井中激发极化法在金属矿产勘查中的应用.pdf

2023年6月下 世界有色金属 169井中激发极化法在金属矿产勘查中的应用韩国胜（北方卓越（北京）勘测技术有限公司，北京1 0 2 2 0 6）摘 要：井中物探工作在深部找矿工作中，尤其是在已知矿区深部和外围找矿工作中是一种重要且有效的勘探方法，本文通过使用加拿大C l a r i t y 3 D系统在铜锌金属矿区开展井中激发极化勘探工作，从装置的选取、数据的处理、3 D可视化解译地下异常体的形态特征等多方面对该方法做出详细阐述，以此介绍了井中激发极化法在金属矿山深部找矿中圈定靶区和选取目标等方向具有广阔的应用前景。关键词：激发极化法；C l a r i t y 3 D系统；金属矿；隐伏矿勘查中图分类号：P 6 3 1.3 2 4 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 2-0 1 6 9-4The Application of Downhole Induced Polarization/Resistivity Method in the Exploration of Metallic DepositsHANGuo-sheng(No r t h e r n P e a k (B e i j i n g)S u r v e y T e c h n o l o g y C o.,L T D.,B e i j i n g 1 0 2 2 0 6,C h i n a)Abstract:T h e D o w n h o l e g e o p h y s i c a l p r o s p e c t i n g w o r k i s a n i mp o r t a n t a n d e f f e c t i v e e x p l o r a t i o n me t h o d i n t h e d e e p a n d p e r i p h e r a l p r o s p e c t i n g w o r k,e s p e c i a l l y i n t h e k n o w n mi n e.I n t h i s p a p e r,t h e C l a r i t y 3 D s y s t e m w h i c h b e l o n g t o C a n a d a i s u s e d t o c a r r y o u t t h e d o w n h o l e i n d u c e d p o l a r i z a t i o n e x p l o r a t i o n w o r k i n t h e c o p p e r a n d z i n c me t a l mi n e.T h e me t h o d i s e l a b o r a t e d i n d e t a i l f r o m t h e s e l e c t i o n o f t h e a r r a y,t h e p r o c e s s i n g o f t h e d a t a,t h e mo r p h o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e 3 D v i s u a l i n t e r p r e t a t i o n o f t h e u n d e r g r o u n d a b n o r ma l b o d y,a n d s o o n.I n t h i s w a y,i t i s i n t r o d u c e d t h a t t h e d o w n h o l e i n d u c e d p o l a r i z a t i o n me t h o d h a s b r o a d a p p l i c a t i o n p r o s p e c t s i n t h e d i r e c t i o n o f d e l i n e a t i n g t h e t a r g e t i n t h e d e e p p r o s p e c t i n g o f me t a l mi n e s.Keywords:I n d u c e d P o l a r i z a t i o n;C l a r i t y 3 D s y s t e m;me t a l mi n e s;e x p l o r a t i o n o f c o n c e a l e d d e p o s i t收稿日期：2 0 2 3-0 4作者简介：韩国胜，生于1 9 8 6 年，男，内蒙古呼伦贝尔人，2 0 1 1 年毕业于中国地质大学（北京），硕士，地质工程师，主要从事矿产地质勘查、综合地球物理勘探工作。深部找矿目前已是全世界金属矿产勘查的一个重要研究方向，井中物探方法是寻找地下隐伏矿体的有利手段，在寻找深部矿和隐伏矿，尤其是在已知矿区深部和外围找矿过程中有着广阔的应用前景1。井中物探方法最主要的优点是通过将探测仪器或场源下放至钻孔深处，使其能够更加接近被探测的勘查对象，从而大大降低了常规地面物探方法存在的受干扰影响大、分辨率低和探测范围小的局限性。此外，当前常采用多种物探方法组合的方式进行测量，如井中磁测、井中激发极化法、深部充电法等的组合，这些方法在俄罗斯、加拿大、澳大利亚等国家的深部找矿中发挥出了主导作用，成为圈定深部隐伏矿床的有效组合方法2。近年来在国内外一些具有悠久勘查开发历史的老矿山，通过采用钻探和井中物探结合的新技术，在深部隐伏矿体的勘探上获得新的突破3-4。本文结合在加拿大Jamieson铜锌金属矿区开展井下激发极化技术使用效果对井中激发极化方法在金属矿就矿找矿勘查工作中缩小靶区和定位矿（化）体的能力做探讨。1 勘探方法加拿大的JVX公司推出的Clarity 3D系统通过井下激发极化技术在块状的金属矿床探测方面取得成功5-6，该系统在地表钻探的基础上实施井中物探技术，实现3km孔深范围内探测距离钻孔200m以远的异常。系统最大的优势在于通过电极将电流直接注入钻孔来获取地下良导体的异常响应，其探测的分辨率与灵敏度不会因深度的增加而降低，收集的数据量是普通方式的10倍。同时，根据钻孔数量、孔间距、钻孔参数等的不同，可以设计不同的采集装置，再结合地表等其他勘查工作结果，实现以3D方式呈现地下导体的电阻率和极化率分布情况，为进一步的钻探查证工作提供依据7-8。1.1 单极-偶极装置（径向探测）单极-偶极装置（PoleDipole）通常用来确定异常体距离钻孔轨迹线的距离，以及矿化作用随钻孔径向变化而变化情况。装置的部署方式实际与地表的单极-偶极探测极其相似（如图1），只是其探测的形态沿着钻孔的轴线而有所倾斜，在计算电阻率时常规使用的地下半空间也被一个完整的三维电流场所代替。单极-偶极装置通常在地表距离孔口几百米处安装一个供电电极，向地下注入电流，视其为“无限远”电极（C1）。第二个供电电极（C2）与下放至钻孔中的测量电极以固定的距离下降到孔中。整套装置中设置多个测量电极（通常选用6个）共同降至井底，采取不通的组合方式测量电位差，形成P1-P2、P2-P3、P3-P4和P4-P5等偶极子（如图2）。图1地表单极-偶极装置示意图世界有色金属2023年6月下170图2井下单极-偶极装置示意图在单极-偶极激发极化装置的基础之上，也可以做出适度的调整变化，以便达到更精准的勘探目的，如调整各测量电极偶极之间的距离范围，供电电极附近的偶极子间距a为远离供电电极的偶极子间距一半（如图3），既可以保证沿钻孔径向方向上浅层深度获取更高分辨率数据，同时可以获取更大的勘探深度及覆盖范围，尤其是在信号快速衰减地区，相较于地表装置采集过程中的存在的各类强干扰因素，钻孔中的探测装置获取的数据信噪比更好，最终反演结果亦非常理想，深部的结果尤甚。图3组合排列装置示意图图4跨孔断面成像装置示意图实际钻孔条件允许的情况下（多钻孔），可以采用跨孔断面成像装置（如图4），该装置是在传统勘查装置的基础上结合实际生产钻孔而开发的新的分支，通常在间距处于250m500m之间的不同钻孔内布设勘查装置，实现在地下供电，地下测量的目的，这种装置可以有利的补充钻孔之间地表勘探范围之外的深部矿（化）体数据资料，既可以利用视电阻率参数，电性界面特征等进行岩性、构造的推测划分，也能根据时间域视极化率、频率域视相位、百分频率效应等参数直接证明与矿（化）相关的金属硫化物存在与否，对实际的生产钻孔未能捕获到的盲矿体圈定和缩小勘探靶区范围有极大的指导作用9。图5方位测量示意图1.2 梯度测量（方位测量）采用将供电电极设置在勘探区两侧地表或两侧钻孔中的方式，通常在钻孔的东、南、西、北四个方位设置大功率供电电极向地下供电，使用固定距离的测量电极沿钻孔轨迹线测量电阻率和极化率（如图5）。该装置同样具有可以比钻孔结合地表勘探获取更多信息的功能，在不具备拟断面成像装置布置的条件下，梯度装置是对各方向测量的最好选择。图6充电法装置示意图1.3 充电法测量充电法以充电体及地下围岩的电性差异为物质基础，根据电场空间分布推断矿（化）体规模，通常选择在矿（化）体已确定位置或出露露头时选择该装置。在目标位置设定供电电极C1，另一供电电极C2设置在无穷远处，通过向在地表或钻孔中移动测量电极，实现数据采集（如图6）10-12。2 应用实例2.1 区域地质Jamieson矿区位于加拿大安大略省北部Abitibi绿岩带西端的Kamiskotia地区，由太古宙变质沉积物和花岗岩和镁铁质侵入的长英质-镁铁质变质火山岩组成，与上覆的流纹岩、玄武岩等岩层互层，该套火山序列发育有铜、锌矿化，迄今已产出超过500万吨矿石13。该地区地层上分布有太古宙的流纹岩、安山岩、凝灰岩等中酸性岩石。流纹岩由块状熔岩、流纹质火山碎屑岩、流纹质基底和岩墙组成，属于硅质岩，风化面呈白色，绢云母蚀变广泛发育。中等岩石由块状和枕状安山岩、安山岩火山2023年6月下 世界有色金属 171碎屑岩和带状安山岩凝灰岩组成，安山岩呈深绿色，硅化发育。区域内发育韧性剪切构造，整体走向为N50 W，对所有地层均有影响，在流纹岩中居多，局部发育的强剪切性的狭窄区域，近垂直状倾向北东方向。在这些狭窄的剪切带上发育有错断，断层裂隙由后期的辉绿岩脉充填14-16。Jamieson矿床属于典型的块状硫化物矿床，硫化物带由黄铁矿、闪锌矿和黄铜矿组成，呈块状、角砾状和球状。硫化物通常呈块状，有些呈浸染状，极少部分呈星散状17-18。该矿床历史上在1966-1971年间共有三个矿脉上实现地下开采生产，矿化作用主要发育在镁铁质凝灰岩和凝灰角砾岩中，以及部分互层的流纹质凝灰岩、燧石和角砾岩内。矿床区的热液蚀变随地层和岩性而变化。靠近矿化带的围岩通常发育绿石化、绢云母化，局部出现碳酸盐蚀变、硅化和绿帘石化19-22。2.2 勘探方法选取矿区勘查方法选取时，将矿区内钻孔的数量、钻孔间距、孔深以及倾角和方位角等参数一并纳入考虑范围。在实测中，为确保数据的可靠，分布均匀且相对陡倾的钻孔是首选目标，同时，若有地表勘查数据与钻孔数据，一并纳入地下3D电导率和电阻率反演模型的综合计算。矿区共采用三种井中勘查装置，具体装置参数见表1。表1Clarity3DDSIP系统勘查参数表钻孔编号装置参数深度(m)CJ-ZK7单极-偶极，a=10m，n=1-5612梯度，a=20m，40m充电法，a=20mCJ-ZK8单极-偶极，a=10m，n=1-5383梯度，a=20m，40m充电法，a=20mCJ-ZK9单极-偶极，a=10m，n=1-5356梯度，a=20m，40m2.3 数据处理在对激发极化法数据进行处理时，通常使用Cole-Cole模型。Cole-Cole模型通过四个复电阻率参数来描述地下介质的激电响应谱特征，其表达式为 （1）其中是角频率（2f），式中、c、m四个参数为柯尔-柯尔模型参数，-直流电阻率(m)；m-极化率（也称充电率）；-时间常数(秒)，c-频率相关系数。通过这些参数对地下介质间的激电谱差异进行评价，如时间常数（）是异常解析中良导体矿物粒度的度量，真极化率（m或MIP）很好地体现了良导体（主要是磁黄铁矿和石墨）的占比，而频率相关系数是衡量导体矿物颗粒均匀性和连通性的重要指标23-25。这些参数常见的取值范围为0至1V/V（m）、0.01至100秒（）和0.1至0.6（c）。Cole-Cole谱参数既可以通过分析地层对不同频率交流电流（即频率域激发极化法）持续传输的响应来确定，也可以通过分析方波电流（即时间域激发极化法）的传输引起的瞬态衰减来确定，在时域激发极化法勘查中，通过使用理论衰变和实测衰变之间的最佳拟合来评估阻抗模型参数。2.4 数据解释数据的解释主要集中电阻率异常解译上，所有排列的异常均通过视电阻率和极化率剖面或剖面图进行讨论，根据各钻孔视剖面图呈现的情况，对异常点进行划分。现以钻孔CJ-ZK9为例，描述视剖面图上异常情况。物探异常响应特征描述见表2。表2井中激发极化法物探异常响应描述物探异常响应低中高视电阻率（m）20极化率（mV/V）20谱极化率（mV/V）650（s）30（长）钻孔CJ-ZK9视剖面图可以观测3个主要异常和1个次要异常（如图7），分别定名为Zone1、zone2、zone3、zone4，具体异常特征描述见表3。表3单极-偶极装置视剖面图解译异常名称自（米）至（m）视 电阻率Mx-极化率MIP-极化率颗粒度Zone158低中中以长为主粗粒Zone2165220低中高中高长短均有粗细混合Zone3220255中高中高低至高长短均有粗细混合Zone4305340低高低至高长短均有粗细混合图7钻孔CJ-ZK9井中激发极化异常视剖面图钻孔中开展井中方位装置测量，钻孔的在190-210m之间、320m位置分别显示有不同的异常特征（如图8），具体描述见表4。表4梯度装置剖面图解译钻孔编号自（米）至（m）方向异常描述CJ-ZK9190210四 个方向显示出相对低阻高极化异常特征，在E和N方位异常范围和强度大。320N、E高极化，与N和E方向递减的电阻率匹配。图8钻孔CJ-ZK9井中激发极化异常视剖面图通过井中方位测量和激发极化数据计算获取3D电阻率和极化率模型（如图9）。本例中电阻率和极化率模型网格的大小为20m20m20m，极化率模型同时展示出极化率体元的叠加剖面（如图10）。3D模型与剖面图进行对比来辅世界有色金属2023年6月下172助确定下一步勘探的目标体，如在孔深145m处高极化异常与低电阻率异常吻合，对比钻孔样品分析结果，与Cu矿化位置匹配（如图11）。图9工区极化率（左）与电阻率（右）模型图10极化率模型叠加剖面图图11井中激发极化剖面与矿化带对比3 结论和建议传统物探方法与技术受矿产埋藏深度、地面干扰强烈等因素的影响，在深部找矿工作中，对地下深部勘查目标的探测能力有一定挑战性，为进一步扩展方法的适用性，除在技术方法、仪器设备等方面不断改进以外，结合生产实际，将部分勘查方法的适用空间转移至地下，接近探测对象同样是一种有效增强探测能力的手段，这其中在钻孔内实施勘查工作无疑是最经济实用的方式之一。由于井中物探工作其仪器设备的全部或部分位于钻孔内，距离探测目标更近，同时也大大地增强了激发极化强度和接收的响应强度，从而有效提升了探测的深度与广度，同时在钻孔中施工可以有效规避地表方法所引入的人文干扰、地形影响等因素带来的数据质量下降问题，因此，在深部找矿，尤其是已知矿区周边寻找隐伏矿体方面有着广阔的应用前景。1袁桂琴，马冰，张桂平等.国外矿产勘查井中物探金属应用新动态J.地质科技情报，2016，35(1):184-189.2PengSL,ShaoYJ,ZhangJD.Prospectingpredictiontheoryand method about concealed ore-deposit in metal mine.GeologicalBulletinofChina,2011,30(4):538-543.3施俊法，姚华军，李友枝等.信息找矿战略与勘查百例M 北京:地质出版社，20054吴其斌，马冰，张桂平.近年来国外勘查地球物理的若干进展与趋势 J 物探与化探，2015，39(6):1261 1266.5Killeen P G,The exploration trends and developmentsJ.TheNorthernMiner,2011,98(2):4-25.6Killeen P G,Mineral exploration trends and development in2012J.TheNorthernMiner,2013,99(2):4-25.7BWebster,HDWondimu,CopperdelineationwithClarity3DTMDSIP/resistivitysystemJ.8B Webster,E Martinez,JVXs BHIP 3D inversion modelsmapping resistive and chargeable ore bodiesJ.The OntarioProspector,Winter2011,20-21.9雒志锋，吴小平.时间激电单极-偶极、偶极-单极排列测深法二维地电断面成像 J 物探与化探，2011，35(2):218 222.10 钟秋平.深部金属矿常用的物探方法简析 J 能源研究与管理，2016(4):91 94.11 彭省临，邵拥军，张建东.金属矿山隐伏矿找矿预测理论与方法 J 地质通报，2011，30(4):538 543.12 张兆京，朱明忠.深部充电法等井中综合物探方法在新疆找矿中的应用研究 J 矿产与地质，1995，9(5):344 347.13 Hogg,N,1954，Geology of Godfrey Township;OntarioDepartmentofMines,Vol63,Part7.14 Jones W A,1947,Experience With Some Electrical andMagnetic Methods in Prospecting,Trans.Can.Inst.MiningMet.,Vol.50,pp.537-557.15 Ferguson,SA,1944，SomecopperpropertiesinRobb,Jamiesona n d G o d f r e y T o w n s h i p s;O n t a r i o D e p a r t m e n t o fMines,Vol.53,pt.4,p.17-32.16 Finley,F L,1925，Kamiskotia GoJd Area,District ofCochrane;OntarioDepartmentofMines,Vol.34pt.6,p.43-64.17 Middleton,R S,1969，Jamieson Township,District ofCochrane;OntarioDepartmentofMines,Prelim.MapP.521.18 Middleton,R S,1971，Godfrey Township,District ofCochrane;OntarioDepartmentofMines,Prelim.MapP.639.19 Middleton,R S,1972,Geology of Turnbull and GodfreyTownships,District of Cochrane;Ontario Department ofMines,Prelim.MapP.2330.20 Middleton,RS,1973，MagneticsurveyofRobbandJamiesonTownships,District of Cochrane,GR.l.Accompanied byGeologicalMap2255.21 Pyke,DR,Middleton,RS,1970，DistributionandcharacteristicsofthesulphideoresoftheTimminsarea;OntarioDepartmentofMines,MP41,24p.22 Middleton,R S,1975:Magnetic,Petrochemical and GeologicalSurvey of Turnbull and Godfrey Townships,District ofCochrane;OntarioDivisionofMines,OFR5118.23 于立波.谱激电法柯尔-柯尔模型频谱参数特性研究 J 科技风，2011(23):26.24 吴孝国.柯尔-柯尔模型激电时间谱的正反演方法及应用 J 地质与勘探，1989，25(9):37 41.25 刘崧，薛继安，徐建华.求地下极化体真柯尔-柯尔参数的研究 J 物探与化探，2000，24(1):51 61.本文仅就通过采用加拿大Clarity 3D系统在老矿区钻孔中开展井中激发极化方法勘探的基础上，概述了通过井中激发极化法数据创建地下三维（3D）激电异常模型，以3D图像的形式复现地下异常体的赋存空间，在此基础上集成矿区的其它地质勘查信息，可以更好地指导工区内下一步的找矿目标和靶区。