定向巖芯構造分析及在金礦勘查中的運用

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(1.江蘇省地質礦產勘查局，江蘇 南京 210018； 2.江蘇省地質工程有限公司， 江蘇 南京 210018； 3.江蘇省地質勘查技術院，江蘇 南京 210049； 4.江蘇省地質礦產勘查局第一地質大隊， 江蘇 南京 210041)

0 引 言

巖芯定向技術是通過對鉆孔巖芯作定向標記，從而獲取帶有定向標記方位角的定向巖芯，對定向巖芯復位測量或計算，即可求解出巖層層面或斷裂面的產狀。利用巖芯求取地下地層面或構造面產狀傳統上常采用三點法、雙孔或單孔測斜數據推算法(董士尤等，1984；李素蘭等，1991；張碧琴等，1996)，存在不確定性或誤差較大。用定向巖芯求解構造面產狀比較簡單，適用性廣，結果可靠。

巖芯定向是固體礦產鉆探與開采、工程勘查、石油天然氣勘探與開發、大陸和大洋科學鉆探的重要工作內容，這項技術已經在石油勘探開發中廣泛應用(王海軍等，2011)。由于地質巖芯直徑較小，地質鉆探取芯對這項技術關注熱度不夠。隨著巖芯定向技術的發展(吳光琳，1992；路桂英等，2010)，巖芯定向的成本及誤差大幅下降。巖芯定向技術對正確判定地下巖(礦)層和斷裂面產狀、查明深部地質構造和礦體延伸，指導地質勘探設計和礦床開采都有很大意義。

1 定向巖芯中各夾角的測量

通常用記號筆在定向巖芯標示孔底端線(BOH，Bottom Of Hole)，表示與鉆孔方位角相反的鉆孔底端位置(圖1a)。圓柱狀的巖芯與構造面的交切面是一個橢圓，其長軸由彎曲度最大的2個轉折點E—E′連線而成。過轉折點在巖芯表面平行于巖芯軸的線即為轉折線。橢圓長軸較低一端標注為E點，較高一端標為E′點。巖芯軸(CA，Core Axis)與橢圓長軸E—E′之間的銳夾角即為軸夾角α(圖1b)。與巖芯軸垂直的假設平面稱之為圓周平面。孔底端線(BOH)在其圓周上為孔底端點BOH，構造面的長軸的2個端點，在圓周平面上為點E和E′。從孔底端點順時針至構造面橢圓長軸低端E之間的夾角即為β(圖1c)。

利用α角和β角，以及測量時鉆孔的方位角和傾角，就可以解算出構造面的產狀。應注意的是，隨著α角的增大，交切巖芯的橢圓越來越接近正圓，使得長軸E—E′難以確定，誤差增大，一般推薦當α≥65°時就不采用通過測量內夾角來恢復原始產狀的方法(Marjoribanks，2010)。

圖1 定向巖芯中α角和β角的定義

2 利用赤平投影轉換內部角度成構造面產狀

當定向巖芯中的構造面用α角和β角進行測量后，就可以利用赤平投影計算真實產狀。其基本原理是巖芯軸(CA)、構造面的極點(P)以及交切橢圓的長軸(E—E′)均位于同一個平面中。巖芯軸(CA)的產狀可以由鉆孔測數據得知，長軸(E—E′)可以簡單地由β夾角推算可到，通過CA和E—E′的大圓弧即代表含有構造面極點(P)的平面，在這個平面中，P點位于從CA旋轉90°-α，離開E方向，或者從CA指向E′方向。

具體的操作步驟見圖2：(1) 投影測量α角和β角位置時的巖芯軸到赤平投影網上，即CA，本例中，假設鉆孔巖芯軸產狀為方位角0°，鉆孔傾角45°。(2) 投影2個參考平面。其一是通過巖芯軸的垂直平面，在赤平投影網上為通過CA和中心點的一條直線；另一是以巖芯軸為法線的圓周平面，在赤平投影網上為與CA呈90°夾角的大圓弧。2個參考平面的交點即為孔底端線(BOH)。(3) 在代表巖芯圓周平面的大圓弧上，從BOH順時針旋轉β角度后的點即為E或E′。如果0°<β<90°，或270°<β<360°，則該點為E；如果90°<β<270°，則該點為E′；如果β角正好為90°或270°，則E和E′同時出現在大圓弧兩端。(4) 旋轉網格，找到同時通過CA和E或E′的大圓弧(圖2中用虛線表示)。這一平面即代表通過巖芯軸和構造面與巖芯交切圓弧長軸的平面。(5) 在步驟4中的虛線大圓弧上，從點CA離開E方向旋轉90°-α，或者從CA指向E′方向計算90°-α，即為代表構造面法的P點位置。如果E和E′都出現在圖上，則上述2種方法均有效。

圖2 利用赤平投影轉換巖芯α角和β角至構造面產狀，吳氏網，下半球投影

在實際工作中，由于測量的大量數據，一般運用構造分析軟件，如GeoCalculator等進行批量轉換與統計分析。更可以對巖芯中構造面上的線理進行測量及構造運動的定量分析(Marjoribanks，2010)。

3 定向巖芯構造分析在金礦勘查中的應用

澳大利亞新南威爾士州某金礦點，位于東澳新英格蘭造山帶，周邊發育石炭紀變質雜砂巖基底和二疊紀二長花崗巖-花崗閃長巖-英閃巖，以及區域性長英質巖脈，近年來被認為是與侵入巖相關的新類型金礦(胡朋等，2006；Mustard，2006)。該金礦點有一古采坑，在距淺井以南20 m指向淺井方向施工了巖芯定向鉆孔DD002和DD003，設計鉆孔方位角為354°，鉆孔傾角60°。對鉆孔中高品位礦段的巖芯進行分類統計，發現礦化主要以填充于節理內的硫化物細脈浸染狀和含硫化物石英細脈狀為主(圖3)。節理是含礦熱液運行的通道又是沉淀的良好場所，是許多金礦床控制礦脈礦體的最常見和最重要的一種構造(宋明春等，2008；李子英等，2010)。含礦節理的形態及組合形式，實際就體現為礦脈的形態和組合形式。2組含礦節理相交，以銳角者對礦體形成更有利，交切的交線，一般伸入地下較深，既是礦液的上升通道，又是礦液的沉淀場所(戴安周，1990)。

圖3 DD002號鉆孔中35.25～35.45 m巖芯

各類構造面在空間上的相交軸線，可能是礦體最為富集的區域，這些軸線共同通過的構造面，可能指示礦體在深部展布的產狀；而相交軸線最為密集的區域，可能指示高品位礦體存在的位置。對DD002中高品位金礦化定向巖芯中22組含礦節理面或細脈面產狀投影可以看出：2種類型的礦化在空間位置上疊加，均與走向北東—北西向構造相關，而走向近南北向的構造沒有礦化(圖4a)。22組含礦構造面存在231組相交軸線(圖4b)，共同連接成的面產狀，145°∠80°，可能代表礦體產狀。其軸線最密集區域產狀205°∠70°，可能代表品位較高的礦體向深部延伸的傾伏產狀。DD003中在富礦巖芯段統計了53組含礦構造面。由圖4c可以看出，構造面最為集中分布的區域，Au品位在4～10 g/t之間，而更高品位的金礦并不賦存在各類構造面最為密集的地區。53組構造面存在1 378組相交軸線，最優的環帶面產狀165°∠70°，可能指示礦體的分布產狀(圖4d)。從上述2個鉆孔定向巖芯資料分析的結果可以看出，分別推斷出的2個礦體產狀差別不大，因此，通過計算定向巖芯中內切角來獲得各類構造面產狀，并推斷礦體的空間分布規律的方法是可靠、可行的，可以用來指導礦區的勘探工作。

4 結 論

通過對鉆孔巖芯作孔底端線(BOH)的定向標記，從而獲取構造面與巖芯的軸夾角α以及構造面橢圓長軸低端E與BOH之間的夾角β，結合鉆孔的測斜數據，通過赤平投影可以恢復構造面的空間產狀。結合構造面與礦化情況進行統計分析，可以計算礦體中的主要含礦節理、含礦蝕變帶等構造面的產狀與礦石品位之間的關系，推測礦體的空間產狀，以及主礦體的延伸等，為礦區的深部勘查設計提供依據。

因此，巖芯定向技術對正確判定地下巖(礦)層和斷裂面產狀、查明深部地質構造和礦體延伸，指導地質勘探設計和礦床開采都有很大意義。

圖4 澳大利亞新南威爾士州某金礦點DD002—DD003鉆孔中礦體定向巖芯構造分析

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