地面物探方法系统

　勘探地球物理方法~

随着地质找矿工作的不断深入，许多产在地表和近地表的矿床已被发现，因此迫使人们必须依靠新的科学技术来寻找隐伏矿。过去常用的地球物理探矿方法有磁法、电法、重力法、放射性测量法和地震法等。近年来，在所采用的方法中，特别重视了探测深度大的各种物探方法，其中包括航空物探、地面物探和井中物探三大类。
1）航空地球物理勘探技术
（1）航空磁测
航空磁测是航空物探中最老的一种方法。由于电子技术、计算机技术和航空导航定位技术的发展，航空磁测目前仍然保持着旺盛的生命力和良好的前景。目前的航空磁测观测仪器由于采用了量子学原理的核旋和光泵磁力仪，其分辨率已提高到0.01nT，甚至达到pT级，仪器采样率也达到10次/s。
（2）航空电磁测量
航空电磁测量分频率域和时间域电磁测量两类。频率域电磁测量（FEM）的发展主要是采用多装置和多频率以提高方法的解释和分辨率；时间域电磁测量（TEM）为提高解释效果往往安装三组正交线圈。
传统的航空电磁法（AEM）在找矿方面曾经取得卓越的成效。其主要障碍是在寻找地表有良导性覆盖埋深百米以下的矿床时受到很大限制。据此，人们加强了大探测深度电磁系统的研究。主要途径一是提高发射功率和数据的现场处理能力，二是改变发射源的位置，即将发射机置于地面，研究新型的定源航空电磁系统。
（3）航空放射性（伽马能谱）测量
目前航空放射性测量已不仅仅是测量伽马射线总强度，而是进行伽马射线能谱测量，测量的谱道多达2048道。同时还开发了多种航空伽马能谱测量的处理软件，如宇宙射线、放射性时间、背景辐射、康普顿效应剥离、灵敏度和高度改正，以及求比值和F参数等进行各种滤波的软件。
（4）航空重力测量
由于把重力仪安装在飞机上观测时飞机的运动会严重改变观测的重力值，因此航空重力测量长期未能实现。与其他航空物探方法相比，航空重力测量的难度要大得多。但随着GPS技术、航空定位技术和计算机技术的迅速发展，航空重力测量也得到了进一步发展。人们把地面的重力仪安装在飞机上，利用单定位技术可求得各方向的加速度及其状态。通过软件可较精确地计算出飞机运动对重力观测值的影响并进行改正，以求得观测点的相对重力值。
2）地面物探方法
在地面物探方法方面，时间域电磁法（TEM）近年来有了很大发展。与直流电法和频率域电磁系统相比，时间域电磁系统的探测深度明显要大，垂直分辨率也高，易于探测到低阻覆盖下的良导矿体。地面电磁法的发展有两个显著特点：一是向轻便化、适用于矿产普查的天然场电磁法方向发展；二是向多功能方向发展，即一台电磁系统既能做直流电阻率、频率域和时间域激发极化法，又可做瞬变电磁法和天然场电磁法等。
80年代以来，加拿大和澳大利亚利用地面TEM发现了一系列隐伏矿，如赫利尔、埃洛伊斯、贝纳姆布拉和阿萨巴斯卡等。利用TEM法在中国寻找隐伏块状硫化物矿床中亦取得了良好效果。如在新疆阿尔泰南缘多金属成矿带的克因布拉克、铁木尔特和可可塔勒等矿床上，用TEM开展深部找矿，根据其结果布置钻孔，其见矿率很高。
金属矿地震方法在一些国家已发展起来。主要用于探测层状沉积矿床和与岩浆作用有关的矿床的构造填图和研究探矿要素。俄罗斯已出版了一套金属矿地震图册。加拿大和澳大利亚近年来也投入了较大的工作量，取得了实效。
原苏联研制开发的一系列地电化学方法，如元素存在形式法（MPF）、热磁地球化学法（TMGM）、部分提取金属法（CHIM）等，具有分辨率较高，探测深度大的特点，可直接用来寻找隐伏矿床。据报道，这些方法可在厚覆盖层（厚度达150m）和厚基岩（厚度达500m）条件下寻找深埋的隐伏矿，且受矿床类型、覆盖层厚度、成分、物理和化学性质的影响较小。这3种方法在原苏联已得到普遍推广和运用，取得了较好的找矿效果。近年来西方国家也开始注意这些方法。
3）井中物探方法
井中物探方法除了可获得井壁地质信息外，更主要的是可获得井壁四周和钻孔底部的信息，对发现井旁和井底的盲矿极为重要。井中物探方法主要有井中磁测法、无线电波法、井中激电法和井中充电法等，以井中脉冲电磁法在西方国家采用较多且找矿效果较佳。井中瞬变电磁法（DHTEM）的分辨率高，横向探测距离大（可达200～300m），特别适合于探测深部良导盲矿床。加拿大在勘查中使用了一种称之为UTEM的系统，能在深达3000m处探测到距钻孔300m以上的大良导体。加拿大近十多年来所发现的贱金属矿床，如温斯顿湖锌铜矿（埋深300m）、奥尔里索西斯铜锌矿（埋深600m）、林兹里铜镍矿（埋深1280m）和维克多铜镍矿（埋深2400m）等绝大多数都是盲矿矿床，几乎均是借助钻孔和井中物探方法发现的。在澳大利亚、北欧、原苏联和美国等国家和地区也屡有利用井中物探方法取得找矿成功的报道。

经过这十余年的发展，我国物探事业基本上克服了10年“文革”动乱影响，尤其是改革开放方针的贯彻，实现了以数字化为主要内容的技术和装备升级，向国际水平跨进了一大步。在各个应用领域基本形成了具有中国特色的物探技术系统和方法系列，如第二代航空物探技术系统、区域重力调查技术系统、海洋物探技术系列、石油地震勘探技术系统、固体矿产深部找矿物探方法系列、水工环和地热物探方法系列、井中物探方法系列、油气煤田盐类矿产和水文测井系列、深部地球物理调查方法系列和海洋地球物理调查方法系列等。这些技术系统和方法技术系列的形成是我国物探工作者长期努力的结果，标志着我国现代化的物探技术体系基本形成。具体表现如下。
1）具备了涵盖空中、海洋、地面、地下的一整套技术方法，能够胜任各种目的的地质地球物理调查与检测任务。系统的重力、磁力、放射性区域地球物理调查已经基本覆盖了我国的大部分可测或应测领土面积，出版了成套陆域及海区的综合地球物理图件，这充分体现了我国在工作规模上的地球物理大国的地位。
2）基本上具备了解决我国复杂地质问题的能力，积累了丰富经验，培养了一批人才，形成了一支技术专家队伍。在应用物探方法解决各种矿产地质问题的广度和深度方面，尤其在解决若干复杂构造和其他复杂条件下的各类勘查问题方面，我国已处于世界先进行列。
3）具备了自主研究开发若干新技术、新方法、新仪器和与之配套的计算机应用软件，以及对常规物探仪器进行批量生产的能力。一些具有中国特色的物探仪器，如高灵敏度氦光泵磁力仪、无线电波探测仪、轻便激电仪、地面及井中伽马能谱仪等已经达到国际先进水平。通过与国际合作生产等渠道，我国也基本掌握了诸如超多道遥测数字地震仪等大型先进物探仪器的制造技术。
4）形成了一批有实力有经验的物探研究单位和院系。它们追踪着当代国际物探发展前沿，有的已经在各自主要研究领域中成为国际知名单位。
综上所述，这一时期是我国物探事业蓬勃发展迈向现代化的时期，可称之为我国物探事业发展新的黄金时期。物探工作有了一个改革开放的良好发展环境，在国家大规模经济建设的推动下空前地发展成长。面对国家宏伟建设规划所提出的新任务，物探界的前辈，时任中国地球物理学会理事长的顾功叙在“勘探地球物理1989北京国际讨论会”上所作的“我们往何处去？地球物理勘探工作者”的报告中指出，今后地震勘探工作将面对“难度较大的复杂构造”，“探测构造形态细节的详细程度和准确程度愈来愈严格，再过20到30年，矛盾将更为尖锐”，“地震勘探石油构造只是一方面，其他如金属矿、煤田、工程地质、水文地质等方面的地球物理勘探技术水平也都有如何提高和发展的问题”。他还专门就石油、低品位金属矿和贵金属矿及地下水的“物探直接找矿”问题做了展望，指出为了解决这些问题，必须“及早认真开展基础研究工作，以期发明新原理和新技术，并作出有世界水平的成果来”。这些意见的提出，虽然已经有十多年了，但至今读来，依然使我们感到十分亲切和具有指导意义[19]。

地面物探方法在找矿方面可起三方面的作用：第一是直接找矿，这是指待找的矿物本身能引起物探异常，例如磁铁矿能引起磁异常，铬铁矿能引起重力异常，黄铁矿能引起各种电法异常等。第二是间接找矿，这是待找的矿物不能引起当时的仪器能可靠地观测到的物探异常，但矿体中的其他矿物能引起物探异常，例如矿体中含有少量磁铁矿或磁黄铁矿能引起弱磁异常，矿体中含大量金属硫化物，因密度比围岩大，能引起重力异常，而黄铁矿又能引起电法异常。第三是地质填图，即矿体本身不能引起可靠地观测到的物探异常，物探方法只能用于地质填图，解决找矿过程中的地质问题，主要是圈出矿体可能赋存的空间。

地面物探方法上述三方面的作用，可将其归纳为找矿作用和填图作用两方面。在50～60年代，以找浅表矿为主，物探方法（以各种电法为代表）在找矿方面取得了很大成绩，以后随着找矿深度的增加，物探的作用逐渐转为以填图为主，现在，随着老方法（重、磁法）观测仪器精度提高，新方法（电法）发明，能测出深部矿体引起的重、磁、电等弱异常，物探的找矿作用又有起色，即物探同时能起找矿作用和填图作用。物探起填图作用时，物探在找矿时是综合找矿方法的具体方法之一，不属于本节所述的方法系统。

顺便在这里指出，物探的找矿作用以间接找矿为主。因此，根据物探异常特点，一般不能确定或估计所找的矿体是富矿体或贫矿体。例如，良导性低电阻异常主要是由黄铁矿所引起，只当矿石中待找的铜矿、铝、锌矿等含量与黄铁矿的含量正相关时，找到了致密块状硫化物才意味着找到了富矿体。许多很好的电法异常，钻探只见强烈的黄铁矿化，而不见矿体，其原因也在于此。为了具体说明物探的作用，下面举一个磁法和一个重力法找矿的例子。电法是找有色金属矿的主要方法，具体例子在以后有关章节中均有叙述，为避免重复，此处不叙述。

例1　内蒙古大井锡多金属矿区^[18]

大井矿区为第四系黄土覆盖，基岩岩石为二叠系林西组以砂岩为主的地层。该层可划分为4个岩性段，由老至新为：暗色细碎屑岩段；含磷岩段；泥灰岩段；杂色细碎屑岩段。大井已知锡多金属矿床主要赋存在二、三岩性段，严格受构造控制。区内断裂构造十分发育，矿体主要充填在北西向硅质—碳酸盐胶结的构造角砾岩或破碎带中，并受北东向成矿构造带控制，沿倾向按一定间隔成群成带出现。

矿石中主要金属矿物为黄铁矿、毒砂、黄铜矿、锡石、方铅矿，其次为白铁矿、磁黄铁矿、黝铜矿等。矿体的磁化率为1633.6×10^-6SI，近矿矿化围岩的磁化率为678.6×10^-6SI，矿化杂砂岩的磁化率为226.2×10^-6SI，其他围岩的磁化率则在（113.1～150.8）×10^-6SI。矿体及矿化围岩的磁化率高出正常围岩的1～10倍。区内磁性最强的岩石是蚀变安山岩（6.28×10^-2SI）和蚀变玄武岩（2.89×10^-2SI）。矿床成因类型为与次火山岩有关的中低温热液裂隙充填型。

图5—1是简化后的大井矿区物探化探异常平面图。从图看出，已知的及根据物探异常新发现的矿床均位于局部重力高中的北东向航磁局部异常中，而矿带则位于局部航磁异常带显示有局部北西走向的地段。磁异常的这个特点与矿区的地质构造特点一致，揭示了矿化的分布范围。

地面高精度磁测圈出了北西向展布的长轴状异常。异常呈明显的叠加特征，高值部分可圈出多条与总体走向一致且相互平行的局部高值异常带。钻探在这些带上均见到了密集的工业矿体群。图5—2是一条精测剖面（北东向），实测曲线上的局部高值异常对应浅部的密集工业矿体群，而滤波后的背景异常则反映了深部矿化的分布范围（见图中磁异常断面图）。

图5—1　大井矿区物探、化探异常平面图（据汪懋忠）

1—高精度航磁局部异常（nT）;2—局部重力高异常；3—激电异常；4—分散流异常

例2　葡萄牙内维斯—科尔沃超大型多金属硫化矿床^[26]

葡萄牙南部的内维斯—科尔沃是一超大型隐伏多金属硫化矿床，到80年代末，已获得硫化物储量超过12.5×10⁸t，其中2×10⁸t为致密硫化物，5000×10⁴t为网状脉（薄层矿体未计算在内）。内维斯矿体最大，长1700m，宽800m，厚50m。矿床中的矿石品位及储量见表5—1。

表5—1　内维斯—科尔沃矿石储量元素（1989年）

（根据X.Leca）

图5—2　大井矿床高精度磁测综合剖面图（据汪懋忠）

1—矿体；2—△T断面等值线（nT）

根据钻探，此处矿体的围岩为一套火山-沉积岩系，由下至上为：喷出火山岩单元，基性和酸性岩交替出现，包括大量的酸性火山作用，形成矿化幕，导致大多数矿床的形成。沉积单元，上部为绿色和紫色片岩，上覆有非常稳定的层凝灰岩层；含有机物沉积单元，它预示着上覆的库尔木杂砂岩复理层的出现。

图5—3a是以100×100m测网作的重力法所得布格异常，改正所用中间层密度为2550kg/m³。内维斯异常为4～6g.u.初步研究，认为该异常系硫化物多金属矿体引起，矿体顶部位于约80m深度上，重心在150m深度上。1973年施工N1钻孔，进尺244m，未见矿体，但在150m时见到密度由2900kg/m³至3100kg/m³的碳质和富含硫化物的片岩。

根据钻孔见到的地质情况，根据地质所作的关于地下地质构造的推断模型及所测定的密度资料，作了重力异常正演，正演结果与实测结果不符合，以后又经过多年的综合物探和化探及其他处的钻探工作，综合研究结果，提出了一个能把不同学科所得结果协调一致起来的模型。认为内维斯深部还是有矿，建议在第一孔50m远的地方再打一个深400m的

图5—3a　阿尔加莱地区布格异常图（据X.Leca）

（密度2.5g/cm³，等值线距1g·u。实线为1970～1971年SFM以100×100m测网测量的地区，虚线为1973～1975年SMS-SMMPP-SEREM财团以250×125m测网测量的地区。1970～1971年测区在本图中只显示了一部分）直孔。N2孔于1977年4月1日施工，1977年5月15日打到了致密硫化物，见矿深度为350.2m至403.3m。图5—3b是剖面图。N2钻孔资料投影到钻孔N1剖面上。

图5—3b　钻孔N2资料在钻孔N1平面上的投影（据X.Leca）

1—库尔木杂砂岩；2—火山-沉积岩系的未分片岩；3—层凝灰岩；4—淡紫—蓝色片岩；5—黑色片岩；6—断裂和角砾岩；7—致密硫化物；8—酸性凝灰岩；9—正常地质界面

图5—4　中乌拉尔一个含铜黄铁矿床上的重力测量结果及密度剖面（密度的单位10³kg/m³）

1—矿体引起的△g（计算的）曲线；2—去掉背景后的△g曲线；3—根据所有密度介面计算的△g总和曲线；4—钻孔

图5—5　用2670kg/m³密度改正的布格异常（据D.E.Leaman）

矿山附近的异常干扰是明显的，等值线间距为10g·u

这个例子表明，高密度矿体的围岩也有密度偏高的，形成矿体重力的干扰。这种现象在许多地方都见到。例如图5—4是中乌拉尔一个含铜黄铁矿床上的重力异常及密度剖面，定量计算表明，矿体引起的异常约为4g·u，而矿体四周矿化围岩引起的重力异常达8g·u^[53]。在澳大利亚昆士州芒特艾萨（Mt.Isa）巨型Cu-Ag-Pb-Zn矿床上，在南部铜矿化带上，获得极值超过20g·u、外形光滑的局部重力异常（图5—5），异常分布范围与已控制的矿化范围一致。但定量计算表明，埋深在地下700m左右的矿体在地表只能引起4g·u左右的重力异常，异常的主体部分是由含黄铁矿的粉砂岩（矿体的直接围岩）及含硅白云岩所引起^[54]。澳大利亚奥林匹克坝超大型铜铀金矿是验证重、磁异常而意外地发现的^[27]，磁异常与矿体无关，可能是深部磁性体引起，重力异常则主要是含矿的赤铁角砾岩所引起，这种岩石中赤铁矿含量达30%～40%。在我国新疆阿舍勒铜矿^[28]及小热泉子铜矿^[16]上的重力异常，也有类似情况，值得注意。

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