新型四维遥测高密度极化率仪在物探中的应用研究

张家声　张广德　王恒祎　袁振兴　刘永东

摘 要：GeoERT IP 2401四维遥测多功能高密度极化率仪，采用一套金属电极就可以同时测量高密度极化率和高密度电阻率，解决了金属电极的极化问题，拓宽了高密度电法在矿产地质、水文地质、环境地质、工程地质方面的应用。利用滤波、叠加和相关检测技术提高抗干扰能力；仪器输出功率大，自动调节供电电压，大大提高了勘探深度。多道技术可以做三维高密度电法勘探，采用遥控技术可以进行时移四维高密度电法勘探，追踪地质异常的变化规律。

关键词：高密度极化率；金属矿勘探；四维遥测

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

隨着探测深度和精度的提高，高密度电法应用领域不断加宽，具有广阔的发展前景。多通道、多参数、多维度、多功能、大功率、大范围将成为高密度电法的一种趋势。由于地质条件的复杂性，电法勘探仪器面临着新的要求和挑战，需要不断完善和提高。

极化率参数是找矿、找水（包括含水率高的地质异常体）的重要参数（张启升等，2013）。在常规四极电法勘探中，AB供电电极使用金属电极，MN电压接收电极使用不极化电极。不极化电极没有金属电极的极化效应，测量二次场电压效果好。但是，在高密度电法勘探中，一次性布置数百根电极时，使用金属电极布线效率本来就低，若再使用数百个不极化电极就增加了野外劳动强度，所以通常不使用不极化电极。但是，不用不极化电极就不能测量高密度极化率参数，这就限制了高密度电法的应用。

北京地学探测技术公司的GeoERT IP 2401新型的四维遥测多功能高密度极化率仪，采用跳测的专利技术，解决了金属电极的极化问题，使用一套金属电极既可以做高密度电阻率测量，又可以做高密度极化率测量，野外施工便捷，提高了探测效率，有效地拓宽了高密度电法的应用范围。仪器的功率大，可以自动调节供电电压，提高了勘探深度。GeoERT IP 2401四维遥测多功能高密度极化率仪仅采用金属电极，由于道数多，一次性布置多条测线，形成三维测量，提高了测量效率。同时可以遥控，连续测量，追踪地质异常的变化规律，为地质灾害预警提供技术支持； GeoERT IP 2401四维遥测多功能高密度极化率仪在环境地质、水文地质、矿产地质、工程地质等勘探方面有很好的应用前景。

1  方法技术原理

1.1  高密度电法勘探

高密度电法勘探技术是一种阵列勘探方法（刘国兴，2005），一次性布置数百根电极，由电极多路转换器控制切换不同的电极供电与测量。随着数理方法的进步和计算机技术的发展，使得利用大量数据进行反演成为可能。对温纳装置而言，在某一层位上，在小号A、M、N、B电极供电测量后，依次向大号电极方向移动并切换A、M、N、B电极位置，连续供电测量，直至测量到最后电极，完成某一层的测量（刘永东等，2016）。然后加大A、M、N、B电极的距离，测量较深层位的电法数据。不断加大供电测量的电极的距离，不断移动切换A、M、N、B电极的位置，直至供电测量到最后层位的最后电极。在电极多路转换器的控制下，自动扫描供电测量，一次完成纵横二维的勘探过程，既能反映所探地质体在某一深度上沿水平方向的岩性变化，又能反映所探地质体在垂直方向不同深度的岩性变化的规律，还能获得一定水平区域内高精度的丰富的地质信息。

1.2  高密度极化率测量技术

人们往往利用视电阻率参数进行高密度电法勘探（郭秀军等，2001）。但仅仅利用视电阻率参数还不够，若再利用极化率参数效果会更好，同时利用电阻率和极化率两种参数进行综合分析，可以有效地提高判断的准确率。但是，在测量极化率参数时遇到了供电电极的极化问题，还存在二次场信号弱以及环境干扰等问题。北京地学探测技术公司采用跳测的专利技术解决了金属电极的极化问题，采用一套金属电极就可以同时测量高密度极化率和高密度电阻率。金属电极供电产生的极化电压影响测量电压的精度，每测量完一个测点后，供电电极和测量电极同时向后移动3个金属电极的位置进行下一个测点的供电与测量，供电电极始终是供电电极，测量电极始终是测量电极，供电电极的极化电压就影响不到测量电极，因而使用一种金属电极进行供电测量，而不采用不极化电极，提高了测量精度，提高了工作效率。设计了新的硬件和软件，利用软件和硬件自动跟踪补偿自然电位，利用软件滤波和硬件滤波技术抑制市电和天然场的干扰，采用多次叠加和相关检测技术提高信噪比；硬件合理布局降低噪声，采取屏蔽措施减小干扰，大大提高了仪器的抗干扰能力，提高了仪器的测量精度。因此，仅利用金属电极就可以进行高密度电阻率测量，同时在不改变电极的情况下就可以进行高密度极化率测量，为充分利用高密度电法技术进行矿产地质、水文地质、工程地质和环境地质勘探提供了有利条件。

1.3  四维高密度电法测量技术

GeoERT IP 2401四维遥测多功能高密度极化率仪增加了遥测功能，不间断地测量X、Y、Z三维高密度极化率和电阻率。在地质异常区域一次性布置多条测线，形成X、Y、Z三维立体测量。一条剖面内逐个电极供电测量后，一条剖面内的电极供电，其他剖面内的电极接收电压信号，这样测线之间的地质异常也能测出来，这样就不是伪三维（仅本剖面供电测量，相邻剖面之间插值）而是真正的三维测量了；间隔一定时间T进行时移测量，形成四维测量，就可以追踪地质异常随时间的变化规律了。

2  儀器工作原理

2.1  硬件设计

GeoERT IP 2401四维遥测多功能高密度极化率仪包括STC主控器、电极多路转换器、高压供电电路、模拟电路以及4G通信电路（图1）。

STC主控器是仪器的控制核心，它利用云平台通过4G通信电路接收实验室远程PC机的控制命令和参数。STC主控器控制电极多路转换器将数百道的电极分别切换到A、B、M、N总线上，控制高压供电电路通过A、B向大地供电，模拟电路将M、N电极接收的电压信号进行放大、滤波、补偿自然电位，将模拟信号转换成数字信号，再通过4G通信电路将数字信号回送到实验室远程PC机进行数据处理。

2.2  软件设计

仪器进行四维供电测量的程序流程如图2所示。

远程PC机采用C#语言编写程序。C#是由C和C++衍生出来的一种面向对象编程语言，它继承了C和C++的强大功能，又去掉了它们的一些复杂特性。C#综合了VB简单的可视化操作和C++的高运行效率。北京地学探测技术公司开发的软件功能包括建立工程，设置参数（装置类型、测量模式、电极间距、供电时间、断电时间、起始电极、终止电极、起始测层、终止测层、二次延时、自电补偿、色标等参数；装置类型包括温纳装置、温施装置、施伦贝尔装置、β装置、温纳滚动、二极装置、三极装置、微分装置、偶极偶极、测井等装置），计算电极位置，供电测量，计算极化率和视电阻率，画彩色剖面图；每测完一个测点数据就判断本剖面测量结束否，若本剖面测量没结束，则计算下一测点电极位置并供电测量，若本剖面测量结束则转入下一剖面进行三维地质测量；判断所有剖面测量是否结束，若所有剖面测量没结束，则计算下一剖面电极的坐标进行供电测量；若所有剖面测量结束，则等待时移时间到达后启动下一轮时间的供电测量，从而不间断地进行时移测量，追踪地质异常随时间的变化规律。

将时间尺度引入高密度电法测量中，遥控连续测量电法数据，从而获得四维的电法资料，因而可以追踪地质结构异常的变化规律。

3  应用实例效果分析

山体滑坡（钟育瑾等，2021；许强等，2017；王忠禹等，2021）、黄土滑坡（黄润秋，2004）、溶洞探测（王建伟，2004；陆金波，2021；万小乐，2022）等地质灾害越来越多，给国家和人民造成巨大损失。探测可能发生灾害区域的地质结构，追踪地质异常随时间的变化规律，提出灾害预警（王兴泰，1996），减轻地质灾害的损失，是一项重要的研究课题。下面介绍几个应用实例。

3.1  四川省德阳市冯店跨梁子山体滑坡探测

如图3所示，冯店跨梁子左岸斜坡由滑坡群组成，其中以南部紧邻麻石湾的FED1滑坡最为典型，称其为冯店FD1滑坡，简称冯店滑坡。

1949年和1981年罕见的大暴雨触发了冯店跨梁子（王志华等，2012）两次山体剧滑。1981年后每次暴雨期间在裂隙水和渗流水的作用下，滑体上的电杆每年雨季都会向东倾伏。滑坡严重影响了当地村民的生命和财产安全。

2018年春天，利用GeoERT IP 2401多功能高密度极化率仪对裂隙具体位置和含水状况进行了探测。在该探测工区采用120道金属电极进行供电测量，道距5 m，测量30层。如图4所示，电法剖面揭示了滑坡造成的断裂，断裂带上的电阻率低、极化率高，说明含水率高。附近村民迁移到了远离滑坡段的平坦区域居住。

极化率参数（王士鹏，2000）对含水率反应敏感，结合视电阻率，可以更好地确定断裂的特性。

3.2  内蒙古沙漠334 m深的水源探测

巴丹吉林沙漠是我国第二大流动沙漠，以发育世界上最高大的沙山群及沙山之间散布众多湖泊而闻名于世。為了探明巴丹吉林沙漠高大沙山形成机制及湖泊水的来源，2018年内蒙古自治区科技重大专项《巴丹吉林沙漠脆弱环境形成机理及安全保障体系研究》之课题2《巴丹吉林沙漠湖泊群及高大沙山的形成机理》得到立项，通过高密度电法查明巴丹吉林沙漠湖泊群及高大沙山的形成机理与地下水的来源。

巴丹吉林沙漠内部沙丘多呈西南-东北走向，东南侧较陡，为背风坡，在高大沙山之间的湖泊多达到144 个，多集中于沙漠东南部，大部分为咸水湖且面积小于1 km2。如图5所示，最大的诺日图湖面积1.45 km。

诺日图高密度电法长剖面电极起点位于诺日图湖旁边缓坡位置，电极终点位于诺日图湖旁高大沙山中部，测点中点（第120根电极）设置在诺日图湖中部，距湖面较近。利用GeoERT IP 2401多功能高密度极化率仪进行探测，全剖面共布240根电极，间距10 m，剖面总长2 390 m，测量最深334 m。

从图6可以看出，总体的特征是沙丘地层电阻率较高而在湖泊及其之下地层中电阻率较低，越远离湖泊地层的电阻率越大，说明地层中含水量是控制地层电阻率的主导因素。

从反演图中可以看出，整个剖面在334 m深的地层未见明显的电阻率呈层状分布，高大沙山电阻率较大，下伏地层与表层电阻率相似且未见明显的界面分布，说明高大沙山内部沉积物没有明显的地层差异，沙层中含水量较少导致沙山电阻率较高，高大沙山下部并未有起伏基岩地层分布。

整体上看，湖盆范围内厚334 m地层的电阻率均较低，呈现浅部地层相对较高而深部地层相对较低的特征，说明该剖面富水地层集中于湖盆深部地层中，因此推测深层地下水的补给是诺日图湖湖水的主导补给源。两边高大沙山内部可见较为明显的高/低电阻率界线，该界线近乎水平且与湖泊高程基本保持同一海拔高度，说明高大沙山内部水分也来自深层地下水补给。

3.3  黑龙江省某地区金矿探测

现已基本查明某金矿出露地表和近地表矿体（崔雷等，2010），为寻找深部的隐伏矿体，通过遥感、土壤测量、激电中梯等手段圈定了多处有利成矿地段。由于区内覆盖较厚，地表工程无法验证，且开展钻探施工成本较高。前期研究发现区内的矿体与金属硫化物关系密切，结合该区的成矿地质条件和地球物理特征，采用新型的高密度极化率仪对目标地质体的深部变化情况展开探测研究。

高密度极化率剖面的地表被第四纪砂砾层覆盖，厚度0～20 m不等，矿体延深至80 m以下，黄铁矿化明显，矿化呈团块状、细网脉状，矿体围岩为闪长岩。从图7的高密度电阻率剖面图和图8的高密度极化率剖面图可以发现，矿体呈明显的低阻高极化特征，形成了明显的异常，剖面360 m后出现低阻异常带，异常延伸大于80 m，高极化率异常也在剖面360 m出现，与18号矿体吻合得很好。

3.4  河北省张家口市某地区铅锌矿探测

区内矿业主要为铅锌矿。矿区处于坝上高原地区，为内蒙古高原边缘，地形起伏不大，矿区海拔1 450.0～1 506.7 m，呈低矮丘陵地貌。

该区位于康保-围场深断裂南部，出露地层主要是下元古界红旗营子群变质岩系及新生界第四系。下元古界红旗营子群变质岩主要为花岗片麻岩，分布全区，零星出露。本区岩浆活动不强烈，仅有一些石英脉及少量的闪长岩脉产出。区内片麻理产状总体走向北西，倾向北东，倾角53～75°。在矿区内发育一组北东走向的断裂，倾向北西，倾角45～90°。铅锌矿体主要赋存在北东向断裂裂隙中。

如图9所示，5#测线高密度极化率剖面异常主要分布在剖面的水平距离80～105 m，对应的深度为15～25 m，这些异常是矿体所致结果。激电异常处于该区北东向构造断裂带上，是地质成矿的有利部位。钻探结果证明物探资料分析准确。

3.5  四川省阿坝州汶川县映秀镇地质异常追踪探测

汶川地震震中地处四川阿坝州汶川县南部，位于国道213线和省303线交汇处，是前往九寨沟、卧龙、四姑娘山旅游地的必经之路。当时映秀镇地震烈度（许强等，2011）达到XI度，造成大量房屋损毁，2000多亩农田被破坏。

利用GeoERT IP 2401多功能高密度极化率仪在映秀镇地震滑坡的堆积体上追踪雨前、雨中、雨后的地质变化规律，为防治自然灾害提供技术支持。图10是1#测线高密度极化率剖面图。从处理的高密度电法剖面图上可以清晰地看到地质异常的变化规律，在剖面中5 m附近雨前、雨中、雨后电阻率变化明显。

4  结论

北京地学探测技术公司的GeoERT IP 2401四维遥测多功能高密度极化率仪，由于其特有的跳测专利技术，使用一套金属电极，既可以做高密度电阻率测量，又可以做高密度极化率测量。通过大功率发射、自动调节供电电压、遥控连续测量方式，形成X、Y、Z、T四维探测，方便野外施工作业，提高了探测效率和勘探深度、解释精度。

通过以上5个应用实例说明，GeoERT IP 2401四维遥测多功能高密度极化率仪，在地质灾害探测与预报、金属矿勘查、深部水资源探测等方面有较好的应用效果。

参考文献

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钟育瑾，范宣梅，戴岚欣，邹城彬，张帆宇，许强，2021.岷江叠溪巨型古滑坡研究［J］.地球物理学进展，36（4）：1784-1796.

收稿日期：2022-12-27；修回日期：2023-02-06

基金項目：河北省地震灾害仪器与监测技术重点实验室开放基金项目（FZ224107）和柴达木盆地盐湖区物探综合调查（DD20230298）联合资助

第一作者简介：张家声（1997- ），男，助理工程师，主要从事地球物理探测技术与仪器开发方面研究工作。E-mail：3305835843@qq.com

引用格式：张家声，张广德，王恒祎，袁振兴，刘永东，2023.新型四维遥测高密度极化率仪在物探中的应用研究［J］.城市地质，18（1）：97-103