井中三分量磁法測(cè)量在深部找礦中的應(yīng)用
——以金嶺鐵礦區(qū)磁異常解析為例

李令斌

(山東正元地質(zhì)資源勘查有限責(zé)任公司，濟(jì)南 255000)

鐵礦資源是世界上發(fā)現(xiàn)最早、利用最廣、用量最多的一種黑色金屬，鐵礦資源需求量的增加促進(jìn)了資源開發(fā)利用進(jìn)程，導(dǎo)致深部及外圍找礦成為解決危機(jī)礦山資源枯竭的主要途徑。但是，地面高精度磁法測(cè)量受地表礦渣、地面建筑物以及礦區(qū)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造等影響，降低了地面高精度磁法測(cè)量采集精度以及提高了解譯難度[1-4]。此外，深部礦體埋深較大，導(dǎo)致地面高精度磁測(cè)異常在地面的響應(yīng)極其微弱，因此，僅靠單一的地面高精度磁法測(cè)量難以解決危機(jī)礦山找礦突破的問題[5-6]。井中三分量磁法測(cè)量是測(cè)法技術(shù)向鉆孔深部的發(fā)展，能夠有效避開地表礦渣、建筑物等的干擾，在鉆孔深處進(jìn)行全方位測(cè)量，可有效地將一定范圍內(nèi)的隱伏礦體探測(cè)出來，并且能夠確定隱伏礦體的大致位置，為深部鉆探施工提供指導(dǎo)，在尋找井底、井旁盲礦體，大致確定礦體位置、產(chǎn)狀、規(guī)模和礦體分布情況，盡快揭示礦床分布規(guī)律等方面均能取得很好的效果[7-9]。

1 井中三分量磁法測(cè)量的理論基礎(chǔ)

1.1 井中三分量磁法測(cè)量原理

三維空間任一點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為T，則T一般由T0(地磁場(chǎng)的正常場(chǎng))和Ta(與磁性體有關(guān)的異常場(chǎng))組成[10]。

T=T0+Ta

因此，對(duì)深部找礦有意義的磁異常為Ta，為確定引起Ta異常的磁性體空間位置，必需確定Ta的方向和模值。實(shí)踐證明最方便的方法是測(cè)量向量Ta在直角坐標(biāo)系中的三分分量，若用坐標(biāo)單位矢量表示T和T0，則有如下形式[11-12]：

T=Xi+Yj+Zk

(1)

T0=X0i+Y0j+Z0k

(2)

觀測(cè)點(diǎn)磁異常Ta是T與T0之差：

Ta=ΔT=T-T0=(X-X0)i+(Y-Y0)j+(Z-Z0)k

(3)

式中：X、Y、Z是井中實(shí)測(cè)值，X0、Y0、Z0是地面基點(diǎn)上的地磁場(chǎng)正常測(cè)量值。

1.2 測(cè)量系統(tǒng)的定向問題

井中磁力儀坐標(biāo)系統(tǒng)的定向問題比較復(fù)雜，常用的有兩種定向系統(tǒng)，即軸向系統(tǒng)和垂向系統(tǒng)[14]。

1)軸向定向系統(tǒng)：井中磁力儀只有一個(gè)自由度，轉(zhuǎn)動(dòng)軸始終平行于井軸，這時(shí)Z軸沿井軸，Y軸垂直于井軸位于水平面內(nèi)，X軸垂直于井軸位于鉆孔傾斜方位平面內(nèi)(圖1a)。

2)垂向定向系統(tǒng)：井中儀器有兩個(gè)自由度，其中一個(gè)軸始終沿鉛垂方向，即Z軸、Y軸水平始終位于井斜方位平面內(nèi)，X軸水平垂直于Y軸(圖1b)。

由此可以寫出垂向定向系統(tǒng)中正常分量與異常分量的表達(dá)式：

X0=T0cosIsinβY0=T0cosIcosβZ0=T0sinI

(4)

Xa=ΔX=X-X0=X-T0cosIsinβ

(5)

Ya=ΔY=Y-Y0=Y-T0cosIcosβ

(6)

Za=ΔZ=Z-Z0=Z-T0sinI

(7)

式中：β—井斜方位角,(°)；I—地磁傾角,(°)。

并可求的磁異常水平分量和總場(chǎng)的模值：

ΔH=(ΔX2+ΔY2)1/2；ΔT=(ΔH2+ΔZ2)1/2

(8)

2 金嶺鐵礦區(qū)地質(zhì)概況

3 磁異常分析

從宏觀上看，金嶺鐵礦區(qū)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，異常展布均表現(xiàn)為單一的孤立異常，經(jīng)鉆探驗(yàn)證除東召四、立子營(yíng)為火成巖引起的異常外，余者均為礦致異常。根據(jù)礦區(qū)異常分布規(guī)律可知，礦區(qū)磁異常可分為兩個(gè)區(qū)：一是以金嶺巖體為中心的環(huán)狀異常帶，走向由南到北為北東走向轉(zhuǎn)為近東西走向，磁異常等值線表現(xiàn)密集，梯度較陡，等值線向外表現(xiàn)擴(kuò)張趨勢(shì)；二是以王旺莊巖體為中心的環(huán)狀異常帶，其展布特征與“一”相近。本文著重分析王旺莊、侯家莊和南龍磁異常，分析井中三分量磁法測(cè)量在深部找礦中的應(yīng)用。

3.1 王旺莊磁異常

1)地面異常特征

王旺莊地面磁異常位于金嶺“8”字形巖體頭部接觸帶上，屬于以金嶺巖體為中心的環(huán)狀異常帶的組成部分，巖體為中基性，巖性為輝石閃長(zhǎng)巖，侵位于石炭—二疊系及奧陶系地層中，巖體走向呈近東西向。王旺莊地面磁異常為似等軸狀，異常極值3 500 nT，呈東西走向，等值線向南開擴(kuò)，北部出現(xiàn)負(fù)值，且正值大于負(fù)值，表明礦體向北傾，礦體與磁化方向夾角為0～90°。異常分布范圍以1 500 nT等值線圈定，長(zhǎng)1 000 m，寬800 m，正負(fù)峰值間距1 000 m，因此認(rèn)為磁性地質(zhì)體是等軸的，主礦體位于正負(fù)峰值之間(圖2)。

2)井中磁異常特征

對(duì)王旺莊地面磁異常比較分析后，發(fā)現(xiàn)該異常仍有1 500 nT的剩余異常，對(duì)CK6、CK7鉆孔開展了井中三分量磁法測(cè)量工作，總結(jié)CK6孔磁測(cè)井ΔZ曲線(圖3)得出：(1)曲線上部范圍小，梯度陡，強(qiáng)度高(ΔZmin=-17 000 nT)，可能是由井旁的薄層盲礦體引起；(2)在450 m以下為強(qiáng)度-9 600 nT的寬緩異常，通過鉆孔巖心參數(shù)測(cè)定結(jié)果表明，閃長(zhǎng)巖以感磁為主，且變化穩(wěn)定，假設(shè)剩磁與感磁方向相同，那么總的有效磁化強(qiáng)度J=0.003 CGSM，當(dāng)鉆孔穿過水平方向延伸很大的巖層時(shí)，鉆孔中只受到巖體板面磁荷的影響，因本孔為直孔，井壁感應(yīng)磁荷對(duì)垂直分量無影響，而閃長(zhǎng)巖巖層面磁荷產(chǎn)生的內(nèi)磁場(chǎng)的垂直分量應(yīng)在-4πJsinI～-2πJsinI(I為當(dāng)?shù)卣５卮艌?chǎng)傾角53°)，即能產(chǎn)生-3 000 nT<ΔZ巖<-1 500 nT，按-3 000 nT計(jì)算，那么井內(nèi)尚有-6 600 nT的剩余異常，表明該孔遠(yuǎn)處仍有較大盲礦體的可能?？偨Y(jié)CK7孔磁測(cè)井ΔZ曲線得出：(1)ΔZ曲線先見正值，在330 m過零點(diǎn)轉(zhuǎn)為負(fù)值，異常比CK6孔更強(qiáng)(ΔZmin=-16 000 nT)，480 m以下曲線明顯回升，表明該孔比CK6孔更接近于礦體；(2)本孔ΔZ曲線呈反“S”型，表明盲礦體可能賦存于本孔北側(cè)，在對(duì)于地面和井中磁異常分析的同時(shí)，根據(jù)本區(qū)地質(zhì)條件，認(rèn)為以往鉆孔都沒打到正常接觸帶上，應(yīng)沿傾斜方向深追，通過鉆孔驗(yàn)證，在CK8、CK9分別見到65.69 m、58.47 m的磁鐵礦，找到了主礦體，從而打開了王旺莊找礦的局面。

通過王旺莊礦床大量的鉆孔井中磁測(cè)，得出如下規(guī)律：(1)當(dāng)?shù)V體在觀測(cè)孔以北時(shí)，ΔZ曲線呈反“S”型，就其異常變化特征而言，隨著鉆孔相距礦體距離“D”大小而變，當(dāng)較遠(yuǎn)時(shí)，正值小于負(fù)值；若距離很遠(yuǎn)時(shí)則出現(xiàn)似“C”型曲線；當(dāng)隨著“D”減小，正異常逐漸增加，而零值點(diǎn)伴隨“D”的增大相應(yīng)會(huì)有所抬高(表1)；(2)當(dāng)?shù)V體在觀測(cè)孔以南時(shí)，ΔZ曲線呈正“S”型，其特點(diǎn)與反“S”型相反。

表1 王旺莊曲線類型與相距距離關(guān)系統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics table of Wangwangzhuang curve type and distance relationship

3.2 侯家莊磁異常

1)地面異常特征

侯家莊礦床位于金嶺短軸背斜的北西翼，已知礦體賦存于奧陶系馬家溝組灰?guī)r與閃長(zhǎng)巖的接觸帶上(矽卡巖帶)，形成了矽卡巖型磁鐵礦體，矽卡巖帶產(chǎn)狀與灰?guī)r產(chǎn)狀基本一致。侯家莊磁異常平面形態(tài)呈“鞋底”狀，該異常位于金嶺巖體西北側(cè)中部，以500 nT為異常下限圈定異常，出現(xiàn)2 500 nT和3 000 nT兩個(gè)峰值圈，由西南向北東方向沿接觸帶分布(圖4)。此外，在對(duì)應(yīng)3 000 nT異常圈的北側(cè)伴有-400 nT的卵形負(fù)異常。

2)井中磁異常特征

在11A剖面中，對(duì)CK11A-1、CK11A-2、CK11A-3孔進(jìn)行了井中三分量磁法測(cè)量，其結(jié)果表明CK11A-1、CK11A-2的ΔT矢量分別呈收斂發(fā)散狀態(tài)，是正負(fù)磁荷集聚所致，也反映了同一礦體的頭部和尾部，進(jìn)一步指出該礦長(zhǎng)度可能為110 m。根據(jù)退磁作用的內(nèi)磁場(chǎng)ΔT總是垂直板面這一原理，對(duì)CK11A-1進(jìn)行了ΔT測(cè)量，認(rèn)為該礦體屬緩傾斜礦體，礦體傾向NW，傾角20°左右，基本符合實(shí)際情況(圖5)。CK11A-3為一非見礦鉆孔，但ΔZ曲線呈反“S”型，ΔH呈“S”型，其ΔHmax與ΔZ零值點(diǎn)基本在同一深度上，ΔT有明顯的收斂點(diǎn)，指向西北，說明該孔北側(cè)有礦頭存在，經(jīng)計(jì)算確認(rèn)，礦頭埋深約170 m，礦頭據(jù)本孔水平距離D=14.4 m。經(jīng)過11A-4鉆孔驗(yàn)證，與推測(cè)基本相符。

3.3 南龍磁異常

1)地面異常特征

南龍地面異常范圍較小，為一孤立的橢圓形異常，異常極值400 nT(圖4)。

2)井中磁異常特征

在0-1鉆孔鉆進(jìn)過程中，在預(yù)計(jì)見礦深度范圍內(nèi)揭露了13 m的隱伏磁鐵礦體，測(cè)井中ΔZ曲線呈反“S”型，表明鉆孔打在礦體上端，主礦體在北側(cè)，利用內(nèi)磁特征，確定礦體傾角近50°。0-1鉆孔的ΔT在礦體下端有明顯的ΔT正交，說明除本孔所見礦體外，尚有礦體存在，這一結(jié)論在0-2鉆孔中被證實(shí)(圖6)。0-2孔的ΔZ曲線，在礦體上下部異常梯度較陡，并有明顯的正值，說明礦體延深是有限的。

4 結(jié)論

1)金嶺鐵礦區(qū)異常展布均表現(xiàn)為單一的孤立異常，可分為兩個(gè)區(qū)：一是以金嶺巖體為中心的環(huán)狀異常帶，走向由南到北為北東走向轉(zhuǎn)為近東西走向，磁異常等值線表現(xiàn)密集，梯度較陡，等值線向外表現(xiàn)擴(kuò)張趨勢(shì)；二是以王旺莊巖體為中心的環(huán)狀異常帶，其展布特征與“一”相近。

2)當(dāng)?shù)V體在觀測(cè)孔以北時(shí)，ΔZ曲線呈反“S”型，且隨鉆孔與礦體距離“D”大小而變化，當(dāng)D較大時(shí)，正值小于負(fù)值；若D很大時(shí)則呈似“C”型曲線；當(dāng)D減小，正異常逐漸增加，而零值點(diǎn)伴隨“D”的增大相應(yīng)有所抬高。當(dāng)?shù)V體在觀測(cè)孔以南時(shí)，ΔZ曲線呈正“S”型，其特點(diǎn)與反“S”型相反。

3)根據(jù)井中三分量磁法測(cè)量，在王旺莊CK8、CK9分別見到65.69 m、58.47 m的磁鐵礦；在侯家莊11A-4鉆孔中見到了預(yù)測(cè)磁鐵礦礦體；在南龍0-2孔中見到了磁鐵礦體。找礦實(shí)踐證明，井中三分量磁法測(cè)量在深部找礦中具有良好的應(yīng)用效果。