井中物探方法在金属矿勘查中的应用效果

2014-05-03李金忠

四川地质学报 2014年2期

邓波，李金忠

（四川省地质矿产勘查开发局四〇三地质队，四川峨眉 614200）

随着露天和近地表金属矿产的查明，在地表浅部找到大型或超大型金属矿床的难度越来越大，矿产勘查工作逐渐转向深部。然而，矿体因深埋藏于地下，与矿产有关的地质信息就不易直接得到。

物探方法在矿产勘查开发领域已经有上百年的历史，并发挥了重要的作用[1]，现在又成为深部找矿最要的方法技术之一。作为地面物探在钻井中的延生，在深部找矿中，尤其是在钻井外围和底部有着其他地面物探方法无法比拟的优势。探测仪器置于钻井中，就更接近深部矿体，接收信号强；并且受地形、地表覆盖层和人文干扰影响小。目前，井中三分量磁测和井中激发极化法作为最常用的两种井中物探方法，已得到越来越多的应用。

有人常将常规测井和井中物探混淆。虽然井中物探和常规测井都属于井中地球物理勘查，但井中物探是探测钻孔周围更大空间内岩、矿层的一些物理性质的总和，发现、追索和圈定矿化带、矿体的大致范围，研究井间矿体的连续性等问题[1]。而常规测井则主要是测定井壁小范围内岩、矿层的地球物理特征，当然也包括探矿工程所穿越的矿体的地球物理特征（表1）。

表1 井中物探、常规测井和地面物探技术对比

1 井中三分量磁测

1.1 方法原理及应用领域

在钻井中测定岩石、隐伏磁性矿体的磁场强度。测定磁场相互垂直的三个分量，即两个水平分量和一个垂直分量，然后进行计算处理，并按照解释需要绘制成相应的图形，并进行推断解释[1,2]。

目前，井中三分量磁测主要用于以下几点：①划分钻井内的磁性层，区分磁性层的矿与非矿异常，并推断其产状；②预测井底盲矿体赋存情况，为是否继续钻进提供依据；③预测井旁盲矿体赋存情况，为下步探矿工程提供依据；④计算井底或井周盲矿体中心埋深及与钻孔的距离，并推断其产状；⑤为钻井提供井斜资料（倾角、方位）[2-5]。

图1 ZK1702钻孔113～276m井中三分量磁测推断图

1.2 应用案例

图1是井中三分量磁测发现井旁盲矿的一个例子。四川省盐边县某钒钛磁铁矿区ZK1702钻孔，打钻未见到矿体，揭露岩体均为花岗岩，经井中三分量磁测，发现旁侧130～270m存在较大范围异常。从ΔT′矢量图可以看出，该段磁异常收敛矢量与发散矢量的方向相反，即收敛矢量的正向交汇方向与发散矢量反向交汇方向一致，说明该钻孔打在矿体倾向侧旁。该异常曲线比较圆滑，异常强度较大，ΔZ异常值在-3000～300nT之间，主要为负异常，异常曲线形态比较清晰，为“C”形特征；ΔH′异常值主要在-1000～1000nT之间，上半段为正异常，下半段为负异常，异常曲线形态比较清晰，为反“S”形特征。由此推测，该盲矿体位于钻孔的北、北东、北西侧，倾向为北东向。利用异常特征点法进行人工和三分量实时处理软件计算，求出矿体中心埋深约195m，矿头距离钻孔约80m。

图2是井中三分量磁测发现井底盲矿的又一个例子。四川省会理县某铜矿区ZK-5301钻孔至690m，未见矿体。经井中三分量磁测，发现钻井底部存在明显开口状异常，建议继续钻进，后在724m见约50m厚的磁铁矿体。

目前，我国许多重要的金属矿区正面临着“第二深度空间”找矿任务，即找埋深较大的隐伏金属矿床。应用井中三分量磁测，可减少投资，提高效率，降低地质找矿风险。

2 井中激发极化法

2.1 方法原理与应用领域

井中激发极化法（井中激电）是地面激发极化法在钻孔中的应用，所使用的电极排列、仪器设备和方法技术亦类似[6]。

图2 ZK-5301井中三分量磁测综合矢量图

五十年代的井中激发极化法称人工电位测井，其测量方法是保持供电电流恒定，沿井连续记录断电后的激发极化二次场电位差，主要用于油田和煤田勘探中划分和校验钻孔地质剖面，查明和评价含油层或煤层。这种测量方式的主要缺点是测量结果受岩矿层电阻率的影响，特别是钻孔地质剖面电性剧烈变化的金属矿区，人工电位测井不可能提供比视电阻率测井更有价值的资料。由此发展了时间域和频率域，并采用电位差比值的井中激发极化测量。在金属矿区，随着普查勘探深部隐伏矿体的需要，为了扩大钻孔的有效半径，在六十年代初期按供电和测量装置所在位置的不同，逐渐形成了一整套井中激发极化法的工作方式，它可分为以下三种[6]：

1）地表-井中工作方式，简称地-井方式。即供电电极A置于地面，供电电极B离井口相当远作为“无穷远”极，测量装置 MN则置于钻井中并沿井进行激发极化测量。常用的有两种排列：一种是把金属套管用作A极，即所谓井口接地（r=0）地-井方式；另一种是供电电极A置于距井口某一距离r，并改变其相对于钻井的方位，在井中对每一不同A极方位进行逐次激发极化测量，称作地-井方式方位测量，可用来查明井旁盲矿并确定其空间位置。

2）井中-地表工作方式，简称井-地方式。即把供电电极 A放入钻井中，供电电极B离井口相当远作为“无穷远”极，测量装置则置于地面。固定井中供电点源A的深度，在地面按一定测网沿剖面测量的排列，称为井-地方式剖面测量，它主要是用来圈定和追索矿体或矿化带范围。相反，若在井中改变供电点源A的深度，在地面移动测量装置MN，或距井口某一距离固定测量装置进行激发极化测量的排列，称作井-地方式激电测深，它主要是用来预报井底盲矿。

3）井中-井中工作方式，简称井-井方式。其中把供电电极和测量装置放入同一个钻井中进行激发极化测量的称单井井-井方式。把供电电极A放入一个钻井中某一深度，电极B在地面为“无穷远”极，而把测量装置放入相邻的另一钻井中进行激发极化测量的排列称作双井井-井方式。它主要用来发现井间盲矿，确定已被钻井揭露的矿层间的连续性。

2.2 应用案例

图3是利用地-井方式测量发现井旁盲矿体的一个例子[7]。广东凡口铅锌矿铁石岭区段的CA2孔，打钻未见到矿体，于是开展了地-井方式激发极化法测量。钻井的N、E、S方位在井深500～600m之间显示出“相对低阻高极化” 异常特征，W方位无异常显示，其中在S方位异常范围和强度最大，E和N方位的异常强度次之。根据该异常特征，在钻井的S方位100m处布设了CA3钻孔，结果见到约30m厚的富铅锌矿体。

图3 CA2孔综合测井Ⅰ号异常图

图4是利用地-井方式测量发现井底盲矿体的一个例子[6]。ZK603位于内蒙古某铜矿Ⅳ矿段东端1勘探线上，井深199.37m，110～152.17m见到硫化矿层。由于钻孔坍塌，井中激电只测到100m。从50～100m井段没见到矿层，在激电测井曲线上也没有任何异常显示。r=0m和A极在北东40°r=50m的ηs曲线图。从图上可以看出，两曲线在40～80m无异常显示，但从80～100m井段呈现明显的开口状异常。用任意点法分别对两条曲线进行估算，矿层顶板埋深分别为108和109m，平均108.5m。经查看岩芯，实际硫化矿层顶板为110m，两者深度仅差1.5m。

图4 ZK603井中激电曲线图

图5 井-地剖面测量曲线图

图5是利用井-地剖面测量沿走向追索矿体的一个例子[6]。内蒙古某铜镍钴矿区28号地面激电和化探综合异常经钻探初步验证，确定是由良导性的金属硫化矿引起。起初只在ZK18的浅部（52m以上井段）见到较富的矿层，以后除在ZK19的40m附近见到矿层外，还在280～320m井段见到另一矿层。为了弄清两孔所见矿层的关系并确定其走向范围，分别在ZK18浅部矿层和ZK19深部矿层上充电，用井-地剖面测量观测。当在两孔不同深度位置充电时，所得电位梯度曲线零值点连线的方向基本相同。特别是在91线，两孔充电结果，电位梯度曲线都在同一点过零，这说明ZK18浅部和ZK19深部所见矿层属于同一矿体，该矿体走向方向为北西南东向。

此后，在ZK64浅部又见到了较好的含矿斜长橄榄岩。为了搞清ZK64所见含矿层与前述矿层的关系，在ZK64充电测量。所得的电位梯度曲线零值点连线虽然走向方向与ZK18、ZK19充电所得结果相同，但它们之间出现很大的位移。据此可以断定两矿层间不相连。如果它们来源属于同一矿层，则 85先到 87线之间很能有成矿后的断层存在。

从以上案例可以看出，井中激发极化法探寻钻井周围盲矿体及通过地-井方位确定盲矿体的空间位置，为下步钻探工程提供了依据，从而大大节约勘探成本。另外，井中激发极化法是把供电或测量装置之一（或全部）放入钻井，除了接近矿体可收到更强、更稳定信号外，还减少地形以及地表覆盖层对测量结果的影响。

3 讨论

3.1 物探方法与技术的发展趋势

近年来，物探方法与技术主要面临着以下几点挑战：①增强深部的探测能力；②降低噪声水平；③提高空间分辨率；④研发生产相关的仪器设备；⑤提高反演解释的能力，研发相关的反演解释软件。

针对以上挑战，物探方法与技术也面临着重大改变。为了发现深部的微弱信号，增强探测能力，国内外都在大力发展电磁波法，传统的地面磁法和激发极化法在深部找矿中的应用范围越来越小。井中物探在寻找深部隐伏矿体时有其独特的优势：①由于仪器设备总是全部或部分位于钻井中，因此离探测对象更近，大大增强了激发极化强度和被接收的激发极化响应，从而有效提高了物探的探测深度和发现深部隐伏盲矿的能力；②在井中测量时，可以减小地形或地表覆盖层对测量结果的影响，降低了工区的人文噪音干扰；③由于场源或接收装置位于钻井中，可以从不同深度、不同方位接近或穿过矿体，从而提高了矿体的空间分辨能力；④将场源置于钻井中的已知矿体上，可以在地面追踪和圈定矿体或矿化带的范围；⑤在多井中进行相互对测时，可以确定相邻见矿孔中矿层的相关性，了解井间矿体赋存状态，圈定矿体轮廓，发现井间盲矿。

3.2 当前开展井中物探存在的问题与不足

虽然开展井中物探有其独特的优势，且近年来取得了很大的进步，但还存在一定的困难。

1）由于受井内深部特殊的温压条件、井内空间尺度有限等因素的限制，使得一些在地面上相对成熟、灵敏度和精度较高的仪器设备难以放入井中而无法测量。

2）专业仪器设备发展滞后。井中物探仪器设备落后，也制约着井中物探方法技术的推广和应用。例如，目前国内还没有专门开展井中激发极化法工作的仪器设备，所有井中激发极化法的开展都是利用地面激发极化法的测量仪器，显然，地面激发极化法与井中激发极化法的工作方式和接地条件等都是存在差别的。

3）专业反演解释软件发展滞后。虽然井中物探与地面物探在方法原理上基本相同，但由于工作方式和工作条件发生了改变，使其解释方法较地面物探有所不同，但现在井中物探解释方法沿用地面物探的解释技术，使其解释结果往往不够精确。

4）对井中物探的作用和地位认识不够。虽然井中物探方法已经在很多矿区取得了可喜的效果，特别是在利用井中磁测寻找磁铁矿和利用井中激发极化法寻找金属硫化矿方面，效果更是惊人。但是目前开展井中物探的钻井仍然只有很少的一部分，大大浪费了钻井的可利用价值，归根结底，就是部分人员不够重视，没有充分认识到井中物探的作用和价值。

5）与钻探工作人员的协调问题。由于开展井中物探工作要在钻井中进行，因此要占用钻探上的大量时间，往往造成钻探人员不愿意配合甚至反对井中物探工作，使得井中物探不能顺利开展。

6）客观原因使得井中物探无法开展。由于井中物探的全部或者部分仪器设备要放入钻井中，因此，当钻井内部垮塌比较严重时，甚至出现堵孔时，井中物探工作就无法开展。