长剖面高密度电法技术在浅部矿产地质调查中的应用

陈实 李延清 陶鹏飞

摘  要：将高密度电法技术引入到新疆磁海地区某铜多金属矿点详查工作中，应用长剖面测量技术，获取长测线的高分辨率数据。通过对不同数据质量的测量电阻率的反演RMS值进行研究，验证子剖面连接法的可行性;对长剖面数据进行连接的具体流程进行规范化，为实际工作提供重要指引。实践表明，该方法能区分矿区0～180 m深度范围内与成矿有密切关系的下寒武统双鹰山组的电性结构特征，进而指导地表探矿工程的开展，达到浅部间接找矿目的。

关键词：高密度电法;长剖面调查;子剖面连接方法;不同数据质量;区域电性分析

目前，高密度电法技术发展成熟，一次布极可采集多种装置、多种参数下的剖面电性信息，具有效率高、断面信息丰富，可拓展性强等优势，已广泛应用于水工环地质调查、城市地下空间资源调查、资源勘查、工程质量检测等方面[1-3]。矿产地质调查中，需详细划分与矿（化）体有关的地质目标体及与矿体有关的地层（构造）在横向上的变化特征，需布设长测线（≥2 km）便于全面了解勘探区电性分布趋势与规律。多数高密度电法仪器在外业工作中剖面最大长度仅为1 200 m，远远小于测线长度，需布设多个子剖面组合勘探测线下方电性分布情况[4]。子剖面布设过程中，要求相邻子剖面有一定范围数据重叠区。实际测量中，由于两次测量过程中存在仪器稳定性差异、电极接地条件变化、电缆铺设等问题，使重叠区数据存在随机误差。同时，不同子剖面数据质量有明显差异，若每条子剖面独立进行反演解译，会导致反演精度、异常显示形态等不统一，对全区电性认识不够全面客观，给整条测线上的异常统一划分、统一解释带来困难。

本文对高密度电法中长测线测量中子剖面连接方法进行探究，验证子剖面组合后的可行性与有效性，给出长剖面高密度电法数据的处理过程，并在实际浅部金属矿产调查中进行应用，有效划分与成矿有密切关系的下寒武统双鹰山组的电性结构特征，指导地表探矿工程的开展，达到浅部间接找矿目的。

1  方法原理

高密度电阻率法（又称电阻率层析成像法，以下简称高密度电法）的基本理论与传统电阻率法完全相同，是以探测地下目标体与围岩间的导电性差异为基础的一种地球物理勘探方法[5]。工作时将很多电极同时排列在测线上，通过对电极自动转换器的控制，实现电阻率法中不同装置、不同极距的自动组合，从而一次布极可测得多种装置、多种极距情况下多种参数的方法。对取得的多种参数经相应程序的处理和自动反演成像，可快速、准确地给出所测地电断面的地质解释图件，提高电阻率方法的工作效率（图1）。

实际工作中，测点的视电阻率值计算公式为：

[ρs=KΔUI]…（1）

式中，[ΔU]为测量电极间的电位差（单位：mV）;[I]为供电电流（单位：mA）;[K]为装置系数。

高密度电法获取的电阻率剖面由于浅部异常被“放大”，不能准确反映深部异常体的位置，需进行二维反演计算。本次工作使用基于圆滑约束的最小二乘法，方法基于以下方程：

[JT+μFd=JTg]…（2）

其中，[J]为偏导数矩阵，[JT]为[J]的转置矩阵，[μ]为阻尼系数，[d]为模型参数修改矢量，[g]为残差矢量，[F=fxfx'+fzfz']，[fx]为水平平滑滤波因子，[fz]为垂直平滑滤波因子。

反演计算采用基于平滑约束的最小二乘法，这种方法的优点是平面过滤器和阻尼系数能随数据类型自动调整。最优化方法主要是通过调整模型单元体的电阻率值来减小实测视电阻率值与正演计算视电阻率值之间的差异，这种差异的大小用均方根误差衡量。从地质条件来说，最小均方差值时的模型不一定符合实际地质情况[6]。一般情况下可选取迭代后均方误差不再明显变化时的模型做地质解释，通常3～5次迭代计算后，均方差就不再明显变化。

2  长剖面数据处理方法

2.1  子剖面连接方法

当测线较长时，单一高密度电法剖面不能全部覆盖，需布设多个子剖面，每个子剖面独立完成数据采集。在后期数据处理时，需将多个子剖面数据拼接成一个长剖面（图2）。为灵敏反应数据重叠区的异常特征，本文选取计算重叠区各个数据点位的算术平均值为重叠区点位数据[7-8]。长剖面中测点的视电阻率计算公式为：

[ρi=ρ1aρ1a+ρ2b2ρ2bMi=a，i≠bi=a=bi=b，i≠a]…（3）

针对空白区，如不加处理，长剖面反演时软件会自动进行插值处理填补空白区数据。据以往实践经验，反演时，当重复区数据量与空白区数据量比值小于2∶1时，建议对空白区的插值数据进行白化处理，防止深部异常解释错误或遗失深部异常。

2.2   不同数据质量的子剖面组合反演结果

为验证不同数据质量的子剖面连接后反演结果的精确度，需对子剖面和连接长剖面的反演结果进行研究。本文选取3条不同数据质量的子剖面进行连接处理，在数据重叠区中，取对应点位上两次数据的平均值。3条子剖面中，子剖面D1原始数据质量最高;子剖面D2原始数据质量一般，剖面局部受地层中极低阻介质的影响，存在数量约5%的畸变点;子剖面D3原始数据质量较高。

将3组子剖面及组合后的长剖面独立反演计算，对比子剖面和连接后长剖面的反演均方根误差值（RMS值）及反演后异常位置及深度的相对误差，可发现，连接后长剖面反演RMS值与连接前3组子剖面反演RMS值处于同一范围，连接后长剖面反演RMS值不会因连接前某一组子剖面RMS值偏大而出现发散或不收敛，也就是说多组数据进行联合反演能有效压制由局部数据畸变，降低反演RMS误差值（表1）。

为对比子剖面单独反演和长剖面反演的成果差异，首先对3组子剖面数据进行预处理和最小二乘法反演（圖3）。从子剖面成果中可准确划分每一个子剖面对应的测线地质信息，高低阻异常边界明显，但不便于开展异常划分和整剖面电性分析，甚至导致异常划分解译错误。

将反演后的长剖面数据规范化成图，通过长剖面与激电剖面资料进行联合解释，长剖面相比子剖面其异常色调、测线位置、反演精度、图形显示等都达到统一。同时，能更直观和方便地对整条测线上的异常进行对比和圈定，可更全面、更准确地把握勘探区的电性分布趋势（图4）。

通过分析上述实验结果，验证了长剖面高密度电法中子剖面方法的科学性和可行性。为得到精确可信的长剖面数据，野外测量时要根据工作任务和工作效率，合理设计并控制数据重叠区范围，并保证子剖面的数据质量较好[9-10]。

2.3  长剖面数据处理流程规范化

综合上述对比分析，本文给出了高密度电法长剖面的数据处理流程：①据探测任务要求，合理高效的布设子剖面长度，控制数据重叠区的范围，随后独立采集各个子剖面数据;②修改各子剖面首电极位置，拼接子剖面形成长剖面数据文件，取重叠区数据均值;③拼接后的长剖面数据利用软件（如Res2dinv） 进行反演，对无原始数据区进行白化;④结合地质及钻孔资料，对长剖面反演模型电阻率断面进行地质解译工作。

3  实例应用分析

3.1  矿区概况

本次高密度电法调查主要目的是根据地表矿点与矿化（蚀变）带特征，查明矿点附近主要含矿地层的电性特征，详细划分成矿有利部位，进而指导地表探矿工程工作。

本文中铜多金属矿点位于新疆哈密磁海地区。构造上属红柳河向斜南翼，距北侧红柳河断裂较近，受红柳河断裂影响，次级断裂较发育，地层变形较强，调查区内除下志留统黑尖山组外，其余地层均北倾。断裂主要分为两类，红柳河次级断裂和平头山组次级断裂，平头山组断裂主要为后期断裂，断裂总体可分为两期，早期断裂走向280°～300°，被后期30°～50°断裂所切割，个别断裂延伸较远，延伸至双鹰山地层中，对成矿具富集作用。调查区内地层岩性从老到新依次为：蓟县系平头山岩组、下寒武统双鹰山组、下志留统黑尖山组第三岩性段、上志留统—下泥盆统阿尔皮什麦布拉克组、下二叠统红柳河组b段岩性、第四系全新统统冲洪积物。矿点附近发育有数条石英脉，脉体宽0.5～2 m，局部达5 m，长10～50 m，个别延伸较长。脉体走向沿构造线方向，为NEE向，主要分布于下志留统黑尖山地层中，地表露头呈白色脉状，部分抗风化较强，呈孤包状不连续出露（图5）。

3.2  数据采集

采集仪器使用重庆奔腾数控仪器厂研制的WGMD-9超级高密度电法系统，使用斯伦贝谢装置测量。在采集剖面数据前，对所有电极浇注盐水，并测量各电极的接地电阻，所有电极接地电阻小于1 kΩ，保证采集数据的准确性和稳定性。结合任务要求，测线总长2 000 m，共布设2条子剖面，每条子剖面电极道数为120道，电极间距10 m，数据重叠区范围为800～1 200 m，并对空白区无数据区进行了白化处理。

3.3  应用效果

剖面解译中，始终遵循由已知到未知的原则，结合地表岩性特征，对长剖面高密度电法剖面进行详细解译，解译深度控制在0～180 m。据高密度电阻率法的探测结果（图6-b），可得到矿区双鹰山组、花岗闪长岩体、矿体的电阻率特征，可重新推断隐伏地质单元的分布情况。结合同剖面的激电工作成果分析可知，在测线0～900 m范围内地层均表现为高电阻率（≥100 Ω·m）、中低极化率（≤3%）特征，推测为黑尖山组;测线方向900～1 050 m及1 300～1 830 m，标高1 370～1 275 m表现为低阻高极化特征，且此区域原始数据畸变点较多，推断为双鹰山组含碳质地层，局部数据质量受到碳质层的影响而降低，但未能明显影响整体数据质量。同剖面重点区段，还开展了瞬变电磁测深工作，其中在测线1 440～1 750 m段内，存在明显的高感应电动势异常区，推断产生原因与高密度电法剖面中的低阻异常一致。结合本区地质条件分析，目标地层普遍存在有碳质，故形成大片的低阻异常区。

据上述综合物探工作，在测线1 450 m处布设钻孔ZK0001，目标为揭示高密度电法剖面中1 450 m处低阻异常的产生原因。该孔为斜孔，倾角为15°，施工孔深255 m，在孔深31.1～48.8 m间见3层铜钴矿层。从钻孔资料可知，该铜钴矿层位于双鹰山组（碳质硅质岩、硅质板岩、石英岩）与平头山组（白云岩、大理岩）的接触带上，同时也对应于电阻率断面图中低阻与次高阻的过渡带位置。

由此可见，在本地区的未知区域开展找矿工作时，建议利用长剖面高密度电法技术，同时辅助开展大比例尺激电剖面及高精度重力工作，精细查明具有极低阻电性特征的双鹰山组地层分布范围，寻找高低阻过渡区域中赋存的“界面型”铜多金属矿体，从而达到间接找矿的目的。

4  结论

本文通过分析长剖面高密度电法中子剖面数据连接方法及反演数据质量，结合新疆磁海某铜多金属矿点中的地质调查工作，得到了以下认识：

（1）对于子剖面连接过程中的重叠区数据，取两次测量数据的平均值具可行性和有效性;对于数据空白区建议进行白化处理，避免影响地质解译成果。总结了长剖面的数据处理方法，指导和规范了实际工作。

（2）不同数据质量子剖面连接后的长剖面，在反演中不会因连接前子剖面RMS值偏大而出现发散或不收敛，也就是说数据质量较差时对长测线多剖面连接处理仍然能得到与子剖面质量相近的反演结果。

（3）通过具体应用实例表明，长剖面的高密度电法剖面能更加直观、全面的分析长测线范围内的地层电性变化趋势和异常分布特征，有利于控制子剖面测量边界的异常形态，在实际应用中取得了良好的效果。因此，长剖面高密度电法技術在浅部地质矿产详查工作中具有一定的应用空间。

致谢：感谢新疆地质调查院物探分队的数据采集工作支持和各位审稿专家对本文提出的宝贵意见和建议。

参考文献

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[10]  李小彬，胡美艳，骆淼，等.高密度电法长测线多剖面数据连接及应用实例[J].地球物理学进展，2007，32（4）：1791-1797.

Abstract： In this paper， the high density resistivity method is introduced into the detailed survey of a copper polymetallic ore site in the cihai area of Xinjiang， and the high resolution data of long survey lines are obtained by using the long-section survey technology. The feasibility of sub-section connection method is verified by studying the RMS value of resistivity measurement with different data quality. The specific process of long-section is standardized， which provides important guidance for practical work. The practical application shows that the method can distinguish the electrical structural characteristics of the Shuangyingshan Formation of Lower Cambrian， which is closely related to mineralization in the depth range of 0-180m in the mining area， and then guide the development of surface prospecting engineering to achieve the goal of shallow indirect prospecting. The application results show that the method is effective in the exploration of non-ferrous metal deposits and can meet the requirements of detailed exploration of non-ferrous metal deposits.

KeyWords：High density resistivity method;Long-section survey;Subsection connection method; Different data quality; Regional electricity analysis