地球物理学进展  2017, Vol. 32 Issue (1): 299-305   PDF    
引用本文
文武, 徐毅, 曾力力, 等. 2017. 一种改进的激发极化测量方法和对比实验研究. 地球物理学进展, 2017, 32(1): 299-305, doi: 10.6038/pg20170142  
WEN Wu, XU Yi, ZENG Li-li, et al. 2017. Revised IP survey method and study of the contrast test. Progress in Geophysics (in Chinese), 32(1): 299-305, doi: 10.6038/pg20170142   
一种改进的激发极化测量方法和对比实验研究
文武1, 徐毅2, 曾力力3, 王光杰1     
1. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029
2. 中铝矿产资源有限公司, 北京 100035
3. 黑龙江省齐齐哈尔矿产勘查开发总院, 齐齐哈尔 161006
收稿日期：2016-06-26; 修回日期：2017-01-02.
作者简介：文武, 男, 生于1982年, 四川成都人, 固体地球物理学博士, 主要从事固体矿产资源的地球物理勘探理论研究和应用工作.(E-mail:wenwu06@163.com)
通讯作者：王光杰, 男, 副研究员, 主要从事电磁场勘探的理论方法和应用方面的研究.(E-mail:gjwang@mail.igcas.ac.cn)
摘要：偶极-偶极测量装置是电法测量中最常见的方法.在本文所提及的斑岩铜矿的勘探项目中，偶极-偶极激电测量作为主要的地球物理勘查方法被广泛使用.但是由于研究区某些区域十分崎岖的地形和很差的进入条件，我们对偶极-偶极装置进行了一定的改进以适应环境的需要.改进后的方法称之为“双极-偶极”.为了研究“双极-偶极”的有效性及其与偶极-偶极之间的差异，在同一测线，相同点位上，利用相同的设备，以相同的点距和仪器参数对两种方法进行了对比实验测量.并且简便起见，采用了与偶极-偶极相同的成图方法.随后，对测量数据和拟断面进行了详细的数据分析，最后对两种数据进行了二维反演.分析结果表明：（1）双极-偶极和偶极-偶极方法同样有效（2）双极-偶极和偶极-偶极在充电率结果上有一定差异，但差异很小（3）双极-偶极和偶极-偶极所测得的电阻率有较明显差异，但依然显示出总体的一致性.总而言之，对比试验证明，双极-偶极是非常有效的测量方法.在偶极-偶极难以实施的地方，可以作为偶极-偶极装置的有效补充和替代方法.
关键词：激发极化法    偶极-偶极    双极-偶极    对比实验    
Revised IP survey method and study of the contrast test
WEN Wu1 , XU Yi2 , ZENG Li-li3 , WANG Guang-jie1     
1. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
2. Chinalco Resources Corporation, Beijing 100035, China
3. General Institute of Mineral Exploration and Development Qiqihar Heilongjiang province, Qiqihar 161006, China
Abstract: Dipole-Dipole is a commonly used method in electrical survey. It was used in the porphyry copper exploration project mentioned in this paper as a main geophysical method as well. In order to adapt very bad topography and access condition in some areas in the project, the Dipole-Dipole method has been revised in a way. The updated method is called 'Bipole-Dipole'. Afterwards, a contrast test was carried out on the same line, with a same configuration and instrument to figure out the differences between Dipole-Dipole and Bipole-Dipole. To keep it simple, the plotting method for Bipole-Dipole is the same as Dipole-Dipole. Then some particular analyses were performed on the measured data and the pseudo sections. At last, inversion models were generated from the pseudo sections. The analysis result shows (1) Bipole-Dipole is as effective as Dipole-Dipole. (2) There's only a little difference of chargeability between Bipole-Dipole and Dipole-Dipole. (3) The resistivity between two of them is different obviously but also with a lot of similarities and shows a general consistency. In one word, Bipole-Dipole is proved to be an effective method and could be a useful supplement and replacement of Dipole-Dipole.
Key words: IP     Dipole-Dipole     Bipole-Dipole     contrast test    
0 引言

在国内外为了探测浅覆盖区域以下可能存在的大规模的斑岩型矿体，大功率、大点距的激发极化方法作为主要的物探手段，发挥了巨大的作用 (Oldenburg et al, 1997; 杨伟寿, 2003; 白大明等, 2010).本文研究工作所属的斑岩铜矿找矿项目处在森林覆盖区.该地区植被覆盖茂密，地表覆盖层发育，地形条件和道路通行条件较差.普通的激电扫面方法难以开展.经过综合考虑，采用GDP-32(雒志锋和吴小平, 2011) 多功能电法仪开展大功率激发极化法.最初采用四个接收通道的偶极-偶极方法，点距200 m进行测量.供电周期是8 s，即一个周期正供电2 s，断电2 s，再负供电2 s，再断电2 s.

激电测量最开始沿着工作区内已有的道路进行.做偶极-偶极测量时，发射机和发电机必须车载并随着接收排列同时移动.但某些时候，因为崎岖的地形和很差的进入条件，载重车辆难以随着接收机移动.为了解决这个问题，对偶极-偶极进行了适当的改进.在发射机难以移动时，将其中一个发射极固定在一个点位上，另外一个发射极通过人工搬运，以不断增长发射电线的方式随着接收机移动，同时保持接收排列型式不变.这种改进后的方法在本文中称为“双极-偶极”.

事实上，文中定义的“双极-偶极”与“单极-偶极”和“偶极-偶极”各具有一定的相似性但又各不相同.对于真正意义上的单极-偶极，一个供电电极需要距离接收极足够远，称之为“无穷远极”(李金铭, 2004)(图 1)；对偶极-偶极来说，发射极距和接收极距一致并保持相对固定 (图 2).本文中的“双极-偶极”测量，是以“偶极-偶极”测量的方式开始，但保持一个供电电极固定在最开始的位置，随着第二个供电电极的不断前移，第一个供电电极与接收极之间的距离会不断增大 (图 3)，逐渐接近于真正意义上的“单极-偶极”.因此文中所述的“双极-偶极”是介于“单极-偶极”和“偶极-偶极”之间的过渡方法.国内外研究者曾对“双极-偶极”方法有过一些理论上的探讨，但没有实际的实验研究 (Das and Singh, 1982; 刘煜洲和曹静平, 1987).为了研究改进后的方法的有效性及其与偶极-偶极方法之间的差异，在同一测线、相同点位上，利用相同的设备，以相同的点距和仪器参数对两种方法进行了对比测量实验.

图 1 典型的单极-偶极装置示意图 Figure 1 Typical Pole-Dipole configuration

图 2 典型的偶极-偶极装置示意图 Figure 2 Typical Dipole-Dipole configuration

图 3 双极-偶极装置示意图 Figure 3 Bipole-Dipole configuration
1 数据采集

偶极-偶极的发射极距和接收极距都是200 m.同时采用4个通道采集4个不同深度的数据.根据偶极-偶极装置的几何关系，得到的拟断面图为平行四边形.(李金铭, 2005) (图 4)

图 4 偶极-偶极拟断面示意图 Figure 4 The pseudo-section for Dipole-Dipole

双极-偶极在同一测线和相同点位上，以偶极-偶极的方式开始.当接收极移动到下一排列时，第一个供电电极保持固定，而另一个供电电极随接收极移动.

为了简化成图的方法，双极-偶极的拟断面图采用与偶极-偶极的成图方法一致 (图 5).所以，对比试验一项主要的目的就是证实这种成图方法是否合理.

图 5 双极-偶极拟断面示意图 Figure 5 The pseudo-section for Bipole-Dipole

由于本文所述的双极-偶极并不是传统的装置，在GDP-32电法仪上没有相关的参数选项.因此，对于这种方法的一切参数均按照偶极-偶极进行设置①.在这个基础上，所得到的视电阻率是接收机基于错误的电极排列几何关系计算得出.这种错误随后需要根据真实的电极位置和公式 (李金铭，2005) 进行重新计算.

①Zong Engineering and Research Organization. 2002. GPD-32Ⅱ Multifunction Receiver operational manual.

下图 (图 6，图 7) 是偶极-偶极的视电阻率和视充电率拟断面图和双极-偶极经过重新计算之后的视电阻率和视充电率拟断面图.图中，横轴为点号，纵轴为数据层位.

图 6 偶极-偶极视电阻率和视充电率拟断面 Figure 6 The apparent resistivity and chargeability pseudo-sections for Dipole-Dipole

图 7 双极-偶极视电阻率和视充电率拟断面 Figure 7 The apparent resistivity and chargeability pseudo-sections for Bipole-Dipole
2 拟断面图对比分析

为了明确两种不同装置的区别，分别对二者采集数据生成的视充电率和视电阻率拟断面图做了详细的数据分析和对比.

2.1 偶极-偶极和双极-偶极的视充电率对比

从上图 (图 8，图 9) 可见，两种不同装置得到的充电率拟断面异常形态基本一致.两种方法的第一组排列由于几何关系完全相同，理论上得到的数据应该一样，但是由于测量的误差，数据上有一定差别.但对于野外测量来说，这种误差是可以接受的.大体上来看，在双极-偶极拟断面中相对于偶极-偶极方法，充电率从最开始的排列 (左) 到最后的排列 (右) 有逐渐减小的趋势.偶极-偶极因为电极排列关系一直保持固定，因此测得的深度信息也保持固定.而双极-偶极由于供电电极极距不断增大，理论上测量的深度信息会不断增加，因此与偶极-偶极肯定会有一定区别.

图 8 偶极-偶极视充电率拟断面 Figure 8 The apparent chargeability pseudo-section for Dipole-Dipole

图 9 双极-偶极视充电率拟断面 Figure 9 The apparent chargeability pseudo-section for Bipole-Dipole

表 1 偶极-偶极和双极-偶极之视充电率对比 (单位，毫秒) Table 1 Apparent chargeability value between Dipole-Dipole and Bipole-Dipole (ms)

为了从数字上更加清晰的得出双极-偶极和偶极-偶极在充电率上的区别，我们进行了如下的数据分析：(1) 由于单个测点的数据受误差和随机干扰比较明显，为了减小这种随机误差干扰，得到更具统计意义的数据，在进行数据分析时，以每个排列为单位，首先分别将每个测量排列的四个通道的数据，既四个不同深度的数据进行累加，分别得到C1和C2数组 (2) 计算C1和C2的比值，以明确二者之间的区别，最后以图像显示出比值的变化趋势.从图 10可以看出，双极-偶极和偶极-偶极充电率相比，前者的数据有明显线性减小的趋势.有两个点的数据有较大偏移，应为误差所致.

图 10 双极-偶极和偶极-偶极充电率变化比例 Figure 10 The chargeability ratio between Bipole-Dipole and Dipole-Dipole and the trend

我们知道，直流电法的测量深度跟供电电流大小和电极距呈正相关关系 (徐锦山和雒志锋, 2010).对于双极-偶极来说，供电极距的随着接收极的不断前移而不断增大，必然导致更多的深度信息被接收到.相对于偶极-偶极的充电率比例不断减小，也能说明深部的充电率要小于浅部.

2.2 偶极-偶极和双极-偶极的视电阻率

电阻率的变化受地下水的影响比较明显.由于两次测量工作之间的时间间隔为两个星期，地下水变化会对电阻率有较大影响.在偶极-偶极和双极-偶极的视电阻率拟断面上 (图 11和图 12)，可以看出许多相似的特征 (蓝圈) 和部分较大的差异 (红圈).

图 11 偶极-偶极视电阻率拟断面 Figure 11 The apparent resistivity pseudo-section for Dipole-Dipole

图 12 双极-偶极视电阻率拟断面 Figure 12 The apparent resistivity pseudo-section for Bipole-Dipole

表 2 偶极-偶极和双极-偶极之视电阻率对比 (单位，Ω·m) Table 2 Apparent resistivity value between Dipole-Dipole and Bipole-Dipole (Ω·m)

我们采用了与充电率分析相同的数据分析方法，结果 (图 13) 表明，双极-偶极的电阻率相对于偶极-偶极有逐渐增大的趋势，意味着随着深度的增加，电阻率值也相应增大.

图 13 双极-偶极和偶极-偶极电阻率变化比例 Figure 13 Resistivity ratio between Bipole-Dipole and Dipole-Dipole and the trend
3 反演计算结果

利用UBC code反演软件，对偶极-偶极和双极-偶极的数据进行了二维反演.为了保持二者的可比性，反演所采用的参数保持一致.

反演的结果表明 (图 14和图 15)，偶极-偶极和双极-偶极电阻率模型和充电率模型都显示出极大的相似性.

图 14 偶极-偶极反演模型 Figure 14 The inversion models for Dipole-Dipole

图 15 双极-偶极反演模型 Figure 15 The inversion models for Bipole-Dipole

另外，从反演的结果我们可以得出 (1) 浅部低阻覆盖层的厚度大概为100 m.电阻率值小于100 Ω·m.随着深度的增加，电阻率值也逐渐增大 (2) 高充电率体主要在浅部，且成不连续状态分布.而深部的充电率非常微弱.这些特征与拟断面的数据分析是一致的.

4 结论 4.1

本文中描述的双极-偶极测量方法实质上是介于真正意义上的偶极-偶极和单极-偶极的一种过渡方式.这种改进，保留了偶极-偶极的高分辨率和较为灵活等优点的测量方式，同时更能适应很差的地形和进入条件，另外也避免了单极-偶极带来的“无穷远极”铺设带来的工作量.

4.2

数据分析证实了双极-偶极可以得到与偶极-偶极相似并且可靠的数据.虽然由于供电电极和接收电极的几何关系与传统的方法存在一定差异，会在视电阻的计算上和拟断面图的成图上存在一定的偏差，但这种差异很大程度上是可以得到后期改正的；同时，因为在斑岩铜矿上的勘探上，充电率信息更受关注，事实证明，单极-偶极能够得到与偶极-偶极十分相似的充电率信息.

4.3

两种方法的数据反演得到了一致的结果.说明单极-偶极的数据和偶极-偶极是一样可靠的.因此，文中改进后的双极-偶极方法可以成为偶极-偶极很好的补充和替代.

致谢 感谢中铝力拓勘探有限责任公司无偿提供文章所用的数据支持.
参考文献
[] Bai D M, Nie F J, Jiang S H. 2010. Geophysical exploration methods for the oyu tolgoi Cu-Au deposit in mongolia[J]. Acta Geoscientica Sinica (in Chinese), 31(3): 443–448.
[] Das U C, Singh R D. 1982. Bipole-dipole field difference-a new resistivity sounding technique[J]. Geophysical Prospecting, 30(3): 323–330. DOI:10.1111/gpr.1982.30.issue-3
[] Li J M. 2004. The Induced Polarization Method Guide (in Chinese)[M]. Beijing: Geological Publishing House.
[] Li J M. 2005. Geoelectric Field and Electrical Exploration (in Chinese)[M]. Beijing: Geological Publishing House.
[] Liu Y Z, Cao J P. 1987. Some characteristics of the "bipole-dipole" device in electrical prospecting[J]. Geophysical and Geochemical Exploration (in Chinese), 11(5): 382–388.
[] Luo Z F, Wu X P. 2011. Pole-dipole/dipole-pole array sounding two-dimensional geoelectrical section imaging for time domain induced polarization method[J]. Geophysical and Geochemical Exploration (in Chinese), 35(2): 218–222.
[] Oldenburg D W, Li Y G, Ellis R G. 1997. Inversion of geophysical data over a copper gold porphyry deposit:A case history for Mt[J]. Milligan[J]. Geophysics, 62(5): 1419–1431. DOI:10.1190/1.1444246
[] Xu J S, Luo Z F. 2010. The data from pole-dipole array sounding changed into the data of dipole-dipole array sounding and their two-dimension inversion comparison for time domain induced polarization method[J]. Computing Techniques for Geophysical and Geochemical Exploration (in Chinese), 32(6): 621–628.
[] Yang W S. 2003. A preliminary study of the characteristics of the IP anomaly in the Tinggong copper deposit, Tibet, and the ore-prospecting effect[J]. Geophysical and Geochemical Exploration (in Chinese), 27(3): 180–183.
[] 白大明, 聂凤军, 江思宏. 2010. 蒙古国欧玉陶勒盖铜 (金) 矿床物探找矿技术分析[J]. 地球学报, 31(3): 443–448.
[] 李金铭. 2004. 激发极化法方法技术指南[M]. 北京: 地质出版社.
[] 李金铭. 2005. 地电场与电法勘探[M]. 北京: 地质出版社.
[] 刘煜洲, 曹静平. 1987. 电法勘探中"双极-偶极"装置的某些特点[J]. 物探与化探, 11(5): 382–388.
[] 雒志锋, 吴小平. 2011. 时域激电单极-偶极、偶极-单极排列测深法二维地电断面成像[J]. 物探与化探, 35(2): 218–222.
[] 徐锦山, 雒志锋. 2010. 时域激电单极~偶极测深数据转换为偶极~偶极测深数据及其二维反演对比[J]. 物探化探计算技术, 32(6): 621–628.
[] 杨伟寿. 2003. 西藏厅宫铜矿激电异常特征及找矿效果的初步研究[J]. 物探与化探, 27(3): 180–183.