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激发极化法在有色金属矿产勘查中的研究进展 刘海飞1,2，柳建新1,2，刘嵘1,2，佟铁钢1,2，刘春明1,2 1中南大学地球科学与信息物理学院 2.中南大学有色资源与地质灾害探查湖南省重点实验室 激发极化法是寻找隐伏金属矿体最有效的方法之一。该方法具有观测方法灵活多变、勘探成本低、工作效力高的特点，在地质矿产勘查和地下水资源、工程与环境调查等领域得到了广泛应用。激发极化法方法因其理论成熟、勘查效果好，得到行业高度关注和积极投入，近年来仪器设备和处理解释软件得到快速发展。本文在介绍激发极化法原理、发展历程和矿产勘查应用案例基础上，重点总结了激发极化法在仪器设备、观测方法、反演解释方法等方面国内外最新研究进展，并指出激发极化法的现存问题与未来发展方向。激发极化法(简称激电法)是一种以岩矿石极化率差异为基础的人工源电法勘探方法。根据供电电流性质的不同，激发极化法又分为时间域激电法和频率域激电法。时间域激电法的发展历史悠久，1913年，法国电法勘探先驱SCHLUMBERGER(斯伦贝谢)通过对含有金属硫化物的岩石供入直流电，发现断电后电压并未立即消失，而是呈缓慢衰减的现象(激发极化效应)。后来SCHLUMBERGER在其经典文章“电法勘探的研究”(1920年发表，1930年修订)中首次描述了这种现象，并将其归因于外加电流入口和出口处的电化学效应。由于受当时仪器观测精度的限制，不能精确地检测出微弱的激电信号，因此不能发现金属硫化矿具有比围岩强烈的激电效应。1929年，斯伦贝谢在阿塞拜疆和车臣油田开展了大规模的测井工作(包括激电测井)，并出版了电测井一书。激发化法在苏联发展迅速，1927年苏联地质委员会的MURASHOV在对氯化钙溶液中的硫化物和磁铁矿样品的电学测量中观察到了电化学效应。1935年，苏联地质勘探研究所的SERGEYEV和RAGULIN对硫化物的激发极化进行了广泛的实验室研究，详细研究了激发极化效应对供电电流密度、供电时间、硫化物成分和矿物接触的电解液性质的依赖关系。RAGULIN正确地预见了这种现象在矿产勘探中的应用，并建议采用周期性脉冲电流供电以及使用电极阵列进行剖面和测深测量。与此同时，该研究所的SEMENOV研究了包括砂质黏土在内的非硫化物岩石的激电响应，并建立了激电响应振幅与这些岩石电阻率之间的相关性。第二次世界大战中断了苏联的大部分科学发展，但到了1948年，苏联开始进行金属矿野外IP测量。POLYAKOV提倡使用很长的充电时间(3~5min)和大电流(5~10A)，且在断电后立即(通常延时0.5s)测量二次场，并开发了不极化电极。他同样沿用斯伦贝谢的方法，采用二次场与一次场的比值表示IP效应，并将其命名为“Chargeability”(充电率)，这个比值公式和术语也一直沿用至今。此外，圣彼得大学KOMAROV和RYSS在许多矿化点和非矿化矿点积累了广泛的现场经验，他们发现非矿化岩石的充电率相当低且保持在稳定的范围内，而硫化物岩石的激电信号总是超过非矿化岩石的背景信号。从1960年代开始，激发极化法在苏联已成为主要的矿产勘查方法。在美国和加拿大，1932年和1934年美国WEISS和MULLER进行了激发极化实验，他们隐约觉得有可能提出一种基于电化学效应的勘探方法。1943~1947年，美国BLEIL参加了美国海军军需实验室一个项目，通过测量实验证明了硫化物标本具有明显的激电响应，为人们对电化学现象的理解提供了实验基础。BLEIL为激发极化法创造了“Inducedpolarization”(激发极化)一词，这个词一直沿用至今。1946~1947年，加拿大多伦多大学BRANT(后来加入纽蒙特)和美国纽蒙特勘探公司的研究小组开展了斑岩铜矿样品和野外场地的激发极化实验，采用20kW和1000V直流发送机，并采用磁通计(阻尼电流计)记录电压瞬态衰减曲线的积分(3s)。1947年BRANT让当时还是多伦多大学物理系研究生的SEIGEL研究电压瞬态衰减现象，SEIGEL查阅电化学文献后将这种现象命名为“Overvoltage”(超电压)，并通过水槽镁球试验观察到了“超电压”现象。1948年SEIGEL在BRANT的鼓励和纽蒙特公司的支持下开始他的博士研究(“超电压理论及在矿产勘探中的应用”，受纽蒙特公司限制其博士论文未能及时出版)，在亚利桑那州某铜/钼斑岩矿床上进行了广泛的现场试验，并导出了多种异常体(包括层状地层、接触带和岩脉等)的激电响应公式，证明了IP是勘探斑岩铜矿类型矿床的可行工具。1949年WAIT对激电法进行了许多研究，包括电容耦合和电磁耦合效应、激电响应随岩石颗粒度、形状和取向的变化，以及由时间域响应曲线向频率域响应曲线的转换等，许多研究工作都总结在WAIT主编的专题论文集“超电压研究及其在地球物理中的应用”中。我国激发极化法研究起步较晚，地质部物化探研究所在张赛珍研究员的领导下，从1957年开始激电研究工作，并于1958年邀请柯玛罗夫来中国工作和讲学。1959年冶金部北京地质研究所王敬尧教授结合我国条件研制了补偿式激发电位仪，经过20多个省市使用及鉴定，1964年自行研制的第一套补偿式激发电位激电仪正式投产，从此激发极化法在我国进入成熟使用阶段。我国科研人员通过长期应用和研究激发极化法，取得了许多重要成果，如短导线测量和近场源激电法等，并在激电法找水方面所做的工作最多且颇有成效。频率域激电法的起步相对较迟，1950年，COLLETT和SEIGEL根据实验室测量结果提出了不同频率的交流测量方法，并在当年由WAIT大大扩展了该方法的可能性，成功地进行了试验。在1951~1958年期间，WAIT和NESS对频率激电响应进行了广泛的野外和室内试验研究，并于1959年发表了名为“变频法”的论文，文中全面地论述了方法的原理、导线的耦合效应和野外试验结果，成为频率域激电法的奠基之作，WAIT也被称为变频法之父。除此而外，麻省理工学院的MADDEN、MARSHALL、HALLOF、NESS等人的研究促使了频率域激电法卓有成效的发展。这些关于频率域激电的理论与方法均属于变频法的范畴，即单频发射和单频接收方式。20世纪70年代初，我国开始研究和推广频率域激电法，然而由于变频法在观测中要改变频率，使其精度、抗干扰能力和工作效率大受限制，无法发挥频率域激电的优势。中南大学何继善院士于1976年提出了双频激电法，并于1978年初研制出第一台双频道幅频激电仪。这台仪器的成功研制是频率域激电法的一个重大飞跃。双频激电理论与方法技术经过近20年的发展，形成了比较完善的方法体系，在我国发现了一大批矿产，包括金、银、铜、铅、锌、钼、锰、镍等。其中“数字式双频道幅频仪”1987年获国家发明三等奖、“我国双频道激电法及其应用研究”1995年获国家科技进步二等奖。近年来，高精度、智能化、多通道、分布式激电法仪器得到快速发展，激发极化法在观测空间、观测装置、电极布置上不再拘泥于常规观测方式，使得数据采集量几倍、几十倍地增加，为获取更丰富的地下信息奠定了基础。与此同时，随着高性能计算机的快速发展，激发极化法2D/3D反演成像技术发展迅速并逐渐趋于成熟，在激电数据定量解释中发挥着重要作用。目前，激发极化法现已发展成为一种定量勘探工具，在金属和非金属矿产、地下水资源、工程与环境等勘查方面取得了广泛应用。激发极化法经历了一个多世纪的发展，在方法理论、仪器设备、数据采集、反演解释等方面均发生了革命性的变化。本文在简要概述激发极化法基本原理的基础上，重点阐述激发极化法在仪器设备、观测方法、反演解释方法及其在金属矿勘查方面的应用，最后指出激发极化法的现存问题与未来发展方向。向岩矿石供入稳恒电流时，电位差随供电时间的延长而缓慢增大并逐渐趋于饱和，断电后电位差在断电瞬间降至某一数值，然后随时间的延长而缓慢衰减并逐渐趋于零，这种在充电和放电过程中产生随时间缓慢变化的附加电场现象称为激发极化效应(也称激电效应)。不同岩矿石在外部电流场激发下都会产生激电效应，在激发极化法勘探中，表征岩矿石激电效应的最重要的物理量就是极化率(或频散率)。而岩石和矿石的极化率存在明显差异，如表1所示，金属矿石的极化率为10%~50%，明显大于不含石墨或炭质岩石的极化率值2%。这种差异为利用激发极化法寻找有色金属矿产奠定了重要的物理基础。激发极化法勘探就是以地下介质的极化率差异或充放电曲线的差异为基础，通过观测和研究激电场随时间和空间的变化规律以解决地质问题的一种地球物理勘探方法，简称激电法。表1 常见岩矿石的极化率统计分布 
国内外地球物理学家对岩矿石(含电子导体或离子导体的岩矿石)的激发极化效应机理开展过大量的理论计算和实验研究，得出了一些大家公认的假说(如电解极化假说、薄膜极化假说、电扩散假说等)，为合理解释产生激电效应的物理−化学机理奠定了基础。自20世纪60年代至80年代，国内外对稳恒和交变电流激发下岩矿石的激发极化特性已取得较清晰的认识，包括不同湿度、温度、压力等因素所对应的岩矿石充放电时间特性规律和非线性效应特征，以及溶液的浓度、成分和导电矿物的湿度、成分、体积、含量、细微结构等因素对岩矿石激电效应和频谱特性的影响规律。岩矿石的激发极化效应机理及其在不同控制因素下的激发极化特性为激发极化法勘探奠定了重要的理论基础。岩矿石在稳恒电流场和交变电流场激发下均产生可观测到的激电效应(见图1)，在线性条件下激电效应的时间特性和频率特性在数学上可以互相换算，可以说在数学意义上是等效的，仅存在观测技术上的差别。图1 黄铁矿化岩石标本的激发极化效应曲线 激发极化法根据供电电流特性的不同可分为时间域激发极化法和频率域激发极化法。时间域激发极化法常以极化率(某时刻二次场的电位差与总场的比值，无量纲，采用百分数表示)或充电率(二次场电位差衰减曲线的积分与总场的比值，时间单位为s或ms)参数表征岩矿石的激电效应。另外，还有激电率、衰减度、极化比、半衰时和偏离度等参数可以表征岩矿石的激电效应。而频率域激发极化法常以频散率(低频电位差减高频电位差再除以高频电位差，无量纲，采用百分数表示)或相位(电位差相对供电电流的相位移，单位为mrad)参数表征岩矿石的激电效应。除此之外，还有以Cole-Cole模型为基础的零频极化率、时间常数和频率相关系数。在极限条件下，交流激电效应的频散率与直流激电效应的极化率在数值上是一致的，但由于技术上的原因，交流激电观测不能采用极限频率，直流激电也不能采用极限供电和放电时间，因此采用极化率和频散率表征岩矿石的激电效应在数值上不存在相等关系。大量野外和室内观测资料表明，即使两者观测值不同，但相对幅度近似呈正向关系，所以时间域激电法和频率域激电法在勘探效果上是一致的。时间域激电法和频率域激电法(这里指双频激电法)在反映地下极化体的能力上是相当的，但由于两者在观测技术上的不同，使其在实际应用中又自有特点，因此根据地质、地形条件进行合理选择非常关键。实践表明，由于时间域激电仪器设备较笨重，其更适合在交通方便、接地良好的平原地区开展工作；而在地形切割严重、噪声干扰大、接地相对较差的地区，双频激电法要优于时间域激电法。对于激电异常弱、电磁耦合强的低阻区(如泥质灰岩区)，应尽量选用时间域激电法。相对而言，双频激电法因同时测量高频和低频的总电位场信号，在快速、轻便、灵活、抗干扰能力等方面要优于时间域激电法，特别是在大面积激电普查中其优势更加明显。随着激发极化法技术的发展与工业技术水平的不断提高，激电仪器设备经历了从机械式到电子管、晶体管阶段，再到集成电路、微机控制阶段的发展历程。早期的激电仪器主要为简单的机械式电压表和电流表。20世纪50年代，激电仪器由电子管和晶体管组成，数据采集为机械指针式读取和手工记录。20世纪60年代，集成电路已应用于激电仪器中，数据读取和记录采用手工方式。当时激电仪器已经开始批量生产，如加拿大Huntec公司的Mark-III，苏联生产的Bn−59和Bn−62、Bn−63等。我国激电仪主要参考苏联电阻率仪仿制而成，如DDC−2A电子自动补偿仪。20世纪70年代，集成电路得到了广泛应用，数据读取已采用数字式，如美国Zonge公司GDP−12型电法工作站(含时间域和频率域激电测量模块)、加拿大IPR−10时间域激电仪和IPV−2频率域激电仪等，以及我国中南矿冶学院的SF−1型双频道幅频仪和重庆地质仪器厂的DJS−2型短导线激电仪等。20世纪80年代，激电仪器进入快速发展时期，仪器更加智能化和多功能化，这主要得益于微控制器和模数转换技术的应用，如美国Zonge公司GDP−16型电法工作站，我国中南工业大学研制的S−2型双频激电仪，北京地质仪器厂生产的DWJ−1型时间域激电仪等。20世纪90年代，电子技术和计算机技术得到快速发展，诞生了新一代多功能激电仪器，如美国Zonge公司GDP系列和加拿大Phoenix公司V系列电法工作站(包含时间域和频率域激电模块)，我国中南工业大学研制的SQ系列、重庆奔腾数控研究所研制的WDJD系列、重庆地质仪器厂研制的DZD系列、北京地质仪器厂研制的DDJ系列、山西平遥卜宜水利电探仪器厂生产的JJ系列等激电仪，激电数据采集精度得到提高。近20年来，随着现代科学技术的飞速发展，特别是电子技术、信息处理技术、通信技术、网络技术、模拟现实技术、软件技术等发展，促进国内外许多地球物理仪器生产厂家相继推出新一代高精度、多功能、智能化、网络化、阵列化的时间域和频率域激电法仪器。下面介绍几款国内外先进的激电仪器设备。国外激电仪器设备发展较早且相对成熟。美国Zonge公司研制的GDP−32II多功能电法工作站，可以采集多种类型的电、磁场数据(CSAMT/MT/TEM/DCIP等)，能够进行时间域激电、频率域激电(以奇次谐波和主频的振幅换算幅频率)、频谱激电(测量振幅和相位)和井中激电的数据采集。加拿大Phoenix公司研制的V8多功能电法工作站与GDP−32II的功能类似，同样可进行时间域激电和频谱激电的数据采集。美国AGI公司研制的Super StingR8/IP是一款具有电阻率/极化率双模数据采集功能的多通道、分布式电法仪器，具有观测精度高(最小测量电压30nV)、电极通道多(最多可达65636根)的特点，可以在陆地、井中和水下完成二维和三维的静态和动态数据采集。德国DMT公司研制的RESECSII阵列式直流电法仪的功能和性能与Super StingR8/IP相当。加拿大Scintrex公司研制的IPR−12大功率时间域激电仪能够同时进行8通道的电阻率/极化率数据采集。该仪器一个显著特点就是内置了Cole-Cole模型计算电路，能够直接将二次场衰减曲线换算成频谱激电参数。加拿大GDDInstrumentation公司研制的GDD大功率直流激电仪可同时进行2或8通道全波形数据采集，也可拓展到10、16、24和32道；接收机的电位观测精度可达0.5μV，使用PDA掌上电脑操控仪器，可实时显示各采集道的接地状态、二次场衰减曲线等；发射机的最大供电电流20A，稳流精度可达0.1%，供电电压150~2400V且可14个档位切换。意大利MOHO公司研制的Electra多通道轻便型电法仪，首次将神经医疗领域的研发技术引入到地球物理领域，使得仪器的轻便性得到改善，可多通道测量电阻率和极化率参数。美国CG公司研制的Horn3D全真三维激电仪，具有分布式、全波形、多参数采集的特点，可通过手机配置进行1D/2D/3D自主数据采集，仪器较轻便，适合在复杂地形和植被茂密的山区开展激电工作。除此之外，国外研制的激电仪器或含有激电采集功能的电法仪器设备还有很多，例如Ontash&Ermac公司研制的便携式频谱激电仪PSIP，GEODEVICE公司研制的FastSnap多通道遥测多功能电法系统等。近些年，国内激电法仪器发展较快。中南大学何继善院士提出的双频激电理论和研制的双频激电仪器设备为国际首创，现已推出SQ−5型双频激电仪、DQ−1000大深度双频激电仪等，双频激电仪器的最大优势就是同时发送和接收两种不同频率的特殊波形信号，通过内置计算程序直接换算出视电阻率和视幅频率参数，它们具有抗干扰能力强、轻便、测量效率高的优点。目前，双频激电法已在我国广大地区使用，找到包括金、银、铜、锌、钼等大量工业矿体，成为我国独创的极具特色的金属矿勘探方法。中南大学陈儒军副教授研制的GS2IP扩频激电仪，具备同时发射和接收伪随机扩频信号、多通道阵列同步观测(最大可拓展到1200道)、实时换算和显示多个频率的振幅和相对相位参数等功能，最大勘探深度可达到1500m，实现了2D/3D大深度、高效率、低成本探测，为深部金属矿产找矿突破提供支撑。中地装(重庆)地质仪器有限公司研制了多种型号的直流电法仪(DZD−8型、DZD−6A型、DJF5−20型、DDF20−1/DJR−2型)和频谱激电仪DMFIP−1，其中直流电法仪除记录电阻率/极化率参数外，还记录半衰时、衰减度、激发比、偏离度、金属因子及二次场衰减曲线；频谱激电仪可以测量9个频率的振幅谱和相位谱。重庆奔腾数控技术研究所研制了WDJD−3A、GDZ、WDA等型号的多功能直流激电仪，测量的激电参数与DZD型仪器类似。国科(重庆)仪器有限公司研制的UltraMarkerA5时频高密度激电仪是融合32位A/D高精高速过采样记录技术、现代数字信号处理技术、嵌入式实时操作系统技术、大规模现场可编程阵列逻辑技术等电子技术研制的时频一体化激电法系统，通过结合收发分离或收发一体的级联式电极转换器可进行阵列式激电法勘探。国内还有一些科研院所和科技公司研发了激电仪器设备，在此不再赘述。相关仪器性能介绍如表2所示。表2 相关仪器性能介绍 激发极化法观测装置的优化选取主要依赖于项目的勘查目的(普查或详查)、场地可利用的观测空间(地表、井中、坑道和水底等)以及仪器设备的环境适应性。对于地质信息量少且未开展过地球物理勘查的空白区，常规地面激电方法仍然具有一定的优势，如中间梯度剖面法、偶极剖面法、联合剖面法以及对称四极和三极和偶极测深法等。由于这些装置在观测效率和分辨能力上各有特点，因此实际中常常综合利用剖面和测深法解决浅部金属矿产勘查问题(＜500m)。另外，这些观测装置数据采集量相对较少且横向记录点较准确，使其更适合于根据原始数据成果图作定性推断解释。在这些方法中，中间梯度剖面法更适合于地形相对平缓地区的面积性测量工作，并且激电异常分布与目标体的平面位置对应较好，因此在矿产普查中被广泛使用。激电偶极剖面法由于可以采用短导线发射和接收，并且横向分辨率高，在地形切割严重的高海拔山区开展激电扫面工作优势明显。联合剖面法在寻找相对陡倾的含矿构造或岩体与围岩的接触带中仍然发挥着重要作用。为查明成矿地质体在深部的埋藏情况，常常在激电扫面异常区开展激电测深工作，然而受仪器通道数的限制(如SQ−5为单通道)，常规激电测深装置的工作效率偏低。为此，研究人员以现有多通道分布式激电仪器为基础，将常规激电观测方法拓展为适合中深部矿产资源勘探的2D/3D阵列观测方法，如图2所示，接收电极阵列一次性布设好，相邻电极可以是非等间距，发射电极采用人工跑极方式。该类观测方法兼顾了剖面和测深装置，并且可用于时间域和频率域激电法，具有数据采集效率高、探测深度大、信息丰富等优点，适用于详查工作，现已在金属矿产和水资源勘查中得到推广应用，并取得了较好的勘探效果。目前，高密度电阻率2D/3D阵列观测方法已向最优观测方式发展，其原理是通过不断向基础数据集(偶极装置的观测数据)中增加其他装置的观测数据，并计算模型分辨矩阵；根据预先给定的数据分辨率评价指标，将观测数据对模型参数灵敏度较高的观测点提取出来，逐渐构成最优观测电极组合集；野外数据采集时利用这些电极组合可以使地下目标体达到最佳探测效果。这种计算最优装置的方法有望拓展到计算激发极化法的最优观测装置中。地表观测装置的数据采集相对较快，但对地下目标物的灵敏度有限。在地球物理勘探中，一个矿产远景区的经济价值最终将经过规范的钻探工作进行检验，对深部规模小或不连续的目标体，可能存在井旁隐伏矿体以及因实际钻探成本过高而放弃的那些具有一定经济价值的矿体。在这种情况下，井中激发极化法在某种程度上可以弥补地表物探和钻探的不足，并在寻找埋藏深度较大的矿体中起着越来越重要的作用。理论与实践表明，井中激发极化法可以提高钻孔的有效探测半径，有利于发现井旁的隐伏矿体，并且在钻孔穿过矿体的情况下，能够提供矿体的地电性质、几何形状以及在钻孔外的展布信息。井中激发极化法大致可分为三类：1)井−地工作方式，可以提供矿化带相对钻孔的方位信息；2)井−井工作方式，可以提供两个钻孔之间任意矿化体的埋深和形状信息；3)单孔测井方式，可以提供极化率测井曲线结果，揭示钻孔穿过的矿化带或井旁隐伏的矿化带。目前，井中激发极化法(主要为时间域激电)在金属矿产资源勘探中应用较多的主要为井−地五方位观测方式，其野外工作方法和资料解释技术已经成熟。随着分布式多通道激电仪器的快速发展，以任意二极、三极和四极装置为基础的井−地和井−井激电阵列观测方法也得到迅速发展。一些观测方法从最初用于正、反演模型实验对比分析，逐渐用于生产实践。当矿山存在两口或两口以上的钻孔能够利用时，可根据场地观测条件和勘探要求灵活设计井−地、井−井阵列观测方法，以获取钻孔周围尽可能多的反映目标体的地电信息，然后利用这些地电信息并结合钻孔揭露岩性信息开展资料综合处理和解释研究，有望提高激发极化法的深部勘探效果。激电数据的定量解释主要依赖于反演技术。近些年，随着高性能计算机的快速发展，时间域激电数据和频率域激电数据的反演技术发展迅速，并逐渐趋于成熟。时间域激电数据反演主要基于SEIGEL体激发极化理论，采用电阻率和极化率参数联合描述地电模型(即等效电阻率法)，将极化率定义在[0,1)区间内，并假定其变化幅度要远远小于电阻率的变化幅度(实际情况也确实如此)。对于极化率反演，一种途径是分步反演法，即先完成电阻率反演，在固定电阻率模型的基础上，再完成极化率反演。需要在最小二乘(或最小绝对值)意义下构建电阻率反演的目标函数：式中：等号右端第一项为数据拟合差项，Wρ为数据加权矩阵，压制数据中的干扰噪声；dρa=lnρa，ρa为实测视电阻率；dρc(mρ)=lnρc，ρc为模拟视电阻率，根据地下模型参数化类型的不同(包括结构化网格和非结构化网格，离散格式为四边形、三角形、四面体、六面体和三棱柱等)，目前正演方法主要采用有限差分法和有限元法；模型参数mρ=lnρ，ρ为地下模型电阻率。等号右端第二项为模型光滑约束项，其作用是压制模型参数间的跳变；λρs为模型参数的光滑约束因子，对反演分辨率和稳定性起着重要作用；S为光滑约束矩阵，其元素通常与模型网格单元大小有关。等号右端第三项为模型背景约束项，其作用是使反演模型接近均匀模型，λρb为模型参数的背景或已知属性约束因子，B为背景或已知属性约束矩阵(对角矩阵)。对式(1)两端对模型参数求偏导，并令其等于零，可得电阻率反演的广义线性反演方程：数矩阵，其计算的方法主要有互换原理法(计算量和占用内存多)、拟牛顿法(计算量少)、Rodi法(占用内存少)；前两种方法通常结合在一起使用，实际中可根据反演问题的规模选择偏导数矩阵的计算方法。Ddρ=dρs-dρc为数据残差向量。通常采用共轭梯度法求解式(2)，可得模型参数修正量Dmρ。经过多次反演迭代，即可得到地下电阻率模型mρ。在此基础上，采用极化率线性反演法(极化率值较小时)，通过解一次线性反演方程(式(3))即可获得地下极化率模型：若地下极化率参数较大时，实测视极化率与极化率模型不满足线性关系，则需要构建形如式(4)的目标函数：通过求解方程式(5)，可得极化率模型参数修正量Dmη。经过多次反演迭代，即可得到地下极化率模型mη。极化率的广义线性反演需要与电阻率反演同等的计算量，其反演结果相对线性反演结果略好。极化率反演的另一种途径为同步反演法，即将式(1)和(4)联立，并对施加电阻率模型与极化率模型的交叉梯度约束，构建目标函数为：阻率、极化率及其相互关系的广义线性反演方程；经过多次迭代求解，可以同时得到地下电阻率和极化率模型。同步反演在占用内存和耗费时间方面会有所增加，但在反演值与真实值的逼近程度方面得到了有效改善。上述时间域激电反演方法已在有色金属矿产勘查中取得了广泛应用。频率域激电的数据形式多样，根据数据形式的不同反演解释方法也不同。若野外观测时发射频率较少且发射频率较低(少于4个，如双频激电法)，可将频率域激电数据(视电阻率和视幅频率)视作时间域激电数据反演；若野外观测时发射频率不小于4个，根据仪器观测的激电参数(复电阻率和相位、复电阻率实部和虚部等)反演振幅谱和相位谱或频谱参数(零频电阻率、充电率、频率相关系数及时间常数)。罗延钟等和刘崧系统研究了频率域激电法的理论和方法，给出了一些实用的数据处理技术，包括电磁耦合校正、视复电阻率转换为频谱参数以及视频谱反演真频谱参数等。另外，在忽略电磁耦合效应的情况下，ROUTH等、LOKE等根据多频视复电阻率实现了零频电阻率、充电率、频率相关系数及时间常数的2D同时反演。KEMNA等实现了井间复电阻率2D层析成像。SON等根据多频视复电阻率实现了复电阻率2D交叉约束反演。在考虑电磁耦合效应的情况下，YOSHIOKA等基于Cole-Cole模型实现了复电阻率3D非线性正则化反演。范翠松等实现了矿山实测复电阻率2D反演。陈实等实现了复电阻率2D并行反演。COMMER等实现了复电阻率3D反演，并在环境修复监测场地得到应用。刘永亮等实现了频谱激电三维共轭梯度反演。这些频率域激电反演解释方法已用于有色金属矿产勘查中。目前，激发极化法的定量反演解释方法与技术已趋于实用化，一些成熟的激电2D/3D反演软件已在实践中取得了较好的应用。相关软件名称和功能描述如表3所示。表3 国外常用激电2D/3D反演软件介绍 激发极化法在有色金属矿产勘查中应用广泛。上述所列仪器设备、观测方法与反演解释技术等在寻找金、银、钼、铜和铅锌等矿产方面取得了大量的成功应用，下面选择一些典型案例予以介绍。1)在金矿勘查方面，徐德利等采用美国AGI公司生产的阵列式激电法仪器Sting-swift在峪耳崖金矿区开展了阵列式激电法测量工作，圈定了地表浅部的矿化异常区，激电异常与钻孔揭露的岩性接触带对应较好。李建良采用地−井五方位激电法和激电测井法在广西金牙乡开展了金矿床勘查工作，准确地推断了构造、矿体在钻孔周围的展布，验证了井中激电法在微细粒浸染型金矿勘查的有效性。张晓东等采用激电中梯和对称四极激电测深在贫硫化物的东溪−南关岭金矿接替资源勘查中取得了较好应用效果，高阻电性异常对含金石英(碳酸盐)脉指示较好，而极化率异常分布特征则反映了与成矿有关的脉岩及断裂构造。ARIFIN等采用阵列式三极激电法在马来西亚吉兰丹地区开展了金矿勘查工作，根据电阻率/极化率成像结果圈定了矿致异常区。2)在银矿床勘查方面，张威等在白音查干银多金属矿区采用激电中梯、偶极相位激电测深和可控源音频大地电磁测深法研究了该区电性结构，推测电性异常区与地质构造发育一致。张吉涛在内蒙古大砬沟采用激电中梯和对称四极激电测深法发现了两处激电异常带，在两异常带中经钻孔揭露的银矿石品位最高达74.54g/t。谢升浪等[79]利用激电中梯法在青海都兰那更预查区圈定11条银矿体，矿体大致呈平行排列，矿体长100~700m，厚0.8~3.63m，银品位为40.3~1371.63g/t，该成果为那更地区找矿开辟了新局面。3)在钼矿勘查方面，柳建新等在福建邵武何厝坑开展了大面积双频激电中梯扫面和激电测深勘查工作，共圈定9处激电异常区，经钻孔揭露部分激电异常为钼矿引起；通过钻探和坑道控制，该钼矿床具有工业品位的矿石量达800万t，双频激电法在该空白区寻找钼矿取得了成功突破。王卫东等在内蒙古兴和县曹四天钼矿区利用双频激电中梯扫面和激电测深法圈定了激电异常区，推断解释结果与化探异常及钻孔揭露的钼矿范围高度吻合，说明双频激电法在寻找此类矿床方面有良好的应用效果。李家棒等[82]采用相位激电法在辽宁某山区圈定了隐伏钼矿化带，电阻率和相位异常与地质资料较吻合。张恩厚采用激电中梯扫面和激电测深法以及结合地球化学在安徽省祁门县粒七湾开展了钨、钼矿产勘查工作，根据激电异常圈定地下金属硫化物的富集范围，分析发现黄铁矿化与钨、钼矿化联系紧密，激电异常直接指示钨、钼矿化特征，通过钻探揭露该矿床为一个中型钨、钼矿床。4)在铜矿勘查方面，柳建新等采用双频激电中梯扫面和对称四极激电测深法在甘肃南县石居里铜矿区开展了方法有效性试验研究，验证了双频激电法在高海拔山区寻找金属硫化物矿床的有效性。樊金生等在陕南某铜矿区借助探采过程中形成的特殊空间，利用直流充电法、坑道激电法、井中激电法从不同侧面查明了深部矿体的空间展布特征，为探采工程提供了可靠的依据。孙秀国等采用激电中梯扫面和对称四极激电测深在内蒙古包力高铜多金属矿区查明了8条矿化体及7条矿化蚀变带，并确定了探矿靶区。苏晓波等采用激电中梯扫面和对称四极激电测深在内蒙古小牛群铜多金属矿区查明了矿致异常的埋深和空间赋存状态，通过综合研究地质和钻孔资料，发现中高极化率异常与铜多金属矿有良好的空间对应关系。5)在铅锌矿勘查方面，柳建新等采用双频激电法在广西泗顶铅锌矿外围拉夯测区开展了面积性工作，通过中梯扫面和五极纵轴测深圈定了3个有利靶区，经综合评价和矿致异常区分，在路福异常找到了优质铅锌矿。李靖辉等通过整理、研究陕西栾川地区的地质和激电资料，建立了在该区采用直流激电法寻找铅锌矿的找矿模式，并简述了直流激电法寻找铅锌矿时应注意的问题及解决方法。王耀升等采用地−井五方位激电法和激电测井法在内蒙古查干布拉根矿区寻找银铅锌隐伏矿体，通过正演计算推断了井旁极化体的产状及延伸方向。曹军等在西藏堆龙德庆县某铅锌矿区采用大极距阵列式激电法查明了岩体界线和蚀变带在空间上的分布。孙仁斌等在内蒙古镶黄旗某锌钨多金属矿区采用激电中梯法圈定了4处矿致异常靶区，并结合对称四极激电测深法查明了锌钨多金属矿体的空间展布特征，推断解释结果与地质和钻探资料具有一致性。根据上述应用案例可知，利用激发极化法可通过查明对成矿条件有利的地质体(如金属硫化物、控矿构造、岩体及蚀变带等)来达到间接找矿的目的。总体而言，在尚未开展过激电法的勘查区，一般先根据激电中梯扫面圈定激电异常的平面分布范围，然后结合地质资料识别矿致激电异常，并在成矿有利异常区利用激电测深法确定异常体的埋深和产状等，最终为开展钻探验证或探矿工程提供依据。而在现有矿山接替资源勘查中，通常在钻孔和坑道中开展激电法，由于受观测条件的影响，数据采集量通常较少，资料解释也多以定性分析为主。因此，在危机矿山深边部找矿中，借助地表、钻孔和坑道观测空间的激电仪器设备、数据采集技术和定量解释技术的研究和应用仍然有较大的发展空间。激发极化法在方法理论、仪器设备、观测方法、定量解释技术已取得长足发展，作为金属矿勘探最有效的方法之一，为有色金属矿产勘查提供了重要的方法技术支撑。激发极化法的现存问题与未来发展方向大致可归纳为以下几个方面。1)分布式、多通道、全波形三维激电采集系统的研制、升级与推广。全波形采集方式的数据量可达到传统采集方式的几十至上千倍，包含的地电信息极为丰富，为进一步提取弱激电信息、压制干扰噪声及激电参数转换(如根据二次场衰减曲线换算频谱参数或根据多频复电阻率换算频谱参数等)等提供了有利条件，也为相关算法研究和软件研制提供了发展空间。2)以深度学习(如卷积神经网络或深度置信网等)为基础的三维激电数据反演，通过线下海量样本训练并结合多元地学信息聚类分析等技术，促进激电数据处理与解释分析的智能化，这也是地球物理勘探的未来发展趋势。3)在现有矿山接替资源勘探中，常常采用激电法在井巷空间开展探测工作，由于受矿山人文干扰环境的影响，导致观测信号的信噪比偏低，在仪器设备的抗干扰能力、观测方法的有效性及信号处理方面着手，有效压制干扰和提取弱激电信息仍然是激电法勘探的重要研究方向之一。4)频率域激电法在克服电极接地条件不良、工业游散电流和天然大地电流场的影响方面有其特有的优势，但在激电参数(频散率和相位)中，除含有激电效应外还包含电磁耦合效应，特别是在低阻区的电磁耦合干扰常常会淹没激电效应，在这种情况下，从仪器设备或数学方法上有效压制或消除电磁耦合效应，仍然是频率域激电法的一个重要研究方向。5)基于人工场源(发射交变或脉冲电流)和天然场源的电磁勘探方法，从电磁场中提取激电信息仍然是未来值得探索和研究的方向。一般认为，向地下供入交变电流时，在近区观测的场主要为电流场，以传导特性为主，可通过增大观测装置的几何尺寸以增大探测深度(改变发射频率对探测深度影响不大)，在近区观测的电流场中能够提取到激电信息；而在远区观测的场主要为电磁场，以感应特性为主，可通过减小发射电流的频率来增加探测深度，但迄今为止，在远区观测的电磁场中提取出激电信息并用于金属矿探测的成功案例尚未见到。对于天然场源电磁法，由于天然场源的复杂性及电磁信号强度的不确定性，从天然电磁场中提取激电信息的可行性仍然值得进一步探讨。原文来源：刘海飞,柳建新,刘嵘,等.激发极化法在有色金属矿产勘查中的研究进展[J].中国有色金属学报,2023,33(1):203−222. DOI:10.11817/j.ysxb.1004.0609.2022-43042 导读评论和排版整理：《覆盖区找矿》公众号.
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