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体极化激电异常水平微分特性正演模拟及地质应用研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在地质勘探领域，准确探测和识别地下地质结构及矿产资源分布至关重要。激发极化法作为一种重要的地球物理勘探方法，基于岩石、矿石的激发极化效应，能够有效寻找各类隐伏金属矿床，在矿产普查勘探中发挥了关键作用。该方法通过向地下发送人工电流，观测和研究岩石、矿石在电场作用下产生的激发极化现象，以此来推断地下地质体的性质和分布情况。

激发极化法又分为直流激发极化法（时间域法）和交流激发极化法（频率域法），常用的电极排列有中间梯度排列、联合剖面排列、固定点电源排列、对称四极测深排列等。其应用范围广泛，除了寻找铜矿床外，在找铁、找煤、找铅锌矿，以及在超基性岩区找镍铬矿和找金矿等方面都取得了一定的地质效果。在国外，早在五十年代初期，激发极化法就已成功应用于矿产普查勘探，发现了一些大型低品位的硫化矿体，而这些矿体用其他物探方法难以奏效。

在实际地质勘探中，准确解释激电异常对于确定矿产资源的位置和规模至关重要。然而，直接应用视电阻率、视极化率（或视幅频率）等参数来解释激电异常，往往难以达到理想的效果。这是因为单纯从这些参数本身的特征出发，无法充分挖掘地下地质体的空间信息。例如，在复杂地质条件下，不同地质体的视极化率可能存在重叠，导致难以准确区分和定位目标矿体。

激电异常的水平微分特性与异常体的空间信息密切相关。通过对激电异常进行水平微分处理，可以提取出更多关于异常体的倾向、埋深等关键信息。这对于提高激电异常的解释精度和可靠性具有重要意义。例如，通过分析视极化率的一次水平微分和二次水平微分特性，可以更准确地判断异常体的边界和形态，从而为矿产勘探提供更有力的依据。

体极化激电异常水平微分特性正演模拟是深入研究激电异常的重要手段。正演模拟能够在已知地质模型和场源分布的情况下，求解电场的分布规律，建立地质模型与场分布特性之间的关系。通过对不同地质模型进行大量的正演模拟分析，可以系统地总结出视极化率的水平微分特性与异常体的倾向、埋深等之间的对应关系。这为实际地质勘探中的激电异常解释提供了重要的理论依据和参考标准，有助于提高矿产勘探的效率和准确性，降低勘探成本和风险。

1.2研究现状

激发极化法的研究历史悠久，早在1920年，法国人C.施伦贝格尔就发现了激发极化现象（IP）。1941年，苏联学者V.N.达赫诺夫对其进行深入研究，并主要应用于石油测井领域。第二次世界大战后，H.O.西格尔发现浸染型硫化矿的IP效应显著，使得激发极化法不仅可用于寻找致密块状金属矿，还能用于寻找浸染型硫化矿。1958年，苏联科学家V.A.科马罗夫将时间域激电法引入中国。此后，中国物探工作者在激发极化法领域不断探索创新。20世纪60年代中期至70年代初，自主提出并发展了双向短脉冲及短导线工作方法技术；80年代初，傅良魁提出近场源激发极化法理论及工作方法技术。继时间域激电法之后，70年代初中国引进频率域激电法，何继善发明双频激电法和伪随机多频激电法，罗延钟和何继善对频率域激电法中的电磁耦合校正做出有价值的研究成果。中国于80年代开始频谱激电法和时间域谱激电法的理论研究和实际应用，以张赛珍、傅良魁、何继善、罗延钟等为代表的中国物探工作者对影响矿化岩石及矿石极化率值的因素、良导体性矿体的激发极化饱和效应、金属矿上的频谱激电的物理化学基础、激发极化的非线性效应等基础理论进行了系统研究，取得创造性和重要实用价值的研究成果。此外，中国在激电找水技术方面也取得显著成果，技术水平和效果居世界前列。

在数值模拟方法方面，随着计算机技术的飞速发展，数值模拟已成为地球物理勘探研究的重要手段。常用的数值模拟方法包括有限元法、有限差分法、边界元法和积分方程法等。有限元法具有对复杂地质模型适应性强的特点，能够将求解区域离散为有限个单元，通过对单元的分析和组装来求解整个区域的场分布；有限差分法是将求解区域划分为网格，用差商代替微商，将微分方程转化为差分方程进行求解，计算效率较高；边界元法只需对边界进行离散，降低了问题的维数，在处理无限域问题时具有优势；积分方程法通过将微分方程转化为积分方程，利用格林函数求解场分布，在处理一些特殊地质模型时表现出独特的优势。这些数值模拟方法在地球物理电法勘探中得到广泛应用，为研究地质体的电场分布规律提供了有力工具。

在激电异常微分特性研究方面，国内外学者也开展了相关工作。部分研究通过对激电异常进行微分处理，试图提取更多关于地质体的信息。然而，目前对于体极化激电异常水平微分特性的研究还不够系统和深入。现有研究在不同地质模型下的激电异常水平微分特性分析方面存在不足，未能全面总结出视极化率的水平微分特性与异常体的倾向、埋深等之间的准确对应关系。此外，