地球物理測井在金屬礦深部找礦中的應用

2021-10-28 03:33:56沈立軍朱裕振李雙張心彬周明磊高志軍

測井技術 2021年4期

沈立軍,朱裕振,李雙,張心彬,周明磊,高志軍

(1.山東省煤田地質規劃勘察研究院,山東濟南250104;2.中國地球物理學會煤田地球物理重點實驗室,山東濟南250104;3.山東省煤炭資源數字化工程技術研究中心,山東濟南250104;4.山東省地質調查院,山東濟南250014)

0 引言

地球物理測井首次應用于1927年,法國康拉德斯倫貝謝兄弟將原始地質資料與測井曲線進行對比分析,探討了不同地層對應測井曲線的峰值反映,其后在石油[1-2]、天然氣[3]、煤炭[4]、頁巖氣[5-6]、煤層氣[7]、頁巖油[8]等沉積礦產勘查中得到了廣泛應用,在水文地質勘查[9]、構造識別[10]中也發揮了一定作用,在石膏[11]、巖鹽[12]等礦產方面進行了少量的探索。

隨著科技發展和計算機技術進步,新的測量手段如高分辨率感應、正交偶極聲波成像測井等技術取得成功應用,測井成果定性、定量解釋方法也取得了飛速發展[13]。地球物理測井在煤及油氣等能源礦產的應用研究不斷深入,但在金屬礦產勘查中的應用相對較少,僅井中三分量磁測在磁鐵礦找礦工作中得到了較為廣泛的應用[14],激發極化測井在金礦、銅礦等金屬礦勘探中進行了少量應用探索[15]。隨著礦產勘查深度的不斷增加,獲取深部地質信息的難度與成本越來越大,地球物理測井成為結合鉆孔獲取地下信息的有效方法之一。該研究在山東齊河-禹城地區李屯鐵礦深部找礦過程中將核、電、磁等地球物理測井技術納入找礦方法體系中,探索研究地球物理測井在富鐵礦深部找礦中發揮的作用。

1 成礦地質背景

李屯鐵礦位于山東省西北部齊河-禹城地區,2015年該區首次在約1 200 m深度發現單層厚度近99 m的富磁鐵礦,取得鐵礦找礦空白區重大新發現[16-17],在李屯地區鉆孔連續揭露了巨厚層富鐵礦。

李屯鐵礦大地構造位于華北板塊魯西隆起西北部,區域地層由淺至深分別為第四系、新近系、石炭二疊系、奧陶系和寒武系,第四系及新近系厚度900～1 200 m。區域構造以斷裂構造為主、褶曲構造次之,據斷裂構造展布特征,總體上分為北東-北北東向、北西-北北西向、近東西向三組,且前兩者較發育。區域內巖漿巖主要為中生代侵入巖,均為隱伏巖體,主要依據重磁資料推測及少量鉆孔揭露,巖性以閃長巖、輝長巖等中基性巖為主,分布于李屯大張一帶,自北向南依次為李屯巖體、潘店巖體、大張巖體及東側薛官屯巖體。

礦區內通過鉆孔共圈定鐵礦體4個,其編號分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號,均為隱伏礦體,埋深約1 100～1 300 m,礦體頂底板以矽卡巖為主,為矽卡巖型富鐵礦,主要賦存于閃長巖體與石炭二疊系接觸帶部位。Ⅳ號礦體為主礦體,形態為厚層狀,傾向約240°,傾角約21°,礦體真厚度53.57～97.45 m,平均真厚度77.39 m,礦體平均全鐵含量為58.18%,磁鐵含量為54.49%。

2 地球物理特征

2.1 密度特征

由表1可知,各時代巖層密度基本可分為高、中、低3類:①低密度巖層為新生界,密度平均值一般小于2.11×103kg/m3;②中密度巖石為中生界各群、古生界上部巖層和絕大多數的侵入巖、變質變形巖體,密度平均值2.39×103～2.75×103kg/m3;③高密度巖石為元古太古界的變質巖類、基性侵入巖類等,密度平均值2.86×103～2.90×103kg/m3。

表1 李屯鐵礦及周邊巖礦石密度參數一覽表

單從沉積變質地層來看,地層由老到新,各個密度層呈現逐漸遞減的趨勢(見圖1),大致可分為6個密度層。泰山巖群密度平均值最高(2.86×103～2.90×103kg/m3),寒武系、奧陶系巖石密度平均值相差不大(2.64×103～2.73×103kg/m3),石炭系和二疊系巖石的密度值平均為2.58×103～2.61×103kg/m3,侏羅系、白堊系巖石密度值為2.39×103～2.54×103kg/m3,古近系—新近系巖石密度值平均為2.11×103～2.55×103kg/m3,第四紀巖石密度平均值最小(1.71×103kg/m3)。

圖1 各年代地層平均密度趨勢圖

侵入巖在相同巖性條件下,新太古代和元古代侵入巖的密度值較高,而更晚的中生代等侵入巖密度值偏低。同時,對于巖石本身而言,基性程度越高,密度值越大;酸性程度越高,巖石密度值越低。二長花崗巖密度2.60×103kg/m3,與奧陶紀灰巖密度(2.70×103～2.73×103kg/m3)相差不大。

李屯鐵礦及周邊各礦區的磁鐵礦石與沉積地層相比均具有較高的密度。鐵礦石密度值達4.44×103kg/m3,周邊齊河縣大張礦區的磁鐵礦密度值為3.80×103kg/m3,萊蕪張家洼礦區的磁鐵礦密度值為4.03×103kg/m3,萊蕪小官莊礦區的磁鐵礦密度值為4.06×103kg/m3,金嶺東召口礦區的磁鐵礦密度值為4.27×103kg/m3,濟南張馬屯礦區的磁鐵礦密度值為4.14×103kg/m3。磁鐵礦石與沉積地層、巖漿巖密度差異明顯。

2.2 磁性特征

由各類巖礦石磁性參數一覽表(見表2)可知,各類巖礦石的磁性參數變化較大。沉積巖類呈現微磁性,巖漿巖磁性較弱,磁化率一般為650×10-5～3 800×10-5,酸性巖漿巖磁性低于中基性巖漿巖,矽卡巖型磁鐵礦石的總體磁化率(63 788×10-5～21 610×10-5)和剩余磁化強度(46 377×103～56 700×10-3A/m)均顯著高于圍巖和巖體,且隨著磁鐵礦含量增加磁性增強,鐵礦石與圍巖具有明顯的磁性差異。鑒于鐵礦石與圍巖明顯的磁性差異,利用磁法手段圈定礦體、巖體和圍巖是具備地球物理前提的。磁異常的范圍和強度與鐵礦床中礦石質量有密切的聯系,鐵成礦后遭受不同程度的改造,磁性隨礦石中磁鐵礦的含量增高而增強,但當遭受氧化后則因磁鐵礦含量減少磁性減弱。

表2 李屯鐵礦及周邊巖礦石磁性參數一覽表

3 數據采集與處理

3.1 核、電地球物理測井

電、核測井使用的儀器為西安瑞達物探儀器研究所研制的MTC-3000型數控測井系統,包括MTMD-G補償密度自然伽馬三側向井徑組合儀、MTSXR-G井斜井溫補償聲波自然電位組合測井儀,其中銫源為137Cs源。測試參數主要有電阻率、自然電位、密度、自然伽馬、補償聲波、井徑、井斜等。核測井測速控制在6.0 m/min以下;測量其他參數時,地層采樣間隔為0.05 m。在完成深度校正、飛點編輯、數值濾波等預處理后,根據相應的系數進行數據計算處理。

(1)密度計算公式為

ρb=ClogNrr+D

(1)

式中,ρb為巖石體積密度,g/cm3;C、D為探管刻度系數,C=-0.735,D=4.192;Nrr為長源距計數率,cps。

(2)自然伽馬計算公式為

GR=ANG1F+B

(2)

式中,GR為自然伽馬,API;A、B為探管刻度系:A=0.129 7,B=1.237 1;NG1F為自然伽馬計數率,cps。

(3)交繪分析:做出密度自然伽馬的頻率交繪圖,選取合適的參數,進行巖性計算,應用部分共軛梯度下降法使加權誤差最小,得到一個巖性組成成份的最優解(砂、泥、水百分含量)。

(4)力學參數計算:根據彈性力學知識,可以根據介質的密度、縱波與橫波的傳播速度,確定介質的各種彈性參數。巖石的密度可根據密度測井資料獲取,縱波時差可根據聲波測井信息獲取。

3.2 井中三分量磁測

磁測井使用的儀器為中地裝(重慶)地質儀器有限公司研發的JGS-1B智能綜合數字測井系統及JCX-3型井中磁力儀探管。磁力儀探管主要技術指標:測量范圍-99 999～+99 999 nT;X、Y磁敏感元件轉向差≤400 nT;Z磁敏感元件轉向差≤300 nT;傾角測量范圍0～45°,誤差小于0.2°;方位角測量范圍0～360°,誤差小于2°(傾角≥3°)。測量點間距1 m,儀器提升速度控制在15 m/min以內。

(1)磁異常垂直分量計算公式

ΔZ=Z-Z0

(3)

式中,ΔZ為磁異常垂直分量,nT;Z為實測磁場垂直分量,nT;Z0為基點磁場垂直分量模量,可利用國際地磁參考計算求得,李屯鐵礦Z0為43 233 nT。

(2)磁異常水平分量計算公式

(4)

式中,ΔH′為磁異常水平分量,nT;HX為實測磁場X分量,nT;HY為實測磁場Y分量,nT;H0為基點磁場水平分量模量,可利用國際地磁參考計算求得,李屯鐵礦H0為30 223.2 nT。

(3)磁異常總強度模差ΔT′為ΔZ與ΔH′的合成,根據計算結果編制包括ΔZ、ΔH′及ΔT′的成果圖。

4 測井成果應用

4.1 地層對比分析

李屯鐵礦內磁鐵礦均為深隱伏礦體,第四系和新近系覆蓋層厚度較大,一般為800～900 m,鉆探取心困難,嚴重影響了鉆進效率,同時受熱液作用影響深部地層蝕變嚴重,地層對比劃分存在一定困難。以往研究表明,應用電阻率、自然伽馬等測井參數可對巖相、地層層序進行識別劃分[18-19]。該研究將地球物理測井與鉆探相結合獲取深部地質信息,綜合分析地層巖石物性特征的規律及組合特征,為劃分各段地層界線、確定地層重復或缺失等深部地質情況提供有效信息。

通過各巖層測井成果分析,上部地層由于未成巖或壓實較差,密度和電阻率整體呈現低值;砂泥巖隨著其泥質含量的增加,其自然伽馬值增大,電阻率值相應降低;閃長巖具有明顯的中低自然伽馬值、中高密度值和高電阻率值特征;角巖具有較明顯的低自然伽馬值、中高密度值和高電阻率值特征;矽卡巖具有明顯的高自然伽馬值、高密度值和高電阻率值;磁鐵礦具有極高密度值、低自然伽馬值、中低電阻率值等特征,與圍巖地層有一定差別(見表3)。

表3 李屯鐵礦巖礦層物性特征表

各巖層典型物性特征見圖2,不同巖性測井響應特征存在一定差異,可作為地層劃分的參考。通過地球物理測井可根據不同物性特征進行鉆孔內地層的對比劃分,在厚覆蓋層地區針對覆蓋地層應用地球物理測井代替鉆孔取心進行巖性地層劃分,可有效提高鉆探施工效率;在礦化蝕變發育地段,可為復雜地層劃分提供輔助信息。

圖2 李屯鐵礦主要巖礦層物性特曲線

4.2 礦體賦存推測

利用井中三分量磁測ΔT′矢量圖在尋找盲礦體時具有十分重要的意義[20-21]。井中旁側及井底存在礦體時,磁測ΔT′矢量具有發散、匯聚的指向,通過其指向可判斷礦體的范圍及空間位置。在磁鐵礦層內,ΔT′矢量雜亂而沒有規律性,是典型的內磁場反映,結合ΔZ、ΔH′曲線形態,可推斷鉆孔穿過礦體的位置。若ΔZ、ΔH′曲線未被內磁場截斷同時零值、極小值及極大值均已出現,指示了鉆孔旁側礦體的存在;若僅獲得局部磁異常,則應進一步鉆進,ΔZ曲線正開口、ΔH′曲線趨于或負開口時,見礦可能性較大。以近期實施的ZK5鉆孔為例進行說明(見圖3)。

圖3 ZK5鉆孔井中三分量磁測成果圖

李屯鐵礦ZK5鉆孔960.00～964.00 m與966.00～970.00 m這2個井段監測到強磁異常。磁異常垂直分量ΔZ曲線,呈上正下負的反“S”形高幅值異常,在961.00 m位置處達到負極值-107 702 nT。磁異常水平分量ΔH′曲線呈正“C”形負異常形態,在963 m位置處達到負極值-20 953.3 nT。對應井段ΔT′矢量呈發散狀態,反向匯聚于鉆孔的北側,結合地質鉆孔編錄資料,該位置見角巖且未見磁性礦物存在,據此推斷鉆孔的北側存在隱伏磁性地質體。

ZK5鉆孔1 165.00～1 176.00 m檢測到一段異常幅值略低的磁異常段,垂直與水平磁異常曲線波動較為明顯,對應鉆孔編錄資料,該井段為矽卡巖與薄層磁鐵礦層互層。

ZK5鉆孔1 183.00～1 239.00 m處檢測到強磁異常段,垂直磁異常分量ΔZ曲線呈高幅值負異常形態,磁異常水平分量ΔH′曲線呈鋸齒狀波動的高幅值正異常形態,對應井段的ΔT′矢量呈高模值、雜亂無章狀態,是典型的內磁場反映。通過鉆孔巖心地質編錄,確定該井段揭露厚層磁鐵礦層。通過ΔZ和ΔH推斷礦層傾角,其計算公式為

β=90-φ

(5)

式中,β為礦層傾角,(°);φ為總磁場方向與水平面夾角,(°),其計算公式為

φ=arctan |ΔZ/ΔH′|

(6)

式中,ΔZ為磁異常垂直分量,nT;ΔH′為磁異常水平分量,nT。

通過井中三分量磁測總結孔內磁場分布特征,分析磁性體的方位、磁化方向、傾斜方向等,推測鉆孔旁側或孔底是否存在盲礦體,大致判斷磁性礦體的方位、傾角等空間展布特征。

4.3 地震測量解釋

隨著礦產勘查深度的不斷增加,二維地震測量技術在金屬礦深部找礦工作中局部開始推廣應用[22-23],深部地質體密度、波速等信息作為地震資料解釋的關鍵信息,成為深部地質勘查工作需獲取的重要資料。在研究區富鐵礦深部找礦工作中將二維地震引入勘查體系,用以剖析厚覆蓋層下深部地質體展布特征,為富鐵礦深部找礦預測提供重要支撐。

本次研究,根據已知鉆孔的聲波和密度等測井資料,獲得該孔位置處聲波阻抗曲線,以此求得反射系數,將反射系數與地震子波褶積,得到井孔位置處的合成地震記錄。然后將合成地震記錄與實際地震剖面對比,從而標定反射波地質層位。

從鉆孔的密度和聲波測井曲線可以看出(見圖4),新生界底界與石炭紀地層、石炭二疊紀底界與矽卡巖、矽卡巖與鐵礦體在波速、密度上均存在較明顯差異,理論上可形成較明顯的反射同相軸。通過地震合成記錄可以看出(見圖4),新生界底界面合成記錄與實際井旁地震道相比,合成記錄能量較低;矽卡巖與鐵礦體接觸面的合成記錄表現特別明顯,而實際井旁地震道則表現相對較差,可能原因為受地質體范圍影響,實際地震記錄較難分辨。整體來說,在一定時窗范圍內,合成記錄與實際井旁地震道吻合程度較高,測井資料可作為地震測量成果解釋的支撐資料。