井中三分量磁法測量在深部找礦中的應用
——以金嶺鐵礦區磁異常解析為例

李令斌

(山東正元地質資源勘查有限責任公司，濟南 255000)

鐵礦資源是世界上發現最早、利用最廣、用量最多的一種黑色金屬，鐵礦資源需求量的增加促進了資源開發利用進程，導致深部及外圍找礦成為解決危機礦山資源枯竭的主要途徑。但是，地面高精度磁法測量受地表礦渣、地面建筑物以及礦區復雜地質構造等影響，降低了地面高精度磁法測量采集精度以及提高了解譯難度[1-4]。此外，深部礦體埋深較大，導致地面高精度磁測異常在地面的響應極其微弱，因此，僅靠單一的地面高精度磁法測量難以解決危機礦山找礦突破的問題[5-6]。井中三分量磁法測量是測法技術向鉆孔深部的發展，能夠有效避開地表礦渣、建筑物等的干擾，在鉆孔深處進行全方位測量，可有效地將一定范圍內的隱伏礦體探測出來，并且能夠確定隱伏礦體的大致位置，為深部鉆探施工提供指導，在尋找井底、井旁盲礦體，大致確定礦體位置、產狀、規模和礦體分布情況，盡快揭示礦床分布規律等方面均能取得很好的效果[7-9]。

1 井中三分量磁法測量的理論基礎

1.1 井中三分量磁法測量原理

三維空間任一點的磁場強度為T，則T一般由T0(地磁場的正常場)和Ta(與磁性體有關的異常場)組成[10]。

T=T0+Ta

因此，對深部找礦有意義的磁異常為Ta，為確定引起Ta異常的磁性體空間位置，必需確定Ta的方向和模值。實踐證明最方便的方法是測量向量Ta在直角坐標系中的三分分量，若用坐標單位矢量表示T和T0，則有如下形式[11-12]：

T=Xi+Yj+Zk

(1)

T0=X0i+Y0j+Z0k

(2)

觀測點磁異常Ta是T與T0之差：

Ta=ΔT=T-T0=(X-X0)i+(Y-Y0)j+(Z-Z0)k

(3)

式中：X、Y、Z是井中實測值，X0、Y0、Z0是地面基點上的地磁場正常測量值。

1.2 測量系統的定向問題

井中磁力儀坐標系統的定向問題比較復雜，常用的有兩種定向系統，即軸向系統和垂向系統[14]。

1)軸向定向系統：井中磁力儀只有一個自由度，轉動軸始終平行于井軸，這時Z軸沿井軸，Y軸垂直于井軸位于水平面內，X軸垂直于井軸位于鉆孔傾斜方位平面內(圖1a)。

2)垂向定向系統：井中儀器有兩個自由度，其中一個軸始終沿鉛垂方向，即Z軸、Y軸水平始終位于井斜方位平面內，X軸水平垂直于Y軸(圖1b)。

由此可以寫出垂向定向系統中正常分量與異常分量的表達式：

X0=T0cosIsinβY0=T0cosIcosβZ0=T0sinI

(4)

Xa=ΔX=X-X0=X-T0cosIsinβ

(5)

Ya=ΔY=Y-Y0=Y-T0cosIcosβ

(6)

Za=ΔZ=Z-Z0=Z-T0sinI

(7)

式中：β—井斜方位角,(°)；I—地磁傾角,(°)。

并可求的磁異常水平分量和總場的模值：

ΔH=(ΔX2+ΔY2)1/2；ΔT=(ΔH2+ΔZ2)1/2

(8)

2 金嶺鐵礦區地質概況

3 磁異常分析

從宏觀上看，金嶺鐵礦區構造比較簡單，異常展布均表現為單一的孤立異常，經鉆探驗證除東召四、立子營為火成巖引起的異常外，余者均為礦致異常。根據礦區異常分布規律可知，礦區磁異常可分為兩個區：一是以金嶺巖體為中心的環狀異常帶，走向由南到北為北東走向轉為近東西走向，磁異常等值線表現密集，梯度較陡，等值線向外表現擴張趨勢；二是以王旺莊巖體為中心的環狀異常帶，其展布特征與“一”相近。本文著重分析王旺莊、侯家莊和南龍磁異常，分析井中三分量磁法測量在深部找礦中的應用。

3.1 王旺莊磁異常

1)地面異常特征

王旺莊地面磁異常位于金嶺“8”字形巖體頭部接觸帶上，屬于以金嶺巖體為中心的環狀異常帶的組成部分，巖體為中基性，巖性為輝石閃長巖，侵位于石炭—二疊系及奧陶系地層中，巖體走向呈近東西向。王旺莊地面磁異常為似等軸狀，異常極值3 500 nT，呈東西走向，等值線向南開擴，北部出現負值，且正值大于負值，表明礦體向北傾，礦體與磁化方向夾角為0～90°。異常分布范圍以1 500 nT等值線圈定，長1 000 m，寬800 m，正負峰值間距1 000 m，因此認為磁性地質體是等軸的，主礦體位于正負峰值之間(圖2)。

2)井中磁異常特征

對王旺莊地面磁異常比較分析后，發現該異常仍有1 500 nT的剩余異常，對CK6、CK7鉆孔開展了井中三分量磁法測量工作，總結CK6孔磁測井ΔZ曲線(圖3)得出：(1)曲線上部范圍小，梯度陡，強度高(ΔZmin=-17 000 nT)，可能是由井旁的薄層盲礦體引起；(2)在450 m以下為強度-9 600 nT的寬緩異常，通過鉆孔巖心參數測定結果表明，閃長巖以感磁為主，且變化穩定，假設剩磁與感磁方向相同，那么總的有效磁化強度J=0.003 CGSM，當鉆孔穿過水平方向延伸很大的巖層時，鉆孔中只受到巖體板面磁荷的影響，因本孔為直孔，井壁感應磁荷對垂直分量無影響，而閃長巖巖層面磁荷產生的內磁場的垂直分量應在-4πJsinI～-2πJsinI(I為當地正常地磁場傾角53°)，即能產生-3 000 nT<ΔZ巖<-1 500 nT，按-3 000 nT計算，那么井內尚有-6 600 nT的剩余異常，表明該孔遠處仍有較大盲礦體的可能。總結CK7孔磁測井ΔZ曲線得出：(1)ΔZ曲線先見正值，在330 m過零點轉為負值，異常比CK6孔更強(ΔZmin=-16 000 nT)，480 m以下曲線明顯回升，表明該孔比CK6孔更接近于礦體；(2)本孔ΔZ曲線呈反“S”型，表明盲礦體可能賦存于本孔北側，在對于地面和井中磁異常分析的同時，根據本區地質條件，認為以往鉆孔都沒打到正常接觸帶上，應沿傾斜方向深追，通過鉆孔驗證，在CK8、CK9分別見到65.69 m、58.47 m的磁鐵礦，找到了主礦體，從而打開了王旺莊找礦的局面。

通過王旺莊礦床大量的鉆孔井中磁測，得出如下規律：(1)當礦體在觀測孔以北時，ΔZ曲線呈反“S”型，就其異常變化特征而言，隨著鉆孔相距礦體距離“D”大小而變，當較遠時，正值小于負值；若距離很遠時則出現似“C”型曲線；當隨著“D”減小，正異常逐漸增加，而零值點伴隨“D”的增大相應會有所抬高(表1)；(2)當礦體在觀測孔以南時，ΔZ曲線呈正“S”型，其特點與反“S”型相反。

表1 王旺莊曲線類型與相距距離關系統計表Table 1 Statistics table of Wangwangzhuang curve type and distance relationship

3.2 侯家莊磁異常

1)地面異常特征

侯家莊礦床位于金嶺短軸背斜的北西翼，已知礦體賦存于奧陶系馬家溝組灰巖與閃長巖的接觸帶上(矽卡巖帶)，形成了矽卡巖型磁鐵礦體，矽卡巖帶產狀與灰巖產狀基本一致。侯家莊磁異常平面形態呈“鞋底”狀，該異常位于金嶺巖體西北側中部，以500 nT為異常下限圈定異常，出現2 500 nT和3 000 nT兩個峰值圈，由西南向北東方向沿接觸帶分布(圖4)。此外，在對應3 000 nT異常圈的北側伴有-400 nT的卵形負異常。

2)井中磁異常特征

在11A剖面中，對CK11A-1、CK11A-2、CK11A-3孔進行了井中三分量磁法測量，其結果表明CK11A-1、CK11A-2的ΔT矢量分別呈收斂發散狀態，是正負磁荷集聚所致，也反映了同一礦體的頭部和尾部，進一步指出該礦長度可能為110 m。根據退磁作用的內磁場ΔT總是垂直板面這一原理，對CK11A-1進行了ΔT測量，認為該礦體屬緩傾斜礦體，礦體傾向NW，傾角20°左右，基本符合實際情況(圖5)。CK11A-3為一非見礦鉆孔，但ΔZ曲線呈反“S”型，ΔH呈“S”型，其ΔHmax與ΔZ零值點基本在同一深度上，ΔT有明顯的收斂點，指向西北，說明該孔北側有礦頭存在，經計算確認，礦頭埋深約170 m，礦頭據本孔水平距離D=14.4 m。經過11A-4鉆孔驗證，與推測基本相符。

3.3 南龍磁異常

1)地面異常特征

南龍地面異常范圍較小，為一孤立的橢圓形異常，異常極值400 nT(圖4)。

2)井中磁異常特征

在0-1鉆孔鉆進過程中，在預計見礦深度范圍內揭露了13 m的隱伏磁鐵礦體，測井中ΔZ曲線呈反“S”型，表明鉆孔打在礦體上端，主礦體在北側，利用內磁特征，確定礦體傾角近50°。0-1鉆孔的ΔT在礦體下端有明顯的ΔT正交，說明除本孔所見礦體外，尚有礦體存在，這一結論在0-2鉆孔中被證實(圖6)。0-2孔的ΔZ曲線，在礦體上下部異常梯度較陡，并有明顯的正值，說明礦體延深是有限的。

4 結論

1)金嶺鐵礦區異常展布均表現為單一的孤立異常，可分為兩個區：一是以金嶺巖體為中心的環狀異常帶，走向由南到北為北東走向轉為近東西走向，磁異常等值線表現密集，梯度較陡，等值線向外表現擴張趨勢；二是以王旺莊巖體為中心的環狀異常帶，其展布特征與“一”相近。

2)當礦體在觀測孔以北時，ΔZ曲線呈反“S”型，且隨鉆孔與礦體距離“D”大小而變化，當D較大時，正值小于負值；若D很大時則呈似“C”型曲線；當D減小，正異常逐漸增加，而零值點伴隨“D”的增大相應有所抬高。當礦體在觀測孔以南時，ΔZ曲線呈正“S”型，其特點與反“S”型相反。

3)根據井中三分量磁法測量，在王旺莊CK8、CK9分別見到65.69 m、58.47 m的磁鐵礦；在侯家莊11A-4鉆孔中見到了預測磁鐵礦礦體；在南龍0-2孔中見到了磁鐵礦體。找礦實踐證明，井中三分量磁法測量在深部找礦中具有良好的應用效果。