地球物理測井在吉林省磐石市馬鞍山石墨礦勘查中的應用

曹國強

吉林省煤田地質局二○三勘探隊，吉林 四平 136000

0 引言

石墨廣泛應用于冶金、化工、機械設備、新能源汽車、核電、電子信息、航空航天和國防等行業。石墨的應用領域還在不斷拓寬，已成為高科技領域中新型復合材料的重要原料，在國民經濟中具有重要的作用。石墨礦的勘查通常以鉆探為主，由于石墨礦層在各巖性類型中質地最軟，鉆探取心率較低，在取心過程中容易打丟、打薄，使礦層的厚度和空間位置產生一定量的誤差，對儲量估算產生影響，地球物理測井就彌補了這一缺陷。運用物理學的原理和方法，使用專業的物理探測儀器設備，沿鉆孔測量巖石的物性參數來了解井下地質信息及資源賦存狀態，為礦層提供精確的定性、定厚，及劃分礦層結構等問題提供參考。

1 礦床地質特征

吉林省磐石市馬鞍山石墨礦大地構造位于古亞洲構造域吉中—延邊晚古生代陸緣構造帶與濱太平洋構造帶結合部位[1]，礦區為半山區，最高山峰270 m左右，距該礦區不遠處有2座死火山口。本區地層由老至新出露有石炭系、三疊系、侏羅系、第四系。石墨礦體分布在上三疊統大醬缸組中，是煤層或含碳沉積巖在接觸變質作用下形成的，屬隱晶質(土狀)石墨礦。該區構造為一北西向的向斜構造，石墨礦體分布在向斜軸線以北。區內巖漿巖分布較少，在勘查區東北部出露花崗巖細晶巖條帶，在中部出露石英斑巖脈。礦體整體形態為一向斜，以向斜軸線為分界，軸線以北分布較厚，由北向南變薄，受地層角度不整合影響，在南部尖滅(圖1)。由于礦床地質構造復雜，使礦體連續性較差，除石墨礦體外，巖性以變質砂巖、板巖和碳質板巖為主。處于山區的石墨礦質量較好，固定碳質量分數一般大于50%(國家標準固定碳質量分數大于55%，地方標準固定碳質量分數大于50%的為石墨礦層)。石墨礦石呈鉛灰色,具有半金屬光澤，為不透明固體，質軟并有滑膩感, 易污手，具有導電性、導熱性、耐高溫等特性。石墨平均密度2.05 g/cm3, 硬度1～2左右。

圖1 吉林省磐石市馬鞍山石墨礦礦床地質圖Fig.1 Geological map of Ma’anshan graphite deposit in Panshi City, Jilin Province1.第四系全新統； 2.侏羅系下統；3～6.三疊系上統大醬缸組；7.石炭系下統；8.黑云母斜長花崗巖；9.向斜軸線；10.實測地質界線；11.角度不整合界線；12.未見礦孔；13.見礦孔；14.勘查線及編號；15.勘查登記范圍及拐點編號；16.資源儲量估算范圍及拐點編號

2 石墨礦體的地球物理特征

礦區中煤層或含碳沉積巖經過接觸變質作用形成的石墨礦體具有兩高三低的物性特征，即人工伽馬曲線和聲波時差曲線為高幅值，電阻率極低、密度中低和天然伽馬曲線為中低[2-3]。馬鞍山石墨礦就是此類型石墨礦床，石墨礦層的圍巖中碳質板巖具有三高兩低的物性特征，即電阻率、人工伽馬為低值，中—高密度、中—高自然伽馬和中—高聲波時差；板巖具有兩高三低的物性特征，即低人工伽馬和聲波時差，中低電阻率、極高密度和高自然伽馬。所以，可以根據測井曲線的幅值特征和形態組合(表1)有效識別石墨礦層。

表1 煤層或含碳沉積巖形成的石墨及其圍巖的物性特征Table 1 Physical properties of graphite and its surrounding rock formed by coal seam or carbon bearing sedimentary rock

3 地球物理測井方法及分析

石墨礦勘查方法通常以鉆探取樣化驗為主，與地面物探相結合，通過地面物探如自然電場法和激發極化法等，在勘探區找出具有工業開發價值的區域，進行鉆探取心，進一步的驗證地面物探效果。通過對巖心固定碳，灰分、揮發分、水分等一系列實驗室分析得到礦體技術參數，確定目標區域石墨的開發及工業價值。

石墨礦層在各巖性類型中質地較軟，在取心過程中容易打丟打薄，使礦層的厚度和空間位置產生一定量的誤差，對礦產的開發和儲量估算產生影響，另外碳質板巖和部分板巖與石墨的物理性質相近，用肉眼很難區分。地球物理測井可連續記錄地層的測井信息，有效的識別石墨，所以利用測井技術來確定礦層，礦層厚度和空間位置，能夠減少鉆井施工帶來的誤差，精準的確定礦體分布規律，降低勘探成本。

基于本區的地質條件，為了設備的安全，選用PSJ系列小口徑綜合數字測井儀進行實驗性測井。該鉆孔的終孔直徑為75 mm,采用無固相泥漿，泥漿相對密度1.22 g/cm3，進行側向電阻率、補償密度測井，天然伽馬和井徑測井以及PS2517聲波組合測井。從測井參數上分析，石墨層電阻率曲線為1.15～3.50 Ω·m，密度1.74～2.26 g/cm3,平均1.98 g/cm3(實驗室巖性分析石墨密度1.97 g/cm3),天然伽馬為低幅值一般為60～100 API。圍巖多為板巖和碳質板巖。板巖其電阻率曲線為6.50～14.50 Ω·m，密度2.50～3.20 g/cm3，天然伽馬170～280 API。碳質板巖其電阻率曲線為3.20～11.00 Ω·m，密度2.00～2.60 g/cm3，天然伽馬90～250 API。自然電位異常層相對為正異常，聲波時差異常層400～500 μs/m,井徑不擴孔。

通過對測井曲線的綜合分析，礦層與圍巖的物性差異明顯，測井能夠清楚的劃分出礦層及其空間位置[4](詳見表2、表3)。

表2 吉林省磐石市石墨礦測井響應值Table 2 Logging response value of graphite ore in Panshi City, Jilin Province

表3 吉林省磐石市石墨礦測井解釋與地質分層對照表Table 3 Comparison between logging interpretation and geological stratification of graphite ore in Panshi, Jilin

圖2 鉆孔綜合測井曲線成果圖Fig.2 Results chart of borehole comprehensive logging curves

4 結束語

通過與地質工程取樣化驗相對照，地球物理測井在石墨礦層識別上取得了良好的勘查效果：

(1)煤層或含碳沉積巖經過變質作用形成的石墨礦體具有兩高三低的物性特征，可直接運用測井解釋確定石墨礦層。

(2)片巖、片麻巖等巖石中碳質物原生礦物變質形成的石墨礦體，其物性特征不是十分明顯，只是具有電阻率為低幅值的物性特征，不能直接運用測井解釋確定石墨礦層，需要借助鉆井取心等工作確定石墨礦層。

(3)本礦區物探測井工作解釋的石墨礦層與實際基本相吻合，測井解釋是可靠的，同時測井解釋也糾正了鉆探打丟打薄等一系列問題，為地質報告提供了可利用地質數據。