综合物探方法在甘肃柳园极旱荒漠区钒矿普查中的应用

王 强，黄雪林，余 超，余 影

（1.四川省冶金地质勘查局六0五大队，四川 眉山 620860；2.四川省地质矿产勘查开发局九一五水文地质工程地质队，四川 眉山 620000）

钒是一种具备优异的物理、化学性能，被广泛应用于炼钢、医疗、电池制造、化工等行业的金属，被称为金属“维生素”和“现代工业味精”。近年来在此区域先后发现了五一山钒矿、新泉北钒矿、塔水井钒矿、七角井钒矿等矿床。在戈壁荒漠地区开展物探工作寻找低阻地层鲜有开展，保证供电深度和接收数据质量是两大难题。本次工作优选V8多功能电法观测系统采集数据（下称V8），解决了低阻地区电场信号接收不稳定和深部供电穿透力的问题。物探方法为深部工程的布置和地质找矿提供了方向。

1 地质及地球物理特征

1.1 地质简述

勘查区位于甘肃省敦煌市柳园地区，属中山区，地形地貌为戈壁荒漠区，年平均降水量约50mm、蒸发量约3000mm以上，气候异常干燥，区内无长年流水，干河床发育。大地构造位置位于哈萨克斯坦板块，主要褶皱为塔水井向斜，轴向北西，两翼一般在倾角70°～80°之间，核部为奥陶纪罗雅楚山组灰绿色石英砂岩、炭质岩，两翼由内向外依次为寒武纪西双鹰山组二段灰黑色炭质板岩等和寒武纪西双鹰山组一段粉砂质板岩、白云岩等。断裂不发育，主要为北西向，侵入岩不发育。

出露地层由老到新依次为寒武纪西双鹰山组、奥陶纪罗雅楚山组及第四纪冲洪积砂砾石等。奥陶纪罗雅楚山组在勘查区内出露最广泛，与寒武纪西双鹰山组之间呈角度不整合或断层接触，岩性主要为灰绿色、翠绿色中粒石英砂岩、粉砂岩夹砾岩、炭质板岩及硅质板岩；寒武纪西双鹰山组一段岩性主要为粉砂质板岩、白云岩，二段的岩性主要为炭质板岩、粉砂质板岩。

矿体赋存于寒武纪西双鹰山组二段底部的炭质板岩中，含矿岩石主要为炭质板岩，矿体下盘围岩主要为砂屑白云岩。

1.2 地球物理特征

勘查区共采集到的各类岩（矿）石标本169块，其电性参数统计成果见表1。

表1 岩（矿）石标本电性参数统计表

从上表看，炭质板岩具有低阻、高极化特征；粉砂质板岩（黄铁矿化）具有低阻-中高极化特征；粉砂质板岩、白云岩、石英砂岩具有中-高阻、低极化特征。勘查区不同地层岩性均含一定程度的炭质，由于孔隙水极不发育，大范围的低视电阻率异常主要为炭质板岩及黄铁矿化粉砂质板岩引起。粉砂质板岩（黄铁矿化）因其视电阻率变化范围与炭质板岩比较接近，几何平均值虽有4-5倍的差异，但因其总体值均偏低，在实际工作中通过视电阻率难以准确分辨，但结合极化率和地质特征可予以区别。

根据岩（矿）石电性参数特征推测罗雅楚山组地层呈高阻、低极化率特征；西双鹰山组二段地层呈中低阻-高极化率特征；西双鹰山组一段地层呈中高阻-中低极化率特征（图1）。目标矿化层底板为中高阻白云岩、粉砂质板岩，据此推测反演成果中的低阻异常带下部和中高阻异常接触带上的中低阻-中高极化区域为白云岩和炭质板岩接触带，为成矿有利位置。综上，勘查区岩（矿）石物性差异明显，具备良好的开展物探工作的前提。

图1 地层电性结构分布图

2 工作布置及数据采集

2.1 工作布置

在勘查区布置了4条大功率激电剖面，编号JD0、JD15、JD16、JD31。测线长500m～900m，方位30°，间距800m，点距20m。根据激电测量成果，在JD0、JD15激电异常地段布置了音频大地电磁测深点63个。

2.2 设备选择

勘查区岩石炭质含量较高，视电阻率较低，目标层为炭质板岩，视电阻率值最小值小于1Ω·m，接收到的电位在10-3～10-6之间。供电电流可能无法穿透地表的低阻层，即使电流穿透深度足够大也会因为一次场信号弱而不能采集到电流信号。因此，工作仪器的选择成为本次工作成败的关键之一。

在开工前选择了三种主流的仪器做对比观测实验，最大发射功率为20KW的某两种仪器和最大发射功率为30KW的V8。经对比验证后发现仅V8的电流穿透深度大，接收数据分辨率高、质量好，另两种设备采集的视极化率和一次电位要么重复性极差，要么根本无法获得数据。最终选用V8采集数据。

2.3 供电及接收电极处理

勘查区表层土质为沙土，松散且覆盖厚，接地电阻大。供电电极位置选择覆盖稍薄的正地形，一般布置6-9个电极坑埋设铝箔，铺设铝箔的电极坑规格为1.5m×0.5m×1.5m（长×宽×深度）,，成“○”排列开，前一天在坑内灌入大量饱和盐水浸泡，并在周围空隙处挖开表层松散土壤打入1.5m长的纯铜电极。使用当天再次灌入大量饱和盐水浸泡直到盐水在电极坑内积蓄不在渗透时埋设供电电极，后压实。测量电极直径0.3m，深度0.5m，也提前一天用饱和盐水浸泡，工作当天再次浇灌饱和盐水，每个测量点均设置两个备用测量电极坑。确保了供电电流的穿透深度和电流强度，工作中供电电流均大于20A，接地电阻均小于500Ω。

2.4 采集参数设置

经过试验确定了采集参数如下：大功率激电供电极距为1200m,供电周期32S，MN为40m；音频大地电磁测量采用“十”字形张量观测装置，测量电极距为20m，数据采集时间选择为40分钟，增益设置为×4。

3 应用效果分析

3.1 综合分析

全区ρs平均值为12.4Ω·m；ηs平均值为8.8%，统计结果见表2。

表2 成果数据统计表

上表可以看出，激电成果中视电阻率小于10Ω·m的占比为68.7%，视极化率大于5%的占比60.4%，勘查区为低阻-中等极化率地区。

3.2 各剖面异常特征分析

图2 激电剖面平面图

JD0、JD15、JD31剖面出现明显的激电异常，视极化率中部高，两侧低；视电阻率中部低，两侧高，对应极好（图2）。JD16剖面激电异常不明显，表明V2钒矿化体未向东侧延伸。激电异常的分布特征与地层的分布情况吻合较好，视极化率峰值连线和视电阻率极低值连线与V1、V2两条北西向钒矿化体的平面位置及走向基本一致，达到了大致查明矿化体平面位置分布情况的目的

JD0、JD15剖面均出现了两个视极化率峰值，均位于已施工的探槽位置或附近。激电异常中部主要出露石英砂岩，两侧经探槽揭露为炭质板岩，产状较陡，部分探槽褐铁矿化、硅化、绿泥石化发育，化验显示有钒矿化。

3.2.1 JD0剖面

激电异常分布在200m～640m之间，宽约440m，异常段ηs平均值为12.9%，最大值为24.0%，最小值为2.5%；ρs平均值为16.6Ω·m，最大值为46.59Ω·m，最小值4.32Ω·m。

4 软件和仿真的设计

系统采用PLC作为主控制器，由光电传感器检测到调酸槽内的光度，经过A/D转换输入到PLC中进行PID调节，最终调节结果通过固态继电器输送给气动隔膜阀调节隔膜阀的开度。PLC控制流程图，如图2所示。

图2 PLC控制流程图

系统采用PLC进行PID调节控制气动隔膜阀，在MATLAB提供的Simulink环境下建立PID模型，首先根据工程上的整定经验知道：如果控制量为光照强度，则Kc一般是20%～60%，Ti大约是180s～600s，Td大概范围3s～180s。建立仿真模型图，如图4所示。控制阀门开度范围控制在50%到60%之间。经过整定以后得到的仿真控制波形图如图3所示。

图3 调酸槽气动阀门控制仿真曲线图

5 实施效果

（1）光电控制系统代替人工观察和看管，减轻劳动强度、安全可靠、杜绝了安全事故的发生；

（2）反应釜可以在密闭下作业，只需要留一个废气出口与废气净化吸收塔相连通，避免反应产生的有毒有害气体溢出危害环境；

（3）密闭下作业减少热量损失、减少排风量节约了能源；

（4）有利于废气的综合回收和环境保护。

注意事项：每批作业完成后要清洗光源玻璃管和玻璃窗上的污渍，保证光通道畅通，确保控制系统准确无误。