FW全波型大功率激电仪

TDIP基本原理
TDIP（Time Domain Induced Polarization）时间域激电是以地壳中岩（矿）石的电阻率和充电率的差异为物理属性前提，通过供电电极A和B向地下供入一定占空比的“+/0/-/0”时间域电流场，在供电和断电过程中连续的记录时间域电流场产生的空间位置内的电位差VMN（如图1所示），通过视电阻率和视充电率信息结合地球物理正反演程序来算地下真实电阻率和充电率的一种地球物理电性勘探方法。

图1：TDIP时间域激电电位差测量示意图

TDIP离不开两个最重要的物理概念：视电阻率和视充电率，下面分别加以说明：
1) 时间域激电（TDIP）视电阻率计算：
1)

其中：
ρ：视电阻率
K：装置系数

：MN测量电位差
：发射电流数值
2) 时间域激电（TDIP）视充电率计算：
请参考如图1所示，Mi是部分充电率，Mg是全域充电率：

二维激电走向三维激电的必然性
任何一种地球物理勘探方法探测的目的是推断或直接能够获取地下目标体的三维结构展布及目标体的三维地球物理信息，直流电法勘探的历史也是从1D勘探，发展到常规使用的2D，再逐渐过渡到3D勘探，我们以法国IRIS公司为例，1D->2D->3D对应的勘探设备如下：
1) 1D：法国IRIS公司“SYSCAL R2”电阻率测量仪；
2) 2D：SYSCAL PRO高密度电法仪、Elrec Pro10通道电阻率测量仪；
3) 3D：FW三维全波形大功率激电系统；
当前传统的2D激电勘探从采集到数据处理主要存在以下几个问题：
 常规的2D激电勘探数据采集所使用的MN测量电极对的方向与发射电极AB的连线方向平行（例如温纳、施伦贝格、中梯、偶极-偶极等）或垂直（例如三极），点电流源或偶极电流源在地表半空间形成的电流场是半空间域的，使用常规的二维装置采集的都是二维数据，并未能从半空间获取各个方位的三维数据；
 地球物理野外勘探人员为了近似实现3D采集，使用传统的2D采集把多条2D测线获取的数据集成在一起，然后利用三维反演软件来进行三维数据的反演，这种处理模式看似可以获取地下半空间的三维数据，实际上从采集的数据来看仍然还是2D采集的一种；
 常规2D数据反演时所创建的地电模型本身是二维模型，利用二维模型正演三维目标体形成的二维数据本身就是一种非常不严格的近似；
基于以上2D激电勘探的缺陷，法国IRIS公司所研发的FW全波形大功率激电系统从采集和数据处理反演的角度都实现了三维采集与三维反演，主要原因如下：
 在地表半空间由发射电极A和B创建的稳流场上，实现了多角度、多方位的张量数据采集，比二维采集的数据更加完美；
 配套的成熟的三维激电正反演软件：基于地下半空间的地电模型，模型的正演和反演都是基于三维的算法，比二维的算法精度更高；
FW三维全波形大功率激电系统野外布置
FW三维全波形大功率激电系统野外采集典型布置如图2和图3所示，当然地球物理野外施工人员可以根据勘探的需要，任意的设置三维观测系统。

图2：FW三维全波形大功率激电类三极采集布置示意图

图3：FW三维全波形大功率激电类中梯&类三极布置示意图

FW三维全波形大功率激电系统配置
FW三维全波形大功率激电系统主要由以下几个部分组成：
1) 发电机：单相或三相
2) 发射机：10KW或5KW发射机
3) 电流记录器I-Fullwaver
4) 电压记录器V-Fullwaver：2通道接收机
5) 数据处理软件：Fullwaver Viewer
6) 数据反演软件：ERTLAB64
我们以一次发射，15个接收机同时接收为例，整个采集及数据处理反演解释系统的配置如下：

应用实例
实例一：金矿勘探
本次试验由以下单位联合完成：
 恒达新创（北京）地球物理技术有限公司
 中国地质科学院矿产资源所
 山东地调院
 法国IRIS公司和意大利GeoStudio公司
实验地点：山东莱州朱桥镇
实验装置：类中梯&类三极
野外观测系统布置：如图4所示
实验所用设备：接收机（15个）、VIP10000（1个）及电流记录器（1个）
勘探区背景地质与地球物理背景：如图5所示
测量电极间距MN：100米
发射电极AB最大距离：约6000米
实验区包括两个，实验1工区和实验2工区，实验2工区位于实验1工区的南部，实验1工区钻井数量较多主要是验证性实验，实验2工区钻井数量极少主要为探索性实验，分布位置如图6所示。

图4：FW三维全波形大功率激电采集系统野外布置示意图

图5：勘探区地质背景构造图

图6：工区1和2位置分布示意图

图7：工区1三维电阻率反演数据体

图8：工区2三维电阻率反演数据体

图9：工区2三维充电率水平切片和纵向剖面叠合显示图

实验结论如下：
 对于工区1：反演结果揭示电阻率的低、高阻接触带和断层控矿层对应良好，且倾角一致，工区1由于环境背景噪音很大所以未做充电率的反演解释；
 对于工区2：工区2的电阻率反演成果图揭示工区2地质构造变得更复杂，工区2的北部疑似东西向断裂破坏控矿层导致浅部矿层消失，矿脉走向明显向东偏移；

实例二：多金属矿勘探
本次试验由以下单位联合完成：
 恒达新创（北京）地球物理技术有限公司
 宁夏地球物理地球化学勘察院
实验地点：宁夏月亮山地区
实验装置：类三极
野外观测系统布置：如图10所示
实验所用设备：接收机（15个）、VIP10000（1个）及电流记录器（1个）
勘探区背景地质与地球物理背景：如图11所示
测量电极间距MN：50米

图10：FW三维全波形大功率激电类三极采集布设示意图
注释：红色代表发射电极A的移动位置，黑色圆圈代表测量电极所处的位置
图11：勘探区背景地质构造图

图12：西南-东北向电阻率及充电率剖面图

图13：三维充电率数据体及水平切片叠合显示图

实验结论：
1）有西南-东北向电阻率剖面可以发现两处高阻：工区中南部及东北部，整个工区电阻率变化范围不大，中部低阻带（西南-东北向），钻孔176m处，打穿第三系地层进入白垩系马东山地层；
2）根据三维激电充电率反演结果，目前钻孔的布设位置稍微偏东于异常柱体位置，如果钻孔继续钻进至500余米后未揭示高充电率地层，则应该变更钻孔至偏西南位置，以“高阻、高级化”为布设依据；
结论
FW三维全波形大功率激电系统因为具有以下技术特点，所以是当今及将来走向深部资源勘探非常有效的一种三维时间域激电勘探系统：
1）全波形采集：3D激电系统采用GPS同步，可以实现多台接收机同步观测X，Y两个方向的电场变化，采集系统可以连续不间断采集8个小时，通过后期的数据处理技术，尤其是在干扰较大的地区，可以去除干扰和噪声，拾取叠加较好的结果。配合3D的专业处理和解释软件，对于未知深部矿体的走向判断有指导意义。
2）生产效率高效：采集排列不动，只根据需要变换跑极方式，大大提高野外生产效率。
3）勘探深度大：相比于传统的直流电法勘探深度的限制，3D激电系统的勘探深度有了极大的提高，最大可以达到1000米左右。
4）布设灵活：由于3D激电系统采用面积采集，在布设时可以根据地形和地势灵活布设，不需要直线布设，大大减轻了劳动强度和提高了施工效率。
5）几种测量方式结合：根据生产任务的需求可以将几种测量方式结合在一起，在一个排列同时完成单极-偶极装置或者是中间梯度装置。
6）解决旁测效应：采集到的是一个数据体，因此能有效解决假异常的问题。