电测深法是以不同岩石间的电性差异为基础,通过建立稳定的直流电场并改变供电(测量)极距大小,观察研究相同测点在垂向方向上不同深度范围的岩(矿)层的电阻率、极化率变化规律,查明地表覆盖下中、深部地层的构造、矿体分布情况,从而有针对性的对目标地质体进行物探解译的一种直流电法勘探方法^[1]。但由于该方法工作效率低,往往仅能在重点异常地段开展电测深测量工作,对于地层及构造复杂多变工区的整体解译工作未能发挥其应有作用,是该方法发展的主要瓶颈。

为了电测深方法的发展,葛为中等^[2,3]在2007年提出梯度测深法,并于2011年研制出遥控电极阵列^[4,5]。中陕核工业集团二一四大队从2012年起开始进行梯度测深装置与传统对称四极装置测量的优劣性比对,结合有色金属矿产勘查实践先后进行了多种实验。针对如何提高野外数据采集工作效率,促进电测深方法在矿产勘查中发挥更大作用,笔者总结近年来关于梯度电测深工作的经验与心得,于2015年10月提出可以通过“多极距中梯测深电极集中器”、遥控电极阵列与常规激电仪三者组合实施新的激电测深观测的想法。

新的梯度测深组合装置将对称四极装置与中间梯度装置各取其长,浅部数据采集时开展对称四极(亚对称四极)装置,在极距较大的情况下更换成梯度装置完成测量工作,并采用遥控电极代替传统“渐进式”电极。通过在构造、地层较为复杂的工区开展相关试验工作,大致确定用中间梯度代替对称四极测深的测量范围,借此提高电测深方法在金矿勘查工作中的效率。

在地面物探剖面中布置若干(3~10个)测深点,根据此电测深剖面实测结果绘制的电性断面图异常,来推断地质目标体的深度和产状分布情况。电测深剖面的装置有如下两种。

在传统对称四极装置中,电极A、M、N、B以测点O为中心排列在一条直线上,当测点O位置未发生变动时,测量深度是通过改变供电电极AB大小来实现。

在有色金属勘查工区在激电中间梯度扫面后选择重点异常段,布置激电测深剖面。传统对称四极装置应用较为广泛,在实测对称四极测深ρ_s、η_s值后,绘制激电测深剖面的ρ_s、η_s等值线拟断面图,并对拟断面图异常形态进行解译工作,推断电性差异较明显的地质体深度和产状分布情况,这是过去几十年有色金属勘查首选的电法勘探方法之一。

但在应用过程中,传统测深方法暴露出三方面缺陷:对称四极测深单点“渐进式”人工跑极的工作效率低;大极距情况采样点密度稀少,导致中、深部信息少;传统布极点位不太适宜二维反演网格。正由于勘探成本大、深度探测粗糙、不易反演得到带地形的ρ、η断面图等原因,限制了激电测深在有色金属勘查中大范围的开展。

如何加快电测深工作效率,增加大极距情况测点的采集密度,使其数据处理和解译工作满足地质勘查工作的需要,成为电测深方法急需解决的重中之重。为此,桂林理工大学葛为中教授提出了能提高工作效率、宜于二维反演的梯度测深剖面法,进而研制其配套硬件——遥控电极阵列。

梯度测深是指在供电极距较大(测点间距≪AB极距)的情况下,固定供电电极AB,移动测量电极MN作梯度测量。当完成一组测点的数据采集工作后,向外继续变动供电电极,扩大供电极距至既定地点后,再度进行梯度测量,完成梯度测深剖面。梯度测深装置主要包括三极梯度测深、中间梯度测深^[6,7]等方法。

三极梯度测深一般多指单向三极测深,如图1所示,测线上多个测点1、2、3、4…共用一个供电极B极,在数据采集过程中通过移动B极完成测量工作。例如以一条长360 m的测深断面为例,该断面由10个测点组成,测点间距40 m,那么供电电极B极到Ⅰ号的供电极距OB=20、40、60、80…800、900、1 000…m。

中间梯度测深即是将常规的中间梯度剖面测量与电测深相结合,在供电极距AB在测深外的一定范围内固定后,测量电极在其1/3范围内进行梯度测深工作,完成全组相同极距的剖面数据采集工作后,移动供电电极AB至另一测量范围,再次进行中梯剖面测量,图2所示为一条剖面长度400 m、点距40 m的测深剖面的中间梯度布极示意。

中间梯度测深剖面仅适用于极距较大的情况,而浅部数据则需采用小极距对称四极装置(或亚对称四极装置)观测,后期数据整理时再将数据进行拼接成整条剖面。中间梯度测深剖面的ρ_s、η_s拟断面图就不如三极梯度测深剖面的ρ_s、η_s拟断面图确切。

综上所述,梯度测深剖面的布极点随供电极距增大而逐渐变稀、又相对固定,避免了传统对称四极测深的采样点小极距时过密而大极距时又过稀的缺陷。梯度测深剖面电极按阵列规律布设,减免了传统对称四极测深电极来回搬动,电极点位又适应反演网格,适于对其ρ_s、η_s实测数据进行二维反演,获得反演后带地形的ρ、η断面图象,以便进行更确切解释,并能与地质剖面图件对比分析。

遥控电极梯度电测深装置采用对称四极装置与中间梯度装置混合组成,即在小极距时通过相应的对称四极装置测量浅部数据,为此,笔者研制“多极距中梯测深电极集中器”, 当在小极距时进行对称四极装置的供电、测量,采集浅部数据;当在大极距时它作为MN测量极,采集由“借线遥控电极”^[4,5]供电的中、深部数据。这样既能保持中间梯度数据采集效率高、数据质量好的优点,同时又克服了中间梯度装置无法测量浅部数据、大极距情况下数据采样密度小缺点,一次布线即可完成整条测深剖面的测量工作。

遥控电极梯度激电测深组合装置主要由以下三部分组成:常规激电仪器(如WDA-1超级电法仪)、借线遥控电极(发射机、20个接收机电极开关)和多极距中梯测深电极集中器(表1)。

如图4所示,野外生产工作中,将多极距中梯测深电极集中器和JYT-A型借线遥控发射机分别与WDA-1超级电法仪器串联,测量浅部数据时,启动电极集中器开始工作,由于浅部的供电(测量)电极已布设完毕,可以较为快速地完成浅部数据的采集工作。在浅部数据采集过程中,布线人员开始大极距供电线布设工作,供电线与借线遥控发射机串联,到既定供电电极点位时,将埋好的供电电极与借线接收机串联后连接到供电线路上。依此类推,待浅部数据采集完成后通过发射机控制相应供电电极的开(断)路,完成测量工作,这样不仅大大减少了测量过程中布极人员原地等待的时间,能够一次性完成所有供电极的布设工作,同时由于在极距较大情况下采用大电流供电,确保了采集数据的准确性。

新的梯度测深组合装置初步调试完成后,开展了激电测深实验工作,共完成物理采集点150个。

勘查区位于南秦岭礼县—柞水华力西褶皱带,两条区域主要断裂之间,属于秦祁昆地层区东昆仑—南秦岭分区,区内主要出露上元古界罗汉寺群,岩性以火山—碎屑岩段、石英岩及碎屑岩为主,F2断裂是主要的含矿构造,围岩蚀变有褐铁矿化、黄铁矿化、绿泥石化、硅化,碎裂岩化,其中黄铁矿化是区内中、深部找金的重要指示标志。物性参数统计结果表明,金矿(化)体及其所在构造由于富含金属硫化物,多呈中低阻、中高极化特征,围岩极化率明显低于矿体而电阻率明显增大,是开展电测深工作的主要依据。根据前期电法扫面工作成果及钻孔、槽探成果,拟在工区0号勘探线剖面上开展电测深工作,布线方向30°,断面总长800 m,测点间距40 m,由1140、1180、1220…1940共20个测深物理点组成。

遥控电极梯度激电测深组合装置先后进行小极距对称四极和大极距遥控梯度测深,采集得到视电阻率和视极化率数据,采用ZondRes2d电法反演软件进行反演处理。通过该软件进行了二维带地形反演后,获得电阻率断面图和极化率断面图,最终解释成果见图5。该条断面野外数据采集时与后期钻孔孔位吻合程度较好。数据采集完成后,根据极化率以及电阻率断面等值线图圈定2片激电异常区与一条低阻异常带(ρ_s-1)。梯度激电测深组合装置Ⅰ号激电异常区位于ρ_s-1以南,总体产态为向北缓倾,标高约1 420~1 520 m。该异常区经反演后极化率大于2.2%,最大4.6%,电阻率区间为700~2 500 Ω·m。后期该段由南往北布设钻孔ZK0-3、ZK0-1、ZK0-2与ZK0-7。通过综合比对钻孔资料,确定Ⅰ 号高极化异常区与地层含碳质千枚岩地层位置以及产状基本吻合,标高1 450 m的炭质层位于极化率异常最强区域,呈中低阻高极化特征,该推断在后期坑道中也得到了验证;在该炭质层上部存在3层金属硫化物富集层(金矿化体),位于极化率高、低值梯级带上,多赋存于构造破碎带中,对应极化率区间在2.0%~3.5%,电阻率在1 500~2 500 Ω·m之间,呈中阻、中—高极化特征。

Ⅱ号激电异常区位于ρ_s-1以北,整体产态与Ⅰ 号相反,呈南倾。后期该段布设有钻孔ZK0-6、ZK0-4与ZK0-5。编录资料显示在该异常区域内存在厚度较大的炭质千枚岩层,但在炭质层的上下盘附近多见到构造破碎带,其内黄铁矿化较为发育,与之前的判断较为吻合。低阻异常带ρ_s-1位于1580号测点及ZK0-7与ZK0-6之间,从上述两个钻孔岩芯编录资料看,该段主要有三层较为厚大的炭质千枚岩地层,与推断结果基本吻合。

通过将本次梯度测深所获得的断面与钻孔、坑道等地质资料的对比,表明梯度电测深剖面能够准确反映出中、深部目标地质体的埋深及赋存情况,同时由于该方法具有能够简化布极程序,提高野外数据采集效率,在大极距情况下可根据实际情况加密数据采样点,使深部数据更为真实准确等优点,笔者认为具有很广阔的运用前景,是一种实用价值高、易于推广的电法勘探方法。

与以往电测深装置相比,遥控电极梯度测深改进了因电极布设问题造成的数据采集缺陷,尤其在构造发育、地层产态复杂工区,可以灵活加密中、大极距情况下的采样点密度,确保在后期反演解释过程中,深部观测数据的数量及质量满足相应要求。同时,该方法减少了施工过程中电极反复平移过程中造成的人力、时间上的浪费,一次布线即可完成整条测深断面的数据采集工作,可以有效提高电测深的工作效率,变“重点”为“综合”,促“片面”至“全面”,使该方法在高性价比、高效率等优势,在后续地质找矿、工程勘察等工作重发挥更大作用。