淺談三分量磁測(cè)井的原理及應(yīng)用

劉蒙恩，顧衛(wèi)

（1.首鋼地質(zhì)勘查院地質(zhì)研究所，北京 100144；2.重慶地質(zhì)儀器廠，重慶 400033）

1 緒論

隨著我國(guó)對(duì)鐵礦石資源的需求持續(xù)增大，淺部的礦體已將近開(kāi)采殆盡。對(duì)于深部礦而言，其在地面產(chǎn)生的磁異常很弱，所以地面磁法很難準(zhǔn)確推斷出礦體的賦存特征，如果采用電法，一是價(jià)格比較昂貴，二是電法在老礦區(qū)存在地形和工業(yè)電流干擾，效果也不是很理想。要想得到深部的磁性信息，三分量磁測(cè)井是一個(gè)不錯(cuò)方法，由于它可以直接進(jìn)入到地下幾百米甚至一兩千米，因而得到數(shù)據(jù)更真實(shí)可靠，結(jié)合找礦經(jīng)驗(yàn)及理論知識(shí)，可以很好地對(duì)未知礦體進(jìn)行判斷。

2 三分量磁測(cè)井原理

2.1 儀器設(shè)備及原理

儀器采用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的JGS-1B智能工程測(cè)井系統(tǒng)，探頭型號(hào)：JCX-3型三分量井中磁測(cè)探管。儀器分為絞車電纜部分、測(cè)井主機(jī)及三分量磁探頭組成。探頭里面有三個(gè)呈互相垂直關(guān)系的磁敏元件，安裝在一個(gè)可以沿鉛垂方向自由擺動(dòng)和水平方向自由轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置上，在重力的作用下Z磁敏元件一直垂直向下，感應(yīng)垂直分量；XY磁敏元件會(huì)隨著探管的傾斜方向的變化而整體轉(zhuǎn)動(dòng)，其中X指向探管傾向（見(jiàn)圖1）。

因此，如果所測(cè)井為直孔時(shí)，水平轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)無(wú)法確定XY的指向，在測(cè)井的過(guò)程中，它們的指向是無(wú)法得知的，因而測(cè)得的XY值無(wú)法進(jìn)行解析。

圖1 三分量探管內(nèi)磁敏元件

2.2 三分量探管主要技術(shù)指標(biāo)

以重慶地質(zhì)儀器廠的JCX-3型三分量井中磁測(cè)探管為例，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：

· 測(cè)量范圍：－99999nT～＋99999nT

·X、Y磁敏元件轉(zhuǎn)向差≤400nT

·Z磁敏元件轉(zhuǎn)向差≤300nT

· 傾角測(cè)量范圍0～45°，誤差小于0.2°

· 方位角測(cè)量范圍0～360°，誤差小于2°（傾角≥3°）

· 線性度≤2‰

· 數(shù)字輸出，更新速度≥3次／秒

· 探管外形尺寸：Φ40×1400mm

· 測(cè)量井深≤2000m

· 探管耐壓≤150kg／cm2

· 配用電纜：4芯鎧裝電纜

· 工作環(huán)境：溫度：0～70℃；濕度：90%（40℃）

2.3 測(cè)定及驗(yàn)證三個(gè)磁敏元件的方向

如果對(duì)探管的三個(gè)分量的方向不太清楚，可以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定驗(yàn)證，仍以重慶地質(zhì)儀器廠的JCX-3型三分量井中磁力儀為例，首先把儀器組裝好，把探頭放在校正臺(tái)上（如果沒(méi)有校正臺(tái)，也可直接把探頭靠在椅子上，這樣數(shù)據(jù)的質(zhì)量可能要差一些），然后用羅盤打出磁北方位，并把校正臺(tái)0度對(duì)正磁北方向并調(diào)平，之后可以進(jìn)行測(cè)試。共進(jìn)行兩項(xiàng)測(cè)試。

2.3.1 垂直擺動(dòng)測(cè)試

探管傾向不變（如定為0度）并不斷改變頂角，測(cè)得的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1

由表中數(shù)據(jù)可以看出，在傾角增大時(shí)，XYZ三個(gè)分量基本保持不變（變化幅度為幾百納特，為儀器允許的誤差范圍），說(shuō)明探頭的垂直擺動(dòng)系統(tǒng)工作正常。2.3.2 XY方向測(cè)試

探管頂角不變（如保持為20度）并不斷改變傾向，測(cè)得的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2

由上表可以看出，當(dāng)方位角設(shè)定為0度時(shí)，Y分量接近零，X分量為最大正值，說(shuō)明X分量為指向探管的傾向方向。當(dāng)方位角為60度時(shí)，X減小，Y為負(fù)值，說(shuō)明Y指向從上面看X方向的順時(shí)針90度方向（如圖1所示）。

注：數(shù)據(jù)的偏差可能受三個(gè)因素影響：1.校正臺(tái)不太水平；2.校正臺(tái)附近存在磁性干擾；3.儀器本身的測(cè)量誤差。

3 三分量磁測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)收集整理

需要收集整理的數(shù)據(jù)有以下幾種：

（1）鉆孔位置的地磁參與場(chǎng)（IGRF），地磁場(chǎng)水平分量H0，垂直分量Z0，磁偏角D。

（2）鉆孔的測(cè)斜資料：包括深度、頂角（傾角）、方位角。

（3）地質(zhì)剖面方位角。

（4）三分量磁測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)（深度、XYZ三個(gè)分量值）。

3.2 數(shù)據(jù)計(jì)算方法

3.2.1 剩余垂直分量ΔZ

只需用測(cè)得的數(shù)值減去Z0（ΔZ＝Z－Z0）。

3.2.2 水平分量的處理

能夠得到三個(gè)參量：ΔH⊥（剩余水平分量在地質(zhì)剖面的投影）、ΔH∥（剩余水平分量在地質(zhì)剖面的垂直剖面的投影）。計(jì)算見(jiàn)圖2，可以用矢量的合成分解法。

圖2 用矢量合成分解法求解水平分量

具體實(shí)現(xiàn)方法：根據(jù)鉆孔方位角和地質(zhì)剖面方位角的相對(duì)關(guān)系，把XY分量投影到地質(zhì)剖面（H⊥）及其垂直剖面（H∥）上，再把水平分量H0投影到上述兩個(gè)剖面上（H0⊥、H0∥），然后用前面的兩個(gè)數(shù)值分別減去后面的兩個(gè)數(shù)值，就得到了ΔH⊥和ΔH∥。

4 數(shù)據(jù)成圖

得到每個(gè)測(cè)點(diǎn)的ΔZ、ΔH⊥及ΔH∥后，可以繪制曲線和矢量線，ΔZ曲線、ΔH⊥曲線、ΔT⊥矢量線及ΔT∥矢量線。關(guān)于曲線的繪制比較簡(jiǎn)單，下面重點(diǎn)介紹一下矢量線的繪制方法。

ΔT⊥矢量及ΔT∥矢量：它們相當(dāng)于測(cè)得的磁場(chǎng)矢量和理論地磁場(chǎng)矢量（T0）相減后得的剩余磁場(chǎng)矢量）在地質(zhì)剖面及其垂直剖面的投影。它們的垂直分量都是ΔZ，水平分量分別是ΔH∥及ΔH′。知道了這些就可以直接利用上面計(jì)算出來(lái)的數(shù)值來(lái)做圖了。下面是一個(gè)已經(jīng)完成鉆孔的成果圖。

圖3 一個(gè)完整鉆孔的三分量測(cè)井成果圖

5 測(cè)井成果圖推斷解釋

5.1 ΔZ曲線理論特征

我國(guó)大部分地區(qū)在北半球的中緯度地區(qū)，這里的地磁場(chǎng)方向?yàn)樾毕蛳?，屬斜磁化。礦體被磁化后產(chǎn)生的剩余磁場(chǎng)，相當(dāng)于圖4所示的一個(gè)磁鐵。

圖4 三分量磁測(cè)井ΔZ曲線特征

ΔZ曲線的有代表意義的特征有三個(gè)，對(duì)于測(cè)井曲線的解釋很有用，分別是：

5.1.1 “弓”字型異常

見(jiàn)于見(jiàn)礦鉆孔，見(jiàn)礦前在高于礦頭（N極）位置，曲線呈現(xiàn)微弱負(fù)開(kāi)口，到達(dá)礦頭附近，曲線接近零值，礦頭以下至見(jiàn)礦前曲線呈現(xiàn)正異常逐漸加大趨勢(shì)，見(jiàn)礦后由于內(nèi)磁場(chǎng)和外磁場(chǎng)反向，所以曲線立即出現(xiàn)很大負(fù)異常（如果礦體品位高且品位穩(wěn)定，該負(fù)值也基本恒定），出礦后又立即變?yōu)檎挡⒅饾u收斂，至礦尾（S極）接近零值，之后出現(xiàn)一個(gè)微弱負(fù)異常并緩慢歸零。

5.1.2 “S”型異常

見(jiàn)于井旁有礦頭的鉆孔，當(dāng)鉆孔附近有一個(gè)盲礦體，且礦體的礦頭（N極）距鉆孔較近時(shí)，高于礦頭時(shí)，受礦頭產(chǎn)生的向上磁場(chǎng)作用，故此產(chǎn)生一個(gè)負(fù)異常，到達(dá)礦頭標(biāo)高附近減小為接近零，在礦頭標(biāo)高以下部分礦體產(chǎn)生的磁場(chǎng)向下，故產(chǎn)生一個(gè)正異常。這種負(fù)－正異常交替出現(xiàn)的組合形狀像一個(gè)“S”。

5.1.3 反“S”型異常

和“S”型異常相反，反“S”異常出現(xiàn)在井旁有礦尾的鉆孔。當(dāng)鉆孔附近有一個(gè)盲礦體尾部（S極）時(shí)，在礦體尾部標(biāo)高以上，磁場(chǎng)方向向下，故產(chǎn)生的異常為一個(gè)正異常；礦體尾部標(biāo)高附近，磁場(chǎng)接近水平，異常也接近零；在礦體尾部標(biāo)高以下，磁場(chǎng)方向變?yōu)橄蛏?，故異常為一個(gè)負(fù)異常。反“S”異常是一個(gè)正－負(fù)異常組合。

5.2 ΔT∥矢量用法

ΔT∥矢量在測(cè)井成果圖的解釋中沒(méi)有用，之所以畫(huà)出ΔT∥矢量，是為了確認(rèn)剖面方位角和礦體的關(guān)系是否合適。一般的地質(zhì)剖面總是盡量垂直礦體走向方向，這樣，礦體產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向大體都平行于剖面方向，投影后很接近真實(shí)的磁場(chǎng)方向、失真很小，但當(dāng)剖面到達(dá)礦體的邊緣或礦體沒(méi)有一個(gè)明顯走向時(shí)，地質(zhì)剖面方向的選取就可能不是很合理，這樣對(duì)測(cè)井異常的解釋會(huì)造成偏差，甚至判斷錯(cuò)誤。

所以繪制測(cè)井曲線時(shí)畫(huà)出該矢量可以加以驗(yàn)證，如果該矢量沒(méi)有明顯規(guī)律，呈現(xiàn)比較凌亂的樣子，就說(shuō)明原剖面方向選取正確。

5.3 ΔT⊥矢量用法

這個(gè)矢量其實(shí)就是礦體產(chǎn)生的磁場(chǎng)在觀測(cè)剖面的投影，其方向?yàn)榇帕€的切線方向，大小和磁力線的密度成正比。我們一般取地質(zhì)剖面的方向?yàn)榇怪钡V體走向，這樣礦體產(chǎn)生的磁場(chǎng)在地質(zhì)剖面的投影較強(qiáng)，在其垂直剖面的投影較弱。

ΔZ曲線雖然可以通過(guò)“S”異常、反“S”異常判斷有井旁礦體頭部、尾部，但是對(duì)于該礦體頭、尾部處于鉆孔的哪個(gè)方位卻無(wú)能為力，因?yàn)椴还茉谀膫€(gè)方位都能產(chǎn)生一樣的曲線。

這時(shí)就得依靠ΔT⊥矢量。要想準(zhǔn)確判斷盲礦體的方位，就得找到一個(gè)合適的剖面方位角。具體方法為首先用地質(zhì)剖面方位角做出圖3那樣的測(cè)井曲線圖，然后觀察兩個(gè)矢量的特征，如果有一個(gè)明顯有優(yōu)勢(shì)，而另一個(gè)幅度較小且比較雜亂，說(shuō)明有優(yōu)勢(shì)的那個(gè)矢量所在的剖面是合適的。如果是ΔT⊥矢量有明顯優(yōu)勢(shì)，則就用該圖來(lái)判斷盲礦體，如果不是，就改變剖面方位角并重新計(jì)算成圖，直到ΔT⊥矢量有明顯優(yōu)勢(shì)而ΔT∥矢量幅值較小且比較凌亂為止。

下面是一個(gè)很好實(shí)際例子，用來(lái)判斷盲礦體的方向。該孔的200～300m附近出現(xiàn)一個(gè)明顯的“S”型ΔZ曲線，由此可知該孔附近存在一個(gè)盲礦體。圖5左是由地質(zhì)人員提供的勘探線方位方向所繪制的測(cè)井曲線，可見(jiàn)ΔT⊥矢量比較凌亂，不太容易解釋，如果沒(méi)繪制出ΔT∥矢量，也就無(wú)法準(zhǔn)確判斷盲礦方位。后來(lái)把勘探線旋轉(zhuǎn)90度后再繪制出測(cè)井曲線，就發(fā)現(xiàn)ΔT⊥矢量指向規(guī)則，其在260米深度附近存在一個(gè)明顯的矢量反向交匯，說(shuō)明交匯處就是盲礦體頭部所在位置。

圖5 利用ΔT⊥矢量判斷盲礦方位的實(shí)例

除了判斷盲礦體的方位，根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，礦體的內(nèi)矢量一般與其傾向垂直，借此可以大致判斷礦體的傾向，見(jiàn)圖6。

圖6 利用ΔT⊥矢量判斷礦體產(chǎn)狀

5.4 ΔH⊥曲線特征

我國(guó)大部分處于北半球中緯度地區(qū)，這里地磁場(chǎng)為斜向下，故此礦體產(chǎn)生的磁異常一般也斜向下。對(duì)于低緯度地區(qū)，由于地磁場(chǎng)接近水平，利用ΔZ曲線很難對(duì)異常進(jìn)行解釋，這時(shí)就用到了ΔH⊥曲線，解釋方法與ΔZ曲線類似。

6 井地聯(lián)合正反演

為對(duì)礦體進(jìn)行定量解釋，可以利用地面精測(cè)剖面進(jìn)行反演解釋，推斷出礦體的產(chǎn)狀及埋深，為地質(zhì)人員布鉆提供參考和依據(jù)。但隨著深度的加大，地面異常變得相當(dāng)微弱，甚至低于磁測(cè)的測(cè)量誤差，這時(shí)，很難再單純使用地面異常進(jìn)行正反演計(jì)算了。

如果礦區(qū)已經(jīng)有了部分深部鉆孔，并進(jìn)行了井中三分量磁測(cè)，這樣就可以利用這些數(shù)據(jù)來(lái)和地面數(shù)據(jù)一起進(jìn)行正反演計(jì)算，可以大大提高找礦效果（即見(jiàn)礦率）。

實(shí)現(xiàn)方法為：鉆孔可以當(dāng)作一個(gè)縱剖面，地面磁測(cè)為橫剖面，三分量磁測(cè)井的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行合成與分解，得到想要計(jì)算的分量（或總場(chǎng)），然后計(jì)算出每個(gè)位置的理論磁異常。圖7為一個(gè)例子。

圖7 井地聯(lián)合正反演實(shí)例

7 結(jié)束語(yǔ)

總之，通過(guò)三分量磁測(cè)井可以大大彌補(bǔ)深部磁性信息較弱帶來(lái)的困難，可以發(fā)現(xiàn)井旁盲礦體及井底一定深度內(nèi)的盲礦體，可以對(duì)鉆探施工提供指導(dǎo)意見(jiàn)，還可以推斷礦體產(chǎn)狀，幫助地質(zhì)人員進(jìn)行及時(shí)改變?cè)O(shè)計(jì)方案及對(duì)地質(zhì)連圖提出意見(jiàn)和建議。通過(guò)井地聯(lián)合反演，更可以大大提高磁法解釋的準(zhǔn)確度。

以上是本人從事三分量磁測(cè)井多年來(lái)積累的一些經(jīng)驗(yàn)，由于水平有限，其中難免存在一些錯(cuò)誤和不足，希望多多提出寶貴意見(jiàn)和建議。

［1］首鋼地質(zhì)勘探公司《冀東遷安沉積變質(zhì)鐵礦井中三分量磁測(cè)磁異常綜合研究》，1986.

［2］首鋼地質(zhì)勘探公司《冀東遷安沉積變質(zhì)鐵礦磁異常綜合研究》，1984.

［3］重慶地質(zhì)儀器廠《論文集：測(cè)井、地震、電法方法技術(shù)》，2006.

［4］范正國(guó)，黃旭釗，熊盛青.等.磁測(cè)井資料應(yīng)用技術(shù)要求 ［M］.北京：地質(zhì)出版社，2010.