劉蒙恩，顧衛(wèi)

（1.首鋼地質(zhì)勘查院地質(zhì)研究所，北京 100144；2.重慶地質(zhì)儀器廠，重慶 400033）

1 緒論

隨著我國對鐵礦石資源的需求持續(xù)增大，淺部的礦體已將近開采殆盡。對于深部礦而言，其在地面產(chǎn)生的磁異常很弱，所以地面磁法很難準確推斷出礦體的賦存特征，如果采用電法，一是價格比較昂貴，二是電法在老礦區(qū)存在地形和工業(yè)電流干擾，效果也不是很理想。要想得到深部的磁性信息，三分量磁測井是一個不錯方法，由于它可以直接進入到地下幾百米甚至一兩千米，因而得到數(shù)據(jù)更真實可靠，結(jié)合找礦經(jīng)驗及理論知識，可以很好地對未知礦體進行判斷。

2 三分量磁測井原理

2.1 儀器設(shè)備及原理

儀器采用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的JGS-1B智能工程測井系統(tǒng)，探頭型號：JCX-3型三分量井中磁測探管。儀器分為絞車電纜部分、測井主機及三分量磁探頭組成。探頭里面有三個呈互相垂直關(guān)系的磁敏元件，安裝在一個可以沿鉛垂方向自由擺動和水平方向自由轉(zhuǎn)動的裝置上，在重力的作用下Z磁敏元件一直垂直向下，感應(yīng)垂直分量；XY磁敏元件會隨著探管的傾斜方向的變化而整體轉(zhuǎn)動，其中X指向探管傾向（見圖1）。

因此，如果所測井為直孔時，水平轉(zhuǎn)動系統(tǒng)無法確定XY的指向，在測井的過程中，它們的指向是無法得知的，因而測得的XY值無法進行解析。

圖1 三分量探管內(nèi)磁敏元件

2.2 三分量探管主要技術(shù)指標

以重慶地質(zhì)儀器廠的JCX-3型三分量井中磁測探管為例，其主要技術(shù)指標如下：

· 測量范圍：－99999nT～＋99999nT

·X、Y磁敏元件轉(zhuǎn)向差≤400nT

·Z磁敏元件轉(zhuǎn)向差≤300nT

· 傾角測量范圍0～45°，誤差小于0.2°

· 方位角測量范圍0～360°，誤差小于2°（傾角≥3°）

· 線性度≤2‰

· 數(shù)字輸出，更新速度≥3次／秒

· 探管外形尺寸：Φ40×1400mm

· 測量井深≤2000m

· 探管耐壓≤150kg／cm2

· 配用電纜：4芯鎧裝電纜

· 工作環(huán)境：溫度：0～70℃；濕度：90%（40℃）

2.3 測定及驗證三個磁敏元件的方向

如果對探管的三個分量的方向不太清楚，可以在實驗室進行測定驗證，仍以重慶地質(zhì)儀器廠的JCX-3型三分量井中磁力儀為例，首先把儀器組裝好，把探頭放在校正臺上（如果沒有校正臺，也可直接把探頭靠在椅子上，這樣數(shù)據(jù)的質(zhì)量可能要差一些），然后用羅盤打出磁北方位，并把校正臺0度對正磁北方向并調(diào)平，之后可以進行測試。共進行兩項測試。

2.3.1 垂直擺動測試

探管傾向不變（如定為0度）并不斷改變頂角，測得的數(shù)據(jù)見表1。

表1

由表中數(shù)據(jù)可以看出，在傾角增大時，XYZ三個分量基本保持不變（變化幅度為幾百納特，為儀器允許的誤差范圍），說明探頭的垂直擺動系統(tǒng)工作正常。2.3.2 XY方向測試

探管頂角不變（如保持為20度）并不斷改變傾向，測得的數(shù)據(jù)見表2。

表2

由上表可以看出，當方位角設(shè)定為0度時，Y分量接近零，X分量為最大正值，說明X分量為指向探管的傾向方向。當方位角為60度時，X減小，Y為負值，說明Y指向從上面看X方向的順時針90度方向（如圖1所示）。

注：數(shù)據(jù)的偏差可能受三個因素影響：1.校正臺不太水平；2.校正臺附近存在磁性干擾；3.儀器本身的測量誤差。

3 三分量磁測井數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)收集整理

需要收集整理的數(shù)據(jù)有以下幾種：

（1）鉆孔位置的地磁參與場（IGRF），地磁場水平分量H0，垂直分量Z0，磁偏角D。

（2）鉆孔的測斜資料：包括深度、頂角（傾角）、方位角。

（3）地質(zhì)剖面方位角。

（4）三分量磁測井數(shù)據(jù)（深度、XYZ三個分量值）。

3.2 數(shù)據(jù)計算方法

3.2.1 剩余垂直分量ΔZ

只需用測得的數(shù)值減去Z0（ΔZ＝Z－Z0）。

3.2.2 水平分量的處理

能夠得到三個參量：ΔH⊥（剩余水平分量在地質(zhì)剖面的投影）、ΔH∥（剩余水平分量在地質(zhì)剖面的垂直剖面的投影）。計算見圖2，可以用矢量的合成分解法。

圖2 用矢量合成分解法求解水平分量

具體實現(xiàn)方法：根據(jù)鉆孔方位角和地質(zhì)剖面方位角的相對關(guān)系，把XY分量投影到地質(zhì)剖面（H⊥）及其垂直剖面（H∥）上，再把水平分量H0投影到上述兩個剖面上（H0⊥、H0∥），然后用前面的兩個數(shù)值分別減去后面的兩個數(shù)值，就得到了ΔH⊥和ΔH∥。

4 數(shù)據(jù)成圖

得到每個測點的ΔZ、ΔH⊥及ΔH∥后，可以繪制曲線和矢量線，ΔZ曲線、ΔH⊥曲線、ΔT⊥矢量線及ΔT∥矢量線。關(guān)于曲線的繪制比較簡單，下面重點介紹一下矢量線的繪制方法。

ΔT⊥矢量及ΔT∥矢量：它們相當于測得的磁場矢量和理論地磁場矢量（T0）相減后得的剩余磁場矢量）在地質(zhì)剖面及其垂直剖面的投影。它們的垂直分量都是ΔZ，水平分量分別是ΔH∥及ΔH′。知道了這些就可以直接利用上面計算出來的數(shù)值來做圖了。下面是一個已經(jīng)完成鉆孔的成果圖。

圖3 一個完整鉆孔的三分量測井成果圖

5 測井成果圖推斷解釋

5.1 ΔZ曲線理論特征

我國大部分地區(qū)在北半球的中緯度地區(qū)，這里的地磁場方向為斜向下，屬斜磁化。礦體被磁化后產(chǎn)生的剩余磁場，相當于圖4所示的一個磁鐵。

圖4 三分量磁測井ΔZ曲線特征

ΔZ曲線的有代表意義的特征有三個，對于測井曲線的解釋很有用，分別是：

5.1.1 “弓”字型異常

見于見礦鉆孔，見礦前在高于礦頭（N極）位置，曲線呈現(xiàn)微弱負開口，到達礦頭附近，曲線接近零值，礦頭以下至見礦前曲線呈現(xiàn)正異常逐漸加大趨勢，見礦后由于內(nèi)磁場和外磁場反向，所以曲線立即出現(xiàn)很大負異常（如果礦體品位高且品位穩(wěn)定，該負值也基本恒定），出礦后又立即變?yōu)檎挡⒅饾u收斂，至礦尾（S極）接近零值，之后出現(xiàn)一個微弱負異常并緩慢歸零。

5.1.2 “S”型異常

見于井旁有礦頭的鉆孔，當鉆孔附近有一個盲礦體，且礦體的礦頭（N極）距鉆孔較近時，高于礦頭時，受礦頭產(chǎn)生的向上磁場作用，故此產(chǎn)生一個負異常，到達礦頭標高附近減小為接近零，在礦頭標高以下部分礦體產(chǎn)生的磁場向下，故產(chǎn)生一個正異常。這種負－正異常交替出現(xiàn)的組合形狀像一個“S”。

5.1.3 反“S”型異常

和“S”型異常相反，反“S”異常出現(xiàn)在井旁有礦尾的鉆孔。當鉆孔附近有一個盲礦體尾部（S極）時，在礦體尾部標高以上，磁場方向向下，故產(chǎn)生的異常為一個正異常；礦體尾部標高附近，磁場接近水平，異常也接近零；在礦體尾部標高以下，磁場方向變?yōu)橄蛏?，故異常為一個負異常。反“S”異常是一個正－負異常組合。

5.2 ΔT∥矢量用法

ΔT∥矢量在測井成果圖的解釋中沒有用，之所以畫出ΔT∥矢量，是為了確認剖面方位角和礦體的關(guān)系是否合適。一般的地質(zhì)剖面總是盡量垂直礦體走向方向，這樣，礦體產(chǎn)生的磁場方向大體都平行于剖面方向，投影后很接近真實的磁場方向、失真很小，但當剖面到達礦體的邊緣或礦體沒有一個明顯走向時，地質(zhì)剖面方向的選取就可能不是很合理，這樣對測井異常的解釋會造成偏差，甚至判斷錯誤。

所以繪制測井曲線時畫出該矢量可以加以驗證，如果該矢量沒有明顯規(guī)律，呈現(xiàn)比較凌亂的樣子，就說明原剖面方向選取正確。

5.3 ΔT⊥矢量用法

這個矢量其實就是礦體產(chǎn)生的磁場在觀測剖面的投影，其方向為磁力線的切線方向，大小和磁力線的密度成正比。我們一般取地質(zhì)剖面的方向為垂直礦體走向，這樣礦體產(chǎn)生的磁場在地質(zhì)剖面的投影較強，在其垂直剖面的投影較弱。

ΔZ曲線雖然可以通過“S”異常、反“S”異常判斷有井旁礦體頭部、尾部，但是對于該礦體頭、尾部處于鉆孔的哪個方位卻無能為力，因為不管在哪個方位都能產(chǎn)生一樣的曲線。

這時就得依靠ΔT⊥矢量。要想準確判斷盲礦體的方位，就得找到一個合適的剖面方位角。具體方法為首先用地質(zhì)剖面方位角做出圖3那樣的測井曲線圖，然后觀察兩個矢量的特征，如果有一個明顯有優(yōu)勢，而另一個幅度較小且比較雜亂，說明有優(yōu)勢的那個矢量所在的剖面是合適的。如果是ΔT⊥矢量有明顯優(yōu)勢，則就用該圖來判斷盲礦體，如果不是，就改變剖面方位角并重新計算成圖，直到ΔT⊥矢量有明顯優(yōu)勢而ΔT∥矢量幅值較小且比較凌亂為止。

下面是一個很好實際例子，用來判斷盲礦體的方向。該孔的200～300m附近出現(xiàn)一個明顯的“S”型ΔZ曲線，由此可知該孔附近存在一個盲礦體。圖5左是由地質(zhì)人員提供的勘探線方位方向所繪制的測井曲線，可見ΔT⊥矢量比較凌亂，不太容易解釋，如果沒繪制出ΔT∥矢量，也就無法準確判斷盲礦方位。后來把勘探線旋轉(zhuǎn)90度后再繪制出測井曲線，就發(fā)現(xiàn)ΔT⊥矢量指向規(guī)則，其在260米深度附近存在一個明顯的矢量反向交匯，說明交匯處就是盲礦體頭部所在位置。

圖5 利用ΔT⊥矢量判斷盲礦方位的實例

除了判斷盲礦體的方位，根據(jù)一般經(jīng)驗，礦體的內(nèi)矢量一般與其傾向垂直，借此可以大致判斷礦體的傾向，見圖6。

圖6 利用ΔT⊥矢量判斷礦體產(chǎn)狀

5.4 ΔH⊥曲線特征

我國大部分處于北半球中緯度地區(qū)，這里地磁場為斜向下，故此礦體產(chǎn)生的磁異常一般也斜向下。對于低緯度地區(qū)，由于地磁場接近水平，利用ΔZ曲線很難對異常進行解釋，這時就用到了ΔH⊥曲線，解釋方法與ΔZ曲線類似。

6 井地聯(lián)合正反演

為對礦體進行定量解釋，可以利用地面精測剖面進行反演解釋，推斷出礦體的產(chǎn)狀及埋深，為地質(zhì)人員布鉆提供參考和依據(jù)。但隨著深度的加大，地面異常變得相當微弱，甚至低于磁測的測量誤差，這時，很難再單純使用地面異常進行正反演計算了。

如果礦區(qū)已經(jīng)有了部分深部鉆孔，并進行了井中三分量磁測，這樣就可以利用這些數(shù)據(jù)來和地面數(shù)據(jù)一起進行正反演計算，可以大大提高找礦效果（即見礦率）。

實現(xiàn)方法為：鉆孔可以當作一個縱剖面，地面磁測為橫剖面，三分量磁測井的數(shù)據(jù)可以進行合成與分解，得到想要計算的分量（或總場），然后計算出每個位置的理論磁異常。圖7為一個例子。

圖7 井地聯(lián)合正反演實例

7 結(jié)束語

總之，通過三分量磁測井可以大大彌補深部磁性信息較弱帶來的困難，可以發(fā)現(xiàn)井旁盲礦體及井底一定深度內(nèi)的盲礦體，可以對鉆探施工提供指導(dǎo)意見，還可以推斷礦體產(chǎn)狀，幫助地質(zhì)人員進行及時改變設(shè)計方案及對地質(zhì)連圖提出意見和建議。通過井地聯(lián)合反演，更可以大大提高磁法解釋的準確度。

以上是本人從事三分量磁測井多年來積累的一些經(jīng)驗，由于水平有限，其中難免存在一些錯誤和不足，希望多多提出寶貴意見和建議。

［1］首鋼地質(zhì)勘探公司《冀東遷安沉積變質(zhì)鐵礦井中三分量磁測磁異常綜合研究》，1986.

［2］首鋼地質(zhì)勘探公司《冀東遷安沉積變質(zhì)鐵礦磁異常綜合研究》，1984.

［3］重慶地質(zhì)儀器廠《論文集：測井、地震、電法方法技術(shù)》，2006.

［4］范正國，黃旭釗，熊盛青.等.磁測井資料應(yīng)用技術(shù)要求 ［M］.北京：地質(zhì)出版社，2010.