井中三分量磁法测量在深部找矿中的应用——以金岭铁矿区磁异常解析为例

李令斌

(山东正元地质资源勘查有限责任公司，济南 255000)

铁矿资源是世界上发现最早、利用最广、用量最多的一种黑色金属，铁矿资源需求量的增加促进了资源开发利用进程，导致深部及外围找矿成为解决危机矿山资源枯竭的主要途径。但是，地面高精度磁法测量受地表矿渣、地面建筑物以及矿区复杂地质构造等影响，降低了地面高精度磁法测量采集精度以及提高了解译难度[1-4]。此外，深部矿体埋深较大，导致地面高精度磁测异常在地面的响应极其微弱，因此，仅靠单一的地面高精度磁法测量难以解决危机矿山找矿突破的问题[5-6]。井中三分量磁法测量是测法技术向钻孔深部的发展，能够有效避开地表矿渣、建筑物等的干扰，在钻孔深处进行全方位测量，可有效地将一定范围内的隐伏矿体探测出来，并且能够确定隐伏矿体的大致位置，为深部钻探施工提供指导，在寻找井底、井旁盲矿体，大致确定矿体位置、产状、规模和矿体分布情况，尽快揭示矿床分布规律等方面均能取得很好的效果[7-9]。

1 井中三分量磁法测量的理论基础

1.1 井中三分量磁法测量原理

三维空间任一点的磁场强度为T，则T一般由T0(地磁场的正常场)和Ta(与磁性体有关的异常场)组成[10]。

T=T0+Ta

因此，对深部找矿有意义的磁异常为Ta，为确定引起Ta异常的磁性体空间位置，必需确定Ta的方向和模值。实践证明最方便的方法是测量向量Ta在直角坐标系中的三分分量，若用坐标单位矢量表示T和T0，则有如下形式[11-12]：

T=Xi+Yj+Zk

(1)

T0=X0i+Y0j+Z0k

(2)

观测点磁异常Ta是T与T0之差：

Ta=ΔT=T-T0=(X-X0)i+(Y-Y0)j+(Z-Z0)k

(3)

式中：X、Y、Z是井中实测值，X0、Y0、Z0是地面基点上的地磁场正常测量值。

1.2 测量系统的定向问题

井中磁力仪坐标系统的定向问题比较复杂，常用的有两种定向系统，即轴向系统和垂向系统[14]。

1)轴向定向系统：井中磁力仪只有一个自由度，转动轴始终平行于井轴，这时Z轴沿井轴，Y轴垂直于井轴位于水平面内，X轴垂直于井轴位于钻孔倾斜方位平面内(图1a)。

2)垂向定向系统：井中仪器有两个自由度，其中一个轴始终沿铅垂方向，即Z轴、Y轴水平始终位于井斜方位平面内，X轴水平垂直于Y轴(图1b)。

由此可以写出垂向定向系统中正常分量与异常分量的表达式：

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—地磁倾角,(°)。

并可求的磁异常水平分量和总场的模值：

ΔH=(ΔX2+ΔY2)1/2；ΔT=(ΔH2+ΔZ2)1/2

(8)

2 金岭铁矿区地质概况

3 磁异常分析

从宏观上看，金岭铁矿区构造比较简单，异常展布均表现为单一的孤立异常，经钻探验证除东召四、立子营为火成岩引起的异常外，余者均为矿致异常。根据矿区异常分布规律可知，矿区磁异常可分为两个区：一是以金岭岩体为中心的环状异常带，走向由南到北为北东走向转为近东西走向，磁异常等值线表现密集，梯度较陡，等值线向外表现扩张趋势；二是以王旺庄岩体为中心的环状异常带，其展布特征与“一”相近。本文着重分析王旺庄、侯家庄和南龙磁异常，分析井中三分量磁法测量在深部找矿中的应用。

3.1 王旺庄磁异常

1)地面异常特征

王旺庄地面磁异常位于金岭“8”字形岩体头部接触带上，属于以金岭岩体为中心的环状异常带的组成部分，岩体为中基性，岩性为辉石闪长岩，侵位于石炭—二叠系及奥陶系地层中，岩体走向呈近东西向。王旺庄地面磁异常为似等轴状，异常极值3 500 nT，呈东西走向，等值线向南开扩，北部出现负值，且正值大于负值，表明矿体向北倾，矿体与磁化方向夹角为0～90°。异常分布范围以1 500 nT等值线圈定，长1 000 m，宽800 m，正负峰值间距1 000 m，因此认为磁性地质体是等轴的，主矿体位于正负峰值之间(图2)。

2)井中磁异常特征

对王旺庄地面磁异常比较分析后，发现该异常仍有1 500 nT的剩余异常，对CK6、CK7钻孔开展了井中三分量磁法测量工作，总结CK6孔磁测井ΔZ曲线(图3)得出：(1)曲线上部范围小，梯度陡，强度高(ΔZmin=-17 000 nT)，可能是由井旁的薄层盲矿体引起；(2)在450 m以下为强度-9 600 nT的宽缓异常，通过钻孔岩心参数测定结果表明，闪长岩以感磁为主，且变化稳定，假设剩磁与感磁方向相同，那么总的有效磁化强度J=0.003 CGSM，当钻孔穿过水平方向延伸很大的岩层时，钻孔中只受到岩体板面磁荷的影响，因本孔为直孔，井壁感应磁荷对垂直分量无影响，而闪长岩岩层面磁荷产生的内磁场的垂直分量应在-4πJsinI～-2πJsinI(I为当地正常地磁场倾角53°)，即能产生-3 000 nT<ΔZ岩<-1 500 nT，按-3 000 nT计算，那么井内尚有-6 600 nT的剩余异常，表明该孔远处仍有较大盲矿体的可能。总结CK7孔磁测井ΔZ曲线得出：(1)ΔZ曲线先见正值，在330 m过零点转为负值，异常比CK6孔更强(ΔZmin=-16 000 nT)，480 m以下曲线明显回升，表明该孔比CK6孔更接近于矿体；(2)本孔ΔZ曲线呈反“S”型，表明盲矿体可能赋存于本孔北侧，在对于地面和井中磁异常分析的同时，根据本区地质条件，认为以往钻孔都没打到正常接触带上，应沿倾斜方向深追，通过钻孔验证，在CK8、CK9分别见到65.69 m、58.47 m的磁铁矿，找到了主矿体，从而打开了王旺庄找矿的局面。

通过王旺庄矿床大量的钻孔井中磁测，得出如下规律：(1)当矿体在观测孔以北时，ΔZ曲线呈反“S”型，就其异常变化特征而言，随着钻孔相距矿体距离“D”大小而变，当较远时，正值小于负值；若距离很远时则出现似“C”型曲线；当随着“D”减小，正异常逐渐增加，而零值点伴随“D”的增大相应会有所抬高(表1)；(2)当矿体在观测孔以南时，ΔZ曲线呈正“S”型，其特点与反“S”型相反。

表1 王旺庄曲线类型与相距距离关系统计表Table 1 Statistics table of Wangwangzhuang curve type and distance relationship

3.2 侯家庄磁异常

1)地面异常特征

侯家庄矿床位于金岭短轴背斜的北西翼，已知矿体赋存于奥陶系马家沟组灰岩与闪长岩的接触带上(矽卡岩带)，形成了矽卡岩型磁铁矿体，矽卡岩带产状与灰岩产状基本一致。侯家庄磁异常平面形态呈“鞋底”状，该异常位于金岭岩体西北侧中部，以500 nT为异常下限圈定异常，出现2 500 nT和3 000 nT两个峰值圈，由西南向北东方向沿接触带分布(图4)。此外，在对应3 000 nT异常圈的北侧伴有-400 nT的卵形负异常。

2)井中磁异常特征

在11A剖面中，对CK11A-1、CK11A-2、CK11A-3孔进行了井中三分量磁法测量，其结果表明CK11A-1、CK11A-2的ΔT矢量分别呈收敛发散状态，是正负磁荷集聚所致，也反映了同一矿体的头部和尾部，进一步指出该矿长度可能为110 m。根据退磁作用的内磁场ΔT总是垂直板面这一原理，对CK11A-1进行了ΔT测量，认为该矿体属缓倾斜矿体，矿体倾向NW，倾角20°左右，基本符合实际情况(图5)。CK11A-3为一非见矿钻孔，但ΔZ曲线呈反“S”型，ΔH呈“S”型，其ΔHmax与ΔZ零值点基本在同一深度上，ΔT有明显的收敛点，指向西北，说明该孔北侧有矿头存在，经计算确认，矿头埋深约170 m，矿头据本孔水平距离D=14.4 m。经过11A-4钻孔验证，与推测基本相符。

3.3 南龙磁异常

1)地面异常特征

南龙地面异常范围较小，为一孤立的椭圆形异常，异常极值400 nT(图4)。

2)井中磁异常特征

在0-1钻孔钻进过程中，在预计见矿深度范围内揭露了13 m的隐伏磁铁矿体，测井中ΔZ曲线呈反“S”型，表明钻孔打在矿体上端，主矿体在北侧，利用内磁特征，确定矿体倾角近50°。0-1钻孔的ΔT在矿体下端有明显的ΔT正交，说明除本孔所见矿体外，尚有矿体存在，这一结论在0-2钻孔中被证实(图6)。0-2孔的ΔZ曲线，在矿体上下部异常梯度较陡，并有明显的正值，说明矿体延深是有限的。

4 结论

1)金岭铁矿区异常展布均表现为单一的孤立异常，可分为两个区：一是以金岭岩体为中心的环状异常带，走向由南到北为北东走向转为近东西走向，磁异常等值线表现密集，梯度较陡，等值线向外表现扩张趋势；二是以王旺庄岩体为中心的环状异常带，其展布特征与“一”相近。

2)当矿体在观测孔以北时，ΔZ曲线呈反“S”型，且随钻孔与矿体距离“D”大小而变化，当D较大时，正值小于负值；若D很大时则呈似“C”型曲线；当D减小，正异常逐渐增加，而零值点伴随“D”的增大相应有所抬高。当矿体在观测孔以南时，ΔZ曲线呈正“S”型，其特点与反“S”型相反。

3)根据井中三分量磁法测量，在王旺庄CK8、CK9分别见到65.69 m、58.47 m的磁铁矿；在侯家庄11A-4钻孔中见到了预测磁铁矿矿体；在南龙0-2孔中见到了磁铁矿体。找矿实践证明，井中三分量磁法测量在深部找矿中具有良好的应用效果。