一種新的高密度電阻率法數據處理方法及其應用

孫甲富,梁樹昌

(黑龍江省第一地質勘察院,黑龍江牡丹江市157011)

一種新的高密度電阻率法數據處理方法及其應用

孫甲富,梁樹昌

(黑龍江省第一地質勘察院,黑龍江牡丹江市157011)

本文針對高密度電阻率法測量數據在實際應用中因地面巖石不均勻造成斷面等值線呈振蕩式畸變的現象,提出了一種消除這種弊病的辦法,即反射系數法,介紹了在常見Execl應用程序上實現這種換算的計算方法以及在地質找礦中的應用實例。

高密度電阻率法;測深;反射系數;視真電阻率

1 序言

高密度電阻率法實際上是直流高密度電阻率法的延伸,兩者的基本原理完全一致。它實際上是一種陣列勘探方法,野外測量時只需沿勘探線按一定間距(一般為等間距)將全部電極(幾十至上百根)一次置于測點上,然后利用程控電極轉換開關和微機工程電測儀便可實現數據的自動和快速采集。使用專業軟件對測量數據進行處理并可給出關于地電斷面分布的物理解釋的結果。顯然,這種采集電阻率數據的方法,使電法勘探的智能化程度大大向前邁進了一步。

高密度電阻率法具有以下優點:

(1)電極布置一次性完成,不僅減少了因電極設置引起的故障和干擾,并且提高了效率;

(2)能夠選用多種電極排列方式進行測量,可以獲得豐富的有關地電斷面的信息;

(3)野外數據采集實現了自動化或半自動化,提高了數據采集速度,避免了手工誤操作。

但是,在實踐應用中我們經常發現高密度電阻率法采集到數據或斷面等值線出現無規律的振蕩畸變。這時高密度電阻率法所取得資料就無法使用,以致該方法在很多情況下無法開展。或許正是出于這樣的原因,當前高密度電阻率法只是在地下水勘查中應用較多,而在地質找礦工作中應用較少。為解決這個問題,有關學者采用數據濾波、比值換算等方法,收到了一定效果。但是濾波方法需要多次選擇濾波參數進行試驗(圖1),實際應用中是無法像室內預先知道選擇哪一組濾波后數據是符合實際地質情況的,就是說這樣的數據處理具有不確定性或多解性,只能符合室內的理論研究,不適宜野外應用;比值方法的的處理效果實際上沒有真正的改觀。

針對上述現象,提出既能夠既能保持高密度電阻率法的優點,又能克服其上述缺點的辦法?恰好我們在研究反射系數法在電阻率電測深方法解釋應用中取得了一定成果,同時覺得常規的電測深數據與高密度電阻率法數據有相似之處。所以,根據實際需要開始了反射系數法在高密度電阻率測深數據處理的研究與應用。

高密度電阻率法數據實際上與電阻率測深數據具有相同的特點,只是高密度電阻率測深數據較電阻率測深數據采集密度大,效率高而已,從理論上來講它們是一致的。因此,將電阻率測深方法的反射系數法引用到高密度電阻率測深方法數據處理上來,其理論根據也是一致的。

本著以實際應用效果為主的原則,首先在實踐中開展對比應用,然后再對其理論進行研究分析,正所謂“實踐—理論—再實踐”。實踐表明,采用反射系數法處理高密度電阻率法采集的數據編繪的視真電阻率斷面等值線圖,與反射系數法處理電阻率測深數據編繪的斷面等值線,同樣具有直觀明了的優點。

圖1 高密度數據濾波處理對比

2 基本原理簡介

2.1 高密度電阻率測深產生畸變分析

現以重慶地質儀器廠生產的DU K-2B型高密度電法測量系統的單邊三極連續滾動式測深裝置(S3P)為例,其分析結論也適用其它裝置。

如圖2所示,儀器的N、M、A三個電極在系統的控制下按設定次序與剖面布置的電極相連,B極則始終與無窮遠電極相連。

儀器測量時,測量電極N、M不動,A逐點向右移動,至設計極距(點)數,得到一條由上向下(一個測深點)的一組數據;接著N、M、A同時向右移動一個電極,依然是N、M不動,A逐點向右移動,至設計極距(點)數,得到又一條由上向下(一個測深點)的一組數據,以此類推, N、M、A三個電極直至設計移動的測深點數,完成測量。

圖2 單邊三極連續滾動式測深裝置示意圖

120道電極轉換規律描述:假如測量是從1#電極開始,最小間隔系數n(MIN)=1,最大間隔系數n(MAX)=20。

首先,N=#1,M=#2,A=#3→#22測得第一組ρsa的數據20個;

然后,測量電極依次往前移一個點距;

接著,N=#2,M=#3,A=#4→#23,測得第二組ρsa的數據20個;

……

每測得一組ρsa之后,測量電極依次往前移一個點距。設測線上的電極總數為120,n(MIN)= 1,n(MAX)=20,則測量數據總數等于:(120-20-1)×20=1980。此外,該裝置通過靈活設置起始電極號(CHO)可做長剖面,測量深度達到500m以上。

高密度電阻率法采集數據的密度是非常高的,所以它無論是沿剖面方向,還是向下深部的方向均具有較高的分辨率。這對研究勘探尤其是規模不大的脈狀地質(礦)體是十分有用的,這同時也是之所以能夠誕生高密度電阻率法的初衷之一。

但是從它的測量方式中我們不難發現,對于某一個測深點來講,當供電極距變化時,它的測量極距是不變的。

根據視電阻率的微分公式:

式中:ρa——視電阻率,ρMN——MN測量電極之間的巖石電阻率,一般是淺層介質,jMN——MN測量電極間的平均電流密度,j0——地形為均勻介質時MN測量電極間的電流密度。

顯然當MN確定時,MN測量電極之間的巖石電阻率ρMN肯定不變,這時視電阻率ρa僅隨比值jMN/j0變化。

如果地下巖(礦)石完全是均勻分布的,該比值在供電電極位置的改變是不會改變大小的,這時有ρa→ρ0(地下均勻介質電阻率)。

但是,實際上野外所面對的地下空間在很多情況下是很不均勻的。這時,jMN/j0實際上是通過供電極距的改變,來改變供電電流對地下空間的影響范圍,借以反映地下巖(礦)石的分布特性。這個比值隨著供電極距的增大,對地下空間的影響也逐漸增大,視電阻率ρa也隨之做相應變化。

對于三級滾動裝置的高密度電阻率測深而言,測量同一個測深點的不同極距的視電阻率數據時,它的測量電極MN的位置是不變的,所以相應的ρMN也是不變的。這就是說,對同一個測深點來講, ρMN對每個測深點的ρa數據的影響基本是相同的,說明高密度電阻率法的同一個測深點的ρa數據畸變不是很大。

但是,當測深點位置發生變化時,雖然MN的距離未發生變化,但一般來講MN之間地表巖性(多為粘土、碎石、腐殖土等)是不均勻的,而且MN的距離越小(電測深的MN大可以壓制淺層干擾),這種不均一性就越明顯,其結果是使得ρMN發生較明顯的變化,尤其是在其淺層地下水分布變化較大時,ρMN變化更大。對高密度而言MN很多時候是等于測點距離或其倍數的,測量點距越小,越能發揮其分辨率高的優勢。因此,高密度電阻率法之所以能夠誕生,就是因為能夠在較短的時間內獲得較高密度的數據采集量。所以MN距離小是高密度電阻率法的一個特點。因此,高密度電阻率測深點位置發生變化時或者說測量電極MN位置發生變化時,MN之間的電阻率ρMN多數變化是非常明顯的。這樣就使得不同測深點之間的ρa數據相應地發生明顯畸變。

綜上所述,測量地區地表巖性不均勻使得不同測深點之間ρMN發生變化,高密度電阻率測深本身測量電極以較小距離的選擇又加劇了這種變化,從而導致了前述高密度電阻率測深數據產生畸變。

2.2 反射系數法原理簡述

野外工作區的地面地質情況多數是復雜多變的,客觀的地質條件是無法改變的。所以任何物探方法的應用只能去適應客觀的自然環境,而不能讓環境去適應方法。因此,如何在復雜多變的地質環境下開展高密度電阻率法,以發揮其高效、高分辨率的優勢,克服高密度電阻率測深數據畸變就成為物探工作者的一個重要研究課題。

如前述,高密度電阻率法,實際上就是視電阻率測深法的延伸。兩者只是采集數據的方式不同,基本理論是完全相同的。因此用于解決視電阻率測深的解釋方法,也適用于高密度電阻率測深。作者曾經對反射系數法應用解決電阻率測深數據處理做了一定研究,在實際應用當中取得良好效果;并且,在進行高密度電阻率法資料解釋工作時,引進此方法,結果發現在消除高密度電阻率數據(斷面等值線)畸變方面,確實收到了非常好的效果。

電測深反射系數法的核心是研究電阻率測深曲線的斜率,稱為電測深曲線的視反射系數,并用￣K表示。在對數坐標系中,電測深曲線斜率也就是視反射系數￣Ks為:

式中:R是供電極距AB/2的簡便表示方式;ρs視電阻率。

反射系數則為:

式中:￣Ksmax視反射系數最大值,￣Ksmin校視反射系數最小值的校正值,ρz、ρ2分別為相鄰兩層介質的第一層、第二層介質的電阻率。

進而推導出反射系數法中的一個參數——似真電阻率ρz:

式中:ρ0為相鄰兩極距對應電阻率的幾何平均值。

2.3 高密度反射系數法消干擾的原理分析

對反射系數法消除因地表不均勻導致的畸變的原因做一簡單分析。令:JaMN=jMN/j0

由于高密度電阻率法的同一測深點的測量極距是相同的,所以它們具有相同的ρMN。

據(1)式有:

由上式可見dlgρa的計算結果已與ρMN無關,dlgR顯然與ρMN無關。將該結果代入(2)式,易知視反射系數Ks與ρMN無關。進一步計算的反射系數Kz也是與ρMN無關的,從而消除了地面干擾因素的影響。

實踐表明反射系數斷面等值線形態幾乎與視真電阻率形態完全一致,只是采用的單位與數值有所不同,這表明雖然不能從理論上直接證明視真電阻率與ρMN無關,但至少可以說明由(4)式計算的視真電阻率在很大程度上削弱了地面介質不均勻分布影響產生的畸變。

2.4 高密度電阻率反射系數計算方法

上述是反射系數法原理,在實際用時必須經適當變換后才能得到相應參數。此外,一般不能利用(2)～(5)直接計算任意極距對應參數,只能計算根據微分原理計算實測相鄰兩極距中間極距對應參數的近似值,計算公式如下:

假設某個測深點的n個由小到大極距的一組觀測數據(Ri,ρsi)(i=1,2,3,…,n),其中兩個相鄰極距的視反射系數為:

Kz(i)、ρz(i)對應的極距均為(7)式中的Rk(i)。注意(6)和(9)式中ρs(i)、ρs(i-1)為兩相鄰電極距對應的視電阻率,i=2,3,…,n。

(6)～(9)式是對實測的一個電測深資料進行反射系法參數轉換的公式。

這個轉換過程除了在專門的應用軟件上實現外,也可在Execl程序上簡單列表編程處理,非常迅速方便。

第一步,按表1填充相應數據項。

A、B、C三列分別為剖面測點坐標(點號)、極距坐標、視電阻率ρa,其余4列依次為反射系數(視真電阻率)對應極距Kz、視反射系數Ks、反射系數Kz、視真電阻率ρz。

第二步,將事先準備好的預處理數據按A、B、C順序組織數據起來,然后復制粘貼到表1中A、B、C對應三列單元格中。并且一定要把測深點坐標、極距坐標(絕對值)的數據按升序順序排列。

表1 反射系數計算數據項排列

第三步,在對應D～G 4列的第二個單元格中輸入相應的計算公式。

第四步,復制D～G列的第二行四個單元格,并將其粘貼到D～G列對應A、B、C三列有測深數據的單元格上,即完成了預處理的高密度電阻率數據的反射系數換算。

實際上,上述公式只需在Execl程序上輸入一次,做成模板,使用時只需把預處理數據粘貼到ABC三列上,DEFG也做相應的粘貼處理即可。這種方法使用起來十分方便,無需購買專用軟件。

3 在地質找礦中應用

這里僅介紹我院今年在雞東縣東海鄉狼洞山巖金普查中使用該方法取得成果。

該項目工區位于雞東縣東海鄉狼洞山,設計項目工區為期兩年。2009年開始,通過地質物化探工作發現,位于8、7、15線的Au-36、Au-108、異常具有金礦化顯示,但進一步開展立項工作的依據不足。為深入研究該找礦線索,以建立完善本區地質及物化探找礦模式,并為本工區今后進一步立項開展工作提供依據,決定開展深部鉆探驗證工作;但是,根據現有地質資料選擇鉆孔位置的依據不充分。經研究決定,在認為有利成礦地段開展必要的物探工作尋找依據,以指導鉆孔布置。

據現有地質資料,發現金礦化體賦存于硅化較強的褐鐵礦化花崗巖之中。電參數顯示該類巖石的電阻率在8.0～10.0×103Ωm之間變化,比圍巖(花崗巖)視電阻率1.0～3.1×103Ωm高3倍以上,存在較明顯的電性差異,具備開展電阻率的前提條件。為了研究異常細節,快速高效地取得驗證成果,決定選擇高密度視電阻率法開展測深剖面工作。

本次工作實際上共開展了3條高密度視電阻率測深剖面。其中8號剖面是最終布置勘探孔的剖面,對此做一介紹如下:

圖3是采用該剖面高密度電阻率原始數據編繪的視電阻率等值線斷面圖。由圖3可見,剖面中部存在兩個近于直立的高電阻率異常。這兩個高電阻率異常和激電中梯視電阻率剖面曲線上的高電阻率異常也不吻合(參照圖4),兩者中心相差約100m左右。近地表低電阻率異常近于水平分布,向下則差不多均近似呈直立。按此推斷,該區的構造帶幾乎均近于直立,而從槽探揭露情況看構造帶產狀是傾伏的。因此說,圖3的視電阻率斷面等值線是畸變的。顯然不能直接以此進行推斷解釋,也無法以此選擇深部驗證孔位。

圖3 8線高密度視電阻率斷面等值線

圖4 8線地質物化探綜合剖圖

(a)Au、Cu等元素土壤化學曲線;(b)激電中梯視極化率、視電阻率曲線;(c)高精度磁測ΔT曲線;(d)高密度視真電阻率斷面圖等值線

為此,將高密度視電阻率數據采用反射系數法進行了視真電阻率轉換。圖4為該剖面的綜合成果剖面圖。由圖4可見,在24～22點之間(ZK801鉆孔)對應激電中梯剖面為高電阻率、低極化率、中等磁異常,而且該位置的Au、Ag、As、Pb等元素均呈較高含量異常。它們恰好與高密度視真電阻率斷面等值線的、向北傾伏的高電阻率異常相對應。這個高電阻率異常中心存在若干高電阻率極大值點,其數值在5000～26000Ωm之間;對應于激電中梯剖面的視電阻率極大值在4500Ωm上下變化。結合地質資料進行,綜合分析初步推斷其可能為強硅化的(花崗巖)巖脈引起,可能與Au、Ag等礦體的形成有密切關系。此外,根據該斷面的低電阻率等值線呈明顯的線性分布的特點,以其極小值連線為主,并結合其等值線扭曲特征推斷了若干構造帶。這些構造帶的產狀,在剖面上十分清晰,分為兩組。一組為向南傾早期構造,另一組是向北傾的晚期構造。這兩組構造帶均有可能與礦體有關,需要今后工作查明。

據上述推斷,最后在該線的23號點布置了ZK801號鉆孔。設計孔深300m,根據鉆進情況實際鉆進500.20m。

總的來講,在這個位于Au-36異常的ZK801孔查證主要成果基本上與高密度視電阻率測深推測的構造破碎帶、強硅化的巖脈相吻合。

(1)在孔深42.88～47.96m見到褐鐵礦化硅化花崗巖,相當于地表礦體北傾,向下延伸部位,與設計鉆孔見礦孔深較吻合,礦體沿鉆孔向下傾斜控制厚度約80余米。

(2)根據高密度視真電阻率斷面等值線推測:硅化為300m左右,鉆探揭露為290.55m以上為硅化帶分布;300m以上高密度電阻率測深推測的構造破碎帶和斷層,基本上與鉆孔揭露情況一致。

(3)鉆孔揭露的巖性為各種混合巖、片巖夾大理巖。根據高密度電阻率測深資料,結合相關的地質物化探資料,初步認為該孔可能是在已知的規模大、金品位高的麻山群余慶組地層之中;此外,據鉆孔編錄可知,礦化與層間破碎帶關系密切。

這個驗證結果,為本區繼續立項開展查證工作提供了強有力的依據,也說明采用反射系數法處理高密度電阻率測深資料確實是十分有效的。

4 結束語

反射系數法應用高密度電阻率法數據處理在我院已有五年多的應用歷史了。最初該方法的應用是在水文物探方面,由于反射系數法具有簡單明了直觀且無需昂貴的軟件經濟實惠。因此,隨著經驗的積累,近年來在地質找方面尤其是在尋找與高電阻率巖脈有關的金礦方面成果越來越顯著,也越來越受歡迎。但是目前該方法的理論尚不完善,還有待于進一步研究與提高。

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Abstract:In practical application,the data measuring by high-density resistivity method will have oscillatory distortion phenomenon because of rock formation nonuniform.In this paper,the authors put forward a new wethod-reflection coefficient method to elimiuate this phewomenon,introdule the computational method to achieve such conversion based on Excel programme and the application of this method in geological prospecting.

Key Words:high-density resistivity method;depth sounding;reflection coefficient;plausible resistivity

A New High-Density Resistivity Data Processing Method and its Application

SUN Jiafu,LIANG Shuchang
(The first Geological Prospecting Institute of Heilongjiang,Mudanjiang 157011,China)

P631.23

A

1009-282X(2011)03-0033-05

2011-04-21

孫甲富(1963-),男,黑龍江省龍江縣人,1983年畢業于長春地質學校地質勘查及找礦專業,1989獲得長春地質學院地質系普查找礦專業大學學歷,現為中國地質大學(北京)在職碩士研究生,地質高級工程師,曾長期從事野外工作,主持編寫過多份地質勘查報告與設計,現任副院長兼副總工程師,Tel:0453-6523796,E-mail:hljdkyy@ 163.com。