井中物探方法在金屬礦勘查中的應(yīng)用效果

鄧 波，李金忠

（四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四〇三地質(zhì)隊，四川 峨眉 614200）

隨著露天和近地表金屬礦產(chǎn)的查明，在地表淺部找到大型或超大型金屬礦床的難度越來越大，礦產(chǎn)勘查工作逐漸轉(zhuǎn)向深部。然而，礦體因深埋藏于地下，與礦產(chǎn)有關(guān)的地質(zhì)信息就不易直接得到。

物探方法在礦產(chǎn)勘查開發(fā)領(lǐng)域已經(jīng)有上百年的歷史，并發(fā)揮了重要的作用[1]，現(xiàn)在又成為深部找礦最要的方法技術(shù)之一。作為地面物探在鉆井中的延生，在深部找礦中，尤其是在鉆井外圍和底部有著其他地面物探方法無法比擬的優(yōu)勢。探測儀器置于鉆井中，就更接近深部礦體，接收信號強(qiáng)；并且受地形、地表覆蓋層和人文干擾影響小。目前，井中三分量磁測和井中激發(fā)極化法作為最常用的兩種井中物探方法，已得到越來越多的應(yīng)用。

有人常將常規(guī)測井和井中物探混淆。雖然井中物探和常規(guī)測井都屬于井中地球物理勘查，但井中物探是探測鉆孔周圍更大空間內(nèi)巖、礦層的一些物理性質(zhì)的總和，發(fā)現(xiàn)、追索和圈定礦化帶、礦體的大致范圍，研究井間礦體的連續(xù)性等問題[1]。而常規(guī)測井則主要是測定井壁小范圍內(nèi)巖、礦層的地球物理特征，當(dāng)然也包括探礦工程所穿越的礦體的地球物理特征（表1）。

表1 井中物探、常規(guī)測井和地面物探技術(shù)對比

1 井中三分量磁測

1.1 方法原理及應(yīng)用領(lǐng)域

在鉆井中測定巖石、隱伏磁性礦體的磁場強(qiáng)度。測定磁場相互垂直的三個分量，即兩個水平分量和一個垂直分量，然后進(jìn)行計算處理，并按照解釋需要繪制成相應(yīng)的圖形，并進(jìn)行推斷解釋[1,2]。

目前，井中三分量磁測主要用于以下幾點：①劃分鉆井內(nèi)的磁性層，區(qū)分磁性層的礦與非礦異常，并推斷其產(chǎn)狀；②預(yù)測井底盲礦體賦存情況，為是否繼續(xù)鉆進(jìn)提供依據(jù)；③預(yù)測井旁盲礦體賦存情況，為下步探礦工程提供依據(jù)；④計算井底或井周盲礦體中心埋深及與鉆孔的距離，并推斷其產(chǎn)狀；⑤為鉆井提供井斜資料（傾角、方位）[2-5]。

圖1 ZK1702鉆孔113～276m井中三分量磁測推斷圖

1.2 應(yīng)用案例

圖1是井中三分量磁測發(fā)現(xiàn)井旁盲礦的一個例子。四川省鹽邊縣某釩鈦磁鐵礦區(qū)ZK1702鉆孔，打鉆未見到礦體，揭露巖體均為花崗巖，經(jīng)井中三分量磁測，發(fā)現(xiàn)旁側(cè)130～270m存在較大范圍異常。從ΔT′矢量圖可以看出，該段磁異常收斂矢量與發(fā)散矢量的方向相反，即收斂矢量的正向交匯方向與發(fā)散矢量反向交匯方向一致，說明該鉆孔打在礦體傾向側(cè)旁。該異常曲線比較圓滑，異常強(qiáng)度較大，ΔZ異常值在-3000～300nT之間，主要為負(fù)異常，異常曲線形態(tài)比較清晰，為“C”形特征；ΔH′異常值主要在-1000～1000nT之間，上半段為正異常，下半段為負(fù)異常，異常曲線形態(tài)比較清晰，為反“S”形特征。由此推測，該盲礦體位于鉆孔的北、北東、北西側(cè)，傾向為北東向。利用異常特征點法進(jìn)行人工和三分量實時處理軟件計算，求出礦體中心埋深約195m，礦頭距離鉆孔約80m。

圖2是井中三分量磁測發(fā)現(xiàn)井底盲礦的又一個例子。四川省會理縣某銅礦區(qū)ZK-5301鉆孔至690m，未見礦體。經(jīng)井中三分量磁測，發(fā)現(xiàn)鉆井底部存在明顯開口狀異常，建議繼續(xù)鉆進(jìn)，后在724m見約50m厚的磁鐵礦體。

目前，我國許多重要的金屬礦區(qū)正面臨著“第二深度空間”找礦任務(wù)，即找埋深較大的隱伏金屬礦床。應(yīng)用井中三分量磁測，可減少投資，提高效率，降低地質(zhì)找礦風(fēng)險。

2 井中激發(fā)極化法

2.1 方法原理與應(yīng)用領(lǐng)域

井中激發(fā)極化法（井中激電）是地面激發(fā)極化法在鉆孔中的應(yīng)用，所使用的電極排列、儀器設(shè)備和方法技術(shù)亦類似[6]。

圖2 ZK-5301井中三分量磁測綜合矢量圖

五十年代的井中激發(fā)極化法稱人工電位測井，其測量方法是保持供電電流恒定，沿井連續(xù)記錄斷電后的激發(fā)極化二次場電位差，主要用于油田和煤田勘探中劃分和校驗鉆孔地質(zhì)剖面，查明和評價含油層或煤層。這種測量方式的主要缺點是測量結(jié)果受巖礦層電阻率的影響，特別是鉆孔地質(zhì)剖面電性劇烈變化的金屬礦區(qū)，人工電位測井不可能提供比視電阻率測井更有價值的資料。由此發(fā)展了時間域和頻率域，并采用電位差比值的井中激發(fā)極化測量。在金屬礦區(qū)，隨著普查勘探深部隱伏礦體的需要，為了擴(kuò)大鉆孔的有效半徑，在六十年代初期按供電和測量裝置所在位置的不同，逐漸形成了一整套井中激發(fā)極化法的工作方式，它可分為以下三種[6]：

1）地表-井中工作方式，簡稱地-井方式。即供電電極A置于地面，供電電極B離井口相當(dāng)遠(yuǎn)作為“無窮遠(yuǎn)”極，測量裝置 MN則置于鉆井中并沿井進(jìn)行激發(fā)極化測量。常用的有兩種排列：一種是把金屬套管用作A極，即所謂井口接地（r=0）地-井方式；另一種是供電電極A置于距井口某一距離r，并改變其相對于鉆井的方位，在井中對每一不同A極方位進(jìn)行逐次激發(fā)極化測量，稱作地-井方式方位測量，可用來查明井旁盲礦并確定其空間位置。

2）井中-地表工作方式，簡稱井-地方式。即把供電電極 A放入鉆井中，供電電極B離井口相當(dāng)遠(yuǎn)作為“無窮遠(yuǎn)”極，測量裝置則置于地面。固定井中供電點源A的深度，在地面按一定測網(wǎng)沿剖面測量的排列，稱為井-地方式剖面測量，它主要是用來圈定和追索礦體或礦化帶范圍。相反，若在井中改變供電點源A的深度，在地面移動測量裝置MN，或距井口某一距離固定測量裝置進(jìn)行激發(fā)極化測量的排列，稱作井-地方式激電測深，它主要是用來預(yù)報井底盲礦。

3）井中-井中工作方式，簡稱井-井方式。其中把供電電極和測量裝置放入同一個鉆井中進(jìn)行激發(fā)極化測量的稱單井井-井方式。把供電電極A放入一個鉆井中某一深度，電極B在地面為“無窮遠(yuǎn)”極，而把測量裝置放入相鄰的另一鉆井中進(jìn)行激發(fā)極化測量的排列稱作雙井井-井方式。它主要用來發(fā)現(xiàn)井間盲礦，確定已被鉆井揭露的礦層間的連續(xù)性。

2.2 應(yīng)用案例

圖3是利用地-井方式測量發(fā)現(xiàn)井旁盲礦體的一個例子[7]。廣東凡口鉛鋅礦鐵石嶺區(qū)段的CA2孔，打鉆未見到礦體，于是開展了地-井方式激發(fā)極化法測量。鉆井的N、E、S方位在井深500～600m之間顯示出“相對低阻高極化” 異常特征，W方位無異常顯示，其中在S方位異常范圍和強(qiáng)度最大，E和N方位的異常強(qiáng)度次之。根據(jù)該異常特征，在鉆井的S方位100m處布設(shè)了CA3鉆孔，結(jié)果見到約30m厚的富鉛鋅礦體。

圖3 CA2孔綜合測井Ⅰ號異常圖

圖4是利用地-井方式測量發(fā)現(xiàn)井底盲礦體的一個例子[6]。ZK603位于內(nèi)蒙古某銅礦Ⅳ礦段東端1勘探線上，井深199.37m，110～152.17m見到硫化礦層。由于鉆孔坍塌，井中激電只測到100m。從50～100m井段沒見到礦層，在激電測井曲線上也沒有任何異常顯示。r=0m和A極在北東40°r=50m的ηs曲線圖。從圖上可以看出，兩曲線在40～80m無異常顯示，但從80～100m井段呈現(xiàn)明顯的開口狀異常。用任意點法分別對兩條曲線進(jìn)行估算，礦層頂板埋深分別為108和109m，平均108.5m。經(jīng)查看巖芯，實際硫化礦層頂板為110m，兩者深度僅差1.5m。

圖4 ZK603井中激電曲線圖

圖5 井-地剖面測量曲線圖

圖5是利用井-地剖面測量沿走向追索礦體的一個例子[6]。內(nèi)蒙古某銅鎳鈷礦區(qū)28號地面激電和化探綜合異常經(jīng)鉆探初步驗證，確定是由良導(dǎo)性的金屬硫化礦引起。起初只在ZK18的淺部（52m以上井段）見到較富的礦層，以后除在ZK19的40m附近見到礦層外，還在280～320m井段見到另一礦層。為了弄清兩孔所見礦層的關(guān)系并確定其走向范圍，分別在ZK18淺部礦層和ZK19深部礦層上充電，用井-地剖面測量觀測。當(dāng)在兩孔不同深度位置充電時，所得電位梯度曲線零值點連線的方向基本相同。特別是在91線，兩孔充電結(jié)果，電位梯度曲線都在同一點過零，這說明ZK18淺部和ZK19深部所見礦層屬于同一礦體，該礦體走向方向為北西南東向。

此后，在ZK64淺部又見到了較好的含礦斜長橄欖巖。為了搞清ZK64所見含礦層與前述礦層的關(guān)系，在ZK64充電測量。所得的電位梯度曲線零值點連線雖然走向方向與ZK18、ZK19充電所得結(jié)果相同，但它們之間出現(xiàn)很大的位移。據(jù)此可以斷定兩礦層間不相連。如果它們來源屬于同一礦層，則 85先到 87線之間很能有成礦后的斷層存在。

從以上案例可以看出，井中激發(fā)極化法探尋鉆井周圍盲礦體及通過地-井方位確定盲礦體的空間位置，為下步鉆探工程提供了依據(jù)，從而大大節(jié)約勘探成本。另外，井中激發(fā)極化法是把供電或測量裝置之一（或全部）放入鉆井，除了接近礦體可收到更強(qiáng)、更穩(wěn)定信號外，還減少地形以及地表覆蓋層對測量結(jié)果的影響。

3 討論

3.1 物探方法與技術(shù)的發(fā)展趨勢

近年來，物探方法與技術(shù)主要面臨著以下幾點挑戰(zhàn)：①增強(qiáng)深部的探測能力；②降低噪聲水平；③提高空間分辨率；④研發(fā)生產(chǎn)相關(guān)的儀器設(shè)備；⑤提高反演解釋的能力，研發(fā)相關(guān)的反演解釋軟件。

針對以上挑戰(zhàn)，物探方法與技術(shù)也面臨著重大改變。為了發(fā)現(xiàn)深部的微弱信號，增強(qiáng)探測能力，國內(nèi)外都在大力發(fā)展電磁波法，傳統(tǒng)的地面磁法和激發(fā)極化法在深部找礦中的應(yīng)用范圍越來越小。井中物探在尋找深部隱伏礦體時有其獨特的優(yōu)勢：①由于儀器設(shè)備總是全部或部分位于鉆井中，因此離探測對象更近，大大增強(qiáng)了激發(fā)極化強(qiáng)度和被接收的激發(fā)極化響應(yīng)，從而有效提高了物探的探測深度和發(fā)現(xiàn)深部隱伏盲礦的能力；②在井中測量時，可以減小地形或地表覆蓋層對測量結(jié)果的影響，降低了工區(qū)的人文噪音干擾；③由于場源或接收裝置位于鉆井中，可以從不同深度、不同方位接近或穿過礦體，從而提高了礦體的空間分辨能力；④將場源置于鉆井中的已知礦體上，可以在地面追蹤和圈定礦體或礦化帶的范圍；⑤在多井中進(jìn)行相互對測時，可以確定相鄰見礦孔中礦層的相關(guān)性，了解井間礦體賦存狀態(tài)，圈定礦體輪廓，發(fā)現(xiàn)井間盲礦。

3.2 當(dāng)前開展井中物探存在的問題與不足

雖然開展井中物探有其獨特的優(yōu)勢，且近年來取得了很大的進(jìn)步，但還存在一定的困難。

1）由于受井內(nèi)深部特殊的溫壓條件、井內(nèi)空間尺度有限等因素的限制，使得一些在地面上相對成熟、靈敏度和精度較高的儀器設(shè)備難以放入井中而無法測量。

2）專業(yè)儀器設(shè)備發(fā)展滯后。井中物探儀器設(shè)備落后，也制約著井中物探方法技術(shù)的推廣和應(yīng)用。例如，目前國內(nèi)還沒有專門開展井中激發(fā)極化法工作的儀器設(shè)備，所有井中激發(fā)極化法的開展都是利用地面激發(fā)極化法的測量儀器，顯然，地面激發(fā)極化法與井中激發(fā)極化法的工作方式和接地條件等都是存在差別的。

3）專業(yè)反演解釋軟件發(fā)展滯后。雖然井中物探與地面物探在方法原理上基本相同，但由于工作方式和工作條件發(fā)生了改變，使其解釋方法較地面物探有所不同，但現(xiàn)在井中物探解釋方法沿用地面物探的解釋技術(shù)，使其解釋結(jié)果往往不夠精確。

4）對井中物探的作用和地位認(rèn)識不夠。雖然井中物探方法已經(jīng)在很多礦區(qū)取得了可喜的效果，特別是在利用井中磁測尋找磁鐵礦和利用井中激發(fā)極化法尋找金屬硫化礦方面，效果更是驚人。但是目前開展井中物探的鉆井仍然只有很少的一部分，大大浪費了鉆井的可利用價值，歸根結(jié)底，就是部分人員不夠重視，沒有充分認(rèn)識到井中物探的作用和價值。

5）與鉆探工作人員的協(xié)調(diào)問題。由于開展井中物探工作要在鉆井中進(jìn)行，因此要占用鉆探上的大量時間，往往造成鉆探人員不愿意配合甚至反對井中物探工作，使得井中物探不能順利開展。

6）客觀原因使得井中物探無法開展。由于井中物探的全部或者部分儀器設(shè)備要放入鉆井中，因此，當(dāng)鉆井內(nèi)部垮塌比較嚴(yán)重時，甚至出現(xiàn)堵孔時，井中物探工作就無法開展。

4 結(jié)論與建議

由于認(rèn)識和技術(shù)上一些原因，阻礙了三分量磁測和井中激發(fā)極化法的應(yīng)用和推廣，造成了鉆井價值的大量浪費，也造成了鉆孔因設(shè)計不合理而與近在咫尺的礦體失之交臂的窘境?，F(xiàn)提出如下幾點建議：

1）加強(qiáng)相關(guān)儀器設(shè)備和方法技術(shù)的研究，以提高井中物探的整體解釋水平。

2）在金屬礦勘查中，將井中物探作為必須開展的工作納入地質(zhì)勘查規(guī)范，以提高礦床發(fā)現(xiàn)率和打鉆成功率、降低勘探風(fēng)險、節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，為礦產(chǎn)勘查開發(fā)提供更好的服務(wù)。

3）有針性地開展井中物探工作。如在磁鐵礦區(qū)開展井中三分量磁測，在金屬硫化礦區(qū)開展井中激發(fā)極化法測量。

4）使鉆探工作人員充分認(rèn)識開展井中物探的必要性，以期井中物探工作可以在鉆井中順利開展。

5）將井中物探列入地質(zhì)調(diào)查項目預(yù)算，并建立標(biāo)準(zhǔn)[8]。目前只有常規(guī)測井的預(yù)算標(biāo)準(zhǔn)，常規(guī)測井的預(yù)算標(biāo)準(zhǔn)不適合井中物探的要求。

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