电阻率剖面法的野外工作方法

如题所述

(一)确定任务

正确确定工作任务是保证工作顺利进行和取得显著效果的重要环节。为此必须具备一定的地质条件和地球物理前提,这些条件和前提是:

1)被探测的地质体与围岩的电阻率有较大的差异。

2)被探测的地质体相对于埋藏深度具有一定的规模。

3)被探测的地质体的异常应能从各干扰体的异常背景中区分显示出来。

4)浮土电阻率很低(如沼泽、稻田区)、厚度又很大的地区或地表接地电阻过大(如冻土层厚度大于1~2m及地表为砾岩掩盖)的地区,不利于开展电阻率剖面法工作。

此外,由于单一方法的多解性,应考虑使用多种电参数和综合物化探工作共同完成任务。

(二)测区范围、测网与比例尺

根据任务书的要求及工区的地质、矿产和过去物探工作等情况,合理地确定测区范围。测区范围应包括整个被探测对象可能存在的地段,应保证探测结果轮廓完整,其周围应包括一定面积的“正常”地段。同时要照顾到测区边界整齐规则。如果测区边缘发现异常时,应根据需要扩大测区,将异常追索完整。

测线的方向应垂直被探测地质体的主要走向。如成矿受构造控制,测线应垂直构造的走向;成矿受岩性的控制,则应垂直岩层走向。当发现的异常走向与测线交角小于90°过多时,应垂直异常走向布置补充工作。

测网密度由被探测地质体的大小、埋深和工作性质来确定。普查时,至少要有1~2条测线穿过异常,每条测线上至少有3~5个测点在异常区;详查时,至少应有3~5条测线、每条测线上至少有5~10个测点穿过异常;精测工作的测网密度要求是,当再加密点线距时,异常基本特征不变。在野外施工中发现异常时,操作员应根据情况及时加点、加线,以了解异常基本形态。

测网密度和比例尺说明物探工作的详细程度。一般将测线的实际距离缩小为图上1cm,此缩小倍数即为相应的比例尺,因此物探图上线距都是1cm。

表4-3中列举的是常用的工作比例尺和相应的测网密度。

表4-3 电剖面法的工作比例尺及测网

测网的敷设均在电法测量开始前进行,通常以较高精度的基线控制测区和测线,测线和测点要进行编号,编号的顺序为:从南至北和从西至东均为小号到大号排列。为了保证绘图准确,基线应与附近国家三角点联测。电阻率法具体对测量精度的要求如下。

(1)测点平面位置的要求

测点平面位置存在误差时,展在图上后将使按测点绘制的物探曲线以及地质体形态产生畸变,与实际不符;而且物探图与地形图、地质图综合时将发生位移,因此规范规定,测点位置在图上最大误差为2mm。

(2)相邻点距和电极排列方式的精度要求

相邻点距和电极排列方向的误差,影响各电极之间的距离和方向,也即影响ΔU和K值。但计算ρs时,K值采用无误差的标准值,于是计算出ρs带有误差,从而使ρs曲线带有假象,因此敷设测点必须满足一定的精度要求。

规范规定:当点距小于或等于10m时,相邻点的测定极限误差不超过6%;当点距大于10m时,相邻点距的测定极限误差不超过4%,A、B、M、N应排列在一条直线上,方向差不超过±5°。

(三)电极距的选择

我们知道,勘探深度与电极距的大小有关,对于埋藏深度一定的勘探对象,若采用电极距过小,则电流探测不到目标体,因此视电阻率也就不能反映所勘探的地质体;相反,若采用的电极距过大,虽然探测深度加大但对不同地质体不一定得到最明显的异常(有些形状的地质体存在最佳极距),布置大极距工作时所需的装备也笨重,工效低,成本高,因此合理选择电极距是电剖面法野外工作的重要问题。

1.对称四极剖面法极距的选择

实际工作中常用的数据如下:

AB≥(4~6)H (4-23)

普通物探

其中H为矿顶埋深。

在电剖面法中通常取MN大小与点距相等。

复合四极剖面法中,小极距AB主要反映浅部地质情况,大极距反映深部情况,两者的比值在两倍以上。

2.联合剖面法极距的选择

对于联合剖面法的极距有供电电极距AO、BO(无穷远∞);测量电极距MN。

一般对AO的选择,主要考虑勘探对象的形状和顶部埋深的大小。对自然条件下遇到最多的脉状矿体,为得到比较明显的异常,就得选择最合适的极距(称最佳极距),通过实验得出AO的大小应等于或大于3倍矿顶埋深,即:

AO≥3H(H为矿顶埋深) (4-25)

大量模拟实验还发现,对薄板状良导性矿体而言,只有在某一特定最佳极距时,才能观测到最明显的异常,比这一特定最佳电极距小或大均会使异常变得不明显,这个最佳极距为:

普通物探

式中:L为矿体沿走向的长度;d为矿脉向下延伸的长度。

如果邻近有不均匀体,还应使:

普通物探

式中:P为矿体与不均匀体之间的距离。

在实际工作中,一般不知矿体的埋深和矿体的规模,因此必须要在开工前在地质条件好的地段做一些试验剖面,用不同的AO进行观测,选择产生明显异常的AO作为供电极距。

当需要寻找的脉状体产状和大小不清时,可以选择两三个极距工作,各极距大小成倍增加,即A′O=2AO,A″O=4AO。

对无穷远极的选择,一般取

OC>(5~10)OA最大 (4-28)

最好沿垂直测线方向布置C(∞)极。

对测量电极MN的选择,主要考虑,MN选择若过小,则ΔU势必变得很小,不易准确观测;若MN选得过大,观测容易,但由于MN更靠近AB极,会影响勘探深度,也会降低分辨能力。所以一般选择

普通物探

通常MN等于测点距。

3.中间梯度法电极距的选择

在保证观测质量可靠的前提下,供电电极距AB应尽可能大,测量电极距

普通物探

理由如下:AB越大,电流分布越深越广,AB中部近似均匀的正常场范围就加深加大,有利于异常幅度加大,也使观测范围扩大。这样不但使异常显示更明显,而且可以减少转移排列的次数,提高质量与效率。但是随着AB的加大,ΔU读数减小,造成观测的困难,又影响质量和效率。故选取极距时,还要使ΔU>20ΔU干扰,以保证观测质量。

(四)野外观测及记录要求

电阻率法的野外工作观测比较简单,在每个测点上,观测MN之间的电位差ΔU和供电电流I,根据公式ρs=

即可算出该点的视电阻率值。在观测ΔU之前要进行极化补偿,以消除干扰电位差的影响,在观测电流之前,把选择开关打到“电流”挡,在小测程用“零调”把指针调到零的位置,以保证观测电流值的准确。

野外常把观测站布置在能控制最多观测线和观测点的地方,一般布置在测线中部,并且通行查线方便、避风防晒、视野开阔、比较干燥的地方。

当测站布置好之后,首先应检查仪器的电源电压是否符合规定,再检查所有外线路连接是否正确,确认无误后再接上供电电源,进行正式观测。记录员要注意听取操作员读数,并要复诵一遍,然后记录。及时计算和绘制草图,如发现有突变点应及时通知操作员进行重复观测。当两次观测结果相对误差大于5%时,要及时查明原因加以消除,当曲线变化很大或异常不够完整时,应立即加密测点或延长测线,直至得到完整异常为止。使用有存储功能、不需要记录的仪器,必须能逐点及时打印(或读出)数据,以便了解是否需要重复观测或对异常畸变做现场处理。

记录员在记录时,各栏应认真填写。如发生错误时不得涂改,只许划改,并注明原因。对重复观测的结果,都要认真重复记录下来,不得在原来记录基础上涂改。两次观测结果误差要小于5%,认为结果正确,取两次观测结果的平均值绘制草图。记录本不得撕页,字迹要清晰、整洁。每日工作结束后,操作员、记录员要签名以示负责。草图绘制要准确、清晰,并注明工区、点线号、比例尺、剖面方位、电极排列方式和观测日期。

(五)质量检查及精度要求

原始资料的准确性是取得良好地质效果的重要前提。原始资料不可靠,就无法作出正确的分析和解释。所以在野外要作一定的检查观测,以衡量工作质量。

了解原始资料的准确性,可通过重复观测及系统检查观测两种方式进行。前者是操作员在作野外基本观测的过程中,发现读数过小点、可疑点、突变点等情况,自己决定进行的,视工作需要而定,无一定的比例数规定。这种检查是在相同工作条件下的等精度重复测量。通过多次观测并取平均值的办法,保证该点的观测值达到一定的精度。后者是根据工作情况、工作成果,在一个阶段内,为评价某测区总体工作质量而进行的独立检查观测(不同日期、不同操作员),其工作量不应少于总工作量的5%,检查点应较均匀地分布在全测区,有异常的地段要重点检查。

两种检查观测的要求如下。

1.重复观测

在采用改变供电电极接地条件或改变供电电源电压的办法,改变供电电流强度25%以上时需进行重复观测。重复观测的精度,按“相对误差”(δ)计算,即

普通物探

式中:ρs为原始观测的视电阻率值;ρ′s为重复观测的视电阻率值。

两次观测的相对误差δ<5%,认为是合格的。

两次观测不合格时,如有一次极距跑错,则作废之;如是同点位重复观测超差时,则应进行多次重复,并按二比一原则取数,参加平均的n次读数按以下公式衡量精度:

普通物探

2.系统检查观测

系统检查观测一般按照“均方相对误差”(M)衡量精度:

普通物探

式中:Δρsi为某一检查点上原始观测与检查观测的视电阻率差,即Δρsisi-ρ′si;ρsi为检查观测与原始观测视电阻率的算术平均值,即

;n为检查观测的总点数。

均方相对误差M<4%时,认为质量是可靠的。个别点“相对误差”最大的不超过“均方相对误差”的3倍。相对误差超过均方相对误差的点数,不得超过总检查点数的三分之一。

当遇到系统检查观测与原始观测曲线形态一致,但存在明显的系统误差时,应查明原因后(例如,地表及浅部温度变化、仪器性能改变等),允许在进行系统误差校正后,再进行均方相对误差或相对误差的计算。

当评价某工区工作质量时,除观测精度之外,还应考虑最小电位差小于0.5mV的工作量不得超过总工作量的10%;观测读数时,指针偏转是否超过满偏度的

及仪器性能是否稳定等因素。

(六)野外常见的干扰及其克服

电阻率法中观测人工供电在M、N极间产生的电位差。然而在两测量电极间还会有天然的、随时间而变化的电位差,有时构成不可忽视的干扰。为此要研究各种干扰的性质,掌握其规律。

1.极化不稳

当金属电极与土壤中的水溶液接触时,电极本身就会具有一定的“电极电位”。电极电位不但与金属的成分有关,还与溶液的成分、浓度和温度等因素有关。

测量电位差时,采用两个测量电极M和N。由于电极表面氧化和通过电流时电镀产物的不同,及电极周围溶液中离子的成分复杂和分布不均匀等,导致M和N的电极电位不同,形成了“极化电位差”。

当某电极的上述因素有变化时,它的电极电位发生变化,引起了极化电位差随时间而变化,简称“极化不稳”。极化不稳的通常表现是:仪器的指针匀速地向一个方向移动。

采用化学性质稳定的金属作测量电极,可以减小极化不稳的现象,如采用铅电极就优于铜电极,而铁电极或铝合金电极极化非常不稳定,不宜于用作测量电极。

采用“不极化电极”,能够从根本上克服极化不稳的影响,不极化电极的构造见图4-30,它由纯铜棒浸入饱和的纯硫酸铜溶液中组成,溶液通过素烧瓷杯壁的孔隙与土壤中溶液相连通,靠离子导电。这样,当CuSO4溶液还很纯净、铜棒尚未氧化时,由于没有其他离子和杂质的影响,铜棒的电极电位始终保持稳定,两个电极间就没有极化电位差,故称为“不极化电极”。

图4-30 不极化电极的结构

1—素瓷罐;2—胶木塞;3—铜棒;4—胶木环;5—密封胶;6—插孔;7—橡皮垫;8—涂釉层

实际上绝对的纯铜棒是没有的,只有制作时精心注意,才能使极化电位差很小而且稳定,使用时要保持不极化电极的清洁,防止暴晒,收工后要洗净并置于干净的CuSO4溶液中。使用一段时间后,瓷杯中溶液减少,铜棒氧化,会导致极化不稳,就应重新制作。

不极化电极的溶液渗漏太快,会在周围土壤中引起过滤渗透电位,也会造成极化不稳,这种情况下,就应更换瓷杯。

电极打在流水或植物中,都易造成极化不稳,应该避免。

电极受震,或潮湿草叶因风吹动而接触测量电极的金属部分,会造成极化电位差无规律的改变,表现在仪器指针作无规律地摆动,也要善于判断和消除。

通过测量电极打电话后,会造成一段时间内极化不稳,因此应测量完毕再给后面的电极打电话,时间力求短暂。若仍对观测电位差有影响,则应专设一传呼电话。

凡遇极化不稳,一方面要分析原因,采取措施,消除或减小极化不稳;另一方面是加大ΔU数值,使之超过干扰水平20倍以上,则干扰造成的误差就小于5%了。

2.大地电流和游散电流的干扰

(1)大地电流

大地电流是存在于地壳中的一种随时间变化的电流,它随太阳的辐射强度和大气圈电离层的状况而变化,因而时大时小。然而在某一时间,在几百平方千米范围内基本保持同一方向,在两极和赤道地带,主要是东西方向,在中纬度地带,则主要与南北向成30°~45°角。

大地电流的电流密度虽然很微弱,但在MN距离很长时,也能观测到它的存在,使仪器指针作无规律的摆动,通常它产生的电位差为每千米零点几到十几毫伏,但强烈磁暴时可达到几十毫伏,它的周期很复杂,短周期为零点几秒、几秒到几分钟。中等周期为一天(中午最强、夜里弱)。长的周期为一年(夏季强、冬季弱)和11年(太阳黑子活动的长周期)。

根据上述规律,不难找到减小其影响的方法:

1)在大地电流弱的时间(冬季或避开中午时间)工作。

2)垂直大地电流的主要方向布极(通过实地观测确定此方向),或减小MN的距离。

3)加大供电电流,也即增大ΔU,以压制干扰。

4)进行多次观测,合理取舍读数(根据误差分析规律、按统计方法取数)。

(2)游散电流

在城市、工厂、矿山、电气化铁路等用电量很大的地区,由于接地线的存在,地中有强大的游散电流。在农村,也有变压器、电机、单线照明、有线广播网、电话等用电量小的电器,其接地线也能产生较小的游散电流。

由于用电量的大小和地点的变化,使得游散电流的电流密度大小和方向随时发生变化,其分布比大地电流更杂乱,尽管如此,对于某一具体地区,仍然可以找出其具体的规律。一般对于一定的用电场所,靠近接地点处游散电流的电流密度非常大,远离则减小,其分布范围与游散电流回路形式和大小有关(有的可视为偶极电源,有的可视为点电极,有的则可视为不等位的线电极),大者可达数十千米,小者仅数十米。这些用电场所,有的使用交流电,有的用直流电,有的用脉动电流,各不相同。

电法工作中观测 ΔV时,游散电流的干扰与大地电流相似,使仪器指针无规律地摆动。

减小游散电流影响的方法:

1)在停电或用电量最小的时间进行观测。

2)采用50周滤波器,消除交流成分的干扰。

3)减小MN的距离,或尽量垂直游散电流方向布极(通过实验确定)。

4)加大电法工作的供电电流,提高信噪比。

5)多次读数,合理取数。

3.感应干扰

由电磁感应引起的一类干扰,统称感应干扰。其常见表现是:

1)测量导线摆动:切割地磁场的磁力线,使得测量回路(可视为一个大线圈)内产生感应电动势,造成仪器指针左右摆动。克服办法是:刮风天气测量导线一定要落地铺放,不得悬空或架在庄稼、灌木上。在剖面装置和中梯装置中,把M线和N线双股绞合,可以抗干扰。

2)供电-测量线间的感应:供电回路与测量回路相当于两个线圈,当AB线与MN线很长而且接近时,两个线圈间的互感较大,因此,当供电和断电后的瞬间,在测量线路中产生感应电动势,使仪器指针向右(供电时)或向左(断电时)冲击一下。AB和MN导线越长越靠近,供电电流越大,感应电动势就越大。减小感应的办法是:对于测深装置,铺放线时要使大极距A、B线(

≥100m)距M、N线远些,间距应大于

;对于剖面和梯度装置,采用MN线绞合的方法抗干扰。由于感应电动势只是在通断电后瞬时产生和消失(约为

s),因此观测ΔV时,应避开这段时间。

3)测量导线临近并平行高压或低压输电线有较长距离时,由于50周的交变磁场的感应,使指针抖动,影响读数的准确性。测量导线应平行电讯电缆铺放,当电缆传送信号时,测量线路中产生相应的感应脉冲。减小这些感应的办法同前,或使测量导线垂直穿过输电线,远离后再平行铺放。

以上讲述了各类干扰的特点及我国目前生产使用的各种减小和消除干扰的办法。近年来,随着电子技术的飞速发展,已出现了一些新仪器和方法技术,例如:有的仪器具有自动跟踪极化补偿的性能;有的应用了微处理机,采用多次叠加技术,自动重复读数,直到观测精度达到所要求的误差范围为止。新仪器和新方法技术的采用,大大提高了观测质量和工作效率,但是,在野外工作布置中仍需注意提高信噪比,不允许在干扰很强时,单靠仪器去消除。

(七)漏电

漏电可发生在供电线路(包括电源)、测量线路和仪器等各部位。除仪器和控制面板漏电容易在操作中发现外,其他部位的漏电不经专门检查很难发现,如不注意,将严重影响观测质量。

漏电检查的方法和要求如下:

1)供电导线(包括电源输出引线)及测量导线用兆欧表检查时,其对地的绝缘电阻分别不小于2mΩ和5mΩ。将A或B轮换悬空并供电,通过测量电位差和电流以检查供电导线漏电时(要用干电池当电源),要求其等效漏电值分别小于该点电位差及电流测定值的2%和1%,两者应同时测定。将M和N轮换悬空,AB供电并观测电位差以检查测量导线的漏电,要求其漏电电位差小于该点电位差的2%,当测量导线严重漏电时,还可根据极化电位差的不正常现象判断出来。

2)发电机外壳(或干电池箱)对地的绝缘电阻用兆欧表检查,应大于10mΩ。仪器内外壳间绝缘电阻应大于200mΩ。

3)当发现有不能允许的漏电存在时,则上一次漏电检查后的所有观测数据应作废,待消除漏电后再重新观测。

(八)接地电阻

在野外工作中,电流由电极向岩石分散流出和流回。当电极打在潮湿土壤时,电流就容易流入地下,因此供电回路电流就大,说明电流受阻力小;反之,当电极打入干燥、电阻率高的砂砾岩中,供电就很困难,说明受到的阻力大。我们称电流由电极分散流向岩石这个大导体所受的阻力叫做“接地电阻”。一个电极的接地电阻,是指从这个电极表面到无穷远之间的大地电阻。

以半球形电极为例,通过这种电极向电阻率为ρ 的岩石供电,电流呈辐射状流出,用求点电源电位公式的方法求出半球形电极的接地电阻,如图4-31。

图4-31 半球形电极接地电阻的计算

普通物探

式中:r0为半球形电极半径。

电剖面法工作常用铜质、铁质棒状电极,其接地电阻为:

普通物探

式中:h为电极入土深度;r0为电极半径;ρ为岩石电阻率。

实际上接地电阻要比上两式计算值大得多。因为公式是在电极与岩石紧密接触、没有一点空隙的条件下计算得来的。而实际工作时,电极不可能接触的十分紧密。

由公式(4-34)和(4-35)可知:①当电极半径(r0)大时,接地电阻小;②棒状电极入土深度(h)加大时,接地电阻小;③接地电阻与岩石电阻率成正比。

供电电极接地电阻越大,对电源消耗也越大,例如,当供电电极AB 的接地电阻为100Ω时,要使供电电流强度达到720mA,根据欧姆定律,只要72 V电池一箱就可以。如果AB之间的接地电阻为1000Ω时,供同样电流就需要72 V电池10箱。因此在电法勘探中我们应尽量减小供电电极AB的接地电阻。

为减小电极的接地电阻,关键是减小电极附近的电阻,可采用以下办法:

1)增大电极与岩石接触的表面积,通常是将电极打深一些,并增加电极数目,即采用复合电极的办法,要求各电极间距离大于入土深度的3倍,且保证接触良好,这样每根电极的作用能够充分发挥出来。n根电极并联后,总接地电阻降低为单根的n分之一。

2)如果地表很干燥,可往电极处浇水,来减小关键部分的岩石电阻率。或在不影响电极位置误差的情况下,尽量选择电阻率低的潮湿地方打电极。

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