地球物理測(cè)井在金屬礦深部找礦中的應(yīng)用

沈立軍,朱裕振,李雙,張心彬,周明磊,高志軍

(1.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院,山東濟(jì)南250104;2.中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)煤田地球物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東濟(jì)南250104;3.山東省煤炭資源數(shù)字化工程技術(shù)研究中心,山東濟(jì)南250104;4.山東省地質(zhì)調(diào)查院,山東濟(jì)南250014)

0 引 言

地球物理測(cè)井首次應(yīng)用于1927年,法國(guó)康拉德斯倫貝謝兄弟將原始地質(zhì)資料與測(cè)井曲線進(jìn)行對(duì)比分析,探討了不同地層對(duì)應(yīng)測(cè)井曲線的峰值反映,其后在石油[1-2]、天然氣[3]、煤炭[4]、頁(yè)巖氣[5-6]、煤層氣[7]、頁(yè)巖油[8]等沉積礦產(chǎn)勘查中得到了廣泛應(yīng)用,在水文地質(zhì)勘查[9]、構(gòu)造識(shí)別[10]中也發(fā)揮了一定作用,在石膏[11]、巖鹽[12]等礦產(chǎn)方面進(jìn)行了少量的探索。

隨著科技發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)步,新的測(cè)量手段如高分辨率感應(yīng)、正交偶極聲波成像測(cè)井等技術(shù)取得成功應(yīng)用,測(cè)井成果定性、定量解釋方法也取得了飛速發(fā)展[13]。地球物理測(cè)井在煤及油氣等能源礦產(chǎn)的應(yīng)用研究不斷深入,但在金屬礦產(chǎn)勘查中的應(yīng)用相對(duì)較少,僅井中三分量磁測(cè)在磁鐵礦找礦工作中得到了較為廣泛的應(yīng)用[14],激發(fā)極化測(cè)井在金礦、銅礦等金屬礦勘探中進(jìn)行了少量應(yīng)用探索[15]。隨著礦產(chǎn)勘查深度的不斷增加,獲取深部地質(zhì)信息的難度與成本越來(lái)越大,地球物理測(cè)井成為結(jié)合鉆孔獲取地下信息的有效方法之一。該研究在山東齊河-禹城地區(qū)李屯鐵礦深部找礦過(guò)程中將核、電、磁等地球物理測(cè)井技術(shù)納入找礦方法體系中,探索研究地球物理測(cè)井在富鐵礦深部找礦中發(fā)揮的作用。

1 成礦地質(zhì)背景

李屯鐵礦位于山東省西北部齊河-禹城地區(qū),2015年該區(qū)首次在約1 200 m深度發(fā)現(xiàn)單層厚度近99 m的富磁鐵礦,取得鐵礦找礦空白區(qū)重大新發(fā)現(xiàn)[16-17],在李屯地區(qū)鉆孔連續(xù)揭露了巨厚層富鐵礦。

李屯鐵礦大地構(gòu)造位于華北板塊魯西隆起西北部,區(qū)域地層由淺至深分別為第四系、新近系、石炭二疊系、奧陶系和寒武系,第四系及新近系厚度900～1 200 m。區(qū)域構(gòu)造以斷裂構(gòu)造為主、褶曲構(gòu)造次之,據(jù)斷裂構(gòu)造展布特征,總體上分為北東-北北東向、北西-北北西向、近東西向三組,且前兩者較發(fā)育。區(qū)域內(nèi)巖漿巖主要為中生代侵入巖,均為隱伏巖體,主要依據(jù)重磁資料推測(cè)及少量鉆孔揭露,巖性以閃長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)巖等中基性巖為主,分布于李屯大張一帶,自北向南依次為李屯巖體、潘店巖體、大張巖體及東側(cè)薛官屯巖體。

礦區(qū)內(nèi)通過(guò)鉆孔共圈定鐵礦體4個(gè),其編號(hào)分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號(hào),均為隱伏礦體,埋深約1 100～1 300 m,礦體頂?shù)装逡晕◣r為主,為矽卡巖型富鐵礦,主要賦存于閃長(zhǎng)巖體與石炭二疊系接觸帶部位。Ⅳ號(hào)礦體為主礦體,形態(tài)為厚層狀,傾向約240°,傾角約21°,礦體真厚度53.57～97.45 m,平均真厚度77.39 m,礦體平均全鐵含量為58.18%,磁鐵含量為54.49%。

2 地球物理特征

2.1 密度特征

由表1可知,各時(shí)代巖層密度基本可分為高、中、低3類:①低密度巖層為新生界,密度平均值一般小于2.11×103kg/m3;②中密度巖石為中生界各群、古生界上部巖層和絕大多數(shù)的侵入巖、變質(zhì)變形巖體,密度平均值2.39×103～2.75×103kg/m3;③高密度巖石為元古太古界的變質(zhì)巖類、基性侵入巖類等,密度平均值2.86×103～2.90×103kg/m3。

表1 李屯鐵礦及周邊巖礦石密度參數(shù)一覽表

單從沉積變質(zhì)地層來(lái)看,地層由老到新,各個(gè)密度層呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢(shì)(見(jiàn)圖1),大致可分為6個(gè)密度層。泰山巖群密度平均值最高(2.86×103～2.90×103kg/m3),寒武系、奧陶系巖石密度平均值相差不大(2.64×103～2.73×103kg/m3),石炭系和二疊系巖石的密度值平均為2.58×103～2.61×103kg/m3,侏羅系、白堊系巖石密度值為2.39×103～2.54×103kg/m3,古近系—新近系巖石密度值平均為2.11×103～2.55×103kg/m3,第四紀(jì)巖石密度平均值最小(1.71×103kg/m3)。

圖1 各年代地層平均密度趨勢(shì)圖

侵入巖在相同巖性條件下,新太古代和元古代侵入巖的密度值較高,而更晚的中生代等侵入巖密度值偏低。同時(shí),對(duì)于巖石本身而言,基性程度越高,密度值越大;酸性程度越高,巖石密度值越低。二長(zhǎng)花崗巖密度2.60×103kg/m3,與奧陶紀(jì)灰?guī)r密度(2.70×103～2.73×103kg/m3)相差不大。

李屯鐵礦及周邊各礦區(qū)的磁鐵礦石與沉積地層相比均具有較高的密度。鐵礦石密度值達(dá)4.44×103kg/m3,周邊齊河縣大張礦區(qū)的磁鐵礦密度值為3.80×103kg/m3,萊蕪張家洼礦區(qū)的磁鐵礦密度值為4.03×103kg/m3,萊蕪小官莊礦區(qū)的磁鐵礦密度值為4.06×103kg/m3,金嶺東召口礦區(qū)的磁鐵礦密度值為4.27×103kg/m3,濟(jì)南張馬屯礦區(qū)的磁鐵礦密度值為4.14×103kg/m3。磁鐵礦石與沉積地層、巖漿巖密度差異明顯。

2.2 磁性特征

由各類巖礦石磁性參數(shù)一覽表(見(jiàn)表2)可知,各類巖礦石的磁性參數(shù)變化較大。沉積巖類呈現(xiàn)微磁性,巖漿巖磁性較弱,磁化率一般為650×10-5～3 800×10-5,酸性巖漿巖磁性低于中基性巖漿巖,矽卡巖型磁鐵礦石的總體磁化率(63 788×10-5～21 610×10-5)和剩余磁化強(qiáng)度(46 377×103～56 700×10-3A/m)均顯著高于圍巖和巖體,且隨著磁鐵礦含量增加磁性增強(qiáng),鐵礦石與圍巖具有明顯的磁性差異。鑒于鐵礦石與圍巖明顯的磁性差異,利用磁法手段圈定礦體、巖體和圍巖是具備地球物理前提的。磁異常的范圍和強(qiáng)度與鐵礦床中礦石質(zhì)量有密切的聯(lián)系,鐵成礦后遭受不同程度的改造,磁性隨礦石中磁鐵礦的含量增高而增強(qiáng),但當(dāng)遭受氧化后則因磁鐵礦含量減少磁性減弱。

表2 李屯鐵礦及周邊巖礦石磁性參數(shù)一覽表

3 數(shù)據(jù)采集與處理

3.1 核、電地球物理測(cè)井

電、核測(cè)井使用的儀器為西安瑞達(dá)物探儀器研究所研制的MTC-3000型數(shù)控測(cè)井系統(tǒng),包括MTMD-G補(bǔ)償密度自然伽馬三側(cè)向井徑組合儀、MTSXR-G井斜井溫補(bǔ)償聲波自然電位組合測(cè)井儀,其中銫源為137Cs源。測(cè)試參數(shù)主要有電阻率、自然電位、密度、自然伽馬、補(bǔ)償聲波、井徑、井斜等。核測(cè)井測(cè)速控制在6.0 m/min以下;測(cè)量其他參數(shù)時(shí),地層采樣間隔為0.05 m。在完成深度校正、飛點(diǎn)編輯、數(shù)值濾波等預(yù)處理后,根據(jù)相應(yīng)的系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算處理。

(1)密度計(jì)算公式為

ρb=ClogNrr+D

(1)

式中,ρb為巖石體積密度,g/cm3;C、D為探管刻度系數(shù),C=-0.735,D=4.192;Nrr為長(zhǎng)源距計(jì)數(shù)率,cps。

(2)自然伽馬計(jì)算公式為

GR=ANG1F+B

(2)

式中,GR為自然伽馬,API;A、B為探管刻度系:A=0.129 7,B=1.237 1;NG1F為自然伽馬計(jì)數(shù)率,cps。

(3)交繪分析:做出密度自然伽馬的頻率交繪圖,選取合適的參數(shù),進(jìn)行巖性計(jì)算,應(yīng)用部分共軛梯度下降法使加權(quán)誤差最小,得到一個(gè)巖性組成成份的最優(yōu)解(砂、泥、水百分含量)。

(4)力學(xué)參數(shù)計(jì)算:根據(jù)彈性力學(xué)知識(shí),可以根據(jù)介質(zhì)的密度、縱波與橫波的傳播速度,確定介質(zhì)的各種彈性參數(shù)。巖石的密度可根據(jù)密度測(cè)井資料獲取,縱波時(shí)差可根據(jù)聲波測(cè)井信息獲取。

3.2 井中三分量磁測(cè)

磁測(cè)井使用的儀器為中地裝(重慶)地質(zhì)儀器有限公司研發(fā)的JGS-1B智能綜合數(shù)字測(cè)井系統(tǒng)及JCX-3型井中磁力儀探管。磁力儀探管主要技術(shù)指標(biāo):測(cè)量范圍-99 999～+99 999 nT;X、Y磁敏感元件轉(zhuǎn)向差≤400 nT;Z磁敏感元件轉(zhuǎn)向差≤300 nT;傾角測(cè)量范圍0～45°,誤差小于0.2°;方位角測(cè)量范圍0～360°,誤差小于2°(傾角≥3°)。測(cè)量點(diǎn)間距1 m,儀器提升速度控制在15 m/min以內(nèi)。

(1)磁異常垂直分量計(jì)算公式

ΔZ=Z-Z0

(3)

式中,ΔZ為磁異常垂直分量,nT;Z為實(shí)測(cè)磁場(chǎng)垂直分量,nT;Z0為基點(diǎn)磁場(chǎng)垂直分量模量,可利用國(guó)際地磁參考計(jì)算求得,李屯鐵礦Z0為43 233 nT。

(2)磁異常水平分量計(jì)算公式

(4)

式中,ΔH′為磁異常水平分量,nT;HX為實(shí)測(cè)磁場(chǎng)X分量,nT;HY為實(shí)測(cè)磁場(chǎng)Y分量,nT;H0為基點(diǎn)磁場(chǎng)水平分量模量,可利用國(guó)際地磁參考計(jì)算求得,李屯鐵礦H0為30 223.2 nT。

(3)磁異?？倧?qiáng)度模差ΔT′為ΔZ與ΔH′的合成,根據(jù)計(jì)算結(jié)果編制包括ΔZ、ΔH′及ΔT′的成果圖。

4 測(cè)井成果應(yīng)用

4.1 地層對(duì)比分析

李屯鐵礦內(nèi)磁鐵礦均為深隱伏礦體,第四系和新近系覆蓋層厚度較大,一般為800～900 m,鉆探取心困難,嚴(yán)重影響了鉆進(jìn)效率,同時(shí)受熱液作用影響深部地層蝕變嚴(yán)重,地層對(duì)比劃分存在一定困難。以往研究表明,應(yīng)用電阻率、自然伽馬等測(cè)井參數(shù)可對(duì)巖相、地層層序進(jìn)行識(shí)別劃分[18-19]。該研究將地球物理測(cè)井與鉆探相結(jié)合獲取深部地質(zhì)信息,綜合分析地層巖石物性特征的規(guī)律及組合特征,為劃分各段地層界線、確定地層重復(fù)或缺失等深部地質(zhì)情況提供有效信息。

通過(guò)各巖層測(cè)井成果分析,上部地層由于未成巖或壓實(shí)較差,密度和電阻率整體呈現(xiàn)低值;砂泥巖隨著其泥質(zhì)含量的增加,其自然伽馬值增大,電阻率值相應(yīng)降低;閃長(zhǎng)巖具有明顯的中低自然伽馬值、中高密度值和高電阻率值特征;角巖具有較明顯的低自然伽馬值、中高密度值和高電阻率值特征;矽卡巖具有明顯的高自然伽馬值、高密度值和高電阻率值;磁鐵礦具有極高密度值、低自然伽馬值、中低電阻率值等特征,與圍巖地層有一定差別(見(jiàn)表3)。

表3 李屯鐵礦巖礦層物性特征表

各巖層典型物性特征見(jiàn)圖2,不同巖性測(cè)井響應(yīng)特征存在一定差異,可作為地層劃分的參考。通過(guò)地球物理測(cè)井可根據(jù)不同物性特征進(jìn)行鉆孔內(nèi)地層的對(duì)比劃分,在厚覆蓋層地區(qū)針對(duì)覆蓋地層應(yīng)用地球物理測(cè)井代替鉆孔取心進(jìn)行巖性地層劃分,可有效提高鉆探施工效率;在礦化蝕變發(fā)育地段,可為復(fù)雜地層劃分提供輔助信息。

圖2 李屯鐵礦主要巖礦層物性特曲線

4.2 礦體賦存推測(cè)

利用井中三分量磁測(cè)ΔT′矢量圖在尋找盲礦體時(shí)具有十分重要的意義[20-21]。井中旁側(cè)及井底存在礦體時(shí),磁測(cè)ΔT′矢量具有發(fā)散、匯聚的指向,通過(guò)其指向可判斷礦體的范圍及空間位置。在磁鐵礦層內(nèi),ΔT′矢量雜亂而沒(méi)有規(guī)律性,是典型的內(nèi)磁場(chǎng)反映,結(jié)合ΔZ、ΔH′曲線形態(tài),可推斷鉆孔穿過(guò)礦體的位置。若ΔZ、ΔH′曲線未被內(nèi)磁場(chǎng)截?cái)嗤瑫r(shí)零值、極小值及極大值均已出現(xiàn),指示了鉆孔旁側(cè)礦體的存在;若僅獲得局部磁異常,則應(yīng)進(jìn)一步鉆進(jìn),ΔZ曲線正開(kāi)口、ΔH′曲線趨于或負(fù)開(kāi)口時(shí),見(jiàn)礦可能性較大。以近期實(shí)施的ZK5鉆孔為例進(jìn)行說(shuō)明(見(jiàn)圖3)。

圖3 ZK5鉆孔井中三分量磁測(cè)成果圖

李屯鐵礦ZK5鉆孔960.00～964.00 m與966.00～970.00 m這2個(gè)井段監(jiān)測(cè)到強(qiáng)磁異常。磁異常垂直分量ΔZ曲線,呈上正下負(fù)的反“S”形高幅值異常,在961.00 m位置處達(dá)到負(fù)極值-107 702 nT。磁異常水平分量ΔH′曲線呈正“C”形負(fù)異常形態(tài),在963 m位置處達(dá)到負(fù)極值-20 953.3 nT。對(duì)應(yīng)井段ΔT′矢量呈發(fā)散狀態(tài),反向匯聚于鉆孔的北側(cè),結(jié)合地質(zhì)鉆孔編錄資料,該位置見(jiàn)角巖且未見(jiàn)磁性礦物存在,據(jù)此推斷鉆孔的北側(cè)存在隱伏磁性地質(zhì)體。

ZK5鉆孔1 165.00～1 176.00 m檢測(cè)到一段異常幅值略低的磁異常段,垂直與水平磁異常曲線波動(dòng)較為明顯,對(duì)應(yīng)鉆孔編錄資料,該井段為矽卡巖與薄層磁鐵礦層互層。

ZK5鉆孔1 183.00～1 239.00 m處檢測(cè)到強(qiáng)磁異常段,垂直磁異常分量ΔZ曲線呈高幅值負(fù)異常形態(tài),磁異常水平分量ΔH′曲線呈鋸齒狀波動(dòng)的高幅值正異常形態(tài),對(duì)應(yīng)井段的ΔT′矢量呈高模值、雜亂無(wú)章?tīng)顟B(tài),是典型的內(nèi)磁場(chǎng)反映。通過(guò)鉆孔巖心地質(zhì)編錄,確定該井段揭露厚層磁鐵礦層。通過(guò)ΔZ和ΔH推斷礦層傾角,其計(jì)算公式為

β=90-φ

(5)

式中,β為礦層傾角,(°);φ為總磁場(chǎng)方向與水平面夾角,(°),其計(jì)算公式為

φ=arctan |ΔZ/ΔH′|

(6)

式中,ΔZ為磁異常垂直分量,nT;ΔH′為磁異常水平分量,nT。

通過(guò)井中三分量磁測(cè)總結(jié)孔內(nèi)磁場(chǎng)分布特征,分析磁性體的方位、磁化方向、傾斜方向等,推測(cè)鉆孔旁側(cè)或孔底是否存在盲礦體,大致判斷磁性礦體的方位、傾角等空間展布特征。

4.3 地震測(cè)量解釋

隨著礦產(chǎn)勘查深度的不斷增加,二維地震測(cè)量技術(shù)在金屬礦深部找礦工作中局部開(kāi)始推廣應(yīng)用[22-23],深部地質(zhì)體密度、波速等信息作為地震資料解釋的關(guān)鍵信息,成為深部地質(zhì)勘查工作需獲取的重要資料。在研究區(qū)富鐵礦深部找礦工作中將二維地震引入勘查體系,用以剖析厚覆蓋層下深部地質(zhì)體展布特征,為富鐵礦深部找礦預(yù)測(cè)提供重要支撐。

本次研究,根據(jù)已知鉆孔的聲波和密度等測(cè)井資料,獲得該孔位置處聲波阻抗曲線,以此求得反射系數(shù),將反射系數(shù)與地震子波褶積,得到井孔位置處的合成地震記錄。然后將合成地震記錄與實(shí)際地震剖面對(duì)比,從而標(biāo)定反射波地質(zhì)層位。

從鉆孔的密度和聲波測(cè)井曲線可以看出(見(jiàn)圖4),新生界底界與石炭紀(jì)地層、石炭二疊紀(jì)底界與矽卡巖、矽卡巖與鐵礦體在波速、密度上均存在較明顯差異,理論上可形成較明顯的反射同相軸。通過(guò)地震合成記錄可以看出(見(jiàn)圖4),新生界底界面合成記錄與實(shí)際井旁地震道相比,合成記錄能量較低;矽卡巖與鐵礦體接觸面的合成記錄表現(xiàn)特別明顯,而實(shí)際井旁地震道則表現(xiàn)相對(duì)較差,可能原因?yàn)槭艿刭|(zhì)體范圍影響,實(shí)際地震記錄較難分辨。整體來(lái)說(shuō),在一定時(shí)窗范圍內(nèi),合成記錄與實(shí)際井旁地震道吻合程度較高,測(cè)井資料可作為地震測(cè)量成果解釋的支撐資料。

圖4 測(cè)井曲線及地震合成記錄

根據(jù)鉆孔的聲波和密度等測(cè)井資料,可進(jìn)行地震反射波地質(zhì)層位的標(biāo)定。通過(guò)模擬算法反演不同巖層的基質(zhì)模量并計(jì)算其彈性參數(shù),求解地震波反射系數(shù)的解析解及數(shù)值解,根據(jù)振幅隨偏移距的變化現(xiàn)象開(kāi)展校正和對(duì)比分析研究,得到不同巖層地震反射特征變化規(guī)律,指導(dǎo)地震數(shù)據(jù)的分析解譯。

5 結(jié) 論

(1)在厚覆蓋層地區(qū),針對(duì)覆蓋地層應(yīng)用地球物理測(cè)井代替鉆孔取心進(jìn)行巖性地層劃分,可有效提高鉆探施工效率;在礦化蝕變發(fā)育地段,可為復(fù)雜地層劃分提供輔助信息。

(2)通過(guò)井中三分量磁測(cè)總結(jié)孔內(nèi)磁場(chǎng)分布特征,分析磁性體的方位、磁化方向、傾斜方向等,推測(cè)鉆孔旁側(cè)或孔底是否存在盲礦體,大致判斷磁性礦體的方位、傾角等空間展布特征。

(3)通過(guò)鉆孔的聲波和密度等測(cè)井資料,可進(jìn)行地震反射波地質(zhì)層位的標(biāo)定,為地震測(cè)量資料成果解釋提供關(guān)鍵信息支撐。