GDD与WDJS-2直流激电仪的找矿效果对比——以两路口矿区为例

黄 威, 张 勇, 程怀蒙

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

激发极化法是物探方法中非常重要的一种勘探方法,它是以不同岩石、矿石的激电效应为基础,通过观测和研究地下岩、矿石的激电效应来探测地下地质情况的一种分枝电法,具有信号强而稳定、勘探深度大、工作效率高及反映异常特征明显等优点,并广泛应用于地球物理勘探工作,可用于大面积的金属矿、非金属矿产资源地质普查和详查工作,或寻找地下水等水文与工程地质勘探[1-2]。

激电仪在中国已经有几十年的发展历史,20世纪60年代主要是仿制国外仪器;70年代,激发极化法有了理论上的较大突破,同时伴随着微电子技术的发展,激电仪广泛采用了显像管和场效应管,国内厂商研究和生产了以DDCJ-1为代表的多种时域激电仪。进入80年代,具有自动化功能的激电仪得到了进一步提高。这一时期的激电仪拥有多参数、多窗口、测量过程自动控制、发射和接收一体化的特点,激电仪的控制核心多采用单片机进行数据的处理和分析,例如北京地质仪器厂的DWDJ-2型激电仪、重庆地质仪器厂开发的DZD-2型激电仪。从90年代以后,微型计算机性价比提高并被广泛应用,激电资料处理软件与微型计算机激电仪相结合使激电法的工作效率极大提高。特别是重庆奔腾数控技术研究所研制的WDJS型直流激电仪,因具有较好的功能价格比,能够软硬件相结合,自动识别波表边沿技术,使断电延时准确,测得极化率准确,以及低耗、抗干扰强、有故障诊断功能等特点被广泛应用于地质找矿工作中[3]。近年来,随着深部找矿工作的不断深入,地矿部门迫切需要勘探深度大、灵敏度高、抗干扰强的激电仪器。在此背景下,中国地质部门又引进了加拿大GDD instrumentation公司生产的GDD大功率直流激电仪。GDD激电仪的特点是大功率、稳流精度高、探测深度大,在近几年的找矿实践中取得了较好的找矿效果。

1 仪器特性

1.1 GDD激电仪

GDD激电仪是加拿大GDD instrumentation公司生产的大功率直流激电仪,是新型的高集成低能耗的测量设备。它的稳流精度高,其1/1 000的稳流精度可以高出同类仪器1～3倍,可以采集到更准确的数据;手持PDA进行数据采集,小巧轻便,能够实时监测接地状态、噪声、信号、接地电阻、衰减曲线、各道数据。数据按照GPS-PPS的时间表示同步,全时间段数据采集。它的特性决定了它可以在绝大多数地质条件下使用,它可以被配置为多通道单极或多通道偶极接收机。 其接收机提供20个完全可编程的窗口,适合于高灵活性定义IP衰减曲线。IP显示:充电率、电阻率衰减曲线都可以被实时地显示,在获取数据前,接收机还可以使用一个通道显示初始电压波形的连续曲线,以监控和检查噪音。

1.2 WDJD-2激电仪

WDJD-2数字直流激电接收机是时间域激发极化法测量系统的接收机,采用短导线工作方式,可以多台接收机同时接收,能直接测量多种参数,其中包括自然电位、一次场电压和4个不同时段的视极化率。其具备自动走时、测量精准、自动化、抗干扰、低功耗等特征。

GDD所测得的充电率和WDJS-2所测得的极化率均是反应地下岩、矿石激电效应的物理参数,为了评价其不同的异常反应能力,在两路口矿区选取干扰小、便于施工的已知勘探线剖面开展有针对性的野外试验,以对其找矿效果进行对比评价。

2 野外试验

2.1 场地选择

两路口普查区处于桐(柏)—商(城)韧性剪切带南侧的桐柏—大别山带核部,出露地层简单,主要为西张店火山岩组。岩体主要出露花岗岩类,其中晋宁期岩体大面积出露,燕山期侵入岩主要分布于北部。前期工作所圈定的W1矿体分布于矿化蚀变带中,产状与断裂构造基本一致,产状345°～15°∠45°～60°,矿体垂向高差>250 m,延伸连续,矿化岩石主要为闪长岩,次为二长花岗质片麻岩。在W1矿体北西部发现的蚀变带中,蚀变岩原岩为褐铁矿化硅化二长花岗质片麻岩。

在前期的物性工作中得到,花岗质片麻岩电阻率(Ω·m)范围在113～5 177之间,极化率(%)范围在0.11～16.05,算术均值3.47;闪长岩电阻率(Ω·m)范围在2 609～9 308之间,极化率(%)范围在0.56～5.0,算术均值2.09;石英脉电阻率(Ω·m)范围在6 530～29 066之间,极化率(%)范围在0.11～17.47,算术均值5.11;似斑状二长花岗岩电阻率(Ω·m)范围在5 058～38 241之间,极化率(%)范围在1.38～2.85,算术均值2.36;褐铁矿化、碎裂岩化的矿体电阻率(Ω·m)范围在587～4 683之间,极化率(%)范围在12.3～25.6,算术均值18.2。可见矿区内矿石与各类岩石视电阻率具有>1 000 Ω·m明显的台阶式差值,极化率具有>1%的差值,在结合相关地质资料的情况下,可以通过极化率的差异区分围岩和矿(化)体,激电方法的应用具有较好的地球物理前提。

图1 两路口0线激电测深断面等值线图Fig.1 Cross section apparent contour of IP sounding of 0 line in Lianglukou

在两路口前期的普查工作中,用重庆奔腾公司生产的WDJS-2型数字直流激电仪进行了共196个点的激电测深工作,采用对称四级装置,最大AB距为1 000 m,供电电流均>100 mA,ΔU均>50 mV,供电周期16 s,延时100 ms,采样宽度20 ms,2次叠加。其中0线激电测深断面等值线图(图1)中,断面上的视极化率异常呈现中部高、两侧低的特征,相对高极化率异常区主要分布在剖面的2200～3200测点,视极化率ηs值一般>3.5%,最大值达9.14%。在ZK002孔控制的W1矿体下方(测点3160附近)见较明显的ηs值>4.5%、最大值达6.64%的高视极化率异常带,该异常浅部倾向北、产状较陡。对应部位的视电阻率呈相对低阻异常,该低阻高极化异常为与W1矿体伴生的黄铁矿往深部延伸的反映。

本次选取该测线2700～3500为测量段,共计800 m,进行场地试验。

2.2 测量装置与仪器准备

本次使用激发极化法采用纵向中间梯度装置,开展试验工作。AB=1 200 m,MN=20 m,点距20 m。

试验前一天,在0号线南边2500号点位与北边3700号点位打下供电电极,每处9根,排成三排,并联于供电的铜芯线线上,接头处缠紧,用防水胶带包裹,于电极根部浇上盐水,增加供电电极接地面积,减少阻抗,增大供电电流。

对不极化电极进行极差测量,两组电极分别为1.2 mV和0.9 mV,均符合规范要求。

2.3 仪器参数的选择

2.3.1 充、放电时间和供电周期的选择

GDDTx II发射机发射周期为2 s开通,2 s关断信号,供电周期为8 s。

WDJS-2的发射机发射周期为4 s开通,4 s关断信号,供电周期为16 s。

2.3.2 延时的选择

为减小电磁耦合效应对激电法的干扰,应尽量选择较长的延时,一般选为几百毫秒,当延时>500 ms时,电磁耦合效应对直流激电法的影响可忽略不计。同时,延时太大会降低观测精度,一般选择400 ms以内。

本次GDD激电仪延时选为默认的240 ms,WDJS-2激电仪为100 ms。

2.3.3 采样宽度

加大采样宽度有利于克服高频干扰,增加测量值,提高观测精度,因此生产中适当选择大的采样宽度。本次测量GDD接收机选择仪器默认的20个窗口,每个窗口为80 ms,观测窗口设置为“算术”模式;WDJS-2接收机采样窗口为4个,分别为40 ms、80 ms、160 ms、320 ms。

2.3.4 叠加次数

增加叠加次数,可提高观测精度和抗干扰能力,同时叠加次数多,生产效率低,所以本次两种仪器均选择两次叠加。

2.3.5 供电电流

通过改善接地条件减小接地电阻与加大发射功率的方式保证有足够大的供电电流,提高信噪比。由发射机测得AB极接地电阻>1 kΩ,选择输出电压档位为700 V,电流稳定在640 mA。

本次加拿大GDD电法仪所选参数与WDJS-2型激电仪所选参数对比见表1。

表1 观测参数对照表Table 1 Contrast table of observation parameters

3 试验成果对比

本次激电中梯测量长度为800 m,点距为20 m,共完成38个测量点。

由于观测测点受地形影响不在一条线上,实际K值与理论计算的误差较大,本文未作视电阻率对比。

3.1 单点衰减曲线

随机选择4个测量点,将采集的每个窗口的数据做观测的二次场衰减曲线,对两种仪器的单点曲线进行对比。其中3020与3060为本次测量视极化率相对高异常点。

WDJS-2型激电仪采集每个点4个窗口的ηs值做衰减曲线图(图2),可以看出,每条曲线基本处于逐步衰减的状态,但该仪器窗口设置较少,每个观测窗口时间较长,所读取的每段窗口信息并不丰富。一般情况下,选取第一个采样窗口的极化率值作为该测量点的视极化率成果值。

GDD电法仪采集到的每个点20个窗口的M值连成该点充电率衰减曲线(如图3),由图3中可见衰减曲线较平滑,连续性好,基本没有跳点现象,所得数据真实可靠,且观测窗口较多,可以明确了解衰减曲线每个时段的真实状况。结合整个衰减过程每个观测窗口的充电率值,经过积分计算,最后得到视充电率值M。

3.2 激电中梯剖面

整条剖面视充电率与视极化率对比曲线见图4。由图4可见:GDD电法仪所测得视充电率范围在6～10 mV/V之间,在点号3000～3100有三个连续的高值异常点,极大值达16.2(mV/V),且沿测线高M和低M连续性较好,分带明显。

图2 极化率衰减曲线图Fig.2 Attenuation curve of polarizability

图3 充电率衰减曲线图Fig.3 Attenuation curve of charging rate

图4 0号线剖面视充电率与视极化率对比曲线图Fig.4 Comparison curve between apparent charge rate and apparent polarizability of line 0

WDJS-2激电仪所测得视极化率整体变化较为平缓,以3000号点为开始,视极化率曲线相对3000点以南有整体的抬升,仅在3100号点出现一个相对高值异常点。

两条曲线均较光滑,锯齿状跳变少,由南向北总体呈下降趋势。在同一个坐标系中,GDD电法仪所测得数据较WDJS-2激电仪所测得数据在异常段反应更加明显,曲线变化幅度大,更加利于圈定异常。

3.3 激电异常评价

在视极化率曲线上,一般认为明显高于或低于背景值的ηs变化,便称为激电异常。划分异常的强度标准决定于背景值的大小和稳定性、ηs的观测精度以及异常的置信度。通常规定ηs异常的下限为:

ηsx=ηsb+(1.5～2.5)N

式中:系数(1.5～2.5)决定于异常的置信度。当呈现异常的点数较多,则可取较小值;反之,若仅在个别点上出现异常,则取较大值。N决定于背景值的稳定性和观测精度。若背景值稳定,观测精度成为影响异常下限的主要因素,则N取为观测ηs的绝对均方误差值。若背景值不稳定,成为影响异常下限的主要因素,则N取为背景值的标准离差,可用待定异常附近背景地段上n(≥20)个测点的ηs观测结果,按下式算出:

根据本次试验所得到的视充电率、视极化率成果,结合物性工作,求得视充电率背景值为7.19,视极化率背景值为3.57,经过计算得到视充电率异常下限为9.8,视极化率异常下限为4.17。根据异常下限分别在剖面上圈出异常,异常值与背景值的比值见表2。

表2 视充电率、视极化率异常值与背景值的比值表Table 2 Ratio of apparent charge rate,apparent polarizability anomaly and background values

从表中可以看出,视充电率与背景场比值在1.48～2.26之间,算数平均值为1.95,有三个比值超过2的高异常值;视极化率与背景场值比值在1.17～2.23,算数平均值为1.44,仅有一个异常比值在2.23。由此,GDD接收机观测得到的异常值较大,更易于发现异常。

3.4 与地质情况对比

将两次激电中梯所测成果与剖面及激电测深成果对比(见图5),可见激电测深剖面上,点号3000～3100之间存在一个宽约100 m、从地表至深度200 m范围内的相对高极化异常体,在本次利用GDD接收机所测得中梯曲线上,点号3000～3100之间同样存在连续的高值异常点,与W1矿体附近较发育的褐铁矿化地段有较好的对应关系。而WDJS-2接收机所测得数据中,仅在3100号点左右有一个高值单点异常。

图5 0号线剖面图Fig.5 The profile of line 0

在ZK002和ZK004钻孔控制的隐伏钨矿部位(3150～3250测点下方)未见明显高值异常反应,平均视充电率值呈低缓背景反映,背景值5.9～8.5,最大值10.3(位于3190测点),初步推测可能为钻孔揭露与钨矿伴生的黄铁矿含量较低且埋深较大有关。

4 结论

(1) 从矿区对比结果看,两套仪器在野外施工中均能采得较好的原始数据,虽然所采集的参数单位不同,但在同背景的区域,对比重庆奔腾的WDJS-2直流激电仪,加拿大GDD电法仪仪器操作简单,观测值较大,信噪比高,曲线较光滑,锯齿状跳变少,更易于发现异常。

(2) GDD激电仪接收机采用PDA掌机进行参数设置,操作简单,配套的发射机集成度高,设备轻便,更加适合山区找矿工作。