井中激电包括井—地、地—井、井—井三种观测方式。当仅测量一次场时,就是充电法。由于井中激电的场源或接收装备置于地下,使仪器从不同深度、不同方位接近或穿过矿体,有效地提高了探测深度和发现深部矿的能力,减小了地形和地表不均匀性的影响。便于寻找井旁、井底盲矿,确定矿体埋深、连通性、展布范围及产状等。井中激发极化是对硫化物矿体的地下空间展布特征最直接、最有效反映的方法之一^[1-8]。由于井中激电,尤其是井—地方式的观测数据量大^[9],需要长时间占用钻孔,而钻探队伍受工期和经济成本限制,通常对工作效率提出较高要求。同时,为提高仪器分辨率,提高观测数据质量,在合理采集周期内得到最丰富的数据信息,本文研制出的阵列全波形井中激电装置。这种装置可以同时采集48个观测点的电位全波形信息以及47个观测点的电位梯度全波形信息。在井—地观测时,在井中充电,地面布置48个观测点。采用地—井观测和井—井方式时,分别将充电点布置在地表和相邻钻孔中,将24道电极串放入观测钻孔中,对电位与电位梯度同时进行观测。

以往本区开展过地面激发极化、磁测等工作,并在该工作基础上结合其他地调成果进行布置钻孔,并在部分钻孔中进行了井中激电工作,但是效果并不理想。为验证全波形阵列井中激电工作方式的有效性,并研究见矿钻孔ZK2002/ZK2004矿体连通性以及分布情况,本文在安徽某铜金矿进行了全波形阵列井中激电装置的应用研究工作,进行了激电测井、井中充电法与电对比法的工作。本次工作确定了ZK2002/ZK2004钻遇矿体的连通性、走向以及分布范围,取得了良好的应用效果,证实了全波形阵列井中激电观测装置的有效性,高效性。

井中激电工作的原理是用A、B电极向地下供具有一定脉宽的连续正负方波信号时,地下岩体受极化,在接通A、B电极的同时,形成一次场ΔV₁,供电持续一定时间之后,还可产生由地下介质激发极化特性而产生的二次场ΔV₂,ΔV₂的值与激发时间和激化体及围岩溶液的性质有关。在供电过程中,二次场叠加在一次场上,称为总场ΔV^[10](图1)。

阵列全波形激发极化就是采集A、B两根供电电极进行正供—停—负供—停的循环时,记录多个M、N测量电极上的电压变化波形,然后在每个波形上读取一次场V₁、一次场电位差ΔV₁、二次场电位V₂、二次场电位差ΔV₂,再由公式得到视极化率η_s:

ηs=ΔV2ΔV×100%。

这种装置可同时进行48道井地激电或24道地—井、井—井激电数据采集,大大提高了井中激电工作占用钻孔的时间。工作人员采集到2个以上周期的全波形信息,可以直观观察到干扰信号的位置,选择波平稳可靠的波形段拾取数据,有效地避开干扰,得到真实有效的电性参数。使用这种新型装置在安徽某铜金矿上进行了应用。

矿区位于庐枞火山岩盆地南东边部,出露地层主要有中侏罗统罗岭组,上侏罗统龙门院组、砖桥组,下白垩统双庙组及第四系。区内罗岭组仅出露上段,龙门院组仅见第二段,砖桥组仅见第一、第二段,双庙组仅见第一、第二段。

区内构造以断裂构造为主,褶皱不发育。断裂构造依其走向分NE、NW、SN三组,其中NW、SN向断裂最发育,NE向次之。断裂多以硅化带、破碎带形式出现。断层一般的以近NE向的断层形成较早,SN向断层次之,NW向断层活动相对较晚。铜金矿床围绕硅化构造破碎带形成。

区内岩浆活动较为强烈,一方面有正长斑岩体及脉岩的侵入,另一方面,表现为火山喷出岩的大面积出露,在查区东部小面积出露燕山晚期第二次侵入的黄梅尖岩体,岩石类型为中细粒石英正长岩。石英正长岩呈肉红色、灰白色,岩石具中细粒结构、似斑状结构,块状构造,岩石主要由钾长石和少量的中长石、石英组成。与火山岩接触带附近常见有绢云母化、硅化、磁铁矿化等蚀变。区内脉岩十分发育,常见脉岩为正长斑岩脉及安山玢岩脉,正长斑岩脉规模较大,数量较多,往往成群分布。脉的产出形态有脉状及多支状两种,形成时间较晚。

区内岩石普遍强烈蚀变,主要蚀变有硅化、绢云母化、碳酸盐化、绿泥石化、绿帘石化、石膏化及黄铁矿化等。区内发现铜金矿(化)点多处,铜金矿化均为火山热液型,矿脉产出形式多种多样,以含铜石英脉为主,矿化体受NE、NW及近SN向构造破碎带控制。矿化体、矿石呈块状、角砾状、脉状、网脉状及细脉浸染状构造。矿化体常具一定规模。

根据矿区附近岩矿石电性参数统计结果(表1),粗安玢岩、安山玢岩具高阻高极化特征,极化率平均达18.17%,平均电阻率达到6 187 Ω·m;其他岩石极化率均不高,在3.5%~8.9%之间;火山岩电阻率相对较低,在307~2 385 Ω·m之间。

本次工作主要在该矿区的ZK2002、ZK2004孔进行激发极化测井、电对比法以及井中充电法的工作。ZK2002孔深120.1 m,66.4~75.4 m见矿。ZK2004与ZK2002相距25 m,孔深125 m, 69.8~81.3 m见矿。两个钻孔倾角85°,方位角270°,见矿层均为凝灰质粉砂岩,黄铜矿、辉铜矿成脉状分布。围岩为正长斑岩与粗安岩。

3.1.1 数据质量对比

新型井中多道激电接收机,配套使用DJF20-1型20 kW发射机与地面观测排列或井中观测电极串形成的井中激电观测系统,整体性能稳定,重复性良好。以地—井观测极化场电位为例(表2)。

本次工作误差统计选择曲线变化平稳端进行误差计算。一次场误差计算公式为:

M=±12n∑i=1nδi2,δi=2UiIi-Ui'Ii'UiIi+Ui'Ii'或 δi=2ηsi-ηsi'ηsi+ηsi'。

式中:n为参与统计的测点数,δ_i为第i点观测误差,I_i为第i点原始观测电流值, Ii'为第i点检查观测电流值,U_i为第i点原始观测电位值; Ui'为第i点重复观测电位值,η_si为第i点原始观测视极化率值, ηsi'为第i点重复观测视极化率值。

3.1.2 数据采集效率对比

全波形阵列井中观测方式具有数据采集效率高的优点。以ZK2002/ZK2004井—井观测方式数据采集为例。

在ZK2002充电,ZK2004中接收。ZK2004深120 m,测量点距1 m。当供电周期为16 s时,单道接收机采集一个点约需30 s。一个充电点对应的单孔数据采集时间为:30 s×120点=3 600 s,即需要1 h。使用全波形阵列仪器采集时,同时进行24道测量,每次测量采集2个周期的数据需60 s。一个充电点对应的单孔数据采集时间为:60 s×120点/24道=300 s。由此可见,在不考虑提升电极所需时间时,新型仪器的工作效率是单道接收机的12倍。这样就大大减少了井中物探工作占用钻孔的时间。

激电测井使用自制井下底部梯度电极系,电极排列为A1.90M0.2N,B极位于无穷远位置,测量井段为11.7~104.7 m,测量点距为1 m。

ZK2002的激电测井曲线见图2。矿层赋存于凝灰质粉砂岩与粗安岩中,主要由黄铜矿、银矿等矿物组成,围岩为含角砾粗安岩与粉砂质凝灰岩。矿层的视电阻率相比围岩较小,视极化率则较大。

3.2.1 主要矿层的激电测井特征

视电阻率:最低3.32 Ω·m,最高79.03 Ω·m,平均23.64 Ω·m,均匀性较差。

视极化率:最低13.2%,最高75.58%,平均 16.45%,均匀性相对较差,主要与黄铜矿含量有关,含量高时极化率高。

3.2.2 围岩的激电测井特征

凝灰质粉砂岩:位于主矿体顶板,视电阻率平均值130.96 Ω·m,是矿层平均电阻率的6倍左右;视极化率平均值6%,是矿层视极化率平均值的1/3。

含角砾粗安岩:视电阻率平均值152.53 Ω·m,接近矿层平均电阻率的7倍;视极化率平均值 6.64%,是矿层视极化率平均值的1/2。

综合来看,围岩与矿体电阻率差异明显,围岩极化率是矿体极化率的2倍左右。根据激电测井曲线特征,68.7~70.7 m出现极化率极大值与电阻率极小值,故井—地方式测量的充电点位置选在ZK2002的69 m处。

在ZK2002充电、ZK2004进行电对比法测量(图3a),充电点位分别在见矿位置与矿层底部。根据“充电点相对于层面位置改变时,ΔV曲线的符号转换和过零点出现在矿层部位”的原则,可以确定ZK2002和ZK2004矿层在导电性上是连续完整的,且曲线呈对称的S型曲线,反映出矿层倾角很小。这个结果也得到了钻孔电磁波CT反演结果的验证。图3b为ZK2002-ZK2004剖面电磁波CT成像,可以看出两个钻孔所钻遇的矿体是相连的,并且矿体的倾角较小。

充电A点选择在钻孔孔深69 m处所见矿体上,B极为无穷远极,以充电点地表投影为0/20(点号/线号)号点,在地面布置7条方位角为270°的平行测线,20号测线过井口,线距20~50 m;测点点距20 m。

根据ZK2002井—地方式一次场电位等值线图(图4)可以看出,电位等值线向各个方向衰减较为均匀,可以看出ZK2002钻遇矿体倾角较小。

根据井中充电法极化率等值线图(图5)、井中充电法一次场电位梯度等值线图及电位梯度零值线(图6、图7)可以看出,钻遇矿体整体为SN走向,向南贯穿整个测区。

矿区内已知见矿钻孔ZK2002、ZK2004、ZK1803、ZK1801、ZK1802、ZK1604、ZK1609、ZK1610、ZK1612、ZK1401(图7),均落在一次场电位梯度低值异常范围内。测区各条测线见矿钻孔间电位等值线均匀减小,且在16号线以南等值线逐渐稀疏,可以推断,测区内钻孔所见矿体相连。

由图4看出,18号线东侧有电位等值线局部加密区域,推测此处为矿体端点。图6显示,16、20、21、22号测线东侧梯度曲线斜率均突然增大,可以看做是靠近矿体边界的反映。而14、16、18、20测线东侧的一次场电位梯度峰值,可作为矿体边界的推断依据^[11]。

本文取得的主要成果:①全波形阵列井中激电观测装置工作效率高,采集到的数据准确可靠;②ZK2002所见矿体走向整体为SN向,并推断了矿体EW向的分布范围;③根据电对比法ZK2002与ZK2004所见矿体相连,且倾角较小;④矿区内已知见矿钻孔,均落在一次场电位梯度低值异常范围内,测区内钻孔所见矿体相互连通。

全波形阵列井中激电观测方法获取了高质量的数据,在判断本矿区矿体分布范围、矿体连通性等方面取得了很好的效果。由于井中物探工作需要与钻探人员配合,井中激发极化的工作效率决定了钻探工作的施工速度。全波形阵列井中激电观测方法大大提高了井中激电的观测效率,减小了矿产勘查工作中的时间和经济成本支出。

由于工作区域内没有做过其他井中激电的工作,且本项目工作时间较为紧张,仅进行了传统单道仪器地—井方式的工作效率与数据质量的对比,没有形成与传统单道仪器井中激电工作的全面对比结果。建议在该矿区或其他合适矿区,分别应用传统单道方法与全波形阵列井中激电方法进行独立观测,形成全面的对比结果,对这种新型装置与观测方法进行评估和改进。