地球物理勘查技術(shù)在礦山深部找礦中的應(yīng)用

何大鵬，滿立新，許 凱

（河南省資源環(huán)境調(diào)查五院，河南 鄭州 450003）

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對礦產(chǎn)的需求也與日俱增，大型礦產(chǎn)的發(fā)現(xiàn)非常的迫切。在市場經(jīng)濟(jì)條件下，礦產(chǎn)地質(zhì)勘察是商業(yè)行為與實(shí)物產(chǎn)品不同，礦產(chǎn)地質(zhì)勘察的產(chǎn)品不是框窗，是數(shù)據(jù)和信息，是闡釋地下礦床奧秘的說明，是指引礦產(chǎn)開發(fā)的作業(yè)指導(dǎo)書，沒有這些數(shù)據(jù)和信息的礦床，是自然自在之物也是沒有使用價值的。剪刀下的礦床學(xué)還沒有完全結(jié)實(shí)，廠礦的本質(zhì)，因此，礦場研究應(yīng)當(dāng)深化，應(yīng)該透過地質(zhì)現(xiàn)象，揭示出本質(zhì)的質(zhì)量的通用的規(guī)律，建立出新的找礦的勘探理論體系，已顯得非常迫切和重要。

1 什么是地球物理

其實(shí)就是用物理學(xué)的方法來研究地球。我們通常所講的固體地球物理學(xué)，包含地震、重力、地磁、古地磁、地電、地?zé)岬葘W(xué)科。在地球物理學(xué)中，我們常常能看到的術(shù)語是諸如密度，彈性模量，電阻，磁性之類，而非地質(zhì)學(xué)家更善用的組分，礦物，粒度等等。地質(zhì)學(xué)家所利用的這些巖石特性，通常都需要有巖石樣本才能進(jìn)行分析。目前人類鉆探所能達(dá)到的最大深度，不過也只有十多公里，大概只有地球半徑的1/500。科學(xué)鉆探雖然能夠?yàn)槲覀兲峁┓浅Ｖ苯拥纳顚訋r石樣品以供分析，但是不僅非常耗資巨大（2000年啟動的中國大陸科學(xué)鉆探工程的經(jīng)費(fèi)達(dá)到了1.5億），并且只能直接獲得鉆孔及其周圍巖石的相關(guān)信息。相較而言，盡管通過地球物理的方法獲得的信息沒有鉆探來的精確，但它的獨(dú)特性，很大程度上就在于，它可以”深入“地研究地球，為地質(zhì)學(xué)研究提供了第三個維度——深度。

譬如，地震波可以直接穿透整個地球，帶來關(guān)于地心最深處的反饋信息：通過地震波，人類已經(jīng)能夠比較細(xì)致地分出地球的圈層結(jié)構(gòu)，并且知道每一層結(jié)構(gòu)的大致物態(tài)和物質(zhì)組成。最近，宋曉東教授的團(tuán)隊(duì)還提出了地球內(nèi)核里還存在一個”內(nèi)內(nèi)核“，進(jìn)一步的推進(jìn)了我們對地球的了解深度。

又譬如地磁學(xué)的應(yīng)用。最早的地磁場的研究者是英國物理學(xué)家 William Gilbert。作為伊麗莎白一世的御醫(yī)，他藉由大航海時代的浪潮，通過研究地球磁場，旨在改進(jìn)當(dāng)時的海上導(dǎo)航水平。William Gilbert認(rèn)識到地球本身也是一個大磁體，并且進(jìn)一步研究了地磁對羅盤的影響。同時，我們知道鐵具有磁性，鐵礦石和一些其他的巖石的產(chǎn)生的磁場足以使羅盤失效。雖然這會給導(dǎo)航帶來很大的誤差，但是反過來，我們就可以基于地球本身的磁場，利用局部地區(qū)的磁異常，來探明地下埋藏的鐵礦的存在。進(jìn)一步的，如果我們使用更高精度的儀器，磁異常法就可以被用來研究那些磁性弱于鐵礦的巖石，從而也就擴(kuò)大了磁測法的探測能力范圍。

再譬如，當(dāng)我們看到地表暴露的如下圖中兩側(cè)對稱暴露于地表的傾斜地層的時候，對于地下可能結(jié)構(gòu)的推斷可以是(a)對稱向斜，或是存在(b)斷層，(c)侵入體，或(d)鹽丘。采用重力異常（不同巖體的密度差異）、人工地震（地震波在界面上的反射信號、不同介質(zhì)中地震波速的差異）等方法，我們也可以很容易地通過所獲得的信號來分辨這些埋藏構(gòu)造。

由此可見，盡管人類只能在地球最表層進(jìn)行觀測，然而地下巖石或者結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)，會經(jīng)由各種不同的物理場，在地表反映出來，而地質(zhì)學(xué)家所能做的，只是推測。

結(jié)合上面的例子，我們可以看到，地球物理學(xué)的研究通常來說有三個方面：理論地球物理：所謂的“pure geophyscis”，需要強(qiáng)大的物理（以及數(shù)學(xué)）理論基礎(chǔ)的支撐。例如研究地磁場的形成機(jī)制問題，地震射線理論等。輔助地質(zhì)學(xué)研究：在這個方面，可以說，地球物理的各種方法都被用來服務(wù)于地質(zhì)學(xué)的研究目標(biāo)。地球物理的觀測結(jié)果首先要轉(zhuǎn)化成介質(zhì)相應(yīng)的物理性質(zhì)，然后再由這些物理性質(zhì)推斷出巖石的具體類型和結(jié)構(gòu)。例如勘查礦產(chǎn)資源，定位地下埋藏結(jié)構(gòu)等是地球物理的地質(zhì)學(xué)應(yīng)用。研究地球本身：例如，模擬地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)，描述產(chǎn)生地震的動力學(xué)過程，描述地球本身的形狀等。

2 深部礦開采面臨的問題

深部開采是必然趨勢。地表和淺層的資源越來越少了，勢必會要向深部發(fā)展，未來十年國內(nèi)將有三分之一的礦山開采深度超過1000m。國內(nèi)外的情況來看，深部開采主要面臨以下問題：

（1）控制地壓，隨著開采的加深地應(yīng)力也越來越大，地下開采擾動了原來地下的應(yīng)力平衡，很容易發(fā)生巖爆、冒頂?shù)鹊V山事故。

（2）深部對通風(fēng)排水要求高，越深溫度越高，巖層溫度每加深100m將會增加3℃，溫度的上升大大增加了地下開采的作業(yè)難度，降溫空調(diào)等也加大了開采的成本？

（3）深度加深，礦石、物料等提升成本都有增加另外加上上述兩個問題，導(dǎo)致深部開采成本較高。

目前來看，在國內(nèi)基本上超過1000m深的礦山基本可以稱為深部礦井了，當(dāng)然這也是相對說法，未來如果普遍都開采到地下2000m了，1000m可能就不算深部，中國已經(jīng)有一些礦山的開采深度超過1000m了，比如遼寧的紅透山（1300m）、云南會澤鉛鋅礦（1500m）等。不過在國外顯然是開采的更深了，南非有的礦已經(jīng)3000多米了。國內(nèi)外礦山的差距主要體現(xiàn)在地下開采這一塊。和國外先進(jìn)礦山比起來差距主要在幾個方面，這也是采礦發(fā)展的趨勢，即數(shù)字化、機(jī)械化、自動化。國外像有的礦山整個只有十幾個人到幾十個人，同規(guī)模的礦山國內(nèi)可能要上千人。當(dāng)然了，國內(nèi)礦山除了資源開發(fā)還承擔(dān)了一些社會責(zé)任，一定程度上阻礙了向先進(jìn)礦山靠攏的步伐。

很多礦山比較老，并且在設(shè)計時就比較保守，現(xiàn)在想改先進(jìn)就難了。另外，企業(yè)上先進(jìn)的生產(chǎn)線，用機(jī)器取代掉一批人，是不公平的。國內(nèi)很多比國外低的多礦山開采都能盈利，原因就是成本比較低。雙筒好是好，但是出礦時小井筒小不利于抓礦的機(jī)械爪操作，出礦慢；相反，大井筒甚至可以幾個抓爪一起工作，這樣就提高了出礦速度，效率更高。自然崩落法別看有“自然”兩字，其實(shí)是可控的，也很經(jīng)濟(jì)（基建完成了后期的投入很少），通過控制放礦來調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)方法也很容易，控制達(dá)成一個穩(wěn)定礦體拱形，之后通過拱形的壓腳小規(guī)模爆破以形成外層新拱來逐步放礦。

還有一個崩落法是分段崩落法，是人工爆破來形成大量崩落。還有一個礦山生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)里的一個小技術(shù)挺有趣的，礦車機(jī)車中的計軸器。計軸器安裝在軌道上，通過計軸器讀機(jī)車的車軸是否減少來自動監(jiān)測礦車機(jī)車是否跑偏車軌。還有就是充填采礦中的充填材料——膏體。理想膏體就是密封的牙膏一般，在無空氣接觸的管道內(nèi)能一直保持原狀態(tài)、不凝固、不需脫水。在重力或外加力作用下，以柱塞流的形態(tài)輸送到采空區(qū)。膏體一定是處于飽和狀態(tài)，即飽和度100%，內(nèi)部沒有空氣，是自然情況下此充填材料能達(dá)到的最大密度。不過現(xiàn)在膏體還只是一個概念，現(xiàn)在在現(xiàn)場中還沒有制成功過。

3 地球物理勘探和深部勘探的關(guān)系

首先，對于深層的地球暫時還沒有一個非常精細(xì)的“地圖”，也就是seismic tomography的精度還不夠高，而且越深越不行，在核幔邊界（CMB）可能將將有一度的分辨率，對比衛(wèi)星能測的地球參數(shù)（例如用衛(wèi)星測的大地水準(zhǔn)面精度至少是“分”級別的）這個精度有點(diǎn)糟糕。這就相當(dāng)于在地表做地質(zhì)研究，但沒有好的地質(zhì)圖似的，想看的東西看不清，研究起來難度當(dāng)然大一些。

其次，還是“地圖”的問題，seismic tomography能夠提供的信息都是通過地震波來提供的，信息相對來說少一些?，F(xiàn)在最常見的tomography能提供的信息就是s波、p波的波速，這些波速與prem模型的差，是否有s wave splitting等信息。這些信息顯然和在地表你能看見、摸到、測到差距很大，用這些來反演啥密度、溫度、粘度信息顯然難度就比較大了。而且現(xiàn)在不同的模型提供的數(shù)據(jù)還不太一樣，畢竟有競爭。

當(dāng)然，現(xiàn)在的模型也是越做越好，像比較新的S40RTS,GYPSUM這些模型精度已經(jīng)比較高了，在做核幔邊界研究的時候，已經(jīng)可以提供很不錯的約束了。模型當(dāng)然約精確越好，不過建議天然地震的危害和分布，這是一個兩難的選擇。

利用seismic tomography的手段，目前能夠很好地找到一些深部的結(jié)構(gòu)和分解面，例如很有名的莫霍面、核幔邊界等，也能識別出一些大的長波段的結(jié)構(gòu)，例如超低速帶、超級地幔柱、一些俯沖板塊的殘留部分。同時利用一些地震學(xué)手段和反演……實(shí)驗(yàn)等手段，對一些異常區(qū)域的密度啥也有了個認(rèn)知，最好的例子莫過于超級地幔柱，從識別出來到現(xiàn)在，通過地震學(xué)、地球化學(xué)、巖石物理、地球動力學(xué)模擬等手段確定了它不僅存在物質(zhì)異常（密度異常），還存在有溫度異常，可能粘度結(jié)構(gòu)也和周圍不一樣，不過對于這些都是結(jié)合觀測數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和反演結(jié)果做出的推論。通過這些結(jié)果，科學(xué)家初步對超級地幔柱的成因做出了合理的推斷。

4 地球物理勘探技術(shù)的發(fā)展障礙

（1）技術(shù)障礙。隨著地質(zhì)勘察的自然條件日益復(fù)雜，難度日益增加，對作業(yè)用專用設(shè)備在抗磨性和抗沖蝕性等性能方面提出了更多新的技術(shù)要求。因此，進(jìn)入地質(zhì)勘察專用設(shè)備制造行業(yè)需要豐富的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，必須有長時間的行業(yè)積累才能做到技術(shù)達(dá)標(biāo)，后來者無法在短時間內(nèi)掌握相關(guān)行業(yè)技術(shù)。

（2）資金障礙。鉆探工具的生產(chǎn)涉及機(jī)加工、熱加工、表面處理、質(zhì)量檢驗(yàn)等眾多環(huán)節(jié)，需要購置大量的研發(fā)、生產(chǎn)、檢測設(shè)備。行業(yè)新進(jìn)入者進(jìn)入市場前往往需要進(jìn)行較大規(guī)模的固定資產(chǎn)投資，且新產(chǎn)品研發(fā)往往需要投入較多的研發(fā)資金，新產(chǎn)品在成功開發(fā)后想要獲得市場的認(rèn)可還需要一段試用期與學(xué)習(xí)期，因此對企業(yè)的資金要求較高，資金實(shí)力較弱的企業(yè)在競爭中處于劣勢地位。

（3）品牌障礙。目前地質(zhì)勘察專用設(shè)備制造行業(yè)已經(jīng)形成了較為穩(wěn)定的市場競爭格局，行業(yè)內(nèi)的優(yōu)質(zhì)企業(yè)通過多年的技術(shù)研發(fā)、行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和客戶資源積累，準(zhǔn)確地把握了市場發(fā)展趨勢和客戶需求，開發(fā)出了擁有較高市場影響力和較為廣泛客戶基礎(chǔ)的優(yōu)勢產(chǎn)品，樹立了良好的品牌形象。良好的品牌和口碑是對企業(yè)相關(guān)產(chǎn)品的安全性、及時性、穩(wěn)定性等各項(xiàng)性能指標(biāo)的認(rèn)可，行業(yè)新進(jìn)入者難以在短時間內(nèi)樹立品牌優(yōu)勢并獲得客戶的認(rèn)可。

5 現(xiàn)在國內(nèi)地球物理界有幾種派別

一種是數(shù)理派，推崇數(shù)學(xué)物理等純理論在地球物理中的作用。派系里主要是從蘇聯(lián)模式時代走過來的物探老人，以及現(xiàn)有體系下對地質(zhì)教育現(xiàn)狀不滿、卻不愿做出改變的年輕人。老人的數(shù)理功底扎實(shí)，年輕人大多不行，不是都不行。一種是編程派，推崇計算機(jī)技術(shù)在地球物理中的作用。主要是改革開放以后的一批接觸計算機(jī)的少壯派。然而我認(rèn)識的少壯派有不少直接轉(zhuǎn)行了。一種是地質(zhì)派，強(qiáng)調(diào)地質(zhì)學(xué)在地球物理中的作用，老人新人都有，強(qiáng)調(diào)只有學(xué)好地質(zhì)，才能學(xué)活地球物理，想在傳統(tǒng)蘇聯(lián)體系中遵守規(guī)則贏得認(rèn)同。老地質(zhì)派很現(xiàn)實(shí)，但是想法過時了，他們活躍在槽臺說占上風(fēng)的時候。新地質(zhì)派，也叫地球科學(xué)派，強(qiáng)調(diào)走美式體系，講究融合，加強(qiáng)地質(zhì)比重，有點(diǎn)資產(chǎn)階級改良派的味道。

6 結(jié)語

隨著國家近幾年對地質(zhì)礦產(chǎn)勘察的重視，礦產(chǎn)勘察又進(jìn)入了一個火熱的階段，但是我們在這個過程中仍然存在著不少困難，集中表現(xiàn)為礦產(chǎn)勘查工程程度不高，科技創(chuàng)新能力比較薄弱，每年新增探明儲量與開采量的比例嚴(yán)重失調(diào)。物理學(xué)是基礎(chǔ)，地質(zhì)學(xué)和地球科學(xué)是研究方向，地球物理學(xué)是物理學(xué)在地質(zhì)問題、地球科學(xué)問題中的應(yīng)用。未來中國的地球物理，一定是要往美式體系快速靠攏的。