金属矿勘查物探化探方法技术的新进展

物探化探方法在金属矿勘查中的应用情况~

近10年来，物探化探方法在我国找矿中起到了至关重要的作用。现将本书收录的32处矿产勘查中采用的物探化探方法列于表1－3－1。

表1－3－1 物探化探方法应用情况表


续表

从表中看出，针对不同矿种的金属矿勘查，所采用的方法技术有所不同。方法技术应用较多的是磁法、激发极化法、测深类电磁法、重力法及水系沉积物测量、土壤测量、原生晕测量等。在铁矿勘查中首选的方法为磁法，包括航磁、地磁和井中磁测;而在铜矿、铅锌矿及其他多金属矿勘查中，常采用综合方法，如磁法、激发极化法、瞬变电磁法、可控源音频大地电磁法等物探方法，以及土壤测量、水系沉积物测量等化探方法。寻找金矿、锑矿等则更多采用水系沉积物测量、土壤测量、岩石测量等化探方法。
金属矿产由于矿床类型、生成环境、伴生矿物、元素组合等的不同，表现出的地质特征、地球物理特征、地球化学特征各不相同。因此，在应用勘查技术方法时，除必须研究勘查区的地质、成矿背景外，还要结合勘查区的地球物理特征及地球化学特征，科学合理地选择技术方法及优选物探、化探方法组合。任何一种单纯或单一的方法都很难对异常做出合理的解释，而综合方法则可以从不同角度研究异常源的性质。通过不同方法之间取长补短、相互验证，从而提高地质解释的准确性，为钻探等工程验证提供准确信息。这也是今后金属矿物探化探勘查的有效工作方法，也是找矿成败或影响找矿周期的重要因素。

中国覆盖区(植被和土壤覆盖区、沙漠戈壁区等)分布广泛，如何寻找其深部的金属矿，是摆在我们面前的艰巨任务。在新一轮地质调查和找矿勘探工作中，我们所面临的多是地质条件复杂、常规方法技术难以识别的隐伏矿，或是在工作条件十分艰苦的西部地区找矿。我国物化探找矿要有大的突破，有两个待解决的问题:一是从技术上，很大程度要依赖于物化探勘查技术的进步与发展，这是一种内在因素，即一种能力;二是从技术管理上要有一个强有力、统筹的技术指导机构和专家系统，这是一种外在因素，是一种条件。两者的有效结合、协调运筹，可能是问题解决的突破点。
长期以来，我国对深部找矿理论、方法技术和成矿预测的研究重视不够，严重缺乏对深部隐伏矿体精确定位的技术方法。主要表现为:①我国大陆地质构造复杂，成矿类型众多，矿床产出环境多样，给建立深部找矿模型带来了较大困难。②极缺深部找矿的方法技术，经验也不足，地球物理探测的能力和综合效应未能充分挖掘出来。③地质、物探、化探在深部找矿中，方法的优选组合不够，缺少系统的整装成果且研发力量分散，起点低。④缺少适于大探测深度的高质量、高水平的国产化仪器设备、数据处理解释系统。⑤缺少研发深部探测技术和设备的实验基地。
近些年来，物探技术面临的主要问题与发展趋势体现在以下几方面。
一是提高对微弱地球物理信息的采集与处理技术的水平。物探的发展历史充分说明，数据采集精度的提高，使得物探的应用效果、应用范围不断扩大，物探方法与理论的进步，需要相应数据采集技术的进步作保证才能得以实现。不同方法，受各种干扰因素的影响程度不同，因而处理的重点和方法也不尽相同。当前新的采集与处理技术发展缓慢，已成为寻找深部隐伏矿的瓶颈。
二是非均匀地质体的探测与描述的方法技术继续改进升级。目前，找矿面临的多是岩性不均匀、结构与构造复杂、物理性质在纵向和横向上均有较大变化，多为埋藏较深、地质条件复杂的勘探对象。为了清晰显示研究对象的空间特征，近20年来，各种地球物理场的成像技术研究取得很大进展，包括地震波成像、电磁波成像和位场成像等。成像技术的特点是未知数多，观测数据量大，只有观测信息对每个未知数的覆盖次数足够多，才能使解出的未知数减少和比较可靠。同时，数据处理与正反演解释中引入可视化技术，使人机交互反演得以更新和发展，极大地提高了数据重建与图像转化的质量。充分使用三维和动态可视化技术，在解释系统的运作和成果显示上发挥作用，提高了探测成果的直观性和可视化程度。
三是综合利用多种信息，减少物探反问题的多解性。由于地下介质形态和性质的变化对地球物理场的影响存在等效作用，使得反问题解答不唯一。如果再考虑观测误差和干扰等因素的影响，以及描述场的数学表达式和计算方法的不精细，问题更要进一步复杂化。物探的对象越复杂，表征其性质、结构和构造的变数越多。物探的工作结果，必须结合地质和化探的资料进行综合解释推断，才能提高物探找金属矿的效果。
过去在金属矿区用物探方法直接找到的矿是较少的。从物探数十年的发展成就可以清楚地认识到，利用物探方法主要是解决找矿过程中的地质问题，起到间接找矿作用。在找矿过程中，采用创新性的方法技术成果，利用新的地球物理参数，是扩大金属矿物探应用范围和提高其地质效果的一个重要方面。采用综合信息找矿，对于提高物探对隐伏矿的探测深度和勘查效果具有极其重要的意义。
化探技术面临的问题与发展趋势主要表现在，一是传统地球化学方法技术的改进和完善，使其适应当代矿产勘查的需求;二是研制在覆盖区寻找深埋大型矿床的地球化学方法技术———深穿透地球化学方法技术。前者适用于我国西部地区的矿产勘查工作，后者则是我国中东部地区矿产勘查的首选技术。
传统地球化学方法技术的改进和完善主要出现在不同特殊景观区区域性勘查领域。按照不同的地球化学景观条件，研制可适应的区域化探扫面方法技术，推进当地的矿产勘查工作，实现地质找矿的重大突破。
深穿透地球化学方法技术主要是通过土壤中活动态元素的选择性提取和各种有机及无机气体的测量，在地表捕获深部隐伏矿床的地球化学信息，从而发现新的矿产地。主要技术方法有偏提取分析、微米筛方法、显微相分析方法等。分别研制被外来运积物覆盖的各种景观区最优化的深穿透地球化学方法或方法组合，应是深穿透地球化学方法的发展趋势。外来覆盖物浅钻取样技术的应用，将可验证深穿透地球化学成果的有效性，大大促进覆盖区找矿工作。国外在金属矿气体地球化学测量技术研究中取得长足进步，值得国内学者借鉴。在金属矿床上方烃类等有机指标的形成机理及与矿体的关系需要深入研究。我国在地气方面做了大量的研究工作，但对常规气体研究缺乏创新。
任何一种方法都有其自身的适用性。对于不同的矿种、不同的景观条件、不同的勘查阶段都有其一定的适用范围，如构造叠加晕找矿方法适用于矿区基岩出露较好的地区，以及在已知矿体深部寻找盲矿体或第二个矿体富集带;而对于覆盖区，酶提取法、地电化学法、金属活动态测量法等则能反映深部矿化引起的异常特征。
矿产勘查是一项极其复杂的系统工程，任何一种单纯或单一的方法都很难对异常做出全面合理的解释。在应用勘查技术方法时，必须结合具体矿区的地质背景、地球物理特征、地球化学特征，科学选择合适的方法，才能取得好的应用效果。
随着现代制造技术、电子技术、计算机技术、材料技术、信息技术等的发展，物化探勘查技术在精度、分辨率、灵敏度、探测深度、抗干扰性能、自动化程度、实时显示、现场测试等方面发生了很大变化，使得物化探技术成为深部探测的主要技术手段。其中大深度电磁探测、航空综合物探、井中物探、三维地震、矿床原生晕分带模型、深穿透地球化学、三维可视化和数据模拟等技术的研究和应用取得了创新发展和实用效果。另一方面，勘查技术正朝着多方法综合方向发展，如物探重、磁、电勘查技术在向高精度、高分辨率、三维解释方向发展的同时，还向重磁电震综合勘查方向发展。这种综合不单是各种资料相互佐证，而是在各种方法解释的基础上，进行多数据联合互约束反演综合。
综上所述，针对不同探测目标，采用综合物探化探勘查技术，集成优化组合方法，且物探、化探与地质相配合，进行多元数据集成的综合运用和分析研究，将是今后我国金属矿勘查技术发展的总体趋势。

20世纪90年代以来，随着找矿深度的逐步加大，高精度重力、高精度磁法、瞬变电磁法(TEM)、可控源音频大地电磁法(CSAMT)、大功率激发极化法(IP)、阵列电磁法、地－井TEM、金属矿地震等方法技术的研究、发展和应用，取得引人注目的进步。电磁法及重、磁法的组合应用则成为物探勘查手段的重要发展方向。勘查地球化学界则致力于研究探测深度更大的地球化学方法技术，以适应覆盖区寻找深部矿床的需要，主要发展了矿床构造叠加晕和深穿透地球化学方法技术。后者又称为非传统化探方法，包括选择性提取技术、生物地球化学找矿、地下水地球化学测量、地下气体测量等多种新测量方法，成为当前国际化探界研究热点(唐金荣等，2009)。

一、高精度重、磁勘查方法技术

金属矿产勘查中，高精度航空磁测、地面高精度磁测、井中磁测、地面重力和航空重力测量等是常用的重磁方法，勘探深度取决于矿体大小和矿体磁化强度、密度等因素。目前，我国依据磁异常见矿深度已达1000m以下。

地面高精度磁测应用范围较广，工作精度≤5nT，灵敏度0.1nT，以测地磁场总量异常(ΔT)为主，能做绝对测量。在危机矿山找矿中高精度磁测应用最为普遍，主要部署在铁矿上，少量部署在有色金属矿和金矿。国内用直升机进行了1∶1万的高精度航磁测量，并应用三维定量反演数据处理技术，取得了很好的找矿效果。如河北迁安铁矿(变质构造控矿)接替资源勘查中，高精度航磁对新增资源储量2.2×10⁸t的重大突破起到了重要作用。与地面磁测相比，高精度航空磁测具有较高的测量效率，不受水域、森林、沼泽、沙漠等环境的限制。同时由于飞行是在距地表一定的高度进行，从而减弱了地表磁性不均匀体的影响，能更加清晰地反映出深部地质体的磁场特征，如在大冶铁矿深部和外围找矿勘查中，高精度航磁发挥了重要作用。井中三分量磁测可以发现远离钻井的强磁性矿体，发现井底和井旁与磁黄铁矿物、磁铁矿物有共生关系的磁性较弱的矿体。近期我国第一台井中高精度质子磁力仪和井中高精度三分量磁力仪样机的成功问世，为我国中弱磁性矿区开展井中磁测提供了可用的设备。

1999年国土资源大调查以来，我国系统地部署了1∶20万区域重力调查工作。“十一五”期间，重点在西南三江、川滇黔相邻区、秦岭、大兴安岭等重要成矿带和京津唐环渤海经济区，开展调查，为矿产勘查提供了重要的基础重力资料。

在金属矿产勘查中，重力测量与其他的物探方法配合，可以圈定成矿带;在条件有利时，可以探测并描述控矿构造，圈定成矿岩体，或对已知矿体进行追踪等。另外，微重力测量技术的发展，为精细探测奠定了基础。由于微伽重力仪的应用，各项改正方法的完善和精密观测方法的使用，重力异常精度达到30×10^－8m/s²，使得探测小尺度物体引起的微弱异常成为可能(管志宁，2002)。

二、电法勘探技术

(一)大深度高分辨电磁测量技术

我国攻克了多频等幅同步供电、密集频点供电、大功率励磁稳流供电和高精度混合同步等关键技术，研制形成了我国自主知识产权的大功率、多功能电磁法勘查系统。供电电流是国外同类仪器的2～3倍，有效勘探深度由500m提高到1000m。该系统具备天然源场的音频大地电磁测量、人工源场的激电测量和可控源音频大地电磁测深功能，并且具有进一步扩展的潜力，能够同时获得电阻率和极化率，与国外仪器相比有较多的优越性，为我国深部找矿工作提供了新的有效技术装备。在数据处理与解释方面，开发了复杂地形、地质条件下二维和三维MT、CSAMT正反演技术、人工场源激发下的谱激电正反演技术，通过集成形成了一套与多功能仪器相配套的数据处理与解释软件系统。预计基于三维反演的研究将可能提出更为可靠的静校正新方法。

(二)可控源音频大地电磁法(CSAMT)

可控源音频大地电磁法(CSAMT)是一种人工源大地电磁测深技术，采用大功率(＞20kW)接地电偶极发射，工作频率为0.125～8000Hz，工作中通过调整二次场观测频率来采集各观测点不同频率下不同方位的电、磁场振幅及相位数据，通过各种复杂的数据处理、反演手段，反映出地下电阻率三维分布特征，达到了解地下电性结构的目的。它具有探测深度大(几十米到2500m)、穿透高阻层能力强、经济快速等优点，可以勘探深部的隐伏矿体，近年来在危机矿山深部找矿中应用较多。20世纪90年代末，我国相继引进美国Zonge公司生产的GDP－16及GDP－32等多功能电法仪，并在工作方法和反演解释技术方面取得了重要进展。然而，由于CSAMT法的场源效应、静位移效应以及全区视电阻率解释等问题的存在对当前CSAMT法工作的困扰，场源效应、三维解释技术以及全区视电阻率解释的研究仍是今后主要的研究方向。其探测深度大、分辨能力高、抗干扰能力强的特点，将使该方法在未来深部找矿及三维地质填图等方面大有作为。

(三)大功率激发极化法(IP、SIP、CR)

激电方法包括地面IP中梯、地面IP测深、地-井IP、井-地IP、频谱激电SIP、复电阻率CR等方法，勘探深度通常小于500m，复电阻率法勘探深度最大可达1000m左右。近年来在隐伏矿和深部矿找矿勘查中，大功率(30kW)激电方法应用较多，取得了良好的找矿效果。采用大功率激发极化法和音频大地电磁法组合，首先利用激发极化中梯装置进行大面积扫面，发现异常后利用音频大地电磁法对异常进行测深反演成像。该方法组合在保证找矿有效性和高效率的同时降低了找矿成本，适合于寻找硫化物金属矿床。在危机矿山深部及外围找矿中，井中IP法是寻找孔旁或孔底盲矿体的有效手段。今后，应加强在大功率、大探测深度下的频谱激电应用理论和方法研究，包括正反演理论、方法技术和解释软件编程的研究。

(四)瞬变电磁法(TEM)

在围岩和矿体电导性差异较为明显的地区，如存在铜镍硫化物矿床等矿区，瞬变电磁法(TEM)具有良好的找矿应用效果，其探深范围为20～1500m。

我国井中TEM单分量应用较少，而三分量技术应用更少，方法研究上提出了地-井TEM三维数值模拟方法技术和三分量交会技术。我国引进了世界上最先进的瞬变电磁系统(加拿大DigitalPEM系统)，三分量地-井TEM系统等，最大下井深度为2000m;并开展了瞬变电磁三维正反演方法技术研究，提高了对矿体定位的精度。在金属矿勘查中，地-井TEM测量技术已被广泛应用。

近些年来，我国在瞬变电磁测量技术研究中引入高温超导技术，成功研制出单分量和三分量高温超导磁强计及数据处理、定量正反演技术，大大增加了勘探深度，为危机矿山深部隐伏矿的寻找、矿体准确定位提供了高新技术手段。

(五)大探测深度时间域固定翼航空电磁勘查系统

航空电磁法适用于硫化物金属矿床及与硫化物共生的贵金属矿床的普查、圈定断裂构造带、地下介质电阻率填图等。澳大利亚合作研究中心矿产勘查技术部研制的世界上最先进的航空矿产勘查系统(TEMPEST)，使用高灵敏度磁探头测量地质体产生的微弱二次磁场，探测深度可达300m。

我国正在开展时间域固定翼航空电磁勘查系统的研究及相应的数据处理和解释技术研究，有望实现有效勘探深度达到300～500m。

三、金属矿地震勘探技术

非能源地震勘探，特别是金属矿地震在金属矿勘查中的作用还不很明显，应用研究程度较低。大多数金属矿地震勘探仍采用二维地震，二维地震勘探不能使三维地质体产生的地震波场进行正确归位，以至于妨碍了地震方法在金属矿勘查中的应用。基于反射波技术的2D、3D、VSP方法以及地震散射法和地震层析成像法等综合方法技术具有大探测深度、高分辨率、轻便快速的特点，勘探深度大于2000m，是金属矿地震的发展方向。

我国首次将地震散射波视为有效波应用于金属矿地震勘探。当矿体与围岩的密度差异较大时，利用散射波地震方法寻找与矿体有关的不均匀体;对于受地质构造控制的隐伏矿体，利用反射波方法探测控矿构造，达到间接找隐伏金属矿的目的。内蒙古拜仁达坝多金属矿区和铜陵金属矿区的试验研究表明，高分辨率反射地震方法的纵向分辨率相对较高，而地面地震层析成像的横向分辨率相对也较高，把两者结合起来，可较好地解决从地表至地下数千米深度范围内的底层和地质构造分布，是开展复杂地区金属矿地震勘探的有效方法组合。

复杂地震地质条件下的金属矿地震探测技术要达到实用化仍面临许多技术问题，诸如低信噪比、强干扰噪声、不连续反射、复杂地震波场等技术难题和高成本投入等。随着当今找矿难度和找矿深度的增加及地震方法技术的进步，地震方法在金属矿勘查中必将成为一种具有大探测深度、高分辨率、快速轻便有效的方法技术手段。

四、多参数联合反演解释和可视化技术

物探是研究地下地球物理场空间分布规律，以探寻其与地质结构和矿产资源的关系为其目的。如从资料解释角度看，采用三维反演技术能更客观地反映出这一空间场的特性，三维反演解释技术是提高物探技术应用水平的有效途径。近年来，三维反演和可视化技术已经成功用于重磁勘探，而电法解释尚处于二维反演研究阶段。因此，发展重、磁、电、震三维联合反演技术，将大大提升物探成果解释的准确性和空间分辨能力。同时，非线性联合反演可以促进地球物理解释的定量化，提高解释结果的客观性，也是未来发展方向之一。

地下真三维可视化建模技术是近几年发展起来的一门新技术。通过建立三维矿床模型，可清晰生动地显示容矿层位、矿源层及各地层与成矿之间的空间关系，对指导地质找矿具有非常重要的实用价值。

五、岩石地球化学新进展

岩石地球化学测量方法又称原生晕测量方法。长期以来，一直是找寻与热液成因有关的多金属和贵金属盲矿的最有效的地球化学勘查方法。

20世纪80年代后期和90年代初，原生晕方法有了新的发展。根据典型矿床研究和异常解释中出现的问题，发现成矿成晕多期多阶段脉动叠加的特点，不同期次成矿形成的矿体及其原生晕在空间上具有叠加结构。据此，建立了金矿盲矿预测四种叠加晕模型和盲矿预测准则，形成了原生叠加晕找盲矿的新思路和新方法，大大提高了盲矿预测的准确性和效果。

1998年以后，针对许多金、铜矿床具有构造控矿的特征，在原生叠加晕的基础上，对采样方法和资料处理方法又进行了革新，形成了“构造叠加晕法”。由于采样只采或主要采构造中有成矿(晕)叠加的样品，不仅强化了异常、加大了预测深度，而且大大减少了采样工作量和分析工作量。目前，这种方法在危机矿山接替资源找矿项目的胶东金矿和湖北大冶铜金矿深部盲矿预测中已取得明显成效。

岩石地球化学测量分为地表(或浅表)岩石采样(地表、探槽、浅井、浅钻等)和深部(钻孔和坑道)岩石采样。浅表岩石采样提供的异常信息，一般可预测地下250～300m深度的盲矿体;浅钻(在覆盖厚度＜50m的地区采集残积层或基岩样品)取样探测深度更大。深部取样则预测深度随之增大:如在深500～800m取钻孔或坑道原生晕样品，可预测地下1000～1500m深处的盲矿。

在岩石地球化学测量中，化探与钻探技术(浅钻和深钻)的有机结合，不断建立新的找矿模型，这是近几年来化探寻找深部盲矿取得新进展的重要因素。需要在今后加以坚持，修改相应的矿产勘查规范，将钻孔原生晕测量纳入规范，以提高盲矿预测水平和预测深度，适应开拓第二和第三找矿空间的需要。

六、覆盖区寻找隐伏矿的化探新方法新技术

为了适应覆盖区寻找隐伏矿的需要，20世纪90年代以前，主要研究和使用了汞气、地电化学、偏提取、相态、水化学、植物、烃类和其他气体测量方法技术。90年代以后，又研究和使用了地气(又称为地球气纳微物质测量)、金属活动态提取、酶提取等方法技术。近年又在中浅覆盖区(5～50m)开展了浅钻化探取样方法技术试验。

除浅钻技术以外，近年有学者将上述新的化探方法技术统归为深穿透地球化学方法，也称非传统化探方法。这些方法技术在覆盖区找寻隐伏矿中取得了一定效果，但仍处于试验或初步应用阶段。这些方法技术所探测到的异常是否来自深部矿体，一直是这些方法技术立足的难点。有关深穿透地球化学迁移机理研究正是攻克这个难点的有效途径。

近十年来，随着大量野外观测和室内模拟实验研究，提出了一些新理论和新观点。主要有“还原囱”模型(S.M.Hamilton等，1998，2004)、“雷暴电池”模型(D.Garnett，2004)、泵压效应机制［气压泵(E.M.Cameron等，2004)、地震泵(E.M.Cameron等，2004)、陆上“潮汐泵”(D.Garnett，2004)］。

方法技术研究和应用，更多涉及选择性提取技术。在不同的景观条件、不同的矿床类型区开展工作所选用的提取剂类型、浓度、提取温度、操作流程各不相同，主要提取剂有:去离子水、活动金属离子提取剂(MMI)、焦磷酸钠、醋酸铵、冷盐酸羟胺、热盐酸羟胺、酶提取、柠檬酸铵以及地气测量所用的高纯度提取剂，采集的样品类型也直接影响勘查的效果。

深穿透地球化学方法关键问题是提取技术和目标矿物、采样深度的确定，以及提取过程的控制等，元素从深部向地表迁移的机理，仍是深穿透技术方法研究的热点。我国自主研发的深穿透技术，与国外同类技术基本同步，在元素迁移机理方面研究略弱于国外。总的来说，深穿透地球化学勘查方法技术还存在不少问题有待解决，要实现实质性突破尚需时日。

七、3D地球化学在矿产勘查中的应用

随着计算机技术的巨大进步，地球化学数据处理和图示方式发生了深刻的变化。从2D(平面)走向了3D(立体)，从而使地球化学分带模型、地球化学分散模型更加直观和形象，可以发现许多新的地球化学指向标志，区分近矿和远矿地球化学特征，大大提高了地球化学异常解释推断水平。先进的3D可视化软件的发展，使人们能够在三维空间内充分集成地质、地球化学和地球物理数据。不久的将来，3D地球化学在以下几方面的应用将有所进展:①连续取样－分析在多种矿床类型中的应用;②3DGIS的查询和多元分析;③利用氧化还原边界作为地球化学确定盲矿体位置的标志;④在范围广泛的多种地表介质中的应用。

八、地球化学分析测试技术的进步与发展

随着分析技术的进步，地球化学测试的新方法新技术不断涌现，测试的灵敏度和精确度不断提高。目前，几乎周期表上所有元素(气体元素除外)都能够快速和低成本地被测定出来，例如偏提取技术、地质年代学、蚀变因子分析、流体包裹体研究、同位素分析等，为勘查地球化学家提供了前所未有的选择，为化探方法技术研究开辟了一片新天地。

分析技术的进步主要表现在ICP－MS的不断改进，实现了从地壳丰度到矿石级含量水平的全元素分析(71种元素)，并使大量元素的分辨率和测试精度趋于更高，从而可以低成本获取到大量的高精度地球化学数据，也使稀土元素和Pb同位素测试的成本大大降低，为在矿产勘查中常规利用稀土元素和Pb同位素作为指示元素开创了新的局面。

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