湯洪志，劉慶成，湯 磊，吳 楠，寧 剛

（東華理工大學(xué)，江西 撫州 344000）

中國正在加大能源結(jié)構(gòu)調(diào)整力度，積極發(fā)展核電、風(fēng)電和太陽能等清潔能源。在目前的技術(shù)條件下，核電是最有前途的、最可依賴的清潔能源之一，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)先選擇是加快發(fā)展核電。但隨著鈾礦找礦難度的增大，采用一、二維電阻率法難以取得好的勘探效果。因此，研究開發(fā)一套探測深度大、分辨率好、工作效率高，且具有自主知識產(chǎn)權(quán)的三維電阻率成像系統(tǒng)對鈾礦等資源勘查將發(fā)揮重要的作用。

自2007年開始，在科技部國際合作項(xiàng)目“鈾礦資源三維電阻率采集系統(tǒng)及成像新技術(shù)研究”的資助下，東華理工大學(xué)與美國勞雷工業(yè)公司合作，開始了三維電阻率采集系統(tǒng)的研發(fā)工作。經(jīng)過3年的努力，于2010年初成功研制出了LQC－Ⅰ型三維電阻率采集系統(tǒng)，次年又推出了改進(jìn)的LQC－Ⅱ型三維電阻率采集系統(tǒng)，并同時推出了ECIT＿RES3D三維電阻率正反演及可視化軟件。LQC－Ⅱ型三維電阻率采集系統(tǒng)的研制成功使三維電阻率法從理論走向?qū)嵱?，為鈾礦資源勘探提供了一種全新的技術(shù)手段。

目前，電阻率采集系統(tǒng)正朝著具有任意電極擴(kuò)展能力的網(wǎng)絡(luò)化、并行高速數(shù)據(jù)采集的三維電阻率采集系統(tǒng)方向發(fā)展。假如將 “直流電法儀＋多路電極轉(zhuǎn)換器”式的高密度電法儀視為第一代，將 “直流電法儀＋嵌入式工控機(jī)＋分布式電極轉(zhuǎn)換”式高密度電法儀視為第四代，那么，LQC－II型三維電阻率采集系統(tǒng)正是三維電阻率采集儀器發(fā)展方向的典型代表，其設(shè)計思路和探測能力已超越了第四代產(chǎn)品的水平，屬于第五代多功能高密度電法影像測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是：采用嵌入式工控機(jī)，大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性；野外實(shí)時顯示電剖面；采用筆記本硬盤存儲數(shù)據(jù)，可以滿足野外長時間施工的工作需求；系統(tǒng)采用視窗化、嵌入式實(shí)時控制與處理軟件，便于野外操作；可實(shí)現(xiàn)多種工作模式的轉(zhuǎn)換；實(shí)現(xiàn)滾動測量和多道、長剖面的連續(xù)測量；計算機(jī)與電測儀一體化，攜帶方便；分布式智能采集器串聯(lián)在一根細(xì)電纜上，地址隨機(jī)分配，在任何位置都可以測量；系統(tǒng)可以做高密度電阻率測量和三維電阻率測量，又可以同時做高密度極化率測量和三維極化率測量[1]。

1 三維電阻率測量工作方法

三維電阻率測量通常是利用一個計算機(jī)控制的多路傳輸系統(tǒng)，大量的電極連接到一根多芯電纜上。連接到電纜中的電極既可作為供電電極，也可作為測量電極。一般電極網(wǎng)格中都使用中等數(shù)量的電極數(shù) （25～100）。為了方便，通常電極按正方形網(wǎng)格排列，x方向和y方向的間隔相等。在三維電阻率測量中比較有名的是E－SCAN三維電阻率測量方法，它采用的是單極－單極裝置 （Pole－Pole array）。其基本思想是將地面上的電極按二維網(wǎng)格布置，每一網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上有一個電極。假設(shè)總共有n個電極，先以其中任一節(jié)點(diǎn)上的電極為供電電極，在其它n－1個電極上測得單極－單極電位值，然后換一個電極為供電電極，做類似的測量，直到第n個電極為供電電極進(jìn)行測量，至此，測量全部完成。整個過程中測量次數(shù)N＝n（n－1）。根據(jù)互換原理，如1號電極供電，10號電極測量與10號電極供電，1號電極測量時所獲得的電阻率理論上應(yīng)相同。這樣測量次數(shù)減半，則N＝n（n－1）／2。所以實(shí)際工作中只需測量高號的電極即可。例如對于5×5的電極網(wǎng)格，需測量300個數(shù)據(jù)點(diǎn)；對于11×11的電極網(wǎng)格，需測量7260個數(shù)據(jù)點(diǎn)。顯然使用單道二維電阻率測量儀測量三維電阻率很費(fèi)時間。例如，若野外工作中布置一個16×16的中等網(wǎng)格，有256根電極，需要進(jìn)行 （256×255）／2＝32640次測量。若每次測量共費(fèi)時6s（包括電位補(bǔ)償、測讀與存儲時間），需連續(xù)測量2天多。為了提高測量效率，同時又不降低數(shù)據(jù)質(zhì)量，有人提出了 “十字－對角線測量”（cross－diagonal survey）技術(shù)[2－3]。只測量與源電極水平、垂直或成45°方向 （對角線）排列的電位電極，這樣數(shù)據(jù)量將大大減少。例如，對16×16的電極網(wǎng)格，使用 “十字－對角線測量”技術(shù)，數(shù)據(jù)量將減少至4358個。在同樣工作條件下，測量時間約7時30分左右，這樣就大大節(jié)約了野外數(shù)據(jù)采集時間。

視電阻率用公式ρs＝2πa△u／I計算，式中：a為供電電極與測量電極之間的距離；△u為觀測電位差；I為供電電流。記錄點(diǎn)在供電電極與測量電極的中點(diǎn)。

2 LQC－Ⅱ型三維電阻率采集系統(tǒng)

由前述可知，三維電阻率測量相比一維、二維采集數(shù)據(jù)量是按幾何級數(shù)增長的，以往單道或少量多道電測儀難當(dāng)此任，要實(shí)現(xiàn)三維電阻率海量數(shù)據(jù)的采集必須有快速的數(shù)據(jù)收錄（采集）系統(tǒng)。LQC－Ⅱ型三維電阻率測量系統(tǒng)最多一次性可布設(shè)16×16電極網(wǎng)格，共256根電極。LQC－Ⅱ型三維電阻率測量系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是采用全通道同時測量方式。如1號電極供電，則2～256號電極同時測量數(shù)據(jù)；2號電極供電，則除2號電極外所有電極同時測量；3號電極供電，則除3號電極外所有電極同時測量，以此類推，直到256號供電為止。

LQC－Ⅱ型三維電阻率測量系統(tǒng)采用分布式設(shè)計，主控機(jī)通過CAN總線控制16臺子站，每個子站連接16個電極，電極狀態(tài) （供電電極或測量電極）由智能電極轉(zhuǎn)換器控制。LQC－Ⅱ型三維電阻率測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

考慮到儀器的輕便、實(shí)用，配置16串電極是合適的。在每一串電極中，相鄰電極間距最大為10m，這樣，每次可一次性布置16×16電極網(wǎng)格。若布置一個規(guī)則的正方形網(wǎng)格，一次最大可覆蓋150m×150m的面積。

圖1 LQC－Ⅱ型三維電阻率測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of LQC－Ⅱ3Dresistivity survey system

3 LQC－Ⅱ型三維電阻率采集系統(tǒng)電極網(wǎng)格布置

LQC－Ⅱ型鈾礦資源勘查三維電阻率采集系統(tǒng)最大只能布置16×16電極網(wǎng)格，覆蓋面積150m×150m，探測深度在100m左右。因此，常規(guī)的電極布置難以滿足勘探要求。在實(shí)際野外工作中，合理的電極布置既可減少使用電極數(shù)量，同時也可以減少野外工作時間。三維電法不同于一維和二維電法，由于高密度采樣使得野外工作量成倍增加。對于大的勘探區(qū)域或較大的勘探深度，現(xiàn)實(shí)的問題是不能無限地增設(shè)電極，供電電流也不能任意加大。同時，還要考慮工作效率，在合理的時間范圍內(nèi)完成工作任務(wù)。

有時探測目標(biāo)為非等軸狀，在某一方向上有一定的延伸，為節(jié)省電極布置，提高工作效率，可布置矩形電極網(wǎng)格。對于延伸更長、埋藏更深的目標(biāo)體，可以使用雙拼式電極布置方式。

當(dāng)勘查范圍較大，需要進(jìn)行大面積的三維電法工作時，可以通過網(wǎng)格移動 （roll along）來實(shí)現(xiàn)面掃描，一般相鄰兩個網(wǎng)格之間至少重疊3～4排電極。

LQC－Ⅱ型三維電阻率采集系統(tǒng)只配置了16個子站，為了加大探測深度，可采用圖2所示的非常規(guī)電極網(wǎng)格布置。這種電極布置將測量電極與供電電極分開或部分分開，大大增加了探測深度，又便于移動。

4 應(yīng)用實(shí)例

圖2 能增加探測深度的非常規(guī)電極網(wǎng)格布置圖Fig.2 Two types of unconventional arrangements that can increase detecting depth

試驗(yàn)地點(diǎn)選在江西省上饒市圭峰鎮(zhèn)曙光農(nóng)場內(nèi)，場地地形平坦，測區(qū)內(nèi)地表大部分為農(nóng)田和菜地，部分有巖石出露。測區(qū)有一個鉆孔資料，根據(jù)鉆孔資料，層序分為3層，從上到下分別為雜填土、粉砂質(zhì)黏土和砂巖。層底深度分別為3.2m、12.3m和100.2m；分層厚度分別為3.2m、9.1m和87.9m。電性參數(shù)：雜填土電阻率為55～300Ω·m；粉砂質(zhì)黏土電阻率為30～90Ω·m；砂巖電阻率為40～120Ω·m。根據(jù)測區(qū)外圍鉆孔資料，100m以下巖性以侏羅系砂巖、頁巖為主，電阻率平均值為70Ω·m。以鉆孔為中心布置16×16電極網(wǎng)格，相鄰電極間距及子站間距均為10.0m。x方向NE60°。采用三維電阻率測量二極 “E－SCAN”電掃描測量方法，共取得三維電阻率數(shù)據(jù)32640個。三維電法反演采用ECIT＿RES3DINV三維電阻率正反演及可視化軟件。

（1）z方向水平電阻率切片

圖3顯示了由淺到深12個垂直z方向 （xy截面）的電阻率水平切片。表層電阻率切片反映了地表電性的不均勻性，當(dāng)深度增加時，巖層電阻率增大，巖層電性均勻。

（2）x方向電阻率縱切片

圖3 z方向水平電阻率 （Ω·m）切片F(xiàn)ig.3 Horizontal resistivity slice in z direction

圖4顯示了垂直x方向 （y－z截面）的15個電阻率縱切片。從圖4可以看出，探測區(qū)內(nèi)，地表覆蓋層厚度、電性不均勻，與現(xiàn)場情況一致。

（3）y方向電阻率縱切片

圖5顯示了垂直y方向 （x－z截面）的15個電阻率縱切片。由于場地內(nèi)電性層單一，只有地表一定深度范圍內(nèi)電性有所變化。y方向15個電阻率縱切片所反映出的地下電阻率與實(shí)際鉆孔資料吻合。

從垂直z方向以及垂直x、y方向的電阻率縱切片可看到，異常反映與鉆孔地質(zhì)剖面和現(xiàn)場情況基本一致。

5 結(jié)語

電法是尋找鈾礦重要且有效的方法手段之一。但基于一維或二維的數(shù)據(jù)采集與解釋方法難以滿足需要，這是由于：實(shí)際工作中的地質(zhì)目標(biāo)多表現(xiàn)為三維電性結(jié)構(gòu)，若僅進(jìn)行一維或二維數(shù)據(jù)采集與反演解釋，不可避免地將會受到三維不均勻體的影響；其次，在尋找埋藏深度和復(fù)雜程度更大的鈾礦床時，要求重構(gòu)地下介質(zhì)詳細(xì)構(gòu)造特征，但由于目標(biāo)體與圍巖電性差異小以及地表干擾等因素，使得異常弱，信噪比低，一維或二維方法難以識別。要解決上述兩個問題，就需要解決如何采集高分辨率的三維電阻率觀測數(shù)據(jù)以及相應(yīng)采集效率和探測深度等問題。LQC－Ⅱ三維電阻率采集系統(tǒng)采用多子站、分布式智能電極設(shè)計思路，實(shí)現(xiàn)了多通道同時快速并行采集，通過16個子站排列組合實(shí)現(xiàn)了大深度的勘查要求，推進(jìn)了三維電阻率測量的實(shí)用化進(jìn)程，為我國鈾礦資源勘查提供了新的方法技術(shù)。

圖4 x方向電阻率 （Ω·m）縱切片F(xiàn)ig.4 Vertical resistivity slice in xdirection

圖5 y方向電阻率 （Ω·m）縱切片F(xiàn)ig.5 Vertical resistivity slice in ydirection

[1]湯洪志，劉慶成，尹志勇，等.LQC－I型三維電阻率測量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究 [J].儀器儀表學(xué)報，2011，32 （5）：1057－1062.

[2]張金帶，徐高中，陳安平，等 .我國可地浸砂巖型鈾礦成礦模式初步探討 [J].鈾礦地質(zhì)，2005，21 （3）：139－145.

[3]湯洪志，劉慶成，龔育齡，等 .三維電阻率測量方法試驗(yàn)研究 [J].地質(zhì)與勘探，2003，39（z1）：126－129.

[4]Shore G.E－SCAN Resource Mapping：Multidirectional Electrical Surveys [M].Premier Geophysics Inc.，Richmond，B.C.，Canada.1992.

[5]Loke M.H.，Barker R.D.Practical techniques for 3D resistivity surveys and data inversion [J].Geophysical Prospecting，1996，44 （3）：499－523.