井中三分量磁法測量在深部找礦中的應(yīng)用——以金嶺鐵礦區(qū)

1、井中三分量磁法測量在深部找礦中的應(yīng)用以金嶺鐵礦區(qū)磁異常解析為例李令斌（山東正元地質(zhì)資源勘查有限責(zé)任公司，山東 濟南 255000）摘要：本文基于地面高精度磁法測量難以解決危機礦山深部找礦突破的問題，以井中三分量磁法測量為研究對象，結(jié)合王旺莊、侯家莊和南龍磁異常，分析了井中三分量磁法測量在深部找礦中的應(yīng)用效果。研究結(jié)果表明，根據(jù)井中三分磁法測量結(jié)果，當(dāng)?shù)V體在觀測孔以北時，Z曲線呈反“S”型，當(dāng)D大時，正值小于負值；若D很大時則呈似“C”型曲線；當(dāng)D減小，正異常逐漸增加，而零值點伴隨“D”的增大，相應(yīng)有所抬高；當(dāng)?shù)V體在觀測孔以南時，Z曲線呈正“S”型，其特點與反“S”型相反；鉆孔驗證結(jié)果顯示，在王

2、旺莊C8、C9分別見到65.69m、58.47m的磁鐵礦體，在侯家莊11A-4鉆孔和南龍0-2孔中見到了預(yù)測磁鐵礦體，找礦實踐證明，井中三分磁法測量在深部找礦中具有良好的應(yīng)用效果。關(guān)鍵詞：危機礦山；深部找礦；金嶺鐵礦；井中三分量磁法測量；磁異常作者簡介：李令斌（1985），男，漢族，山東濰坊人，本科，工程師，研究方向為地球物理勘查、水工環(huán)勘查。0 引 言鐵礦資源是世界上發(fā)現(xiàn)最早，利用最廣，用量最多的一種黑色金屬，隨著鐵礦資源需求量的增加促進了資源開發(fā)利用進程，導(dǎo)致深部及外圍找礦成為解決危機礦山資源枯竭的主要途徑。但是，地面高精度磁法測量受地表礦渣、地面建筑物以及礦區(qū)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造等影響，降低了地

3、面高精度磁法測量采集精度以及提高了解譯難度1-4。此外，深部礦體埋深較大，導(dǎo)致地面高精度磁測異常在地面的相應(yīng)極其微弱，因此，僅靠單一的地面高精度磁法測量是難以解決危機礦山找礦突破的問題5-6。井中三分量磁法測量是測法技術(shù)向鉆孔深部的發(fā)展，能夠有效的避開地表礦渣、建筑物等的干擾，在鉆孔深處進行全方位測量，可有效的將一定范圍內(nèi)的隱伏礦體探測出來，并且能夠確定隱伏礦體的大致位置，為深部鉆探施工提供指導(dǎo)，在尋找井底、井旁盲礦體，大致確定礦體位置、產(chǎn)狀、規(guī)模和礦體分布情況，盡快揭示礦床分布規(guī)律等方面均能取得很好的效果7-9。1 井中三分量磁法測量的理論基礎(chǔ)1.1 井中三分量磁法測量原理三維空間任一點的磁

4、場強度為T，則T一般由T0（地磁場的正常場）和Ta（與磁性體有關(guān)的異常場）組成10。T=T0+Ta因此，對深部找礦有意義的磁異常為Ta，為確定引起Ta異常的磁性體空間位置，必需確定Ta的方向和模值。實踐證明最方便的方法是測量向量Ta在直角坐標系中的三分分量，若用坐標單位矢量表示T和T0，則有如下形式11-12：T=Xi+Yj+Zk （1）T0=X0i+Y0j+Z0k （2）觀測點磁異常Ta是T與T0之差：Ta=T=T-T0=(X-X0)i+(Y-Y0)j+(Z-Z0)k （3）其中X、Y、Z是井中實測值，X0、Y0、Z0是地面基點上的地磁場正常測量值。2.2 測量系統(tǒng)的定向問題井中磁力儀坐標系

5、統(tǒng)的定向問題比較復(fù)雜，常用的有兩種定向系統(tǒng)，即軸向系統(tǒng)和垂向系統(tǒng)14。圖1 井中磁力儀定向系統(tǒng)Fig 1 wells magnetometer orientation system(a-軸向定向系統(tǒng)、b-垂向定向系統(tǒng)、BH-井軸、1-鉆孔傾斜面、3-水平面)（1）軸向定向系統(tǒng)：井中磁力儀只有一個自由度，轉(zhuǎn)動軸始終平行于井軸，這時Z軸沿井軸，Y軸垂直于井軸位于水平面內(nèi)，X軸垂直于井軸位于鉆孔傾斜方位平面內(nèi)（圖1a）。（2）垂向定向系統(tǒng)：井中儀器有兩個自由度，其中一個軸始終沿鉛垂方向，即Z軸，Y軸水平始終位于井斜方位平面內(nèi)，X軸水平垂直于Y軸（圖1b）。由此可以寫出垂向定向系統(tǒng)中正常分量與異常分量

6、的表達式：X0=T0cosIsin Y0=T0cosIcos Z0=T0sinI （4）Xa=X=X-X0=X-T0cosIsin （5）Ya=Y=Y-Y0=Y-T0cosIcos （6）Za=Z=Z-Z0=Z-T0sinI （7）式中是井斜方位角，I為地磁傾角。并可求的磁異常水平分量和總場的模值：H=（X2+Y2）1/2；T=（H2+Z2）1/2 （8）2 金嶺鐵礦區(qū)地質(zhì)概況金嶺鐵礦床大地構(gòu)造位置處于魯西隆起區(qū)泰沂隆起的北緣，齊河淄博凹陷的東段，區(qū)內(nèi)出露地層由老至新為13-14：奧陶系馬家溝組（OM），為一套碳酸鹽巖建造，是金嶺鐵礦區(qū)最主要的成礦圍巖；石炭二疊系月門溝群（C2P1y），巖性為

7、深灰色粉砂巖、泥巖夾砂巖、灰?guī)r、鋁土巖、煤層（或煤線）；二疊系石盒子組（PS），巖性為灰綠、黃綠、紫紅、灰紫等雜色長石石英砂巖，粉砂質(zhì)泥巖，夾灰黑色泥頁巖及煤線；第四系山前組（QS），主要由粉質(zhì)粘土、粉土、粘土組成，局部含鈣質(zhì)結(jié)核，夾中砂或卵礫石。區(qū)域構(gòu)造形態(tài)為一南端封閉隆起，向北傾伏擴展的不對稱向斜構(gòu)造淄博向斜。區(qū)內(nèi)巖漿巖主要為金嶺閃長巖雜巖體（yS35），巖體位于礦區(qū)的中部，平面形態(tài)為橢圓形，沿北東方向展布，出露面積約72km2。據(jù)同位素測定結(jié)果顯示，巖體侵入時間在128110Ma之間，屬燕山中晚期的產(chǎn)物。3 磁異常分析從宏觀上看，金嶺鐵礦區(qū)構(gòu)造比較簡單，異常展布均表現(xiàn)為單一的孤立異常，經(jīng)

8、鉆探驗證除東召四、立子營為火成巖引起的異常外，余者均為礦致異常。根據(jù)礦區(qū)異常分布規(guī)律可知，礦區(qū)磁異?？煞譃閮蓚€區(qū)：一是以金嶺巖體為中心的環(huán)狀異常帶，走向由南到北為北東走向轉(zhuǎn)為近東西走向，磁異常等值線表現(xiàn)密集，梯度較陡，等值線向外表現(xiàn)擴張趨勢；二是以王旺莊巖體為中心的環(huán)狀異常帶，其展布特征與“一”相近。本文著重分析王旺莊、侯家莊和南龍磁異常，分析井中三分量磁法測量在深部找礦中的應(yīng)用。3.1 王旺莊磁異常（1）地面異常特征王旺莊地面磁異常位于金嶺“8”字形巖體頭部接觸帶上，屬于以金嶺巖體為中心的環(huán)狀異常帶的組成部分，巖體為中基性，巖性為輝石閃長巖，侵位于石炭二疊系及奧陶系地層中，巖體走向呈近東西向

9、。王旺莊地面磁異常為似等軸狀，異常極值3500nT，呈東西走向，等值線向南開擴，北部出現(xiàn)負值，且正值大于負值，表明礦體向北傾，礦體與磁化方向夾角在090°之間。異常分布范圍以1500nT等值線圈定，長1000m，寬800m，正負峰值間距1000m，因此認為磁性地質(zhì)體是等軸的，主礦體位于正負峰值之間（圖2）。1-正異常等值線；2-負異常等值線；3-零異常等值線；4-施工鉆孔及編號圖2 王旺莊地面磁異常等值線圖Fig 2 Wang Wang Zhuang ground magnetic anomaly contour map（2）井中磁異常特征對王旺莊地面磁異常比較分析后，發(fā)現(xiàn)該異常仍有

10、1500nT的剩余異常，對CK6、CK7鉆孔開展了井中三分磁法測量工作，總結(jié)CK6孔磁測井Z曲線（圖3）得出：曲線上部范圍小，梯度陡，強度高（Zmin=-17000nT），可能是由井旁的薄層盲礦體引起；在450m以下為強度-9600nT的寬緩異常，通過鉆孔巖心參數(shù)測定結(jié)果表明，閃長巖以感磁為主，且變化穩(wěn)定，假設(shè)剩磁與感磁方向相同，那么總的有效磁化強度J=0.003CGSM，當(dāng)鉆孔穿過水平方向延伸很大的巖層時，鉆孔中只受到巖體版面磁荷的影響，因本孔為直孔，井壁感應(yīng)磁荷對垂直分量無影響，而閃長巖巖層面磁荷產(chǎn)生的內(nèi)磁場的垂直分量應(yīng)在-4JsinI-2JsinI之間（I為當(dāng)?shù)卣５卮艌鰞A角53

11、6;），即能產(chǎn)生-3000nT<Z巖<-1500nT，按-3000nT計算，那么井內(nèi)尚有-6600nT的剩余異常，表明該孔遠處仍有較大盲礦體的可能。總結(jié)CK7孔磁測井Z曲線得出：Z曲線先見正值，在330m過零點轉(zhuǎn)為負值，異常比CK6孔更強（Zmin=-16000nT），480m以下曲線明顯回升，表明該孔比CK6孔更接近于礦體；本孔Z曲線呈反“S”型，表明盲礦體可能賦存于本孔北側(cè)，在對于地面和井中磁異常分析的同時，根據(jù)本區(qū)地質(zhì)條件，認為以往鉆孔都沒打到正常接觸帶上，應(yīng)沿傾斜方向深追，通過鉆孔驗證，在C8、C9分別見到65.69m、58.47m的磁鐵礦，找到了主礦體，從而打開了王旺莊找

12、礦的局面。通過王旺莊礦床大量的鉆孔井中磁測，得出如下規(guī)律：當(dāng)?shù)V體在觀測孔以北時，Z曲線呈反“S”型，就其異常變化特征而言，隨著鉆孔相距礦體距離“D”大小而變，當(dāng)較遠時，正值小于負值；若距離很遠時則出現(xiàn)似“C”型曲線；當(dāng)隨著“D”減小，正異常逐漸增加，而零值點伴隨“D”的增大，相應(yīng)會有所抬高（表1）；當(dāng)?shù)V體在觀測孔以南時，Z曲線呈正“S”型，其特點與反“S”型相反。表1 王旺莊曲線類型與相距距離關(guān)系統(tǒng)計表Table 1 Wang Wangzhuang curve type and distance distance statistics relationship孔號CK28CK40CK7CK46

13、CK26CK74CK67曲線類型似C反S反S反S反S反S反S-Zmax/Zmax8454111距離D（m）35010010080500圖3 王旺莊CK6、CK7井中磁側(cè)曲線圖Fig3 Wang Wangzhuang CK6, CK7 side borehole magnetic curve3.2 侯家莊磁異常（1）地面異常特征侯家莊礦床位于金嶺短軸背斜的北西翼，已知礦體賦存于奧陶系馬家溝組灰?guī)r與閃長巖的接觸帶上（矽卡巖帶），形成了矽卡巖型磁鐵礦體，矽卡巖帶產(chǎn)狀與灰?guī)r產(chǎn)狀基本一致。侯家莊磁異常平面形態(tài)呈“鞋底”狀，該異常位于金嶺巖體西北側(cè)中部，以500nT為異常下限圈定異常，出現(xiàn)2500nT和3

14、000nT兩個峰值圈，由西南向北東方向沿接觸帶分布（圖4）。此外，在對應(yīng)3000nT異常圈的北側(cè)伴有-400nT的卵形負異常。1-正異常等值線；2-負異常等值線；3-零異常等值線；4-施工鉆孔及編號圖4 侯家莊、南龍地面磁異常等值線圖Fig 4 houjiazhuang, Nan long ground magnetic anomaly contour map（2）井中磁異常特征在11A剖面中，對CK11A-1、CK11A-2、CK11A-3孔進行了井中三分量磁法測量，其結(jié)果表明CK11A-1、CK11A-2的T矢量，分別呈收斂發(fā)散狀態(tài)，是正負磁荷集聚所致，也反應(yīng)了同一礦體的頭部和尾部，進一步

15、指出該礦長度可能為110m。根據(jù)退磁作用的內(nèi)磁場T內(nèi)總是垂直板面這一原理，對CK11A-1進行了T內(nèi)測量，認為該礦體屬緩傾斜礦體，礦體傾向NW，傾角20°左右，基本符合實際情況（圖5）。CK11A-3為一非見礦鉆孔，但Z曲線呈反“S”型，H呈“S”型，其Hmax與Z零值點基本在同一深度上，T有明顯的收斂點，指向西北，說明該孔北側(cè)有礦頭存在，經(jīng)計算確認，礦頭埋深約170m，礦頭據(jù)本孔水平距離D=14.4m。經(jīng)過11A-4鉆孔驗證，與推測基本相符。圖5 侯家莊11A線鉆孔井中磁測圖Fig 5 11A line of houjiazhuang drilling borehole magne

16、tic map3.3 南龍磁異常（1）地面異常特征南龍地面異常范圍較小，為一孤立的橢圓形異常，異常極值400nT（圖4）。（2）井中磁異常特征在0-1鉆孔鉆進過程中，在預(yù)計見礦深度范圍內(nèi)揭露了13m的隱伏磁鐵礦體，測井中Z曲線呈反“S”型，表明鉆孔打在礦體上端，主礦體在北側(cè)，利用內(nèi)磁所特征，確定礦體傾角近50°。0-1鉆孔的T在礦體下端有明顯的T正交，說明除本孔所見礦體外，尚有礦體存在，這一結(jié)論在0-2鉆孔中被證實（圖6）。0-2孔的Z曲線，在礦體上下部異常梯度較陡，并有明顯的正值，說明礦體延深是有限的。4 結(jié)論（1）金嶺鐵礦區(qū)異常展布均表現(xiàn)為單一的孤立異常，可分為兩個區(qū)：一是以金嶺

17、巖體為中心的環(huán)狀異常帶，走向由南到北為北東走向轉(zhuǎn)為近東西走向，磁異常等值線表現(xiàn)密集，梯度較陡，等值線向外表現(xiàn)擴張趨勢；二是以王旺莊巖體為中心的環(huán)狀異常帶，其展布特征與“一”相近。圖6 南龍0線鉆孔井中磁測圖Fig 6 0 line drilling wells Nanlong magnetic map（2）當(dāng)?shù)V體在觀測孔以北時，Z曲線呈反“S”型，且隨鉆孔與礦體距離“D”大小而變化，當(dāng)D較大時，正值小于負值；若D很大時則呈似“C”型曲線；當(dāng)D減小，正異常逐漸增加，而零值點伴隨“D”的增大，相應(yīng)有所抬高。當(dāng)?shù)V體在觀測孔以南時，Z曲線呈正“S”型，其特點與反“S”型相反。（3）根據(jù)井中三分磁法測量

18、，在王旺莊C8、C9分別見到65.69m、58.47m的磁鐵礦；在侯家莊11A-4鉆孔中見到了預(yù)測磁鐵礦礦體；在南龍0-2孔中見到了磁鐵礦體。找礦實踐證明，井中三分磁法測量在深部找礦中具有良好的應(yīng)用效果。參考文獻1張巖,張尚坤,于學(xué)峰,單偉,陳文韜,閆誠,郭朋,李小偉.綜合找礦方法在東阿單莊BIF型鐵礦床勘查中的應(yīng)用J.地球科學(xué),2016,41(04):655-663.ZHANG Yan, ZHANG Shangkun, YU Xuefeng, SHAN Wei, CHEN Wentao, YAN Cheng, GUO Peng, LI Xiaowei. The application of

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