综合物探技术在桂西沉积型铝土矿勘查中的应用

吕玉增, 程一鸣, 卢光辉, 姚双秋

(1.桂林理工大学 地球科学学院,广西 桂林 541006;2.广西壮族自治区二七四地质队,广西 北海 536000)

0 引言

桂西沉积铝土矿体呈层状、似层状、透镜状特征,赋存于上二叠统合山组底部,矿层顶部大致保持平行沉积层理,产状与含矿岩系地层一致,矿层厚度受古风化壳起伏影响较大,但总体上较稳定,矿层厚度在0～4 m[1]。该地区沉积型铝土矿成矿条件有其特殊性,其含矿岩系上覆岩层普遍存在泥岩层、炭质页岩层。与围岩相比,尽管铝土矿及其上覆的炭质层具有明显的低电阻率和高极化率的电性特征,但由于铝土矿、炭质页岩层等厚度薄,且连续性不好,地面激电测深分辨率有限,无法获得深部铝土矿等目标层可靠有效的异常数据。为此,尝试在已知钻孔基础上,开展激电测井和井-地联合观测综合探测技术,以期在桂西铝土矿勘查区找到一种可靠的激电探测技术,提高沉积型铝土矿物探勘查效果。

桂西沉积型铝土矿具有典型的层状特征,但由于地壳运动、风化剥蚀等原因,保存在地层中的沉积型铝土矿厚薄不一,层位错断、矿层渐灭等现象常见。人工源的地震勘探是探测层状地层介质的最有效的地球物理勘探方法之一,具有探测深度大、分辨率高等优点,但缺点是起伏地形、构造地质复杂区域勘探效果不理想,且勘查成本高。与传统的地面人工源地震方法相比,利用天然源的地震噪声成像技术具有勘探深度大、经济、高效等特点,近年来这一方法在国内外得到了较为广泛的应用,特别是利用短周期频散测量,可大大提高对浅层的分辨能力[2]。

本文利用测井和井-地联合观测以及噪声层析成像相结合的综合物探方法对桂西某沉积型铝土矿进行试验研究,为桂西沉积型铝土矿勘查技术研究提供参考。

1 地质概况

1.1 地层

桂西某沉积型铝土矿勘查区出露地层由老至新主要有下二叠统茅口组(P2m)、上二叠统合山组(P3h)、下三叠统马脚岭组(T1m)和第四系(Q)。

下二叠统茅口组:灰—灰白色厚层块状灰岩,坚硬性脆,质纯,风化后呈灰白色松散状,下部见黑色燧石结核,偶见白云质灰岩夹层。厚200～350 m。

上二叠统合山组:上段(P3h2)为灰、白灰色巨厚层灰岩,致密性脆,质较纯,顶部常有鲕粒结核;下段(P3h1)为灰黑色中厚层燧石灰岩,燧石呈黑色结核或条带状,中夹煤层或炭质页岩。底部为青灰色、灰黑色铝土矿,质硬带韧性,含黄铁矿晶体呈浸染状或结核分布。顶部有0.3～0.5 m厚的灰色薄层状铝土质页岩,为上、下段分界;合山组总厚95～105 m。与下伏茅口组呈平行不整合接触。

下三叠统马脚岭组:上段为灰色、深灰色薄层灰岩,含泥质,常具鮞状结构,底部有5～6 m白色薄层白云质灰岩;下段为灰黑色薄层页片状灰岩,一般含泥质较高,风化后呈灰绿色或淡紫色。厚约170 m。与下伏合山组呈平行不整合接触。

第四系:一般为黄褐色或褐红色黏土夹杂砾石,部分地段为堆积型铝土矿。厚0～22 m。与下伏地层呈角度不整合接触。

1.2 矿区构造

该铝土矿区所属区域构造单元为湘桂地块,是中国南方扬子板块与华夏板块之间的过渡地带,矿区位于华南EW向构造带西段、广西“山”字型构造体系的前弧西翼外缘[3,5]。位于布绒向斜,为那豆背斜内部的次级褶皱。布绒向斜与那豆背斜轴向一致,为NW—SE向,地层倾角一般为10°～20°,局部达60°。受构造挤压作用,地层沿走向和倾向均发育小褶曲,规模一般不大,走向上倾角5°～10°,总体呈缓波状,倾向上倾角大于沿走向倾角,在向斜北端表现更为明显。断裂构造比较发育,以NW—SE向逆断层为主,次为NE—SW向、近EW向,以及少量小断层。

1.3 矿区电性特征

该沉积型铝土矿矿石的主要化学成分为Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、S等[3],平均占比为80%～90%;其他成分如MgO、CaO、Na2O、K2O、P2O5、SO3、CO2、Ga、Ge、Mn、V、Zn、C等含量甚微。围岩主要为泥岩、灰岩等。前期收集了钻孔和地表揭露的岩矿石标本(共55块)进行了电性测定工作。从岩矿石标本测定结果(表1)来看:铝土矿、铁矿石标本的平均电阻率约180 Ω·m,极化率约4%;而背景泥岩、灰岩的平均电阻率大于1000 Ω·m,极化率为1.4%;炭质泥岩的平均电阻率约600 Ω·m,极化率为1.9%;测区铝土矿体具有明显的低阻高极化电性特征。

表1 测区岩石、矿石电物性参数统计

2 激电测井和井-地联合测深技术

矿区钻孔A孔深332 m,揭露的铝土矿层处于上二叠统合山组下段,埋深325～328 m,各层厚度及岩性见表2。由电测深理论计算可知,对于埋深300 m的一个厚3 m的低阻高极化薄层,即使低阻高极化异常体与背景值相差一个数量级,用尽可能大的供电极距,地面电测深也仅能观测到不超过2%的相对异常幅度,这个异常幅度与激电测深的野外观测误差水平相当。也就是说在实际工作中,对于埋深300 m的3 m厚沉积型铝土矿体,地面的激电测深无法进行有效勘测,因此必须要利用钻孔,即开展井中、井地的联合探测以提高对深部矿体的分辨能力。

表2 钻孔A岩性柱状表与标本物性测定结果对照

为了更准确地获取钻孔A各地层的电阻率、极化率数据信息,开展了井孔岩心标本的测定工作,对各岩性不同的井段取典型的岩(矿)石标本进行测定。在此基础上,开展井中供电、地面观测的激电井-地联合测深(图1),井中供电电极和地面电极点距均为20 m。

图1 激电测井和井地联合测深示意图

为了改善井-地联合测深数据反演的多解性问题,充分利用激电测井的数据信息,建立起以测井数据为约束的背景模型,建立基于约束的最小二乘反演算法,构造最小二乘反演目标函数:

ψ=‖Wd(Δd-AΔm)‖2+‖Wm(m-m0+

Δm)‖2

(1)

其中 ‖Wd(Δd-AΔm)‖2为常规的最小二乘方法; ‖Wm(m-m0+Δm)‖2为已知先验信息项;m0(m0j,j=1,2,…M;M为模型单元数)为测井得到的局部模型向量;Wm为光滑度矩阵,也称模型约束矩阵。对式(1)Δm求导,并令其等于0:

(2)

写成迭代形式:

mj+1=mj+Δmj

(j=0,1,2,…) (3)

式(3)就是模型参数带约束条件时的最小二乘反演的迭代形式。

3 地震噪声层析成像技术

背景噪声是经过地下各层介质散射后被地震台站所记录到的地球内部的一种特殊波,其产生源比较复杂,是一种非震源产生的波[6-7]。通过对两个台站长时间的环境噪声记录进行互相关计算,提取台站间的格林函数,获取面波频散信息,得到各个周期的群速度或相速度,然后通过反演计算得到每一点的群速度或相速度,并进一步通过层析成像方法获得地下速度结构,最后得到速度成像图,噪声成像过程主要有五个部分:单台数据预处理、提取格林函数、频散曲线测量、质量控制、面波层析成像[6]。

单台数据预处理去除噪声的地震信号和仪器不规则响应等干扰,再从干涉波场中提取经验格林函数,也是噪声层析成像的基本思想。归一化的时间互相关函数可以表示为

(4)

其中:t是时间延迟;互相关时间长度为2T;地表x1和x2和它们的波场u(X1)和u(X2)。对两个接收点的记录进行互相关运算,可以得到两点之间的经验格林函数,相当于两个接收点中的一个可视为虚拟的脉冲震源,在另一点记录到地震波场可视为这个虚拟源所产生的脉冲响应。Gouedard等在随机场、噪声均匀分布的假设下,推导了具有普遍适用性的格林函数和互相关函数之间关系式,即A和B波场间的互相关函数表达式为

Ga(-τ,rA,rB)]

(5)

(6)

频散曲线的测量是由经验格林函数或噪声互相关的群(相)速度得到的,提取出地震数据中的频散信息。选取的频散信息要台站距大于3倍波长以上的数据,对测线进行网格剖分,获得二维速度分布图,计算并反演网格节点的频散曲线,获得网格的速度的垂向分布。

4 勘探成果推断解释

4.1 激电测井解释

钻孔A终孔深度约352 m,由于钻孔180 m以下塌孔严重,实际激电测井只能下到180 m。测井采用底部三极梯度装置。极距选择:AO=5.5 m,MN=1 m,相邻点距间隔为5 m,电极同步移动逐点观测电阻率、极化率和自然电位。图2是钻孔A的测井综合剖面图,红线、黑线和绿线分别为自然电位(Sp)、电阻率(ρ)和极化率(η),因测井极距较小,测井数据结果基本相当于观测不同深度对应岩性的电性数据参数。自然电位主要反映测区的干扰、地下水等引起的自然电场情况,整体上自然电位曲线比较平滑。电阻率测井结果显示50 m以浅测段电阻率值偏高,平均值达2000 Ω·m,钻孔50～150 m测段电阻率值偏低至1000 Ω·m,不同岩性之间,微晶灰岩和扁豆状灰岩的电阻率要略高于广泛分布的泥质条带灰岩。极化率测井结果显示极化率变化介于1%～3%之间,整体上泥质条带灰岩区的极化率平均值约为1.6%,而微晶灰岩和鲕粒状灰岩的极化率略高,大于2%。从钻孔A有限深度的测井结果来看,尽管揭露的大多是灰岩,但也存在电性差异:

图2 钻孔A测井综合剖面图

(1) 50 m以浅的浅部泥质条带灰岩呈现中高阻(2000 Ω·m)、低极化(1.6%)的电性特征。

(2)而中深部的泥质条带灰岩显现低阻(1000 Ω·m)低极化(1.6%)的电性特征。

(3)微晶灰岩和扁豆状灰岩具有中高阻(1500 Ω·m)高极化(>2%)特征。

4.2 井-地激电测深数据反演解释

利用桂林理工大学开发的激电数据反演软件,对井-地联合测深观测的数据进行了二维反演,反演过程中,利用测井的数据对井孔周围的电阻率参数进行模型约束,图3和图4分别为电阻率和极化率反演图[9]。反演结果显示:

图3 井-地激电测深剖面电阻率反演成果图

图4 井-地激电测深剖面极化率反演成果图

(1) 测深剖面整体浅部(200 m以浅)电阻率的水平分层特征较明显,具有浅部(20 m以浅)和深部电阻率低、中间深度电阻率高的特点,推测深部的低电阻率、中高极化率特征主要与含矿层或炭质页岩层密切相关。

(2) 剖面上260～340 m测段地表,呈现明显的低阻、高极化异常带,并向小号方向(SW向)倾,在360 m位置深部也同样呈现低阻条带,并向小号方向(SW向)倾,推测为地表出露的矿化体,并延伸至深部。

(3) 在钻孔A编号负方向,深部的低阻异常带明显变浅,推测矿化层或炭质层变浅或是另一组的SW倾向的矿化层。

4.3 地震噪声成像解释

地震测线设计总长度4 km,NW—SE方向,该测线垂直于地质勘探线布设,主要了解铝土矿、炭质层等低速层在垂直地质勘探线方向上的延伸、埋深和分布规律,指导下一步的地质钻探等工作。整条测线共完成了194个测点,测点距10～50 m不等,对于部分陡崖、灰岩裸露等不能布设地震测点的地方,测点进行了适当的偏移,剖面波形无畸变、无振荡噪声和感应现象,没有因能量不均匀引起的条带现象。图5是噪声层析成像图,为了对照解释,笔者把地震测线周围的钻孔和各测点的高程也垂直投影在地震测线上,并标出了各钻孔揭露的炭质层、煤层或铝土矿层的深度信息。噪声层析成像结果清晰地呈现水平带状的低速层,对照各钻孔的钻探信息,低速层的位置基本对应了炭质层或铝土矿层。同时,噪声层析成像显示出沿测线上1650～1800 m、1900～2050 m、2500～2800 m测段存在低速层的错段,推测为地层不整合面。

图5 地震测线噪声层析成像图

5 结论

综合本次综合物探的实践应用,得到以下认识:

(1)本工作是电法激电测井、井-地激电测深联合解释和噪声层析成像综合物探技术在桂西铝土矿勘查中的首次运用,取得了较好的勘查效果,具有良好的示范作用。

(2)充分利用测井数据信息,并结合地面、井孔的联合激电测深可提高深部探测的分辨率,是解决桂西铝土矿精细勘查的一种有效途径。

(3)天然地震噪声观测技术具有效率高、成本低等优点,对于桂西复杂地形地区沉积型的低阻层、断层和地层不整合等探测效果明显,可通过在重点区域布设高密度测点的天然地震勘探工作,实现地震噪声地层层析成像。