地球物理测井在金属矿深部找矿中的应用

2021-10-28沈立军朱裕振李双张心彬周明磊高志军

测井技术 2021年4期

沈立军,朱裕振,李双,张心彬,周明磊,高志军

(1.山东省煤田地质规划勘察研究院,山东济南250104;2.中国地球物理学会煤田地球物理重点实验室,山东济南250104;3.山东省煤炭资源数字化工程技术研究中心,山东济南250104;4.山东省地质调查院,山东济南250014)

0 引言

地球物理测井首次应用于1927年,法国康拉德斯伦贝谢兄弟将原始地质资料与测井曲线进行对比分析,探讨了不同地层对应测井曲线的峰值反映,其后在石油[1-2]、天然气[3]、煤炭[4]、页岩气[5-6]、煤层气[7]、页岩油[8]等沉积矿产勘查中得到了广泛应用,在水文地质勘查[9]、构造识别[10]中也发挥了一定作用,在石膏[11]、岩盐[12]等矿产方面进行了少量的探索。

随着科技发展和计算机技术进步,新的测量手段如高分辨率感应、正交偶极声波成像测井等技术取得成功应用,测井成果定性、定量解释方法也取得了飞速发展[13]。地球物理测井在煤及油气等能源矿产的应用研究不断深入,但在金属矿产勘查中的应用相对较少,仅井中三分量磁测在磁铁矿找矿工作中得到了较为广泛的应用[14],激发极化测井在金矿、铜矿等金属矿勘探中进行了少量应用探索[15]。随着矿产勘查深度的不断增加,获取深部地质信息的难度与成本越来越大,地球物理测井成为结合钻孔获取地下信息的有效方法之一。该研究在山东齐河-禹城地区李屯铁矿深部找矿过程中将核、电、磁等地球物理测井技术纳入找矿方法体系中,探索研究地球物理测井在富铁矿深部找矿中发挥的作用。

1 成矿地质背景

李屯铁矿位于山东省西北部齐河-禹城地区,2015年该区首次在约1 200 m深度发现单层厚度近99 m的富磁铁矿,取得铁矿找矿空白区重大新发现[16-17],在李屯地区钻孔连续揭露了巨厚层富铁矿。

李屯铁矿大地构造位于华北板块鲁西隆起西北部,区域地层由浅至深分别为第四系、新近系、石炭二叠系、奥陶系和寒武系,第四系及新近系厚度900～1 200 m。区域构造以断裂构造为主、褶曲构造次之,据断裂构造展布特征,总体上分为北东-北北东向、北西-北北西向、近东西向三组,且前两者较发育。区域内岩浆岩主要为中生代侵入岩,均为隐伏岩体,主要依据重磁资料推测及少量钻孔揭露,岩性以闪长岩、辉长岩等中基性岩为主,分布于李屯大张一带,自北向南依次为李屯岩体、潘店岩体、大张岩体及东侧薛官屯岩体。

矿区内通过钻孔共圈定铁矿体4个,其编号分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号,均为隐伏矿体,埋深约1 100～1 300 m,矿体顶底板以矽卡岩为主,为矽卡岩型富铁矿,主要赋存于闪长岩体与石炭二叠系接触带部位。Ⅳ号矿体为主矿体,形态为厚层状,倾向约240°,倾角约21°,矿体真厚度53.57～97.45 m,平均真厚度77.39 m,矿体平均全铁含量为58.18%,磁铁含量为54.49%。

2 地球物理特征

2.1 密度特征

由表1可知,各时代岩层密度基本可分为高、中、低3类:①低密度岩层为新生界,密度平均值一般小于2.11×103kg/m3;②中密度岩石为中生界各群、古生界上部岩层和绝大多数的侵入岩、变质变形岩体,密度平均值2.39×103～2.75×103kg/m3;③高密度岩石为元古太古界的变质岩类、基性侵入岩类等,密度平均值2.86×103～2.90×103kg/m3。

表1 李屯铁矿及周边岩矿石密度参数一览表

单从沉积变质地层来看,地层由老到新,各个密度层呈现逐渐递减的趋势(见图1),大致可分为6个密度层。泰山岩群密度平均值最高(2.86×103～2.90×103kg/m3),寒武系、奥陶系岩石密度平均值相差不大(2.64×103～2.73×103kg/m3),石炭系和二叠系岩石的密度值平均为2.58×103～2.61×103kg/m3,侏罗系、白垩系岩石密度值为2.39×103～2.54×103kg/m3,古近系—新近系岩石密度值平均为2.11×103～2.55×103kg/m3,第四纪岩石密度平均值最小(1.71×103kg/m3)。

图1 各年代地层平均密度趋势图

侵入岩在相同岩性条件下,新太古代和元古代侵入岩的密度值较高,而更晚的中生代等侵入岩密度值偏低。同时,对于岩石本身而言,基性程度越高,密度值越大;酸性程度越高,岩石密度值越低。二长花岗岩密度2.60×103kg/m3,与奥陶纪灰岩密度(2.70×103～2.73×103kg/m3)相差不大。

李屯铁矿及周边各矿区的磁铁矿石与沉积地层相比均具有较高的密度。铁矿石密度值达4.44×103kg/m3,周边齐河县大张矿区的磁铁矿密度值为3.80×103kg/m3,莱芜张家洼矿区的磁铁矿密度值为4.03×103kg/m3,莱芜小官庄矿区的磁铁矿密度值为4.06×103kg/m3,金岭东召口矿区的磁铁矿密度值为4.27×103kg/m3,济南张马屯矿区的磁铁矿密度值为4.14×103kg/m3。磁铁矿石与沉积地层、岩浆岩密度差异明显。

2.2 磁性特征

由各类岩矿石磁性参数一览表(见表2)可知,各类岩矿石的磁性参数变化较大。沉积岩类呈现微磁性,岩浆岩磁性较弱,磁化率一般为650×10-5～3 800×10-5,酸性岩浆岩磁性低于中基性岩浆岩,矽卡岩型磁铁矿石的总体磁化率(63 788×10-5～21 610×10-5)和剩余磁化强度(46 377×103～56 700×10-3A/m)均显著高于围岩和岩体,且随着磁铁矿含量增加磁性增强,铁矿石与围岩具有明显的磁性差异。鉴于铁矿石与围岩明显的磁性差异,利用磁法手段圈定矿体、岩体和围岩是具备地球物理前提的。磁异常的范围和强度与铁矿床中矿石质量有密切的联系,铁成矿后遭受不同程度的改造,磁性随矿石中磁铁矿的含量增高而增强,但当遭受氧化后则因磁铁矿含量减少磁性减弱。

表2 李屯铁矿及周边岩矿石磁性参数一览表

3 数据采集与处理

3.1 核、电地球物理测井

电、核测井使用的仪器为西安瑞达物探仪器研究所研制的MTC-3000型数控测井系统,包括MTMD-G补偿密度自然伽马三侧向井径组合仪、MTSXR-G井斜井温补偿声波自然电位组合测井仪,其中铯源为137Cs源。测试参数主要有电阻率、自然电位、密度、自然伽马、补偿声波、井径、井斜等。核测井测速控制在6.0 m/min以下;测量其他参数时,地层采样间隔为0.05 m。在完成深度校正、飞点编辑、数值滤波等预处理后,根据相应的系数进行数据计算处理。

(1)密度计算公式为

ρb=ClogNrr+D

(1)

式中,ρb为岩石体积密度,g/cm3;C、D为探管刻度系数,C=-0.735,D=4.192;Nrr为长源距计数率,cps。

(2)自然伽马计算公式为

GR=ANG1F+B

(2)

式中,GR为自然伽马,API;A、B为探管刻度系:A=0.129 7,B=1.237 1;NG1F为自然伽马计数率,cps。

(3)交绘分析:做出密度自然伽马的频率交绘图,选取合适的参数,进行岩性计算,应用部分共轭梯度下降法使加权误差最小,得到一个岩性组成成份的最优解(砂、泥、水百分含量)。

(4)力学参数计算:根据弹性力学知识,可以根据介质的密度、纵波与横波的传播速度,确定介质的各种弹性参数。岩石的密度可根据密度测井资料获取,纵波时差可根据声波测井信息获取。

3.2 井中三分量磁测

磁测井使用的仪器为中地装(重庆)地质仪器有限公司研发的JGS-1B智能综合数字测井系统及JCX-3型井中磁力仪探管。磁力仪探管主要技术指标:测量范围-99 999～+99 999 nT;X、Y磁敏感元件转向差≤400 nT;Z磁敏感元件转向差≤300 nT;倾角测量范围0～45°,误差小于0.2°;方位角测量范围0～360°,误差小于2°(倾角≥3°)。测量点间距1 m,仪器提升速度控制在15 m/min以内。

(1)磁异常垂直分量计算公式

ΔZ=Z-Z0

(3)

式中,ΔZ为磁异常垂直分量,nT;Z为实测磁场垂直分量,nT;Z0为基点磁场垂直分量模量,可利用国际地磁参考计算求得,李屯铁矿Z0为43 233 nT。

(2)磁异常水平分量计算公式

(4)

式中,ΔH′为磁异常水平分量,nT;HX为实测磁场X分量,nT;HY为实测磁场Y分量,nT;H0为基点磁场水平分量模量,可利用国际地磁参考计算求得,李屯铁矿H0为30 223.2 nT。

(3)磁异常总强度模差ΔT′为ΔZ与ΔH′的合成,根据计算结果编制包括ΔZ、ΔH′及ΔT′的成果图。

4 测井成果应用

4.1 地层对比分析

李屯铁矿内磁铁矿均为深隐伏矿体,第四系和新近系覆盖层厚度较大,一般为800～900 m,钻探取心困难,严重影响了钻进效率,同时受热液作用影响深部地层蚀变严重,地层对比划分存在一定困难。以往研究表明,应用电阻率、自然伽马等测井参数可对岩相、地层层序进行识别划分[18-19]。该研究将地球物理测井与钻探相结合获取深部地质信息,综合分析地层岩石物性特征的规律及组合特征,为划分各段地层界线、确定地层重复或缺失等深部地质情况提供有效信息。

通过各岩层测井成果分析,上部地层由于未成岩或压实较差,密度和电阻率整体呈现低值;砂泥岩随着其泥质含量的增加,其自然伽马值增大,电阻率值相应降低;闪长岩具有明显的中低自然伽马值、中高密度值和高电阻率值特征;角岩具有较明显的低自然伽马值、中高密度值和高电阻率值特征;矽卡岩具有明显的高自然伽马值、高密度值和高电阻率值;磁铁矿具有极高密度值、低自然伽马值、中低电阻率值等特征,与围岩地层有一定差别(见表3)。

表3 李屯铁矿岩矿层物性特征表

各岩层典型物性特征见图2,不同岩性测井响应特征存在一定差异,可作为地层划分的参考。通过地球物理测井可根据不同物性特征进行钻孔内地层的对比划分,在厚覆盖层地区针对覆盖地层应用地球物理测井代替钻孔取心进行岩性地层划分,可有效提高钻探施工效率;在矿化蚀变发育地段,可为复杂地层划分提供辅助信息。

图2 李屯铁矿主要岩矿层物性特曲线

4.2 矿体赋存推测

利用井中三分量磁测ΔT′矢量图在寻找盲矿体时具有十分重要的意义[20-21]。井中旁侧及井底存在矿体时,磁测ΔT′矢量具有发散、汇聚的指向,通过其指向可判断矿体的范围及空间位置。在磁铁矿层内,ΔT′矢量杂乱而没有规律性,是典型的内磁场反映,结合ΔZ、ΔH′曲线形态,可推断钻孔穿过矿体的位置。若ΔZ、ΔH′曲线未被内磁场截断同时零值、极小值及极大值均已出现,指示了钻孔旁侧矿体的存在;若仅获得局部磁异常,则应进一步钻进,ΔZ曲线正开口、ΔH′曲线趋于或负开口时,见矿可能性较大。以近期实施的ZK5钻孔为例进行说明(见图3)。

图3 ZK5钻孔井中三分量磁测成果图

李屯铁矿ZK5钻孔960.00～964.00 m与966.00～970.00 m这2个井段监测到强磁异常。磁异常垂直分量ΔZ曲线,呈上正下负的反“S”形高幅值异常,在961.00 m位置处达到负极值-107 702 nT。磁异常水平分量ΔH′曲线呈正“C”形负异常形态,在963 m位置处达到负极值-20 953.3 nT。对应井段ΔT′矢量呈发散状态,反向汇聚于钻孔的北侧,结合地质钻孔编录资料,该位置见角岩且未见磁性矿物存在,据此推断钻孔的北侧存在隐伏磁性地质体。

ZK5钻孔1 165.00～1 176.00 m检测到一段异常幅值略低的磁异常段,垂直与水平磁异常曲线波动较为明显,对应钻孔编录资料,该井段为矽卡岩与薄层磁铁矿层互层。

ZK5钻孔1 183.00～1 239.00 m处检测到强磁异常段,垂直磁异常分量ΔZ曲线呈高幅值负异常形态,磁异常水平分量ΔH′曲线呈锯齿状波动的高幅值正异常形态,对应井段的ΔT′矢量呈高模值、杂乱无章状态,是典型的内磁场反映。通过钻孔岩心地质编录,确定该井段揭露厚层磁铁矿层。通过ΔZ和ΔH推断矿层倾角,其计算公式为

β=90-φ

(5)

式中,β为矿层倾角,(°);φ为总磁场方向与水平面夹角,(°),其计算公式为

φ=arctan |ΔZ/ΔH′|

(6)

式中,ΔZ为磁异常垂直分量,nT;ΔH′为磁异常水平分量,nT。

通过井中三分量磁测总结孔内磁场分布特征,分析磁性体的方位、磁化方向、倾斜方向等,推测钻孔旁侧或孔底是否存在盲矿体,大致判断磁性矿体的方位、倾角等空间展布特征。

4.3 地震测量解释

随着矿产勘查深度的不断增加,二维地震测量技术在金属矿深部找矿工作中局部开始推广应用[22-23],深部地质体密度、波速等信息作为地震资料解释的关键信息,成为深部地质勘查工作需获取的重要资料。在研究区富铁矿深部找矿工作中将二维地震引入勘查体系,用以剖析厚覆盖层下深部地质体展布特征,为富铁矿深部找矿预测提供重要支撑。

本次研究,根据已知钻孔的声波和密度等测井资料,获得该孔位置处声波阻抗曲线,以此求得反射系数,将反射系数与地震子波褶积,得到井孔位置处的合成地震记录。然后将合成地震记录与实际地震剖面对比,从而标定反射波地质层位。

从钻孔的密度和声波测井曲线可以看出(见图4),新生界底界与石炭纪地层、石炭二叠纪底界与矽卡岩、矽卡岩与铁矿体在波速、密度上均存在较明显差异,理论上可形成较明显的反射同相轴。通过地震合成记录可以看出(见图4),新生界底界面合成记录与实际井旁地震道相比,合成记录能量较低;矽卡岩与铁矿体接触面的合成记录表现特别明显,而实际井旁地震道则表现相对较差,可能原因为受地质体范围影响,实际地震记录较难分辨。整体来说,在一定时窗范围内,合成记录与实际井旁地震道吻合程度较高,测井资料可作为地震测量成果解释的支撑资料。