钻探岩心定向技术在地质剖面解译中的应用

宋正刚

（1.贵州省地矿局地球物理地球化学勘查院，贵州 贵阳 550018；2.贵州省地矿局一〇九地质大队，贵州 贵阳 550018）

岩心定向技术指采用机械式岩心定向仪确定孔内岩心空间产状的工艺方法。岩心定向机械法有多种，本文主要介绍探矿钻探采用的岩心定向矛定向技术，利用重力原理对钻孔内地质结构面进行岩心定向，测算出定向岩心地质结构面的原始倾向及倾角，应用地质结构面的倾向及倾角在剖面图中直接绘制。

1 岩心定向使用的机械和工具

1.1 钻机设备要求

金刚石钻进绳索取心钻机，提引器易于拆卸和联接岩心定向矛，具有三套管岩心管取心最佳，有较好的岩心保护作用，并且岩心采取率较高。

1.2 岩心定向工具

岩心定向工具采用岩心定向矛，长度2.5～3 m，直径是钻杆直径的3/5 左右，是实心的金属圆柱体，顶端是便于拆卸和安装的联接头，底端是逐渐收小且易于安装记号笔(或其他刻画物)的槽孔[1]。加工岩心定向矛，一般的金属加工店均可加工，材料及加工费在人民币1000 元左右，如图1，其他类型的岩心定向器最低在5000 元以上，此款岩心定向矛较经济。

图1 岩心定向矛示意图

2 岩心定向矛的原理、适用性

岩心定向矛有一定的重量，是利用岩心定向矛的自然重力，将岩心定向矛沿钻杆内壁缓慢放入孔底刻画底部的岩石，在钻杆内岩心最低处形成刻画标记。

岩心定向矛适用于以下条件：（1）施工钻孔必须是斜孔，钻孔倾角-50°～ -80°；（2）使用岩心定向矛进行定向时，不能拔出孔内钻杆使用裸孔定向，只能在钻杆内壁进行岩心定向；（3）使用岩心定向矛定向前，必须观察上一回次底部岩心完整性，最好有一定的层面或其他地质结构面。

3 测量基本参数使用的文具

3.1 制作线性量角器

根据不同岩心直径，测算和制作不同岩心大小的线性量角器，注意线性量角器的起始长度与相应岩心直径的圆周长度必须一致。钻孔直径为91 mm和75 mm 的塑料线性量角器示意图如图2。塑料线性量角器制作简单，成本极低，一条塑料线性量角器1 元左右，其他类型的配套采集仪最少也要几十元，采用塑料线性量角器较经济。

图2 钻孔直径Ф91 mm 和Ф75 mm 的线性量角器示意图

3.2 测量岩心定向的基本参数

实测岩心定向的参数很多，下面介绍最重要的几个基本参数。

（1）岩心定向参考线。把定向成功的岩心放入固定的V 型槽钢内，然后整理并能连接自然对接好的所有岩心，根据每回次顶部岩心已刻画的标记，从标记点距离岩心边部最小距离处画一条平行于岩心轴线的线（一般用红色线表示），这条线就称为岩心定向参考线。在每块岩心的定位参考线上标出箭头（→）方向，箭头方向代表孔深方向。

（2）岩心轴夹角（α）。即是层理或其他地质结构面最大倾角线（椭圆面长轴）与岩心轴线之间的锐角，用量角器直接测量岩心轴夹角。

（3）岩心定向角（β）。是定向成功的岩心，用左手拿住岩心，岩心的孔深方向朝下，右手用线性量角器，以岩心定向参考线作为起点，沿顺时针方向围绕岩心与层理或其他构造面最低点之间的夹角。简易的测量方法是把画好岩心定向参考线的岩心拿在左手中（箭头往下），右手使用线性量角器从定位参考线按顺时针方向绕至层理或其他地质结构面最低处的夹角，这个角度值就是β 值。岩心定向角不一定是锐角，有可能是钝角，如图3。

图3 线性量角器测量岩心定向角示意图

4 岩心定向作用实例

以贞丰安堡金矿ZKS01 钻孔部分数据为例，实测并收集岩心定向的几个基本参数，对岩心定向角（β）进行原位恢复，确定岩心定向点的产状（倾向和倾角），并实际应用到剖面图中画出视倾角。ZKS01 钻孔位置，位于A—A′剖面上，剖面方位角是196°，钻孔地表孔口标高711 m，倾角-59°，孔口岩层产状120 ∠15°。

4.1 岩心定向矛使用过程

ZKS01 钻孔，孔深132m。（1）钻机钻进孔深至10m 时起钻，观察岩心最底部的扭断面完整；（2）准备好岩心定向矛，从钻杆内壁放入岩心定向矛进行岩心岩向（刻画标记孔内岩心），时间3 分钟（随定向测量深度增加，用时逐渐增加）；（3）钻机继续往下钻进孔深13 m 时起钻（根据钻进的具体情况确定回次长度），取出岩心放入岩心箱；（4）检查此回次最顶部的岩心定向成功；（5）定向成功的岩心全部放入准备好的V 型槽钢内，一一将岩心进行错位对接，画出岩心定向参考线；（6）测量出10 m 处的岩心轴夹角（α）为74°，岩心定向角（β）为344°。按照上述方法实测20 m、31 m、54 m、70 m、95 m、101 m、103 m、110 m、115 m和125 m 处的岩心定向角（β）和岩心轴夹角（α），见表1。

从使用过程来看，采用岩心定矛进行岩心定向，一个回次就能完全定向，容易操作，用时较短。

4.2 岩心定向实测的定位参数及恢复原始位置参数

ZKS01 钻孔岩心定向实测的定向参数有：岩心定向角（β）和岩心轴夹角（α）。

把ZKS01 钻孔岩心定向角（β）和岩心轴夹角（α）的原始位置恢复，即是把岩心定向角（β）和岩心轴夹角（α）恢复到岩心所处的原始位置，换算该钻孔定位岩心原始的倾向和倾角，见表1。

表1 ZKS01 钻孔岩心定向角及轴夹角复位后的倾向和倾角对应表

4.3 绘制地质剖面图

如果地质剖面图中的钻孔没有进行岩心定向，地层和构造线只能根据地表的岩层产状（倾向）来推测其深部的倾向，深部的地层和构造线没有倾向也只能在剖面图上画出真倾角，并且存在多解（上倾或下倾）的问题。

ZKS01 钻孔进行了岩心定向，在A—A′剖面图中的层理面和断层面可以根据恢复的倾向和倾角，把地层和构造线等的倾向和视倾角精准地在地质剖面图中客观地绘制出来，如图4。

图4 ZKS01 钻孔岩心定向A—A′地质解译剖面图

5 钻探岩心定向的应用、进程和经济性

从目前情况来看，定向岩心主要有以下几种用途：确定地下岩矿层产状，判断地下结构面产状，了解沉积物移动方向等。岩心定向机械法，其中有代表性的岩心定向器有欧洲的Craelius 岩心定向装置、美国的Odgers 定向工具、苏联的K-5 岩心定向器[2]。近几年又发展了YDX-1 型岩心定向器[3]、化学膨胀管、推力锥岩心定向器[4]和澳大利亚的岩心定向矛工具[5-6]等。

通过对以上岩心定向器（或工具）对比，岩心定向矛易于加工、成本低、易于操作、用时短、一个回次可定向，岩心定向矛可反复使用，具有经济性和可操作性，缺点是应用于垂直钻孔进行岩心定向效果不好。

6 结论

对于探矿钻孔的斜孔，利用岩心定向矛和简单的工具可以方便、快速地测量定向岩心的定向角（β）和岩心轴夹角（α），然后测算地质结构面的倾向和倾角，应用钻孔内定向岩心地质结构面的倾向和倾角准确地在地质剖面图中客观地绘制出来，解决了没有定向钻孔的地质结构面在剖面图中存在多解的问题。

使用岩心定向矛进行岩心定向，工具易于加工、成本低、易操作、节约时间、一个回次即可以定向，岩心定向矛可反复使用，具有经济性和可操作性。小型矿山的钻探施工（斜孔）建议推广使用，对于建立矿山地质模型具有一定的现实意义。