浅析金属矿电法勘探技术的应用与发展

摘要:电法勘探目前是勘探行业应用比较广泛的一种物探方法,随着电子技术、计算机技术和方法硬件与软件技术的进步,电法方法本身也在不断地发展,特别是在金属矿的勘探中地质效果根据明显。本文介绍了几种常见电法勘探的原理、应用范围和发展方向,希望能给广大勘探工作者有所帮助。

关键词:电法勘探 应用 发展

在我国金属矿产资源探测方面,电法勘探是最重要的物探技术手段之一,电法勘探技术在该领域的应用水平直接关系到我国金属矿产新世纪资源探测的技术水平。目前,我国电法勘探存在的主要问题是矿产勘查工作中对物探的认识和重视不够,由于使用较少,造成物探技术发展缓慢,与国际先进水平的差距越来越大。研究和开发金属矿电法勘探新技术,是新形势下我国资源调查的重要技术保证,大功率电法、电磁法是寻找金属矿产资源的最重要和常用的物探方法之一。

1.金属矿电法勘探技术的现状

电法勘探技术的应用可以追溯到19世纪初,至今已有100多年的历史。我国电法勘探始于20世纪30年代,经过70余年的发展,我国的电法勘探无论在基础理论、方法技术和应用效果等方面都取得了巨大的进展,使电法成为应用地球物理学中方法种类最多、应用面最广、适应性最强的一门分支学科。同时,经过广大地球物理工作者不懈努力,在深部构造、矿产资源、水文及工程地质、考古、环竟地质、灾害地质等领域,电法勘探已经和正在发挥着重要作用。

根据有关统计资料,金属矿电法勘探的成功率呈逐年下降的趋势,二十世纪五十年代找矿的成功率为1%,到二十世纪末下降到0.2%左右,造成找矿成功率下降的原因主要是:忽视对以往资料的收集研究,综合研究不够深入;地表出露矿已基本找完,找矿对象主要为隐伏和深埋藏矿;方法技术选择不当。因此,在目前的电法勘探工作中,急需建立矿床的定位预测和定量评价模型,总结出一套适用不同地质环境、不同矿种、不同成矿类型的勘查技术方法体系,以提高我国的电法勘探的技术水平。

2.金属矿电法勘探的主要方法

电法勘探的方法有多种。按场源性质分类,有人工场法(主动源法)、天然场法(被动源法);按地质目标分类,有金属与非金属矿电法、石油与天然气电法、水文与工程电法、煤田电法;按观测空间分类,有航空电法、地面电法、地下电法;按电磁场的时间特性分类,有直流电法(时间域电法)、交流电法(频率域电法)、过渡过程法(脉冲瞬变场法);按产生异常电磁场的原因分类,有传导类电法、感应类电法;按观测内容分类,有纯异常场法、综合场法。中国常用的电法勘探方法有电阻率法、充电法、激发极化法、自然电场法、大地电磁测深法和电磁感应法等。

2.1电阻率法

利用地壳中岩石、矿石间电阻率(ρ)差异,观测和研究地面人工电流场(稳定的或准稳定的)分布规律的方法。一般用于寻找石油、煤田、地下水和金属矿床等,以及研究与之有关的地质构造问题。电阻率法原理如图1所示。

由电源通过地面上一对金属电极 A、B向地下输入强度为I(用电流表测量)的直流电流,使地中建立稳定电流场。在地面上另外两个金属铜电极M、N之间观测电位差ΔU,并

计算测点(M、N之间中点)处的ρS值(单位为欧姆•米)。然后,所有仪器设备和电极沿测线同时向前移动,逐点测量ρS值,便可获得沿测线和测区的ρS变化规律。ρS称为视电阻率,它是地下各种不同导电性地质体的综合反映;K称为电极排列系数,它与A、B、M、N四个电极的相对位置和间距有关。对于一定的电极排列,K为常数。当地下只有一种电阻率为ρ的均匀各向同性介质时,ρS=ρ;当地下为非均匀介质时,ρS的数值和分布则取决于围岩、矿体、地质构造、测点位置和电极排列等因素。电阻率法按电极排列和工作方法的不同,又可分为以下几种分支方法。

2.1.1电测剖面法

根据电极排列方式不同,又可分为对称四极剖面法、联合剖面法和偶极剖面法等。该类方法中的4个电极均按特定方式排列。在野外观测过程中,各个电极间距保持不变,沿测线逐点进行测量ρS值。测量结果可绘成剖面曲线图或剖面平面图。

2.1.2中间梯度法

该方法供电电极距AB很大,一般为数百米至数千米,其中部AB/3范围,电场近似均匀,有利寻找对象异常的显示。在一条测线上供电,可同时在1～3条测线上进行观测,适于面积性测量工作。观测过程中A、B不动,测量电极M、N在AB中间AB/3～AB/2范围内逐点移动,测量每个点的ρS值。测量结果绘成剖面曲线图和剖面平面图。当A、B中间埋藏着高电阻率矿体时,ρS值高于背景值;如果有低电阻率矿体时,ρS值低于背景值。中间梯度法在寻找陡立高阻矿体和平缓低阻矿体以及地质填图时效果较好。

2.1.3电测深法

该方法主要用来研究测点下和测区下不同导电性地质体沿垂直方向的分布情况。它也包含有几种分支方法,常用的有对称四极测深法(A、B、M、N对称于MN中点)。在某一测点上进行测深时,测量电极M、N不动,A、B向M、N极外侧由小到大逐次移动,依次观测ΔU和I,算出对应于各种AB值的ρS值。测量结果可绘成ρS随 AB/2变化的电测深曲线图和其他类型图件。地下电场分布范围随AB的增大而增大。当AB很小时,ρS主要反映地表层的电阻率;当AB逐次增大时,ρS逐渐反映深部地层的电性特征。依此,可探测地下不同深度的地质构造情况。该方法主要用于探查地下的地质构造,借以寻找石油、天然气、煤田以及解决水文、工程地质问题。勘探深度最大可达几公里。

2.1.4充电法

该方法是金属矿床详查、勘探阶段和解决水文、工程地质问题中常用的一种电法勘探方法。当野外发现良导性矿体(低阻矿体)的天然或人工露头时,充电法可以确定该矿体的走向、范围和空间产状等。充电法的原理:将电源正极A与该良导体露头连接,形成一个大的供电电极,B极置于很远处(∞极)接地。在地面测区内测等位线,或沿测线逐点观测电位U和两测点间的电位梯度 。观测结果可绘成电位等值线平面图和U、 剖面曲线图。地面上等位线形状和电位梯度异常分布与充电导体的大小和形有关。若充电导体接近等轴状时,U等位线接近于圆形,圆心与导体中心在地表的投影点重合;若充电导体为有一定走向长度的脉状体时,U等位线接近椭圆状,其长轴方向或电位梯度 零值点连线方向与矿体走向重合;若在地面、坑道或钻井中发现两个或两个以上良导矿体(电阻率比围岩低100倍)露头时,充电法可以查明这些矿体露头之间是否相连或如何相连,进而确定良导矿体的空间赋存形态和规模,为探矿工程提供依据。

2.1.5激发极化法

向地下输入电流,利用岩石或矿石受到激发极化作用后产生的电流场,进行找矿和解决其他地质问题的方法。在地下建立的人工稳定电流场的激发作用下,使矿体和孔隙溶液之间产生电化学作用,形成一种随时间缓慢变化的附加电场,此现象称为激发极化效应(简称激电效应)。激发极化法是以地壳中不同矿石、岩石间极化特性差异为前提,观测和研究激电异常场空间分布规律和激电场随时间变化特性。激发极化法原理:若地下有电子导电型金属矿体存在时,利用中间梯度装置在地下建立稳定电流场,在此电场激发下,使电子导电矿体被极化,其两端表面形成不均匀的双电层,在供电电流进入矿体一端,矿体呈阴极极化(矿体内部带负电,外部带正电);在电流流出矿体一端,情况则相反。矿体表面不均匀双电层通过矿体和围岩进行放电,在矿体周围空间产生激发极化电流场(简称激电场)。人们通过观测和研究激电场的空间分布特征,便可实现找矿的目的或解决其他地质问题。野外工作中可采用电阻率法中的任何一种电极排列和相应的工作方法,仅观测内容和观测方法有所差别。

激发极化法按供电和测量内容的不同,可分为直流(时间域)激发极化法和交流(频率域)激发极化法。

(1)直流激发极化法

向地中供入直流电流。在供电过程中观测M、N极间总场电位差(ΔU),断电后观测激电场的电位差Δ U2,并定义视极化率为

通常ΔU2比ΔU小很多,故ηS常用百分数表示。一般在每个测点可同时获得ηS和ρS两个参数,即在一条测线上可同时获得两种剖面曲线。当地下无矿体存在时,ηS和ρS沿测线均无显著变化,皆为围岩的正常背景值;当地下有矿体存在时,除ρS有变化外,由于矿体上方激发极化电流密度的增大,使ηS剖面曲线在矿体上方出现极大值。对于电子导电矿物呈星散分布的浸染型矿体,其电阻率值通常与围岩无明显差异,电阻率法无效,但是矿体中每个金属小颗粒均能被稳定电流场所极化(称为体极化),而产生激电效应,视极化率ηS有明显异常。所以,激发极化法对于寻找致密型金属矿和浸染型金属矿均有效果。

(2)交流激发极化法

又分为变频法和复电阻率法两种方法。变频法通常用超低频段(0.01～10赫)中两种相差较大的固定频率(低频f1,高频f2)分别供电,观测两种频率f1、f2供电时测量电极M、N间电位差的幅值,分别获得视电阻率ρS1(用频率f1观测所得)和ρS2(用频率f2观测所得),并由此算出视频散率ρS或视频率效应。

用ρS的找矿原理与ηS相同。复电阻率法利用的频段比变频法宽,用各种频率分别供电,测量M、N极间电场的振幅和相位,或测量虚分量和实分量等多种参数,算出复电阻率值。

激发极化法近年来又有新进展,利用供电电流和激发极化电流产生的磁场找矿和进行地质填图,称为磁电阻率法和磁激发极化法。

2.1.6自然电场法

利用大地自然电场作为场源,进行找矿和解决其他地质问题的勘探方法。该法是人们应用最早的一种电法勘探方法。它毋须用人工方法向地下供电。至于自然电场产生的原因,目前尚有不同见解。地下潜水面切割电子导电矿体,潜水面上部发生氧化作用,下部发生还原作用,使矿体上、下两端表面产生不均匀的双电层,进而在矿体内外形成自然电流,通常在矿体上方的地表可观测到负的自然电位异常,依此可实现找矿目的。另一观点认为,矿体本身并不参加化学反应,只起传递电子作用。此外,还有人提出电极电位学说和波差电池学说等。对于离子导体情况,地下水在岩石孔隙中流动时,由于水溶液中常含有大量的正、负离子,且岩石颗粒有吸引负离子的作用,致使地下水带走大量的正离子,形成自然电场。野外工作时,将电极N置于很远处(∞处),测量电极M(M、N极皆为不极化电极)沿测线逐点测量自然电位U。测量结果可绘成U的剖面曲线图和平面等值线图。自然电场法不用人工供电,故仪器设备较轻便,生产效率高。该法主要用于寻找电子导电的金属矿床与非金属矿床、进行地质填图和确定地下水流速、流向等水文地质问题。

2.1.7大地电磁测深法

利用大地天然电磁场作为场源,以研究地壳和上地幔构造的方法。高空电离层和磁层的电流体系由于太阳辐射发生的变化以及大气层中的雷电效应,均将引起地球磁场的波动,其频率范围十分宽阔。这种磁场的波动在导电的地球内感应出交变的电磁场。在地球内部,这种电磁场分布取决于岩石的电性结构。由于电磁场的集肤效应作用,不同频率电磁波具有不同的穿透深度,从而带来不同深度岩石电性的信息。在地面上,单点观测多种频率天然交变电磁场互相垂直的4个水平分量(EX、EY、HX、HY),分析研究地面波阻抗随频率的变化,便可探测地球内部岩石电性随深度的分布。该方法的特点是:以天然交变电磁场为场源;探测深度大(数十公里至上百公里)。

2.1.8电磁感应法

以电磁感应原理为基础,以地壳中岩石、矿石导电性和导磁性的差异为前提,用人工方法在空间建立交变电磁场,使良导矿体内产生感应电流,观测和研究感应电流在空间形成的异常电磁场的空间分布规律和时间特性,从而寻找地下良导矿体或解决其他地质问题的方法,简称电磁法。本类方法又可分为两个分支:频率域电磁法(场源为多种频率的谐变电磁场)和时间域电磁法(场源为不同形式的周期性脉冲电磁场)。它们的方法原理、基础理论和野外工作方法基本相同,但地质效果各有特点。电磁感应法分支方法多,分类原则不同,方法名称各异。例如,按场源形式划分,有长导线法、不接地回线法、电磁偶极法等;按观测内容划分,有振幅-相位法、振幅法、虚实分量法、倾角法、振幅比-相位差法等;按观测场所划分,有地面电磁法、航空电磁法等。该类方法装置类型多,装置轻便,工作方法灵活,效率高,不受野外接地条件限制,可在冻土带、冰川、沙漠或空中进行工作。这类方法主要用于寻找良导电性的金属矿床与非金属矿床、查明地下地质构造和解决其他有关地质问题。

3.金属矿电法勘探技术的应用

根据地壳中各类岩石或矿体的电磁学性质(如导电性、导磁性、介电性)和电化学特性的差异,通过对人工或天然电场、电磁场或电化学场的空间分布规律和时间特性的观测和研究,寻找不同类型有用矿床和查明地质构造及解决地质问题的地球物理勘探方法。主要用于寻找金属、非金属矿床、勘查地下水资源和能源、解决某些工程地质及深部地质问题,也可以用使矿体直接或间接允电的办法来圈定矿体的延展范围和增大勘探深度。

电法勘探在矿产普查勘探中发挥了重要作用,应用范围已日益广泛。除寻找有色、贵金属矿产外,在铁矿(山西式铁矿、沉积型锰铁矿,镜铁矿)、煤矿(小而浅的煤矿,煤矿外围的隐伏、半隐伏煤田),在超基性岩区找铬镍矿等都取得了很好的地质效果。在国外,电法勘探的应用还扩大到寻找油气田方面。

3.1电法勘探方法选择

方法技术的选择不仅要重视其先进性,更要重视其针对性、适用性和经济性;不仅要重视各种方法技术的组合,更要重视其有效配置;不仅要重视方法技术实施的时序,更要重视其时效。

在实际应用中,首先要对工作地区的研究程度进行系统地了解,充分认识工作地区目标矿床的地质、地球物理及地球化学特点;对收集的资料进行分析、归纳、整理及成矿背景研究。其次,应根据现有技术水平及地质找矿过程中要解决的实际问题,选择经济有效的电极排列装置。应根据工作区的具体地质条件确定勘探目标地质体—与欲寻找矿产有某种关系,从而确定电法勘探的目标地质体。要保证现有电法勘探方法技术能找到该目标物,且工作方法在经济上是合理的,同时还要注意获取系统、完整的电法勘探资料,全面认识矿区地质体地球物理场特征,这对后续找矿评价工作十分重要。

在实际应用中,常用的电法勘探方法有电阻率法、充电法、激发极化法、自然电场法、大地电磁测深法和电磁感应法等;常用的电极排列有中间梯度排列、联合削面排列、固定点电源排列、对称四极测深排列等电极排列方式。

3.2数据处理与异常解释的基本原则

数据处理与异常解释不仅要注重原始数据采集的可靠性,更要注重反演结果的多解性;不仅要注重单个方法的异常特征、异常强度,更要注重多种方法的组合异常规律;还要结合矿区地质背景条件,才能达到对目标地质体准确评价的目标。

3.3异常解释推断的基本要求

物探资料地质解释的一般程序为:异常判定(包括异常提取和划分)—异常分类及逐类(逐个)解释—提出验证工程位置及技术要求—物探测井,补充收集资料,做进一步解释。

异常解释主要是进行地球物理调查资料的数学物理解释,即地球物理场的平面、剖面空间分布特点,推断引起这些场的地质体的空间形态,并估算其物性参数,从而确定引起地球物理异常地质体的性质,结合已有的地质、地球化学等资料,对工作区地质构造作出推断和评价。

对地球物理调查结果所作的解释,只能认为是在当时阶段的认识基础上,对客观情况的一种最佳近似。随着认识的深化、技术的提高、经验的积累,特别是工作区新的地质情况的发现,需要对地球物理调查资料重新进行解释。

4实际应用中要注意的几个问题

4.1能引起物探异常的地质体

一般情况下,矿石中含有磁性矿物(常见的是磁黄铁矿,有时是磁铁矿),能引起磁异常;矿石的比重比围岩的大,能引起重力异常;整个矿体为一个低电阻的良导体,能引起各种电法异常。矿体的围岩(特别是其上覆地层)不均匀所引起的异常,应能与矿体所引起的异常区分开来,而且矿体引起的异常应大于3倍观测误差均方值,才能被可靠地观测出来。

4.2低品位矿和隐伏矿找矿预测

低品位矿(如斑岩型矿)和一些贵金属矿其矿石与岩石的差别小;矿石与围岩的物理性质差别缩小,矿体引起的异常不明显,各种干扰相对增强;矿体埋深增大,矿体在地表引起的异常严重衰减,干扰有时超过有用异常,因而不易识别异常的存在。

在矿山附近及其深部、尚未开采的已知矿山附近及其深部、地表有矿化现象而且地质成矿条件有利的地段,以及有意义的物化探组合异常分布地区是寻找隐伏矿床的最佳地段。

5.金属矿电法勘探技术的最新进展

高技术的飞速发展,带动了地质理论和勘查方法技术的进步。减少矿产勘查风险与不确定性越来越依赖于新的思维和技术。加强广域的综合勘查技术方法研究,发挥地质、地球物理、地球化学、遥感等多种方法技术集成的作用,关键是解决好技术方法实施、信息综合处理与查证工程有机衔接问题,探索出一套实施快速评价的新路子,以实现复杂条件下矿产资源快速评价,使之成为现代矿产勘查技术的最佳途径。

金属矿地球物理勘探具有许多特征,主要表现为:勘探深度浅,一般在1000米以内;应用范围广(构造、地质填图、各种类型的矿床等);大比例尺、工作范围小;物性极不均匀、目标体体积小;勘探深度小、横向与垂向分辨率高;工作环境往往有多种强干扰存在;受工程进度的制约,要求方法快速准确等等。

6.金属矿电法勘探技术的发展方向

地质找矿是一项周期长、难度大、风险大和回报大的复杂系统工程。这些特点在寻找隐伏金属矿床时表现尤为明显。随着地质工作的研究程度的提高,大多数出露和近地表矿床已被发现,寻找隐伏的和埋藏较深的矿床就成为急待解决的问题。在这方面,包括电法勘探在内的地球物理勘探方法具有不可替代的优越性。

近二十年来,在金属矿电法勘探中,由于目标体主要是深部的隐伏或深埋矿,找矿难度日益加大。发展方向主要在以下几个方面:一是要求仪器的分辨率与灵敏度高,设备轻便,数字化程度高,抗干扰能力强,应具有多分量、多通道、多参数、多功能等特点;另一方面,要重视多种方法结合应用。

从发展趋势看,仪器向轻便、自动,记忆、多参数测量方向发展。除研制新仪器外,加大电源功率是另一个重要途径。如果有足够功率,就可以探测到埋深达1.6～3.2公里的大型低品位的工业矿体(只需要加大电极距和提高电源功率)。当前,已广泛采用频率域激发极化法(变频法),其优点是输出功率小(只要几百瓦),相对时间域激发极化法(几千瓦)要低得多,同时操作技术亦比较简便。

6.1重视井中物探方法的应用

把物探仪器下放到钻孔中进行探测,相当于减小了物探工作的深度,并且免除了地形、覆盖层等干扰因素的影响。通过井中物探,可得到地层与矿体的有关物理参数,探测范围可数百米甚至更远。对于埋藏较深的隐伏矿,深钻的成本会大幅度提高,钻探的命中率也较低。通过开展井中物探,可以避免矿体近在咫尺,而与钻孔失之交臂带来的风险。可以在钻孔内开展的井中物探方法有很多,涉及重、磁、电、震、放五大地球物理测量种类,每一类又可能有多种方法。因此,开展井中物探可获得大量有价值的深部找矿信息。

6.2重视多种方法综合应用

物探技术方法种类多,并且各具特色,是一种最重要、应用最广泛的深部找矿技术。由于多种因素影响物探测量的解释结果,物探技术具有多解性,这是该技术的弱点。如果同时采用多种物探方法进行测量,或结合采用化探,对结果进行综合解释,则可明显降低其多解的程度,达到较好的找矿效果。

参考文献

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