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地-井方式激电确定矿体空间位置

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第39卷第6期 2015年12月 物探与化探 Vo1.39,No.6 Dec.,2015 GEOPHYSICAL&GE0CHEMICAL EXPLORATION doi:10.1 1720/wtyht.2015.6.12 郭博,潘和平,杨怀杰,等.地一一井方式激电确定矿体空间位置[J].物探与化探,2015,39(6):1167—1175.http://doi.org/10.11720/wtyht.2015. 6.12 Guo B,Pan H P,Yang H J,et 1.The applaication of the surface・to—borehole induced polarization method to determining the sp ̄il laocation of the orebody [J].Geophysical and Geochemical Exploration,2015,39(6):1167—1175.http://doi.org/lO.11720/wtyht.2015.6.12 地一井方式激电确定矿体空间位置 郭博,潘和平,杨怀杰,姚静 (中国地质大学地球物理与空间信息学院,湖北武汉430074) 摘要:为更好地解决井旁矿体的勘探及盲矿的预测问题,探讨了地一井方式激发极化法对于井旁的规则形体(矿 体)的激电影响;采用解析投影法,以球体和板状体两种模型为例,遵循“单井一多井”的激电规律来判别矿体的空 间位置。最后,归纳总结出地一井方式激电在实际工作中的使用条件,能够快速判别井旁盲矿体的空间位置。结论 指出。合理的施工方式以及适量的观测数据对预测矿体的产状具有积极作用。 关键词:地一井方式:井中激发极化法;深部找矿;井旁矿体 中图分类号:P631 文献标识码:A 文章编号:1000—8918(2015)06—1167—09 地一井方式激发极化法是一种在实际矿体勘探 井方式激电指的是将供电电极A、B布置在地面,其 中A极置于距井口一定距离(L)处或者置于井口(£ =0),B极置于无穷远,测量电极 、Ⅳ置于井中(图 1)。 中十分流行的物探方法,具有分辨率高、操作方便等 优点.引起很多学者的关注。国内从20世纪70年 始。黄智辉等人就对地一井方式方位测量资料 解释问题进行了探讨…:吴至善等人对井中激发极 化法的理论与实践做出了研究L2 ;吕玉增、张国艳 等人对地井方位激电异常正反演研究做了很大贡 献[3-7 3;潘和平、周峰等人对井中激电井旁球体的正 反演进行了深入研究 .拓宽了其在井中物探的 应用范围。国外的相关研究大多是以三维可视化的 角度.运用一些复杂原理例如有限元的方法对地一 井方式激电进行正反演I1卜坞],取得了很好的效果。 此次在前人研究的基础上完成了论证工作,用 maflab实现球体和板状体的激电模型计算.达到了 预期的效果。 因浮土巨目灰岩 图花岗岩■●矿体 图1地一井激电工作方式示意 1工作原理及方法技术 1.1工作原理 地一井方式激电利用井的天然优势使得测量端 接近矿体,矿体激电异常更容易被探测到。在测量 操作中,地面上不同方位或不同距离的 极布置会 改变矿体的极化方向和强度。可以把A极依次布 置在东、南、西、北各个方向上,在每个方位做测量. 通过对各个方向上的激电异常曲线形态和强弱的差 井中激发极化法可分为地一井、井一地、井一井三 种方式,其中地一井方式[】 在近年来的金属矿勘查 中取得了较好的效果 ]。 总体而言,井中激电同地面激电原理一样,都是 以岩矿石的激发极化机理为基础,包括(电子导体) 超电压的形成和(离子导体)薄膜极化的产生。地一 收稿日期:2015—03—24 异来推断井旁盲矿体的相关地质信息[1 2o]。 基金项目:国家自然科学基金项目(41074086);国家高技术研究发展计划(863计划)课题(20l4AA06A608) 6期 郭博等:地一井方式激电确定矿体空间位置 ・1169・ 剖面的对应点,并且均为四方位供电点的角平分点, 圆心角均为45。。 需要说明的是,A 和A 供电点其极化方向在 垂直主剖面方向的分量效果为零。则主剖面方向分 模拟采用偶极子等效电流场_1 ,表达式为 =K・(cosO/R ), 其中, 为激电系数,R为球心至观测点MN的距 离,0为变化角。在xOz坐标中对z微分,得到二次 场异常电位差表达式[】 : 量投影效果相当于井口A 供电[2 ,最终的思路是 将八方位辅助供电点投影到主剖面上。此时要注 意.投影点 和 两点的等效极化倾角i的数学关 系可以由投影点相对于球心的距离和中心埋深h求 出。若供电点固定,则A A 等效投影距离相同, △ =K 等 O M—N。 A A 的距离也相同,因此对应方位的激发极化异 常曲线趋势两两相同。这点从图4中得到了验证。 lOO 200 300 —\ 1 , 磕 、、 ,,, \ ,一、 / 一 o A”l I’l  ,,, 口’7 , 、、 \/ 三 ,、、 , 。 \. — 图4 L--200 m时的八方位供电点球体二次场电位差曲线 2.2单井板状体 为“反s形”,而直立板状体和离井倾斜板状体(板 顶近井)除外,曲线呈“正s形”。 2)反方位(L=一200 in)特征曲线异常减弱,这 主剖面供电是关于板状体研究里最基础的切人 点,因此依然遵循球体的研究思路。即:将图2中球 形矿体模型变为板状体。图5为计算得到的L=200 m时得到的不同产状二次场电位差曲线。 1)主方位( =200m)特征曲线异常明显,幅值 是因为对于板状体的极化强度减弱,曲线异常幅值 减小,对于所有的产状的板状体特征曲线形态都是 上负下正的“正S形”。可以根据特征曲线的幅值 比反方位要大。板在井轴上的投影都落在主方位 △ 曲线的正异常区域内。当板延伸有限时.主方 位的△ 曲线基本是上正下负的“反S形”。当板 强弱和符号变化特征来推断矿体的方位。 3)板状体延伸越大,主方位上的特征曲线正异 常区沿其延伸方向伸展也越大。延伸很大的板状体 曲线形态主要由其近端决定的,所以当板状体向着 无限延伸时,向井倾斜板(板尾近井)的特征曲线仍 6期 郭博等:地一井方式激电确定矿体空间位置 3多井△ 曲线特征 本节研究内容是上文传统单井IP情况下的延 伸。多井是指虚拟井,是为了满足本次研究的正演 模拟实验。 首先,建立多井IP模型(图6),以矿体为中心, “正井口一矿体一反井口”为主线,采用同一个对应 剖面来进行研究.这样使得所在同一个剖面上的测 量参数有对应性。除此之外,还应注意将环绕矿体 四周的4个(或8个)钻井看作是以矿体中心在地 面的投影点为圆心,以d为矿体距井距离而均匀分 布。为了方便起见,将规则几何体分为球体和板状 体两类.且各个钻井的距井距离d保持不变。 3.1球状矿体激电特征曲线 环绕其打4个(或8个)井,然后,分别以每个井为 观测所在位置来总结其规律。 无论是球体还是板状体,初步的研究思路是以 关于多井环绕矿体的激电问题,关键是要找准 主剖面.此时需要对每一个井进行不同供电距离多 次测量,进行模型分类,考虑到球体的各项同性,则 激电特征曲线只研究某一个剖面上不同供电距离的 T、 / - l l l I I I :・ ・ : I ● .・{. : ▲ I 模型。多井球情况下主剖面的程序参数设定见表 1,计算结果见图7。 表1 多井球主剖面在不同供电距离下的程序参数 、__ )未知矿体▲ 图6多井情况下矿体的井口布置示意 △ /V △ /V A /V 一IIII 主方位供电 ——井口供电 反方位供电 一(a)L>d (c)L<d 图7多井情况下(L>d)、(L=d)、(L<dl时的二次场异常曲线 在L>J情况下,可以看出主方位供电的曲线呈 “反S形”,井口供电与主方位曲线关于 轴对称, 反方位曲线呈现“正s”形,特征分辨明显。 在 =d情况下,主方位供电点A 刚好位于球 体中心的正上方,主方位激电曲线的辨认度较L>d L<J情况下的辨别度是三种中最差的.因此实 际工作中最好不要这样布置供电电极的位置。使供 电距离 大于等于矿体距井距离d。 综上,在多井条件下,供电电极距 最好是大于 或者等于矿体的距井距离,方便探测。这样的施工 方式必定要使供电方式多样化和数据多样化.才能 约束测井结果的不确定性。 3.2板状体激电特征曲线 的情况下降低。当主方位供电点A,位于球体中心 点正上方时,此时的曲线辨别度较好。主方位的红 色曲线由于二次场激电垂直向下。故关于Z=100 m对 称;而随着供电点向反方位移动,曲线逐渐呈现“正 在多井情况下,板状体的供电电极布置方位与 s”形,反方位供电比井El供电明显。 球体是一致的(图8),但是考虑到板状体的各相异 物探与化探 39卷 J2 T、 / ・-I J4 l.r" - .・}J8 :  :: l l I I 二 三 摊二 图8多井情况下板状体的井口布置示意 性(板长、板厚、板倾斜、延伸等的差异),不同方位 的钻井所测得的激发极化特性曲线比球体情况复杂 得多。由于前面一节探讨的供电电极距条件,因此 设定的参数为L>d。 为了方便计算该模型。使其在东西方向倾斜 (对于J1为离井倾斜,对于J2为向井倾斜),借鉴单 井情况下板状体的激电问题。同样,其中红色曲线 代表主方位供电。绿色曲线代表井口供电。蓝色曲线 代表反方位供电。 3.2.1正剖面(J1一中心投影点一J2) 为了很清楚地进行对比,将与矿体中心点在地 面上的投影连线的对应矿井作为一个剖面(图9)。 需要注意的是板状体的倾斜方向对于J1是离井方 向.而对于J2是向井方向,这样就可以和单井情况 下的板状体激发极化特性曲线相结合起来了。表3 给出了儿、J2的主剖面供电参数,图10为2口井的 特征曲线。 中心投影点 图9多井板状体正剖面示意(J1一中心投影点--J2) 表3 J1J2的主剖面供电参数 井名 底端井距/m探测深度/m 板体状态 板厚/m J1 80 500 离井 1O J2 60 500 向井 1O A /v △ ,v 图1O J1、J2特性曲线 3.2.2副剖面(J3一中心投影点_J4) 因为板状体在副剖面上的激电等效几何形状为 直立板状体。故可以运用单井情况下的板状体曲线 进行模拟(图11,图12)。J3和J4的主剖面供电参 数为:供电距L=200 m,顶端埋深h =150 m,底端埋 深h,=250 m,顶端井距d =70,底端井距d =70 m, 探测深度 =500 m,板体直立,板厚10 m。 中心投影点 图n 多井板状体副剖面示意(J3一中心投影点—J4) 图12 J3和j4(竖直)特征曲线 3.2.3斜剖面(J5一中心投影点一J6、J7一中心投影 点一J8) 首先要说明的是。研究J5、J6、J7和J8井的激 电曲线情况需要考虑到三维板状体,这将会比二维 6期 郭博等:地一井方式激电确定矿体空间位置 ・1173・ 板状体要更加复杂。解决这种三维几何体的模型其 的思维来解决斜剖面的模型问题。需要说明的是, 实最好的方法是运用数值模拟的方法来进行处理. 由于对称性,其对应的2个斜剖面(J7一中心投影 但是矩阵理论过于复杂,因此寻求另外一种比较简 点一J8)的情况是一样的,这次一起进行阐述。 便的方法来阐述,即投影法。 由图14比较可知,斜剖面(J5一中心投影点一 由于一个三维倾斜板状体在竖直非垂直剖面的 J6,J7一中心投影点一J8)情况下,其板状体模型倾 投影倾向均与原来一致(图13),因此可以采取定性 向不变,倾角介于直立与倾斜之间。 A /V △ /V 中心投黟点 A72 J7 l ATI J8 ●Aa2 A62 J6 A51 A61 J5 A52 I_I 图13板状体在斜剖面方位的投影模型 图14 J6._J7、J5—J8特征曲线 3.2.4小结 定矿体所在方位,最后划定主方位后可采用多种切 1)对于中心矿体为板状体的多井问题,不能等 线法确定矿体的距井距离和中心埋深124-27]。如何 同于球体来解决。因为板状体的各项异性,使得各 准确判定矿体的所在方位将对后续解释工作至关 个方位的井口所测得的激电曲线的影响要素与距井 重要。 距离d、供电点空间分布和板状体的产状有关。 4.1矿体不同方位曲线特征 2)从图中的曲线可以很清楚地看出矿体的倾 矿体的激电特征曲线受矿体几何分布的影响。 斜方向,曲线最大极值的绝对值表示板状体的近井 对于各向同性的球形矿体,可以通过最大幅度的 端.并且应该注意特征曲线随着矿井方位的不同而 “反S”形曲线确定矿体主方位.而对于情况较为复 产生有规律的变化。 杂的各向异性的板状矿体.需要重点讨论。 3)如果板状体是向上或者向下无限延伸,则可 该板状体走向为正南北方向,倾向正西,其顶、 以根据单井情况找出规律,无限延伸段收敛于零值。 底埋深分别为150.,250 m,矿体中心距离各个方位 4不同方位激电曲线特征及适用条件 井为50 m(图15)。 从模拟图像可以看出,极大值点和极小值点分 多井情况下判别矿体空间位置的首要任务是确 别反应矿体顶端和底部深度,受到供电电流方位影 △ /V -0.2 O O.2 O l0O 200 300 40O 特征曲发 特征曲线 S00 特征曲线 特征曲线 特征曲线 图15多方位井的特征曲线 物探与化探 39卷 响,极大值点深度即为板状体顶端深度,极小值点深 度比真实值略大。特征曲线从J2开始.逐步过渡到 J6/J7,J3/J4,J5/J8,最后到J1,其极小值幅值异常逐 渐增大,极值点深度位置略微升高,极大值幅值异常 也逐渐增大。通过这一点可以总结出判断板状体空 间方位的方法。即:从特征曲线的极大值和极小值相 对大小以及异常区域平缓程度来进行: 1)J2井为主剖面板状体向井方位。激电特征曲 线正值区域较为平缓; 2)J6/J7井为斜剖面向井方位,激电特征曲线 正值区域平缓,极大值点深度变浅: 3)J3/J4井为板状体走向方位。激电特征曲线 极小值绝对值等于极大值; 4)J5/J8井为斜剖面离井方位,激电特征曲线 极小值绝对值略小于极大值; 5)J1井为主剖面板状体离井方位,激电特征曲 线极小值绝对值明显小于极大值。 因此,在地一井方式激电施工时,应该注意找出 极值点特征最大的特征曲线,即可确定主剖面方位。 对于其余方位井特征曲线,可以加以修正判断出矿 体空间位置 4.2适用条件 1)确定矿体的与钻孔的相对位置,注意虚拟多 钻孔的特征判别。 2)注意供电电极的施工布局,其不同方位和供 电距离将会直接影响激电特征曲线形态。 3)确定主剖面后,先进行井口测量,若激电曲 线特征满足预期再进行多方位确认观测,进而对井 旁矿体的埋深、距离、见矿深度及延伸方向进行判 断。此次用球体和板状体两个简单模型进行正演模 拟,可作为很好的正演拟合模型,因此结合实测数据 可以对相应的矿体进行反演解释。 5结语 1)地一井方式激电在井中物探领域有广阔的应 用前景,能够很好地判断矿体所在方位、球形矿体中 心埋深深度和板状体近井端埋深深度。本研究从简 单的规则模型出发,模拟出了不同供电方位、不同矿 井方位的激发极化特征曲线,对于辅助方位的激电 特征情况,采用几何投影的方法,最后通过不同情况 下的激电特征曲线对矿体的产状进行预判,再结合 实际的地质、钻孔和物探资料。用多种手段联合分析 矿体的赋存情况。 2)对于井旁的未知矿体,由于其钻孔相对于矿 体的方位待定,因此可以通过研究环绕矿体的多个 虚拟方位来对其特征曲线进行比较分析.从而对其 空间分布进行判断,最终为实际勘探提供理论借鉴 的依据。 3)通过研究,对前人的有关成果进行了一系列 验证,在地一井方式井中激电的正演模拟计算中,主 剖面(正方位一井口一反方位)上所得的曲线特征 符合预期情况。值得说明的是,球形矿体特征曲线 形态较为明显,而无限延伸板状体的特征曲线因其 一端具有收敛的趋势同样能够容易被甄别,但是本 次研究表明特征曲线只能对于不同倾向的板状体敏 感,而对于同一倾向情况下不同倾角的特征曲线异 常形态不明显。研究还表明,在实际现场勘探中应 尽可能用较多数量且分布均匀的供电点对地下矿体 进行施工。 4)对于非规则矿体的激电特征曲线情况.建议 采用有限元的思想来处理,作为下一步研究的方向。 参考文献: [1] 黄智辉.井中激电地一井方式方位测量资料解释问题的探讨 [J].物探与化探,1979,1(3):22—30. 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The results obtained by the authors aye helpful to the related research fields.In conclusion,reasonable construction method and proper quantity of observed data have positive effect on the prognosis of the orebody. Key words:surface—to—borehole style;borehole induced polarization;deep prospecting;the rules of geometry 作者简介:郭博(1990一),男,硕士研究生,研究方向为地球物理测井与井中物探。 通讯作者:潘和平(1953-),男,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为地球物理测井与井中物探。 

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