電磁頻譜技術(shù)在不良地質(zhì)金礦床定位預(yù)測(cè)研究

陳亞萍 陳 剛

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730022）

0 引言

電磁頻譜技術(shù)是以電磁感應(yīng)理論為基礎(chǔ)，以功率較大的天然電磁場(chǎng)為場(chǎng)源，探索地面和地殼的能源規(guī)律，進(jìn)而認(rèn)識(shí)地球結(jié)構(gòu)的技術(shù)，電磁頻譜技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了幾十年，具有非常深的勘探深度、很少受到高阻層的干擾、很強(qiáng)的識(shí)別功能、等值區(qū)域范圍窄以及成本低的特點(diǎn)，在地質(zhì)勘查方面非常受歡迎。

電磁頻率的主要主場(chǎng)來(lái)源是太陽(yáng)、大日黑子運(yùn)動(dòng)和電閃式雷擊，由于太陽(yáng)電離輻照而產(chǎn)生了強(qiáng)大的粒子電流，當(dāng)其突破了圍繞地面的電離層后，再轉(zhuǎn)化為波，電離層層避開(kāi)了地表，而不斷向巖石地層里輸送電能，因此應(yīng)該認(rèn)為是在地表上垂直入射光的，而平面波地下各類巖石之間也存在截然不同的巖性狀態(tài)，筆者一般都將其視作水平層狀介質(zhì)，因?yàn)樗鼈儙r性之間都存在截然不同的物理學(xué)特征，所以有不同的波界面產(chǎn)生。電磁波在通過(guò)波阻力頁(yè)面時(shí)形成的反映，通過(guò)在巖層收集和研究從不同波阻力頁(yè)面反映的電磁波，就能夠獲得巖層阻力率，它能夠結(jié)合地貌，通過(guò)波阻力深淺變化對(duì)土層的巖性、磁性等進(jìn)行多方面分析。

1 基于電磁頻譜技術(shù)的不良地質(zhì)金礦床定位預(yù)測(cè)方法設(shè)計(jì)

礦產(chǎn)資源的定量預(yù)報(bào)是一項(xiàng)在不確定條件下做出最優(yōu)投資決策的工作流程，它是一個(gè)比較復(fù)雜的工程，需要學(xué)者有扎實(shí)的地質(zhì)學(xué)理論基礎(chǔ)，并以現(xiàn)代成礦學(xué)說(shuō)和傳統(tǒng)地質(zhì)勘探勘探的評(píng)估理論為指導(dǎo)，綜合應(yīng)用各種設(shè)施先進(jìn)的勘探技巧、數(shù)據(jù)處理技術(shù)與方法，也就是GIS方法。

1.1 不良地質(zhì)金礦的初步預(yù)測(cè)

金礦預(yù)測(cè)，需要勘查金礦預(yù)測(cè)的圖表，金礦預(yù)測(cè)圖是通過(guò)整理靶區(qū)層及分布后得到的成果圖來(lái)獲得的。靶區(qū)礦床模型可以幫助靶區(qū)圈定，進(jìn)而預(yù)測(cè)單元的各種金礦分布，然后預(yù)測(cè)要素與實(shí)際模式契合程度，以GIS平臺(tái)為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)理的依據(jù)，采用以專家主導(dǎo)作為行為模式，對(duì)各個(gè)靶區(qū)進(jìn)行人機(jī)呼喚式地選擇和歸類。

無(wú)磁力的平衡導(dǎo)線是GIS定量估計(jì)方法，當(dāng)電磁性波發(fā)送到地面以下時(shí)，麥克斯韋方程式組就可簡(jiǎn)化為亥姆霍茨方程式組。假定介質(zhì)是同性質(zhì)的，通過(guò)電場(chǎng)技術(shù)能夠沿軸移動(dòng)，那么對(duì)亥姆霍茨方程組就可進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，得出公式（1）和公式（2）。

式中：為穿透深度，為地層電阻率，為電磁波在地殼中的傳播頻數(shù)，是系數(shù)。

式中：E為水平軸電場(chǎng)強(qiáng)度大小；H為豎直軸磁場(chǎng)強(qiáng)度；為電磁的角頻率；為絕對(duì)導(dǎo)磁率；為波阻止界面的電阻率。

按照亥姆霍茨方程，如果地殼深度不變，巖層電阻率就不會(huì)變，所以對(duì)從這個(gè)深度出發(fā)的地殼，可將電阻率與深度看作存在必然的關(guān)聯(lián)，如公式（3）所示。

經(jīng)過(guò)坐標(biāo)平移變換并整理后，式（1）可變?yōu)槭剑?）。

式中：為地層深度，可由實(shí)際測(cè)得，實(shí)現(xiàn)不良地質(zhì)金礦的初步定位。

1.2 不良地質(zhì)下金礦位置預(yù)測(cè)

在水平均勻的介質(zhì)中，根據(jù)式（3）和式（4），可以求得第層介質(zhì)的明面上的阻止值。

式中：ρ、h、k分別為第層介質(zhì)的電阻率、厚度和波的頻數(shù)，為地面上的阻止系數(shù)，（）為第層介質(zhì)的對(duì)抗。

對(duì)3層斷面，式（5）可寫(xiě)為式（6）。

式中：當(dāng)ρ＞ρ時(shí)，代表雙曲余切函數(shù)，如果結(jié)果相反，就會(huì)使用雙曲正切函數(shù)。根據(jù)式（4），得到相對(duì)電阻率公式，如公式（7）所示。

設(shè)定、、的值，給出已知頻數(shù)，結(jié)合式（4），就可以獲得多層的正切曲線。由于所測(cè)得的電阻率曲線隨深度而改變，與已知鉆取的電阻率曲線相同的其他地質(zhì)分層資料進(jìn)行對(duì)比，得到了采樣間隔參數(shù)。，如公式（8）所示。

各種預(yù)計(jì)的金礦位置計(jì)算出來(lái)后，就需要?jiǎng)澐譃椴傻V有利位置和成礦不利位置，需要確認(rèn)預(yù)計(jì)位置。但也只能對(duì)金礦位置超過(guò)統(tǒng)計(jì)量的預(yù)測(cè)才有機(jī)會(huì)進(jìn)入預(yù)測(cè)位置，只有這樣，才能確定不良金礦的位置。

采用頻率分布法預(yù)測(cè)時(shí)，根據(jù)有礦與無(wú)礦的不同的單位分布，在單元特征向量看出其分布圖，如圖1所示，曲線的第一個(gè)波谷讀取的數(shù)值是1.3，所以臨界值就是1.3。

當(dāng)用概率分布法預(yù)測(cè)時(shí)，由于優(yōu)秀的礦與不良的礦是混合在一起分布的，應(yīng)該在概率圖紙上制作成礦位置的分布曲線，其拐點(diǎn)的橫坐標(biāo)即為閾值；也可以將成礦位置的單元頻數(shù)用2條直線畫(huà)出來(lái)，它們的交點(diǎn)的橫坐標(biāo)稱為閾值。根據(jù)兩條直線的交點(diǎn)確定概率分布曲線的臨界值為1.3，如圖1所示。

圖1 金礦分布預(yù)測(cè)圖

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏?zhǔn)備

為了大型、超大型金礦床的GIS預(yù)報(bào)模型準(zhǔn)備，往往需要深入研究大型、超大型銅礦床和小型金礦床之間的關(guān)聯(lián)，并且將金礦床密集地區(qū)的形態(tài)與分布作為客觀的有機(jī)整體。重點(diǎn)是在采用GIS定量預(yù)測(cè)方法時(shí)，如果自動(dòng)篩選，選出的預(yù)測(cè)單元很可能出現(xiàn)不真實(shí)的預(yù)測(cè)單元。在選擇和評(píng)價(jià)時(shí)，就得根據(jù)重砂異常、礦化信息等預(yù)測(cè)要素，進(jìn)一步挑選預(yù)測(cè)單元，去掉不真實(shí)的預(yù)測(cè)單元，只有這樣，才能給出正確的地質(zhì)評(píng)價(jià)。

不良地質(zhì)金礦床定位預(yù)測(cè)具體過(guò)程如下：1）選取不良地質(zhì)可能賦存區(qū)段。2）獲取圍巖的元素與礦物成分含量信息。3）不良地質(zhì)異常信息的提取，在步驟（2）執(zhí)行過(guò)程中，根據(jù)采集礦物數(shù)據(jù)確定元素和礦物異常界限值。4）對(duì)異常信息進(jìn)行合并分析，對(duì)可能存在的金礦床進(jìn)行位置預(yù)測(cè)。

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪\(yùn)行

預(yù)測(cè)模型包括預(yù)測(cè)變量的提取和研究，然后總結(jié)出來(lái)金礦位置規(guī)律的試驗(yàn)，在電腦上表達(dá)GIS技術(shù)的過(guò)程，只有用GIS技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)分析方法的定量預(yù)測(cè)。為了研究GIS平臺(tái)的金礦成礦的分布情況和質(zhì)量，要提取可能與礦化作用有關(guān)系的所有數(shù)據(jù)。

本次預(yù)測(cè)中基礎(chǔ)地質(zhì)信息主要為實(shí)體圖層，包括各種點(diǎn)、線、面的空間，此外，還有空間屬性數(shù)據(jù)庫(kù)?；叫畔⒑臀锾街亓Υ欧ㄐ畔⒂蒅IS數(shù)據(jù)提供，化探的異常是將化探數(shù)據(jù)處理后形成的化探數(shù)據(jù)庫(kù)，空間實(shí)體圖是由空中衛(wèi)星的影像數(shù)據(jù)組成的，將數(shù)據(jù)破譯后，就會(huì)形成線環(huán)構(gòu)造、蝕變和地層等各種推斷的空間實(shí)體圖層以及空間數(shù)據(jù)庫(kù)。為了獲取地質(zhì)金礦床定位信息，需要對(duì)巖礦地層情況與巖礦地層斷裂構(gòu)造進(jìn)行定量化分析，以下為具體操作。

把成礦地層玄武巖圖層與網(wǎng)格單位圖層相互對(duì)比，如果網(wǎng)格單位圖層出現(xiàn)異常，則把空間數(shù)據(jù)庫(kù)金礦的地層字段用1來(lái)賦值，否則就用0來(lái)賦值。

斷裂的特點(diǎn)非常多，例如方向、位置、性質(zhì)以及密度等均有特點(diǎn)。本次預(yù)測(cè)的斷裂位置比較集中，主要為級(jí)別較低的斷裂構(gòu)造，為此需要有很多遙感線性斷裂信息要補(bǔ)充，否則，就無(wú)法進(jìn)行密度計(jì)算。因?yàn)榇蠖鄶?shù)區(qū)域斷裂得不嚴(yán)重，而且現(xiàn)在礦床的屬性可能已經(jīng)與成礦時(shí)期的屬性截然不同，所以對(duì)沒(méi)必要對(duì)斷裂位置進(jìn)行提取。這次試驗(yàn)的斷裂按照預(yù)測(cè)模型，提供的斷裂信息是方向不同的，然后提取主要的斷裂位置，用來(lái)控制其影響的范圍。為此，需要對(duì)斷裂方向進(jìn)行篩選，然后對(duì)其進(jìn)行整理，最后才能重新構(gòu)造圖層。

對(duì)每組斷裂結(jié)果進(jìn)行分析，分析的結(jié)果會(huì)統(tǒng)計(jì)其影響成礦的域的大小，并以此來(lái)設(shè)置緩沖區(qū)，來(lái)確定此組斷裂的緩沖區(qū)面圖層位置。檢驗(yàn)斷裂方向信息，一般采用將斷裂圖層按照其斷裂走向，將它們分別記入數(shù)據(jù)庫(kù)里，然后按照走向角度的22.5度為基準(zhǔn)，劃分為NWW、NW、NNW、NS、NNE、NENEE以及EW等8個(gè)方向組，每組角度區(qū)間長(zhǎng)為22.5，分別形成單獨(dú)的斷裂線圖層。

根據(jù)金礦床的斷裂特征、方向的不同，將不同的方向與原始金礦床對(duì)比后，得到結(jié)果為NS，NNE， NNW和NW向斷裂與原始的成礦最有關(guān)系。計(jì)算方向組斷裂位置到已知金礦的距離，會(huì)得到一個(gè)分布統(tǒng)計(jì)表或者統(tǒng)計(jì)分布曲線，進(jìn)而獲得其成礦影響的范圍，如圖2所示。

根據(jù)圖2的斷裂與金礦的地點(diǎn)的距離，確定各個(gè)方與斷裂緩沖區(qū)的距離數(shù)據(jù)：NS向斷裂1 km， NN向斷裂1 km，NNW向斷裂1.5 km， NW向斷裂0.5 km。按照不同的距離，設(shè)置了不同的斷裂緩沖區(qū)，然后對(duì)比圖層與網(wǎng)格單元圖層是否不一致，如果不一致，則其斷裂方向的賦值為1，否則賦值為0。

圖2 斷裂與礦點(diǎn)距離統(tǒng)計(jì)圖

數(shù)據(jù)處理完畢后，會(huì)形成3個(gè)不同的異常等級(jí)，由于較低的化探異常也可能有金礦分布，所以所有級(jí)別異常都作為可以進(jìn)行化探的地方，不要區(qū)分它們。把該圖層與網(wǎng)格單元圖層相交，如果出現(xiàn)了相交的情況，則其空間數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)元素化探異常的賦值為1，否則賦值為0。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)收集不良地質(zhì)金礦預(yù)測(cè)的地質(zhì)、物化探、遙感、重砂及部分圖表和資料，用 GIS 技術(shù)將數(shù)據(jù)實(shí)實(shí)施監(jiān)測(cè)后，運(yùn)用特征分析法，給出了定量金礦分布的預(yù)測(cè)結(jié)論。通過(guò)上述試驗(yàn)的運(yùn)行，得到以下結(jié)果：1）研究區(qū)的金礦是卡林型的，主要受中、后世代福源‐彌勒基底斷層構(gòu)造‐巖漿‐流體及沉積蓋層的逆沖推覆褶皺‐斷層的影響，礦體均在玄武巖的共同接觸面上的上沉火山灰?guī)r層中。2）將物化遙重砂的標(biāo)記信息與已知金礦點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)GIS方式進(jìn)行計(jì)算，玄武巖的不融合面、NS向斷層1km區(qū)、NNE向斷層1km區(qū)、NNW向斷層1.5km區(qū)、NW向斷層0.5km區(qū)、金元素反常、汞元素異常、是重要的控礦因素，利用這些控礦因素可以進(jìn)行定位礦標(biāo)記，該標(biāo)記可選為本區(qū)的預(yù)測(cè)變量。3）預(yù)測(cè)工作最終提出了A、B、C三類，共18處的礦業(yè)資源普查靶區(qū)，選取中4處A類靶區(qū)的預(yù)期證據(jù)充足，且與已有金礦配合程高，可以率先進(jìn)行金礦定位工作。B級(jí)靶區(qū)次之，重要成礦要素基本都齊全，且成礦條件滿足地質(zhì)學(xué)成礦的條件的80%，可以把它作為重點(diǎn)定位預(yù)測(cè)區(qū)域。C類靶區(qū)則根據(jù)目前資料認(rèn)為資源潛力較小，且預(yù)測(cè)依據(jù)與成礦條件匹配程度均不高，因此沒(méi)必要做太多的地質(zhì)勘探工作。

3 結(jié)論

綜上所述，不良地質(zhì)金礦現(xiàn)象產(chǎn)生的前提條件是由于具有巨大礦山水害資源以及政府對(duì)礦井的水害資源管理政策失控，從而導(dǎo)致礦山內(nèi)意外充水，進(jìn)而造成了礦山水害事件。因此，必須在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件下，通過(guò)采用多頻率域電磁法勘探技術(shù)等物探方面的手段，及早預(yù)測(cè)了礦山水害源，然后再有的放矢地輔以勘探手段，精確監(jiān)測(cè)礦山水害資源，才能制定切實(shí)可行的防水保護(hù)措施，以便于有效防止礦山事件發(fā)生。