南方稀土礦區(qū)隱伏斷裂帶高密度電法勘探實(shí)驗(yàn)

陳書 ，舒榮波 ，閔剛 ，劉康 ，袁慧琳 ，程蓉

（1. 成都理工大學(xué)地球勘探與信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610059；2. 中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)綜合利用研究所, 四川 成都 610041）

引言

稀土有著“工業(yè)維生素”的稱號(hào)[1]，可以分為輕稀土和重稀土兩大類，重稀土主要來源是離子吸附型稀土礦，隨著工業(yè)的發(fā)展重稀土需求量在不斷的增加。我國稀土儲(chǔ)量和產(chǎn)量位居世界第一，其中離子型稀土占世界儲(chǔ)量的80%，主要分布在我國南方地區(qū)[2-3]。離子性稀土礦開采工藝主要分為堆浸、池浸和原地浸礦等開采工藝，當(dāng)下主流開采方式為原地浸礦模式[4]。池浸和堆浸兩種傳統(tǒng)開采工藝對(duì)礦山原生環(huán)境破壞很大；原地浸礦開采模，采用山上注液，山下挖掘巷道回收浸礦液，雖然不會(huì)對(duì)地表植被造成破壞，但是浸礦液的泄露對(duì)礦區(qū)地下水會(huì)造成嚴(yán)重污染[5]。而地下斷裂構(gòu)造是浸礦液泄露的主要途經(jīng)，為了避免浸礦液的泄露對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，在離子吸附型稀土礦正式開采前，在礦區(qū)進(jìn)行物探工作，對(duì)地下隱伏地質(zhì)構(gòu)造的探查是十分必要的。但利用高密度電法針對(duì)風(fēng)化層較厚的離子吸附型稀土礦床是否有效果，需要結(jié)合勘探實(shí)驗(yàn)結(jié)果及鉆孔驗(yàn)證結(jié)果來判斷。

1 實(shí)驗(yàn)區(qū)地質(zhì)概況

實(shí)驗(yàn)區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候區(qū)，濕熱多雨，年平均氣溫18.3℃[6]。該區(qū)域在晚古生代以來受巖漿入侵，形成分布較廣的粗?；◢弾r，出露粗粒花崗巖在濕潤氣候下風(fēng)華作用，形成抗蝕較差的酸性紅壤[7-8]。實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育，地表未發(fā)現(xiàn)有明顯的斷裂構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造主要表現(xiàn)為巖體的節(jié)理及裂隙；實(shí)驗(yàn)區(qū)花崗巖基巖較完整，在實(shí)驗(yàn)區(qū)的側(cè)水壩溝谷出露基巖；實(shí)驗(yàn)區(qū)地層不發(fā)育，主要為第四紀(jì)沖洪積地層與第四紀(jì)殘坡積地層，第四紀(jì)沖洪積地層主要巖性有黏土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂及卵石；第四紀(jì)殘坡積地層主要巖性為殘積砂（礫）質(zhì)粘性土，為花崗巖風(fēng)化殘留的產(chǎn)物，局部地段風(fēng)化較不完全，主要為山脊線、山頂?shù)忍帲L(fēng)化殘留較多，殘留基巖多呈透鏡體狀。

2 數(shù)據(jù)來源及處理

2.1 野外數(shù)據(jù)采集

高密度電法測量基于直流電阻率法原理[9-10]，利用地下介質(zhì)的電阻率為電性參數(shù)，利用異常體周圍介質(zhì)的電性差異，通過觀測和計(jì)算人工建立的地下穩(wěn)定電場的分布特征來確定探測目標(biāo)的空間分布特征以解決地質(zhì)問題。

在地表水平，地下半空間被導(dǎo)電性均勻、各向同性的巖石所充滿的特定條件下的點(diǎn)電源A+和B-向地下攻入電流強(qiáng)度為I時(shí)，根據(jù)點(diǎn)電源電場的基本公式，可知任意兩點(diǎn)M和N的電位UM、UN從 而推導(dǎo)出電阻率ρ。[11-12]。

其中，AM，AN，BM，BN是A，B，M，N四個(gè)電極的水平距離。各電極的位置關(guān)系通常用裝置系數(shù)K來表示

高密度電法的不同裝置勘探的效果不同，結(jié)合實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)風(fēng)化層厚度較厚，地表導(dǎo)電干燥等特征，為保證探測深度，經(jīng)實(shí)驗(yàn)不同裝置的勘探效果對(duì)比，最終選擇溫納-施倫貝爾2裝置。溫納-施倫貝爾2裝置，該裝置的AM電極距與BN電極距相等，NM電極距受溫施隔系數(shù)的控制，在一定層數(shù)內(nèi)電極距為固定距離，圖1為數(shù)據(jù)采集示意圖。

圖1 溫納-施倫貝爾2測量裝置跑極示意圖Fig.1 Schematic diagram of running pole of Wenner Schlumberger 2 measuring device

為了實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，綜合實(shí)地踏勘以及實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)礦區(qū)的范圍，結(jié)合礦區(qū)內(nèi)的出露的巖脈和推測巖脈的走向，在實(shí)驗(yàn)區(qū)域布設(shè)了4條長度為600 mm，線距為20 mm，點(diǎn)距為5 mm的二維高密度測線，見圖2。

圖2 測線布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of line layout

為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)的真實(shí)性，在測線數(shù)據(jù)進(jìn)行正式采集前，采用野外露頭小四極測量方法在礦山實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)對(duì)露頭的花崗巖，以及上覆地層等做了物性參數(shù)的測量得到表1.

表1 礦區(qū)內(nèi)各地質(zhì)體物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of geological bodies in the mining area

2.2 數(shù)據(jù)處理基本原理及過程

在高密度電阻率勘探方法數(shù)據(jù)處理中，測量的視電阻率斷面圖是不能精確介紹地下地質(zhì)構(gòu)造的，必須通過反演處理才能得到更加精確的地下介質(zhì)電性分布圖。瑞典Res2dinv軟件是以最小二乘法為軟件的核心算法之一，進(jìn)行高密度電法實(shí)測數(shù)據(jù)反演處理[13-15]。

反演方法的核心算法為最小二乘法，最小二乘法是在電法反演計(jì)算中應(yīng)用最為廣泛的算法之一[16]。阻尼最小二乘的公式：

在式中：J偏導(dǎo)數(shù)雅可比矩陣，JT是J的轉(zhuǎn)置矩陣，g是計(jì)算的比值參數(shù)理論值與實(shí)際視電阻率計(jì)算得到的比值參數(shù)之差的矢量矩陣，λ是阻尼因子，P是模型參數(shù)的矢量矩陣。

我們首先使用軟件對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除；然后開展2D反演計(jì)算，反演的初始阻尼系數(shù)為0.16，阻尼系數(shù)隨深度增加系數(shù)為1.1，垂直/水平平滑濾波比設(shè)置為1.5，反演電阻率范圍限定在1～10000 Ω·m。在反演過程中，根據(jù)反演結(jié)果調(diào)整反演參數(shù)，最后得到的反演的RMS均小于5%，數(shù)據(jù)處理流程見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程Fig.3 Data processing flow chart

3 反演結(jié)果解釋與鉆孔驗(yàn)證

根據(jù)反演結(jié)果，在礦山核心區(qū)域內(nèi)分別布置幾口鉆孔來驗(yàn)證此次勘探結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)反演結(jié)果，在礦山核心區(qū)域內(nèi)分別布置5口鉆孔來驗(yàn)證此次勘探結(jié)果的準(zhǔn)確性。分別為鉆孔#4-300，#4-380，#5-245，#6-275，#7-380。根據(jù)鉆探結(jié)果來約束反演結(jié)果的解釋及基巖分界面的劃分。

4條測線距較小，反演結(jié)果在大體構(gòu)造上是相同的，但是在細(xì)小結(jié)構(gòu)上有所差異。4條測線的反演結(jié)果大體構(gòu)造在測線剖面的縱向呈現(xiàn)分層結(jié)構(gòu)，基巖分界面以上的風(fēng)化層和基巖層，在剖面的橫向以完整基巖體-破碎帶-完整基巖體的構(gòu)造形態(tài)。

圖4 C2-L4線綜合解釋Fig.4 Comprehensive explanation diagram of line C2-L4

測線C2-04的橫向里程150～470 mm區(qū)域內(nèi)是礦山的核心區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，風(fēng)化層最厚厚度約為50 mm，在在橫向250～310 mm與縱向250～310 mm區(qū)域，基底為破碎帶區(qū)域，破碎帶兩側(cè)為完整基巖，在橫向里程270 mm與縱向290～330 mm，有局部完整基巖體，體積較大，測線表層高阻為干燥地表。測線C2-L5測線在橫向里程150～470 mm為礦山區(qū)域，礦山區(qū)域基巖埋深約在300 mm以下的海拔深度，橫向260～330 mm區(qū)域?yàn)槠扑閹^(qū)域兩側(cè)為完整基巖，構(gòu)造與測線C2-L4相似。

圖5 C2-L5線綜合解釋Fig.5 Comprehensive explanation diagram of line C2-L5

圖6 C2-L6線綜合解釋Fig.6 Comprehensive explanation diagram of line C2-L6

測線C2-L6穿過礦山中部，在橫向里程160～450 m區(qū)域?yàn)榈V山區(qū)域，該測線的反演結(jié)果構(gòu)造較為簡單，從反演結(jié)果圖上能看出，覆蓋層的厚度較厚，海拔越高覆蓋層越厚，最厚約為55 mm最淺約為25 mm，在海拔300 mm以下為基巖，在橫向230～310 mm區(qū)域?yàn)榛鶐r破碎區(qū)域，破碎區(qū)域較大，兩側(cè)為完整基巖。測線C2-L7與測線C2-L6相距15 mm，反演結(jié)果反應(yīng)的地下構(gòu)造較為相似，該測線的160～420 mm區(qū)域?yàn)榈V山區(qū)域，在礦山區(qū)域內(nèi)，風(fēng)化層的厚度約為50 m，在橫向260～320 mm區(qū)域基巖較為破碎。

圖7 C2-L7線綜合解釋Fig.7 Comprehensive explanation diagram of line C2-L7

鉆孔#4-300與鉆孔#4-380分別在4號(hào)線橫向里程300 m處與380 m處，鉆孔#4-300布置在破碎帶上，其深度為63 m，0～35 m為覆蓋層，以砂質(zhì)黏土為主，35～63 m以花崗巖為主，花崗巖較為破碎；鉆孔#4-380的深度為49 m，0～41 m以砂質(zhì)黏土為主，41～49 m為完整地花崗巖。4號(hào)線的兩口鉆孔結(jié)果與高密度反演結(jié)果較為吻合。

鉆孔#5-245布置在5號(hào)線245 m處，鉆孔#5-245的深度為45 m，0～34 m以砂質(zhì)黏土為主，34～45 m以花崗巖為主，而34～37 m花崗巖較為破碎，37～45 m為完整花崗巖。鉆孔結(jié)果與高密度反演結(jié)果較為吻合。

鉆孔#6-275布置在C2-L6號(hào)線橫向275 m處，在高密度反演結(jié)果圖上，鉆孔#6-275孔在破碎帶中部，深度為47 m，0～32 m以砂質(zhì)黏土為主，32～47 m以花崗巖為主，花崗巖較為破碎。

鉆孔#7-380在C2-L7號(hào)測線的380 m處，鉆孔#7-380的深度為43 m，0～41 m以分砂質(zhì)黏土為主，41～43 m為完整花崗巖。

由幾口鉆孔的結(jié)果，我們驗(yàn)證此次高密度電法勘探的準(zhǔn)確性。根據(jù)鉆孔結(jié)果，我們在高密度反演結(jié)果的解釋上對(duì)于基巖分界面的劃分，風(fēng)化層厚度，以及破碎帶的范圍劃分起著很好的參考作用。

4 結(jié)論

(1)高密度電法在探測風(fēng)化層較厚的吸附型離子性稀土礦床的風(fēng)化層與隱伏地質(zhì)構(gòu)造是特征是可行的。并且能很好的反應(yīng)礦山地下構(gòu)造，破碎帶的分布特征。在已知地下構(gòu)造的前提下，對(duì)于浸礦液是否會(huì)泄露，泄露方向有著很好的判斷，對(duì)礦山的防滲措施提出寶貴意見。

(2)無論是高密度的二維反演結(jié)果在礦山風(fēng)化層和地底基巖都有明顯區(qū)分；對(duì)風(fēng)化層內(nèi)的不完全風(fēng)化體，有這很好的顯示效果，對(duì)于收液巷道布置和在山體內(nèi)的挖掘方向有著較好的指導(dǎo)作用。