定向巖芯構(gòu)造分析及在金礦勘查中的運(yùn)用

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(1.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局，江蘇 南京 210018； 2.江蘇省地質(zhì)工程有限公司， 江蘇 南京 210018； 3.江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院，江蘇 南京 210049； 4.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局第一地質(zhì)大隊(duì)， 江蘇 南京 210041)

0 引 言

巖芯定向技術(shù)是通過(guò)對(duì)鉆孔巖芯作定向標(biāo)記，從而獲取帶有定向標(biāo)記方位角的定向巖芯，對(duì)定向巖芯復(fù)位測(cè)量或計(jì)算，即可求解出巖層層面或斷裂面的產(chǎn)狀。利用巖芯求取地下地層面或構(gòu)造面產(chǎn)狀傳統(tǒng)上常采用三點(diǎn)法、雙孔或單孔測(cè)斜數(shù)據(jù)推算法(董士尤等，1984；李素蘭等，1991；張碧琴等，1996)，存在不確定性或誤差較大。用定向巖芯求解構(gòu)造面產(chǎn)狀比較簡(jiǎn)單，適用性廣，結(jié)果可靠。

巖芯定向是固體礦產(chǎn)鉆探與開(kāi)采、工程勘查、石油天然氣勘探與開(kāi)發(fā)、大陸和大洋科學(xué)鉆探的重要工作內(nèi)容，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在石油勘探開(kāi)發(fā)中廣泛應(yīng)用(王海軍等，2011)。由于地質(zhì)巖芯直徑較小，地質(zhì)鉆探取芯對(duì)這項(xiàng)技術(shù)關(guān)注熱度不夠。隨著巖芯定向技術(shù)的發(fā)展(吳光琳，1992；路桂英等，2010)，巖芯定向的成本及誤差大幅下降。巖芯定向技術(shù)對(duì)正確判定地下巖(礦)層和斷裂面產(chǎn)狀、查明深部地質(zhì)構(gòu)造和礦體延伸，指導(dǎo)地質(zhì)勘探設(shè)計(jì)和礦床開(kāi)采都有很大意義。

1 定向巖芯中各夾角的測(cè)量

通常用記號(hào)筆在定向巖芯標(biāo)示孔底端線(BOH，Bottom Of Hole)，表示與鉆孔方位角相反的鉆孔底端位置(圖1a)。圓柱狀的巖芯與構(gòu)造面的交切面是一個(gè)橢圓，其長(zhǎng)軸由彎曲度最大的2個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)E—E′連線而成。過(guò)轉(zhuǎn)折點(diǎn)在巖芯表面平行于巖芯軸的線即為轉(zhuǎn)折線。橢圓長(zhǎng)軸較低一端標(biāo)注為E點(diǎn)，較高一端標(biāo)為E′點(diǎn)。巖芯軸(CA，Core Axis)與橢圓長(zhǎng)軸E—E′之間的銳夾角即為軸夾角α(圖1b)。與巖芯軸垂直的假設(shè)平面稱之為圓周平面。孔底端線(BOH)在其圓周上為孔底端點(diǎn)BOH，構(gòu)造面的長(zhǎng)軸的2個(gè)端點(diǎn)，在圓周平面上為點(diǎn)E和E′。從孔底端點(diǎn)順時(shí)針至構(gòu)造面橢圓長(zhǎng)軸低端E之間的夾角即為β(圖1c)。

利用α角和β角，以及測(cè)量時(shí)鉆孔的方位角和傾角，就可以解算出構(gòu)造面的產(chǎn)狀。應(yīng)注意的是，隨著α角的增大，交切巖芯的橢圓越來(lái)越接近正圓，使得長(zhǎng)軸E—E′難以確定，誤差增大，一般推薦當(dāng)α≥65°時(shí)就不采用通過(guò)測(cè)量?jī)?nèi)夾角來(lái)恢復(fù)原始產(chǎn)狀的方法(Marjoribanks，2010)。

圖1 定向巖芯中α角和β角的定義

2 利用赤平投影轉(zhuǎn)換內(nèi)部角度成構(gòu)造面產(chǎn)狀

當(dāng)定向巖芯中的構(gòu)造面用α角和β角進(jìn)行測(cè)量后，就可以利用赤平投影計(jì)算真實(shí)產(chǎn)狀。其基本原理是巖芯軸(CA)、構(gòu)造面的極點(diǎn)(P)以及交切橢圓的長(zhǎng)軸(E—E′)均位于同一個(gè)平面中。巖芯軸(CA)的產(chǎn)狀可以由鉆孔測(cè)數(shù)據(jù)得知，長(zhǎng)軸(E—E′)可以簡(jiǎn)單地由β夾角推算可到，通過(guò)CA和E—E′的大圓弧即代表含有構(gòu)造面極點(diǎn)(P)的平面，在這個(gè)平面中，P點(diǎn)位于從CA旋轉(zhuǎn)90°-α，離開(kāi)E方向，或者從CA指向E′方向。

具體的操作步驟見(jiàn)圖2：(1) 投影測(cè)量α角和β角位置時(shí)的巖芯軸到赤平投影網(wǎng)上，即CA，本例中，假設(shè)鉆孔巖芯軸產(chǎn)狀為方位角0°，鉆孔傾角45°。(2) 投影2個(gè)參考平面。其一是通過(guò)巖芯軸的垂直平面，在赤平投影網(wǎng)上為通過(guò)CA和中心點(diǎn)的一條直線；另一是以巖芯軸為法線的圓周平面，在赤平投影網(wǎng)上為與CA呈90°夾角的大圓弧。2個(gè)參考平面的交點(diǎn)即為孔底端線(BOH)。(3) 在代表巖芯圓周平面的大圓弧上，從BOH順時(shí)針旋轉(zhuǎn)β角度后的點(diǎn)即為E或E′。如果0°<β<90°，或270°<β<360°，則該點(diǎn)為E；如果90°<β<270°，則該點(diǎn)為E′；如果β角正好為90°或270°，則E和E′同時(shí)出現(xiàn)在大圓弧兩端。(4) 旋轉(zhuǎn)網(wǎng)格，找到同時(shí)通過(guò)CA和E或E′的大圓弧(圖2中用虛線表示)。這一平面即代表通過(guò)巖芯軸和構(gòu)造面與巖芯交切圓弧長(zhǎng)軸的平面。(5) 在步驟4中的虛線大圓弧上，從點(diǎn)CA離開(kāi)E方向旋轉(zhuǎn)90°-α，或者從CA指向E′方向計(jì)算90°-α，即為代表構(gòu)造面法的P點(diǎn)位置。如果E和E′都出現(xiàn)在圖上，則上述2種方法均有效。

圖2 利用赤平投影轉(zhuǎn)換巖芯α角和β角至構(gòu)造面產(chǎn)狀，吳氏網(wǎng)，下半球投影

在實(shí)際工作中，由于測(cè)量的大量數(shù)據(jù)，一般運(yùn)用構(gòu)造分析軟件，如GeoCalculator等進(jìn)行批量轉(zhuǎn)換與統(tǒng)計(jì)分析。更可以對(duì)巖芯中構(gòu)造面上的線理進(jìn)行測(cè)量及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的定量分析(Marjoribanks，2010)。

3 定向巖芯構(gòu)造分析在金礦勘查中的應(yīng)用

澳大利亞新南威爾士州某金礦點(diǎn)，位于東澳新英格蘭造山帶，周邊發(fā)育石炭紀(jì)變質(zhì)雜砂巖基底和二疊紀(jì)二長(zhǎng)花崗巖-花崗閃長(zhǎng)巖-英閃巖，以及區(qū)域性長(zhǎng)英質(zhì)巖脈，近年來(lái)被認(rèn)為是與侵入巖相關(guān)的新類型金礦(胡朋等，2006；Mustard，2006)。該金礦點(diǎn)有一古采坑，在距淺井以南20 m指向淺井方向施工了巖芯定向鉆孔DD002和DD003，設(shè)計(jì)鉆孔方位角為354°，鉆孔傾角60°。對(duì)鉆孔中高品位礦段的巖芯進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)礦化主要以填充于節(jié)理內(nèi)的硫化物細(xì)脈浸染狀和含硫化物石英細(xì)脈狀為主(圖3)。節(jié)理是含礦熱液運(yùn)行的通道又是沉淀的良好場(chǎng)所，是許多金礦床控制礦脈礦體的最常見(jiàn)和最重要的一種構(gòu)造(宋明春等，2008；李子英等，2010)。含礦節(jié)理的形態(tài)及組合形式，實(shí)際就體現(xiàn)為礦脈的形態(tài)和組合形式。2組含礦節(jié)理相交，以銳角者對(duì)礦體形成更有利，交切的交線，一般伸入地下較深，既是礦液的上升通道，又是礦液的沉淀場(chǎng)所(戴安周，1990)。

圖3 DD002號(hào)鉆孔中35.25～35.45 m巖芯

各類構(gòu)造面在空間上的相交軸線，可能是礦體最為富集的區(qū)域，這些軸線共同通過(guò)的構(gòu)造面，可能指示礦體在深部展布的產(chǎn)狀；而相交軸線最為密集的區(qū)域，可能指示高品位礦體存在的位置。對(duì)DD002中高品位金礦化定向巖芯中22組含礦節(jié)理面或細(xì)脈面產(chǎn)狀投影可以看出：2種類型的礦化在空間位置上疊加，均與走向北東—北西向構(gòu)造相關(guān)，而走向近南北向的構(gòu)造沒(méi)有礦化(圖4a)。22組含礦構(gòu)造面存在231組相交軸線(圖4b)，共同連接成的面產(chǎn)狀，145°∠80°，可能代表礦體產(chǎn)狀。其軸線最密集區(qū)域產(chǎn)狀205°∠70°，可能代表品位較高的礦體向深部延伸的傾伏產(chǎn)狀。DD003中在富礦巖芯段統(tǒng)計(jì)了53組含礦構(gòu)造面。由圖4c可以看出，構(gòu)造面最為集中分布的區(qū)域，Au品位在4～10 g/t之間，而更高品位的金礦并不賦存在各類構(gòu)造面最為密集的地區(qū)。53組構(gòu)造面存在1 378組相交軸線，最優(yōu)的環(huán)帶面產(chǎn)狀165°∠70°，可能指示礦體的分布產(chǎn)狀(圖4d)。從上述2個(gè)鉆孔定向巖芯資料分析的結(jié)果可以看出，分別推斷出的2個(gè)礦體產(chǎn)狀差別不大，因此，通過(guò)計(jì)算定向巖芯中內(nèi)切角來(lái)獲得各類構(gòu)造面產(chǎn)狀，并推斷礦體的空間分布規(guī)律的方法是可靠、可行的，可以用來(lái)指導(dǎo)礦區(qū)的勘探工作。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)鉆孔巖芯作孔底端線(BOH)的定向標(biāo)記，從而獲取構(gòu)造面與巖芯的軸夾角α以及構(gòu)造面橢圓長(zhǎng)軸低端E與BOH之間的夾角β，結(jié)合鉆孔的測(cè)斜數(shù)據(jù)，通過(guò)赤平投影可以恢復(fù)構(gòu)造面的空間產(chǎn)狀。結(jié)合構(gòu)造面與礦化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以計(jì)算礦體中的主要含礦節(jié)理、含礦蝕變帶等構(gòu)造面的產(chǎn)狀與礦石品位之間的關(guān)系，推測(cè)礦體的空間產(chǎn)狀，以及主礦體的延伸等，為礦區(qū)的深部勘查設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

因此，巖芯定向技術(shù)對(duì)正確判定地下巖(礦)層和斷裂面產(chǎn)狀、查明深部地質(zhì)構(gòu)造和礦體延伸，指導(dǎo)地質(zhì)勘探設(shè)計(jì)和礦床開(kāi)采都有很大意義。

圖4 澳大利亞新南威爾士州某金礦點(diǎn)DD002—DD003鉆孔中礦體定向巖芯構(gòu)造分析

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