礦產(chǎn)勘查中的物化探技術(shù)應用與地質(zhì)效果

  0 引言

 

  新中國成立后, 面對一窮二白的落后工業(yè)面貌,國家提出礦業(yè)先行的號召。1958年以來(lái), 建立起許多大型礦產(chǎn)基地, 我國的礦業(yè)得到了較大的發(fā)展, 為社會(huì )主義建設事業(yè)做出了巨大貢獻。

 

  20世紀70、80年代, 隨著(zhù)地質(zhì)找礦工作的不斷深入, 露頭礦和近地表礦已基本查明。特別是我國東部較發(fā)達地區, 地質(zhì)工作程度較高, 露頭礦、易識別礦越來(lái)越少, 找礦難度越來(lái)越大, 地質(zhì)找礦逐漸轉向已知礦區的周邊以及深部隱伏礦的勘查;在中西部地區地質(zhì)工作程度相對較低, 一方面繼續尋找淺表礦, 另一方面采用新技術(shù)進(jìn)行隱伏礦的勘查。

 

  20世紀80年代以來(lái), 隨著(zhù)我國改革開(kāi)放的實(shí)行和深入, 在礦產(chǎn)資源勘查的理論和技術(shù)方面與國際交流迅速增加, 尤其是物探、化探新方法新技術(shù)的引進(jìn), 有效地提取深部多種找礦信息, 成為尋找隱伏礦的主要手段。我國物、化探工作者, 在引進(jìn)新方法、新技術(shù)和消化吸收的同時(shí), 也自主研發(fā)了一些適合我國實(shí)際需要的新方法、新儀器等。

 

  1 物探勘查方法技術(shù)

 

  物探是地球物理勘查的簡(jiǎn)稱(chēng), 包括重力、磁法、電法、地震、放射性和地溫等六大類(lèi)方法。據統計,物探方法在尋找和擴大能源礦產(chǎn)、黑色金屬礦產(chǎn)、有色金屬礦產(chǎn)、非金屬礦產(chǎn)和地下水等方面, 起著(zhù)主要的作用, 效果明顯優(yōu)于化探。

 

  1.1 航空及地面甚低頻電磁法(VLF)

 

  甚低頻電磁法(VeryLowFrequencyElectro-Magnetism, 簡(jiǎn)稱(chēng)VLF)。其基本原理是:利用頻率為15 ～ 30kHz的甚低頻軍事或廣播電臺發(fā)射的電磁波作為場(chǎng)源, 在地表、空中或地下測量其電磁場(chǎng)的空間分布, 從而獲得淺層地質(zhì)體的電性局部異常, 其探測深度較小(一般在50m左右), 作為一種物探勘查方法, 在我國應用是20世紀80年代從國外引入以后。

 

  該方法在圈定良導斷裂破碎帶、蝕變帶, 追蹤含礦構造, 尋找低電阻率的巖(礦)脈, 圈定礦化范圍等方面具有鮮明的特點(diǎn)。其儀器設備輕便, 野外觀(guān)測方法簡(jiǎn)單, 資料處理速度快。但應注意地形、電纜等人文干擾異常的識別和改正。當第四系覆蓋較厚時(shí),對于埋藏較深的地質(zhì)異常體所反映的有效信息較弱。因此, VLF一般用于淺覆蓋區及外圍的剖面或掃面工作。目前, 我國已經(jīng)可以生產(chǎn)較為先進(jìn)的甚低頻電磁儀, 如重慶地質(zhì)儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的DDS系列,在我國的金屬礦產(chǎn)勘查中取得了一定效果。

 

  1.2 地震層析成像(CT)

 

  地震層析成像(ComputerizedTomography, 簡(jiǎn)稱(chēng)CT)就是用醫學(xué)X射線(xiàn)CT的理論, 借助地震波數據來(lái)反演地下結構的物性屬性, 并逐層剖析繪制其圖像的技術(shù)。其主要目的是確定地球內部的精細結構和局部不均勻性(楊文采, 1993)。這一技術(shù)起源于20世紀30年代, 技術(shù)理論成熟、分辨率高、探測深度大, 尤其在深部探測方面具有明顯的優(yōu)勢, 因此主要應用于能源礦產(chǎn)的勘探以及地球內部物理結構及地球動(dòng)力學(xué)研究。在20世紀80年代以后, 才將其應用于金屬礦的地球物理勘查工作, 近年來(lái), 我國學(xué)者在銅陵礦集區等金屬礦勘查中應用了這一方法, 積累了不少有益的經(jīng)驗。

 

  1.3 大地電磁測深(MT)

 

  大地電磁測深(Magneto-Telluricsounding, 簡(jiǎn)稱(chēng)MT)是以天然交變電磁場(chǎng)做場(chǎng)源的被動(dòng)場(chǎng)源電磁測深法。它是通過(guò)被動(dòng)場(chǎng)源引起在地表觀(guān)測到的電、磁場(chǎng)強度的變化來(lái)研究地下巖(礦)石電性及分布特征的一種方法(陳樂(lè )壽等, 1990)。

 

  20世紀60年代, 我國開(kāi)始研究并于1980 年前后應用于礦產(chǎn)勘查。由于其具有探測深度大(可探測至上地幔), 不受高阻層屏蔽, 分辨能力強(尤其是對良導介質(zhì)), 工作成本低(相對于地震勘探)和野外裝備輕便等特點(diǎn), 在地球巖石圈深部結構研究、地震預報、油氣勘探、地熱田調查中顯示了重要作用(趙國澤等, 1998;詹艷等, 1999)。

 

  大地電磁測深對于地下低阻層(良導電體)相當敏感, 這是大地電磁測深方法能夠在(隱伏)金屬礦勘探中發(fā)揮作用的主要地球物理依據。就金屬礦床而言, 礦體與圍巖之間, 蝕變圍巖與未蝕變巖石間, 一般均存在較大的電性差異。礦體中金屬硫化物的富集會(huì )使其電阻率明顯降低。而控礦脆性斷裂、韌性剪切帶、蝕變破碎帶的出現, 均可導致礦體與周?chē)鷰r層(體)間明顯的電性差異。這使大地電磁測深方法成為解決此類(lèi)問(wèn)題的有效手段。

 

  1.4 瞬變電磁法(TEM)

 

  瞬變電磁法(TransientElectromagneticMethods,簡(jiǎn)稱(chēng)TEM)是電磁測深法的一種, 但它是有別于大地電磁測深(MT法)的以脈沖電流訊號為場(chǎng)源的主動(dòng)場(chǎng)源時(shí)間域電磁勘探技術(shù)。TEM以電磁感應理論為基礎, 通過(guò)研究探測目標物感生出的渦流場(chǎng)在其周?chē)臻g形成的二次電磁場(chǎng)隨時(shí)間變化的響應特征, 推測目標物的空間形態(tài), 從而達到探測目的?；诖? TEM對于尋找高導電性的較大礦體的效能突出。另外, TEM還具有探測深度較大, 受地形影響較小, 施工環(huán)境寬松, 作業(yè)方便等優(yōu)點(diǎn)。這使得該方法在一些地理景觀(guān)復雜的礦區得到了廣泛的應用, 找礦效果明顯。

 

  1.5 可控源音頻大地電磁法(CSAMT)

 

  可控源音頻大地電磁法(ControlledSourceAudio-frequencyMagnetotellurics, 簡(jiǎn)稱(chēng)CSAMT), 是20世紀80年代興起的基于大地電磁法(MT)和音頻大地電磁法(AMT)而發(fā)展起來(lái)一種主動(dòng)場(chǎng)源頻率域電磁勘探技術(shù)。它用一個(gè)發(fā)射偶極AB供電, 電極距離為1 ～ 2km, 測量工作布置在供電偶極中垂線(xiàn)±30°的扇形面積內, 測線(xiàn)與供電AB極連線(xiàn)平行。

 

  這時(shí)的場(chǎng)源可以認為是平面波, 通過(guò)不斷變換供電頻率便可達到電阻率測深的目的。在山區可根據地形靈活選擇發(fā)射機位置。測量時(shí)只移動(dòng)接收機便可進(jìn)行面積性測深工作, 從而提高了效率, 降低了成本。

 

  CSAMT法勘探深度大(可達2km以上), 同時(shí)由于其可以通過(guò)“變頻”改變探測深度的不同, 而兼有測深和剖面研究的雙重特點(diǎn), 是研究深部地質(zhì)構造和探尋隱伏礦的有效勘查手段。對于地面甚低頻電磁法(VLF)難以發(fā)揮作用的厚層覆蓋區, 可以選用CSAMT法。王繼倫等曾在內蒙古蓮花山、紅花溝、撰山子金礦區以及遼寧柏杖子、青龍溝、盤(pán)道溝金礦區進(jìn)行了以CSAMT法為主的綜合物探專(zhuān)題研究工作, 圈定出了找礦的有利構造及巖性地段, 取得了較好的地質(zhì)找礦效果。此外, 還有不少學(xué)者進(jìn)行了CSAMT的應用研究工作[ 14 -16] , 他們的研究中涉及CSAMT的成果都大致體現了其上述優(yōu)點(diǎn)。

 

  1.6 連續電導率剖面測量系統(EH4)

 

  EH4連續電導率成像系統是由美國Geometrics公司和EMI公司于20世紀90年代聯(lián)合生產(chǎn)的一種混合源頻率域電磁測深系統。結合了CSAMT和MT的部分優(yōu)點(diǎn), 利用人工發(fā)射信號補償天然信號某些頻段的不足, 以獲得高分辨率的電阻率成像。

 

  其核心仍是被動(dòng)源電磁法, 主動(dòng)發(fā)射的人工信號源探測深度很淺, 用來(lái)探測淺部構造;深部構造通過(guò)天然背景場(chǎng)源成像(MT)。伍岳等在砂巖型鈾礦床上應用研究指出[ 17] :EH4在高阻覆蓋區具獨到的優(yōu)越性, 可以穿透高阻蓋層;而當基底為高阻時(shí), 且基底與上覆砂巖有明顯電性差異時(shí), EH4 能準確而清晰地探測出基底的埋深和起伏。申萍、沈遠超等采用EH4對橫跨中國東西的9種不同成因類(lèi)型的25個(gè)礦床進(jìn)行了研究, 結果表明:EH4 連續電導率成像結果能夠直觀(guān)地反映礦化異常在剖面的形態(tài)、規模、礦化強度等, 是隱伏礦定位預測的方法之一。

 

  1.7 淺層地震技術(shù)

 

  淺層地震技術(shù)是地震勘探方法的一種, 它是用人工激發(fā)的彈性波在巖石中的傳播來(lái)研究地下地質(zhì)結構和巖性信息的一種方法。該方法最初用于油氣勘查, 目前仍是這一領(lǐng)域的主導方法。該方法比一般方法探測深度大(可達地表以下3km左右), 經(jīng)圖像處理后能對地下構造的形態(tài)和分布做出精細的地質(zhì)評價(jià)。

 

  在20世紀60 ～ 70年代, 國外即在金屬礦區進(jìn)行了地震勘探試驗, 蔡新平(1994)等在我國較早地將淺層地震方法應用于金廠(chǎng)峪金礦區隱伏地質(zhì)結構的研究, 有效地指導了深部找礦[ 21] 。韓金良等在山西堡子灣金礦隱伏礦體預測中應用淺層地震技術(shù),效果明顯, 并指出該方法有推廣的必要[ 22] ?？傮w來(lái)說(shuō), 在我國金屬礦地震勘查技術(shù)仍處在試驗階段。

 

  綜上所述, 需要指出的是在使用上述物探方法

 

  進(jìn)行地球物理勘查工作之前, 首先要對測區內的地層、巖體、礦石等采集足夠數量的標本進(jìn)行電性參數的測定, 從而確定是否具備開(kāi)展地球物理勘探的物性條件。同時(shí)應注意各種方法的綜合使用以對異常進(jìn)行相互印證, 僅用單一的方法對隱伏礦進(jìn)行成礦預測是很困難的, 也不符合當前隱伏礦產(chǎn)勘查的發(fā)展趨勢。

 

  2 化探勘查方法技術(shù)

 

  化探是地球化學(xué)勘查的簡(jiǎn)稱(chēng), 在尋找和擴大貴金屬礦產(chǎn)方面, 由于其多解性少, 具有直接性, 其勘查效果明顯優(yōu)于物探。隨著(zhù)勘查與化學(xué)分析技術(shù)的進(jìn)步, 以水系沉積物測量為代表的傳統化探方法(還有礦床原生暈法、土壤測量法等)愈加成熟, 解釋方法也正朝定量化、綜合化和模式化方法迅速發(fā)展。伴隨著(zhù)地質(zhì)找礦的深入, 露頭礦和近地表礦已基本被查清殆盡, 隱伏礦的尋找成為今后礦產(chǎn)勘查的發(fā)展趨勢。近年來(lái), 一些高靈敏度、高精度的化學(xué)分析儀器, 提高了人們對地球物質(zhì)特殊存在形式和遷移運動(dòng)機制的認識, 同時(shí)促進(jìn)了人們對地球化學(xué)勘查方法的開(kāi)發(fā)研究, 提出了不少隱伏礦床地球化學(xué)勘查的新理論和新的方法技術(shù)。

 

  傳統的化探方法中, 氣體地球化學(xué)測量方法是利用各種氣體物質(zhì)進(jìn)行找礦的重要勘查方法之一。

 

  這種氣體測量是測定本身呈氣體的元素或分子, 如:

 

  汞蒸氣、氡氣、CO2 氣體、烴類(lèi)氣體等, 這與新發(fā)展起來(lái)的深穿透地球化學(xué)中的地氣(地球氣)則不同。

 

  后者是測定氣體中的納微金屬顆粒, 而這些金屬顆粒并不是以氣體形式存在, 而是以某種方式存在于氣體中(或被其攜帶)。汞氣測量是氣體測量方法中研究最多應用最廣也是最成功的方法之一, 下面將其原理及應用做以簡(jiǎn)要介紹以便與下面的深穿透地球化學(xué)方法進(jìn)行簡(jiǎn)略對比。

 

  2.1 汞氣測量及熱釋汞量法

 

  汞及其化合物的地球化學(xué)性質(zhì)有兩個(gè)方面的重要特征:一方面汞是典型的親硫元素。這使它在內生成礦作用中, 以各種形式分散進(jìn)入各種硫化物中,使汞呈高度分散狀態(tài);另一方面, 汞及其化合物具有很高的蒸汽壓, 與其他金屬元素相比, 汞為最易揮發(fā)的金屬元素。汞易于從各種化合物還原成自然汞,而自然汞在相當寬的氧化還原電位和酸堿介質(zhì)內是穩定的。汞具有較強的穿透力, 一般地說(shuō), 由地下深部上升的汞蒸汽, 沿著(zhù)構造斷裂、破碎帶上升, 從地面一下幾百米甚至幾千米, 可以一直到達地表, 即使疏松覆蓋物較厚, 地表土壤中仍有汞的異常顯示。

 

  土壤汞異常往往指示斷裂構造頂部的投影位置。然而當直接采樣介質(zhì)為氣體(如壤中氣汞量法、地面大氣汞量法等)時(shí), 受氣候、環(huán)境, 尤其是降雨等自然因素和操作上繁瑣、操作過(guò)程中主觀(guān)因素的影響,測量結果重現性不理想。Klusman(1990)更認為:

 

  汞蒸汽測量除對汞礦外實(shí)質(zhì)上是一種間接找礦方法, 因而它比在殘積層分布地區土壤測量這種直接找礦方法在可靠性與應用的廣泛性方面都要差得多。而土壤汞量法有較好的重現性, 尤其是熱釋汞量法(利用汞及其化合物的熱穩定性較差, 直接加熱固體樣品, 讓樣品所吸附的汞釋放出來(lái), 然后用原子吸收型測汞儀進(jìn)行測量)操作簡(jiǎn)捷、成本低廉、重現性好, 而且該方法應用具有及時(shí)性, 因而具有很好的應用前景, 是20世紀冶金地質(zhì)化探工作十大創(chuàng )新成果之一[ 23] 。由于汞與金在地球化學(xué)方面的諸多共同點(diǎn)(周期表位置緊密相鄰, 電離勢、離子半徑、電價(jià)等接近), 汞礦化或汞異常使汞作為金的主要遠程指示元素對金礦勘查(尤其對含金石英脈和含金破碎帶)具有重要的指示意義。

 

  目前比較先進(jìn)的化探方法是深穿透地球化學(xué)方法, 它包括地氣測量方法、活動(dòng)態(tài)金屬離子法、金屬元素活動(dòng)態(tài)測量法等。

 

  2.2 地氣測量方法

 

  這里的地氣測量方法不同于傳統的測試對象為Rn、CO2 、Ar及Hg的氣體地球化學(xué)方法, 而是瑞典學(xué)者LMalmqvist和KKristiansson于20世紀80年代提出的以Geogas著(zhù)稱(chēng)的地氣法[ 24, 25] 。他們在尋找鈾礦的過(guò)程中, 通過(guò)對地表氡(222Rn)的測量得到啟示并認為:地下深部的氣體呈微氣泡形式上升,通過(guò)礦體時(shí)將成礦元素附著(zhù)于氣泡表面帶到地表。

 

  他們研制了地氣捕集設備, 并成功地在瑞典和新西蘭進(jìn)行了地氣采集試驗[ 26, 27] 。隨后, 俄羅斯CB戈里格良在1985年發(fā)現了元素自深部向地表的發(fā)射遷移現象, 發(fā)展了離子測量找礦法, 并研制了射氣捕集裝置。德國和捷克聯(lián)合研制出與瑞典地氣法相似的"元素分子形式法"MFE(MolecularFormsofElements,1991)。20世紀80年代末90年代初“地氣法”引入我國后, 王學(xué)求等于1990年在山東大尹格莊金礦進(jìn)行了首次氣體動(dòng)態(tài)采樣試驗, 發(fā)現礦體上方氣體中異常金的存在。其后把此項技術(shù)命名為:

 

  地球氣中納微金屬測量NAMEG(NanoscaleMetalsinEarth-Gas), 簡(jiǎn)稱(chēng)地球氣測量, 我國學(xué)者伍宗華(1995)稱(chēng)之為氣溶膠體測量。

 

  雖然隱伏于地下深處的有用礦產(chǎn)通過(guò)射氣向上遷移并攜帶納微金屬溶膠等微粒的原理目前尚不清楚, 但是這不妨礙人們捕集這些元素微粒并進(jìn)行檢測作為一種新的化探方法應用于地質(zhì)找礦。國內外的研究應用成果表明, 地氣測量可以反映地表以下400m左右的金屬礦, 也可反映埋深4000m的油氣田環(huán)狀構造。地氣異常檢測是揭示深部隱伏斷裂的有效手段, 常出現在隱伏斷裂的正上方, 異常的寬度基本反映隱伏斷裂破碎帶的寬度。地氣土壤測量取樣時(shí), 其異常所反映的往往是深部礦化, 與地表土壤元素分布完全不同。另外, 由于地氣的客觀(guān)存在性,其異常具有很好的再現性, 不受工業(yè)電源、建筑及工作時(shí)間的限制。因而, 地氣測量法已經(jīng)成為隱伏金屬礦勘查的一種重要手段。

 

  2.3 活動(dòng)金屬離子法

 

  活動(dòng)金屬離子法(MobileMetalIons, 簡(jiǎn)稱(chēng)MMI)是澳大利亞的AMann與RBirrell等在20世紀90年代初發(fā)展起來(lái)的。據其介紹, MMI法經(jīng)過(guò)長(cháng)達6年的野外和實(shí)驗室研究、試驗和開(kāi)發(fā), 以及90 多次勘查實(shí)踐, 已經(jīng)成為一種尋找隱伏礦的實(shí)用方法。

 

  Mann等于1995年第十七屆國際化探會(huì )議上正式提出了該方法[ 31] 。MMI法的依據是深部礦體的金屬活動(dòng)離子可以穿過(guò)上覆的成礦后沉積的空白巖石及外來(lái)的厚層運積物而達于地表。使用某種特殊試劑可以把這種金屬活動(dòng)離子提取出來(lái), 這種金屬活動(dòng)態(tài)離子異常較準確地經(jīng)常位于礦體垂直上方, 偶爾也在傾斜上方, 假異常很少遇到。MMI法能夠準確地圈定盲金礦以及隱伏鎳和賤金屬礦化, 并已在澳大利亞、非洲、智利和美國等許多地區覆蓋厚度幾米至700m的礦床上圈定出39個(gè)含金、賤金屬和鎳礦化的礦體。以MMI技術(shù)開(kāi)發(fā)應用的WamtechPty公司聲稱(chēng)他們迄今已有74個(gè)找礦例案, 找礦成功率達86.5%。雖然如此, 關(guān)于活動(dòng)態(tài)金屬離子如何從深部達于地表, 原作者對此卻也不能明確說(shuō)明。估計像該方法的提出者所處的澳大利亞深風(fēng)化殼地區,風(fēng)化過(guò)程中元素的化學(xué)釋放是主要原因, 但這對運積物地區卻不能成立, 而且這樣的遷移機制也無(wú)法解釋幾百米深的礦體上方發(fā)現異常的現象。這說(shuō)明, 迄今為止人們對于深部礦體的元素向上遷移的機理還不能完全了解[ 29, 32, 33] 。

 

  2.4 金屬活動(dòng)態(tài)提取法

 

  金屬活動(dòng)態(tài)提取法(LeachingofMobileFormsofMetalsinOverburden, 簡(jiǎn)稱(chēng)MOMEO)和上面提到的MMI法均源于早期的偏提取技術(shù)。MOMEO方法的思想是:金屬礦床本身及其圍巖中, 與礦有關(guān)的超微細金屬或金屬離子以及化合物, 會(huì )在某種營(yíng)力的作用下, 如地下水、地氣流、蒸發(fā)作用、濃度梯度、毛細管作用等向地表遷移。在到達地表后, 被上覆土壤或其他疏松物的地球化學(xué)障所捕獲, 并在原介質(zhì)元素含量的基礎上形成活動(dòng)態(tài)疊加含量。使用適當的提取劑將這些元素疊加含量提取出來(lái), 從而達到尋找和評價(jià)隱伏礦的目的。由此可見(jiàn), 金屬活動(dòng)態(tài)提取法與傳統的偏提取在理論與方法上存在諸多差異:偏提取技術(shù)提取的是地化樣品中離子態(tài)性狀的金屬元素, 故對那些易呈離子形式的金屬元素(賤金屬和多金屬)的勘查工作較有效;而金屬活動(dòng)態(tài)測量提取的是地化樣品中呈離子態(tài)形式的金屬, 也包括超微細金屬, 它是針對金屬活動(dòng)態(tài)本身的提取。

 

  因此, 對不易形成離子形式而多以超微細活動(dòng)態(tài)形式存在的金的找礦效果較突出。這與中國學(xué)者最初提出金屬活動(dòng)態(tài)提取法MOMEO(王學(xué)求, 1989;王學(xué)求等, 1995、1996)時(shí), 主要用來(lái)尋找貴金屬中的金不謀而合[ 29] 。后經(jīng)在新疆西天山、膠東, 烏茲別克斯坦的穆龍套金礦、澳大利亞的奧林匹克壩礦區進(jìn)行的一系列試驗均取得了較好的試驗成果。

 

  3 應用與問(wèn)題

 

  1)當前礦產(chǎn)勘查的發(fā)展趨向是應用綜合勘查技術(shù)進(jìn)行找礦預測, 這需要各種勘查手段的密切配合, 協(xié)同作戰, 以減少多解性, 而僅用一種物探或化探的手段去進(jìn)行隱伏礦的找礦預測是不現實(shí)的。

 

  2)物化探方法的運用必須以工作區的成礦地質(zhì)背景為基礎, 物化探信息必須結合工作區的成礦地質(zhì)條件來(lái)解釋。在進(jìn)行物化探勘查過(guò)程中始終堅持地質(zhì)—物化探(結合地質(zhì)理論進(jìn)行合理分析、解釋)—地質(zhì)的思路, 而不能脫離成礦地質(zhì)條件, 孤立使用某種方法, 只有這樣才能解決地質(zhì)與找礦的實(shí)際問(wèn)題。