鉆探巖心定向技術(shù)在地質(zhì)剖面解譯中的應(yīng)用

宋正剛

（1.貴州省地礦局地球物理地球化學(xué)勘查院，貴州 貴陽(yáng) 550018；2.貴州省地礦局一〇九地質(zhì)大隊(duì)，貴州 貴陽(yáng) 550018）

巖心定向技術(shù)指采用機(jī)械式巖心定向儀確定孔內(nèi)巖心空間產(chǎn)狀的工藝方法。巖心定向機(jī)械法有多種，本文主要介紹探礦鉆探采用的巖心定向矛定向技術(shù)，利用重力原理對(duì)鉆孔內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行巖心定向，測(cè)算出定向巖心地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的原始傾向及傾角，應(yīng)用地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的傾向及傾角在剖面圖中直接繪制。

1 巖心定向使用的機(jī)械和工具

1.1 鉆機(jī)設(shè)備要求

金剛石鉆進(jìn)繩索取心鉆機(jī)，提引器易于拆卸和聯(lián)接巖心定向矛，具有三套管巖心管取心最佳，有較好的巖心保護(hù)作用，并且?guī)r心采取率較高。

1.2 巖心定向工具

巖心定向工具采用巖心定向矛，長(zhǎng)度2.5～3 m，直徑是鉆桿直徑的3/5 左右，是實(shí)心的金屬圓柱體，頂端是便于拆卸和安裝的聯(lián)接頭，底端是逐漸收小且易于安裝記號(hào)筆(或其他刻畫物)的槽孔[1]。加工巖心定向矛，一般的金屬加工店均可加工，材料及加工費(fèi)在人民幣1000 元左右，如圖1，其他類型的巖心定向器最低在5000 元以上，此款巖心定向矛較經(jīng)濟(jì)。

圖1 巖心定向矛示意圖

2 巖心定向矛的原理、適用性

巖心定向矛有一定的重量，是利用巖心定向矛的自然重力，將巖心定向矛沿鉆桿內(nèi)壁緩慢放入孔底刻畫底部的巖石，在鉆桿內(nèi)巖心最低處形成刻畫標(biāo)記。

巖心定向矛適用于以下條件：（1）施工鉆孔必須是斜孔，鉆孔傾角-50°～ -80°；（2）使用巖心定向矛進(jìn)行定向時(shí)，不能拔出孔內(nèi)鉆桿使用裸孔定向，只能在鉆桿內(nèi)壁進(jìn)行巖心定向；（3）使用巖心定向矛定向前，必須觀察上一回次底部巖心完整性，最好有一定的層面或其他地質(zhì)結(jié)構(gòu)面。

3 測(cè)量基本參數(shù)使用的文具

3.1 制作線性量角器

根據(jù)不同巖心直徑，測(cè)算和制作不同巖心大小的線性量角器，注意線性量角器的起始長(zhǎng)度與相應(yīng)巖心直徑的圓周長(zhǎng)度必須一致。鉆孔直徑為91 mm和75 mm 的塑料線性量角器示意圖如圖2。塑料線性量角器制作簡(jiǎn)單，成本極低，一條塑料線性量角器1 元左右，其他類型的配套采集儀最少也要幾十元，采用塑料線性量角器較經(jīng)濟(jì)。

圖2 鉆孔直徑Ф91 mm 和Ф75 mm 的線性量角器示意圖

3.2 測(cè)量巖心定向的基本參數(shù)

實(shí)測(cè)巖心定向的參數(shù)很多，下面介紹最重要的幾個(gè)基本參數(shù)。

（1）巖心定向參考線。把定向成功的巖心放入固定的V 型槽鋼內(nèi)，然后整理并能連接自然對(duì)接好的所有巖心，根據(jù)每回次頂部巖心已刻畫的標(biāo)記，從標(biāo)記點(diǎn)距離巖心邊部最小距離處畫一條平行于巖心軸線的線（一般用紅色線表示），這條線就稱為巖心定向參考線。在每塊巖心的定位參考線上標(biāo)出箭頭（→）方向，箭頭方向代表孔深方向。

（2）巖心軸夾角（α）。即是層理或其他地質(zhì)結(jié)構(gòu)面最大傾角線（橢圓面長(zhǎng)軸）與巖心軸線之間的銳角，用量角器直接測(cè)量巖心軸夾角。

（3）巖心定向角（β）。是定向成功的巖心，用左手拿住巖心，巖心的孔深方向朝下，右手用線性量角器，以巖心定向參考線作為起點(diǎn)，沿順時(shí)針方向圍繞巖心與層理或其他構(gòu)造面最低點(diǎn)之間的夾角。簡(jiǎn)易的測(cè)量方法是把畫好巖心定向參考線的巖心拿在左手中（箭頭往下），右手使用線性量角器從定位參考線按順時(shí)針方向繞至層理或其他地質(zhì)結(jié)構(gòu)面最低處的夾角，這個(gè)角度值就是β 值。巖心定向角不一定是銳角，有可能是鈍角，如圖3。

圖3 線性量角器測(cè)量巖心定向角示意圖

4 巖心定向作用實(shí)例

以貞豐安堡金礦ZKS01 鉆孔部分?jǐn)?shù)據(jù)為例，實(shí)測(cè)并收集巖心定向的幾個(gè)基本參數(shù)，對(duì)巖心定向角（β）進(jìn)行原位恢復(fù)，確定巖心定向點(diǎn)的產(chǎn)狀（傾向和傾角），并實(shí)際應(yīng)用到剖面圖中畫出視傾角。ZKS01 鉆孔位置，位于A—A′剖面上，剖面方位角是196°，鉆孔地表孔口標(biāo)高711 m，傾角-59°，孔口巖層產(chǎn)狀120 ∠15°。

4.1 巖心定向矛使用過程

ZKS01 鉆孔，孔深132m。（1）鉆機(jī)鉆進(jìn)孔深至10m 時(shí)起鉆，觀察巖心最底部的扭斷面完整；（2）準(zhǔn)備好巖心定向矛，從鉆桿內(nèi)壁放入巖心定向矛進(jìn)行巖心巖向（刻畫標(biāo)記孔內(nèi)巖心），時(shí)間3 分鐘（隨定向測(cè)量深度增加，用時(shí)逐漸增加）；（3）鉆機(jī)繼續(xù)往下鉆進(jìn)孔深13 m 時(shí)起鉆（根據(jù)鉆進(jìn)的具體情況確定回次長(zhǎng)度），取出巖心放入巖心箱；（4）檢查此回次最頂部的巖心定向成功；（5）定向成功的巖心全部放入準(zhǔn)備好的V 型槽鋼內(nèi)，一一將巖心進(jìn)行錯(cuò)位對(duì)接，畫出巖心定向參考線；（6）測(cè)量出10 m 處的巖心軸夾角（α）為74°，巖心定向角（β）為344°。按照上述方法實(shí)測(cè)20 m、31 m、54 m、70 m、95 m、101 m、103 m、110 m、115 m和125 m 處的巖心定向角（β）和巖心軸夾角（α），見表1。

從使用過程來看，采用巖心定矛進(jìn)行巖心定向，一個(gè)回次就能完全定向，容易操作，用時(shí)較短。

4.2 巖心定向?qū)崪y(cè)的定位參數(shù)及恢復(fù)原始位置參數(shù)

ZKS01 鉆孔巖心定向?qū)崪y(cè)的定向參數(shù)有：巖心定向角（β）和巖心軸夾角（α）。

把ZKS01 鉆孔巖心定向角（β）和巖心軸夾角（α）的原始位置恢復(fù)，即是把巖心定向角（β）和巖心軸夾角（α）恢復(fù)到巖心所處的原始位置，換算該鉆孔定位巖心原始的傾向和傾角，見表1。

表1 ZKS01 鉆孔巖心定向角及軸夾角復(fù)位后的傾向和傾角對(duì)應(yīng)表

4.3 繪制地質(zhì)剖面圖

如果地質(zhì)剖面圖中的鉆孔沒有進(jìn)行巖心定向，地層和構(gòu)造線只能根據(jù)地表的巖層產(chǎn)狀（傾向）來推測(cè)其深部的傾向，深部的地層和構(gòu)造線沒有傾向也只能在剖面圖上畫出真傾角，并且存在多解（上傾或下傾）的問題。

ZKS01 鉆孔進(jìn)行了巖心定向，在A—A′剖面圖中的層理面和斷層面可以根據(jù)恢復(fù)的傾向和傾角，把地層和構(gòu)造線等的傾向和視傾角精準(zhǔn)地在地質(zhì)剖面圖中客觀地繪制出來，如圖4。

圖4 ZKS01 鉆孔巖心定向A—A′地質(zhì)解譯剖面圖

5 鉆探巖心定向的應(yīng)用、進(jìn)程和經(jīng)濟(jì)性

從目前情況來看，定向巖心主要有以下幾種用途：確定地下巖礦層產(chǎn)狀，判斷地下結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，了解沉積物移動(dòng)方向等。巖心定向機(jī)械法，其中有代表性的巖心定向器有歐洲的Craelius 巖心定向裝置、美國(guó)的Odgers 定向工具、蘇聯(lián)的K-5 巖心定向器[2]。近幾年又發(fā)展了YDX-1 型巖心定向器[3]、化學(xué)膨脹管、推力錐巖心定向器[4]和澳大利亞的巖心定向矛工具[5-6]等。

通過對(duì)以上巖心定向器（或工具）對(duì)比，巖心定向矛易于加工、成本低、易于操作、用時(shí)短、一個(gè)回次可定向，巖心定向矛可反復(fù)使用，具有經(jīng)濟(jì)性和可操作性，缺點(diǎn)是應(yīng)用于垂直鉆孔進(jìn)行巖心定向效果不好。

6 結(jié)論

對(duì)于探礦鉆孔的斜孔，利用巖心定向矛和簡(jiǎn)單的工具可以方便、快速地測(cè)量定向巖心的定向角（β）和巖心軸夾角（α），然后測(cè)算地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的傾向和傾角，應(yīng)用鉆孔內(nèi)定向巖心地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的傾向和傾角準(zhǔn)確地在地質(zhì)剖面圖中客觀地繪制出來，解決了沒有定向鉆孔的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面在剖面圖中存在多解的問題。

使用巖心定向矛進(jìn)行巖心定向，工具易于加工、成本低、易操作、節(jié)約時(shí)間、一個(gè)回次即可以定向，巖心定向矛可反復(fù)使用，具有經(jīng)濟(jì)性和可操作性。小型礦山的鉆探施工（斜孔）建議推廣使用，對(duì)于建立礦山地質(zhì)模型具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。