物探新方法—双二极垂直极化法原理与装置特点

2016年第35卷第4期502〜507页云南地质CN53-1041/P ISSN1004-1885
物探新方法一双二极垂直极化法原理与装置特点
樊伟宏，马建华，许为民
(云南伟力达地球物理勘测有限公司，云南昆明，650217)
摘要：以直流激发极化法为主的电法勘探在寻找硫化多金属矿床中具有不可替代的作用，但由于提髙 勘探深度存在困难，限制了方法特别是勘查深部矿产的应用。

本文提出并论述双二极垂直极化法的原理与
特点。

关键词：电法勘探；双二极垂直极化；装置形式
中图分类号：P631.3+2 文献标识码：A文章编号：1004-1885 (2016) 4-502-6
目前，激发极化法是寻找硫化多金属矿应用最广泛、找矿效果最显著的直流电法。

随着地质找矿勘查 工作的不断深入，物探工作的重点逐渐转向深部找矿，特别是危机矿山。

要提高直流电法的勘探深度，增 强深部的电流密度，就必须加大供电极距。

实践证明，这在勘查工作中存在诸多困难，并且，当电极距增 加到一定长度时，电流密度趋于饱和，勘探深度不再提高。

为此，在研究电法勘探的理论基础上，本文提 出了双二极垂直极化法，它能够有效增强深部的电流密度，提高电法勘探深度。

1方法原理
电法勘探的理论表明，在常用的电法勘探装置条件下，地下电流场的分布遵循“能量最小”原理，即电流主要集中分布在供电极连线附近不太深的范围内。

一般情况下，在供电电流强度不变时，深部电流 密度会随着供电电极距的加大而逐渐增加，深部地质体的电信号不断加强，表明勘探深度也相应加大。

这 种深部信号的强弱与其电流密度的关系给人们启发，当通过改变或一定程度调整装置条件，使地下电流场 的性质和分布状态发生变化，从而达到使某一深度或以下深度的电流密度获得提高，增强来自深部的地质 信息。

我们知道，电流密度为矢量，具有大小和方向，同一性质的电流具有相互排斥的特性。

当多个同性电 极采用某种形式组合进行供电时，由于电流密度的矢量性，随着深度的变化，其矢量之和将会增大或减 小。

若供电电极的排列方式发生改变时，电流密度矢量的增大或减小的特征也会随之改变，因此，通过调 整电极排列形式就可以改变某一深度的电流分布状态及电流密度值，达到压制或增强不同深度信号的 目的。

根据这一原理，采用如图1所示的装置形式：
收稿日期：2016-07-18
作者简介：樊伟宏（1957〜），男，云南省昆明市人，物探高级工程师，长期从事地质-物探勘查找矿工作
樊伟宏等：物探新方法一双二极垂直极化法原理与装置特点503
4期图1
双二极垂直极化法装置示意图
Fig 1. Sketch Map of Dual Bipolar Vertical Polarization Method Equipment
A i、A2、A 'l 、A '2为对称的同性正电极，其异性电极置于无穷远；I i、I2、I 'l 、r 2为供电电流强度，
观测M 点的电位。

由图1可知，当I ^I 'i ，〗2=I '2时，M 点地下（均匀半无限空间）任意深度的电流密度矢量是垂直向 下的，有Jh=Jhl+Jh 2,因而具有较强的穿透水平低阻层的能力。

设A ^
A '^L ，A2M = A '2M =1，且^ = m ，称为装置比例系数
Ii +I 'i ^I ，I2+I '2 = i ，且I =n ;称为电流比例系数
由此，得到上述四个点电源在M 点产生的电位为：
f T T ' T I 'I ' I I '丄1 丄2 丄2
+---+
ps 2n ^ A 1M 'A 1M 'A2M 'A2M ^.PS f I + i I sn ^ L I 0
=
u
2nLv m 0
同理，M 点下方h 深度的电流密度值为
h
J h
2n Ih
(L2+h2)2/2 (l2+h2)2
2nL31+
n r f h ^212/2r 2 ⑴2-2/21+1 1
m2 +1 — I L V l 0」L V L 0」
_ I ^h _2nL2 L
当装置和供电电流确定后
1 n 丄[k d i
2/2r 2+f h 〕21L V L 0」2/2
2nL
为一常数，令其为K ，
则
504云 南地质35卷
j ，k
-
l
1
1
n
r f h ^212/2r 2 f h Y l
2/2i +l 1L l l 0」L l L 0」
卜⑵由（2)式可知，M 点下h 深度的电流密度值不仅与h /L 有关，而且还与装置的比例系数（m 、n )，
即供电装置和供电条件有关，取不同的m、n 值，可得到一系列电流密度参数J h /K 随深度参数h /L 变化 的曲线族（为说明问题，仅选取m = 0. 5和n = 0. 5两支曲线族，图2、图3)。

图2
电流密度随深度变化曲线簇（一）
Fig 2. Variation Curve Bundle of Electric Current Density Following Depth (1)
图3
电流密度随深度变化曲线簇（二）
Fig 3. Variation Curve Bundle of Electric Current Density Following Depth (2)
2
装置特点
分析图2、图3曲线族，
可获得以下结果。

4期 樊伟宏等：物探新方法一双二极垂直极化法原理与装置特点505
(1)当h= 0或h«l,电流密度为零，表明地表没有电信号产生，电流密度主要分布在h深度以下, M点观测到的电位异常值完全由地下h深度附近的地质体引起。

改变或适当增大1值，就能压制h深度上 部不均匀地质体产生的干扰。

(2)随着深度h的增加，电流密度曲线迅速上升，上升的速度与参数m、n有关，当曲线上升到某一 深度H〇时，电流密度取得极大值，即位于H〇附近的地质体产生的电信号最大。

H〇为最佳勘查深度。

(3) H〇的值与与参数m、n选择有关，H〇与m成正比，与n成反比。

因此，根据物探勘查地目标深 度，通过选择不同的m、n组合，就能够确定最佳勘查深度H〇,使得该深度及其附近的地质体信号最强，达到定深度勘查的目的。

(4)在H0附近，电流密度极大值_^同样也与参数m、n选择有关。

JH与n成正比，与m成反比。

图2、图3表明，当m与n选定某些组合时，JH/K>1,即JH>K。

而K= I/2n L,为常规四极装置（AMNB)在供电电流为I、AB/2 = L时观测到的电流密度，也即常规四极装置的最大电流密度。

J h>K表明图1所示装置具有常规四极装置不可能有特点，即深部的电流密度大于地表电流密度，这 对于获取深部信息，压制浅部干扰，减小发送功率无疑具有现实意义。

(5)观察m确定而n选取不同值的曲线变化规律，可以发现n值越大，曲线变化梯度越大，即曲线 越尖锐，在曲线极值点（H。

）附近电流密度最大，电流主要分布在H〇附近的一个空间区域内。

离开这个 深度，电流密度迅速下降。

这就为实现在某个深度范围或目标层进行定深度勘探提供了技术路径。

综上所述，电流密度J h/K、最佳勘探深度H〇/L与装置比例参数m、n密切相关，为方便使用，将三 者关系计算列表1。

表1双二级垂直极化法装置参数与最佳勘探深度关系表
Tab 1. Relationship between Parameter of Dual Bipolar Vertical
Polarization Method Equipment and Best Exploration Depth
0. 10.20.30.40.50.60.70.80.9
0.1
3.920 1.1060.6560.5460.5040.4770.4580.4430.432 0.07520.1600.3000.4850.5800.6300.6650.6850.700
0.27.768 2.065 1.0680.7630.6410.5750.5320.5020.479 0.0710.1500.2500.3800.5000.5800.6350.6700.695
0.311.617 3.026 1.4910.9940.7850.6760.6080.5610.527 0.0710.1450.2350.3460.4600.5500.6150.6600.690
0.415.466 3.988 1.916 1.2290.9330.7790.6850.6210.574 0.0710.1450.2280.3300.4350.5250.5950.6450.680
0.519.315 4.950 2.342 1.467 1.0830.8830.7610.6800.621 0.0710.1450.2250.3200.4200.5100.5850.6400.680
0.623.164 5.911 2.769 1.705 1.2350.9870.8390.7400.669 0.0710.1450.2220.3150.4100.5000.5750.6300.675
0.727.013 6.874 3.196 1.944 1.387 1.0930.9160.7990.716 0.0710.1430.2200.3100.4000.4900.5650.6250.670
0.830.8627.835 3.623 2.184 1.539 1.1980.9940.8590.764 0.0710.1450.2200.3050.3950.4860.5600.6250.670
0.934.7118.797 4.0517.424 1.692 1.304 1.0720.9190.811 0.0710.1450.2200.3050.3900.4750.5500.6200.670
1.038.5609.759 4.478
2.664 1.845 1.410 1.1500.979 6.859 0.0710.1450.2200.3000.3850.4750.5500.6150.665
506云 南地质35卷
求取H 〇值可采用两种方法，一是解析法，将⑵式对h 求一阶偏微分d Jh /d h 并令其为零，即可解得
H 。

，但d J h / d h = 0系高次方程，无直接代数解，其解不能用系数的代数式表达；二是直接从表1中
查取。

表1列出了不同的m 、n 值所对应的J h /K 及H 〇/L 值。

当装置和供电电流确定后，根据m 、n 取值即 可查到相应的H 〇/L 值，乘以L 即可得到最佳勘探深度H 〇,同样的方法可以得到H 〇深度的电流密度极大值J h 。

当需要详细了解某一深度h 处的地电分布情况时，应用表1即可获得必要的装置参数。

例如，欲使埋 深200m 处地质体电信号最大时，由表1中取m = 0.4、n = 0.2可查得H 0/L 值为0.38，因而电极距L = 200/0. 38«500m，l = mL = 0.4x 500«200m 。

当然，也可取另一组 m 、n ，例如取 m = 0. 8、n = 0.6，则对应 的 H0/L 值为 0.63，电极距 L = 200/0.63«300m，l = mL = 0. 8x 300«250m 。

3野外工作方法
由上述方法原理，双二极垂直极化法可采用剖面和测深两种装置方式。

当保持电极距L 、l 不变、沿
剖面进行观测即为剖面法；当固定M 极于某一点而相对改变电极距L 、1、或同时改变L 与l 进行观测则 为测深法。

3.1电阻率的一般表达式
根据电法勘探理论，对于半无限空间平面上任意点M ，双二极垂直极化法电阻率表达式为：
PS=K ^
(3)
其中，U —M 点的一次场电位。

I —A ,极与极供电电流之和，即1 = 1,+：!'K 一双二极垂直极化法装置系数。

即，
3. 2视电阻率Ps 、视极化率n s 表达式
对于双二极垂直极化法的实际应用，不仅可以在野外进行实地观测，还可以对以往的单二极（聚焦
垂直极化）或激电测深资料进行改算。

因此，需要推导用于改算的视电阻率、视极化率表达式。

假定在图1装置条件下，分别观测得到A ,极与A \极、A2极与A 、在M 点产生的电位，并计算求得 相应的视电阻率值pA |A 〃及pA 2A \
根据电场的叠加原理，M 点电位总和为
(5)
比较（1)式和（6)式，得视电阻率的表达式:
&
+—P A ，2| ⑵
若把（6)式看作是四个同性电极在M 点产生的一次场电位:
v ,=
i A、+ n pA 2叫
(8)
m 0
根据“等效电阻率法”的原理，M 点的总场电位为
(9)式与（8)式相减，得二次场电位:
(9)
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'Ps'A，1 •Ps'A，1n P s2A，2 •P A2A，2、
2nL l-n n A i A,i
(10)
根据极化率定义，由（10)式比（9)式，得极化率表达式：
1_n A1A'1
T T p A|A、•n A|A、+l p A，2•n A，2
U2___________m____________1_n A；A2
n s
u总
p A|A,|+ %A21_n? 1_n?
由于n^kns42'4、1,故7_^^:
pA|A,l.n A|A,l+ pA2A,2.n A2 =1,因而视极化率表达式近似为ns
p A|A，|+ p A
(11)
利用（7)式和（11)式，即可对以往单二级资料进行改算，从而获得一种新的电法资料一一双二极 垂直极化法结果，因而，既有利于野外测量的方便，又扩大了以往资料的利用程度。

4结语
本文论述的双二极垂直极化法是基于直流电法理论而推导出的一种新的电法勘探方法。

通过有选择地 调节装置及供电比例参数m、n值，可以强化深部的电流密度、压制浅部干扰，达到提高勘查深度的目 的。

同时，根据勘探的目标层埋深，获得不同的最佳勘探深度，有利于异常的发现和解释，实现定深度勘 查的目标。

参考文献
[1]樊伟宏，陈宇同.一种提高电法勘探深度的新方法一双二极垂直极化法[R].云南地球物理文集，1992.
[2]李金铭.地电场与电法勘探[M].北京：中国地质出版社，2005.
THE NEW GEOPHYSICAL EXPLORATION METHOD THE
PRINCIPLE AND EQUIPMENT FEATURE OF DUAL
BIPOLAR VERTICAL POLARIZATION METHOD
FAN Wei_hong，MA Jian_hua，XU Wei_min
(Yunnan Weilida Geophysical Exploration Company(L td)，Kunming650217)
Abstract ：The electric exploration mainly the direct current induced polarization method has the non_fungible role in the prospecting ol multimetallic sulfide deposit.Nevertheless，the use ol method is limited，especially in the exploration ol deep ore deposit，because the increase ol exploration depth is difficult.In this paper，we put forward and interpret the principle and feature ol dual bipolar vertical polarization method.
Key Words：Electric Exploration；Dual Bipolar Vertical Polarization；Equipment Form。