地球物理找矿法(一).ppt

地球物理法 绪论磁法勘探重力勘探电法勘探 绪论 研究范围与分类 地球物理勘探是应用地球物理学的一个分支 它的任务是配合地质研究地壳浅层地质构造 寻找有工业价值的矿产 用物理学的方法和仪器 测量地表浅层岩石和矿石由于物性不同所引起的物理场差异 分析测量结果 推求地下可能存在的构造和矿产的赋存情况 这就是地球物理勘探的目的 绪论 研究范围与分类 就物探解决的地质任务和寻找的地质对象而言 有探查储油构造的石油物探 圈定含水层 解决铁道和公路建设等工程问题的水文和工程地质物探及直接或间接普查勘探各种金属矿的金属矿物探 就仪器的使用方式而言 物探又可分为 航空 地面 和 地下 几种 绪论 岩石和矿石的物理性质 为了解决某个地质问题 首先要研究一个地区的地球物理前提 即矿体与围岩之间或地质体之间的物性差异 这对合理选择物探方法是十分重要的 岩石 矿物的主要物性包括磁化率 密度 电阻率 极化率以及弹性波的传播速度 放射性等 下面列出的部分数据只能作为参考 在解释物探成果时 必须实地进行岩石 矿石的物性测定 绪论 岩石和矿石的物理性质 1 磁化率岩石和矿石在地磁场作用下因感应磁化而带磁性 磁性以磁化强度j表示 j是单位体积内的磁矩 ji表示岩石或矿石在现代地磁场作用下所带的磁性 即感应磁化强度 有些岩石在其形成的地质历史过程中被磁化 经历了构造变动或地磁场变化后 仍保持着当初所获得的磁性 这部分磁性称为剩余磁化强度 jr 绪论 岩石和矿石的物理性质 ji和jr都是向量 其向量和称为总磁化强度j ji jr 在各向同性的岩石中 ji与作用于岩石上的磁化场h 地磁场 成正比 即ji h 比例常数 称为磁化率 它表征岩石或矿石在地磁场中被磁化的难易程度 ji jr和 均以cgsm 绝对静磁单位 或10 6cgsm表示 绪论 岩石和矿石的物理性质 岩石 矿石按其磁性可分为三类 反磁性的 即ji与h的方向相反 为负值且数值非常小 如石英 大理石 石墨 硬石膏等 顺磁性的 ji与h的方向相同 为正值且数值也很小 如片麻岩 白云岩 伟晶岩等 铁磁性的 为正值且数值很大 并随磁化场强度与磁化时温度的不同而异 如含铁 镍 钴高的岩石及磁铁矿 磁黄铁矿 钛铁矿等 绪论 岩石和矿石的物理性质 两类的磁性均很小 不足以引起磁法所研究的异常 通常划为无磁性岩石 类岩石可因含少量铁磁性矿物而变为弱磁性 也可因含赤铁矿或二氧化锰而变为反磁性岩石 岩石的磁化率与铁磁性矿物含量 矿物粒度及其分布状态有关 含磁铁矿越多 其磁化率也越大 但二者的关系是复杂的 由表10 1可见 在火成岩中 超基性岩磁性最强 基性岩次之 再次为中性 酸性火成岩 玄武岩和安山岩也有较强的磁性 沉积岩的磁性一般都很小 有些变质岩如含铁石英岩磁性较强 但大多数变质岩的磁性都不强 矿物中则以钛铁矿 磁铁矿和磁黄铁矿的磁性最强 绪论 岩石和矿石的物理性质 绪论 岩石和矿石的物理性质 2 密度 表10 2 代表单位体积的质量 其单位为克 厘米3 金属矿的密度大 4 5 岩石的密度约为2 3 火成岩的密度随二氧化硅的减少而增大 超基性岩的密度比酸性岩大 深成岩的密度一般比喷出岩大 年代老的岩石比年代新的岩石密度大 火成岩中非晶质物质的数量增多 其密度减小 沉积岩的密度视其孔隙度 含水程度 埋藏深度而不相同 金属矿的密度虽大 但在矿体中分布不均 对矿体的平均密度影响较大 绪论 岩石和矿石的物理性质 绪论 岩石和矿石的物理性质 3 电阻率 表10 3 表示电流通过某一物质时的困难程度 它等于该物质在单位长度和单位截面积情况下的电阻值 许多金属矿物 如黄铜矿 磁铁矿 磁黄铁矿 方铅矿等都属于良好的电子导电矿物 它们的电阻率都很低 可用电法直接或间接探寻这些矿床及其伴生矿床 岩石的电阻率变化很大 在干燥状态下岩石几乎近于绝缘体 由于岩石中均有各种孔隙 其中的水分含有浓度不同的盐类 故导电性不等 即使是同一种岩石电阻率值也往往相差很大 岩石的电阻率主要取决于其温度与孔隙中水的矿化度 绪论 岩石和矿石的物理性质 导电矿物的含量和成分并不能完全决定其电阻率的大小 而主要决定于矿石的结构 即与矿物的分布有关 同样成分和含量的金属 若矿物呈脉状分布 电阻率可能小 若呈浸染状分布 则电阻率大 炭化或石墨化岩层电阻率较低 闪锌矿虽是电子导电矿物 但常温下并不导电 电阻率极大 火成岩的电阻率大都比沉积岩大 沉积岩的电阻率与电流流经层理的方向有关 岩石冻结时电阻率剧增 常使电法勘探产生困难 在冻土带或接地电阻大的地区 由于其交流阻抗小 使用交变电流的电磁感应法比较有利 绪论 岩石和矿石的物理性质 绪论 岩石和矿石的物理性质 4 激发极化参数 表10 4 通以直流电于含矿岩石 电流稳定后 在岩石某两点上测得一电位差 一次电位差 v1 若迅速切断电流 v1并不立即消失 而是缓慢地衰减到零 这种现象称为激发极化或超电压现象 含电子导电矿物的岩石 其瞬变电压衰减速度慢 而不含矿的岩石衰减速度很快 通常测量断电后某一瞬间 如0 45秒 的瞬变电压 二次电位 v2 令 v2与通电时测得的 v1相比较 其百分比用 表示 称为极化率 用以表征岩石 矿石的一种极化特征 是没有量纲的 绪论 岩石和矿石的物理性质 如果 v2对断电后某一段时间 如0 45到1 1秒 积分 则得衰减电压曲线下面的面积m m与 v1的比值称为充电率 m 它反映了二次电位随时间的衰减率 同样 也能表征岩石 矿石激发极化特性 其单位为毫伏 秒 伏 或毫秒 由于所利用的是衰减曲线的一段而不是一个点 根据m比根据 能够更充分地研究岩石 矿石的激发极化特征 绪论 岩石和矿石的物理性质 如果通入岩石中的电流不是直流而是交流 则用不同频率的电流测得岩石的阻抗也不同 实际工作中 为避免导线间电磁耦合影响 最高工作频率不超过10赫 一般是0 01 10赫 在低频 如0 01赫 下测得的岩石视阻抗比在高频时 如5赫 要大 在两种频率 f1 f2 f2 f1 下测得的岩石阻抗 z f1 z f2 的差 与其中某一频率测得的阻抗的比值 以相对百分表示 称为视频散率 以 s示之 国外称作 百分频率效应 p f e s是无量纲的 国外还用金属因数 m f 来表示极化参数 其量纲为欧姆米 1 绪论 岩石和矿石的物理性质 金属矿物 包括石墨 的激发极化效应 在10一50 之间 比非金属矿物大 离子导电的岩石 其激发极化效应都很小 2 也比较稳定 成为背景正常效应 绪论 岩石和矿石的物理性质 在野外测得的视极化率大于5 时即认为是异常 值大 表示有电子导电矿物存在 值大小与电子导电矿物的总含量有一定的关系 但并没有普遍适用的规律可循 常见的几种矿物中 石墨的 值最大 其次是黄铜矿 方铅矿 再次是黄铁矿 闪锌矿 对于同样成分的矿物而言 其 值都是随矿物总体积含量的增大而增大 岩石 矿石的结构 构造对 值影响很大 如导电矿物颗粒小又呈浸染状分布 激发极化效应将比金属导电矿物含量相同的致密块状矿石要大 导电矿物呈脉状或薄膜状排列时 垂直脉状排列方向 值小 平行排列方向 值大 绪论 岩石和矿石的物理性质 绪论 物探方法分类及应用条件 寻找金属矿与研究浅层构造的物探方法主要有磁法 重力法与各种电法 地震法和放射性法不常用 磁法与重力是研究地球磁场和重力场的局部变化 所研究的场属于天然场 电法中的自然电流法 是研究由硫化矿局部氧化产生的天然电场 而天然音频电磁场法则是研究远方雷电活动在地下造成的电磁场 这些方法都属于天然场法 绪论 物探方法分类及应用条件 在直流电法或电磁感应法中 需要人工建立一个恒定的电场或交变电磁场 并测量这些场的畸变 这些方法则属于人工场法 在地震法中 人为地在地面或地下某点产生爆炸 测量弹性波到达各点的时间及信号强度 激发极化法是测量矿体极化后恢复到原来状态所需要的时间 它研究的是一种瞬变不稳定电场 属于所谓张弛法类 放射性法就接收的信号而言 是在已知面积上或体积内的统计平均 属于积分效应法类 各种物探方法的应用条件与范围列于表10 6 绪论 物探的一般工作方法 1 地质任务的确定物探与地质相结合 是物探工作取得成效的重要条件之一 因此 地质人员应对各种物探方法的应用条件 范围以及解决问题的程度有一个基本的了解 要找某一种矿 先要了解物性前提 若同时有几种前提 则要选用最经济有效的 种物探方法 而以另一种方法作为辅助手段 若没有物性前提 则要采取间接方法 一是用适当的物探方法寻找与某种矿产伴生的金属矿 进而找到矿床 绪论 物探的一般工作方法 二是寻找控制成矿的构造 进而查明这些构造带内的矿床 如要找的是一个构造 背斜 向斜 断层等 能用的方法就很多 应根据具体情况采用那种费用省 方法简便 成果易于解释的方法 可用地震也可用电法勘探解决的任务 则以用电法比较经济 绪论 物探的一般工作方法 2 比例尺和测网的选择物探采用的比例尺一般与地质测量相同 不同的物探方法 所用比例尺的范围不完全一样 如磁法 可从小比例尺的航空磁测 直到大比例尺的地面详测 而自然电流法则很少用于小于1 5 000的测量 金属矿物探常用的测量比例尺参见表10 7 绪论 物探的一般工作方法 选择测网的基本原则是 就寻找测区有工业价值的最小矿体而言 普查时 测线距应不小于最小矿体所产生的异常长度 要有2 3个测点通过异常范围 详查时 要有6 7条测线通过异常带 每条测线上要有10多个点反映出异常的存在 测线方向尽可能要垂直构造 岩层或矿体走向 以使异常梯度最大 异常最明显 测线长度应使其两端进入正常场范围 普查时如发现测线方位不合适 可根据具体情况改变测线方向 布置测网时 应先在测区布置一基线 其方向与岩层或矿体走向平行 再在基线上按测线距打下测线基点标桩 并写明测线编号 用仪器或测绳拉测点距 并用临时标签标明测点 或用罗盘定方向 以步测定距离 绪论 物探的一般工作方法 3 观测的精度系统误差可通过相应的改正来消除 偶然误差 如仪器未调好和人为的估读误差等 通过改正并不能消除 须用均方误差或相对误差来表示观测精度 前者多用于磁法 后者多用于电法 绪论 物探的一般工作方法 一般相对误差不超过5 工作质量即认为是合格的 在磁测工作中 认为均方误差应小于有意义的异常值的三分之一 所以均方误差应视磁测所要解决的问题而定 精度要求 不一定越高越好 精度过高 数据虽可靠 但影响工作效率 精度过低 则影响地质效果 所以观测精度应根据具体任务来定 绪论 物探的一般工作方法 4 成果的表示数据经过必要的改正和处理后 可绘成下列三种图纸 平面等值线图在平面图上 根据规定的比例尺画上测线 并在测线上标出测点 再将数据写在测点旁 在全面研究数据的基础上 用内插法勾绘等值线 等值线间隔取观测精度的倍数或成其他整数倍 剖面曲线绘制方法与地形剖面图相同 横坐标代表测线距离 按地形图比例尺标上测点位置 纵坐标表示测值 其比例尺应使纵坐标上1毫米与观测值的均方误差相对应 将各点所测的物探异常值标在图上 并用线连接各点的异常值 示出异常沿剖面的变化 绪论 物探的一般工作方法 平面剖面图在平面图上按比例尺绘出所测的各条测线 在每条测线上绘出各自的剖面曲线 整个一起构成平面剖面图 勾绘等值线时 切忌主观片面性 要防止机械地内插决定等值线所经过的位置 而要充分考虑地质特点 勾出圆滑 美观的曲线 某些数值低 表现规则而有一定范围的观测值 可能与深部地质体有关 应予注意 不可轻易舍弃 平面剖面图能反映出异常细节 而平面等值线图由于不能过密 故不足以反映细节 绪论 物探的一般工作方法 5 成果的解释物探图要与地质图对比 先看物探异常与已知矿或有利成矿构造 岩层在部位上是否有对应关系 若二者位置吻合 至少证明该方法是有意义的 对找矿可能起指导作用 若已知矿点上无异常 则要进一步找原因 而不应轻率地加以否定 在新区 物探异常与地质情况不符合 是不足为奇的 因为地质界线常是推断出来的 地表所见可能只是矿化现象 绪论 物探的一般工作方法 一般说 在保证物探工作质量的前提下 引起物探异常必有其原因 应给予山地工程验证 用以修正地质图上的地质界线 并查明是否是矿异常 验证前 要仔细分析异常 作到合理地布置工程 在地质验证过程中 还应利用钻孔做一些电测井或磁测井 进一步研究岩石 矿石物性 寻找井旁未打到的矿体 绪论 物探的一般工作方法 物探方法有一定局限性 例如有些方法勘探深度不大 对地形起伏反应灵敏 有些方法不能分辨矿与非矿异常 或对矿体产状反应不明显 许多物探异常又有多解性 这些问题在成果解释时都要给以足够注意 防止把地形 浅部的非矿干扰误认为矿异常 总之 物探异常的推断解释是一项比较复杂的工作 只有通过综合研究 综合分析 在实践中不断总结经验 深化认识 才能逐步作出比较客观的判断 磁法勘探 磁法勘探是地球物理勘探中应用最 也是目前金属矿区普查勘探中应用最广的种方法 它是通过研究天然地磁场在空间分布规律及其变化来解决地质问题的 磁法勘探 地磁场和异常磁场 1 地磁场地球周围空间存在着一个与均匀磁化球相似的磁场 通常设想地心有一短磁棒 其磁场代表地磁场 图10 1 磁棒轴通过地心 与地球自转轴 真北 的夹角为 11 5 其磁矩m 8 3 1025cgsm 平均磁化强度j 0 072cgsm 磁法勘探 地磁场和异常磁场 地表各点的磁场强度 t 按直角坐标可分解成三个分量 垂直分量z 指北的水平分量hx和指东的水平分量hy 磁场强度t与水平面的夹角i称为磁倾角 在北半球 t指向下 i为正值 在南半球 t指向上 i为负值 hx hy h 水平分量 h与真北方向 x轴 间有一偏角d 称为磁偏角 h偏东 d为正 h偏西 d为负 h 或hx hy z d i t统称为地磁要素 它们彼此之间呈呈简单的三角函数关系 图10 2 磁法勘探 地磁场和异常磁场 地磁场强度的单位为奥斯特 在磁法勘探中用1奥斯特的十万分之一作单位 旧称为伽马 现记作nt 在地磁赤道 地磁场垂直分量z 0 水平分量h最大 0 35奥斯特 在地磁两极 z最大 0 7奥斯特 h 0 由地磁赤道向北 或南 z随纬度而改变 平均每公里约增大9 4nt 而h值则相应地减少4nt 在地磁赤道i 0 在地磁两极i 90 由地面向上 地磁场各分量随高度的增加而减小 每升高1公里约减少几十nt 磁法勘探 地磁场和异常磁场 随时间的推移地磁场的强度也有变化 除周期不定的磁暴干扰外 还有以昼夜为周期变化较弱的日变 前者影响野外磁测的进行 后者仅对精度要求较高的磁测有影响 磁场日变幅度 高纬度区比低纬度区大 夏季比冬季大 在一天中 大致是夜间和早晚较平稳 可能与太阳有关 上午变化较小 下午回升 最大变化约为50nt 地磁日变影响可以通过改正消除 磁法勘探 地磁场和异常磁场 2 异常磁场 磁异常 由于各种岩石和矿石在地壳中的分布不均匀以及地质构造的存在 地下物质磁性的分布也是不均匀的 它们在地磁场的作用下 被磁化后即带有强弱不等的磁性 有的还保留有剩余磁性 因此 它们在空间各自形成一局部的并带有一定特点的磁场 叠加在较均匀的区域地磁场之上 使磁场发生局部畸变 这种畸变的磁场 即通常所称磁异常 磁法勘探 地磁场和异常磁场 磁法勘探即是使用仪器在地面 空中或井下测量磁性异常情况 并对之进行分析研究 作出解释推断 从而解决地质找矿问题 由于地磁场与放在地心的磁偶极 短磁棒 等效 其n极在南方 s极在北方 磁力线由南到北 在北半球磁力线指向下 地质体被磁化后一般上端成s极 读数规定为正值 即正异常 下端成n极 读数为负 即负异常 磁法勘探 地磁场和异常磁场 磁异常的强度 分布和特征与磁性地质体的性质 磁化强度 规模大小 形态和产状等有关 不同形态的磁性体在 z平面等值线图上的表现也不同 等轴状 球状 矿体的磁力等值线接近圆形 图10 3 磁法勘探 地磁场和异常磁场 有一定走向长度的矿体 板状体 z平面图呈椭圆形 或长条状 椭圆长轴常与矿体走向一致 图10 4b 矿体的大小可从等值线的范围看出一个轮廓 当 z强度和梯度大时 表示矿体的埋深小 反之 埋深大 磁法勘探 地磁场和异常磁场 若矿体倾斜 则 z平面图上异常两侧等值线疏密不同 剖面图上异常曲线不对称 并可出现负值 图10 5 此外 z的特征还与矿体磁化方向j有关 磁法勘探 地磁场和异常磁场 假设在北半球有一垂直磁化的直立板状体 则其上端的磁性为南极 s 下端为n极 s极产生正异常 n极产生负异常 因s极比n极离地表近 故正异常比负异常绝对值大 板的上方正负异常叠加后 曲线仍对称 正异常两侧有负异常 图10 6 磁法勘探 地磁场和异常磁场 若矿体向下延深为无限大 负异常趋于零 则只有s极引起正异常 如果直立板状体是斜磁化的 尽管板状体直立 极的两侧异常叠加后并不对称 在磁力线穿入板的那一侧和上端为s极 在磁化量所指的那一侧负异常比另一侧的要大 磁法勘探 地磁场和异常磁场 如果板状体是倾斜的 可以有两种情况 一是磁化方向与板状体倾斜方向一致 即顺层磁化 则矿体上端是s极 下端是n极 两侧不出现磁极 两端异常叠加后 由于矿体下端偏向一侧 使该侧的负异常比另一侧的大 曲线不对称 图10 7 磁法勘探 地磁场和异常磁场 磁化倾角或矿体倾角越小 曲线越不对称 在顺层磁化的情况下 有限和无限延深的板状体 其异常曲线也各不相同 二是磁化方向与板状体倾斜方向不同 即磁化倾角与矿体倾角不等 曲线更为复杂 磁法勘探 地磁场和异常磁场 3 航空与井中磁测 1 航空磁测为了大面积普查 特别是在交通不便 通行困难的地区普查 采用航空磁测不但经济 而且收效快 缺点是小的飞行误差可使异常体的位置产生大的误差 gps的应用极大地改变了这一缺点 另外 如果测量仪器反应不快 横向延伸小的异常体也会漏掉 磁法勘探 地磁场和异常磁场 磁饱和式磁力仪最近用于航空磁测 其灵敏元件放在用电缆拖曳在飞机后面的吊舱中 以减少飞机机件的磁性对该元件的影响 测得的讯号输出送回到飞机里面的自动记录仪器上 可得到连续的磁测曲线 飞行高度取决于测量的要求 因为探头安装在吊舱里 为了安全 飞行高度不宜太低 而且要对地面情况有良好的明视度 磁法勘探 地磁场和异常磁场 如寻找金属矿 由于埋深不大的三度磁性体 其磁异常的大小与飞行高度呈三次方衰减 所以又应尽可能的低飞 以便找到埋藏较深的矿体 这时不要求保证一定的飞行高度 但要保证对地面有一定的明视度 在沉积盆地的区测工作中 有意义的是沉积岩下面的火成岩或变质岩基底 不是找浅部的异常 这时飞机可保持在一定海拔高度飞行 磁法勘探 地磁场和异常磁场 飞行测线间距也取决于探测的目的 探测构造 测线距可以是1公里以上 寻找金属矿 测线距应缩小到1 4或1 5公里 以便不漏掉所要找的矿异常 测线要与所找的地质体的走向呈最大的交角 航空磁测异常的解释与地面磁测的解释相似 目前主要是定性解释 测线如果密 也可勾绘等值线图 在定量解释中不是依据 z 或也h 而是依据地质体总磁场 t的解析公式进行分析计算的 磁法勘探 地磁场和异常磁场 2 井中磁测一般是在钻孔中逐点测量三个分量 z 与地面磁测一样