中国地质调查局组织开展的深部找矿方法技术研究.doc

中国地质调查局组织开展的深部找矿方法技术研究 成果、现状和近期计划 前言 中国地质调查局的主要职责之一是，组织开展与地质调查相关的关键技术的研究与攻关，发展地质勘查高新技术，推动地质技术进步。技术研发工作部署的重点是面向地质工作的重大技术需求，即地质工作中的那些涉及面广、影响作用大的关键技术问题。从1999年地调局成立以来，深部找矿方法技术（地表大深度物探技术、地下物探技术、大深度航空物探技术、深穿透地球化学勘查技术、深部钻探技术等）的研究就一直是地质调查技术研究与开发工作的重点。国务院关于加强地质工作的决定颁布以后，按照“东部攻深找盲、中部发挥特色、西部重点突破、境外优先周边”的资源勘查工作部署，我们进一步加大了深部找矿技术研发的力度，“第二找矿空间（500-2000m）”的勘查技术问题成为技术研发工作的“重中之重”，一方面是因为“第二找矿空间”的矿产资源潜力巨大；另一方面是因为在这个空间找矿难度很大，对找矿的方法技术有着高度的依赖性。“十一五”期间我局此方面工作欲实现的目标是组织深部找矿技术的研究与开发，形成适合我国矿资源特点的2000米深度精细资源探测技术体系，使我国深部矿产资源探测技术接近国际先进水平，实现我国深部资源探测技术的跨越式发展。 技术研发工作部署的基本原则是 ⒈以“自主创新、重点跨越、支撑发展、引领未来”的国家科技发展方针为指导； ⒉以“加大地下资源的探测深度、提高探测精度和分辨率、降低勘探成本”为目标； ⒊采取多个专业、多种方法同时推进的全方位研发策略。 以下简要介绍中国地质调查局在开展深部找矿技术研发方面获得的成果以及目前正在开展和下一步计划开展的研究工作。 1 已获得的深部找矿技术研发成果 1. 1物探技术研发成果 1.1.1高温超导磁强计-瞬变电磁测量技术 研制了瞬变电磁仪。在瞬变电磁测量技术研究中，引入了高温超导技术，研制出了实用化的高温超导磁强计，取得了具有完全自主知识产权和具有国际先进水平的创新性科研成果。经过在不同工区、不同地形的地区大量野外试验证实研制的单分量高温超导磁强计大大地提高瞬变电磁法的勘探深度，在试验区提高勘探深度达50％以上。在此基础上，又研制出了三分量高温超导磁强计样机。进行了大量的野外剖面测量试验，获得了瞬变电磁法三分量磁场剖面曲线。野外试验结果表明三分量高温超导磁强计工作稳定，测量数据可靠，提高了瞬变电磁法的水平分辨率。该技术研究成功，推动了瞬变电磁法的发展进步，为危机矿山探边摸底和寻找深部隐伏大矿提供了一种高新技术手段。 1.1.2航空物探技术 研制了新一代航空氦光泵磁力仪（HC-2000型），其灵敏度达到0.0025nT，居同类仪器国际先进水平。该仪器在地质调查和深部找矿中发挥了重要作用。例如，根据航磁测量的资料，大冶铁矿在其深部外围获得了重要的找矿新发现。 研制和集成了航空物探（磁/电/放）综合站，为1∶5万或1∶10万地质调查提供了一种廉价、高效的工作手段。一次测量可得到电性、磁性和放射性三组地球物理特征参量，可用于推断、圈定区域岩体及其岩性、构造等目标体特征。该系统已在地质调查和国家专项中得到广泛应用。 1.1.3地下物探技术 地下物探方法技术研究和应用，取得了一系列成果 ⑴研制成功我国第一台井中高精度质子磁力仪样机，精度优于5nT，为我国中－弱磁性矿区开展井中磁测提供了可用的设备。 ⑵研制了大功率100W无线电波法地面发射机，为地－井方式无线电波透视法提供了可用设备。 ⑶研究了地－井TEM三维正反演方法，并编制了相应的计算程序；开发了地－井三分量TEM异常矢量交会计算、图示程序；开发了井－地电阻率、激电相位三维人机交互反演软件。 ⑷在青海昆仑山肯德可克金矿区依据地井IP、地井TEM和井地充电法发现的孔旁与孔底异常，分别发现了孔旁与孔底下方的盲主矿体；在督冷沟钼矿和锡铁山铅锌矿区，也发现了有找矿价值的异常；在新疆小热泉子铜矿区，依据地－井TEM发现的孔旁异常，发现了盲矿体；在维权铜矿区，地－井和井－井电磁波透视法的层析成像结果清晰反映了矿层的形态和延展情况。 1.1.4金属矿二维地震找矿方法技术 开展了散射地震勘探技术基础理论和勘探技术研究。通过数值模拟方法研究了散射波特征与地质体的对应关系，研究了散射成像技术和针对地震剖面解释的地震波识别问题。结合全国危机矿山接替资源找矿项目的实施，2006年至2008年，在云南个旧开展了金属矿地震试验工作。试验数据初步处理的结果表明，采用散射法比反射法能够获得更加清晰的花岗岩界面成像。 在新疆小热泉子铜矿床、内蒙古拜仁达坝银铅锌多金属矿、甘肃金昌镍铜多金属矿的勘探中，应用散射波地震勘探方法，取得了较好的效果。 1.2化探技术研发成果 在国家有关计划和地质大调查计划的持续支持下，“深穿透地球化学”研究取得了一系列进展,发展了5种深穿透地球化学技术，包括细粒级采样与分离技术、元素活动态提取技术、地球气纳微金属测量技术、电地球化学测量技术和地下水化学测量技术；重点建立了元素活动态提取技术的标准化流程；初步建立了含矿信息向地表迁移的深穿透地球化学模型；地气测量方法在方法技术研究和找矿应用方面都取得了较好的进展。 结合市场需求，地气测量方法先后在青海祁连尕大板地区、化隆拉水峡镍矿区、青海共和满隆山地区，内蒙古阿荣旗太平沟地区、鄂伦春旗扎赉河地区、西乌旗拜仁达板地区，甘肃民乐三岔地区等进行找矿实践，不仅积累了大量宝贵的地气观测数据（6000多个观测点），而且还获得较好的找矿效果。如在青海祁连尕大板多金属矿产勘查中，采用地气方法在多处发现不同厚度的多金属富矿体，初步确定该区的找矿前景，成为青海省在海北地区的主要突破点之一。在内蒙古阿荣旗太平沟钼矿勘查中，在预测远景区布置了四条地气测量剖面，发现了几条清晰的Mo地球化学异常。根据地气异常特征，布置了706孔，该孔共见到工业矿体300米，从而揭开该矿大规模勘探的序幕。在已施工的12个钻孔中有11个钻孔见到钼矿。通过对12个钻孔中取出的岩心分析，该矿区钼矿的平均厚度达百米以上，钼平均品位0.11，最高品位1.12。 1.3深部钻探技术研发成果 研制出了YDX-3型1000米全液压动力头岩心钻机。全液压动力头岩心钻机与目前我国大量使用的立轴式岩心钻机相比，具有施工效率高和施工质量好的特点。该钻机是我国岩心钻机更新换代的首台机型，其技术性能指标达到同类钻机的国际先进水平，而价格只有国际同类钻机的1/3。成果得到了迅速推广，2006年鉴定后已销售30余台，产品还销往澳大利亚、俄罗斯和伊朗。 在“中国大陆科学钻探工程”项目中，研发了一批深孔取心钻探方法技术，包括金刚石钻头、液动锤、取心工具等，为5000m硬岩取心钻探项目的胜利完成提供了保障条件。其中有些技术可以在地质深孔钻探中推广应用。 2 正在组织开展的深部找矿技术研发工作 2. 1物探技术 2.1.1大深度高分辨电磁测量技术研究与多功能电法仪器研制 研究与开发探测深度1500米、可实时变频、密集频点连续发射、多测点阵列同步宽带接收、多方法（CSAMT、IP、AMT）有机结合的中、大功率人工源多功能电磁法探测系统，实现资源勘查中的大深度高分辨探测。该项研究受到国家863计划和地质大调查专项的同时支持，最终要获得具有自主知识产权的成果。 2.1.2高精度重力仪研制 研制高精度石英弹簧重力仪，将重力仪的分辨率由国内目前的0.01mGal提高到0.005mGal，同时明显扩大仪器的量程。 2.1.3矿区深部找矿物探方法与解释技术研究 研究以可控源音频大地电磁法、瞬变电磁法和地－井瞬变电磁三分量深井探测方法为主的矿区深部找矿工作方法和数据处理解释技术，完善电法工作站和重磁三维反演解释系统，研究电磁法二维、三维正反演方法技术，为矿区深部找矿提供实用、有效的方法技术手段。 2.1.4 X荧光测井仪研制 X射线荧光测井技术可以使地下物探由过去的只能“定性”，发展到当代的“定量”阶段,在井中原位测定岩石中金属矿产的品位,划分矿层厚度,计算线储量,现场实时提供结果。由此可见,X射线荧光测井不但简化了获知钻探结果的工作程序,节省了资金，而且更重要的是大大缩短了获知钻探结果的周期。上世纪60年代末,美国、英国、苏联等技术发达国家已开始进行该技术的研究。在俄罗斯，X射线荧光测井在金属矿上应用广泛，开展了无岩芯钻探，以X射线荧光测井资料作为评价井孔矿层位置、品位与储量的主要依据。正在地调项目中开展研制的X荧光测井仪的最大使用深度为1500m，探头直径42mm，每次可同时测量8种以上元素。通过更换发射源，可实现对几十种元素的测量。 2.1.5航空物探技术研发 配合国家863计划的实施，中国地质调查局正组织开展航空物探高新技术的研究。正在实施的863计划重大项目“航空地球物理勘查技术系统”的主要研制内容包括航磁多参量测量系统（梯度、三分量）、直升机时间域电磁测量系统（深度300m、固定翼时间域电磁测量系统（深度500m、航空伽玛能谱测量系统、航空重力测量系统。以上述系统为基础形成的新一代的航空物探综合站将比目前的航空物探综合站具有参数更多、探测深度更大、分辨率更高的特点，将为我国的地质调查和深部找矿提供一种非常有效的技术手段。 2.2化探技术 2.2.1“三维多元”地球化学找矿方法研究 “三维”是指矿区的地质、地球化学成矿、成晕三维空间；“多元”是指地球化学采样介质的多样性和地球化学示踪多参数。该方法通过建立矿区地质、矿床、元素的“三维”可视化系统，将矿区成矿成晕机制研究与地球化学找矿方法试验有机结合起来，建立深部矿体与地表地球化学示踪指标之间的内在联系，预测和判别矿山深部和外围找矿前景。 2.3深部钻探技术 2.3.1全液压动力头岩心钻机系列研制 地调局正组织研制全液压动力头岩心钻机系列（300m、600m、1000m、1500m、2000m），为地质岩心钻机更新换代做准备。其中的1000m钻机已经完成，600m钻机接近完成，2000m钻机已被列863计划重点项目。其余钻机的研制已经开始。 2.3.2深部复杂地层钻探技术难题攻关 针对深孔复杂地层钻进的各种钻探技术难题，组织开展取心、钻孔护壁堵漏和定向钻进等技术的攻关，以便提高钻探效率，改善钻探质量，降低施工成本。 3 计划近期开展的研究工作 3.1人工源大功率极低频电磁测量技术研究 人工源大功率极低频电磁技术是用人工方法产生0.1-300Hz频率范围的强电磁场信号，信号在地面和电离层之间的波导中可传播至数千公里距离，在这个距离范围内任何地点进行测量，可以高精度地探测自地表到10km深度左右的地下电性结构，可用于金属矿、石油、地下水等方面的勘查，也可用于环境和灾害监测。该方法与现有的电磁测量方法相比，具有探测深度大、精度高、抗干扰能力强、设备轻便和成本低的优点，是一种前景十分看好的深部探测方法。 “地下资源与地震预测极低频电磁探测网”是“十一五”期间计划新建的十二项国家重大科技基础设施项目（重大科学工程项目）之一，该项目的目的是将建立一座电磁波覆盖全国的极低频民用发射台（大功率无线电发射机以及两条长度数十至上百公里、相互正交的发射天线和接地体），使之成为我国相关应用领域和前沿科学研究的重要平台，为资源开发、地震预测等提供有力的支撑。项目总投资3.8亿元，建设期约为3年。项目建设单位为中国船舶重工集团公司、中国地震局和中国科学院。中国地质调查局已经和以上单位进行了联系，达成了合作意向。中国地质调查局将以该项目为依托，组织开展相关的应用研究。 3.2金属矿三维地震技术研究 由于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，理论上，金属矿二维地震勘探就不可能准确地探测与金属矿有关的三维地质体，以至于妨碍了地震方法在金属矿勘查中的应用。与二维地震勘探相比，三维地震勘探能提供高品质的地下立体构造图像。我国著名的南堡油田的勘探之所以能取得重大突破，在很大程度上归功于三维地震勘探的采用。国外开展了三维金属矿地震方法技术研究，并取得了较好的勘查结果，较好地解决了金属矿勘探中的一些地质问题。金属矿三维地震勘探在国内还未开展。为了加强深部找矿效果，开展该项工作十分必要。 3.3高精度井中三分量磁测仪研制 我国上世纪七、八十年代就研制成功了井中三分量磁力仪，并得到了普遍应用。这些年来，该项目技术进展缓慢。仪器存在精度低，稳定性差，不能满足中弱磁性矿区测量要求的缺点。研制高精度井中三分量磁测系统十分必要。 4 几个值得重视深部找矿技术问题 4.1重视井中物探的作用 把物探仪器下放到钻孔中进行探测，相当于减小了物探工作的深度，并且免除了地形、覆盖层等干扰因素的影响。通过井中物探，可得到地层与矿体的有关物理参数，探测范围可数百米甚至更远。对于埋藏较深的隐伏矿,深钻的成本会大幅度提高,钻探的命中率也较低。通过开展井中物探，可以避免矿体近在咫尺,而与钻孔失之交臂带来的风险。可以在钻孔内开展的井中物探方法有很多，涉及重、磁、电、震、放五大地球物理测量种类，每一类又可能有多种方法。因此，开展井中物探可获得大量有价值的深部找矿信息。我国地下物探存在的问题主要是矿产勘查工作中对地下物探的认识和重视不够，由于使用较少，造成地下物探技术发展缓慢，与国际先进水平的差距越来越大。 4.2重视多种方法结合应用 物探技术方法种类多，并且各具特色，是一种最重要、应用最广泛的深部找矿技术。由于多种因素影响物探测量的解释结果，物探技术具有多解性，这是该技术的弱点。如果同时采用多种物探方法进行测量，或结合采用化探，对结果进行综合解释，则可明显降低其多解的程度，达到较好的找矿效果。 4.3重视野外现场快速测定方法的应用 现场快速测定方法的采用，会加速找矿出成果的时间,并且避免产生错误结论和漏矿。在地调项目范围内，已经成功研发出两种非常有效的现场快速测定方法⑴便携式X萤光分析仪；⑵便携式近红外光谱分析仪。前者可用于快速确定块状或粉状岩石样品的元素种类及其含量，可测量元素周期表上从钾到铀之间的所有元素。后者可测量块状或粉状岩石样品中含水蚀变矿物的种类及其含量。两种仪器都非常轻便，并都达到了世界同类仪器的先进水平。两种仪器若能在深部找矿中推广应用，不仅会加强找矿效果、提高找矿效率，并且有助于了解发现成矿作用的空间分布规律，建立成矿模型，对深部的矿体进行预测。 4.4重视低成本钻探技术的应用 钻探是深部找矿不可或缺的手段。钻探施工的特点是成本高，对矿产勘探总成本影响大。为此，在制定深部钻探技术方案时，应对方案进行技术经济学分析和对比，在满足勘探效果的前提下，应尽量考虑采用低成本的方案。以下几种情况可以考虑。 ⑴无岩心钻探的应用 无岩心钻探可比取心钻探提高施工效率约一倍，施工成本也可相应地显著降低。在X荧光测井技术研发成功以后，可考虑结合X荧光测井开展无岩心钻探。 ⑵反循环取样钻探的应用 与此相近的另外一种方案是，结合地表X荧光测量开展空气反循环取样钻探。空气反循环取样钻探是一种高效、低成本的钻探方法，适用于各种钻进条件，包括干旱缺水、地层复杂、钻进困难的条件，岩样回收率接近100，该方法的钻进成本为取心钻进的三分之一至二分之一。 ⑶定向钻探的应用 由于地层产状的原因，有时候钻定向孔会比钻直孔获得更好的技术经济效果。而有时，在一个孔内采用定向钻进技术施工多分支孔，可以明显降低勘探成本。例如，冬瓜山铜矿的深部矿体勘探应用了定向钻探技术，实现在一个主孔内施工四个定向分枝孔，共计完成工作量2230.19米。试验的一组钻孔比地表钻孔可节省工作量40％左右（1985米），节约投资21万元。 9