焦家金礦帶3000m科研深鉆地球物理測(cè)井及初步分析

熊玉新，于學(xué)峰，遲乃杰，楊德平，王新娥

(1.山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，國(guó)土資源部金礦成礦過(guò)程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過(guò)程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250013；2.中石化勝利石油工程有限公司測(cè)井公司，山東 東營(yíng) 257096)

0 引言

在科研鉆探中,測(cè)井作為關(guān)鍵技術(shù)之一,與鉆探取心和巖心測(cè)試構(gòu)成了科研鉆探的完整體系。在過(guò)去的50年間，科研鉆探作為探測(cè)地殼淺層的直接手段，在西方國(guó)家得到高度重視和較大的發(fā)展。迄今為止,已有美國(guó)、前蘇聯(lián)、德國(guó)等多個(gè)國(guó)家開(kāi)展了科研鉆探的測(cè)井研究,測(cè)井資料已應(yīng)用到眾多科學(xué)領(lǐng)域,并取得了顯著成績(jī)[1]。2000年以來(lái)，我們國(guó)家先后開(kāi)展了海洋科學(xué)鉆探計(jì)劃(ODP)和大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃(ICDP)，2001年實(shí)施的中國(guó)第一口大陸科學(xué)深鉆(5158m)采用了各種先進(jìn)的測(cè)井技術(shù),為地質(zhì)學(xué)研究提供了大量測(cè)量數(shù)據(jù)，并取得了豐碩的研究成果[2-7]。2010年山東黃金集團(tuán)圍繞三山島斷裂帶超深部成礦問(wèn)題在該地區(qū)進(jìn)行了科研鉆探(4006.17m)，隨后開(kāi)展了多項(xiàng)測(cè)井項(xiàng)目，測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)為破碎帶識(shí)別和黃鐵礦等硫化物分布提供了重要信息[8]。

近年來(lái)，山東地質(zhì)工作者圍繞焦家斷裂帶深部成礦問(wèn)題做了大量研究預(yù)測(cè)工作[9-15]。焦家?guī)?000m勘查科研深鉆是山東省地質(zhì)科學(xué)研究院為驗(yàn)證焦家斷裂帶超深部成礦問(wèn)題實(shí)施的科研鉆探?？蒲猩钽@位于膠西北金礦集中區(qū)焦家斷裂帶和三山島斷裂帶之間,巖性自上而下為英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖、斜長(zhǎng)角閃巖、黑云二長(zhǎng)花崗巖、花崗質(zhì)碎裂巖、花崗質(zhì)蝕變巖。鉆孔于2016年4月開(kāi)鉆,2017年8月終孔，歷時(shí)484天，終孔深度3266.06m，成功控制了焦家金礦帶的3000m深度的蝕變礦化特征，控制金礦化帶180.69m，發(fā)現(xiàn)金礦體6層，礦體總厚度25.20m，其中工業(yè)礦體厚度7m，品位3.13×10-6，最高品位達(dá)13.65×10-6，為國(guó)內(nèi)最深見(jiàn)金礦鉆孔。該文將簡(jiǎn)單介紹焦家?guī)?000m勘查科研深鉆測(cè)井實(shí)施情況和測(cè)井初步研究成果。

1 測(cè)井實(shí)施情況

采用金剛石小口徑繩索取心完成的焦家斷裂帶3000m深度控礦巖心鉆探，開(kāi)孔孔徑175mm,終孔孔徑98mm，鉆孔編號(hào)ZK01。測(cè)井工作由中石化勝利石油工程有限公司測(cè)井公司完成，測(cè)井施工為三開(kāi)(中間)、四開(kāi)(完井)裸眼測(cè)井施工,測(cè)井項(xiàng)目主要包括自然電位、自然伽馬、自然伽馬能譜、雙側(cè)向、巖性密度、補(bǔ)償中子、偶極陣列聲波、電阻率、井徑、井斜-井斜方位角、井溫、激電、磁化率測(cè)井。

2 主要測(cè)井項(xiàng)目簡(jiǎn)述

巖性密度測(cè)井：使用伽馬源發(fā)射出的中低能量伽馬射線轟擊巖石, 可以同時(shí)給出巖石的密度和光電吸收指數(shù)，用于發(fā)現(xiàn)巖石中的重礦物,劃分巖性。

補(bǔ)償中子測(cè)井：通過(guò)判斷結(jié)晶巖石中是否有含水礦物,并根據(jù)含氫量劃分巖性。主要用于識(shí)別孔隙性地層和估算孔隙度。將補(bǔ)償中子和密度測(cè)井相結(jié)合能夠提供精確的地層評(píng)價(jià)資料。

聲波測(cè)井：通過(guò)提取縱波、橫波及斯通利波速度和各波組分的頻譜分析數(shù)據(jù)，結(jié)合密度參數(shù)用于計(jì)算各種巖石力學(xué)參數(shù),研究巖石的各向異性和分析巖石應(yīng)力。

雙側(cè)向電阻率測(cè)井：通過(guò)提供一條深探測(cè)電阻率和一條淺探測(cè)電阻率曲線，用來(lái)確定地層真電阻率，可以劃分巖性、研究破碎帶的性質(zhì)等。

自然伽馬能譜測(cè)井：通過(guò)測(cè)量巖石總的自然伽馬射線強(qiáng)度和地層中鈾(U)、釷(Th)和鉀(K)的含量，用于劃分鉆孔巖性剖面,研究沉積或變質(zhì)環(huán)境,發(fā)現(xiàn)放射性巖石。

井溫測(cè)井：是一種傳統(tǒng)的測(cè)井方法,測(cè)井電纜頭上帶有1～2個(gè)水銀溫度計(jì)，當(dāng)儀器提升或下放過(guò)程中，溫度計(jì)可測(cè)量相應(yīng)深度的溫度。

激電測(cè)井：是勘查多金屬和貴金屬硫化物型金屬礦床的重要手段之一，其所測(cè)得的視電阻率和視極化率對(duì)礦(化)體的反映最佳，可以作為確定礦(化)體位置的首選參數(shù)。

3 巖漿巖與變質(zhì)巖的測(cè)井響應(yīng)分析

前人在實(shí)驗(yàn)室?guī)r石物性方面已有很多研究成果，但國(guó)內(nèi)目前全面使用先進(jìn)的石油測(cè)井儀器,研究巖漿巖與變質(zhì)巖的測(cè)井響應(yīng)還比較少[16-17],其測(cè)井響應(yīng)特征分析具有探索性。

測(cè)井響應(yīng)特征分析過(guò)程，即對(duì)測(cè)井曲線進(jìn)行預(yù)處理和整理，將不同次測(cè)井曲線拼接起來(lái)使其具有較好的連續(xù)性，并進(jìn)行深度校正等工作。在此基礎(chǔ)上，參考巖心編錄等資料對(duì)測(cè)井曲線進(jìn)行分層并確定每一層的巖性，提取各層巖石的測(cè)井響應(yīng)特征值，按照巖性進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，以開(kāi)展巖漿巖與變質(zhì)巖的測(cè)井響應(yīng)特征研究。

3.1 巖性識(shí)別方法及測(cè)井響應(yīng)特征

ZK01孔巖性種類較多，各種巖性測(cè)井響應(yīng)特征變化具有一定的規(guī)律性。利用自然伽馬、密度、中子和電阻率等測(cè)井曲線能夠劃分巖性。ZK01孔巖性主要為斜長(zhǎng)角閃巖、英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖、黑云二長(zhǎng)變粒巖、黑云二長(zhǎng)花崗巖等。

針對(duì)已知巖性應(yīng)用多種測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分別制作自然伽馬-密度、鉀-鈾、中子-密度，自然伽馬-聲波交會(huì)圖分析各類巖性測(cè)井響應(yīng)特征(圖1),從而確定巖性劃分準(zhǔn)則。

利用交會(huì)圖可以直觀、方便的表示和了解各類巖性在不同測(cè)井值上的分布區(qū)域，可以判斷各巖性在測(cè)井值上的重合與差異情況。由圖1可見(jiàn)，利用現(xiàn)有的測(cè)井資料可很好地區(qū)分英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖、斜長(zhǎng)角閃巖、二長(zhǎng)花崗巖以及石英閃長(zhǎng)玢巖。自然伽馬測(cè)井對(duì)巖性反映最為敏感，一般情況下，斜長(zhǎng)角閃巖、英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖、二長(zhǎng)花崗巖、石英閃長(zhǎng)玢巖的放射性強(qiáng)度依次增高。由于黑云二長(zhǎng)變粒巖與英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖礦物成分相近、測(cè)井特征相似，利用現(xiàn)有的測(cè)井資料不能有效地鑒別，但通過(guò)自然伽馬和聲波交會(huì)圖對(duì)比可見(jiàn)，二者聲波時(shí)差略有差別，黑云二長(zhǎng)變粒巖聲波數(shù)值多大于54μs/ft，英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖數(shù)值多小于54μs/ft。

3.2 巖性分析實(shí)例

a—ZK01孔自然伽馬-密度交會(huì)圖；b—ZK01孔鉀-鈾交會(huì)圖；c—ZK01孔中子-密度交會(huì)圖；d—ZK01孔自然伽馬-聲波交會(huì)圖圖1 ZK01孔測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)交會(huì)圖

根據(jù)測(cè)井交會(huì)圖識(shí)別結(jié)果，對(duì)目的層段進(jìn)行了巖性識(shí)別。圖2為斜長(zhǎng)角閃巖測(cè)井曲線圖，從圖中可看出該孔斜長(zhǎng)角閃巖大致分為3種情況。①致密斜長(zhǎng)角閃巖：測(cè)井曲線特征顯示為大中子、高密度、低自然伽馬數(shù)值。②綠泥石化、綠簾石化或陽(yáng)起石化角閃巖：密度、聲波數(shù)值與致密斜長(zhǎng)角閃巖基本一致，中子數(shù)值增大明顯。③巖石破碎的斜長(zhǎng)角閃巖：由于巖石破碎，地層裂縫發(fā)育，測(cè)井曲線顯示為中子、聲波數(shù)值增大，密度數(shù)值減小，電阻率數(shù)值異常降低。

圖2 ZK01孔斜長(zhǎng)角閃巖測(cè)井曲線圖

黑云二長(zhǎng)變粒巖由于與英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖礦物成分基本接近，因此測(cè)井特征也基本一致。密度測(cè)井值主要分布在2.68～2.80g/cm3；中子測(cè)井值主要分布在2%～5%；聲波測(cè)井值主要分布在52～58μs/ft；受黑云母自然伽馬數(shù)值較高的影響，黑云二長(zhǎng)變粒巖自然伽馬測(cè)井值分布范圍廣，但峰值主要分布在40～80API，電阻率測(cè)井值主要分布在100.0～2000.0Ω·m(圖3)。

圖3 ZK01孔黑云二長(zhǎng)變粒巖頻率直方圖

黑云二長(zhǎng)花崗巖是一種酸性巖漿侵入地殼淺部冷凝后形成的巖石，具有大致相等數(shù)量的堿性長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石，含有少量黑云母。其具有二長(zhǎng)結(jié)構(gòu),即一種半自形粒狀結(jié)構(gòu),其特征是斜長(zhǎng)石的自形程度高于堿性長(zhǎng)石。ZK01孔巖漿巖主要為黑云二長(zhǎng)花崗巖，從測(cè)井曲線分析認(rèn)為，巖石多處破碎。測(cè)井曲線的數(shù)值變化與巖石的破碎程度直接相關(guān)，巖石破碎越嚴(yán)重，測(cè)井曲線數(shù)值變化幅度越顯著。通常中子、聲波數(shù)值增大，密度、電阻率數(shù)值降低。

黑云二長(zhǎng)花崗巖的密度測(cè)井值主要分布在2.702～2.712g/cm3；中子測(cè)井值主要分布在-0.3%～0.5%；聲波測(cè)井值主要分布在49.8～50.8μs/ft；自然伽馬測(cè)井值主要分布在78～88API，黑云二長(zhǎng)花崗巖具有較高的放射性；電阻率測(cè)井值在1000.0～4000.0Ω·m。

4 利用測(cè)井資料尋找破碎帶

鉆孔揭露的焦家斷裂帶是主要的金礦控礦構(gòu)造，因此，利用測(cè)井資料識(shí)別破碎帶、裂縫發(fā)育帶從而尋找金礦床是一種有效的方法。

巖石破碎帶是受地應(yīng)力作用造成巖石脆性形變—斷層或碎裂等形成的，它可以發(fā)生在不同巖性的巖石上。從測(cè)井顯示特征上可將它們分為2類：一類為巖石破碎嚴(yán)重，常伴有井壁坍塌的斷層破碎帶；另一類為井壁坍塌輕微的裂縫發(fā)育帶。首先可以利用測(cè)井響應(yīng)特征確定斷層及裂縫破碎帶，其次參考主成分分析法以及偶極陣列聲波幅度衰減法可以進(jìn)一步判別。

4.1 常規(guī)資料識(shí)別

斷層破碎帶巖石較為破碎、孔壁垮塌，因此會(huì)造成測(cè)井?dāng)?shù)值較大異常變化。受到巖石破碎以及鉆井液性質(zhì)的影響，常規(guī)測(cè)井資料常見(jiàn)以下特征：井徑數(shù)值增大；密度明顯降低；中子曲線值異常增大；電阻率數(shù)值明顯降低；聲波時(shí)差大幅度增高。該孔的616～620.6m為典型的斷層破碎帶測(cè)井響應(yīng)(圖4)。

裂縫破碎帶的測(cè)井顯示特征與斷裂破碎帶基本相似，但只是對(duì)測(cè)井信息的影響程度較輕，聲波數(shù)值降低，中子孔隙度和密度數(shù)值也略有增大現(xiàn)象，電阻率數(shù)值的高低與裂縫充填狀況以及充填物性質(zhì)有關(guān)。該孔的2879～2887m為裂縫破碎帶的測(cè)井響應(yīng)。

圖4 斷層破碎帶測(cè)井特征圖

4.2 主成分分析法

主成分分析法是霍特林于1933年首次提出的，主要是利用降維思想，把多指標(biāo)轉(zhuǎn)化成少數(shù)幾個(gè)互相獨(dú)立而且包含原有指標(biāo)大部分信息的綜合指標(biāo)的多元統(tǒng)計(jì)方法。王新娥等[18]在山東黃金資源鉆探井測(cè)井工作中使用該方法做了深入研究，取得了較好效果。應(yīng)用主成分分析法對(duì)ZK01孔進(jìn)行處理，通過(guò)裂縫指示特征曲線和主成分交會(huì)等方法綜合劃分了該孔的裂縫層段。如2802～2820m聲波變化較小，而密度數(shù)值較低、中子增大，反映存在裂縫與破碎，2820～2892m裂縫發(fā)育較為破碎。

上述識(shí)別裂縫的方法，當(dāng)裂縫含有水或有泥漿侵入時(shí)識(shí)別效果最好，但裂縫若被與地層巖石物理性質(zhì)相近的礦物充填則識(shí)別能力較弱。該孔蝕變嚴(yán)重，多處由于硅化、鉀化、黃鐵礦化等作用的結(jié)果，導(dǎo)致了各種測(cè)井方法對(duì)裂縫的響應(yīng)不敏感。只有綜合測(cè)井資料并結(jié)合巖心編錄資料才能有效的劃分裂縫及破碎帶。

5 巖石機(jī)械特性及地應(yīng)力參數(shù)的估算

利用聲波測(cè)井所獲取的縱、橫波信息結(jié)合密度以及泥質(zhì)含量等曲線，可以計(jì)算一系列巖石力學(xué)參數(shù)。所計(jì)算參數(shù)包括：楊氏模量、剪切模量、體積模量、單軸抗壓強(qiáng)等。

對(duì)5種主要巖性的楊氏模量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)表明：石英閃長(zhǎng)玢巖分布在70～80GPa；斜長(zhǎng)角閃巖分布在85～100GPa；英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖分布在65～80GPa；黑云二長(zhǎng)變粒巖分布在65～75GPa；二長(zhǎng)花崗巖分布在60～70GPa。相對(duì)而言，斜長(zhǎng)角閃巖的楊氏模量最大。從分布范圍上看，英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖、黑云二長(zhǎng)變粒巖和二長(zhǎng)花崗巖并不太容易被區(qū)分。

6 井溫梯度計(jì)算

6.1 溫度場(chǎng)基本特征

圖5顯示了ZK01孔所測(cè)的井溫曲線，基本反映溫度隨深度的變化趨勢(shì)。測(cè)井井溫曲線在1719.2～1725.2m處，出現(xiàn)突變，反映當(dāng)時(shí)測(cè)井的環(huán)境溫度。綜合分析各項(xiàng)測(cè)井資料，該井段為該孔的出水層段。

圖5 ZK01孔井溫曲線

6.2 井溫梯度的計(jì)算

計(jì)算井溫梯度的主要目的是分析井溫的變化情況。盡管經(jīng)過(guò)了濾波處理，井溫?cái)?shù)據(jù)仍然含有一定的誤差和干擾成分，采用逐點(diǎn)計(jì)算的方法會(huì)引起井溫梯度計(jì)算結(jié)果劇烈震蕩，不便分析解釋，該文選用了平均差分方法。

平均差分方法的基本原理是將某一深度段內(nèi)井溫值Ti用不同的差分距求出一組差分井溫梯度值，然后求平均得到該段中心點(diǎn)的井溫梯度，然后逐點(diǎn)滑動(dòng)可計(jì)算出全井的井溫梯度值。

其計(jì)算公式為：

式中：(△T/△Z)—第i點(diǎn)的井溫梯度；△Z—測(cè)點(diǎn)深度間隔；Ti，Ti+j，Ti-j—相應(yīng)點(diǎn)上的溫度值。計(jì)算的井溫梯度見(jiàn)圖6。

圖6 ZK01孔溫度梯度曲線

7 激電測(cè)井解釋—礦(化)體的異常特征

受斷裂構(gòu)造控礦作用影響，含金硫化物充填交代于碎裂帶中。如碎裂帶充水呈現(xiàn)低阻特性；由于金礦床經(jīng)歷多次成礦階段形成，早期的石英脈充填作用方式以及圍巖蝕變(主要為硅化、鉀化)會(huì)使得局部礦體呈現(xiàn)出高阻，測(cè)井曲線上顯示為孤峰正異常；在以交代作用方式成礦為主時(shí)，金屬硫化物主要為黃鐵礦，為主要載金礦物，以團(tuán)塊狀、浸染狀產(chǎn)出，其金屬離子與自由電子含量較高，礦石成分以及結(jié)構(gòu)構(gòu)造具備良好的激發(fā)極化效應(yīng)，呈現(xiàn)出高極化特性。

7.1 視電阻率特征

ZK01孔激電測(cè)井所測(cè)視電阻率曲線起伏波動(dòng)比較大，變化范圍主要在38～100000Ω·m，平均1318.5Ω·m。

視電阻率的高值區(qū)一般為致密的巖石或具有不同程度的蝕變?nèi)缃佋颇富?、硅化、鉀化及脈巖發(fā)育段。如深度1138～1177m、1280～1322m，1800m以下整體上電阻率表現(xiàn)出相對(duì)高阻夾低阻的強(qiáng)烈震蕩特征，為底部花崗巖影響。較典型視電阻率的低值區(qū)處于斷裂構(gòu)造、巖石破碎、裂隙較為發(fā)育層段。

2418～3115m，其電阻率特點(diǎn)為高阻中夾雜低阻，推斷主要為2種原因：一為主裂面及局部斷裂面的影響；二為靠近斷裂帶上下盤(pán)附近巖石多極為破碎，多呈碎裂巖特征。依據(jù)以往結(jié)果，結(jié)合極化率測(cè)井，推斷為2418m以下電阻率降低主要受含金硫化物影響。部分電阻率異常特征見(jiàn)表1。

表1 ZK01孔激電異常特征

7.2 視極化率特征

該孔視極化率曲線變化范圍0.90%～13.3%，平均3.51%?？傮w上看該孔極化率場(chǎng)背景中等偏高，正異常值幅度較大，且具明顯分層特性。激電異常主要反映區(qū)段在孔深1130～1140m，2485～3228m，其視極化率多大于5%，巖石蝕變較強(qiáng)，黃鐵礦化強(qiáng)烈；1200～1700m極化率表現(xiàn)出高低震蕩特征，顯示出礦化不均一；1800～2440m極化率相對(duì)平緩，較為穩(wěn)定單一，為典型非黃鐵礦化層(圖7)。

該鉆孔深部所揭露礦化層為典型的低阻高極化類型，屬于典型的蝕變碎裂巖型金礦，礦化層主要賦存區(qū)段為2820～2910m。從極化率曲線形態(tài)來(lái)看，從3122m到井底曲線逐漸收縮，趨于平穩(wěn)，曲線開(kāi)口呈現(xiàn)反向特征，推斷井底附近無(wú)盲礦體。

8 結(jié)論

(1)焦家?guī)?000m勘查科研鉆測(cè)井工程使用多種測(cè)井方法,原位獲取了大量寶貴的鉆孔地球物理資料，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)預(yù)定的數(shù)據(jù)采集目標(biāo)，取得了豐富的初步解譯研究成果。

(2)通過(guò)交會(huì)圖等技術(shù)分析了不同巖石的測(cè)井響應(yīng)特征，自然伽馬測(cè)井對(duì)巖性反映最為敏感，中子、密度測(cè)井結(jié)合可有效的區(qū)分暗色礦物與淺色礦物。通過(guò)常規(guī)識(shí)別法和主成分分析方法相結(jié)合，有效的識(shí)別了斷裂帶。通過(guò)陣列聲波測(cè)井對(duì)巖石機(jī)械特性及地應(yīng)力參數(shù)估算，得出斜長(zhǎng)角閃巖強(qiáng)度最大。實(shí)現(xiàn)了井溫梯度的計(jì)算,井溫梯度顯示1715～1832m變化異常劇烈。

(3)利用激電測(cè)井結(jié)合其他測(cè)井資料，綜合分析認(rèn)為低阻高極化為深部礦化體主要異常特征。依據(jù)極化率曲線整體幅值及形態(tài)分析，2485～3122m為礦化較為集中部位，礦化體主要賦存在2820～2910m區(qū)段，屬于典型的蝕變巖型金礦。

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