焦家金礦帶3000m科研深鉆地球物理測井及初步分析

熊玉新，于學峰，遲乃杰，楊德平，王新娥

(1.山東省地質科學研究院，國土資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室，山東省金屬礦產成礦地質過程與資源利用重點實驗室，山東 濟南 250013；2.中石化勝利石油工程有限公司測井公司，山東 東營 257096)

0 引言

在科研鉆探中,測井作為關鍵技術之一,與鉆探取心和巖心測試構成了科研鉆探的完整體系。在過去的50年間，科研鉆探作為探測地殼淺層的直接手段，在西方國家得到高度重視和較大的發展。迄今為止,已有美國、前蘇聯、德國等多個國家開展了科研鉆探的測井研究,測井資料已應用到眾多科學領域,并取得了顯著成績[1]。2000年以來，我們國家先后開展了海洋科學鉆探計劃(ODP)和大陸科學鉆探計劃(ICDP)，2001年實施的中國第一口大陸科學深鉆(5158m)采用了各種先進的測井技術,為地質學研究提供了大量測量數據，并取得了豐碩的研究成果[2-7]。2010年山東黃金集團圍繞三山島斷裂帶超深部成礦問題在該地區進行了科研鉆探(4006.17m)，隨后開展了多項測井項目，測井數據為破碎帶識別和黃鐵礦等硫化物分布提供了重要信息[8]。

近年來，山東地質工作者圍繞焦家斷裂帶深部成礦問題做了大量研究預測工作[9-15]。焦家帶3000m勘查科研深鉆是山東省地質科學研究院為驗證焦家斷裂帶超深部成礦問題實施的科研鉆探。科研深鉆位于膠西北金礦集中區焦家斷裂帶和三山島斷裂帶之間,巖性自上而下為英云閃長質片麻巖、斜長角閃巖、黑云二長花崗巖、花崗質碎裂巖、花崗質蝕變巖。鉆孔于2016年4月開鉆,2017年8月終孔，歷時484天，終孔深度3266.06m，成功控制了焦家金礦帶的3000m深度的蝕變礦化特征，控制金礦化帶180.69m，發現金礦體6層，礦體總厚度25.20m，其中工業礦體厚度7m，品位3.13×10-6，最高品位達13.65×10-6，為國內最深見金礦鉆孔。該文將簡單介紹焦家帶3000m勘查科研深鉆測井實施情況和測井初步研究成果。

1 測井實施情況

采用金剛石小口徑繩索取心完成的焦家斷裂帶3000m深度控礦巖心鉆探，開孔孔徑175mm,終孔孔徑98mm，鉆孔編號ZK01。測井工作由中石化勝利石油工程有限公司測井公司完成，測井施工為三開(中間)、四開(完井)裸眼測井施工,測井項目主要包括自然電位、自然伽馬、自然伽馬能譜、雙側向、巖性密度、補償中子、偶極陣列聲波、電阻率、井徑、井斜-井斜方位角、井溫、激電、磁化率測井。

2 主要測井項目簡述

巖性密度測井：使用伽馬源發射出的中低能量伽馬射線轟擊巖石, 可以同時給出巖石的密度和光電吸收指數，用于發現巖石中的重礦物,劃分巖性。

補償中子測井：通過判斷結晶巖石中是否有含水礦物,并根據含氫量劃分巖性。主要用于識別孔隙性地層和估算孔隙度。將補償中子和密度測井相結合能夠提供精確的地層評價資料。

聲波測井：通過提取縱波、橫波及斯通利波速度和各波組分的頻譜分析數據，結合密度參數用于計算各種巖石力學參數,研究巖石的各向異性和分析巖石應力。

雙側向電阻率測井：通過提供一條深探測電阻率和一條淺探測電阻率曲線，用來確定地層真電阻率，可以劃分巖性、研究破碎帶的性質等。

自然伽馬能譜測井：通過測量巖石總的自然伽馬射線強度和地層中鈾(U)、釷(Th)和鉀(K)的含量，用于劃分鉆孔巖性剖面,研究沉積或變質環境,發現放射性巖石。

井溫測井：是一種傳統的測井方法,測井電纜頭上帶有1～2個水銀溫度計，當儀器提升或下放過程中，溫度計可測量相應深度的溫度。

激電測井：是勘查多金屬和貴金屬硫化物型金屬礦床的重要手段之一，其所測得的視電阻率和視極化率對礦(化)體的反映最佳，可以作為確定礦(化)體位置的首選參數。

3 巖漿巖與變質巖的測井響應分析

前人在實驗室巖石物性方面已有很多研究成果，但國內目前全面使用先進的石油測井儀器,研究巖漿巖與變質巖的測井響應還比較少[16-17],其測井響應特征分析具有探索性。

測井響應特征分析過程，即對測井曲線進行預處理和整理，將不同次測井曲線拼接起來使其具有較好的連續性，并進行深度校正等工作。在此基礎上，參考巖心編錄等資料對測井曲線進行分層并確定每一層的巖性，提取各層巖石的測井響應特征值，按照巖性進行整理統計，以開展巖漿巖與變質巖的測井響應特征研究。

3.1 巖性識別方法及測井響應特征

ZK01孔巖性種類較多，各種巖性測井響應特征變化具有一定的規律性。利用自然伽馬、密度、中子和電阻率等測井曲線能夠劃分巖性。ZK01孔巖性主要為斜長角閃巖、英云閃長質片麻巖、黑云二長變粒巖、黑云二長花崗巖等。

針對已知巖性應用多種測井數據分別制作自然伽馬-密度、鉀-鈾、中子-密度，自然伽馬-聲波交會圖分析各類巖性測井響應特征(圖1),從而確定巖性劃分準則。

利用交會圖可以直觀、方便的表示和了解各類巖性在不同測井值上的分布區域，可以判斷各巖性在測井值上的重合與差異情況。由圖1可見，利用現有的測井資料可很好地區分英云閃長質片麻巖、斜長角閃巖、二長花崗巖以及石英閃長玢巖。自然伽馬測井對巖性反映最為敏感，一般情況下，斜長角閃巖、英云閃長質片麻巖、二長花崗巖、石英閃長玢巖的放射性強度依次增高。由于黑云二長變粒巖與英云閃長質片麻巖礦物成分相近、測井特征相似，利用現有的測井資料不能有效地鑒別，但通過自然伽馬和聲波交會圖對比可見，二者聲波時差略有差別，黑云二長變粒巖聲波數值多大于54μs/ft，英云閃長質片麻巖數值多小于54μs/ft。

3.2 巖性分析實例

a—ZK01孔自然伽馬-密度交會圖；b—ZK01孔鉀-鈾交會圖；c—ZK01孔中子-密度交會圖；d—ZK01孔自然伽馬-聲波交會圖圖1 ZK01孔測井數據交會圖

根據測井交會圖識別結果，對目的層段進行了巖性識別。圖2為斜長角閃巖測井曲線圖，從圖中可看出該孔斜長角閃巖大致分為3種情況。①致密斜長角閃巖：測井曲線特征顯示為大中子、高密度、低自然伽馬數值。②綠泥石化、綠簾石化或陽起石化角閃巖：密度、聲波數值與致密斜長角閃巖基本一致，中子數值增大明顯。③巖石破碎的斜長角閃巖：由于巖石破碎，地層裂縫發育，測井曲線顯示為中子、聲波數值增大，密度數值減小，電阻率數值異常降低。

圖2 ZK01孔斜長角閃巖測井曲線圖

黑云二長變粒巖由于與英云閃長質片麻巖礦物成分基本接近，因此測井特征也基本一致。密度測井值主要分布在2.68～2.80g/cm3；中子測井值主要分布在2%～5%；聲波測井值主要分布在52～58μs/ft；受黑云母自然伽馬數值較高的影響，黑云二長變粒巖自然伽馬測井值分布范圍廣，但峰值主要分布在40～80API，電阻率測井值主要分布在100.0～2000.0Ω·m(圖3)。

圖3 ZK01孔黑云二長變粒巖頻率直方圖

黑云二長花崗巖是一種酸性巖漿侵入地殼淺部冷凝后形成的巖石，具有大致相等數量的堿性長石和斜長石，含有少量黑云母。其具有二長結構,即一種半自形粒狀結構,其特征是斜長石的自形程度高于堿性長石。ZK01孔巖漿巖主要為黑云二長花崗巖，從測井曲線分析認為，巖石多處破碎。測井曲線的數值變化與巖石的破碎程度直接相關，巖石破碎越嚴重，測井曲線數值變化幅度越顯著。通常中子、聲波數值增大，密度、電阻率數值降低。

黑云二長花崗巖的密度測井值主要分布在2.702～2.712g/cm3；中子測井值主要分布在-0.3%～0.5%；聲波測井值主要分布在49.8～50.8μs/ft；自然伽馬測井值主要分布在78～88API，黑云二長花崗巖具有較高的放射性；電阻率測井值在1000.0～4000.0Ω·m。

4 利用測井資料尋找破碎帶

鉆孔揭露的焦家斷裂帶是主要的金礦控礦構造，因此，利用測井資料識別破碎帶、裂縫發育帶從而尋找金礦床是一種有效的方法。

巖石破碎帶是受地應力作用造成巖石脆性形變—斷層或碎裂等形成的，它可以發生在不同巖性的巖石上。從測井顯示特征上可將它們分為2類：一類為巖石破碎嚴重，常伴有井壁坍塌的斷層破碎帶；另一類為井壁坍塌輕微的裂縫發育帶。首先可以利用測井響應特征確定斷層及裂縫破碎帶，其次參考主成分分析法以及偶極陣列聲波幅度衰減法可以進一步判別。

4.1 常規資料識別

斷層破碎帶巖石較為破碎、孔壁垮塌，因此會造成測井數值較大異常變化。受到巖石破碎以及鉆井液性質的影響，常規測井資料常見以下特征：井徑數值增大；密度明顯降低；中子曲線值異常增大；電阻率數值明顯降低；聲波時差大幅度增高。該孔的616～620.6m為典型的斷層破碎帶測井響應(圖4)。

裂縫破碎帶的測井顯示特征與斷裂破碎帶基本相似，但只是對測井信息的影響程度較輕，聲波數值降低，中子孔隙度和密度數值也略有增大現象，電阻率數值的高低與裂縫充填狀況以及充填物性質有關。該孔的2879～2887m為裂縫破碎帶的測井響應。

圖4 斷層破碎帶測井特征圖

4.2 主成分分析法

主成分分析法是霍特林于1933年首次提出的，主要是利用降維思想，把多指標轉化成少數幾個互相獨立而且包含原有指標大部分信息的綜合指標的多元統計方法。王新娥等[18]在山東黃金資源鉆探井測井工作中使用該方法做了深入研究，取得了較好效果。應用主成分分析法對ZK01孔進行處理，通過裂縫指示特征曲線和主成分交會等方法綜合劃分了該孔的裂縫層段。如2802～2820m聲波變化較小，而密度數值較低、中子增大，反映存在裂縫與破碎，2820～2892m裂縫發育較為破碎。

上述識別裂縫的方法，當裂縫含有水或有泥漿侵入時識別效果最好，但裂縫若被與地層巖石物理性質相近的礦物充填則識別能力較弱。該孔蝕變嚴重，多處由于硅化、鉀化、黃鐵礦化等作用的結果，導致了各種測井方法對裂縫的響應不敏感。只有綜合測井資料并結合巖心編錄資料才能有效的劃分裂縫及破碎帶。

5 巖石機械特性及地應力參數的估算

利用聲波測井所獲取的縱、橫波信息結合密度以及泥質含量等曲線，可以計算一系列巖石力學參數。所計算參數包括：楊氏模量、剪切模量、體積模量、單軸抗壓強等。

對5種主要巖性的楊氏模量進行統計表明：石英閃長玢巖分布在70～80GPa；斜長角閃巖分布在85～100GPa；英云閃長質片麻巖分布在65～80GPa；黑云二長變粒巖分布在65～75GPa；二長花崗巖分布在60～70GPa。相對而言，斜長角閃巖的楊氏模量最大。從分布范圍上看，英云閃長質片麻巖、黑云二長變粒巖和二長花崗巖并不太容易被區分。

6 井溫梯度計算

6.1 溫度場基本特征

圖5顯示了ZK01孔所測的井溫曲線，基本反映溫度隨深度的變化趨勢。測井井溫曲線在1719.2～1725.2m處，出現突變，反映當時測井的環境溫度。綜合分析各項測井資料，該井段為該孔的出水層段。

圖5 ZK01孔井溫曲線

6.2 井溫梯度的計算

計算井溫梯度的主要目的是分析井溫的變化情況。盡管經過了濾波處理，井溫數據仍然含有一定的誤差和干擾成分，采用逐點計算的方法會引起井溫梯度計算結果劇烈震蕩，不便分析解釋，該文選用了平均差分方法。

平均差分方法的基本原理是將某一深度段內井溫值Ti用不同的差分距求出一組差分井溫梯度值，然后求平均得到該段中心點的井溫梯度，然后逐點滑動可計算出全井的井溫梯度值。

其計算公式為：

式中：(△T/△Z)—第i點的井溫梯度；△Z—測點深度間隔；Ti，Ti+j，Ti-j—相應點上的溫度值。計算的井溫梯度見圖6。

圖6 ZK01孔溫度梯度曲線

7 激電測井解釋—礦(化)體的異常特征

受斷裂構造控礦作用影響，含金硫化物充填交代于碎裂帶中。如碎裂帶充水呈現低阻特性；由于金礦床經歷多次成礦階段形成，早期的石英脈充填作用方式以及圍巖蝕變(主要為硅化、鉀化)會使得局部礦體呈現出高阻，測井曲線上顯示為孤峰正異常；在以交代作用方式成礦為主時，金屬硫化物主要為黃鐵礦，為主要載金礦物，以團塊狀、浸染狀產出，其金屬離子與自由電子含量較高，礦石成分以及結構構造具備良好的激發極化效應，呈現出高極化特性。

7.1 視電阻率特征

ZK01孔激電測井所測視電阻率曲線起伏波動比較大，變化范圍主要在38～100000Ω·m，平均1318.5Ω·m。

視電阻率的高值區一般為致密的巖石或具有不同程度的蝕變如絹云母化、硅化、鉀化及脈巖發育段。如深度1138～1177m、1280～1322m，1800m以下整體上電阻率表現出相對高阻夾低阻的強烈震蕩特征，為底部花崗巖影響。較典型視電阻率的低值區處于斷裂構造、巖石破碎、裂隙較為發育層段。

2418～3115m，其電阻率特點為高阻中夾雜低阻，推斷主要為2種原因：一為主裂面及局部斷裂面的影響；二為靠近斷裂帶上下盤附近巖石多極為破碎，多呈碎裂巖特征。依據以往結果，結合極化率測井，推斷為2418m以下電阻率降低主要受含金硫化物影響。部分電阻率異常特征見表1。

表1 ZK01孔激電異常特征

7.2 視極化率特征

該孔視極化率曲線變化范圍0.90%～13.3%，平均3.51%。總體上看該孔極化率場背景中等偏高，正異常值幅度較大，且具明顯分層特性。激電異常主要反映區段在孔深1130～1140m，2485～3228m，其視極化率多大于5%，巖石蝕變較強，黃鐵礦化強烈；1200～1700m極化率表現出高低震蕩特征，顯示出礦化不均一；1800～2440m極化率相對平緩，較為穩定單一，為典型非黃鐵礦化層(圖7)。

該鉆孔深部所揭露礦化層為典型的低阻高極化類型，屬于典型的蝕變碎裂巖型金礦，礦化層主要賦存區段為2820～2910m。從極化率曲線形態來看，從3122m到井底曲線逐漸收縮，趨于平穩，曲線開口呈現反向特征，推斷井底附近無盲礦體。

8 結論

(1)焦家帶3000m勘查科研鉆測井工程使用多種測井方法,原位獲取了大量寶貴的鉆孔地球物理資料，實現了設計預定的數據采集目標，取得了豐富的初步解譯研究成果。

(2)通過交會圖等技術分析了不同巖石的測井響應特征，自然伽馬測井對巖性反映最為敏感，中子、密度測井結合可有效的區分暗色礦物與淺色礦物。通過常規識別法和主成分分析方法相結合，有效的識別了斷裂帶。通過陣列聲波測井對巖石機械特性及地應力參數估算，得出斜長角閃巖強度最大。實現了井溫梯度的計算,井溫梯度顯示1715～1832m變化異常劇烈。

(3)利用激電測井結合其他測井資料，綜合分析認為低阻高極化為深部礦化體主要異常特征。依據極化率曲線整體幅值及形態分析，2485～3122m為礦化較為集中部位，礦化體主要賦存在2820～2910m區段，屬于典型的蝕變巖型金礦。

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