直升機大比例尺航空物探在深部找礦中的應用前景

  國外許多大型礦山勘探開(kāi)采深度已超過(guò)1 000m, 如南非在4 000 m以下的深度找到了金礦, 澳大利亞在3 000 m深度發(fā)現了儲量大于300萬(wàn)噸的富銅礦床[ 1] 。我國絕大多數礦山的開(kāi)采深度一般不足500 m, 考慮到現行勘探和開(kāi)采技術(shù)在500 ～1 000 m深度范圍內的可行性, 礦山無(wú)疑存在深部第二找礦空間、第三找礦空間。我國銅陵冬瓜山大型銅礦床的產(chǎn)出深度在1 000 m左右[ 1] , 大冶鐵礦在1 000 m左右見(jiàn)到第三臺階厚大礦體[ 2]等, 我國現有礦山的深部仍具有極大的找礦潛力。

 

  用于深部隱伏礦勘查的地面金屬礦物探方法主要有高精度重力勘查、高精度磁測、瞬變電磁法勘查、可控源音頻大地電磁、三頻激電、井中聲波透視、地下電磁波、深穿透地球化學(xué)方法等[ 3] 。由于重要金屬礦區及外圍大多地形復雜, 地面物探工作效率很低, 施工困難, 多數地面物探測量工區分布面積偏小, 在一定程度上影響了礦山深部及外圍找礦效果。

 

  2003年以來(lái), 采取引進(jìn)和自行研制相結合的方針, 成功地研制集成了吊艙式直升機頻率域電磁、磁綜合測量系統和硬架式直升機磁、放綜合測量系統,投入生產(chǎn)并獲得了良好的勘查效果。目前國內直升機最大勘探比例尺已達1∶5 000, 并且這兩套直升機航空物探測量系統可以沿地形起伏飛行, 探頭離地高度最低可達30 ～ 80 m, 采樣間隔可達1 ～ 3 m左右, DGPS平面定位精度好于1 m, 尤其適合于地形復雜地區的礦產(chǎn)勘查工作。同地面物探相比, 直升機測量具有速度快、測量精度高、信息豐富、異常分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。在礦區做較大的測量面積不僅可對礦區深部磁性地質(zhì)體產(chǎn)生的弱緩異常反映完整, 而且便于磁異常綜合對比分析, 有助于發(fā)現礦區周?chē)粗V床。大冶1∶1萬(wàn)高分辨率航磁找礦成功經(jīng)驗表明, 以直升機物探方法獲取的高精度資料為基礎,采用精細反演方法, 可以實(shí)現深部找礦目的。

 

  1 直升機航空物探方法

 

  1.1 測量系統組成

 

  1.1.1 吊艙式系統

 

  吊艙式直升機頻率域電磁、磁測量系統是我國在從加拿大引進(jìn)的IMPULSE六頻電磁儀和磁力儀基礎上, 自行集成的一套測量系統。該系統由IMPULSE頻率域電磁系統、CS-3 磁力儀、DS3 數據收錄系統、GPS導航定位系統、高度測量系統、模擬記錄儀和電源系統組成, 可同時(shí)測量電磁、磁2 種參數, 其性能指標達到了世界同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)水平[ 4] 。

 

  IMPLUSE電磁系統為新型的數字化和寬帶系統, 有2對發(fā)射和接收線(xiàn)圈(水平共面線(xiàn)圈對和垂直同軸線(xiàn)圈對), 每對線(xiàn)圈的發(fā)射磁矩為800 A·m2 , 發(fā)射3個(gè)頻率, 頻率范圍870 ～ 23 250 Hz, 其中水平共面線(xiàn)圈對層狀大地的導電率有較高的分辨率, 而垂直同軸線(xiàn)圈對垂直導體分辨率較高。該系統記錄6個(gè)頻率的電磁響應, 采樣率每秒30次, 在直升機時(shí)速120 km/h時(shí), 相當于沿著(zhù)飛行測線(xiàn)每1m一個(gè)采樣。

 

  2004年在內蒙古烏達煤礦區進(jìn)行了國內首次吊倉式直升機航空磁、電磁綜合測量。測線(xiàn)飛行采用沿地形起伏飛行的方法, 測網(wǎng)密度為50 m×250 m, 測線(xiàn)間距50 m。直升機吊艙(探頭)平均離地高度49 m;導航定位精度好于2.58 m;測線(xiàn)偏航距通常小于20 m。

 

  1.1.2 硬架式系統

 

  硬架式直升機航磁測量系統是中國國土資源航空物探遙感中心新研制、具有國際先進(jìn)水平的航空物探測量系統。

 

  機載航空物探設備包括HC— 2000K航空磁力儀、DSC— 1航磁補償儀、GPS導航定位設備、GPS差分定位設備、數據顯示設備等。

 

  2005年在湖北黃石地區進(jìn)行了硬架式直升機航空物探(磁)測量工作① 。測線(xiàn)飛行采用沿地形起伏飛行的方法, 測線(xiàn)間距100 m。導航定位精度好于1 m;平均飛行高度為144 m, 測線(xiàn)偏航距通常小于11 m, 測量總精度小于2nT。

 

  1.2 系統機動(dòng)靈活

 

  在直升機爬升率允許的范圍內, 直升飛機升降自如, 非常適合于目的性比較強的小規模精細探測;由于直升機轉彎靈活, 也可以多次重復飛行, 直到得到滿(mǎn)意結果為止。在一些地形陡峭的地區, 甚至可以利用慢速和懸停功能, 精細獲取航空物探測量數據, 這是固定翼飛機無(wú)法比擬的。

 

  盡管在海拔高度2 500 m以上的高原地區, 直升機爬升率一般為2.5 m/s左右, 遠低于其通常5m/s左右的爬升率, 但是直升機水平飛行速度低的特點(diǎn)使其在相同的距離上贏(yíng)得了更充足的爬升時(shí)間, 一般可以贏(yíng)得比Y-12等固定翼飛機多一倍的爬升時(shí)間, 因此直升機航空物探系統在山前和山后飛行高度也可以明顯降低, 真正實(shí)現隨地形起伏飛行方式。圖1為湖北黃石地區硬架式直升機航空物探系統飛行高度(50 m過(guò)山頭)曲線(xiàn)和固定翼飛機最大低飛理論曲線(xiàn)對比圖。固定翼最大低飛高度理論曲線(xiàn)設計依據主要是飛機地速7.5 m/s, 爬升率5m/s, 過(guò)山頭高度100 m。由圖可見(jiàn), 直升機航空物探系統在山前和山后等地區降低飛行高度方面具有明顯的優(yōu)勢。

 

  1.3 系統分辨率高

 

  由于直升機航空物探系統靈活、飛行高度低, 因此明顯提高了系統對探測目標物的分辨率。圖2是黑龍江料甸地區硬架式直升機航空物探系統試驗測量結果② 。區內南部為華力西晚期中粒至斑狀花崗巖、花崗閃長(cháng)巖類(lèi);中部局部存在二疊系砂巖、厚層大理巖夾頁(yè)巖和石灰巖, 含石墨層;北部為白堊系中酸性和中基性火山巖。根據DEM資料分析, 在料甸試驗區7 km×20 km范圍內在1960年進(jìn)行過(guò)1∶10萬(wàn)航磁測量, 使用25型儀器, 目視領(lǐng)航, 平均飛行高度200 m。為了突出對比效果, 我們截取了1960年相同范圍固定翼系統測量數據, 并按照本次試驗所采用的相同方法和網(wǎng)格距形成了等值線(xiàn)平面圖(圖2a)。圖2b和圖2c是利用硬架式直升機航空物探測量數據繪制的等值線(xiàn)圖(飛行高度分別為100 m和30 m)。對比新老資料, 雖然磁場(chǎng)總體趨勢基本一致, 但老資料磁場(chǎng)信息較為平緩, 沒(méi)有反映出局部磁異常的分布特點(diǎn)。主要是當時(shí)的儀器精度低、測量高度大、收錄方式等問(wèn)題造成, 部分原因也可能是因為40年來(lái)的礦產(chǎn)開(kāi)改變了一些磁場(chǎng)形態(tài);值得說(shuō)明是, 硬架式直升機航空物探30 m飛行高度的測量結果比100 m飛行高度的測量結果信息更為豐富,同時(shí)磁場(chǎng)值也相應增大, 這進(jìn)一步說(shuō)明了直升機航空物探低高度飛行測量的高分辨率特性。

 

  2005年硬架式直升機航空物探系統在湖北黃石地區開(kāi)展的1∶1 萬(wàn)高分辨航空物探測量中, 共新編航磁異常97 處, 其中甲類(lèi)礦致異常13 處, 而1993年該區曾開(kāi)展1∶2.5萬(wàn)航磁測量, 僅選編異常22處[ 5] 。其主要原因是由于儀器測量精度、定位精度的提高, 以及飛行高度的降低, 提高了系統的分辨率[ 5] , 發(fā)現了一些原有被遺漏的弱小異常, 異常信息量的增加為下一步找礦工作部署提供了依據。

 

  1.4 精細反演方法

 

  1.4.1 單剖面反演

 

  精細反演是指利用直升機航空物探高精度測量數據, 即通過(guò)詳細測量或收集測區內地表及井下各類(lèi)巖石的物性資料, 采用二維[ 6] 或三維正演方法去除已知地質(zhì)體引起的物探異常, 求取剩余異常和利用剩余異常反演地下地質(zhì)體空間位置的方法技術(shù)。

 

  1.4.2 多剖面聯(lián)合反演

 

  精細剖面反演可以依據航磁資料, 結合地面勘探線(xiàn)位置, 進(jìn)行多剖面聯(lián)合反演。此種反演特點(diǎn)是在綜合考慮已知或推測礦體、磁性巖體在走向延伸情況, 特別是剖面旁測磁性體的影響前提下來(lái)設計磁性體斷面特征及走向延伸長(cháng)度。因此, 能夠更加全面地推斷地下磁性體空間展布特征。

 

  2 深部找礦效果

 

  直升機航空物探系統分辨率高、多參數測量, 解釋中可以互相印證, 能夠減少異常多解性, 再加上測量面積較大, 可以從區域上分析解釋異常成因, 因而可以提供較為可靠的找礦信息。

 

  2004年航遙中心與加拿大INCO公司合作在遼東—吉南成礦帶的樺甸—和龍銅鎳成礦遠景地區的3個(gè)區塊開(kāi)展了1∶2.5萬(wàn)直升機電磁、磁綜合測量取得了明顯的效果, 確定了多處對尋找銅鎳礦有意義的找礦目標;2005年航遙中心在湖北黃石開(kāi)展了1∶1萬(wàn)硬架式直升機航磁測量, 依據精細解釋結果所布設的鉆孔, 已有三孔見(jiàn)礦, 分述如下。

 

  圖3是象鼻山礦段精細反演結果。Fe3 和Fe4是兩個(gè)新推斷的未知礦體。2006 年10月, 在Fe4礦體上布設的ZK21-8 孔, 于孔深721.98 ～ 770.37m間發(fā)現了6層鐵礦體, 累計厚14.8 m, 礦石礦物主要為磁鐵礦, 磁黃鐵礦、黃銅礦等, 鐵的品位目估為20% ～ 45%, 銅的品位目估為0.5%。采用同樣的方法, 在獅子山西側布設了ZK26-6孔于732 m見(jiàn)礦, 見(jiàn)鐵礦體厚度為4.44 m。

 

  圖4是龍洞礦段13勘探線(xiàn)反演結果。首先根據勘探線(xiàn)地質(zhì)剖面圖及勘探線(xiàn)經(jīng)過(guò)區的巖相變化,對圍巖進(jìn)行計算, 其基本能產(chǎn)生背景場(chǎng)的異常曲線(xiàn);然后再將現有鉆孔控制礦體(Fe1)、掛幫礦(Fe4)加入, 得出計算曲線(xiàn)與異常主尖峰仍有較大剩余異常存在。觀(guān)察異常曲線(xiàn)形態(tài)可以得出, 異常主峰較陡,故推斷強磁性體埋藏深度較淺, 同時(shí)Fe3所處位置均為年代較早鉆孔, 鉆孔深度不大, 并對應于主峰異常正下方, 通過(guò)反演計算也在淺部得出強磁性體, 故推斷在海拔標高-50 ～ -120 m附近存在Fe3鐵礦體。增加Fe3模型后, 在剖面9.4 km附近, 仍存在部分剩余異常, 結合成礦理論及相鄰12勘探線(xiàn)推斷成礦位置, 故推斷得出在海拔標高-580 ～ -680 m上下存在Fe2鐵礦體。2007年13線(xiàn)設計鉆孔位置(JY13-1)附近布設的ZK13-8 于孔深703.49 ～732.66 m之間見(jiàn)到3層鐵礦, 總厚度為11 m。

 

  ZK21-8、ZK26-6、ZK13-8孔見(jiàn)礦, 實(shí)現了大冶鐵礦深部找礦的又一次重要進(jìn)展, 進(jìn)一步證實(shí)了大冶鐵礦龍洞—象鼻山地段深部存在3個(gè)臺階成礦的認識, 增強了在深部找礦的信心。

 

  3 應用前景

 

  由于直升機航空物探系統靈活、分辨率高, 在國際上大多用于礦區、礦區外圍, 以及重點(diǎn)成礦靶區的精細測量工作, 并且在鐵礦、及多金屬深部找礦方面取得了明顯的效果;目前, 國內已經(jīng)完成了幾個(gè)測區的直升機航空物探測量工作, 也取得了顯著(zhù)的勘查效果, 并在大冶鐵礦的深部找礦中取得了突破。由于我國的鐵礦、多金屬礦區, 以及重點(diǎn)成礦靶區大多地形復雜, 地面施工困難, 礦區及外圍的區域性物探研究程度并不高, 為了提高資源評價(jià)進(jìn)程, 開(kāi)展直升機航空物探測量是十分必要的。

 

  3.1 鐵礦

 

  我國鐵礦資源勘探程度總體呈現東高、西低, 鞍本、邯邢、寧蕪、魯中、鄂東等鐵礦區, 勘探和詳查礦區可達87%;勘探程度較低的遼西、五臺、密懷、蒙中, 以及西部地區的祁連山、阿爾泰山、東西天山等,多數礦區僅達到普查階段。我國鐵礦床勘探深度,絕大部分在250 ～ 700 m之間, 平均500 m, 其中東部地區部分礦區大于700 m, 個(gè)別達1 000 m, 西部地區不少礦區小于200 m。東部地區絕大多數鐵礦床, 礦體沿走向和傾向延伸(深)很大, 外圍和隱伏區找礦有望, 重點(diǎn)是鞍本、冀東等鐵礦化集中區, 擴大鐵礦儲量, 延長(cháng)礦山服務(wù)年限。中、西部地區的五臺、蒙中、東西天山、阿爾泰山以及東部地區的遼西等成礦區, 工作程度低, 是今后找礦重點(diǎn), 有望發(fā)現一批新的鐵礦資源基地。

 

  3.2 多金屬礦

 

  近年來(lái), 遼寧青城子鉛鋅礦經(jīng)過(guò)綜合研究和勘查, 在礦區外圍發(fā)現了一系列大中型金礦床, 累計探明儲量近200 t, 使青城子地區一躍成為超大型金銀多金屬礦田;江西德興銅礦外圍發(fā)現的金山、銀山等大型金礦, 探明資源儲量近百?lài)崱?/div>