严重得多。而且它的电磁感应耦合效应随AB增加而增加，在电阻率低的地区，不利于加大探测深度。
3、在AB中部，激发场接近水平，使得陡倾斜良导极化体的异常很不明显。理论计算的曲线对比可参见第七章图7.15和图7.37，在直立板上中梯异常很小，其他电极排列的异常要比中梯异常大1倍以上。图8.2则是湖南衡山中梯和偶极实测曲线对比。在该地区，视幅频率背景约为2%，中间梯度的异常只有4%，即异常绝对值只有2%，这就要求有很高的观测精度，否则异常就可能被误差所掩盖，因而施工中要十分小心。同一测线的偶极异常比中梯的大3倍左右，而正常背景场仍为2%。这样异常绝对值可达12%。在这种情况下，即使将观测精度适当降低，也不会影响异常的重现性，从而使施工速度加快，工效提高。
4、中间梯度的异常并不一定形态简单。平时说中间梯度异常形态简单，那是有条件的，指的是在AB中部，激发场接近水平均匀场，因而异常形态与垂直磁化的垂直磁异常相当。如果极化体不在AB中部，情况就不同了。这里用一个与AB线正交的地下电缆异常的模型实验结果（图8.3）来说明问题。

当电缆相对于AB供电极对称时，即位于AB连线的中点（x=0）时，电缆附近未出现明显的视极化率异常（曲线1），也无明显的视电阻率异常显示，这是符合人们的直观认识的。
当电缆位于供电极A、B之间，但相对两供电极不对称时，电缆附近出现幅值大、范围宽的视极化率和视电阻率异常。图中曲线2、3、4分别给出了电缆位于x=-10、-20、-30cm处主剖面上的ηs观测结果。由图可见，电缆引起的视极化率异常，在电缆左右两侧为正负相伴的不对称异常，距电缆较近的电极（图中电极B）一侧，为视极化率负异常，距电缆较远的供电极（图中电极A）一侧，为视极化率正异常，并且正异常的幅值和分布范围都大于负异常。随观测点远离电缆，Fs异常逐渐消失。电缆正上方附近，ηs曲线通过零值点。顺便指出，此时的视电阻率曲线与视极化率曲线基本呈镜像对称关系。
由图还可看出电缆在不同位置时的异常变化情况。当电缆逐渐由AB中点移近某一供电极时，由电缆引起的Fs异常的幅值随之增大，但当电缆靠供电极很近（图中曲线4）时，Fs异常幅值又出现减小趋势，其中靠近电极一侧的负异常减小更为明显。
图8.3的实验结果本来是要说明地下电缆的影响，以提醒人们不要认为小小的电缆似乎不应引起多大异常。然而当它在测线中不同位置时，可以引起不同的异常。这一方面说明在野外不可忽视电缆的影响。笔者在这里引用这个例子，是想说明在中梯排列中，异常并不总是简单的。
电缆位置的变化，也可认为是电缆不动，而电极相对移动了。事实上，电缆在不同位置时引起不同的异常，是由于激发条件改变而引起的。在中梯全域测量中，更要注意异常形态与供电电极的位置关系。
在相同测区内，当测线长度大于AB测区长度时，要把AB移到新的位置。移动前后需重复测量2-3点，这几个点便是测区的衔接处。最早的时候，人们在衔接处保留几个重复测量的点（称为“接头点”），是想用它来控制测量精度，即规定两组不同AB在接头点上测到的结果应该是一样的，或者是在误差范围之内。如果所测结果相差较大，出现了“脱节”现象，就认为测量质量有了问题。其实这种看法是不全面的。如果接头点是在正常场区，是应该不出现脱接现象。然而如果地下有极化体存在时出现“脱节”现象是自然的。此时不同的AB供电时，“接头点”上的视幅频率或视极化率值是不同的。发生脱节的原因主要是激发和测量条件的差异所引起。下面引用水槽金属板模型实验结果来说明。如图8.4所示。AB间测区为（1/3~1/2）AB，其中“A1B1段”FS曲线代表A1B1供电时，在其中间地段的FS曲线，余此类推。

双频激电法.jpg

由图8.4可见，曲线脱节有如下简单规律：
(1) 当AB中心逐渐移近矿体时，FS值逐渐升高，但曲线向下脱节。
(2) 当AB中心逐渐远离矿体时，FS值逐渐降低，但曲线向上脱节。
(3) 当供电电极之一移至矿体之上或矿体邻近时，FS曲线出现最明显的脱节。
(4) 曲线脱节处一般并不对应矿体端的位置。但曲线脱节的规律却指示矿体存在的方位。
(5) 某测点上曲线有明显的向上脱节，并不意味着该测点下面有新的矿体存在。因此在绘制FS等值图时，脱节点的FS值尽量取其低而不取高值，原则上应取接近背景的FS值。用简单取平均值的方法不一定合适。
下面我们以激发与测量条件的差异来分析图9.4上各段曲线脱节的原因。
在A1B1段，近A1段曲线低值是由于观测点离A1极近，离极化体远，故接近背景值。近B1段FS值渐高是由于B1和观测点离极化体较近，极化体的二次场已较明显。近B1段的FS曲线近似于B1单极供电引起的FS异常曲线，因此可由倾斜极化引起的二次场解释。
在A2B2段，近A2段的低值也是由于观测点接近A2极，由于A2在该点引起的一次场强，因而FS值接近背景值。近B2段明显增加也是由于B2极和观测点离极化体近，近B2段曲线近似于B2单极供电引起的FS曲线。
在A3B3位置，A3B3的中心恰恰与极化体顶部投影位置重合。A3B3在极化体两侧对称分布，此时极化体受水平极化，与理想条件相似（差别是A3B3不是无穷大）。这时在极化体两侧观测到FS负值，而极化体顶部则观测到FS极大值。
A4B4段和A5B5段曲线的解释可分别参照A2B2和A1B1段曲线的解释。
以上的分析可见，当有极化体存在时，AB逐段移动，出现“脱节”现象是正常的，它正好反映了极化体的存在。
需要说明的是，上述实验结果和规律分析是在水平地形条件下获得的，当地形起伏时，极化和测量条件还因地形而变，所以曲线“脱节”的规律也不相同，但是，分析的原则仍是适用的。谈到A、B逐段移动，它们与极化体的相对位置发生了变化，引起中梯的曲线脱节，有必要提一下固定电源装置（排列）。这种排列是把一个供电极（比如A）布置在极化体的地面投影附近，另一个供电极（B）放到无穷远。M、N沿着由A引出的射线逐点移动，从A的附近直到相当远，如图8.5。这种装置实际上是一种三极测深。随着M、N从不同的方向远离A，总会在某一位置观测到极化体的异常。出现异常的方位以及极距AO与极化体的位置、埋深有内在的联系。固定电源装置的好处是有利于判断极化体的位置、埋深和产状。但是增加了一个无穷远极，不够灵活轻便。并且必须在经过了普查，知道极化体的大致位置的前提下布置，才能达到目的。如若情况不明，盲目不知，反而会徒劳无功。
从“中间梯度的异常形态并不一定简单”这一事实出发，引伸出一个问题：面积性的中间梯度测量结果要不要绘制平面等值线图。一般来说，一个面积性工作常常是多组AB供电才能完成，这样绘出的平面等值线图的异常形态就会很复杂，一方面，每个异常形态都对应它的供电电极，而且还特别和矿体与供电电极之间的相对位置有关。如果将不同供电电极所的结果不加处理地放在一起，绘成平面等值线图，常常会给人以一种不正确的印象。因此，笔者认为，在这种情况下，不宜绘平面等值线图，绘平面剖面图会要好些。而且即使是绘平面剖面图，也应该将各供电点的位置标在图上，标明哪些曲线是哪组电极供电的。这样才能将获得的异常与供电点的位置联系起来，便于看图的人思考问题，一目了然。
在前面这一小节中，我们特别强调了中梯异常形态并不见得简单，这是因为存在这样的观念：“中梯异常形态简单，便于解释，而偶极剖面异常形态复杂，不便于解释，”有的教科书也是这样说的。其实这个观念是片面的，是有条件的。即使在AB中部，虽然异常形态简单，但也受很多因素影响。而且从另一个角度看，异常形态的简单也意味着信息量少，因此中梯对极化体产状和形态所提供的信息就相对少些，在这方面中梯不如偶极剖面提供的信息丰富。
以上分析了中梯装置的优点，也强调了这种装置的缺点。这并不意味着我们反对使用中梯装置，相反，只有在全面了解它的优劣后，才能扬长避短，因地适宜地恰当应用，使它发挥最大的效用。