激发极化法是矿产勘查的重要物探手段之一。在老矿山等地区,50 Hz工业杂散电流干扰和0.1~10 Hz范围内的人文干扰的强度都非常大,这使得传统主动源电法仪器难以满足在强干扰环境中精确测量的要求^[1,2]。对于矿产勘查,极化率是一个非常重要的参数,而时间域激发极化法的二次场由于信号弱,更容易受干扰影响。

伪随机信号电法仪是基于“系统辨识”理论建立的^[3,4,5,6],通过相关计算得到大地系统的响应,从设计原理上最大限度提高了仪器的抗干扰能力,即使在强干扰情况下也可以达到很高的观测精度,满足相关电法勘探的要求。因此,将伪随机信号电法仪应用到老矿山的电法勘查中是可行而必要的。

河北省西北部某老矿山已经开采多年,矿区存在较强的电磁干扰,之前的电法勘探效果很不理想。为解决这一难题,2018年,中国冶金地质总局第三勘查院与北京桔灯地球物理勘探股份有限公司合作,利用Abollo-IP伪随机信号激电仪^[2]再次在该地区开展激电测深工作。

伪随机信号电法仪是基于现代系统科学关于“系统辨识”最新成果建立的^[5]全新探测理念的主动源电法勘查仪器^[1,2]。将主动源电法勘查观测系统类比为系统科学中的等效电路(图1),采用传统电法勘查装置,通过供电电极A和B向大地供入按“最大长度伪随机二进制信号序列”(简称m序列)变化的供电电流I(t),并观测测量电极M和N之间的电位差时间序列ΔU(t);然后,计算供电电流和电位差时间序列之间的互相关R_I,U(τ)和供电电流时间序列的自相关R_I,I(τ);进而获得大地系统冲激响应和/或频率响应,计算电(磁)场随时间的充(放)电过程和/或复电阻率的频谱,最终获得传统主动源电法的各种参数^[1,3]。

伪随机信号电法仪主要有两大特点:第一效率高,原则上一次观测就能获得大地的时间响应和频谱,完成时间域和频率域的观测;第二,仪器具有很强的抗干扰能力,计算互相关压制不相干的随机干扰,积分计算时间响应和傅氏变换计算频率响应也能压制随机干扰,还能通过高密度时间序列采样,多次叠加和其他智能去噪数据处理压制干扰。由于上述特点,近年来伪随机信号电法仪在国内外受到广泛关注^[4,6]。

工区位于河北省西部某矿区,矿区地形属中低山区,海拔高度一般在1 000 m左右,矿区部分地段地形较平缓,切割中等,相对高差一般为200 m左右。由于矿山开采和社会经济的发展,矿区存在高压线塔、村庄等影响物探数据采集的干扰因素。2010年后,在该地区开展过多次物探工作,但由于数据受干扰影响较大,质量很差,无法为后期钻探提供有效的依据。

2018年5月底,在该工区再次开展物探工作,旨在探明地下深度400 m范围内的电性特征及矿床分布。共完成3条激电测深剖面,共计48个测深点,点距40 m,线距100 m(图2)。观测仪器采用Abollo-IP伪随机信号激电仪,这是在罗延钟教授指导下研制的伪随机信号电法仪系列中的第一款仪器,基本观测参数是导电性参数视电阻率(ρ_s)和激电参数视频散率(P_s)。

工区出露的地层主要有阜平超群的团泊口组(Art)和南营组(Arn)、中上元古界长城系高于庄组(Chg)、中上元古界蓟县系雾迷山组(Jxw)、古生界寒武系中统(∈₂)、下统(∈₁)、中生界侏罗系髫髻山组(J₂t¹)以及新生界第四系(Q)。其中高于庄一段上部中薄层含燧石条带白云岩和二段含锰白云岩是本区主要含锰层位,为该区锰银矿的形成提供了成矿物质来源。

工区的矿体属于朱家庄矿段,其成矿类型同属于岩浆热液型矿床,矿体多为隐伏矿体,少数矿体在强剥蚀地段有出露,矿化蚀变基本沿断裂构造或燕山期中酸性花岗斑岩与长城系白云岩接触带分布,主要有硅化、黄铁矿化、碳酸盐岩化、褐铁矿化、锰矿化、铅锌矿化等,其中尤以锰矿化最为重要,在其附近往往产出银矿体,是本区寻找银矿的重要矿化标志。

本次激电测深工作采取中梯测深的方式进行数据采集。为测试仪器性能、验证数据对于确定矿体位置的有效性,在测深工作开展前,选取一已知矿体位置进行中梯剖面试验观测。试验测线位于高压线下,存在较强的干扰,选择AB=470 m,MN=20 m,12个测点,点距20 m。图3为获得的中梯实验结果,可以看出,在测线大号点方向存在明显的高极化异常,与已知矿体位置对应关系良好,说明用Abollo-IP仪器在该工区开展激电工作是可行的。

中梯测深测量剖面点距40 m。工作装置如图4所示。

野外工作中,一次性布设好8个点的接收线,MN=40 m并保持不变,AB从测量范围外逐步增大至2 400 m。为了保证浅部数据的分辨率,在进行完中梯测深数据的测量后,每个测深点进行小极距的数据采集,小极距的数据采用对称四极测深装置。

每个测点共完成15个极距的测量。供电电压为300~450 V,供电电流最大为2 A。

选用中梯测深装置的依据:

1) 中梯测深装置是对常规对称四极测深装置的改进,减少了对称四极测深反复移动供电极的次数,对接地条件差的地区尤为有利。

2) 提高工作效率,可利用Abollo-IP仪器的多通道同时测量电位差。由于Abollo-IP仪器具有较强的抗干扰能力,其对弱信号的识别能力很强,所以无需在增大供电电极距的测深过程中,增大测量电极距MN来提高观测电位差值,进一步节约了野外工作时间。

3) 中梯测深装置的供电点位置更少,更适宜激电数据的二维反演解释。

由于Abollo-IP仪器的强抗干扰能力和对弱信号的识别能力,配合高效的中梯装置进行测深,保证在短短7天时间内,完成了试验剖面及3条测线、48个测深点的基本观测和10%检查观测的野外工作。

数据预处理通过Abollo-IP仪器自带的软件进行,通过对接收机采集的电位差时间序列与发射机采集的供电电流时间序列进行匹配及相关计算,得到质量可靠的野外数据,并以文本格式导出。

工区由于存在高压线等电磁干扰,采集到的原始时间序列存在较强干扰,但是Abollo-IP通过相关计算和智能去噪,可以有效地剔除噪声影响,恢复出所需的时间序列波形(图5)。

将得到的视电阻率和视频散率绘制成拟断面图,如图6所示。由视电阻率拟断面图可以推断,除L0线西侧浅部存在高阻异常外,各条测线的小极距对应的视电阻率值均较低,说明浅部的电阻率较低;随着极距的增大,视电阻率值也随之升高,说明深部的电阻率较高。由视频散率拟断面图可以推断,L0线的中间及东侧、大极距的视频散率较高;L4、L8线东西两侧、大极距的视频散率较高,说明各对应位置的深部存在高极化异常。

应该指出,在上述图中都显示出类似于大地电磁法视电阻率拟断面图中由于表层不均匀性引起的“挂面条”现象(静态效应),只能通过拟断面图对异常做粗略定性推断。为了较可靠地确定异常体的位置、产状和深度,需要进一步作二维反演解释。

对3条断面进行了二维反演,反演软件为马来西亚GEOTOMO公司M.H.LOKE开发的RES2DINV直流电法处理系统。L0线此前做过化探和探矿工程工作,将本次激电测深的反演断面与其对比,得到的结果如图7所示。

由L0线的综合剖面图可以看出,两个钻孔(ZK001见矿、ZK002未见矿)以及钻孔东侧的平洞和槽探资料揭露,矿体的倾向为向东倾斜;化探结果显示该处的Mn、Ag的含量远远高于其他位置。

L0线的电法反演结果表明,高极化体的位置及倾向与探矿工程及化探结果相吻合,且对应的电阻率值较低。这肯定了激电法在本区找矿的有效性。

2015年,在已完成ZK001(见矿)的基础上,曾用传统激电仪器在L0线做过三极测深工作。但由于工区的干扰较强,数据质量较差,反演结果与实际地质资料偏差较大。图8为当时的充电率反演断面,在ZK001位置虽然有充电率(M_s)高值异常,但高极化体呈现向西倾斜的趋势,东侧未见高极化异常。基于传统激电仪的测深工作结果(图8),在高充电率异常中心位置布设了ZK002,但并未见矿。

实验结果表明,传统激电仪在强干扰的矿区无法准确确定矿体位置和产状,而Abollo-IP采集得到的数据比较可靠,反演结果(见图7)与矿体位置和倾向对应关系良好,应用于强干扰矿区比传统激电仪更具优势。

L4线和L8线的反演断面示于图9。由图可见,L4线和L8线的电性特征类似,浅部均为低阻、低极化,深部电阻率和频散率总体有所增高。其中,东部的局部高极化异常推断为0号线高极化体的延伸;特别是L8线102~110测点高极化和低电阻率异常相对应,可能与矿体发育有关,有待通过其他物化探方法或者钻探做进一步的验证。

Abollo-IP伪随机信号激电仪在老矿区的应用案例表明:

1) 伪随机信号电法仪通过互相关计算和智能去噪数据处理压制干扰,具有很强的抗干扰性能。

2) Abollo-IP伪随机信号激电仪在强干扰环境下得到的数据是真实有效的。

3) 由于Abollo-IP伪随机信号激电仪具有对弱信号识别能力强的特点,可摆脱传统对称四极测深的束缚,采用其他更为高效的测深装置(例如中梯测深),提高工作效率,节约施工成本。