地球物理学进展  2017, Vol. 32 Issue (1): 273-278   PDF    
关于时间域激发极化法中视极化率负值的判别和应用
孙仁斌1,3, 汪洋5, 楚丽霞2,3, 赵绎钧4, 王宁4     
1. 中国地质大学 (北京) 地球物理与信息技术学院, 北京 100083
2. 中国地质大学 (北京) 地球科学与资源学院, 北京 100083
3. 内蒙古地质工程有限责任公司, 呼和浩特 010010
4. 内蒙古地质矿产开发局, 呼和浩特 010011
5. 合肥市测绘设计研究院, 合肥 230061
摘要:时间域激发极化法是目前地质找矿工作常用的地球物理手段,广泛应用于预查、普查、详查、勘探等各个地质工作阶段.但是在野外施工过程中,有时会遇到视极化率负值的现象,技术人员往往会当做畸变点进行剔除.当测区出现大面积视极化率负值的情况下,如果全部剔除负值点,会导致成图不完整,无法客观反映地质体的激发极化特征.本文以时间域激发极化法的中间梯度装置为例,结合理论模型及野外不同地质条件,对出现视极化率负值的因素进行了分析,提出通过二次场衰减特征甄别IP负值是否可用,具有一定参考价值.
关键词激发极化法    中间梯度装置    视极化率负值    二次场衰减特征    
Discrimination of apparent polarizability negative in time-domain induced polarization and its application
SUN Ren-bin1,3 , WANG Yang5 , CHU Li-xia2,3 , ZHAO Yi-jun4 , WANG Ning4     
1. School of Geophysics & Information Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
2. School of Earth Sciences & Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
3. Inner Mongolia Geological Engineering Co., LTD, Inner Mongolia, Hohhot 010010, China
4. Inner Mongolia Geology Mineral, Inner Mongolia, Hohhot 010011, China
5. Hefei Surveying and Mapping Institute, Hefei 230061, China
Abstract: Time-domain induced polarization method is an efficient method of geological prospecting and has be widely used in geological reconnaissance, general prospecting, general exploration and exploration, etc. But in field application, the apparent polarization may appear negative. In most cases, the interpreter will eliminate the negative. But if the data contains more negative values, the traditional approach will make the map incomplete and can not reflect the induced polarization characteristics of the geological body. In this paper, we use the intermediate gradient method as an example, combining the theoretical model and the different geological conditions, and analyze the factors of negative polarization. We propose to use the secondary field attenuation characteristics to determine whether the IP negative value can be preserved. Numerical simulation and real data applications have shown that the method we proposed achieves good results.
Key words: induced polarization method     intermediate gradient     apparent polarization negative     attenuation characteristic of the secondary field    
0 引言

时间域激发极化法中间梯度装置 (简称“激电中梯”) 的特点是一线供电多线观测,野外生产效率较高,常用于观测地质体在平面上的电性分布特征,是重要的地球物理勘查手段 (中华人民共和国地质矿产部,1994李金铭,2005李帝铨等,2007李祥才等,2009孙燕等,2015).采用该装置进行观测时,有时会遇到IP负值现象 (傅良魁和姚文斌,1989李金铭,2004王亮等,2009武炜等,2009张宇鹏和钱嘉才,2015),通常采取的处理方式是当做畸变点剔除后进行插值.但是并非所有的视极化率负值点都是畸变点,一定地质条件下,视极化率负值现象是正常的,也是地质体激发极化效应的客观反映.本文通过实验室水槽试验及不同地质条件下的激电特征,针对视极化率负值现象进行了定性理论分析,并结合二次场衰减曲线 (李世峰和齐朝华,2010),提出甄别视极化率负值是否正常的方案.

1 水槽实验及定性分析

为了证实IP负值存在,采用实验室水槽实验物理模拟的方法进行正演 (罗延钟和孟永良,1986黄俊革等,2006鲁杏等,2014).实验采用中间梯度装置,异常源为置于水下5 cm处的水平铜板 (铜板长40 cm、宽10 cm、厚0.7 cm),AB=150 cm,mn=4 cm,测区为AB中段100 cm范围 (图 1).实验仪器采用加拿大GDD直流接收机和北京地质仪器厂DWJF-5时间域发送机.实验参数:延时280 ms,周期8 s,叠加2次,二次场采样窗口宽度依次为40 ms、80 ms、160 ms、320 ms、640 ms、1280 ms、2560 ms,取前四个连续采样窗口数据绘制正演曲线 (图 1) 以反映激发极化二次场衰减特征.

图 1 水平铜板水槽实验 Figure 1 Water tank modeling of the horizontal copperplate

图 1可见:mn处于铜板正上方时,视极化率为正值,随着mn向铜板内移动,视极化率曲线由上升趋于平稳,大致在铜板中段上方视极化率达到极大值;当mn处于铜板两侧时,视极化率为负值,mn从远离铜板向铜板靠近的过程中,视极化率绝对值逐渐增大,并在达到极值后迅速衰减,直至mn进入铜板正上方时,视极化率数值由负转正.通过四个连续采样窗口视极化率曲线 (图 1) 可见,窗口数据绝对值严格按由大到小排列,符合激发极化二次场衰减特征,验证了实验结果的可靠性.

水槽实验结果表明,视极化率负值客观存在,如何解释视极化率负值现象,可从极化体二次场的放电过程进行定性分析.

体极化条件下,假设铜板经激发后左端表面累积正电荷右端表面累积负电荷,铜板放电过程的某一时刻可等效为一定数量的电偶极子形成的叠加电场,如图 2所示,此时,水平铜板中垂面电势为零,中垂面左侧电势为正右侧电势为负.

图 2 体极化条件下水平铜板二次场放电模型 Figure 2 Secondary fielddischarge model of the horizontal copperplate under the condition of volume polarization

当测量电极处于铜板左侧m1n1位置时,测量电极位于正电势区,受铜板左侧正电荷场源影响,测量电极距离正电荷场源的位置关系是rm1>rn1,电势0 < Um1 < Un1,此时测量的二次场ΔV2=Vm1n1=Um1-Un1 < 0.因视极化率为二次场与总场电压之比,由于ΔV2 < 0,故视极化率为负值.

当测量电极处于铜板上方m2n2位置时,测量电极仍位于正电势区,测量电极距离正电荷场源的位置关系是rm2 < rn2,电势0 < Un2 < Um2,此时测量的二次场ΔV2=Vm2n2=Um2-Un2>0.因ΔV2>0,故视极化率为正值.

当测量电极处于铜板右侧m3n3位置时,测量电极位于负电势区,受铜板右侧负电荷场源影响,测量电极距离负电荷场源的位置关系是rm3 < rn3,电势|Um3|>|Un3|,因m3n3处于负电势区,故Um3 < Un3 < 0,此时测量的二次场ΔV2=Vm3n3=Um3-Un3 < 0,故此时视极化率为负值.

2 野外生产案例

案例区位于内蒙古乌兰察布市四子王旗境内,区内地形平坦,因地处草原接地条件较好 (发射电流在6~9 A,发射机极限电流10 A).本次使用的仪器为重庆奔腾数控仪器厂WDFZ-10发射系统和三台WDJS-2接收机.接收机内设四个等间距二次场连续采样窗口,经方法试验,接收机采用如下参数设置:采样积分宽度为40 ms,延时为200 ms,供电周期为32 s,叠加1次.中梯装置参数为AB=1600 m,MN=80 m,网度100 m×40 m,测线长1000 m,测线方位角为331°.

激电工作区内地层由老至新主要为:新太古界变质二长花岗岩,蓟县系哈拉霍圪特组灰黑色板岩、变质长石石英砂岩,侏罗系中统大青山组紫红色砂岩 (图 3a).由图 3b图 3c可见,蓟县系哈拉霍圪特组地层整体表现为低阻高极化特征,视极化率极值高达13%,视电阻率仅10~40 Ω·m.参考该区地表物性结果 (表 1),统计平均未见呈明显低阻高极化特征组合的岩性 (注:区内物性标本均取自地表露头).但物性测试过程中,发现灰黑色板岩中一块标本具明显低阻高极化物性特征 (表 2),后将该标本进行薄片鉴定,鉴定结果为灰黑色含炭含粉砂质绢云母板岩.后经查阅《1:20万四子王旗幅区域地质调查报告》,对该区内蓟县系地层描述为:哈拉霍圪特组第一岩段,岩性主要为变质长石石英砂岩夹炭质板岩.结合地层岩性和电性特征,推定低阻高极化现象由蓟县系哈拉霍圪特组地层内的炭质板岩引起,之所以地表岩

表 1 四子王旗某工区地表岩石物性统计成果表 Table 1 Statistical results of rock physical parameter in Siziwangqi work area

表 2 具有低阻高极化特征的灰黑色板岩标本物性测试结果 Table 2 Physical parameters of grey-black slate with low-resistivity and high-polarization

石物性标本没有显示该特征,源于长时间的风化淋滤作用使裸露于地表的岩石中炭质流失所致.

纵观该区电性特征,视极化率异常总体呈北东向条带状展布,高极化异常条带两侧均有IP负值出现,且有一定规模.为了进一步剖析负值异常,在激电工作区内选择高极化条带且两侧伴有负异常部位,垂直高极化体走向布设了一条点距20 m的精测剖面—L490剖面 (图 3b图 3c),剖面结果见图 4所示.

图 3 四子王旗某工区地电平面图 (a) 地质简图;(b) 视极化率等值线平面图;(c) 视电阻率等值线平面图.
s1-新太古界变质二长花岗岩;2-蓟县系哈拉霍圪特组灰黑色板岩;3-蓟县系哈拉霍圪特组变质长石石英砂岩;4-侏罗系中统大青山组紫红色砂岩;5-第四系全新统冲洪积砂砾石;6-石英脉;7-激电工作区;8-激电精测剖面及点线号.
Figure 3 Geological and electrical planeof study area in Siziwangqi (a) Geological sketch map; (b) Contour map of apparent polarizability; (c) Contour map of apparent resistivity.
1-Archean metamorphic adamellite; 2-Jixianian period halahuoqite formation grey-black slate; 3-Jixianian period halahuoqite formation metamorphic feldspar-quartz sandstone; 4-Middle Jurassic Daqinshan formation purplish red sandstone; 5-Quaternary Helocene series alluvial-diluvial sandy gravel; 6-Quartz vein; 7-IP study area; 8-IP precision measurement profile, line numbers and station numbers.

图 4可见,L490剖面不仅重现了高极化异常,并且在172点至196点共计13个测点上均显示为IP负值,与平面异常特征一致 (图 3b).同时,η1η2η3η4四条曲线幅值的绝对值表现为由大到小排列,符合激发极化过程的二次场衰减特征.

图 4 四子王某工区490测线二次场连续采样窗口视极化率剖面图 Figure 4 Apparent polarizability profile of secondary field continuous sampling window for line 490 of study area in Siziwangqi

蓟县系地层产状为倾向151°、倾角60°,可近似理解为具一定角度有限延伸的板状低阻高极化体,为证实测区内IP负值的可靠性,采用倾斜铜板水槽实验模拟该区地质环境.铜板长40 cm,宽10 cm,厚1 cm,接收机、发送机仪器及设置与前述水平铜板实验相同,模拟实验相关参数见图 5所示.由倾斜铜板的水槽实验结果 (图 5) 可见,铜板未出露水面,但铜板距水面较近的一端右侧,IP负值现象明显,二次场衰减正常.对比倾斜铜板水槽实验剖面及案例区L490剖面,两条曲线形态大致相似,可以得出这样的结论:在一定地质条件下,近地表处具一定角度有限延伸的板状低阻高极化体能够引起IP负值现象.

图 5 倾斜铜板水槽实验 Figure 5 Water tank modeling of an inclined copperplate
3 甄别IP负值是否可用

水槽实验证明存在IP负值,但是野外地质条件比较复杂,除了近地表的高极化地质体能够引起IP负值外,还有如低阻屏蔽、地形等影响因素.当野外观测出现IP负值时,需要结合地形地质条件及激发极化原理进行具体分析,以甄别IP负值的可靠性.对地供电停止后,必然有二次场的衰减过程,如果观测结果的衰减特征不正常,即证明视极化率数据不可靠.下面以内蒙古商都县境内某案例区激电扫面成果为例,做进一步探讨.

该案例区测线方位角为0°,仪器设置及施工技术参数与上述四子王案例区相同.

该案例区内出露地层主要为 (图 6a):古元古界宝音图岩群浅灰色绢云石英片岩,第四系更新统松散堆积杂色粗砂、砾石,第四系全新统黄褐色砂砾石、砂土.工作区内地形起伏较平缓,宝音图岩群所处地势为微丘,地表多为沙土覆盖仅零星出露风化破碎程度较高的绢云石英片岩,产状近直立.本区供电条件较好,发射电流可达8 A,由图 6b图 6c可见,该区整体激电背景为低阻低极化,宝音图岩群对应位置表现为相对高阻 (ρs=40~50 Ω·m),覆盖区整体表现为低阻 (ρs=20~40 Ω·m);视极化率多表现为点状低值异常且伴有负值出现 (图 6b).

图 6 商都某工区地电平面图 (a) 地质简图; (b) 视极化率等值线平面图; (c) 视电阻率等值线平面图.
1-古元古界宝音图岩群;2-第四系更新统;3-第四系全新统;4-地形线及高程点;5-激电剖面及点线号;6-激电测深点及编号.
Figure 6 Geological and electrical plane of study area in Shangdu (a) Geological sketch map; (b) Contour map of apparent polarizability; (c) Contour map of Apparent resistivity.
1-Palepoterozoic Buyant group; 2-Quaternary Pleistocene Series; 3-Quaternary Holocene Series; 4-Contour lines and elevation points; 5-IP profiles, line numbers and station numbers; 6-IP sounding points.

抽取位于宝音图岩群上的激电110测线 (图 6) 绘制视极化率剖面图 (图 7) 以分析数据质量.

图 7 商都某工区110测线二次场连续采样窗口视极化率剖面图 Figure 7 Apparent polarizability profile of secondary field continuous sampling window for line 110 of study area in Shangdu

图 7可见,视电阻率变化趋势平缓,对应宝音图岩群处视电阻率缓慢抬升,对应第四系覆盖位置视电阻率降低,视电阻率整体表现为低阻 (小于60 Ω·m);视极化率剖面形态表现为锯齿状,剖面末端148~176点呈正负跳跃式变化,通过观察二次场连续采样窗口视极化率剖面图可见:视极化率负值点位数据不符合激发极化过程的二次场衰减特征,因此视极化率负值不具实际意义,应予以剔除.

纵观该案例区电性平面特征,视极化率较低且质量较差,视电阻率整体表现为低阻.因此初步推断,引起区内视极化率正负交替现象的原因可能为低阻屏蔽效应 (席振铢等,2011).为验证这一推断,特在宝音图岩群上布置三个点距为100 m的垂向视电阻率测深点 (图 6a)(强建科等,2004),通过视电阻率反演以查明是否在近地表处存在低阻层 (阮百尧等,1999李兆祥等,2015).

测深采用对称四极装置,最大AB距为1500 m.由图 8a可见,三个测点的测深曲线类型均属HKH型.对三个测深点进行一维视电阻率反演得到电阻率断面图 (图 8b),发现在深部约30~70 m处存在低阻层,电阻率小于30 Ω·m.因此,可以确定该案例区的IP负值现象是由近地表低阻层屏蔽效应引起.

图 8 商都某工区测深成果图 (a) 视电阻率测深曲线类型图; (b) 视电阻率测深反演断面图. Figure 8 Electrical sounding results of study area in Shangdu (a) Curve types of apparent resistivity sounding; (b) Inversion section of apparent resistivity sounding.
4 结论 4.1

视极化率负值现象是存在的,也是激发极化效应的客观反映.结合文中铜板水槽试验及野外实际案例分析,现将引起IP负值的因素总结如下:

(1) 近地表是否存在高极化地质体,以及高极化地质体的产状、规模;

(2) 高极化地质体产生的二次场源与测量电极的空间位置关系;

(3) 由于低阻屏蔽作用产生的假象.

4.2

除去以上因素外,工业游散电流 (许忠祥等,2014),自然电场无规律的变化,电磁耦合效应 (何继善等,2008),以及剧烈的地形切割,均有可能引起IP负值现象.二次场的衰减特征是判定数据质量的重要依据,野外施工如观测到视极化率负值,可依据衰减特征对数据的可靠性进行甄别.

致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持!
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关于时间域激发极化法中视极化率负值的判别和应用
孙仁斌, 汪洋, 楚丽霞, 赵绎钧, 王宁