大功率电法在河南省铝土矿老矿区勘查中的应用

节昌录

【摘要】阐述了河南省西部沉积铝土矿地层基本沉积情况。铝土矿沉积地层及其围岩的地球物理特性，铝土矿层岩系具有中低阻低极化特征，赋矿岩系顶板——石炭系灰岩、底板——奥陶系灰岩具有明显高阻中极化特征。使得利用电阻系法勘探成为可能。探讨利用大功率电法勘查铝土矿的方法技术，介绍如何利用大功率电法的勘测成果推断铝土矿体方法。举例说明大功率电法的在找铝土矿效果。

【关键词】大功率电法；铝土矿勘探；物探找矿；电阻率法お

High efficiency electrical method in Henan Province bauxite old mining area investigation application

Jie Chang—lu

（Henan Province， Geophysical Engineering InvestigationZhengzhouHenan450053）

【Abstract】Elaborated west Henan Province to deposit the bauxite stratum basic deposition situation. Bauxite sedimentary formation and adjacent formation geophysics characteristic，The alumina ore bedseam rock series have the low resistivity low polarization characteristic. Bestows on the ore rock series roof—Carboniferous series calcareous rock， ledger wall—The Ordovician system calcareous rock has obviously high—resistance polarizes the characteristic. Causes is the law possibly explores into using the resistance. Discussion use high efficiency electrical method investigation bauxite method technology， Introduced how uses the high efficiency electrical method the survey achievement inference alumina ore body method. Explains with examples the high efficiency electrical method to look for the bauxite effect.

【Key words】High efficiency electrical method；The bauxite prospects；The thing is fished for looking for an ore；Resistivity lawお

1. 绪言

（1）多年来，铝土矿勘探都以钻探、浅井、探槽、坑探等直接性的勘探为主。随着多年的开采，埋藏较浅的矿体已经基本开采完毕，坑采区留下的采井，采空也到处都是，加上以往的开采中存在采富弃贫，乱采乱挖，而使矿区千疮百孔，这些不明的采空区给以后的开采勘探带来了非常大的麻烦。如何在老矿区内继续勘察，开采，让这些老矿区再为国民经济服务，是需要解决的一大难题。

（2）利用物探方法与钻探验证相结合，从理论上来讲成为可能。六七十年时老地质工作都曾在豫西地区开展过激电法、浅震、α径迹、磁法等物探测量方法来做铝土矿勘探试验。其结果指出，放射性测量、中低精度磁法、激电等物探测量方法均不适用。浅震测量方法效果较好，但其费用高，电阻率测量和对称四极剖面测量方法的效果也不错，但当矿体埋藏较深、上覆有高阻时，其无法法穿透高阻层的“屏蔽”作用。近几年生产的大功率电法仪器，其功率大、电压高、电流大、勘探深度大，具有较好的克服高阻层对直流电法的“屏蔽”作用。因此利用大功率电法与钻探验证相结合的方法，较适用于这些具有多年开采经历的老矿区的开采空隙间及矿区外围进行找矿。

（3）大功率电法勘探是电法勘探的一种，是指输出额定输出功率在10KW以上的激发极化法。与普通激发极化法相比具有功率大、电压高、电流大、勘探深度大，能够较好地解决高阻层对直流电法“屏蔽”作用的影响。激发极化法是根据岩石、矿石的激发极化效应来寻找金属和解决水文地质、工程地质等问题的一组电法勘探方法。

2. 河南省铝土矿的沉积地质特征

2.1铝土矿的形成。

（1）在奥陶世，经加里东期地质运动，华北地台整体升高，当时河南地处亚热带，炎热、潮湿、多雨，出露地表的奥陶系灰岩在一亿四千万年间遭受了强烈的风化剥蚀，地貌呈准平原化，局部地段有岩溶洼地及溶洞溶斗，土壤呈红土化，在红土化作用下，土壤中的粘土质初步形成铝土矿。

（2）到中石炭世，受华力西期地质运动影响，华北地台逐渐下沉，海水复浸，华北地台处于广阔陆棚上的陆表沉积环境，红土中的铝土矿在海水中分解，呈胶体絮状悬浮，铝质和铁质分离，铁质就沉入底部，形成铁质粘土岩层位（C2b1），并在局部地段形成山西式铁矿。由于海水中铝质胶体含量很高，非常不利于生物生长，因而铝土矿中绝少有生物化石。开放的滨海环境易使铝质胶体絮状物流失，而河南从北到南有济源到武陟古隆起、岱眉寨古隆起、嵩山古隆起和箕山古隆起，这些古隆起就把今天的河南铝土矿区分隔成局部封闭的泻湖沉积区，水动力较弱，属静水滞留环境，有利于铝质的沉积，铝质就以三水铝石形式沉积在奥陶或寒武系古地形上，并在沉积成矿时期先把岩溶洼斗区填平补齐，形成铝土矿层位（C2b2），其中洼斗区的铝土矿品位富，厚度大，但是这一时期铝土矿的铝硅比较低，到晚石炭世，铝土矿上沉积了一套海陆交互相的含煤建造，此后铝土矿在地下水的淋滤作用下，铝和硅进一步分离，特别是一些出露地表的铝土矿，铝硅比很高，矿石呈砂状、土状、蜂窝状。到二迭纪初，华北地台逐渐隆起，成为陆相盆地，在铝土矿层上又沉积一套含煤地层，二迭是华北地台区主要成煤时期，一般有煤层的地方，其下都有铝土矿层（C2b2）。

2.2铝土矿的地层特征。

铝土矿矿体沉积层为中石炭统本溪组（C2b），常与粘土矿共存。含矿层可分下、中、上三个岩段。下段（C2b1）为铁质页岩，局部夹“山西式”铁矿的扁豆体；中段（C2b2）为矿层，主要由铝土矿和粘土矿（硬质粘土和高铝粘土矿）组成；上段（C2b1）为粘土页岩，有时相变为碳质页岩或煤线。含矿岩系上覆石炭系一二叠系太原组（C2—P璴t）灰岩、煤层、碳质页岩及砂岩；下伏中奥陶统马家沟组（02m）青灰色灰岩、浅黄色薄层状泥质灰岩，当奥陶系缺失时为寒武系（撸┗已一虬自蒲摇＊

2.3矿体及围岩的地球物理特征。

铝土矿具有中低阻低极化特征。赋矿岩系底板——奥陶系灰岩具有明显高阻中极化特征；当奥陶系灰岩含泥质成分时，电阻率降低呈中高阻特征。赋矿岩系顶板——石炭系灰岩具有中高阻中极化特征。赋矿岩系中铁质页岩具有低阻低极化特征，碳质页岩、煤层具有中低阻高极化特征（可参考某矿区电性参数统计表 表1）。

表1某矿区电性参数统计表

岩石名称 块数

（件） ρ璼（Ω·m） M璼（%）

ρ璼 min ρ璼 max ρ璼 平均值 M璼 min M璼 max M璼平均值

（C2—P璴t）ふ惩裂 17 45 99 68 0.11 1.65 0.45

（C2—P璴t）ど把 37 30 743 156 0.31 6.78 2.41

一1煤 15 8 56 38 5.67 20.38 10.56

C2灰岩 13 44 1136 435 028 1.96 1.32

铝土矿 25 58 173 99 0.24 1.90 1.08

（02m）灰岩 22 235 2235 876 2.68 7.65 4.42

3. 大功率电法在铝土矿勘探中应用

3.1围岩的电阻率特点。

3.1.1奥陶系灰岩高阻岩层。

奥陶系灰岩的ρ璼为876Ω·m左右，上石炭统灰岩的ρ璼为435Ω·m左右，石英砂岩的ρ璼为156Ω·m左右。因此，奥陶系灰岩与其他岩性在电阻率方面的物性差异较大，铝土矿作为奥陶系灰岩的上覆地层，离奥陶系灰岩很近，这一物性差异是构成直流电法寻找铝土矿的物性基础。

3.1.2上石炭统灰岩高阻层。

上石炭统灰岩高阻层上石炭统灰岩在铝土矿区一般较薄，并且在局部地段才有。由于上石炭统灰岩的覆盖，其下的铝土矿保存较好，因而，上石炭统灰岩就象两刃剑，一方面可以作为物探寻找隐伏铝土矿的标志层，另一方面能形成高阻屏蔽现象，特别是在有些矿区，各岩层的沉积厚度不大，上石炭统灰岩与奥陶系灰岩距离近时尤甚。

3.1.3石炭统、下二叠统砂岩高阻层。

砂岩一般较薄，由于地下水的影响，其高阻反应不太明显，但在下二叠统与上石炭统交界处，有一层约5米厚的石英砂岩，并且离地表很近，水分少，在测深时会有高阻反应，解释时可以将其用作物探划分地层的依据。

3.1.4粘土岩。

粘土岩的电阻率较低，在地质上，它与砂岩互层，因而，若黄土之下是粘土岩时，往往使物探反演计算的黄土厚度有误差。

3.2围岩的极化率特点。

在极化率方面，无烟煤的极化率最高，为M璼10.56%其次是铁矿石和灰岩，因而可以用极化率参数确定煤层埋深，从而起到用物探方法划分地层界限的作用，铝土矿和粘土岩的极化率最低。

表 2铝土矿区各岩性的λ值

岩石っ称 O2せ已 C2せ已 砂岩 铝土矿 粘土岩 煤

λ值 1.31 1.30 1.20—1.28 0.90—1.19 0.70—1.20 1.10—1.20

3.3偏离度λ值的特点。

上世纪70年代，西德的地球物理学家沃格尔斯通过在对矿床勘探中的6300个测量数据做有关激发极化法的研究时，发现了一个新参数偏离度λ，它与地质特征、矿物组合及构造有关，并且不受矿石风化的影响。河南有色地质局第五地质大队在2003年利用激发极化法做铝土矿勘查时发现的偏离度λ值（见表2）。从表中可以看出铝土矿和粘土岩的偏离度λ值较小，而含矿岩系的顶板C2灰岩和其底板O2灰岩都较大。因此，可以利用偏离度λ值分出含矿岩系段。

3.4大功率电法寻找铝土矿的思路。

铝土矿区层状沉积的地层在水平方向上无物性差异，但在垂直方向上有差异。在沉积岩中，灰岩的电阻率最高，二迭系和石炭系的岩性为砂岩、页岩、粘土岩和煤层，其电阻率远远小于下伏的奥陶系灰岩，因而，当我们用大功率电法在铝土矿区做电测深时，测深曲线前支就反映地表低阻的黄土层（Q），尾支一般呈45°角上扬，它反映的是巨厚的致密高阻的奥陶系灰岩，中间部位就反映了二迭系、石炭系岩性的电阻率变化，若二迭系和上石炭统缺失，测深曲线的中间部分缩短，若奥陶缺失，由于寒武系灰岩也是巨厚的致密高阻岩层，测深曲线尾支不变。因而，物探寻找隐伏铝土矿的主要工作方法就可确定为电阻率测深法，其目标物就是高阻的奥陶系灰岩，目的物是奥陶系古地形的洼斗区。

3.5干扰因素的识别和排除。

3.5.1高阻屏蔽。

用电测深方法找铝土矿牵涉到两个高阻屏蔽：ィ1）是地表有干燥砾（砂）石层或石漠化地层，它们影响测深曲线前支的浅部信息，当铝土矿埋深浅时，它的影响大。ィ2）是上石炭统灰岩地层，它对电流线向深部地层穿透起隔离作用，阻碍了对下伏地层的探测。利用大功率电法测深，增大供电电流，可以减小高阻层的屏蔽，增大供电电流对深部岩溶洼斗未产生明显影响。另外可以增大AB极距就可穿透上石炭统灰岩，测深曲线将呈弧形起伏，而奥陶系或寒武系灰岩很厚即便是增大AB极距也穿不透，其测深曲线仍呈45°角上扬。

3.5.2极距的选择不当。

电测深有两种MN变化方式，选用的是活动MN法，这样做有利于定量解释。按电测深《规范》的供电极距（AB/2）要求，是按几何级数来取值，这样做有很多弊端。在实际工作中，往往把供电极距大大加密，一方面利于解释，另一方面找矿信息丰富了。

3.5.3地下水的影响。

由于地下水在激发极化衰减时有与众不同的反应，遂将电阻率测深改为激发极化测深，增测半衰时t璈、偏离度λ和衰减度D等参数。当ρ璼为低阻，λ为4.5，t璈>0.85s，D>0.38时，一般有地下水。因此，在勾绘ρ璼等值线和推断解释时需要多加注意，除此之外，增测极化率M璼参数还能指出煤层和山西式铁矿的位置和埋深。

3.5.4断层的影响。

一般来说，电测深ρ璼剖面等值线在断裂处将出现剧烈起伏，有时呈“U”形，有时呈“Z”形，供电极距跨越断裂时，测深曲线将出现阶梯起伏，极化率值不稳定。当AB布极方向平行于断裂走向时，测深曲线尾支一直不呈45°角上扬，而是趋于某一饱和值，联剖曲线将出现低阻交点。

4. 大功率电法在某矿区的应用效果

4.1物探方法技术选择。

铝土矿的物探测量的目的是，探测出岩溶洼斗的赋存位置、埋深、规模和形态。首先选择电阻率法剖面测量，确定出剖面上的中低阻分布区间，该区间即可能为深部岩溶洼斗或洼地分布区的反映；然后再对该区段布设对称四极电测深，进行垂向范围内的探测，从而确定出岩溶洼斗的埋藏深度、空间形态及规模等，达到间接寻找铝土矿矿层的目的。针对不同主干剖面上的矿体的可能埋藏深度，而采用不同测量装置。中梯采用供电极距AB分别为800m、900m、1500m，测量电极MN=20m、测量点距DX=10m等三种装置方案。测深采用最小供电极距AB=6m、最大供电极距AB分别为340m、500m、750m，测量极距MN/2分别为3m、12m、70 m等三种装置方案。使用仪器为MK—3型大功率激电仪，观测视电阻率（ρ璼）和视充电率（M璼）这两种方法的共五个电性参数。

4.2勘查效果。

（1）采取上述方法技术在矿区多条剖面进行了探测。根据大功率测深的视电阻率断面上的“洼斗”异常，布设了4个钻孔，均不同程度地见到了铝土矿矿体。

高阻“屏蔽”问题：矿区石炭系灰岩厚度大于3m地区，投入大功率电法测深，增大供电电流，结果发现，高阻层对深部岩溶洼斗未产生明显影响。

（2）矿区某线以剖面起点（1号点）开始，沿140°方位布线测量。首先进行中梯装置的观测，在5～8号点、11号点出现两处相对中低阻异常（图1）。以2号点为起点，间距为40m，最大AB/2=500m，布测了4个测深点，对视电阻率异常进行解剖。视电阻率ρ璼断面图显示，由浅到深，ρ璼场值逐渐增大，局部的变化是由于电性不均匀引起。ρ璼等值线在AB/2=150—220m之间梯度变化大，在AB/2=220—500m之间趋于平缓；ρ璼断面图显示，深部有“洼斗”异常存在，其中心位于D2测深点。由于岩溶洼斗与含矿岩系两者电阻率存在明显的差异，推断ρ璼等值线梯度变化大的部位为洼斗与含矿层的分界面。洼斗界面深度为1202·m等值线对应的AB/2 极距值的三分之一，即h=165/3m=55m。根据本区铝土矿赋存部位特点，推断铝土矿矿层深度为10012·m等值线对应的AB/2极距值的1/3，即h=120/3=40m。根据上述物探成果而布置的ZK6388钻孔，在42.72～51.42m处见到铝土矿矿体，其Al/Si比最高达12.7，在52.82m处见到奥陶系灰岩。物探资料解释成果与钻探验证结果基本吻合。

图1矿区XX线地质物探综合剖面图

5. 利用大功率电法推断铝土矿体方法

5.1推断“岩溶洼斗”异常。

大功率视电阻率测深断面等值线在深部呈现凹陷状态，那么，如何将其判断为“岩溶洼斗”异常呢？根据电场理论，引起类似异常可能有以下几种情况：一是，深部存在岩溶洼斗或洼地，由于中低阻的石炭系含矿岩系与其周围灰岩的巨大电性差异而引起“洼斗”异常；二是，存在隐伏断层，由于低阻断层泥的存在而引起“洼斗”异常；三是“山西式”赤铁矿，由于电阻率较低，在灰岩界面没有起伏的情况下，有可能引起微弱的“洼斗”异常。根据异常幅值、梯度变化、空间展布形态几方面的变化特征进行判别。岩溶洼斗引起的凹陷异常场值较高，梯度变化小，异常比较宽缓；而隐伏断层引起的异常场值较低，梯度变化大，异常比较狭窄；第三种情况引起异常较弱，在测深断面图上比较容易识别。

5.2通过推断含矿岩系的厚度进行推断。

含矿岩系越厚的地段，一般情况下铝土矿或者为粘土矿也较厚，根据对豫西数十个矿区含矿岩系的厚度与铝土矿的厚度统计分析，一般情况下当含矿岩系总厚度小于4m时，不含铝土矿；含矿岩系总厚度超过6m时，才可能存在具有可开采价值的矿体。另外每个矿区有个含矿岩系的厚度基准值，只有超过这个厚度时，才可能具有铝土矿存在这个基准值在老矿区中，可通过已往的资料进行统计，统计方法，将矿区内已知可开采矿厚的钻孔的含矿岩系的总厚度按从小到大自然数序列排序，然后做出序列号与厚度的函数曲线图，延伸的曲线与y轴的截距为含矿岩系的含矿基准厚度，这个厚度可根据矿区的具体情况再做相应的修改调整。利用电法推测出的含矿系与矿区的含矿岩系的含矿基准厚度对比，可以推测是否含矿。当推测的含矿岩系的厚度超过含矿岩系的含矿基准厚度时，且在视电阻率测深断面上的凹陷异常并确定为“岩溶洼斗”异常后，一般可认为，该异常与隐伏铝土矿矿体有关。

5.3利用偏离度λ值推断。

铝土矿和粘土岩的偏离度λ值较小，而含矿岩系的顶板C2灰岩和其底板O2灰岩都较大。因此，可以利用偏离度λ划分出奥陶系灰岩的古界面，划分出含矿岩系顶板灰岩的埋藏深度，推断出含矿岩系的厚度，进而可以推断出铝土矿矿体。

6. 结 束 语

大功率电法在找铝土矿矿体时，主要是通过间接的寻找奥陶系的古溶蚀面或利用含矿岩系的厚度进行推测铝土矿矿体，需配合钻探验证。两种勘探方法相结合在铝土矿勘探中的优势非常大：一、是节约勘探成本；二、还可以节省较多勘探时间；三、在老矿区内还可以测采空区；四、大大提高找矿的成功率。大功率电法在找铁、煤、铅锌矿，在超基性岩区找镍铬矿和找金矿等已经取得了——定的地质效果。希望在找铝土矿中也能得到更好的应用。

参考文献

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